Lämpöherkkien pitkäikäisyysyhdisteiden termodynaaminen stabiilisuus ja hajoamiskinetiikka korkean leikkausvoiman valmistusrasituksessa

Abstrakti

Termolabiilit pitkäikäisyyteen liittyvät yhdisteet ja polyfenoliset bioaktiiviset aineet kokevat usein samanaikaisia lämpö-, oksidaatio-, pH- ja mekaanisia rasituksia valmistuksen aikana (esim. suuren leikkausvoiman sekoitus, korkeapainehomogenointi ja suihkukuivaus), mikä voi kiihdyttää kemiallista hajoamista ja heikentää vaikuttavien aineiden tehoa. Kvantitatiivisia, prosessin kannalta olennaisia stabiiliusparametreja tarvitaan sen vuoksi valmistettavien suunnittelualueiden määrittelyyn ja suojaavien formulaatiostrategioiden ohjaamiseen.[1–3]

Tämän synteesin menetelmät keskittyvät kvantitatiiviseen näyttöön, joka on poimittu tutkimuksista, joissa raportoidaan (i) termodynaamiset/termiset siirtymät DSC-/TGA-menetelmillä (sulaminen, hajoamisen alkaminen, lasisiirtymät ja vaiheittainen massanmenettelykäyttäytyminen) ja (ii) hajotuskineetiikka (näennäisen ensimmäisen kertaluvun / ensimmäisen kertaluvun mallit, Arrheniuksen aktivaatioenergia, pH-riippuvuudet ja hajoamisaikamitat) NAD⁺-esiasteille (NR/NRH/NMN), stilbenoideille (resveratroliin liittyvät järjestelmät), flavonoideille (kversetiini, fisiini, rutiini/esterit) ja kurkuminoideille.[4–11]

Tulokset osoittavat, että useilla edustavilla pitkäikäisyysyhdisteillä on kapeat lämpökäsittelyikkunat tietyissä fysikaalisissa tiloissa. Nikotiiniamidiribosidikloridi (NRCl) osoittaa sulamisen alkamista 120,7 ± 0,3 °C:ssa, ja sitä seuraa nopea sulamisen jälkeinen hajoaminen (esim. 98 % hajoaminen 130 °C:ssa qNMR-menetelmällä), kun taas vesipitoinen hajoaminen noudattaa näennäisen ensimmäisen kertaluvun kineetiikkaa aktivaatioenergioiden ollessa 75,4–82,8 kJ·mol⁻¹ riippuen pH:sta.[4]

Trans-resveratrolin hajotuskineetiikka on voimakkaasti pH- ja lämpötilariippuvaista (esim. puoliintumisaika lyhenee 329 päivästä pH:ssa 1,2 arvoon 3,3 minuuttia pH:ssa 10), ja nopeutetun testin ekstrapoolaus voi olla ei-arrheniusmainen tablettimatriiseissa.[7, 12]

Suuren leikkausvoiman yksikköoperaatiot voivat aiheuttaa paikallista kuumenemista ja oksidatiivisia ympäristöjä, mikä on osoitettu sillä, että suuren leikkausvoiman homogenointi nostaa poistolämpötilaa pyörimisnopeuden mukana ja osuu yhteen 42,6 prosentin askorbiinihappohäviön kanssa 20 000 rpm:ssä, sekä korkeapainehomogenointimekanismeilla, joihin liittyy venttiilin leikkausvoima, kavitaatio ja turbulenssi >100 MPa:ssa.[13, 14]

Johtopäätökset korostavat termodynaamisten siirtymätietojen (DSC/TGA/Tg) integroimista kineettisiin malleihin (Arrhenius-, ei-arrheniusmaiset ja isokonversionaaliset menetelmät) aika–lämpötila–leikkausvoima-karttojen tuottamiseksi ja lievennysstrategioiden, kuten kapseloinnin, amorofisten kiinteiden dispersioiden, syklodekstriini-/nanosienijärjestelmien, hapen hallinnan ja leikkausvoiman / lämpötilan minimoinnin, rationaaliseksi valitsemiseksi.[15–18]

Asiasanat: termolabiilit bioaktiiviset aineet; hajotuskineetiikka; Arrhenius; DSC; TGA; korkeapainehomogenointi; suihkukuivaus; NAD⁺-esiasteet

1. Johdanto

Pitkäikäisyyteen liittyviä yhdisteitä formuloidaan yhä enemmän ravintolisiksi, funktionaalisiksi elintarvikkeiksi ja edistyneiksi annostelujärjestelmiksi, mikä kannustaa valmistusreitteihin, jotka altistavat vaikuttavat aineet yhdistetyille rasituksille, kuten kuumennukselle, hapelle altistumiselle, vesipitoisuudelle, pH-vaihteluille ja voimakkaalle mekaaniselle energian syötölle.[3, 5, 14, 19]

NAD⁺-esiastekemioissa vesi- ja kiinteän tilan stabiilius ovat keskeisiä, koska reaktiivisuutta voi esiintyä glykosidisten tai fosfaattisidonnaisten motiivien hydrolyysin kautta ja koska käsittelylämpötilat voivat ylittää kiinteän tilan siirtymäkynnyksiä, jotka edeltävät nopeaa hajoamista.[4, 6]

Polyfenoleille ja niihin liittyville kasviperäisille vaikuttaville aineille stabiiliusrajoituksia ovat autoksimaatio, epimerisaatio ja entsymaattinen hapettuminen kinoneiksi, jotka ovat herkkiä lämpötilalle, pH:lle, metalli-ioneille ja hapen saatavuudelle käsittelyn aikana.[17]

Käytännön seuraus on se, että valmistuksen suunnittelu ei voi luottaa pelkästään nimelliseen massalämpötilaan; sen sijaan siinä on integroitava (i) termodynaamiset indikaattorit, kuten lasisiirtymä, sulaminen ja hajoamisen alkaminen, sekä (ii) kineettiset mallit, jotka kuvaavat hajoamisen riippuvuutta ajasta, lämpötilasta, pH:sta, hapesta ja (siellä missä se on mitattavissa) mekaanisen energian syötöstä.[4, 9, 10, 14, 15]

Tämä paperi syntetisoi kvantitatiivista näyttöä edustavista pitkäikäisyysyhdisteistä ja niihin liittyvistä bioaktiivisista aineista, joille sisällytetyt lähteet tarjoavat eksplisiittiset termodynaamiset siirtymät ja/tai kineettiset parametrit, ja se yhdistää nämä tiedot suuren leikkausvoiman yksikköoperaatioiden rasitusprofiileihin, mukaan lukien suuren leikkausvoiman sekoitus, korkeapainehomogenointi/mikrofluidisointi, mekanokemiallinen jauhatus ja suihkukuivaus.[1, 14, 15, 20]

2. Termodynaaminen viitekehys

Termodynaamista stabiiliutta valmistuskonteksteissa arvioidaan operationaalisesti mitattavien lämpötapatumien (DSC/TGA) ja tilan kuvaajien (esim. amorfinen vs. kiteinen; lasisiirtymälämpötila) avulla, jotka osoittavat, milloin yhdiste tai formulaatio siirtyy tiloihin, joissa on suurempi molekyyliliikkuvuus ja siten suuremmat reaktionopeudet tai erilaiset mekanismit.[4, 9, 15]

2.1 Gibbsin vapaa energia ja faasistabiilius

Useat sisällytetyt lähteet laskevat eksplisiittisesti Gibbsin vapaan energian muutoksia hajautusprosesseille tai termiselle tuhoutumiselle, mikä tarjoaa termodynaamisen mitan toteutettavuudelle tietyissä olosuhteissa.[8, 19]

NR-boraatin osalta hajoamisen spontaanisuutta arvioitiin Gibbsin vapaan energian laskennalla, jolloin (ΔG)-arvoksi raportoitiin 2,43 kcal·mol⁻¹.[19]

Rutiinin ja rasvahapporutiiniesterien pyrolyyttisissä olosuhteissa (ΔG)-arvot olivat positiivisia (84–245 kJ·mol⁻¹) yhdessä positiivisten (ΔH)-arvojen (60–242 kJ·mol⁻¹) kanssa, mikä osoittaa endotermistä ja ei-spontaania pyrolyysiprofiilia raportoidussa analyysissä.[8]

Kineettisen formalismin termein useat lähteet soveltavat myös siirtymätila- ja vapaan energian suhteita, kuten käyttämällä arvoja hydrolyysin aktivaation tulkitsemiseen kurkumiinispiroboraattikompleksijärjestelmässä.[21]

2.2 Lasisiirtymä, sulaminen ja hajoamisen alkaminen

DSC ja TGA tarjoavat toisiaan täydentäviä prosessiriskin merkkejä: sulamis- tai pehmenemistapahtumat voivat lisätä diffuusiota jyrkästi ja mahdollistaa nopean kemiallisen konversion, ja TGA:n massanmenetyksen alkaminen voi osoittaa peruuttamattoman hajoamisen alun jopa näennäisesti kiinteässä tilassa.[4, 9, 15]

