Sažetak
Termolabilni spojevi povezani s dugovječnošću i polifenolne bioaktivne tvari često su izloženi spregnutim toplinskim, oksidativnim, pH i mehaničkim stresovima tijekom proizvodnje (npr. miješanje s visokim smicanjem, homogenizacija pod visokim tlakom i sušenje raspršivanjem), što može ubrzati kemijsku degradaciju i smanjiti isporučenu djelotvornost. Kvantitativni, za proces relevantni parametri stabilnosti stoga su nužni za definiranje proizvodnih prostora dizajna i usmjeravanje zaštitnih formulacijskih strategija.[1–3]
Metode u ovoj sintezi usredotočene su na kvantitativne dokaze izvučene iz studija koje izvještavaju o (i) termodinamičkim/toplinskim prijelazima pomoću DSC/TGA (taljenje, početak razgradnje, staklasti prijelazi i stupnjevano ponašanje gubitka mase) i (ii) kinetici razgradnje (modeli pseudo-prvog reda / prvog reda, Arrheniusove energije aktivacije, ovisnosti o pH i mjerama vremena do razgradnje određenog udjela) za prekursore NAD⁺ (NR/NRH/NMN), stilbenoide (sustave povezane s resveratrolom), flavonoide (quercetin, fisetin, rutin/esters) i curcuminoids.[4–11]
Rezultati pokazuju da nekoliko reprezentativnih spojeva dugovječnosti ima uske prozore toplinske obrade u specifičnim fizikalnim stanjima. Nicotinamide riboside chloride (NRCl) pokazuje početak taljenja pri 120.7 ± 0.3 °C s brzom razgradnjom nakon taljenja (npr. 98% degradacije pri 130 °C pomoću qNMR), dok vodena razgradnja prati kinetiku pseudo-prvog reda s energijama aktivacije od 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ ovisno o pH.[4]
Za trans-resveratrol, kinetika razgradnje snažno ovisi o pH i temperaturi (npr. poluvijek se smanjuje s 329 dana pri pH 1.2 na 3.3 minute pri pH 10), a ekstrapolacija ubrzanih ispitivanja može biti ne-Arrheniusova u matricama tableta.[7, 12]
Jedinične operacije s visokim smicanjem mogu izazvati lokalno zagrijavanje i oksidacijska okruženja, što je demonstrirano homogenizacijom s visokim smicanjem koja povećava izlaznu temperaturu s brzinom rotacije i podudara se s gubitkom od 42.6% ascorbic-acid pri 20,000 rpm, te mehanizmima homogenizacije pod visokim tlakom koji uključuju smicanje na ventilu, kavitaciju i turbulenciju pri >100 MPa.[13, 14]
Conclusions naglašavaju integraciju podataka o termodinamičkim prijelazima (DSC/TGA/Tg) s kinetičkim modelima (Arrheniusovim, ne-Arrheniusovim i izokonverzijskim metodama) radi izrade karata vrijeme–temperatura–smicanje i racionalnog odabira strategija ublažavanja, uključujući kapsuliranje, amorfne čvrste disperzije, sustave ciklodekstrina/nanospužvi, kontrolu kisika te minimizaciju smicanja/temperature.[15–18]
Ključne riječi: termolabilne bioaktivne tvari; kinetika razgradnje; Arrhenius; DSC; TGA; homogenizacija pod visokim tlakom; sušenje raspršivanjem; NAD⁺ prekursori
1. Uvod
Spojevi relevantni za dugovječnost sve se više formuliraju kao nutraceutici, funkcionalna hrana i napredni sustavi za isporuku, što zahtijeva proizvodne procese koji aktivne tvari izlažu kombiniranim stresorima, uključujući zagrijavanje, kontakt s kisikom, aktivnost vode, odstupanja pH vrijednosti i intenzivan unos mehaničke energije.[3, 5, 14, 19]
Za kemijske oblike prekursora NAD⁺, stabilnost u vodenom mediju i čvrstom stanju od ključne je važnosti jer se reaktivnost može javiti putem hidrolize glikozidnih ili fosfatno vezanih motiva, te zato što procesne temperature mogu prijeći pragove prijelaza u čvrstom stanju koji prethode brzoj razgradnji.[4, 6]
Za polifenole i srodne biljne aktivne tvari, ograničenja stabilnosti uključuju autooksidaciju, epimerizaciju i enzimsku oksidaciju do kinona, koji su osjetljivi na temperaturu, pH, metalne ione i dostupnost kisika tijekom procesiranja.[17]
Praktična implikacija jest da se dizajn proizvodnog procesa ne može oslanjati isključivo na nominalnu temperaturu mase; umjesto toga, mora integrirati (i) termodinamičke pokazatelje kao što su temperatura staklastog prijelaza, talište i početak razgradnje te (ii) kinetičke modele koji obuhvaćaju ovisnost razgradnje o vremenu, temperaturi, pH, kisiku i (gdje je mjerljivo) unosu mehaničke energije.[4, 9, 10, 14, 15]
