Termolabiilien longevity-yhdisteiden termodynaaminen stabiilisuus ja hajoamiskinetiikka korkean leikkausvoiman valmistusrasituksessa

Tiivistelmä

Lämpöherkät pitkäikäisyyteen liittyvät yhdisteet ja polyfenoliset bioaktiiviset aineet kokevat usein kytkeytyneitä termisiä, oksidatiivisia, pH-arvoon liittyviä ja mekaanisia rasituksia valmistuksen aikana (esim. suuren leikkausvoiman sekoitus, korkeapainehomogenointi ja sumukuivaus), mikä voi kiihdyttää kemiallista degradaatiota ja vähentää toimitettua tehoa. Kvantitatiivisia, prosessin kannalta olennaisia stabiilisuusparametreja tarvitaan siksi määrittelemään valmistettavuuden suunnittelualueet (design spaces) ja ohjaamaan suojaavia formulaatiostrategioita.[1–3]

Tämän synteesin menetelmät keskittyvät kvantitatiiviseen näyttöön, joka on poimittu tutkimuksista, joissa raportoidaan (i) termodynaamisia/termisiä transitioita DSC/TGA-menetelmillä (sulaminen, hajoamisen alkaminen, lasitransitiot ja vaiheittainen massahäviökäyttäytyminen) ja (ii) degradaatiokinetiikkaa (pseudo-ensimmäisen kertaluvun / ensimmäisen kertaluvun mallit, Arrhenius-aktivaatioenergiat, pH-riippuvuudet ja hajonneen fraktion aika-indikaattorit) NAD⁺-esiasteille (NR/NRH/NMN), stilbenoideille (resveratroliin liittyvät systeemit), flavonoideille (kversetiini, fisetiini, rutiini/esterit) ja kurkuminoideille.[4–11]

Tulokset osoittavat, että useilla edustavilla pitkäikäisyysyhdisteillä on kapeat termiset prosessointi-ikkunat tietyissä fysikaalisissa tiloissa. Nicotinamide riboside chloride (NRCl) osoittaa sulamisen alkamista 120.7 ± 0.3 °C:ssa, jota seuraa nopea sulamisen jälkeinen hajoaminen (esim. 98% degradaatio 130 °C:ssa qNMR-menetelmällä määritettynä), kun taas vesiliukoinen degradaatio noudattaa pseudo-ensimmäisen kertaluvun kinetiikkaa aktivaatioenergioiden ollessa 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ pH-arvosta riippuen.[4]

trans-resveratrolin osalta degradaatiokinetiikka on voimakkaasti pH- ja lämpötilariippuvaista (esim. puoliintumisaika lyhenee 329 päivästä pH-arvossa 1.2 aina 3.3 minuuttiin pH-arvossa 10), ja nopeutettujen testien ekstrapolointi voi olla ei-Arrhenius-tyyppistä tablettimatriiseissa.[7, 12]

Suuren leikkausvoiman yksikköoperaatiot voivat aiheuttaa paikallista kuumenemista ja oksidatiivisia ympäristöjä, kuten on osoitettu suuren leikkausvoiman homogenoinnilla, joka nostaa ulostulolämpötilaa pyörimisnopeuden myötä ja korreloi 42.6% askorbiinihappohävikin kanssa 20,000 rpm nopeudella, sekä korkeapainehomogenoinnin mekanismeilla, joihin liittyy venttiilin leikkausvoima, kavitaatio ja turbulenssi >100 MPa paineissa.[13, 14]

Johtopäätökset korostavat termodynaamisen transitiotiedon (DSC/TGA/Tg) integroimista kineettisiin malleihin (Arrhenius, ei-Arrhenius ja isokonversionaaliset menetelmät) aika–lämpötila–leikkausvoima-karttojen tuottamiseksi ja riskinhallintastrategioiden rationaaliseksi valitsemiseksi, mukaan lukien enkapsulaatio, amorfiset kiinteät dispersiot, syklodekstriini-/nanosienisysteemit, hapen hallinta sekä leikkausvoiman ja lämpötilan minimointi.[15–18]

Avainsanat: lämpöherkät bioaktiiviset aineet; degradaatiokinetiikka; Arrhenius; DSC; TGA; korkeapainehomogenointi; sumukuivaus; NAD⁺-esiasteet

1. Johdanto

Pitkäikäisyyteen liittyviä yhdisteitä formuloidaan yhä enemmän nutraceutical-tuotteiksi, funktionaalisiksi elintarvikkeiksi ja edistyneiksi annostelusysteemeiksi, mikä motivoi valmistusreittejä, jotka altistavat aktiiviaineet yhdistetyille stressitekijöille, mukaan lukien kuumennus, happikontakti, vesiaktiivisuus, pH-muutokset ja voimakas mekaaninen energiansyöttö.[3, 5, 14, 19]

NAD⁺-esiasteiden kemian osalta vesi- ja kiinteän olomuodon stabiilisuus ovat keskeisiä, koska reaktiivisuutta voi esiintyä glykosidisten tai fosfaattisidonnaisten motiivien hydrolyysin kautta, ja koska prosessointilämpötilat voivat ylittää kiinteän olomuodon transitiokynnykset, jotka edeltävät nopeaa hajoamista.[4, 6]

Polyfenolien ja vastaavien kasviperäisten aktiiviaineiden osalta stabiilisuusrajoitteita ovat autoksidaatio, epimerisoituminen ja entsymaattinen hapettuminen kinoneiksi, jotka ovat herkkiä lämpötilalle, pH:lle, metalli-ioneille ja hapen saatavuudelle prosessoinnin aikana.[17]

Käytännön seurauksena on, että valmistuksen suunnittelu ei voi perustua pelkästään nimelliseen massalämpötilaan; sen sijaan siihen on integroitava (i) termodynaamiset indikaattorit, kuten lasitransitio, sulaminen ja hajoamisen alkaminen, ja (ii) kineettiset mallit, jotka kuvaavat degradaation riippuvuutta ajasta, lämpötilasta, pH-arvosta, hapesta ja (mikäli mitattavissa) mekaanisesta energiansyötöstä.[4, 9, 10, 14, 15]

Tämä artikkeli syntetisoi kvantitatiivista näyttöä edustavista pitkäikäisyysyhdisteistä ja niihin liittyvistä bioaktiivisista aineista, joille mukana olevat lähteet tarjoavat eksplisiittisiä termodynaamisia transitioita ja/tai kineettisiä parametreja, ja linkittää nämä tiedot suuren leikkausvoiman yksikköoperaatioiden stressiprofiileihin, mukaan lukien suuren leikkausvoiman sekoitus, korkeapainehomogenointi/mikrofluidisointi, mekanokemiallinen jauhatus ja sumukuivaus.[1, 14, 15, 20]

2. Termodynaaminen viitekehys

Termodynaamista stabiilisuutta valmistuskonteksteissa arvioidaan operatiivisesti käyttämällä mitattavia termisiä tapahtumia (DSC/TGA) ja tilan kuvauksia (esim. amorfinen vs. kiteinen; lasitransitiolämpötila), jotka osoittavat, milloin yhdiste tai formulaatio siirtyy tiloihin, joissa on korkeampi molekulaarinen mobiliteetti ja siten korkeammat reaktionopeudet tai erilaiset mekanismit.[4, 9, 15]

2.1 Gibbsin vapaa energia ja faasistabiilisuus

Several included sources explicitly compute Gibbs free energy changes for degradation processes or thermal destruction, providing a thermodynamic measure of feasibility under specific conditions.[8, 19]

NR-boraatin osalta degradaation spontaanisuutta arvioitiin Gibbsin vapaan energian laskennan avulla, ja (ΔG) raportoitiin olevan 2.43 kcal·mol⁻¹.[19]

Rutiinin ja rasvahappo-rutiiniesterien osalta pyrolyyttisissä olosuhteissa (ΔG)-arvot olivat positiivisia (84–245 kJ·mol⁻¹) yhdessä positiivisen (ΔH):n kanssa (60–242 kJ·mol⁻¹), mikä viittaa endotermiseen ja ei-spontaaniin pyrolyysiprofiiliin raportoidussa analyysissä.[8]

Kineettisen formalismin termein useat lähteet soveltavat myös siirtymätila- ja vapaa-energia-suhteita, kuten käyttämällä arvoa tulkittaessa hydrolyysin aktivoitumista curcumin-spiroboraattikompleksisysteemissä.[21]