NRCl:n osalta DSC osoittaa sulamisen alkamisen 120,7 ± 0,3 °C:ssa ja sulamishuipun 125,2 ± 0,2 °C:ssa, minkä jälkeen tapahtuu välitön terävä eksoterminen tapahtuma, jonka huippu on 130,8 ± 0,3 °C:ssa.[4]

DSC-tapahtumasarjan mukaisesti qNMR-kvantifiointi osoittaa rajoitettua hajoamista 115 °C:ssa (2 %), mutta nopeaa häviötä sulamisalueella ja sen yläpuolella (7 % 120 °C:ssa; 55 % 125 °C:ssa; 98 % 130 °C:ssa; vain 0,45 % NR:ää jäljellä 140 °C:ssa).[4]

NMN:n osalta yksi lähde raportoi, että yhdiste hajoaa sen sijaan, että sillä olisi selkeä sulamissiirtymä, jolloin hajoaminen alkaa 160 °C:ssa ja päättyy 165 °C:ssa, ja sillä on endoterminen DSC-huippu 162 °C:ssa hajotuksen entalpian ollessa 184 kJ·mol⁻¹.[6]

Kversetiinin osalta yhdistetty DSC/TGA-tulkinta osoittaa, että voimakasta DSC-endotermiä (maksimi 303 °C:ssa) pidetään usein virheellisesti sulamisena, kun taas TGA osoittaa hajoamisen alkavan 230 °C:ssa ja endotermin menevän päällekkäin jatkuvan massanmenetyksen kanssa; raportoitu "sulamislämpö" 303 °C:n huipulle on 69–75 kJ·mol⁻¹.[9]

Fisiinin osalta TGA osoittaa vähäisen massanmenetyksen (~5 %), joka johtuu veden haihtumisesta kiteisestä näytteestä, ja merkittävän massanmenetystapahtuman (~30,6 %) 369,6 °C:ssa, joka johtuu molekyylin hajoamisesta.[15]

Kurkumiinille inertissä typessä tehdyssä tutkimuksessa raportoidaan, että raakakurkumiini osoittaa monimutkaisen hajoamisprosessin, joka alkaa noin 240 °C:ssa (5 % massanmenetys) DTGA-huipun ollessa 347 °C ja 37 % jäämää jäljellä 600 °C:ssa (nopeudella 10 °C·min⁻¹).[18]

2.3 Amorfinen ja kiteinen stabiilius

Amorfiset formulaatiot voivat parantaa liukoisuutta ja biologista hyötyosuutta, mutta ne voivat muuttaa lämpökäyttäytymistä ja stabiiliutta lisäämällä molekyyliliikkuvuutta suhteessa kiteisiin muotoihin, mikä tekee lasisiirtymälämpötilasta (Tg) kriittisen stabiiliusparametrin.[15, 16]

Mekanokemiallisesti valmistetut fisiinin amorofiset kiinteät dispersiot (ASD) osoittavat mitattavissa olevia Tg-arvoja toisissa kuumennusskannauksissa ja osoittavat koostumukseen liittyviä siirtymiä Tg:ssä, jotka ovat yhteensopivia sekoittuvuuden kanssa: raa'at Eudragit® L100/EPO -aineet osoittavat Tg-arvoja 147,1/55,4 °C, kun taas fisiinin ASD:t osoittavat Tg-arvoja, kuten 144,2/71,8 °C ja 145,9/76.7 °C polymeeristä ja lääkeainekuormituksesta riippuen.[15]

Resveratrolin ja oksiresveratrolin nanosienille DSC osoittaa, että resveratrolin sulamisendotermi (266,49 °C) häviää nanosieniformulaatioissa, minkä kirjoittajat katsovat johtuvan lääkeainemolekyylien kapseloinnista ja mahdollisesta amorfoitumisesta nanosienimatriisissa.[16]

Kversetiinin osalta vetysidonnan ehdotetaan sekä rajoittavan sulamismaista pehmenemistä että helpottavan hajoamista sidoksen heikkenemisen kautta, ja yhdistetty DSC/TGA-tulkinta päätyy siihen, että kversetiini ei pelkästään sula, vaan siinä tapahtuu päällekkäisiä hajoamis- ja rakenteellisia rentoutumis-/pehmenemistapahtumia 150–350 °C:n alueella.[9]

3. Hajotuskineetiikkamallit ja -parametrit

Sisällytetyt lähteet käyttävät useita kineettisiä malleja (ensimmäisen kertaluvun, näennäisen ensimmäisen kertaluvun, korkeamman kertaluvun tai sigmoidaalisia muotoja) ja lämpötilariippuvuuden käsittelyjä (Arrhenius- ja joissakin tapauksissa ei-arrheniusmainen käyttäytyminen), joita motivoivat usein pH-riippuvuus ja monimutkainen monireittinen hajoaminen.[4, 7, 22]

3.1 Reaktiokertalukumallit

Laajasti käytetty perusviiva liuoksen faasin hajoamiselle on integroitu ensimmäisen kertaluvun malli, joka esiintyy useissa sisällytetuissä tutkimuksissa ensisijaisena sovituksena pitoisuus-aika-tiedoille säädellyssä pH:ssa ja lämpötilassa.[4, 11, 12]

NRCl:lle puskuroiduissa vesiliuoksissa hajoaminen kuvataan näennäisen ensimmäisen kertaluvun mukaiseksi, ja tämä näennäisen ensimmäisen kertaluvun muoto perustellaan sillä, että puskurijärjestelmät pitävät OH⁻-/H₃O⁺-pitoisuudet suuressa ylijäämässä ja suunnilleen vakioina suhteessa NR-pitoisuuteen.[4, 23]

Fisiinille ja kversetiinille fosfaattipuskurissa raportoidut tulokset esitetään ensimmäisen kertaluvun hajotusnopeusvakioina k (h⁻¹), jotka kasvavat voimakkaasti pH:n ja lämpötilan myötä.[24]

Kversetiinille 90 °C:ssa lähellä neutraalia pH:ta (6,5–7,5) toteutettiin sigmoidaalinen malli, jota verrattiin ensimmäisen kertaluvun malliin, jolloin sigmoidaalinen malli tuotti k-arvot, jotka olivat 2,3–2,5-kertaisia ensimmäisen kertaluvun sovituksiin verrattuna, sekä erilaisen puoliintumisaikatulkinnan pH:ssa 7,5.[22]

Suihkukuivatuille kasviuute-markkereille raportoitiin erilaisia näennäisiä reaktiokertalukuja apuainejärjestelmistä riippuen, mukaan lukien nollannen kertaluvun ja toisen kertaluvun mallit kaempferolille (apuainebinaarien yli) ja toisen kertaluvun malli kversetiinille apuaineissa.[20]

3.2 Arrhenius- ja Eyring-käsittelyt

Lämpötilariippuvuutta mallinnetaan usein Arrhenius-tyylisillä lausekkeilla, ja useat lähteet laskevat eksplisiittisesti aktivaatioenergiaa varastointiajan ennusteiden ja prosessin lämpöaltistuksen parametroimiseksi.[4, 10, 12]

NRCl:n hajotukselle vesiliuoksessa Arrheniuksen aktivaatioenergioiden raportoidaan olevan 75,4 (±2,9) kJ·mol⁻¹ pH:ssa 2,0, 76,9 (±1,1) kJ·mol⁻¹ pH:ssa 5,0 ja 82,8 (±4,4) kJ·mol⁻¹ pH:ssa 7,4.[4]

Trans-resveratrolille pH:ssa 7.4 Arrhenius-analyysi raportoidaan muodossa log(k_obs)=14,063−4425(1/T) (r = 0,97) lasketun aktivaatioenergian ollessa 84,7 kJ·mol⁻¹.[12]

Kurkumiinille puskuri/metanoli-seoksessa pH:ssa 8,0 Arrhenius-analyysi 37–60 °C:n välillä tuottaa arvon (E_a)=79,6±2,2 kJ·mol⁻¹.[10]

Kurkumiinille maha-suolikanavan kannalta relevantissa vesipitoisessa mediassa Arrhenius-kuvaajat osoittavat korkeaa lineaarisuutta alueella 37–80 °C (r²-arvojen ollessa 0,9967, 0,9994, 0,9886 eri medioille), ja aktivaatioenergioiden raportoidaan olevan 16,46, 12,32 ja 9,75 kcal·mol⁻¹ pH:lle 7,4, pH:lle 6,8 ja 0,1 N HCl:lle.[11]