Ovaj rad sintetizira kvantitativne dokaze o reprezentativnim spojevima za dugovječnost i srodnim bioaktivnim tvarima za koje navedeni izvori pružaju eksplicitne termodinamičke prijelaze i/ili kinetičke parametre, te povezuje te podatke s profilima stresa jediničnih operacija visokog smicanja, uključujući miješanje s visokim smicanjem, visokotlačnu homogenizaciju/mikrofluidizaciju, mehanokemijsko mljevenje i sušenje raspršivanjem.[1, 14, 15, 20]
2. Termodinamički okvir
Termodinamička stabilnost u proizvodnom kontekstu operativno se procjenjuje pomoću mjerljivih toplinskih događaja (DSC/TGA) i deskriptora stanja (npr. amorfno naspram kristalnog; temperatura staklastog prijelaza) koji ukazuju na to kada spoj ili formulacija prelazi u stanja s većom molekularnom mobilnošću, a time i većim brzinama reakcije ili drugačijim mehanizmima.[4, 9, 15]
2.1 Gibbsova slobodna energija i stabilnost faza
Nekoliko uključenih izvora eksplicitno izračunava promjene Gibbsove slobodne energije za procese degradacije ili toplinsku destrukciju, pružajući termodinamičku mjeru izvedivosti pod specifičnim uvjetima.[8, 19]
Za NR borate, spontanost degradacije procijenjena je putem izračuna Gibbsove slobodne energije, pri čemu je ΔG prijavljen kao 2.43 kcal·mol⁻¹.[19]
Za rutin i fatty-acid rutin esters pod pirolitičkim uvjetima, vrijednosti ΔG bile su pozitivne (84–245 kJ·mol⁻¹) uz pozitivan ΔH (60–242 kJ·mol⁻¹), što ukazuje na endotermni i nespontani profil pirolize u prijavljenoj analizi.[8]
In kinetičko-formalnim uvjetima, nekoliko izvora također primjenjuje odnose prijelaznog stanja i slobodne energije, kao što je korištenje za interpretaciju aktivacije hidrolize u kompleksnom sustavu curcumin spiroborate.[21]
2.2 Staklasti prijelaz, taljenje i početak razgradnje
DSC i TGA pružaju komplementarne markere procesnog rizika: događaji taljenja ili omekšavanja mogu naglo povećati difuziju i omogućiti brzu kemijsku pretvorbu, a početak gubitka mase prema TGA može ukazivati na početak ireverzibilne razgradnje čak i u prividno čvrstom stanju.[4, 9, 15]
Za NRCl, DSC ukazuje na početak taljenja na 120.7 ± 0.3 °C i pik taljenja na 125.2 ± 0.2 °C, nakon čega odmah slijedi oštar egzotermni događaj s pikom na 130.8 ± 0.3 °C.[4]
U skladu sa slijedom DSC događaja, kvantifikacija pomoću qNMR-a pokazuje ograničenu degradaciju na 115 °C (2%) ali brzi gubitak u području taljenja i iznad njega (7% na 120 °C; 55% na 125 °C; 98% na 130 °C; samo 0.45% preostalog NR na 140 °C).[4]
Za NMN, jedan izvor navodi da se spoj razgrađuje umjesto da pokazuje jasan prijelaz taljenja, pri čemu razgradnja počinje na 160 °C, a završava do 165 °C, uz endotermni DSC pik na 162 °C s entalpijom razgradnje od 184 kJ·mol⁻¹.[6]
Za quercetin, kombinirana interpretacija DSC/TGA ukazuje na to da se intenzivan DSC endoterm (maksimum na 303 °C) često pogrešno pripisuje taljenju, dok TGA ukazuje na to da razgradnja započinje na 230 °C te se endoterm preklapa s kontinuiranim gubitkom mase; prijavljena „toplina taljenja“ za pik na 303 °C iznosi 69–75 kJ·mol⁻¹.[9]
Za fisetin, TGA pokazuje manji gubitak mase (~5%) pripisan isparavanju vode iz kristalnog uzorka i glavni događaj gubitka mase (~30.6%) na 369.6 °C pripisan razgradnji molekule.[15]
Za curcumin pod inertnim dušikom, jedno istraživanje navodi da sirovi curcumin pokazuje složeni proces razgradnje koji započinje oko 240 °C (gubitak mase od 5%) s DTGA pikom na 347 °C i 37% preostalog ostatka na 600 °C (pri 10 °C·min⁻¹).[18]
2.3 Amorfna i kristalna stabilnost
Amorfne formulacije mogu poboljšati topljivost i bioraspoloživost, ali mogu i izmijeniti toplinsko ponašanje i stabilnost povećanjem molekularne mobilnosti u odnosu na kristalne oblike, čineći temperaturu staklastog prijelaza (Tg) kritičnim parametrom stabilnosti.[15, 16]
Mehanokemijski pripremljene amorfne krute disperzije (ASDs) fisetina pokazuju mjerljive vrijednosti Tg u drugim skenovima zagrijavanja te pokazuju kompozicijske pomake u Tg-u u skladu s mješljivošću: sirovi Eudragit® L100/EPO pokazuju Tg 147.1/55.4 °C, dok ASDs fisetina pokazuju vrijednosti Tg kao što su 144.2/71.8 °C i 145.9/76.7 °C, ovisno o polimeru i udjelu djelatne tvari.[15]