2.2 Lasitransitio, sulaminen ja hajoamisen alkaminen

DSC ja TGA tarjoavat täydentäviä merkkejä prosessiriskistä: sulamis- tai pehmenemistapahtumat voivat jyrkästi lisätä diffuusiota ja mahdollistaa nopean kemiallisen muuntumisen, ja TGA-massahäviön alkaminen voi osoittaa peruuttamattoman hajoamisen alkamisen jopa ilmeisessä kiinteässä tilassa.[4, 9, 15]

NRCl:n osalta DSC osoittaa sulamisen alkamista 120.7 ± 0.3 °C:ssa ja sulamispiikin 125.2 ± 0.2 °C:ssa, jota seuraa välitön jyrkkä eksoterminen tapahtuma, joka saavuttaa huippunsa 130.8 ± 0.3 °C:ssa.[4]

DSC-tapahtumasekvenssin mukaisesti qNMR-kvantifiointi osoittaa rajoitettua degradaatiota 115 °C:ssa (2 %), mutta nopeaa hävikkiä sula-alueella 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 se osoittaisi selkeän sulatransition; hajoaminen alkaa 160 °C:ssa ja päättyy 165 °C:seen, ja endoterminen DSC-piikki on 162 °C:ssa hajoamisentalpian ollessa 184 kJ·mol⁻¹.[6]

Kversetiinin osalta yhdistetty DSC/TGA-tulkinta osoittaa, että voimakas DSC-endotermi (maksimi 303 °C:ssa) luokitellaan yleisesti virheellisesti sulamiseksi, kun taas TGA osoittaa hajoamisen alkavan 230 °C:ssa ja endotermin olevan päällekkäinen jatkuvan massahäviön kanssa; raportoitu "sulamislämpö" 303 °C:n piikille on 69–75 kJ·mol⁻¹.[9]

Fisetiinin osalta TGA osoittaa pienen massahäviön (~5 %), joka johtuu veden haihtumisesta kiteisestä näytteestä, ja suuren massahäviötapahtuman (~30.6 %) 369.6 °C:ssa, joka johtuu molekyylin hajoamisesta.[15]

Kurkumiinin osalta inertissä typessä yksi tutkimus raportoi, että raaka kurkumiini osoittaa monimutkaisen hajoamisprosessin, joka alkaa noin 240 °C:ssa (5 % massahäviö), DTGA-piikin ollessa 347 °C:ssa ja 37 % residuaalin jäädessä jäljelle 600 °C:ssa (nopeudella 10 °C·min⁻¹).[18]

2.3 Amorfisen ja kiteisen tilan stabiilisuus

Amorfiset formulaatiot voivat parantaa liukoisuutta ja biosaatavuutta, mutta ne voivat muuttaa termistä käyttäytymistä ja stabiilisuutta lisäämällä molekulaarista mobiliteettia kiteisiin muotoihin nähden, mikä tekee lasitransitiolämpötilasta (Tg) kriittisen stabiilisuusparametrin.[15, 16]

Mekanokemiallisesti valmistetut fisetiinin amorfiset kiinteät dispersiot (ASDs) osoittavat mitattavia Tg-arvoja toisessa lämmitysajossa ja osoittavat koostumuksellisia muutoksia Tg-arvoissa sekoittuvuuden mukaisesti: raaka Eudragit® L100/EPO osoittaa Tg-arvot 147.1/55.4 °C, kun taas fisetiini-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 nanosienien osalta DSC osoittaa, että resveratrolin sulamisendotermi (266.49 °C) häviää nanosieniformulaatioissa, minkä kirjoittajat katsovat johtuvan lääkeainemolekyylien enkapsulaatiosta ja mahdollisesta amorfisoitumisesta nanosienimatriisin sisällä.[16]

Kversetiinin osalta vetysidosten ehdotetaan sekä rajoittavan sulamisen kaltaista pehmenemistä että helpottavan hajoamista sidosten heikkenemisen kautta; yhdistetty DSC/TGA-tulkinta päättelee, että kversetiini ei yksinkertaisesti sula, vaan se läpikäy päällekkäistä hajoamista ja rakenteellista relaksaatiota/pehmenemistä 150–350 °C:n välillä.[9]

3. Degradaatiokinetiikan mallit ja parametrit

Mukana olevat lähteet käyttävät useita kineettisiä malleja (ensimmäisen kertaluvun, pseudo-ensimmäisen kertaluvun, korkeamman kertaluvun tai sigmoidit muodot) ja lämpötilariippuvuuden käsittelyjä (Arrhenius ja joissakin tapauksissa ei-Arrhenius-käyttäytyminen), mikä on usein perusteltua pH-riippuvuudella ja monimutkaisella monireittisellä degradaatiolla.[4, 7, 22]

3.1 Reaktiojärjestysmallit

Laajasti käytetty lähtökohta liuosfaasin degradaatiolle on integroitu ensimmäisen kertaluvun malli joka esiintyy useissa mukana olevissa tutkimuksissa ensisijaisena sovitteena pitoisuus-aika-datalle kontrolloidussa pH:ssa ja lämpötilassa.[4, 11, 12]

NRCl:n osalta puskuroiduissa vesiliuoksissa degradaatiota kuvataan pseudo-ensimmäisen kertaluvun reaktioksi, ja tämä pseudo-ensimmäisen kertaluvun muoto on perusteltu puskurisysteemeillä, jotka pitävät OH⁻/H₃O⁺-pitoisuudet suurena ylimääränä ja likimain vakiona suhteessa NR-pitoisuuteen.[4, 23]

Fisetiinin ja kversetiinin osalta fosfaattipuskurissa raportoidut tulokset esitetään ensimmäisen kertaluvun degradaationopeusvakioina k (h⁻¹), jotka kasvavat voimakkaasti pH:n ja lämpötilan myötä.[24]

Kversetiinille 90 °C:ssa lähellä neutraalia pH-arvoa (6.5–7.5) toteutettiin sigmoidinen malli ja sitä verrattiin ensimmäisen kertaluvun malliin; sigmoidinen malli antoi 2.3–2.5 kertaa korkeammat k-arvot kuin ensimmäisen kertaluvun sovitteet ja erilaisen puoliintumisajan tulkinnan pH-arvossa 7.5.[22]

Sumukuivattujen kasviuutemarkkerien osalta raportoitiin erilaisia näennäisiä reaktiojärjestyksiä riippuen apuainesysteemeistä, mukaan lukien nollannen kertaluvun ja toisen kertaluvun mallit kemferolille (eri apuaineyhdistelmissä) ja toisen kertaluvun malli kversetiinille eri apuaineilla.[20]

3.2 Arrhenius- ja Eyring-käsittelyt

Lämpötilariippuvuutta mallinnetaan usein Arrhenius-tyyppisillä lausekkeilla ja useat lähteet laskevat eksplisiittisesti aktivaatioenergiat säilyvyysennusteiden ja prosessin termisen altistuksen parametrisoimiseksi.[4, 10, 12]

NRCl:n degradaatiolle vesiliuoksessa Arrhenius-aktivaatioenergioiksi raportoidaan 75.4 (±2.9) kJ·mol⁻¹ pH-arvossa 2.0, 76.9 (±1.1) kJ·mol⁻¹ pH-arvossa 5.0 ja 82.8 (±4.4) kJ·mol⁻¹ pH-arvossa 7.4.[4]

trans-resveratrolin osalta pH-arvossa 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]

Kurkumiinin osalta puskuri/metanoli-seoksessa pH-arvossa 8.0 Arrhenius-analyysi lämpötilavälillä 37–60 °C antaa (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹.[10]

Kurkumiinin osalta maha-suolikanavan kannalta relevanteissa vesipohjaisissa väliaineissa Arrhenius-kuvaajat osoittavat korkeaa lineaarisuutta välillä 37–80 °C (r²-arvot raportoitu 0.9967, 0.9994, 0.9886 eri väliaineille) aktivaatioenergioiden ollessa 16.46, 12.32 ja 9.75 kcal·mol⁻¹ pH-arvolle 7.4, pH-arvolle 6.8 ja 0.1 N HCl:lle vastaavasti.[11]

Eyring-analyysi esiintyy myös curcumin-spiroboraattiesterin (CBS) hydrolyyttisen hajoamisen tutkimuksessa, jossa Eyring-kuvaajan raportoidaan osoittavan lineaarista suhdetta korrelaatiolla 0.9988.[21]