Eyring-analyysi esiintyy myös kurkumiinispiroboraattiesterin (CBS) hydrolyyttisessä hajotustutkimuksessa, jossa Eyring-kuvaajan raportoidaan osoittavan lineaarista suhdetta korrelaation ollessa 0,9988.[21]

3.3 Isokonversionaaliset ja mallivapaat menetelmät

Useat termisen hajoamisen tutkimukset hyödyntävät isokonversionaalisia menetelmiä (esim. KAS, FWO, Friedman) konversioriippuvaisten aktivaatioenergioiden laskemiseen ja monivaiheisen hajoamisen sekä mekanismimuutosten tunnistamiseen.[8, 18, 25]

Rutiinin ja rutiinin rasvahappoestereiden aktivaatioenergiat vaihtelevat merkittävästi konversioasteen mukaan välillä 0,05 < (α) < 0,90, ja raportoidut alueet ovat 65–246 kJ·mol⁻¹; kirjoittajat tulkitsevat tämän osoittavan, että terminen hajoaminen etenee monivaiheisesti epäyksinkertaisen prosessin kautta.[8]

Resveratroli-β-syklodekstriiniklatraateilla aktivaatioenergia kasvaa muuntoasteen myötä, ja raportoidut nousut ovat 110:stä 130:een kJ·mol⁻¹ (OFW-menetelmä) ja 120:stä 170:een kJ·mol⁻¹ (Friedmanin menetelmä), mikä tulkitaan merkiksi reaktiomekanismin muutoksesta hajoamisen edetessä.[25]

Kurkumiinia sisältävillä polymeerijärjestelmillä typpikaasussa useilla eri menetelmillä (Kissinger, KAS, Friedman ja mallisovitus) johtdetut aktivaatioenergiat osoittavat laajasti yhdenmukaisia suuruusluokkia (esim. Kissingerillä 71 ± 5 kJ·mol⁻¹; KAS:lla 77 ± 2; Friedmanilla 84 ± 3), ja mallin valinta osoittaa F1-kinetiikkamallin energioiden ollessa välillä 73–91 kJ·mol⁻¹.[18]

3.4 Yhdistetty termomekaaninen ja oksidatiivinen hajoaminen

Suuren leikkausvoiman valmistustoiminnot voivat yhdistää mekaanisen energian hajaantumisen paikalliseen kuumenemiseen ja tehostuneeseen hapen siirtoon, mikä voimistaa hapettumisen ohjaamia reittejä hapelle herkissä bioaktiivisissa aineissa.[13, 14, 17]

Juomajärjestelmän suuren leikkausvoiman homogenoinnissa poistolämpötila nousee merkitsevästi pyörimisnopeuden myötä (esim. arvosta 4,1 ± 0,7 °C arvoon 0 rpm / 41 ± 1,2 °C arvossa 20 000 rpm), ja suurimmalla nopeudella askorbiinihappo vähenee 42,6 %, mikä on yhdenmukaista sen kanssa, että korkea lämpötila ja hapettuminen edistävät hajoamista.[13]

Korkeapainehomogenoinnissa (HPH) prosessointimekanismi kohdistuu nimenomaisesti leikkausjännityksen jakautumiseen venttiilin aukossa, jossa virtaus häiriintyy, sekä muihin ilmiöihin, kuten kavitaatioon, turbulenssiin, törmäykseen ja iskeytymiseen, jotka yhdessä luovat voimakasta mekaanista ja mahdollisesti oksidatiivista rasitusta.[14]

Oksidatiivinen kytkentä osoitetaan myös kversetiinin termisissä hapetuskokeissa: 150 °C:ssa kversetiinin hajoaminen etenee nopeammin hapessa kuin typessä (nopeusvakiot 0,868 h⁻¹ vs 0,253 h⁻¹) ja kiihtyy voimakkaasti kolesterolin ja hapen läsnä ollessa (nopeusvakio 7,17 h⁻¹), mikä on yhdenmukaista kolesterolihydroperoksidin muodostumisen ja kversetiinin hajoamisen välisen radikaaliketjukytkennän kanssa.[26]

NRH:n osalta happi ja lämpötila säätelevät voimakkaasti: 25 °C:ssa DI-vedessä raportoitu hajoamisnopeus on 1,27×10⁻⁷ s⁻¹ ilmassa (puoliintumisaika 63 päivää) verrattuna arvoon 5,90×10⁻⁸ s⁻¹ N₂:ssa (puoliintumisaika 136 päivää), ja kirjoittajat toteavat, että NRH voi hapettua hapen läsnä ollessa ja hydrolysoituu nopeasti happamissa olosuhteissa.[5]

4. Yhdisteluokkien katsaus

Alla oleva yhdistekeskeinen synteesi korostaa kvantifioituja kineettisiä ja termodynaamisia parametreja, joita voidaan käyttää suoraan valmistusmalleissa, mukaan lukien aktivaatioenergiat, nopeusvakiot, puoliintumisajat, hajoamisen alkamiset sekä lasittumiseen tai sulamiseen liittyvät rajoitukset.[4, 11, 12, 15, 24]

4.1 NAD⁺-esiasteet

NAD⁺-esiasteen stabiilisuuteen vaikuttavat voimakkaasti hydrolyysialttius sekä alhainen sietokyky tiettyjä termisiä siirtymiä kohtaan (erityisesti NRCl:lle sula-alueella) ja hapen ohjaama hapettuminen (erityisesti pelkistyneille muodoille, kuten NRH).[4, 5]

NRCl osoittaa pseudojen ensimmäistä kertalukua olevaa hajoamiskinetiikkaa vesiliuoksissa ja aktivaatioenergioita, jotka vaihtelevat pH:n mukaan (75,4–82,8 kJ·mol⁻¹), mikä koodaa kvantitatiivisesti sekä lämpöherkkyyden että vallitsevan hydrolyysireitin pH-riippuvuuden.[4]

Mekaaniseksi perustaksi ehdotetaan emäskatalysoitua hydrolyysiä, jossa NR vähenee nikotinamidin (Nam) ja sokerin kerääntyessä, ja moolitasapainotodisteita esitetään sen osoittamiseksi, että jokaista hajoavaa NR-molekyyliä kohti muodostuu yksi Nam-molekyyli ja yksi sokeri.[4]

Simuloiduissa maha-suolikanavan nesteissä fysiologisessa lämpötilassa ja sekoituksessa (USP II -lapa 75 rpm ja 37 °C) NRCl osoittaa suhteellisen vähäistä lyhyen aikavälin menetystä (esim. ~97–99 % jäljellä 2 tunnin kuluttua mahaväliaineessa), mutta mitattavissa olevan pidemmän aikavälin laskun 24 tunnin simulaatiossa (79,18 ± 2,68 % jäljellä 24 tunnin kohdalla ja 90,51 ± 0,82 % jäljellä 8 tunnin kohdalla).[4]

Kiinteässä tilassa NRCl osoittaa kapean lämpötilaikkunan sulamisen alkamisen ja nopean hajoamisen välillä: DSC raportoi sulamisen alkavan 120,7 ± 0,3 °C:ssa ja sitä seuraavan eksotermisen tapahtuman ~130,8 °C:ssa, kun taas qNMR kvantifioi jyrkän hajoamisen nousun 2 %:sta 115 °C:ssa 98 %:iin 130 °C:ssa.[4]

Yksi lähde kehystää nämä tiedot nimenomaisesti tarjoavan "selkeän ylärajalämpötilan NRCl:n käsittelylle", mikä voi vaikuttaa ravintolisien tuotantoon eri vaiheissa, mikä korostaa DSC/qNMR-kynnysarvojen merkitystä kovina rajoituksina kuumennetuissa toiminnoissa.[4]

NR-boraatti esittelee stabilointistrategian, jonka motivoi NR:n reaktiivisuus: NR:llä kuvataan olevan erityisen epävakaa glykosidisidos, joka liittää positiivisesti varautuneen pyridiiniumheterosyklin hiilihydraattiin, mikä vaikeuttaa sen synteesiä, varastointia ja kuljetusta, ja boraattistabiloinnilla kuvataan olevan korkea stabiilisuus termistä ja kemiallista hajoamista vastaan.[19]

Kvantitatiivisesti NR-boraatin liukoisuus on vahvasti pH-riippuvainen (esim. 1972.7 ± 15,4 mg·mL⁻¹ pH:ssa 1,5; 926,0 ± 34,4 mg·mL⁻¹ pH:ssa 7,4), ja Arrhenius-mallin raportoidaan osoittavan korkeampia hajoamisnopeuksia pH:ssa 7,4 kuin pH:ssa 1,5 tai 5,0, mikä on yhdenmukaista HO⁻-pitoisuuden vaikutuksen kanssa.[19]