Za nanospužve resveratrola i oxyresveratrola, DSC pokazuje da endoterm taljenja resveratrola (266.49 °C) nestaje u formulacijama nanospužvi, što autori pripisuju enkapsulaciji i mogućoj amorfizaciji molekula djelatne tvari unutar matrice nanospužve.[16]
Za quercetin, pretpostavlja se da vodikovo vezivanje istovremeno ograničava omekšavanje slično taljenju i olakšava razgradnju slabljenjem veza, a kombinirana interpretacija DSC/TGA zaključuje da se quercetin ne tali jednostavno, već podliježe preklapajućoj razgradnji i strukturnoj relaksaciji/omekšavanju u rasponu od 150–350 °C.[9]
3. Modeli i parametri kinetike degradacije
Uključeni izvori koriste raspon kinetičkih modela (prvog reda, pseudo-prvog reda, višeg reda ili sigmoidalne oblike) i obrade temperaturne ovisnosti (Arrheniusovo i, u nekim slučajevima, ne-Arrheniusovo ponašanje), često potaknute ovisnošću o pH i složenom višesmjernom degradacijom.[4, 7, 22]
3.1 Modeli reda reakcije
Široko korišteno polazište za degradaciju u otopini je integrirani model prvog reda, koji se pojavljuje u više uključenih studija kao primarno prilagođavanje podacima koncentracija-vrijeme pri kontroliranom pH i temperaturi.[4, 11, 12]
Za NRCl u pufriranim vodenim otopinama, degradacija se opisuje kao reakcija pseudo-prvog reda, a ovaj oblik pseudo-prvog reda opravdan je puferskim sustavima koji održavaju koncentracije OH⁻/H₃O⁺ u velikom suvišku i približno konstantnima u odnosu na koncentraciju NR-a.[4, 23]
Za fisetin i quercetin u fosfatnom puferu, prijavljeni rezultati prikazani su kao konstante brzine degradacije prvog reda k (h⁻¹) koje snažno rastu s pH i temperaturom.[24]
Za quercetin pri 90 °C blizu neutralnog pH (6.5–7.5), primijenjen je sigmoidalni model i uspoređen s modelom prvog reda, pri čemu je sigmoidalni model dao 2.3–2.5× veće vrijednosti k od onih dobivenih modelom prvog reda te drugačiju interpretaciju poluživota pri pH 7.5.[22]
Za markere biljnih ekstrakata osušene raspršivanjem, prijavljeni su različiti prividni redovi reakcije ovisno o sustavima ekscipijenasa, uključujući modele nultog i drugog reda za kaempferol (kroz binarne smjese ekscipijenasa) i model drugog reda za quercetin kroz ekscipijense.[20]
3.2 Arrheniusov i Eyringov pristup
Temperaturna ovisnost često se modelira izrazima Arrheniusovog tipa, a više izvora eksplicitno izračunava energije aktivacije za parametrizaciju predviđanja roka valjanosti i toplinske izloženosti tijekom procesa.[4, 10, 12]
Za degradaciju NRCl u vodenoj otopini, prijavljene Arrheniusove energije aktivacije iznose 75.4 (±2.9) kJ·mol⁻¹ pri pH 2.0, 76.9 (±1.1) kJ·mol⁻¹ pri pH 5.0 i 82.8 (±4.4) kJ·mol⁻¹ pri pH 7.4.[4]
Za trans-resveratrol pri pH 7.4, Arrheniusova analiza prijavljena je kao log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) s izračunatom energijom aktivacije od 84.7 kJ·mol⁻¹.[12]
Za curcumin u smjesi pufera/metanola pri pH 8.0, Arrheniusova analiza između 37–60 °C daje Ea=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹.[10]
Za curcumin u GI-relevantnim vodenim medijima, Arrheniusovi dijagrami pokazuju visoku linearnost u rasponu od 37–80 °C (vrijednosti r² prijavljene su kao 0.9967, 0.9994, 0.9886 za različite medije), s energijama aktivacije od 16.46, 12.32 i 9.75 kcal·mol⁻¹ za pH 7.4, pH 6.8, odnosno 0.1 N HCl, redom.[11]
Eyringova analiza također se pojavljuje u studiji hidrolitičke razgradnje curcumin spiroboratnog estera (CBS), gdje je prijavljeno da Eyringov dijagram pokazuje linearni odnos s korelacijom od 0.9988.[21]
3.3 Izokonverzijske metode i metode bez modela
Nekoliko studija toplinske degradacije primjenjuje izokonverzijske metode (npr. KAS, FWO, Friedman) za izračunavanje energija aktivacije ovisnih o stupnju konverzije, čime se identificiraju višestupanjska razgradnja i promjene mehanizma.[8, 18, 25]
Za rutin i rutin estere masnih kiselina, energije aktivacije znatno variraju sa stupnjem konverzije u rasponu 0.05 < α < 0.90, s prijavljenim rasponima od 65 do 246 kJ·mol⁻¹; autori to tumače kao dokaz da se toplinska degradacija odvija kroz složeni proces s više stupnjeva.[8]
Za klatrate resveratrol–β-cyclodextrin, energija aktivacije raste sa stupnjem transformacije, s prijavljenim porastom sa 110 na 130 kJ·mol⁻¹ (OFW metoda) te sa 120 na 170 kJ·mol⁻¹ (Friedman metoda), što se tumači kao pokazatelj promjene reakcijskog mehanizma kako razgradnja napreduje.[25]