3.3 Isokonversionaaliset ja mallivapaat menetelmät

Useat termisen degradaation tutkimukset soveltavat isokonversionaalisia menetelmiä (esim. KAS, FWO, Friedman) laskeakseen konversioasteesta riippuvia aktivaatioenergioita ja siten tunnistaakseen monivaiheisen hajoamisen ja mekanismin muutokset.[8, 18, 25]

Rutiinin ja rutiinin rasvahappoesterien osalta aktivaatioenergiat vaihtelevat merkittävästi konversioasteen mukaan välillä 0.05 < (α) < 0.90 raportoitujen vaihteluvälien ollessa 65–246 kJ·mol⁻¹; kirjoittajat tulkitsevat tämän osoitukseksi siitä, että terminen degradaatio etenee epäyksinkertaisen, monivaiheisen prosessin kautta.[8]

Resveratroli–β-syklodekstriini-klatraattien osalta aktivaatioenergia nousee transformaatioasteen myötä raportoitujen nousujen ollessa 110:stä 130 kJ·mol⁻¹:iin (OFW-menetelmä) ja 120:stä 170 kJ·mol⁻¹:iin (Friedman-menetelmä), mikä tulkitaan merkiksi reaktiomekanismin muutoksesta hajoamisen edetessä.[25]

Kurkumiinilla kuormitettujen polymeerisysteemien osalta typessä useilla lähestymistavoilla (Kissinger, KAS, Friedman ja mallisovitus) saadut aktivaatioenergiat osoittavat laajasti yhdenmukaisia suuruusluokkia (esim. 71 ± 5 kJ·mol⁻¹ Kissingerin menetelmällä; 77 ± 2 KAS-menetelmällä; 84 ± 3 Friedmanin menetelmällä), ja mallivalinta osoittaa F1-kineettistä mallia energioiden ollessa välillä 73–91 kJ·mol⁻¹.[18]

3.4 Kytkeytynyt termo-mekaaninen ja oksidatiivinen degradaatio

Suuren leikkausvoiman valmistusoperaatiot voivat kytkeä mekaanisen energian häviämisen paikalliseen kuumenemiseen ja tehostettuun hapensiirtoon, mikä vahvistaa hapetusreittejä happiherkissä bioaktiivisissa aineissa.[13, 14, 17]

Juomasysteemin suuren leikkausvoiman homogenoinnissa ulostulolämpötila nousee merkittävästi pyörimisnopeuden myötä (esim. 4.1 ± 0.7 °C:sta 0 rpm:ssä 41 ± 1.2 °C:seen 20,000 rpm:ssä), ja korkeimmalla nopeudella askorbiinihappo vähenee 42.6 %, mikä on yhdenmukaista korkean lämpötilan ja hapettumisen edistämän degradaation kanssa.[13]

Korkeapainehomogenoinnissa (HPH) prosessointimekanismi katsotaan eksplisiittisesti johtuvan leikkausstressijakaumasta venttiiliaukossa, jossa nesteen liike häiriintyy, sekä lisäilmiöistä, kuten kavitaatiosta, turbulenssista, törmäyksistä ja iskeytymisestä, jotka yhdessä luovat voimakasta mekaanista ja mahdollisesti oksidatiivista stressiä.[14]

Oksidatiivinen kytkeytyminen osoitetaan myös kversetiinin termisissä hapetuskokeissa: 150 °C:ssa kversetiinin degradaatio etenee nopeammin hapessa kuin typessä (nopeusvakiot 0.868 h⁻¹ vs. 0.253 h⁻¹) ja kiihtyy voimakkaasti kolesterolin ja hapen ollessa läsnä (nopeusvakio 7.17 h⁻¹), mikä on yhdenmukaista kolesterolihydroperoksidin muodostumisen ja kversetiinin degradaation välisen radikaaliketjukytkennän kanssa.[26]

NRH:n osalta happi ja lämpötila hallitsevat voimakkaasti: 25 °C:ssa tislatussa vedessä raportoitu degradaationopeus on 1.27×10⁻⁷ s⁻¹ ilmassa (puoliintumisaika 63 päivää) verrattuna arvoon 5.90×10⁻⁸ s⁻¹ N₂-kehässä (puoliintumisaika 136 päivää), ja kirjoittajat toteavat, että NRH voi hapettua hapen läsnä ollessa ja hydrolysoituu nopeasti happamissa olosuhteissa.[5]

4. Yhdisteluokkakohtainen tarkastelu

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

4.1 NAD⁺-esiasteet

NAD⁺-esiasteiden stabiilisuuteen vaikuttavat voimakkaasti hydrolyysialttius sekä alhainen sietokyky tietyille termisille transitioille (erityisesti NRCl:lle sula-alueella) ja hapen aiheuttamalle hapettumiselle (erityisesti pelkistetyille muodoille kuten NRH).[4, 5]

NRCl osoittaa pseudo-ensimmäisen kertaluvun degradaatiokinetiikkaa vesiliuoksissa ja sen aktivaatioenergiat vaihtelevat pH:n mukaan (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹), mikä koodaa kvantitatiivisesti sekä termisen herkkyyden että vallitsevan hydrolyysireitin pH-riippuvuuden.[4]

Mekanistisena perustana ehdotetaan emäskatalysoitua hydrolyysia, jossa NR vähenee samalla kun nikotiiniamidi (Nam) ja sokeri kertyvät; moolitasetiedot osoittavat, että jokaista hajonnutta NR-molekyyliä kohden muodostuu yksi Nam-molekyyli ja yksi sokerimolekyyli.[4]

Simuloiduissa maha-suolikanavan nesteissä fysiologisessa lämpötila- ja agitaatiossa (USP II -lapa 75 rpm ja 37 °C), NRCl osoittaa suhteellisen vähäistä lyhytaikaista hävikkiä (esim. ~97–99 % jäljellä 2 tunnin jälkeen vatsanesteessä), mutta mitattavaa pitkäaikaisempaa laskua 24 tunnin simulaatiossa (79.18 ± 2.68 % jäljellä 24 tunnin kohdalla, 90.51 ± 0.82 % ollessa jäljellä 8 tunnin kohdalla).[4]

Kiinteässä tilassa NRCl osoittaa kapean lämpötilaikkunan sulamisen alkamisen ja nopean hajoamisen välillä: DSC raportoi sulamisen alkamisen 120.7 ± 0.3 °C:ssa ja sitä seuraavan eksotermisen tapahtuman noin 130.8 °C:ssa, kun taas qNMR kvantifioi jyrkän nousun degradaatiossa 2 %:sta 115 °C:ssa 98 %:iin 130 °C:ssa.[4]

Yksi lähde kehystää nämä tiedot eksplisiittisesti tarjoamaan "selkeän ylemmän lämpötilarajan NRCl:n prosessoinnille", mikä voi vaikuttaa lisäravinteiden tuotantoon eri vaiheissa, korostaen DSC/qNMR-kynnysarvojen merkitystä ehdottomina rajoitteina lämmitetyissä toiminnoissa.[4]

NR-boraatti esittelee stabilointistrategian, joka perustuu NR:n reaktiivisuuteen: NR:n kuvataan sisältävän erityisen epästabiilin glykosidisen sidoksen, joka yhdistää positiivisesti varautuneen pyridinium-heterosyklin hiilihydraattiin, tehden sen syntetisoinnista, varastoinnista ja kuljetuksesta vaikeaa; boraattistabiloinnin kuvataan tarjoavan korkean stabiilisuuden termistä ja kemiallista degradaatiota vastaan.[19]

Kvantitatiivisesti NR-boraatin liukoisuus on voimakkaasti pH-riippuvaista (esim. 1972.7 ± 15.4 mg·mL⁻¹ pH-arvossa 1.5; 926.0 ± 34.4 mg·mL⁻¹ pH-arvossa 7.4), ja Arrhenius-mallin raportoidaan osoittavan korkeampia degradaationopeuksia pH-arvossa 7.4 kuin pH-arvossa 1.5 tai 5.0, mikä on yhdenmukaista HO⁻-pitoisuuden vaikutuksen kanssa.[19]

Sama katsaus raportoi NR-boraatin degradaation Gibbsin vapaaksi energiaksi 2.43 kcal·mol⁻¹ ja huomauttaa, että 10 °C:n nousu suunnilleen kaksinkertaistaa degradaationopeuden missä tahansa pH-olosuhteessa, toistaen NRCl:llä havaitun lämpötilaherkkyyden.[4, 19]