Sama katsaus raportoi NR-boraatin hajoamisen Gibbsin vapaaksi energiaksi 2,43 kcal·mol⁻¹ ja toteaa, että 10 °C:n lämpötilan nousu approximately kaksinkertaistaa hajoamisnopeuden missä tahansa pH-olosuhteissa, mikä toistaa NRCl:llä havaitun lämpötilaherkkyyden.[4, 19]

NRH osoittaa voimakasta herkkyyttä pH:lle ja hapelle: täydellinen hajoaminen alle yhdessä päivässä pH:ssa 5 raportoidaan, kun taas pH:ssa 9 näytteet osoittavat ~42–45 % hajoamisen 60 päivän jälkeen, ja 25 °C:ssa DI-vedessä ilmassa ~50 % hajoaminen raportoidaan 60 päivän jälkeen verrattuna ~27 %:iin N₂:ssa.[5]

Tämä happiherkkyys johtuu mekaanisesti hapettumisesta hapen läsnä ollessa ja hydrolyysistä, joka kiihtyy happamissa olosuhteissa, mikä on yhdenmukaista sen kanssa, että NRH:ta kuvataan epävakaaksi molekyyliksi sen N-glykosidisidoksen vuoksi ja kykeneväksi hajoamiseen, hydrolyysiin ja hapettumiseen.[5]

NMN:n osalta kvantitatiivisia kiinteän tilan termodynaamisia markkereita ovat raportoitu hajoamisen alkaminen 160 °C:ssa ja päättyminen 165 °C:ssa (endotermisellä DSC-piikillä 162 °C:ssa ja hajoamisen entalpialla 184 kJ·mol⁻¹) sekä nopeutetut stabiiliustiedot, jotka raportoivat hajoamisnopeudeksi 0,8 % kuukaudessa 40 °C:ssa ja 75 % RH.[6]

Vesiliuoksessa NMN:n hajoamisen raportoidaan olevan näennäisesti ensimmäistä kertalukua huoneenlämpötilassa kineettisellä yhtälöllä lg(C_t)=0,0057t+4,8172 ja raportoiduilla ajoilla t_0.9=95,58 h ja t_1/2=860,26 h, ja tutkimus toteaa, että hajoamisnopeuteen vaikuttavat ensisijaisesti korkea lämpötila ja pH.[27]

Käytännön formulaatiorajoitusten tukemiseksi yksi tuotekeskeinen lähde suosittelee sisällyttämistä alle 45 °C:seen fosfodiesterisidoksen termisen hajoamisen estämiseksi ja raportoi alle 5 %:n hajoamisen nopeutetussa testauksessa 40 °C:ssa / 75 % RH:ssa 3 kuukauden aikana asianmukaisesti formuloiduissa matalan vesipitoisuuden järjestelmissä.[28]

Ensisijaisen NMN:n hajoamisreitin kuvataan olevan fosfodiesterisidoksen hydrolyysi, josta saadaan nikotinamidia ja riboosi-5-fosfaattia, ja pH-riippuvuuksien kuvataan olevan hapokkain katalysoitua hydrolyysiä alle pH 4,5 ja emäsvälitteistä pilkkomista yli pH 7,5.[28]

4.2 Stilbenoidit

Stilbenoidit sisältävät resveratrolia ja siihen liittyviä yhdisteitä, jotka osoittavat voimakasta pH- ja hapendiriippuvaista hajoamista, ja niiden stabiilisuus todellisissa formulaatioissa voi poiketa yksinkertaisesta Arrheniuksen ekstrapolaatiosta matriisivaikutusten ja useiden reittien vuoksi.[7, 12, 29]

Vesipohjaisissa järjestelmissä trans-resveratrolin raportoidaan olevan vakaa happamassa pH:ssa, kun taas hajoaminen kasvaa eksponentiaalisesti yli pH 6,8, ja puoliintumisaika lyhenee 329 päivästä pH:ssa 1,2 arvoon 3,3 minuuttia pH:ssa 10.[12]

pH:ssa 7,4 trans-resveratrolin hajoamisen kinetiikka noudattaa ensimmäisen kertaluvun kinetiikkaa tutkituissa lämpötiloissa, ja aktivaatioenergiaksi raportoidaan 84,7 kJ·mol−1.[12]

Mekaaninen peruste annetaan sille, että happamassa pH:ssa hydroksyyliryhmät ovat suojattuja radikaalihapettumiselta positiivisesti varautuneen H₃O⁺:n ansiosta, kun taas emäksisissä olosuhteissa fenaatti-ionit lisäävät alttiutta hapettumiselle ja fenyyliradikaalin muodostumiselle, ja hapen esiintyminen väliaineessa edistää hajoamiseen johtavia radikaalireaktioita.[12]

Riippumattomat termiset stabiiliuskokeet vesiliuoksessa (19 mg·L−1) eivät raportoi merkittäviä spektrillisiä muutoksia 30 minuutin jälkeen jopa 70 °C:seen asti, kun taas kohonneemmat lämpötilat johtavat yleiseen absorbanssin laskuun 304 nm:ssä ja alentuneeseen absorbanssiin alueella 270–350 nm, mikä osoittaa termisesti indusoitua tuhoa hydrotermisissä olosuhteissa.[30]

Näiden hydrotermisten kokeiden mekaaninen tulkinta ehdottaa kaksoissidoksen oksidatiivista halkaisua ja fenolia sisältävien hajoamistuotteiden, kuten hydroksialdehydien, alkoholien ja hydroksihappojen, muodostumista, ja FTIR-kaistat tulkitaan yhdenmukaisiksi aldehydi- ja karboksyylihapon muodostumisen kanssa 100–120 °C:ssa.[30]

Tablettimatriiseissa resveratrolin hajoamisen raportoidaan noudattavan ensimmäisen kertaluvun monoeksponentiaalista kinetiikkaa k-arvoilla 0,07140, 0,1937 ja 0,231 kuukautta−1 vastaavasti 25, 30 ja 40 °C:ssa, mutta ln(k) vs 1/T -suhde on epälineaarinen ja luokiteltu super-Arrhenius-tyyppiseksi, ja kirjoittajat ehdottavat mahdollisia toisia reaktioita, useita reaktioreittejä tai matriisivaikutuksia korkeammissa lämpötiloissa.[7]

Sama työ korostaa, että Arrheniuksen ekstrapolaatio ei aina mahdollista ravintolisien resveratrolin hajoamiskinetiikan määrittämistä ja että nopeutetut testit voivat johtaa vääriin arvioihin, mukaan lukien hajoamisen yliarviointiin.[7]

Stilbeeninkaltaisten fenolisten aineiden osalta kuivajärjestelmissä termiset käsittelyt, kuten höyrysterilointi 121 °C:ssa 20 minuutin ajan, tuottavat mitattavia menetyksiä (esim. pinosylviini pieneni 20,98 % piikkialan mukaan), ja 24 tunnin uunikuivaus 105 °C:ssa tuottaa >50 % laskut piikkialassa useille fenolisille aineille, kun taas TGA osoittaa hajoamisen alkamislämpötiloja yli ~200 °C pinosylviinijärjestelmille.[31]

4.3 Flavonoidit

Flavonoidit osoittavat monireittistä hajoamisherkkyyttä, johon vaikuttavat pH, lämpötila, happi ja formulaatiovuorovaikutukset, kuten proteiinisidonta, ja niiden terminen käyttäytyminen DSC/TGA:ssa voi sisältää päällekkäistä hajoamista ja pehmenemistä yksinkertaisen sulamisen sijaan.[9, 22, 24]

Puskuroiduissa liuoksissa väliaineen pH:n nostaminen arvosta 6,0 arvoon 7,5 nostaa fisetiinin ja kversetiinin hajoamisnopeusvakioita 24-kertaisesti ja 12-kertaisesti (esim. fisetiini k arvosta 8,30×10−3 arvoon 0,202 h−1; kversetiini k arvosta 2,81×10−2 arvoon 0,375 h−1), ja lämpötilan nostaminen yli 37 °C:seen nostaa k-arvoa merkittävästi (esim. fisetiini k arvoon 0,490 h−1 65 °C:ssa; kversetiini k arvoon 1,42 h−1 65 °C:ssa).[24]

Proteiinikomponentit voivat lieventää hajoamista: proteiinin lisäyksen myötä mitatut k-arvot pienenevät, mukaan lukien fisetiini k:n pieneneminen arvosta 3,58×10−2 alueille aina 1,76×10−2 h−1 asti ja kversetiini k:n pieneneminen arvosta 7,99×10−2 alueille aina 3,80×10−2 h−1 asti.[24]

Mekanistisesti flavonoidien kemiallinen epävakaus johtuu hydroksyyliryhmistä ja epävakaasta pyronirakenteesta, ja proteiinien aiheuttama stabiloituminen johtuu pääasiassa hydrofobisista vuorovaikutuksista (SDS:n häiritessä stabiloitumista), ja vetysidosten osuuden korostetaan vaativan tulevia kvantitatiivisia määrityksiä.[24]