Za polimerne sustave s curcuminom u atmosferi dušika, energije aktivacije dobivene različitim pristupima (Kissinger, KAS, Friedman i prilagođavanje modela) pokazuju uglavnom usklađene vrijednosti (npr. 71 ± 5 kJ·mol⁻¹ prema Kissingeru; 77 ± 2 prema KAS-u; 84 ± 3 prema Friedmanu), a odabir modela ukazuje na F1 kinetički model s energijama u rasponu 73–91 kJ·mol⁻¹.[18]
3.4 Spregnuta termomehanička i oksidativna degradacija
Proizvodne operacije s visokim smicanjem mogu povezati disipaciju mehaničke energije s lokalnim zagrijavanjem i poboljšanim prijenosom kisika, čime se pojačavaju reakcijski putevi potaknuti oksidacijom kod bioaktivnih tvari osjetljivih na kisik.[13, 14, 17]
Pri homogenizaciji s visokim smicanjem u sustavu napitka, izlazna temperatura znatno raste s brzinom rotacije (npr. s 4.1 ± 0.7 °C pri 0 rpm na 41 ± 1.2 °C pri 20,000 rpm), a pri najvećoj brzini askorbinska kiselina smanjena je za 42.6%, što je u skladu s time da visoka temperatura i oksidacija pospješuju degradaciju.[13]
U homogenizaciji pod visokim tlakom (HPH), procesni mehanizam eksplicitno se pripisuje raspodjeli smičnog naprezanja na otvoru ventila, gdje je strujanje fluida poremećeno, te dodatnim pojavama kao što su kavitacija, turbulencija, sudari i udari, što zajedno stvara intenzivan mehanički i potencijalno oksidativni stres.[14]
Oksidativno sprezanje također je dokazano u pokusima toplinske oksidacije za quercetin: pri 150 °C, degradacija quercetina odvija se brže pod kisikom nego pod dušikom (konstante brzine 0.868 h⁻¹ naspram 0.253 h⁻¹) i snažno je ubrzana u prisutnosti kolesterola i kisika (konstanta brzine 7.17 h⁻¹), što je u skladu s radikalno-lančanim sprezanjem između stvaranja kolesterol hidroperoksida i degradacije quercetina.[26]
Za NRH, kisik i temperatura imaju snažan utjecaj: pri 25 °C u DI vodi, prijavljena brzina degradacije iznosi 1.27×10⁻⁷ s⁻¹ na zraku (poluživot 63 dana) u usporedbi s 5.90×10⁻⁸ s⁻¹ pod N₂ (poluživot 136 dana), a autori navode da NRH može oksidirati u prisutnosti kisika te brzo hidrolizira u kiselim uvjetima.[5]
4. Pregled klasa spojeva
Sinteza usmjerena na spojeve u nastavku naglašava kvantificirane kinetičke i termodinamičke parametre koji se mogu izravno koristiti u proizvodnim modelima, uključujući aktivacijske energije, konstante brzine, poluvijekove, početke razgradnje i ograničenja povezana sa staklastim prijelazom ili taljenjem.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 NAD⁺ prekursori
Stabilnost NAD⁺ prekursora snažno je uvjetovana podložnošću hidrolizi te niskom tolerancijom na određene toplinske prijelaze (osobito za NRCl u području taljenja) i oksidaciju uzrokovanu kisikom (osobito za reducirane oblike poput NRH).[4, 5]
NRCl pokazuje kinetiku razgradnje pseudo-prvog reda u vodenim otopinama te ima aktivacijske energije koje variraju s pH vrijednošću (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹), što kvantitativno izražava i toplinsku osjetljivost i ovisnost dominantnog puta hidrolize o pH vrijednosti.[4]
Predložena mehanistička osnova je bazno katalizirana hidroliza u kojoj se koncentracija NR-a smanjuje dok se nikotinamid (Nam) i šećer nakupljaju, a izneseni su dokazi o molarnoj bilanci koji ukazuju na to da se za svaku molekulu NR-a koja se razgradi formira jedna molekula Nam-a i jedna molekula šećera.[4]
U simuliranim GI tekućinama pri fiziološkoj temperaturi i miješanju (USP II lopatica na 75 rpm i 37 °C), NRCl pokazuje relativno ograničen kratkoročni gubitak (npr. preostaje ~97–99% nakon 2 h u želučanom mediju), ali mjerljivo dugoročnije smanjenje u 24 h simulaciji (79.18 ± 2.68% preostaje nakon 24 h, uz 90.51 ± 0.82% preostalih nakon 8 h).[4]
U čvrstom stanju, NRCl pokazuje uzak temperaturni prozor između početka taljenja i brze razgradnje: DSC bilježi početak taljenja na 120.7 ± 0.3 °C i naknadni egzotermni događaj na ~130.8 °C, dok qNMR kvantificira nagli porast razgradnje s 2% na 115 °C na 98% na 130 °C.[4]
Jedan izvor eksplicitno definira ove podatke kao "eksplicitnu gornju temperaturnu granicu za preradu NRCl-a" koja može utjecati na proizvodnju dodataka prehrani kroz sve faze, naglašavajući važnost DSC/qNMR pragova kao čvrstih ograničenja u toplinskim procesima.[4]