NRH osoittaa huomattavaa herkkyyttä pH:lle ja hapelle: raportoidaan täydellisestä degradaatiosta alle vuorokaudessa pH-arvossa 5, kun taas pH-arvossa 9 näytteet osoittavat ~42–45 % degradaatiota 60 päivän jälkeen, ja 25 °C:ssa tislatussa vedessä ilmassa raportoidaan ~50 % degradaatiota 60 päivän jälkeen verrattuna ~27 %:iin N₂-kehässä.[5]

Tämä happiherkkyys katsotaan mekanistisesti johtuvan hapettumisesta hapen läsnä ollessa ja hydrolyysista, joka kiihtyy happamissa olosuhteissa, mikä on yhdenmukaista sen kanssa, että NRH:ta kuvataan epästabiiliksi molekyyliksi sen N-glykosidisen sidoksen vuoksi ja sen katsotaan kykenevän degradaatioon, hydrolyysiin ja hapettumiseen.[5]

NMN:n osalta kvantitatiivisia kiinteän olomuodan termodynaamisia merkkiaineita ovat raportoitu hajoamisen alkaminen 160 °C:ssa ja päättyminen 165 °C:seen (endoterminen DSC-piikki 162 °C:ssa ja hajoamisentalpia 184 kJ·mol⁻¹) sekä nopeutetut stabiilisuustiedot, jotka raportoivat hajoamisnopeudeksi 0.8 % kuukaudessa 40 °C:ssa ja 75 % RH:ssa.[6]

Vesiliuoksessa NMN:n degradaation raportoidaan olevan näennäisesti ensimmäisen kertaluvun reaktio huoneenlämmössä 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 degradaationopeuteen vaikuttavat ensisijaisesti korkea lämpötila ja pH.[27]

Käytännön formulaatiorajoitteiden tukemiseksi yksi tuotekeskeinen lähde suosittelee aineen lisäämistä alle 45 °C:ssa fosfodiesterisidoksen termisen degradaation estämiseksi ja raportoi alle 5 % degradaatiota nopeutetussa testauksessa 40 °C/75 % RH -olosuhteissa 3 kuukauden aikana asianmukaisesti formuloiduissa vähävetisissä systeemeissä.[28]

Ensisijaiseksi NMN:n degradaatioreitiksi kuvataan fosfodiesterisidoksen hydrolyysi, joka tuottaa nikotiiniamidia ja riboosi-5-fosfaattia, pH-riippuvuuden ollessa happokatalysoitua hydrolyysia alle pH 4.5:n ja emäsvälitteistä pilkkoutumista yli pH 7.5:n.[28]

4.2 Stilbenoidit

Stilbenoideihin kuuluu resveratroli ja siihen liittyvät yhdisteet, jotka osoittavat voimakasta pH- ja happiriippuvaista degradaatiota, ja niiden stabiilisuus todellisissa formulaatioissa voi poiketa yksinkertaisesta Arrhenius-ekstrapolaatiosta matriisivaikutusten ja useiden reittien vuoksi.[7, 12, 29]

Vesipohjaisissa systeemeissä trans-resveratrolin raportoidaan olevan stabiili happamassa pH:ssa, kun taas degradaatio kasvaa eksponentiaalisesti yli pH 6.8:n, ja puoliintumisaika lyhenee 329 päivästä pH-arvossa 1.2 aina 3.3 minuuttiin pH-arvossa 10.[12]

pH-arvossa 7.4 trans-resveratrolin degradaatiokinetiikka noudattaa ensimmäisen kertaluvun kinetiikkaa tutkituilla lämpötila-alueilla, ja aktivaatioenergiaksi raportoidaan 84.7 kJ·mol−1.[12]

Mekanistisena perusteena esitetään, että happamassa pH:ssa hydroksyyliryhmät ovat suojassa radikaalihapetukselta positiivisesti varautuneen H₃O⁺-ionin toimesta, kun taas emäksisissä olosuhteissa fenaatti-ionit lisäävät alttiutta hapettumiselle ja fenoksiradikaalien muodostumiselle, ja väliaineen happi edistää degradaatioon johtavia radikaalireaktioita.[12]

Riippumattomat termistä stabiilisuutta vesiliuoksessa (19 mg·L−1) käsittelevät kokeet raportoivat, ettei merkittäviä spektraalisia muutoksia tapahdu 30 minuutin jälkeen aina 70 °C:seen saakka, kun taas korkeammat lämpötilat johtavat yleiseen absorbanssin laskuun 304 nm:ssä ja laskeneeseen absorbanssiin välillä 270–350 nm, mikä viittaa termisesti indusoituun tuhoutumiseen hydrotermisissä olosuhteissa.[30]

Näiden hydrotermisten kokeiden mekanistinen tulkinta ehdottaa kaksoissidoksen oksidatiivista pilkkoutumista ja fenolipitoisten degradaatiotuotteiden, kuten hydroksialdehydien, alkoholien ja hydroksihappojen, muodostumista; FTIR-kaistojen tulkitaan olevan yhdenmukaisia aldehydien ja karboksyylihappojen muodostumisen kanssa 100–120 °C:ssa.[30]

Tablettimatriiseissa resveratrolin degradaation raportoidaan noudattavan ensimmäisen kertaluvun monoeksponentiaalista kinetiikkaa k-arvoilla 0.07140, 0.1937 ja 0.231 kuukautta−1 lämpötiloissa 25, 30 ja 40 °C vastaavasti, mutta ln(k) vs. 1/T -suhde on epälineaarinen ja luokiteltu super-Arrhenius-tyyppiseksi; kirjoittajat ehdottavat mahdollisia toissajaisia reaktioita, useita reaktioreittejä tai matriisivaikutuksia korkeammissa lämpötiloissa.[7]

Sama työ korostaa, ettei Arrhenius-ekstrapolointi aina salli resveratrolin degradaatiokinetiikan määrittämistä lisäravinteissa ja että nopeutetut testit voivat johtaa virheellisiin arvioihin, mukaan lukien degradaation yliarviointiin.[7]

Stilbeenin kaltaisten fenolisten aineiden osalta kuivissa systeemeissä termiset käsittelyt, kuten höyrysterilointi 121 °C:ssa 20 minuutin ajan, tuottavat mitattavia hävikkejä (esim. pinosylviini väheni 20.98 % piikin pinta-alalla mitattuna), ja 24 tunnin uunikuivaus 105 °C:ssa tuottaa yli 50 % laskun useiden fenolisten aineiden piikin pinta-alassa, kun taas TGA osoittaa hajoamisen alkamislämpötiloiksi yli ~200 °C pinosylviinisysteemeille.[31]

4.3 Flavonoidit

Flavonoidit osoittavat monireittistä degradaatioherkkyyttä, johon vaikuttavat pH, lämpötila, happi ja formulaatiovuorovaikutukset, kuten proteiinisitoutuminen, ja niiden termiseen käyttäytymiseen DSC/TGA-analyyseissä voi liittyä päällekkäistä hajoamista ja pehmenemistä yksinkertaisen sulamisen sijaan.[9, 22, 24]

Puskuroiduissa liuoksissa väliaineen pH:n nostaminen 6.0:sta 7.5:een kasvattaa fisetiinin ja kversetiinin degradaationopeusvakioita 24-kertaisesti ja 12-kertaisesti vastaavasti (esim. fisetiinin k-arvo 8.30×10−3:sta 0.202 h−1:een; kversetiinin k-arvo 2.81×10−2:sta 0.375 h−1:een), ja lämpötilan nostaminen yli 37 °C:n kasvattaa k-arvoa merkittävästi (esim. fisetiinin k-arvo 0.490 h−1:een 65 °C:ssa; kversetiinin k-arvo 1.42 h−1:een 65 °C:ssa).[24]

Proteiini-apuaineet voivat lieventää degradaatiota: proteiinin lisäyksen myötä mitatut k-arvot laskevat, mukaan lukien fisetiinin k-arvon lasku 3.58×10−2:sta tasolle 1.76×10−2 h−1 ja kversetiinin k-arvon lasku 7.99×10−2:sta tasolle 3.80×10−2 h−1.[24]