Kversetiinin hajoamiskinetiikka 90 °C:ssa lähellä neutraaliutta osoittaa voimakkaita pH-vaikutuksia: k kasvaa noin viisinkkertaisesti pH-arvosta 6,5 arvoon 7,5, ja hapettumisen välituotteita, kuten kversetiinikinonia, havaitaan. Tyypillisiä lopputuotteita ovat protokatekuuhappo (PCA) ja floroglukanolikarboksyylihappo (PGCA).[22]

Mekanistinen selitys kohdistaa ensimmäisen mitattavissa olevan häviön 370 nm:ssä kversetiinin muuttumiseen kinoniksi ja ehdottaa, että kinonirungon lohkeaminen tuottaa yksinkertaisempia fenoleja, joiden absorbanssi on rajallinen, kun taas alkalinen deprotonaatio kiihdyttää C-renkaaseen ja B-renkaan o-difenolirakenteeseen vaikuttavaa hapettumista.[22]

Korkean lämpötilan järjestelmissä (150 °C) kversetiinin hajoaminen ja hapettuminen etenevät nopeasti. Raportoidut nopeusvakiot ovat 0,253 h−1 typessä ja 0,868 h−1 hapessa, ja voimakas kiihtyminen (7,17 h−1) tapahtuu hapessa ja kolesterolissa. Kokeellisesti kversetiinin häviö kasvaa 7,9 prosentista 10 minuutissa (N₂) arvoon 20,4 prosenttia 10 minuutissa (O₂), kun taas kolesteroli + happi -seoksessa kversetiiniä on jäljellä 10,9 prosenttia 10 minuutin jälkeen.[26]

Lämpöanalyysi osoittaa edelleen, että kversetiinistä ilmenee pieni endoterminen piikki 90–135 °C:n alueella, mikä liittyy pieneen massahäviöön (0,86 ± 0,33 painoprosenttia), hajoaminen alkaa 230 °C:ssa, ja merkittävä DSC-endotermi 303 °C:ssa menee päällekkäin hajoamisen kanssa. Vetyseitien väitetään sekä rajoittavan sulamismaista käyttäytymistä että edistävän hajoamista heikentämällä kemiallisia sidoksia.[9]

Rutiinin (kversetiiniglykosidin) ja sen rasvahappoestereiden osalta TGA osoittaa rutiinin olevan termisesti vakaa 240 °C:een asti, kun taas estereillä on alemmat alkuhajoamislämpötilat (217–220 °C) ja suurempi massahäviö päävaiheessa, ja aktivaatioenergia vaihtelee konversioasteen mukaan välillä 65–246 kJ·mol−1.[8]

4.4 Kurkuminoidit

Kurkumiinin hajoaminen on voimakkaasti pH-riippuvainen ja siihen liittyy hapettumisreittejä monissa vesipitoisissa olosuhteissa, kun taas lämpöhajoaminen ja formulaatiovuorovaikutukset voivat siirtää hajoamisen alkamiskohtia ja näennäisiä kineettisiä parametreja.[10, 18, 32]

Puskuri-/metanoliseoksissa 37 °C:ssa kurkumiinin hajoamisen raportoidaan noudattavan ensimmäisen kertaluvun kinetiikkaa k_obs:n kasvaessa dramaattisesti pH:n noustessa (esim. 3,2×10−3 h−1 pH-arvossa 7,0 vs. 693×10−3 h−1 pH-arvossa 12,0), kun taas pH-arvossa 5,0 kurkumiini on stabiili raportoiduissa kokeissa.[10]

pH-arvossa 8,0 Arrhenius-analyysi tuottaa arvon (E_a)=79,6±2.2 kJ·mol−1, ja ekstrapolointi vesipitoiseen puskuriin viittaa nopeaan häviöön hapettavissa olosuhteissa (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2,5 h).[10, 32]

Miselliset nanoformulaatiot hidastavat hajoamista dramaattisesti: polymeerisissä miselleissä ja Triton X-100 -miselleissä pH-arvossa 8,0 ja 37 °C:ssa raportoidut k_obs-arvot pienenevät arvoihin 0,9×10−3 ja 0,6×10−3 h−1, puoliintumisaikojen ollessa 777 ± 87 h ja 1100 ± 95 h, joiden todetaan olevan noin 300–500 kertaa suurempia kuin vapaan kurkumiinin vesipitoisessa puskurissa.[10]

Mekanistisesti mukana oleva työ väittää, että kurkumiinin hajoaminen ei etene hydrolyyttisen ketjun katkeamisen kautta vaan hapettumisen kautta, joka tuottaa lopputuotteena biosyklopentadionia, ja 1 mol:n kurkumiinin hajoamiseen liittyy 1 mol:n O₂:n kulutus, ja ensimmäinen vaihe on hydroksyyliryhmien deprotonaatio yli 7,0:n pH-arvoissa.[10]

Erillisessä maha-suolikanavaan liittyvässä stabiiliustutkimuksessa raportoidaan näennäinen ensimmäisen kertaluvun kinetiikka korkealla lineaarisuudella (r² > 0,95) ja annetaan aktivaatioenergiat (kcal·mol−1), jotka vaihtelevat väliaineen mukaan (korkeammat pH-arvossa 7,4 kuin 0,1 N HCl:ssä), ja siinä raportoidaan, että 12 tunnin jälkeen 37 °C:ssa yli 80 % säilyi 0,1 N HCl:ssä, mutta vain 57 % ja 47 % säilyi pH 6,8 ja 7,4 fosfaattipuskureissa.[11]

Korkeissa lämpötiloissa (180 °C) paahtokokeet osoittavat äärimmäistä termolabiliteettia siten, että vain 30 % alkuperäisestä kurkumiinistä on jäljellä 5 minuutin kuluttua, ja mekanistinen tulkinta yhdistää oksidatiivisen lohkeamisen ferulihapon välituotteeseen ja dekarboksylointivaiheeseen, jota ilmalla altistuminen ja korkeammat lämpötilat nopeuttavat.[33]

Kurkumiinin ja kurkumiinia sisältävien polymeerijärjestelmien lämpöhajoamistutkimukset typessä osoittavat monimutkaista käyttäytymistä: raa'an kurkumiinin hajoaminen alkaa noin 240 °C:ssa, kun taas kurkumiinin sisällyttäminen PGA/PCL-seoksiin siirtää PGA:n hajoamismaksimin alempiin lämpötiloihin (esim. puhtaan seoksen 372 °C:sta arvoon 327 °C 5 %:lla kurkumiinilla), mikä merkitsee sitä, että kurkumiinin sisällyttäminen voi heikentää matriisin lämpöstabiiliutta.[18]

Sama polymeerikeskeinen tutkimus yhdistää nämä tulokset valmistuksen merkitykseen toteamalla, että sulatustilan käsittely edellyttää sekä polymeerimatriisin kemiallisen stabiiliuden että sisällytettyjen lääkkeiden biologisen aktiivisuuden takaamista ja että PGA:n tai PGA/PCL-seosten käsittely kurkumiinin kanssa tulisi suorittaa mahdollisimman alhaisessa lämpötilassa PGA:n hajoamisen estämiseksi.[18]

Kurkumiinin stabiloitumista suuren leikkausvoiman emulgoinnissa kvantitoidaan myös Pickering-emulsioissa, jotka on valmistettu suuren leikkausvoiman sekoittimella nopeudella 22 000 rpm 2 minuutin ajan: säilytys 20 °C:ssa pimeässä osoittaa, että kapseloimattomassa kurkumiini-öljyseoksessa noin puolet kurkumiinista hajoaa 6 päivän jälkeen ja vain 20 % on jäljellä 16 päivän kuluttua, kun taas Pickering-emulsiojärjestelmä säilyttää ~50 % 16 päivän jälkeen ja pidentää puoliintumisaikaa 13 päivästä 28 päivään.[1]

UV-altistuksessa (6 W, 365 nm) sama järjestelmä osoittaa öljyseoksen osalta ~50 %:n hajoamista 9 tunnin jälkeen ja vain 20 %:n jäämisen jäljelle 24 tunnin kuluttua, kun taas Pickering-emulsio säilyttää ~70 % 9 tunnin jälkeen ja ~45 % 24 tunnin kuluttua ja pidentää puoliintumisaikaa ~13 tunnista ~27 tuntiin 50 %:n häviölle.[1]

4.5 Yhteenvetotaulukko

Alla oleva taulukko kokoaa yhdisteluokkien välillä raportoidut edustavat kineettiset ja termodynaamiset parametrit korostaen arvoja, joita voidaan käyttää suoraan prosessimallinnuksessa.