NR borat uvodi stabilizacijsku strategiju motiviranu reaktivnošću NR-a: NR se opisuje kao spoj s posebno nestabilnom glikozidnom vezom koja povezuje pozitivno nabijeni piridinijev heterocikl s ugljikohidratom, što ga čini teškim za sintezu, skladištenje i transport, dok se za stabilizaciju boratom navodi da pruža visoku stabilnost protiv toplinske i kemijske razgradnje.[19]
Kvantitativno, topljivost NR borata snažno ovisi o pH vrijednosti (npr. 1972.7 ± 15.4 mg·mL⁻¹ pri pH 1.5; 926.0 ± 34.4 mg·mL⁻¹ pri pH 7.4), a prema izvješćima Arrheniusov model pokazuje više stope razgradnje pri pH 7.4 nego pri pH 1.5 ili 5.0, što je u skladu s utjecajem koncentracije HO⁻.[19]
Isti pregled navodi Gibbsovu slobodnu energiju razgradnje NR borata od 2.43 kcal·mol⁻¹ te napominje da porast temperature od 10 °C približno udvostručuje brzinu razgradnje pod bilo kojim pH uvjetom, odražavajući toplinsku osjetljivost opaženu kod NRCl-a.[4, 19]
NRH pokazuje izraženu osjetljivost na pH i kisik: zabilježena je potpuna razgradnja u manje od jednog dana pri pH 5, dok pri pH 9 uzorci pokazuju ~42–45% razgradnje nakon 60 dana, a na 25 °C u DI vodi na zraku zabilježeno je ~50% razgradnje nakon 60 dana u usporedbi s ~27% pod N₂.[5]
Ova osjetljivost na kisik mehanistički se pripisuje oksidaciji u prisutnosti kisika i ubrzanoj hidrolizi u kiselim uvjetima, što je u skladu s opisom NRH-a kao nestabilne molekule zbog njezine N-glikozidne veze koja je podložna razgradnji, hidrolizi i oksidaciji.[5]
Za NMN, kvantitativni termodinamički pokazatelji u čvrstom stanju uključuju zabilježeni početak razgradnje na 160 °C i završetak do 165 °C (uz endotermni DSC vrh na 162 °C i entalpiju razgradnje od 184 kJ·mol⁻¹) te podatke o ubrzanoj stabilnosti koji navode stopu razgradnje od 0.8% mjesečno na 40 °C i 75% RH.[6]
U vodenoj otopini, razgradnja NMN-a opisana je kao reakcija prividnog prvog reda na sobnoj temperaturi s kinetičkom jednadžbom lg(Ct)=0.0057t+4.8172 i zabilježenim vremenima t0.9=95.58 h i t1/2=860.26 h, a studija navodi da na brzinu razgradnje prvenstveno utječu visoka temperatura i pH.[27]
Kako bi se podržala praktična ograničenja formulacije, jedan izvor usmjeren na proizvod preporučuje ugradnju ispod 45 °C kako bi se spriječila toplinska razgradnja fosfodijesterske veze te navodi manje od 5% razgradnje u ubrzanom ispitivanju na 40 °C/75% RH tijekom 3 mjeseca za pravilno formulirane sustave s niskim udjelom vode.[28]
Primarni put razgradnje NMN-a opisan je kao hidroliza fosfodijesterske veze pri čemu nastaju nikotinamid i riboza-5-fosfat, uz ovisnosti o pH opisane kao kiselo katalizirana hidroliza ispod pH 4.5 i bazno posredovano cijepanje iznad pH 7.5.[28]
4.2 Stilbenoidi
Stilbenoidi uključuju resveratrol i srodne spojeve koji pokazuju snažnu degradaciju ovisnu o pH-vrijednosti i kisiku, a njihova stabilnost u stvarnim formulacijama može odstupati od jednostavne Arrheniusove ekstrapolacije zbog efekata matriksa i višestrukih reakcijskih puteva.[7, 12, 29]
U vodenim sustavima, za trans-resveratrol se navodi da je stabilan u kiselom pH-području, dok se degradacija eksponencijalno povećava iznad pH 6.8, a poluvijek se smanjuje s 329 dana pri pH 1.2 na 3.3 minute pri pH 10.[12]
Pri pH 7.4, kinetika degradacije trans-resveratrola prati kinetiku prvog reda kroz ispitivane temperature, a zabilježena energija aktivacije iznosi 84.7 kJ·mol−1.[12]
Mehanističko objašnjenje sugerira da su u kiselom pH-području hidroksilne skupine zaštićene od radikalske oksidacije pozitivno nabijenim H₃O⁺, dok u alkalnim uvjetima fenatni ioni povećavaju osjetljivost na oksidaciju i stvaranje fenoksi radikala, a kisik u mediju potiče radikalske reakcije koje dovode do degradacije.[12]
Neovisni eksperimenti toplinske stabilnosti u vodenoj otopini (19 mg·L−1) ne pokazuju značajne spektralne promjene nakon 30 min do 70 °C, dok više temperature dovode do općeg smanjenja apsorbancije na 304 nm i smanjene apsorbancije u rasponu od 270–350 nm, što ukazuje na toplinski induciranu razgradnju pod hidrotermalnim uvjetima.[30]