Mekanistisesti flavonoidien kemiallinen epästabiilisuus katsotaan hydroksyyliryhmien ja epästabiilin pyronirakenteen syyksi, ja proteiinien tarjoama stabilointi katsotaan johtuvan pääasiassa hydrofobisista vuorovaikutuksista (SDS:n häiritessä stabilointia); vetysidosten osuuden korostetaan vaativan tulevaisuuden kvantitatiivisia määrityksiä.[24]

Kversetiinille 90 °C:ssa lähellä neutraalia pH-arvoa degradaatiokinetiikka osoittaa voimakkaita pH-vaikutuksia: k-arvo kasvaa noin viisinkertaiseksi pH-arvosta 6.5 pH-arvoon 7.5, ja hapetusvälituotteita, kuten kversetiinikinonia, havaitaan tyypillisten lopputuotteiden ollessa protokatekiinihappo (PCA) ja floroglusinolikarboksyylihappo (PGCA).[22]

Mekanistinen kuvaus osoittaa ensimmäisen mitattavan hävikkin 370 nm:ssä johtuvan kversetiinin muuntumisesta kinoniksi ja viittaa siihen, että kinonirungon pilkkoutuminen tuottaa yksinkertaisempia fenolisia aineita, joilla on rajallinen absorbanssi, kun taas emäksinen deprotonaatio kiihdyttää hapettumista vaikuttaen C-renkaaseen ja B-renkaan o-difenolirakenteeseen.[22]

Korkean lämpötilan systeemeissä (150 °C), kversetiinin degradaatio 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) havaitaan hapessa yhdessä kolesterolin kanssa; kokeellisesti kversetiinihävikki kasvaa 7.9 %:sta 10 minuutin kohdalla (N₂) 20.4 %:iin 10 minuutin kohdalla (O₂), kun taas kolesteroli + happi -systeemissä kversetiiniä on jäljellä vain 10.9 % 10 minuutin jälkeen.[26]

Terminen analyysi osoittaa edelleen, että kversetiini näyttää pienen endotermisen piikin 90–135 °C:n välillä, mikä liittyy pieneen massahäviöön (0.86 ± 0.33 paino-%); hajoaminen alkaa 230 °C:ssa, ja merkittävä DSC-endotermi 303 °C:ssa on päällekkäinen hajoamisen kanssa; vetysidosten väitetään sekä rajoittavan sulamisen kaltaista käyttäytymistä että helpottavan hajoamista heikentämällä kemiallisia sidoksia.[9]

Rutiinin (kversetiiniglykosidi) ja sen rasvahappoesterien osalta TGA osoittaa rutiinin olevan termisesti stabiili aina 240 °C:seen saakka, kun taas esterit osoittavat alhaisempia alkuperäisiä hajoamislämpötiloja (217–220 °C) ja suurempaa massahäviötä päävaiheessa; aktivaatioenergiat vaihtelevat konversioasteen mukaan 65:stä 246 kJ·mol−1:iin.[8]

4.4 Kurkuminoidit

Kurkumiinin degradaatio on voimakkaasti pH-riippuvaista ja siihen liittyy oksidatiivisia reittejä monissa vesipohjaisissa olosuhteissa, kun taas terminen hajoaminen ja formulaatiovuorovaikutukset voivat siirtää degradaation alkamiskohtia ja näennäisiä kineettisiä parametreja.[10, 18, 32]

Puskuri/metanoli-seoksissa 37 °C:ssa kurkumiinin degradaation raportoidaan noudattavan ensimmäisen kertaluvun kinetiikkaa k_obs-arvon 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 antaa (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1, ja ekstrapolointi vesipohjaiseen puskuriin viittaa nopeaan hävikkiin hapettavissa olosuhteissa (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]

Misellaariset nanoformulaatiot hidastavat degradaatiota dramaattisesti: polymeerisissä miselleissä ja Triton X-100 -miselleissä pH-arvossa 8.0 ja 37 °C:ssa raportoidut k_obs-arvot laskevat tasoille 0.9×10−3 ja 0.6×10−3 h−1 puoliintumisaikojen ollessa 777 ± 87 h ja 1100 ± 95 h, joiden todetaan olevan ~300–500 kertaa korkeampia kuin vapaalla kurkumiinilla vesipuskurissa.[10]

Mekanistisesti mukana oleva työ väittää, ettei kurkumiinin degradaatio tapahdu hydrolyyttisen ketjunpätkimisen kautta vaan hapettumisen kautta, jolloin lopputuotteena on bisyklopentadioni; 1 moolin kurkumiinia degradaatioon liittyy 1 moolin O₂ kulutus, ja ensimmäinen vaihe on hydroksyyliryhmien deprotonaatio pH:n ollessa yli 7.0.[10]

Erillinen maha-suolikanavan kannalta relevantti stabiilisuustutkimus raportoi näennäistä ensimmäisen kertaluvun kinetiikkaa korkealla lineaarisuudella (r² > 0.95) ja tarjoaa aktivaatioenergiat (yksikössä kcal·mol−1), jotka vaihtelevat väliaineen mukaan (korkeampi pH-arvossa 7.4 kuin 0.1 N HCl:ssä), ja raportoi, että 12 tunnin jälkeen 37 °C:ssa yli 80 % oli jäljellä 0.1 N HCl:ssä, mutta vain 57 % ja 47 % oli jäljellä pH 6.8 ja 7.4 fosfaattipuskureissa vastaavasti.[11]

Korkeissa lämpötiloissa (180 °C) paahtamiskokeet osoittavat äärimmäistä lämpöherkkyyttä: vain 30 % alkuperäisestä kurkumiinista on jäljellä 5 minuutin jälkeen; mekanistinen tulkinta linkittää oksidatiivisen pilkkoutumisen ferulihapon välivaiheeseen ja dekarboksylaatiovaiheeseen, jota ilman altistus ja korkeammat lämpötilat kiihdyttävät.[33]

Kurkumiinin ja kurkumiinia sisältävien polymeerisysteemien termisen hajoamisen tutkimukset typessä osoittavat monimutkaista käyttäytymistä: raa'an kurkumiinin hajoaminen alkaa noin 240 °C:ssa, kun taas kurkumiinin lisääminen PGA/PCL-seoksiin siirtää PGA:n degradaatiomaksimin alhaisempiin lämpötiloihin (esim. 372 °C:sta puhtaalla seoksella 327 °C:seen 5 % kurkumiinilla), mikä viittaa siihen, että kurkumiinin lisääminen voi heikentää matriisin termistä stabiilisuutta.[18]

Sama polymeerikeskeinen tutkimus linkittää nämä tulokset valmistuksen kannalta merkitykselliseksi toteamalla, että sulatilaprosessointi edellyttää sekä polymeerimatriisin kemiallisen stabiilisuuden että lisättyjen lääkeaineiden biologisen aktiivisuuden takaamista, ja että PGA:n tai PGA/PCL-seosten prosessointi kurkumiinin kanssa tulisi suorittaa mahdollisimman alhaisessa lämpötilassa PGA:n degradaation estämiseksi.[18]

Kurkumiinin stabilointi suuren leikkausvoiman emulgoinnissa on myös kvantifioitu Pickering-emulsioissa, jotka on valmistettu käyttämällä suuren leikkausvoiman sekoitinta nopeudella 22,000 rpm 2 minuutin ajan: säilytys 20 °C:ssa pimeässä osoittaa, että kapseloimattomassa kurkumiini-öljy-seoksessa noin puolet kurkumiinista on hajonnut 6 päivän jälkeen ja vain 20 % on jäljellä 16 päivän jälkeen, kun taas Pickering-emulsiosysteemi säilyttää ~50 % 16 päivän jälkeen ja pidentää puoliintumisajan 13 päivästä 28 päivään.[1]

UV-altistuksessa (6 W, 365 nm), sama systeemi osoittaa ~50 % degradaatiota 9 tunnin jälkeen ja vain 20 % on jäljellä 24 tunnin jälkeen öljyseoksella, kun taas Pickering-emulsio säilyttää ~70 % 9 tunnin jälkeen ja ~45 % 24 tunnin jälkeen pidentäen 50 % hävikin puoliintumisajan ~13 tunnista ~27 tuntiin.[1]

4.5 Yhteenvetotaulukko

Alla oleva taulukko kokoaa yhteen eri yhdisteluokille raportoidut edustavat kineettiset ja termodynaamiset parametrit korostaen arvoja, joita voidaan suoraan käyttää prosessimallinnuksessa.