5. Suuren leikkausvoiman valmistuksen yksikkötoiminnot

Suuren leikkausvoiman valmistusaltistus altistaa termolabiilit yhdisteet mekaanisille jännityskentille, jotka voivat nostaa lämpötilaa, hapensiirtoa ja rajapinta-aluetta, vaikuttaen siten sekä reaktiokinetiikkaan että vallitseviin mekanismeihin, erityisesti happi- ja pH-herkille bioaktiivisille aineille.[13, 14, 17]

5.1 Sulakäsittely

Sulatustilan käsittely korostuu polymeeri-lääkejärjestelmissä skenaariona, jossa sekä polymeerin stabiilius että lääkkeen aktiivisuus on säilytettävä, ja siinä todetaan nimenomaisesti, että sulatustilan käsittely merkitsee sitä, että polymeerimatriisin kemiallinen stabiilius ja sisällytettyjen lääkkeiden biologinen aktiivisuus on taattava.[18]

PGA/PCL–kurkumiinijärjestelmässä kurkumiinin sisällyttäminen vaikuttaa haitallisesti PGA:n lämpöstabiiliuteen, ja kirjoittajat suosittelevat käsittelyä mahdollisimman alhaisessa lämpötilassa PGA:n hajoamisen estämiseksi, yhdistäen lämpöstabiiliuden karakterisoinnin prosessisuunnitteluun.[18]

5.2 Korkeapainehomogenointi ja mikrofluidisointi

Korkeapainehomogenointi altistaa nesteet voimakkaalle mekaaniselle jännitykselle niiden virratessa kapean raon venttiilin läpi; aukon kohdalla nestettä altistetaan leikkaustoiminnalle, ja lisäilmiöt, kuten kavitaatio, turbulenssi, törmäys ja sysäys, vaikuttavat leikkausvaikutuksiin.[14]

Korkeapainehomogenointi toimii yli 100 MPa:n kohonneissa paineissa ja voi tuottaa jopa 400 MPa:n paineita, ja käytettyä painetta, syklien/kierrosten määrää ja tulolämpötilaa kuvataan avaintekijöinä, jotka vaikuttavat kasvi kemikaalien uutettavuuteen ja stabiiliuteen.[14]

Kvantitatiivisesti korkeapainehomogenointikatsaus raportoi esimerkkejä koostumusmuutoksista, kuten L-askorbiinihapon vähittäisistä vähenemisistä (1,7 %, 4,6 %, 10,7 %) arvoissa 100, 200, 300 MPa ja polyphenolien vähenemisistä (esim. 10,6 %, 6,0 %, 1,4 %) omenamehussa arvoissa 100, 200, 300 MPa, mikä havainnollistaa, että painetaso voi korreloida hapettumisherkkien yhdisteiden häviöiden kanssa matriisista ja entsyymiaktiivisuudesta riippuen.[14]

Formulaatiomittakaavassa mikrofluidisointi voi tuottaa stabiileja emulsioita fenolien kvantifioidulla säilyvyydellä: W/O/W-emulsioiden optimaalisiksi mikrofluidisaattorijärjestelmän olosuhteiksi raportoitiin 148 MPa ja seitsemän sykliä, jotka tuottavat 105,3 ± 3,2 nm:n pisaroita ja PDI:n 0,233 ± 0,020, ja 35 päivän jälkeen fenolien säilyvyys oli 68,6 % ja antioksidanttiaktiivisuuden säilyvyys 89,5 %.[2]

Erillisessä kapselointitutkimuksessa raportoidaan yhdistetty suuren leikkausvoiman ja mikrofluidisoinnin lähestymistapa: liposomidispersioita homogenoitiin nopeudella 9500 rpm 10 minuutin ajan ja ajettiin sitten viisi kertaa mikrofluidisaattorin läpi paineessa 25 000 psi ennen sumutuskuivausta, mikä osoittaa, että teollisesti realistiset sarjat voivat yhdistää leikkausvoiman ja sitä seuraavan lämpökuivauksen.[3]

Erittäin korkeapainehomogenointia (UHPH) käsittelevät katsaukset korostavat venttiilin sisäistä äärimmäistä leikkausta ja iskuja raportoiduissa olosuhteissa, kuten yli 200 MPa:ssa (tyypillisesti 300 MPa) pumpatuilla nesteillä ja alle 0,2 sekunnin viipymäajalla venttiilissä Mach 3 -nopeudella, ja mikro-organismien, kolloidien ja biopolymeerien nanofragmenoinnilla arvoon 100–500 nm.[34]

5.3 Suuren leikkausvoiman sekoitus

Suuren leikkausvoiman sekoitusta käytetään usein esiemulgointi- tai dispersiovaiheena, ja se voi itsessään aiheuttaa merkittäviä lämpötilan nousuja ja hapettavia ympäristöjä, vaikuttaen siten hajoamiseen jo ennen myöhempiä toimintoja.[13]

Juomamallissa suuren leikkausvoiman homogenointi 10 minuutin ajan nousevilla pyörimisnopeuksilla nosti ulostulolämpötilaa (arvosta 4,1 ± 0,7 °C arvoissa 0 rpm arvoon 41 ± 1,2 °C arvoissa 20 000 rpm) ja liittyi huomattavaan askorbiinihapon häviöön (42,6 % vähennys nopeudella 20 000 rpm).[13]

Kurkumiinin Pickering-emulsiojärjestelmässä emulsioiden muodostamiseen käytettiin suuren leikkausvoiman sekoitusta nopeudella 22 000 rpm 2 minuutin ajan, minkä jälkeen stabiiliuden paranemista kvantifioitiin hitaamman hajoamisen ja pidentyneen puoliintumisajan kautta sekä varastointi- että UV-rasituksessa, yhdistäen suuren leikkausvoiman rajapinnan rakenteen kemiallisen stabiiliuden tuloksiin.[1]

5.4 Mekanokemiallinen jauhatus

Mekanokemiallinen käsittely (esim. kuulajauhatus) voi tuottaa amorfisia kiinteitä dispersioita ja muuttaa stabiiliutta muuttamalla kiinteän olomuodon muotoa, sekoittamalla molekyylitasolla ja mahdollistamalla vahvoja molekyylien välisiä vuorovaikutuksia, kuten vety-sidoksia.[15]

Fasetiinin ASD:iden ja sisällytysten osalta jauhatus suoritettiin huoneenlämmössä 30 Hz:n taajuudella ja 20 minuutin ajan, ja sitä seuraava TG/DSC-analyysi suoritettiin typessä lämpöstabiiliuden ja Tg-käyttäytymisen kvantifioimiseksi.[15]

5.5 Sumutuskuivaus

Sumutuskuivausta kuvataan yhtenä yleisimmin käytetyistä tekniikoista kuivattujen kasviuutteiden tuottamiseksi, ja sumutuskuivauksen aikaisten korkeiden lämpötilojen todetaan vaikuttavan mahdollisesti haitallisesti termolabiileihin (poly)fenoleihin.[3, 20]

Eräässä polyfenolien kapselointitutkimuksessa sumutuskuivaus suoritettiin tuloilman lämpötilan ollessa 150 ± 5 °C ja poistoilman lämpötilan 90 ± 5 °C, kun taas kirjoittajat totesivat (poly)fenolien määrän laskeneen happi- ja lämpöaltistuksen vuoksi sumutuskuivauksen aikana, mikä motivoi kapselointia funktionaalisten ominaisuuksien säilyttämiseksi.[3]

Uutteen esiformulaatiotutkimuksessa sumutuskuivaimen prosessiolosuhteita (tuloilman lämpötila, syöttövirtausnopeus, kolloidisen piidioksidin suhde) arvioitiin niiden vasteisiin kohdistuvien vaikutusten osalta, ja hajotuskineettisten parametrien, kuten reaktion kertaluvun, hajonneen fraktion ajan ja nopeusvakion, määrittämiseen käytettiin Arrhenius-menetelmiä.[20]

5.6 Yhteenvetotaulukko

Alla oleva taulukko tiivistää rasitusprofiilit ja esimerkit kvantitatiivisista vaikutuksista, joita on raportoitu yksikkötoiminnoille, jotka aiheuttavat voimakasta leikkausta ja/tai intensiivistä lämpöaltistusta.