Mehanistička interpretacija tih hidrotermalnih eksperimenata predlaže oksidativno cijepanje dvostruke veze i stvaranje degradacijskih proizvoda koji sadrže fenol, kao što su hidroksialdehidi, alkoholi i hidroksikiseline, a FTIR vrpce tumače se kao sukladne stvaranju aldehida i karboksilnih kiselina pri 100–120 °C.[30]
U matricama tableta, za degradaciju resveratrola navodi se da prati monoeksponencijalnu kinetiku prvog reda s vrijednostima k od 0.07140, 0.1937 i 0.231 mjeseci−1 pri 25, 30, odnosno 40 °C, no odnos ln(k) nasuprot 1/T je nelinearan i klasificiran kao super-Arrheniusov, pri čemu autori predlažu moguće sekundarne reakcije, višestruke reakcijske puteve ili efekte matriksa na višim temperaturama.[7]
Isti rad naglašava da Arrheniusova ekstrapolacija ne omogućuje uvijek određivanje kinetike degradacije resveratrola u dodacima prehrani te da ubrzani testovi mogu dovesti do netočnih procjena, uključujući precjenjivanje degradacije.[7]
Za fenolne spojeve slične stilbenu u suhim sustavima, toplinski tretmani poput sterilizacije vodenom parom na 121 °C tijekom 20 min uzrokuju mjerljive gubitke (npr. pinosylvin je smanjen za 20.98% prema površini pika), a sušenje u sušioniku tijekom 24 h na 105 °C uzrokuje smanjenje površine pika za >50% za nekoliko fenolnih spojeva, dok TGA ukazuje na temperature početka razgradnje iznad ~200 °C za sustave koji sadrže pinosylvin.[31]
4.3 Flavonoids
Flavonoidi pokazuju osjetljivost na višestruke puteve degradacije pod utjecajem pH, temperature, kisika i interakcija unutar formulacije poput vezanja za proteine, a njihovo toplinsko ponašanje u DSC/TGA može uključivati preklapanje razgradnje i omekšavanja umjesto jednostavnog taljenja.[9, 22, 24]
U puferiranim otopinama, povećanje pH medija sa 6.0 na 7.5 povećava konstante brzine degradacije za fisetin i quercetin za 24, odnosno 12 puta (npr., k za fisetin s 8.30×10−3 na 0.202 h−1; k za quercetin s 2.81×10−2 na 0.375 h−1), a podizanje temperature iznad 37 °C znatno povećava k (npr., k za fisetin na 0.490 h−1 pri 65 °C; k za quercetin na 1.42 h−1 pri 65 °C).[24]
Proteinski ko-sastojci mogu ublažiti degradaciju: dodatkom proteina izmjerene vrijednosti k se smanjuju, uključujući smanjenje k za fisetin s 3.58×10−2 na raspon do 1.76×10−2 h−1 i k za quercetin s 7.99×10−2 na raspon do 3.80×10−2 h−1.[24]
Mehanistički gledano, kemijska nestabilnost flavonoida pripisuje se hidroksilnim skupinama i nestabilnoj pyrone strukturi, a stabilizacija proteinima pripisuje se uglavnom hidrofobnim interakcijama (pri čemu SDS narušava stabilizaciju), dok je doprinos vodikovih veza istaknut kao faktor koji zahtijeva buduća kvantitativna ispitivanja.[24]
Za quercetin na 90 °C blizu neutralnosti, kinetika degradacije pokazuje snažne učinke pH: k se povećava približno pet puta s pH 6.5 na 7.5, a detektirani su i oksidacijski intermedijeri poput quercetin quinone, s tipičnim krajnjim proizvodima koji uključuju protocatechuic acid (PCA) i phloroglucinol carboxylic acid (PGCA).[22]
Mehanistički opis pripisuje prvi mjerljivi gubitak na 370 nm pretvorbi quercetina u quinone i sugerira da cijepanje quinone skeleta daje jednostavnije fenolne spojeve s ograničenom apsorbancijom, dok alkalna deprotonacija ubrzava oksidaciju utječući na C-prsten i o-diphenol strukturu B-prstena.[22]
U visokotemperaturnim sustavima (150 °C), degradacija i oksidacija quercetina odvijaju se brzo, s prijavljenim konstantama brzine od 0.253 h−1 u dušiku i 0.868 h−1 u kisiku te snažnim ubrzanjem (7.17 h−1) u kisiku uz cholesterol; eksperimentalno, gubitak quercetina raste sa 7.9% nakon 10 min (N₂) na 20.4% nakon 10 min (O₂), dok se u sustavu cholesterol + kisik quercetin smanjuje na preostalih 10.9% nakon 10 min.[26]
Toplinska analiza nadalje ukazuje na to da quercetin pokazuje mali endotermni pik u rasponu od 90–135 °C povezan s malim gubitkom mase (0.86 ± 0.33 wt.%), razgradnja započinje na 230 °C, a istaknuti DSC endoterm na 303 °C preklapa se s razgradnjom; smatra se da vodikove veze istovremeno ograničavaju ponašanje slično taljenju i olakšavaju razgradnju slabljenjem kemijskih veza.[9]