5. Suuren leikkausvoiman valmistusoperaatiot

Suuren leikkausvoiman valmistus altistaa lämpöherkät yhdisteet mekaanisille stressikentille, jotka voivat lisätä lämpötilaa, hapensiirtoa ja rajapintapinta-alaa, vaikuttaen siten sekä reaktiokinetiikkaan että vallitseviin mekanismeihin, erityisesti happi- ja pH-herkkien bioaktiivisten aineiden osalta.[13, 14, 17]

5.1 Sulaprosessointi

Sulatilaprosessointi korostuu polymeeri–lääkeaine-systeemeissä skenaariona, jossa on säilytettävä sekä polymeerin stabiilisuus että lääkeaineen aktiivisuus, ja siinä todetaan eksplisiittisesti, että sulatilaprosessointi edellyttää, että polymeerimatriisin kemiallinen stabiilisuus ja lisättyjen lääkeaineiden biologinen aktiivisuus on taattava.[18]

PGA/PCL–kurkumiini-systeemissä kurkumiinin lisääminen vaikuttaa haitallisesti PGA:n termiseen stabiilisuuteen, ja kirjoittajat suosittelevat prosessointia mahdollisimman alhaisessa lämpötilassa PGA:n degradaation estämiseksi, linkittäen termisen stabiilisuuden karakterisoinnin prosessisuunnitteluun.[18]

5.2 Korkeapainehomogenointi ja mikrofluidisointi

Korkeapainehomogenointi altistaa nesteet korkealle mekaaniselle stressille niiden virratessa kapean venttiiliaukon läpi; aukossa nesteeseen kohdistuu leikkausvoimaa, ja lisäilmiöt, kuten kavitaatio, turbulenssi, törmäykset ja iskeytyminen, myötävaikuttavat leikkausvaikutuksiin.[14]

HPH toimii yli 100 MPa:n paineissa ja voi tuottaa jopa 400 MPa:n paineita; käytettyä painetta, syklien/ajokertojen määrää ja sisääntulolämpötilaa kuvataan avaintekijöiksi, jotka vaikuttavat fytokemikaalien uuttuvuuteen ja stabiilisuuteen.[14]

Kvantitatiivisesti HPH-katsaus raportoi esimerkkejä koostumuksellisista muutoksista, kuten L-askorbiinihapon asteittaisesta vähenemisestä (1.7 %, 4.6 %, 10.7 %) 100, 200 ja 300 MPa:n paineissa, sekä polyfenolien vähenemisestä (esim. 10.6 %, 6.0 %, 1.4 %) omenamehussa 100, 200 ja 300 MPa:n paineissa, osoittaen, että painetaso voi korreloida hävikkien kanssa hapetusherkissä yhdisteissä matriisista ja entsyymiaktiivisuudesta riippuen.[14]

Formulaatiomittakaavassa mikrofluidisointi voi tuottaa stabiileja emulsioita, joissa fenolisten aineiden säilyminen on kvantifioitu: W/O/W-emulsioille optimaalisiksi mikrofluidisointiolosuhteiksi raportoitiin 148 MPa ja seitsemän sykliä, mikä tuotti 105.3 ± 3.2 nm kokoisia pisaroita (PDI 0.233 ± 0.020); 35 päivän jälkeen fenolisten aineiden säilyminen oli 68.6 % antioksidanttiaktiivisuuden säilymisen ollessa 89.5 %.[2]

Erillinen enkapsulaatiotutkimus raportoi yhdistetyn suuren leikkausvoiman ja mikrofluidisoinnin lähestymistavan: liposomidispersiot homogenoitiin nopeudella 9500 rpm 10 minuutin ajan ja ajettiin sitten viisi kertaa mikrofluidisaattorin läpi 25,000 psi paineessa ennen sumukuivausta, osoittaen, että teollisesti realistiset sekvenssit voivat yhdistää leikkausvoiman ja sitä seuraavan termisen kuivauksen.[3]

Erittäin korkean paineen homogenoinnin (UHPH) katsaukset korostavat äärimmäistä leikkausvoimaa ja iskuja venttiilin sisällä; raportoituja olosuhteita ovat nesteiden pumppaaminen yli 200 MPa:n paineessa (tyypillisesti 300 MPa) alle 0.2 sekunnin viipymisajalla venttiilissä Mach 3 -nopeudella, ja mikro-organismien, kolloidien ja biopolymeerien nanofragmentaatio 100–500 nm kokoon.[34]

5.3 Suuren leikkausvoiman sekoitus

Suuren leikkausvoiman sekoitusta käytetään usein esiemulgoinnin tai dispersion vaiheena, ja se voi itsessään aiheuttaa merkittäviä lämpötilan nousuja ja oksidatiivisia ympäristöjä, vaikuttaen degradaatioon jo ennen jatkoprosessointia.[13]

Juomamallissa suuren leikkausvoiman homogenointi 10 minuutin ajan kasvavilla pyörimisnopeuksilla nosti ulostulolämpötilaa (4.1 ± 0.7 °C:sta 0 rpm:ssä 41 ± 1.2 °C:seen 20,000 rpm:ssä) ja liittyi huomattavaan askorbiinihappohävikkiin (42.6 % vähennys 20,000 rpm:ssä).[13]

Kurkumiinin Pickering-emulsiosysteemissä suuren leikkausvoiman sekoitusta 22,000 rpm nopeudella 2 minuutin ajan käytettiin emulsioiden muodostamiseen, minkä jälkeen stabiilisuuden paraneminen kvantifioitiin hitaamman degradaation ja pidentyneen puoliintumisajan kautta sekä varastoinnissa että UV-stressissä, linkittäen suuren leikkausvoiman rajapintajärjestäytymisen kemiallisiin stabiilisuustuloksiin.[1]

5.4 Mekanokemiallinen jauhatus

Mekanokemiallinen prosessointi (esim. kuulamyllyjauhatus) voi tuottaa amorfisia kiinteitä dispersioita ja muuttaa stabiilisuutta muuttamalla kiinteän olomuodon muotoa, sekoittamalla molekyylitasolla ja mahdollistamalla voimakkaat molekyylien väliset vuorovaikutukset, kuten vetysidokset.[15]

Fisetiini-ASD:iden ja inkluusioiden osalta jauhatus suoritettiin huoneenlämmössä taajuudella 30 Hz ja kestoajalla 20 min; myöhempi TG/DSC-analyysi suoritettiin typessä termisen stabiilisuuden ja Tg-käyttäytymisen kvantifioimiseksi.[15]

5.5 Sumukuivaus

Sumukuivausta kuvataan yhdeksi yleisimmin käytetyistä tekniikoista kuivattujen kasvinuutteiden valmistuksessa, ja sumukuivauksen korkeiden lämpötilojen todetaan mahdollisesti vaikuttavan haitallisesti lämpöherkkiin (poly)fenoleihin.[3, 20]

Eräässä polyfenolien enkapsulaatiotutkimuksessa sumukuivaus suoritettiin sisääntuloilman lämpötilan ollessa 150 ± 5 °C ja ulostulolämpötilan 90 ± 5 °C; kirjoittajat toteavat, että (poly)fenolien määrä väheni hapen ja lämmön altistuksen vuoksi sumukuivauksen aikana, mikä motivoi enkapsulaatiota toiminnallisten ominaisuuksien säilyttämiseksi.[3]

Uutteen esiformulaatiotutkimuksessa sumukuivaimen prosessiolosuhteiden (sisääntulolämpötila, syöttönopeus, kolloidisen piidioksidin suhde) vaikutuksia vasteisiin arvioitiin, ja Arrhenius-menetelmiä käytettiin määrittämään hajoamisen kineettiset parametrit, mukaan lukien reaktiojärjestys, hajonneen fraktion aika ja nopeusvakio.[20]

5.6 Yhteenvetotaulukko

Alla oleva taulukko tiivistää stressiprofiilit ja esimerkkejä kvantitatiivisista vaikutuksista, joita on raportoitu yksikköoperaatioille, jotka aiheuttavat suurta leikkausvoimaa ja/tai voimakasta termistä altistusta.