6. Integroidut stabiilius-prosessimallit

Mukana olevat lähteet tarjoavat rakennuspalikoita integroidulle ennakoivalle kehykselle, jossa stabiiliustulokset lasketaan yksikkötoimintojen lämpöhistoriasta ja fysikaalis-kemiallisista mikroympäristöistä (pH, happi, vesiaktiivisuus) samalla kun kunnioitetaan termodynaamisia siirtymäkynnysarvoja.[4, 14]

6.1 Aika–lämpötila–leikkausvoima-kartoitus

Käytännön mallinnuslähestymistavassa voidaan käyttää kinetiikkaa (k, (E_a), puoliintumisaika) yhdessä mitattujen tai pääteltyjen yksikköprosessin aika-lämpötilaprofiilien kanssa odotetun konversion laskemiseen, kun taas tilasiirtymäkynnyksiä (Tg, sulamisen alku, hajoamisen alku) käytetään rajoina, jotka voivat siirtää mekanismeja tai nostaa reaktionopeuksia.[4, 15]

Esimerkiksi NRCl:n näennäiseen ensimmäisen kertaluvun liuosfaasimalliin voidaan asettaa parametrit Arrhenius-aktivointienergioiden (75,4–82,8 kJ·mol−1) ja sen havainnon avulla, että 10 °C:n lämpötilan nousu suunnilleen kaksinkertaistaa arvon k_obs, mikä mahdollistaa siirtymisen validoiduista puskurikokeista valmistusprosessin lyhyisiin lämpöaltistuksiin.[4]

Kurkumiinin osalta lämpöherkkyydelle voidaan asettaa parametrit arvolla (E_a)=79,6±2,2 kJ·mol−1 pH-arvossa 8,0 sekä raportoidulla arvon k_obs voimakkaalla pH-riippuvuudella, joiden avulla voidaan yhdessä ennakoida hävikkiä vesipitoisten säilytysten tai lämmitettyjen emulsiointivaiheiden aikana, joissa paikallinen pH on neutraali-emäksinen.[10]

trans-resveratrolin osalta pH:n ohjaama puoliintumisajan romahdus (sadoista päivistä minuutteihin pH:n noustessa) merkitsee, että prosessoinnin aikaisiin stabiiliustuloksiin saattaa vaikuttaa enemmän mikroympäristön pH kuin massalämpötila, ja Arrhenius-mallinnusta pH-arvossa 7,4 voidaan käyttää kohtuullisissa lämpöaltistuksissa arvolla (E_a)=84,7 kJ·mol−1.[12]

6.2 QbD ja suunnittelualue (design space)

Laatua suunnittelun kautta (Quality-by-design) koskevaa tulkintaa tukevat tutkimukset, joissa arvioidaan eksplisiittisesti, kuinka prosessiparametrit ja formulaatiomatriisit muuttavat hajoamismekanismeja, mukaan lukien havainnot siitä, ettänopeutettu testaus saattaa epäonnistua säilyvyysajan ennustamisessa, kun esiintyy ei-arrheniusmaista käyttäytymistä tai matriisivaikutuksia.[7, 29]

Resveratrolitablettien osalta johtopäätös siitä, että Arrhenius-lähestymistavat voivat yliarvioida hajoamista nopeutetuissa testeissä, kannustaa määrittämään suunnittelualueita sekä mekaanisen ymmärryksen että monilämpötilatietojen avulla yksittäisen nopeutetun olosuhteen sijaan.[7, 29]

Suihkukuivattujen flavonoidimerkkiainejärjestelmien osalta apuaineiden kerrotaan eksplisiittisesti vaikuttavan kineettiseen järjestykseen ja hajoamisfraktioaikoihin, mikä osoittaa, että formulaation koostumus on osa stabiiliuden suunnittelualuetta eikä kiinteä tausta.[20]

6.3 PAT ja analyyttinen spesifisyys

Tarkka prosessin seuranta edellyttää analyyttistä spesifisyyttä, koska hajoamistuotteet voivat sekoittaa yksinkertaisempia spektroskooppisia määrityksiä, erityisesti polyfenolien kohdalla.[12]

trans-resveratrolin osalta HPLC- ja UPLC-spesifisyyden raportoidaan olevan vahvistettu, kun taas UV/VIS-spektroskopia johti virheellisesti korkeampiin trans-resveratrolipitoisuuksiin olosuhteissa, joissa se ei ollut stabiili (alkalinen pH, valo, kohonnut lämpötila), mikä korostaa stabiiliutta osoittavien menetelmien tarvetta prosessianalytiikassa.[12]

7. Lieventämisstrategiat

Mukana olevissa lähteissä esitetyt lieventämislähestymistavat korostavat altistuksen rajoittamista tunnetuille kiihdyttimille (lämpö, happi, korkea pH, UV) sekä sellaisten formulaatioarkkitehtuurien käyttöä, jotka vähentävät molekyylien liikkuvuutta, suojaavat rajapintoja tai sijoittavat vaikuttavan aineen vähemmän reaktiivisiin mikroympäristöihin.[10, 13, 17]

7.1 Kapselointi ja dispersiot

Kapselointi miselli- tai hiukkasjärjestelmiin voi merkittävästi stabiloida lämpöherkkiä yhdisteitä rajoittamalla kosketusta veden, hapen ja reaktiivisten lajien kanssa sekä muuttamalla keskeisten funktionaalisten ryhmien happo-emäs-saatavuutta.[1, 10]

Kurkumiinin osalta misellinen liukoisuuden parantaminen alentaa arvon k_obs tasolle 0,6–0,9×10−3 h−1 ja pidentää puoliintumisajan arvoon 777–1100 h. Tämä stabiloituminen johtuu hydrofobisen miselliytimen sisällä tapahtuvan hydroksyylin deprotonoitumisen estämisestä, jota kuvataan hajoamisen ensimmäiseksi vaiheeksi.[10]

Pickering-emulsiot tarjoavat fyysisen esteen: tiiviin fyysisen esteen läsnäolon rajapinnassa todetaan haittaavan kurkumiinin hajoamista, ja määrällisesti estettä muodostava järjestelmä pidentää varastointipuoliintumisaikaa 13 päivästä 28 päivään ja UV-puoliintumisaikaa noin 13 tunnista noin 27 tuntiin.[1]

Sykodekstriinistä johdetut kantajajärjestelmät tarjoavat toisen strategian: resveratroli-β-syklodekstriiniklatraatit osoittavat lämpötapahtumia, mukaan lukien veden vapautuminen lähellä 50 °C:tta ja korkeamman lämpötilan hajoamistapahtumia, ja sitoutumisen vapaat energiat (esim. −86 kJ·mol−1 MM/PBSA:n mukaan) kvantifioivat voimakkaita sisällytysvuorovaikutuksia.[25]

Resveratrolin nanosienikapselointi eliminoi sen DSC-sulamisendotermin ja tarjoaa valosuojan: vapaa resveratroli osoittaa 59,7 %:n hajoamisen 15 minuutissa UV-altistuksessa, kun taas resveratrolinanosienet tarjoavat noin kaksinkertaisen suojan, mikä on sopusoinnussa sen kanssa, että kapselointi estää suoran UV-altistuksen.[16]

Amorfisia kiinteitä dispersioita voidaan suunnitella mekannokemiallisen jauhatuksen avulla, ja fisetiinin ja Eudragit®-esteriryhmien välinen vetysidonta on selvästi tunnistettu, mikä tarjoaa mekaanisen perustan sekoittuvuudelle ja muuttuneelle Tg:lle, mikä voi stabiloida kiteytymisriippuvaisia liukenemiskäyttäytymisen muutoksia vastaan.[15]

Apuaineiden ja kantajien valinta

Apuaineiden valinta voi muuttaa kineettisiä mekanismeja ja stabiiliustuloksia, kuten on raportoitu suihkukuivatuissa kasviuutejärjestelmissä, joissa reaktiojärjestys ja hajonneen fraktion ajat eroavat apuaineseosten mukaan, mikä osoittaa apuaineriippuvaista hajoamiskinetiikkaa.[20]

Proteiinien ainesosat voivat stabiloida flavonoideja hydrofobisten vuorovaikutusten kautta, mikä alentaa fisetiinin ja kversetiinin k-arvoja, ja näiden vuorovaikutusten SDS-häirintä tukee tulkintaa, jonka mukaan hydrofobinen sitoutuminen on keskeinen stabilointimekanismi.[24]

Prosessitekniikan ohjauskeinot

Prosessin ohjauskeinoja, jotka vähentävät lämpöaltistusta ja happokosketusta, tuetetaan suoraan useilla tietokokonaisuuksilla.[5, 18]

NRCl:n osalta DSC/qNMR-todisteet osoittavat, että sulamisen alkuvaiheen alueen (~120–130 °C) ylittäminen voi tuottaa erittäin nopeaa hajoamista, mikä tukee tiukkoja ylärajoja lämpötilalle ja viipymäajalle kuumennetuissa kiinteän tilan toiminnoissa.[4]

NRH:n osalta ilman ja N₂:n puoliintumisajan välinen ero 25 °C:ssa merkitsee, että inertointi ja hapen poissulkeminen voivat olla merkittäviä, ja kirjoittajat raportoivat, että näytteet N₂-peitteen alla 4 °C:ssa eivät osoita havaittavaa hajoamista 60 päivän kuluttua, kun taas ilmassa 4 °C:ssa olevat näytteet osoittavat ~10 % hajoamisen.[5]