Za rutin (quercetin glikozid) i njegove estere masnih kiselina, TGA ukazuje na to da je rutin toplinski stabilan do 240 °C, dok esteri pokazuju niže početne temperature degradacije (217–220 °C) i veći gubitak mase u glavnoj fazi, a energije aktivacije variraju sa stupnjem pretvorbe od 65 do 246 kJ·mol−1.[8]
4.4 Kurkuminoidi
Degradacija kurkumina snažno je ovisna o pH i uključuje oksidacijske puteve pod mnogim vodenim uvjetima, dok termička razgradnja i interakcije u formulaciji mogu pomaknuti početak degradacije i prividne kinetičke parametre.[10, 18, 32]
U smjesama pufera i metanola pri 37 °C, zabilježeno je da degradacija kurkumina slijedi kinetiku prvog reda, pri čemu se k_obs dramatično povećava s porastom pH (npr. 3.2×10−3 h−1 pri pH 7.0 u odnosu na 693×10−3 h−1 pri pH 12.0), dok je pri pH 5.0 kurkumin stabilan u navedenim eksperimentima.[10]
Pri pH 8.0, Arrheniusova analiza daje (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1, a ekstrapolacija na vodeni pufer sugerira brzi gubitak pod oksidacijskim uvjetima (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]
Micelarne nanoformulacije dramatično usporavaju degradaciju: u polimernim micelama i micelama Triton X-100 pri pH 8.0 i 37 °C, zabilježene vrijednosti k_obs smanjuju se na 0.9×10−3 i 0.6×10−3 h−1, s vremenima poluživota od 777 ± 87 h i 1100 ± 95 h, za koja se navodi da su ~300–500 puta veća nego za slobodni kurkumin u vodenom puferu.[10]
Mehanistički gledano, uključeno istraživanje tvrdi da se degradacija kurkumina ne odvija putem hidrolitičkog cijepanja lanca, već putem oksidacije koja daje bicyclopentadione kao konačni proizvod, pri čemu je degradacija 1 mol kurkumina povezana s potrošnjom 1 mol O₂, a prvi je korak deprotonacija hidroksilnih skupina pri pH iznad 7.0.[10]
Zasebna GI-relevantna studija stabilnosti navodi prividnu kinetiku prvog reda s visokom linearnošću (r² > 0.95) i pruža aktivacijske energije (u kcal·mol−1) koje variraju ovisno o mediju (veće pri pH 7.4 nego u 0.1 N HCl) te izvještava da je nakon 12 h pri 37 °C više od 80% preostalo u 0.1 N HCl, dok je u fosfatnim puferima pH 6.8 i 7.4 preostalo samo 57%, odnosno 47%.[11]
Pri visokim temperaturama (180 °C), eksperimenti prženja pokazuju ekstremnu termolabilnost, pri čemu nakon 5 minuta preostaje samo 30% početnog kurkumina, a mehanistička interpretacija povezuje oksidacijsko cijepanje s nastankom ferulic acid kao međuprodukta i korakom dekarboksilacije koji je ubrzan izlaganjem zraku i višim temperaturama.[33]
Studije termičke dekompozicije kurkumina i polimernih sustava koji sadrže kurkumin pod dušikom pokazuju kompleksno ponašanje: razgradnja sirovog kurkumina započinje oko 240 °C, dok ugradnja kurkumina u mješavine PGA/PCL pomiče maksimum degradacije PGA na niže temperature (npr. s 372 °C za čistu mješavinu na 327 °C pri uzorku s 5% kurkumina), što implicira da ugradnja kurkumina može smanjiti termičku stabilnost matrice.[18]
Ista studija usmjerena na polimere povezuje ove rezultate s relevantnošću za proizvodnju, navodeći da prerada u rastaljenom stanju zahtijeva da se zajamče i kemijska stabilnost polimerne matrice i biološka aktivnost ugrađenih lijekova te da bi se prerada PGA ili mješavina PGA/PCL s kurkuminom trebala provoditi na što je moguće nižoj temperaturi kako bi se spriječila degradacija PGA.[18]
Stabilizacija kurkumina pod emulgiranjem s visokim smicanjem također je kvantificirana u Pickeringovim emulzijama pripremljenim upotrebom miksera s visokim smicanjem pri 22,000 rpm tijekom 2 min: skladištenje na 20 °C u mraku pokazuje da je u neinkapsuliranoj mješavini kurkumina i ulja približno polovica kurkumina degradirana nakon 6 dana i samo 20% preostaje nakon 16 dana, dok sustav Pickeringove emulzije zadržava ~50% nakon 16 dana i produljuje poluvijek s 13 dana na 28 dana.[1]
Pod UV zračenjem (6 W, 365 nm), isti sustav pokazuje ~50% degradacije nakon 9 h i samo 20% preostalog udjela nakon 24 h za mješavinu ulja, dok Pickeringova emulzija zadržava ~70% nakon 9 h i ~45% nakon 24 h te produljuje poluvijek s ~13 h na ~27 h za gubitak od 50%.[1]
4.5 Sažeta tablica
Tablica u nastavku objedinjuje reprezentativne kinetičke i termodinamičke parametre prijavljene za različite klase spojeva, naglašavajući vrijednosti koje su najizravnije upotrebljive za modeliranje procesa.