6. Integroidut stabiilisuus–prosessimallit

Mukana olevat lähteet tarjoavat rakennuspalikoita integroidulle ennustavalle viitekehykselle, jossa stabiilisuustulokset lasketaan yksikköoperaatioiden termisistä historioista ja fysikaalis-kemiallisista mikroympäristöistä (pH, happi, vesiaktiivisuus) noudattaen samalla termodynaamisia transitiokynnyksiä.[4, 14]

6.1 Aika–lämpötila–leikkausvoima-kartoitus

Käytännön kartoituslähestymistapa voi käyttää kinetiikkaa (k, (E_a), puoliintumisaika) yhdessä mitattujen tai pääteltyjen yksikköoperaatioiden aika–lämpötila-profiilien kanssa odotetun konversion laskemiseksi, samalla kun tila-transitiokynnyksiä (Tg, sulamisen alkaminen, hajoamisen alkaminen) käytetään rajoina, jotka voivat muuttaa mekanismeja tai nostaa nopeuksia.[4, 15]

Esimerkiksi NRCl:n pseudo-ensimmäisen kertaluvun liuosfaasimallia voidaan parametrisoida käyttämällä Arrhenius-aktivaatioenergioita (75.4–82.8 kJ·mol−1) ja havaintoa, että 10 °C:n nousu suunnilleen kaksinkertaistaa k_obs-arvon, mikä mahdollistaa validoitujen puskurikokeiden kääntämisen valmistuksen lyhyiksi termisiksi piikeiksi.[4]

Kurkumiinille lämpötilaherkkyys voidaan parametrisoida käyttämällä arvoa (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 pH-arvossa 8.0 sekä raportoitua k_obs-arvon voimakasta pH-riippuvuutta, jotka yhdessä mahdollistavat hävikkien ennustamisen vesipohjaisten pitoaikojen tai lämmitettyjen emulgointivaiheiden aikana, joissa paikallinen pH on neutraali tai emäksinen.[10]

trans-resveratrolin osalta pH-arvon aiheuttama puoliintumisajan romahdus (sadoista päivistä minuutteihin pH:n noustessa) tarkoittaa, että stabiilisuustuloksia prosessoinnin aikana saattaa hallita mikroympäristön pH massalämpötilan sijaan; Arrhenius-mallinnusta pH-arvossa 7.4 voidaan käyttää maltillisen lämpötilan altistuksille arvolla (E_a)=84.7 kJ·mol−1.[12]

6.2 QbD ja suunnittelualue

Quality-by-design -tulkintaa tukevat tutkimukset, jotka arvioivat eksplisiittisesti, kuinka prosessiparametrit ja formulaatiomatriisit muuttavat degradaatiomekanismeja, mukaan lukien havainnot, joiden mukaan nopeutettu testaus saattaa epäonnistua säilyvyysajan ennustamisessa, kun esiintyy ei-Arrhenius-käyttäytymistä tai matriisivaikutuksia.[7, 29]

Resveratrolitablettien osalta johtopäätös siitä, että Arrhenius-lähestymistavat voivat yliarvioida degradaation nopeutetuissa testeissä, motivoi suunnittelualueiden määrittelyä käyttämällä sekä mekanistista ymmärrystä että usean lämpötilan dataa yhden nopeutetun olosuhteen sijasta.[7, 29]

Sumukuivatun flavonoidimerkkisysteemien osalta apuaineiden raportoidaan eksplisiittisesti vaikuttavan kineettiseen järjestykseen ja hajonneen fraktion aika-arvoihin, mikä osoittaa, että formulaation koostumus on osa stabiilisuuden suunnittelualuetta eikä vain kiinteä tausta.[20]

6.3 PAT ja analyyttinen spesifisyys

Tarkka prosessin seuranta vaatii analyyttistä spesifisyyttä, koska degradaatiotuotteet voivat sekoittaa yksinkertaisempia spektroskooppisia määrityksiä, erityisesti polyfenolien osalta.[12]

trans-resveratrolin osalta HPLC- ja UPLC-spesifisyyden raportoidaan tulleen varmistetuksi, kun taas UV/VIS-spektroskopia johti virheellisesti korkeampiin trans-resveratrolipitoisuuksiin olosuhteissa, joissa se ei ollut stabiili (emäksinen pH, valo, kohonnut lämpötila), korostaen stabiilisuutta osoittavien menetelmien tarvetta prosessianalytiikassa.[12]

7. Lieventämisstrategiat

Mukana olevien lähteiden lieventämisstrategiat korostavat altistuksen rajoittamista tunnetuille kiihdyttimille (lämpö, happi, korkea pH, UV) ja sellaisten formulaatioarkkitehtuurien käyttöä, jotka vähentävät molekulaarista mobiliteettia, suojaavat rajapintoja tai sijoittavat aktiiviaineen vähemmän reaktiivisiin mikroympäristöihin.[10, 13, 17]

7.1 Enkapsulaatio ja dispersiot

Enkapsulaatio misellaarisiin tai partikkelisysteemeihin voi merkittävästi stabiloida lämpöherkkiä yhdisteitä rajoittamalla kontaktia veden, hapen ja reaktiivisten lajien kanssa sekä muuttamalla keskeisten funktionaalisten ryhmien happo-emäs-saatavuutta.[1, 10]

Kurkumiinin osalta misellaarinen liukoisuuden parantaminen laskee k_obs-arvon tasolle 0.6–0.9×10−3 h−1 ja pidentää puoliintumisajan 777–1100 tuntiin; tämän stabiloinnin katsotaan johtuvan hydroksyylien deprotonaation estymisestä hydrofobisen miselliytimen sisällä, mitä kuvataan degradaation ensimmäiseksi vaiheeksi.[10]

Pickering-emulsiot tarjoavat fyysisen esteen: tiheän fyysisen esteen läsnäolon rajapinnalla todetaan estävän kurkumiinin degradaatiota, ja kvantitatiivisesti esteen muodostava systeemi pidentää säilytyksen puoliintumisajan 13 päivästä 28 päivään ja UV-puoliintumisajan ~13 tunnista ~27 tuntiin.[1]

Syklodekstriinipohjaiset kantajasysteemit tarjoavat toisen strategian: resveratroli–β-syklodekstriini-klatraatit osoittavat termisiä tapahtumia, kuten veden vapautumista lähellä 50 °C:ta ja korkeamman lämpötilan degradaatiotapahtumia; sitoutumisen vapaat energiat (esim. −86 kJ·mol−1 MM/PBSA-menetelmällä) kvantifioivat voimakkaita inkluusiovuorovaikutuksia.[25]

Resveratrolin nanosienienkapsulaatio poistaa sen DSC-sulamisendotermin ja tarjoaa valosuojan: vapaa resveratroli osoittaa 59.7 % degradaatiota 15 minuutissa UV-altistuksessa, kun taas resveratroli-nanosienet tarjoavat noin kaksinkertaisen suojan, mikä on yhdenmukaista sen kanssa, että enkapsulaatio estää suoran UV-altistuksen.[16]

Amorfisia kiinteitä dispersioita voidaan suunnitella mekanokemiallisen jauhatuksen avulla; fisetiinin ja Eudragit®-esteriryhmien välinen vetysidostuminen on tunnistettu eksplisiittisesti, mikä tarjoaa mekanistisen perustan sekoittuvuudelle ja muuttuneelle Tg:lle, mikä voi stabiloida kiteytymisestä riippuvia muutoksia liukenemiskäyttäytymisessä.[15]

Apuaineen ja kantajan valinta

Apuainevalinta voi muuttaa kineettisiä mekanismeja ja stabiilisuustuloksia, kuten raportoidaan sumukuivatuissa kasviuutesysteemeissä, joissa reaktiojärjestys ja hajonneen fraktion ajat eroavat apuaineseosten mukaan, osoittaen apuaineista riippuvaista degradaatiokinetiikkaa.[20]

Proteiini-apuaineet voivat stabiloida flavonoideja hydrofobisten vuorovaikutusten kautta laskemalla fisetiinin ja kversetiinin k-arvoja; SDS:n aiheuttama näiden vuorovaikutusten häiriintyminen tukee tulkintaa, jonka mukaan hydrofobinen sitoutuminen on keskeinen stabiloiva mekanismi.[24]

Prosessitekniikan hallintakeinot

Prosessinhallintakeinot, jotka vähentävät termistä altistusta ja happikontaktia, saavat suoraa tukea useista tietoaineistoista.[5, 18]

NRCl:n osalta DSC/qNMR-näyttö osoittaa, että sulamisen alkamisalueen (~120–130 °C) ylittäminen voi tuottaa erittäin nopeaa degradaatiota, tukien ehdottomia ylärajoja lämpötilalle ja viipymisajalle lämmitetyissä kiinteän tilan toiminnoissa.[4]