Korkean leikkausvoiman homogenoinnin osalta suora havainto siitä, että kierrosluvun nostaminen nostaa poistolämpötilaa ja liittyy hapetusherkän askorbiinihapon suurempaan hävikkiin, tukee teknisiä toimenpiteitä, jotka rajoittavat leikkausvoiman aiheuttamaa lämpenemistä (esim. jäähdytysvaipat, lyhyemmät sekoitusajat, vaiheittainen lisäys).[13]

Suihkukuivauksen osalta väite, että hapen ja lämmön altistus vähentää (poly)fenoleja ja että korkeat lämpötilat voivat olla haitallisia lämpöherkille fenoleille, tukee sellaisia valintoja kuin poistolämpötilan alentaminen aina kun mahdollista ja kapseloinnin käyttö hapettumisen ja lämpöherkkyyden vähentämiseksi.[3]

Antioksidantit ja hapen hallinta

Antioksidantti- ja hapenhallintastrategioita tuetaan mekaanisesti kaikkien polyfenolitietokokonaisuuksien osalta.[12, 22]

Kversetiinin osalta 90 °C:ssa antioksidantit, kuten kysteiini, alentavat arvoa k siten, että 200 μmol·L−1 kysteiini tuottaa k:n alenemisen noin 43 % verrattuna verrokkiin, ja mekaanisessa tulkinnassa tarkastellaan kversetiinikinonin stabilointia ja radikaaleja sammuttavia vaikutuksia.[22]

trans-resveratrolin osalta hapen raportoidaan nimenomaisesti edistävän radikaalireaktioita, jotka johtavat hajoamiseen, mikä tukee inerttejä prosessointiatmosfäärejä tai hapen estoesteitä aina kun mahdollista alkalisessa/neutraalissa vesipitoisessa prosessoinnissa.[12]

Liposomaalisissa järjestelmissä resveratrolin raportoidaan rajoittavan stigmasterolin hapettumista neutraloimalla vapaita radikaaleja ja integroituvan lipidikaksoiskerroksiin lisäten jäykkyyttä, vähentäen hapen ja hapettavien aineiden läpäisevyyttä ja parantaen siten järjestelmän lämpö- ja hapettumisstabiiliutta.[35]

Keskustelu

Tässä syntetisoidun näyttöpohjan läpi vahvin kvantitatiivinen kaava on se, että kemiallinen mikroympäristö (pH, happi, veden läsnäolo) voi hallita stabiiliustuloksia jopa vaatimattomissa lämpötiloissa ja että useat bioaktiiviset aineet osoittavat jyrkkiä stabiiliuden epäjatkuvuuksia tietyissä lämpösiirtymäkynnyksissä.[4, 5, 12]

NAD⁺-esiasteiden osalta NRCl-tietokokonaisuus korostaa kaksoisjärjestelmää: vesiliuoksessa näennäistä ensimmäisen kertaluvun hydrolyysiä voidaan mallintaa Arrheniuksen aktivointienergiavajeilla ja noin kaksinkertaisella reaktionopeuden kasvulla per 10 °C, kun taas kiinteässä tilassa kapea alue noin 120–130 °C vastaa sulamista, jota seuraa heti nopea hajoaminen.[4]

Resveratrolin osalta hallitseva prosessiriski nousee esiin pH-herkkyydestä: puoliintumisaika romahtaa pitkistä kestoajoista happamassa pH:ssa minuutteihin korkeassa pH:ssa, kun taas happi edistää radikaalireaktioita, mikä osoittaa, että korkean leikkausvoiman toiminnot, jotka lisäävät hapen siirtoa ja paikallista alkalisetutta, voivat olla suhteettoman vahingollisia, vaikka massalämpötila pysyisi kohtuullisena.[12]

Flavonoideille kinonivälituotteiden kautta tapahtuva hapettuminen ja pH-riippuvaiset deprotonoitumismekanismit (kversetiini) yhdistyvät korkean lämpötilan hapettumiseen ja radikaaliketjukytkentään (esim. happi plus kolesteroli), mikä viittaa siihen, että lipidejä sisältävät formulaatiot ja happialtistus voivat voimakkaasti vahvistaa oksidatiivisia häviöpolkuja.[22, 26]

Kurkumiinin osalta hydrolyysivetoisten kertomusten (joissakin suoliston puskuritöissä) ja autoksidaatiovetoisten kertomusten (misellikeskeisissä töissä) välillä on mekaaninen jännite, mutta molemmat yhtyvät voimakkaaseen pH-vaikutukseen sekä hydrofobisten mikroympäristöjen ja hapen rajoittamisen suojaavaan rooliin.[11, 32]

Yksikköprosessitasolla korkean leikkausvoiman prosessit voivat toimia ensisijaisesti epäsuorina kiihdyttiminä tuottamalla lämpöä ja lisäämällä hapettumisherkkyyttä; tämä osoitetaan suoraan korkean leikkausvoiman homogenoinnissa, jossa pyörimisnopeus nostaa poistolämpötilaa ja osuu yksiin askorbiinihapon oksidatiivisen häviön kanssa.[13]

HPH/UHPH tuovat lisämonimutkaisuutta, koska venttiilialue aiheuttaa äärimmäistä leikkausvoimaa, kavitaatiota ja turbulenssia ja voi tuottaa korkeita paikallisia lämpötiloja, vaikka viipymäajat voivat olla hyvin lyhyitä (esim. <0,2 s UHPH-kuvauksissa), mikä merkitsee, että kemialliset tulokset saattavat riippua siitä, sääteleekö hajoamista nopeat radikaaliprosessit, diffuusion rajoittamat vaiheet tai hitaammat lämpöaktivointivaiheet.[14, 34]

Lopuksi useat lähteet korostavat, että stabiiliuden mallinnus on validoitava mekaanisesti asianmukaisessa matriisissa: resveratrolitablettitiedot osoittavat ei-arrheniusmaista käyttäytymistä ja matriisivaikutuksia, jotka rajoittavat yleistä Arrheniuksen ekstrapolointia nopeutetuista testeistä, ja suihkukuivatut kasviuutemerkkiaineet osoittavat apuaineriippuvaisia kineettisiä järjestyksiä ja hajonneen fraktion aikoja.[7, 20]

Päätelmät

Kvantitatiiviset termodynaamiset siirtymämarkkerit (DSC/TGA) ja hajoamiskinetiikka (k, t_(1/2), (E_a), konversiosta riippuvaiset aktivointenergiat) tarjoavat prosessin kannalta olennaisen perustan sellaisten valmistusolosuhteiden suunnittelulle, jotka säilyttävät lämpöherkkien pitkäikäisyysyhdisteiden ja niihin liittyvien bioaktiivisten aineiden tehon.[4, 8, 9]

NAD⁺-esiasteiden osalta NRCl osoittaa kapean lämpöprosessointi-ikkunan sulamisen lähellä, jota seuraa nopea hajoaminen, kun taas vesikinetiikka osoittaa pH-riippuvaista näennäistä ensimmäisen kertaluvun käyttäytymistä aktivointienergioilla 75–83 kJ·mol−1, jotka voivat parametrisoida lämpöaltistusmalleja.[4]

Resveratrolin osalta pH ja happi ovat hallitsevia muuttujia, ja puoliintumisaika romahtaa sadoista päivistä happamassa pH:ssa minuutteihin korkeassa pH:ssa, ja formulaatiomatriisit voivat tuottaa ei-arrheniusmaista käyttäytymistä, joka monimutkaistaa nopeutetun testauksen ekstrapolointia.[7, 12]

Flavonoideille ja kurkuminoideille hapettumisreitit (kversetiinin kinonivälituotteet; kurkumiinin autoksidaatio) motivoivat hapen hallintaa ja hydrofobisia kapselointistrategioita, joiden on määrällisesti osoitettu pidentävän puoliintumisaikaa kertaluokilla misellijärjestelmissä ja merkittävästi korkean leikkausvoiman sekoituksessa tuotetuissa Pickering-emulsioissa.[1, 10, 22, 32]

Korkean leikkausvoiman yksikköprosesseissa käytettävissä olevat tiedot osoittavat, että leikkausvoima voi nostaa lämpötilaa ja edistää hapettumista (korkean leikkausvoiman sekoitus) sekä että venttiilipohjaiset korkeapaineprosessit tuottavat äärimmäistä leikkausvoimaa ja kavitaatiota, jolloin paine, ajokertojen määrä ja tulolämpötila ovat keskeisiä rasitusmuuttujia; nämä havainnot tukevat aika-lämpötila-leikkausvoima-kartoituksen ja PAT-menetelmien käyttöönottoa stabiilisuutta osoittavan analytiikan avulla.[12–14]

Sidonnaisuudet

Tekijät ilmoittavat, että heillä ei ole sidonnaisuuksia.[20]