NRH:n osalta ero ilman ja N₂-kehän puoliintumisaikojen välillä 25 °C:ssa tarkoittaa, että inertointi ja hapen poissulkeminen voivat olla merkityksellisiä; kirjoittajat raportoivat, että näytteet N₂-vaipan alla 4 °C:ssa eivät osoita havaittavaa degradaatiota 60 päivän jälkeen, kun taas näytteet 4 °C:ssa ilmassa osoittavat ~10 % degradaatiota.[5]

Suuren leikkausvoiman homogenoinnin osalta suora havainto siitä, että rpm:n nostaminen nostaa ulostulolämpötilaa ja liittyy hapetusherkän askorbiinihapon suurempaan hävikkiin, tukee teknisiä toimenpiteitä, jotka rajoittavat leikkausvoiman aiheuttamaa kuumenemista (esim. jäähdytysvaipat, lyhyemmät sekoitusajat, vaiheittainen lisäys).[13]

Sumukuivauksen osalta väite, että happi- ja lämpöaltistus vähentävät (poly)fenoleja ja että korkeat lämpötilat voivat olla haitallisia lämpöherkille fenolisille aineille, tukee valintoja, kuten ulostulolämpötilan alentamista mahdollisuuksien mukaan ja enkapsulaation käyttöä hapettumisen ja lämpöherkkyyden vähentämiseksi.[3]

Antioksidantit ja hapen hallinta

Antioksidantti- ja hapenhallintastrategiat saavat mekanistista tukea polyfenoli-aineistoista.[12, 22]

Kversetiinille 90 °C:ssa antioksidantit, kuten kysteiini, laskevat k-arvoa; 200 μmol·L−1 kysteiiniä tuottaa ~43 % k-arvon laskun kontrolliin verrattuna, ja mekanistinen tulkinta ottaa huomioon kversetiinikinonin stabiloinnin ja radikaalien sammuttamisen vaikutukset.[22]

trans-resveratrolin osalta hapen raportoidaan eksplisiittisesti edistävän degradaatioon johtavia radikaalireaktioita, tukien inerttejä prosessointiatmosfäärejä tai happisulkuja, missä se on mahdollista emäksisessä/neutraalissa vesipohjaisessa prosessoinnissa.[12]

Liposomisysteemeissä resveratrolin raportoidaan rajoittavan stigmasterolin hapettumista neutraloimalla vapaita radikaaleja ja integroitumalla lipidikaksikerroksiin lisäten jäykkyyttä ja vähentäen läpäisevyyttä hapelle ja hapettaville aineille, parantaen siten systeemin termistä ja oksidatiivista stabiilisuutta.[35]

Pohdinta

Tässä syntetisoidun näyttöpohjan perusteella vahvin kvantitatiivinen kaava on se, että kemiallinen mikroympäristö (pH, happi, veden läsnäolo) voi hallita stabiilisuustuloksia jopa maltillisissa lämpötiloissa, ja että useat bioaktiiviset aineet osoittavat jyrkkiä stabiilisuusjatkuvuuden katkoja tietyissä termisissä transitiokynnyksissä.[4, 5, 12]

NAD⁺-esiasteille NRCl-aineisto korostaa kahta hallintoaluetta: vesiliuoksessa pseudo-ensimmäisen kertaluvun hydrolyysia voidaan mallintaa Arrhenius-aktivaatioenergioilla ja karkeasti kaksinkertaisella nopeuden kasvulla per 10 °C, kun taas kiinteässä tilassa kapea alue 120–130 °C:n välillä vastaa sulamista, jota seuraa välittömästi nopea hajoaminen.[4]

Resveratrolille keskeinen prosessiriski nousee pH-herkkyydestä: puoliintumisaika romahtaa pitkistä kestoista happamassa pH:ssa minuutteihin korkeassa pH:ssa hapen edistäessä radikaalireaktioita; tämä osoittaa, että suuren leikkausvoiman operaatiot, jotka lisäävät hapensiirtoa ja paikallista emäksisyyttä, voivat olla suhteettoman vahingollisia, vaikka massalämpötila pysyisi kohtuullisena.[12]

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

Kurkumiinille esiintyy mekanistista jännitettä hydrolyysivetoisten kuvausten (joissakin maha-puskuri-töissä) ja autoksidaatiovetoisten kuvausten (misellikeskeisissä töissä) välillä, mutta molemmat konvergoivat voimakkaaseen pH-vaikutukseen sekä hydrofobisten mikroympäristöjen ja hapen rajoittamisen suojaavaan rooliin.[11, 32]

Yksikköoperaatiotasolla suuren leikkausvoiman prosessit voivat toimia ensisijaisesti epäsuorina kiihdyttiminä tuottamalla lämpöä ja lisäämällä oksidatiivista alttiutta; tämä on suoraan osoitettu suuren leikkausvoiman homogenoinnissa, jossa pyörimisnopeus nostaa ulostulolämpötilaa ja korreloi askorbiinihapon oksidatiivisen hävikin kanssa.[13]

HPH/UHPH tuovat lisämonimutkaisuutta, koska venttiilialue aiheuttaa äärimmäistä leikkausvoimaa, kavitaatiota ja turbulenssia ja voi kehittää korkeita paikallisia lämpötiloja, vaikka viipymisajat voivat olla hyvin lyhyitä (esim. <0.2 s UHPH-kuvauksissa); tämä tarkoittaa, että kemialliset tulokset saattavat riippua siitä, hallitsevatko degradaatiota nopeat radikaaliprosessit, diffuusiovarasteiset vaiheet vai hitaammat termiset aktivaatiovaiheet.[14, 34]

Lopuksi useat lähteet korostavat, että stabiilisuusmallinnus on validoitava mekanistisesti asianmukaisessa matriisissa: resveratrolin tablettitiedot osoittavat ei-Arrhenius-käyttäytymistä ja matriisivaikutuksia, jotka rajoittavat yleistä Arrhenius-ekstrapolointia nopeutetuista testeistä, ja sumukuivatut kasviuutemarkkerit osoittavat apuaineista riippuvaisia kineettisiä järjestyksiä ja hajonneen fraktion aikoja.[7, 20]

Johtopäätökset

Kvantitatiiviset termodynaamiset transitiomerkkiaineet (DSC/TGA) ja degradaatiokinetiikka (k, t_(1/2), (E_a), konversioasteesta riippuvat aktivaatioenergiat) 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 termisen prosessointi-ikkunan lähellä sulamista, jota seuraa nopea hajoaminen, kun taas vesiliuoksen kinetiikka osoittaa pH-riippuvaista pseudo-ensimmäisen kertaluvun käyttäytymistä aktivaatioenergioilla 75–83 kJ·mol−1, joilla voidaan parametrisoida termisen altistuksen malleja.[4]

Resveratrolille pH ja happi ovat vallitsevia muuttujia puoliintumisajan romahtaessa sadoista päivistä happamassa pH:ssa minuutteihin korkeassa pH:ssa, ja formulaatiomatriisit voivat tuottaa ei-Arrhenius-käyttäytymistä, joka vaikeuttaa nopeutetun testauksen ekstrapolointia.[7, 12]

Flavonoidien ja kurkuminoidien osalta hapetusreitit (kinonivälituotteet kversetiinille; autoksidaatio kurkumiinille) motivoivat hapen hallintaa ja hydrofobisia enkapsulaatiostrategioita, joiden on kvantitatiivisesti osoitettu pidentävän puoliintumisaikaa kertaluokilla misellisysteemeissä ja merkittävästi suuren leikkausvoiman sekoituksella tuotetuissa Pickering-emulsioissa.[1, 10, 22, 32]

Suuren leikkausvoiman yksikköoperaatioiden osalta saatavilla oleva näyttö osoittaa, että leikkausvoima voi nostaa lämpötilaa ja edistää hapettumista (suuren leikkausvoiman sekoitus) ja että venttiilipohjaiset korkeapaineprosessit kehittävät äärimmäistä leikkausvoimaa ja kavitaatiota paineen, ajokertojen ja sisääntulolämpötilan ollessa keskeisiä stressimuuttujia; nämä oivallukset tukevat aika–lämpötila–leikkausvoima-kartoituksen ja stabiilisuutta osoittavan analytiikan avulla tapahtuvan PAT-seurannan toteuttamista.[12–14]

Eturistiriidat

Kirjoittajat ilmoittavat, ettei heillä ole eturistiriitoja.[20]