| Spoj ili sustav | Uvjet | Kinetički ili termodinamički parametar | Napomene za procesne modele |
|---|---|---|---|
| NRCl | Vodeni puferi (pH 2.0, 5.0, 7.4), Arrheniusov model | (E_a)=75.4±2.9 (pH 2.0), 76.9±1.1 (pH 5.0), 82.8±4.4 kJ·mol−1 (pH 7.4)[4] | Podržava modeliranje temperaturnog ubrzanja i pH-ovisni dizajnirani prostor[4] |
| NRCl | DSC i qNMR (suho zagrijavanje) | DSC početak taljenja 120.7 ± 0.3 °C; egzotermni vrh raspada 130.8 ± 0.3 °C[4]; degradacija 55% na 125 °C i 98% na 130 °C[4] | Ukazuje na uzak sigurnosni prozor za operacije u krutom stanju uz zagrijavanje blizu taljenja[4] |
| NRH | DI voda na 25 °C, zrak naspram N₂ | k=1.27×10−7 s−1 (zrak; t_(1/2)=63 d) naspram 5.90×10−8 s−1 (N₂; t_(1/2)=136 d)[5] | Kontrola kisika može približno udvostručiti poluvijek pod ispitivanim uvjetima[5] |
| NMN | Vodena otopina, sobna temperatura | Prividni prvi red: lg(C_t)=0.0057t+4.8172; t_(0.9)=95.58 h; t_(1/2)=860.26 h[27] | Omogućuje procjenu gubitka aktivnosti tijekom faza držanja u vodenom mediju[27] |
| trans-Resveratrol | Ovisnost o pH vrijednosti | Poluvijek 329 d pri pH 1.2 naspram 3.3 min pri pH 10[12] | Potrebna je stroga kontrola pH vrijednosti tijekom prerade u vodenom mediju i ispitivanja disolucije[12] |
| trans-Resveratrol | pH 7.4 Arrhenius | (E_a)=84.7 kJ·mol−1[12] | Koristi se za modeliranje pri umjerenim temperaturama; oprez pri pojavi ne-Arrheniusovog ponašanja u matricama[7, 12] |
| Resveratrol tablete | 25–40 °C, 60–75% RH | k=0.07140, 0.1937, 0.231 mjeseci−1 (25, 30, 40 °C)[7] | Odstupa od Arrheniusovog modela (super-Arrheniusovo ponašanje), što ograničava ekstrapolaciju ubrzanih ispitivanja[7] |
| Fisetin, quercetin | Fosfatni pufer | povećanje pH s 6.0→7.5 povećava k za 24× (fisetin) i 12× (quercetin)[24] | Naglašava osjetljivost na pH tijekom jediničnih operacija u vodenom mediju[24] |
| Curcumin | pH 8.0, Arrhenius | (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1[10] | Korisno za predviđanje temperaturne osjetljivosti u neutralno-bazičnim medijima[10] |
| Curcumin u micelama | pH 8.0, 37 °C | t_(1/2)=777±87 h i 1100±95 h (micele) naspram 2.5 h (slobodni vodeni pufer)[10] | Demonstrira opseg stabilizacije postignut formulacijom za korake držanja/procesiranja[10] |
5. Jedinične operacije proizvodnje s visokim smicanjem
Proizvodnja s visokim smicanjem izlaže termolabilne spojeve poljima mehaničkog stresa koja mogu povećati temperaturu, prijenos kisika i međufaznu površinu, čime utječu i na kinetiku reakcije i na dominantne mehanizme, posebice kod bioaktivnih tvari osjetljivih na kisik i pH.[13, 14, 17]
5.1 Prerada u talini
Prerada u rastaljenom stanju istaknuta je u sustavima polimer–lijek kao scenarij u kojem se moraju očuvati i stabilnost polimera i aktivnost lijeka, te se izričito navodi da prerada u rastaljenom stanju podrazumijeva da kemijska stabilnost polimerne matrice i bioločna aktivnost inkorporiranih lijekova moraju biti zajamčene.[18]
In the PGA/PCL–curcumin sustavu, ugradnja curcumina nepovoljno utječe na toplinsku stabilnost PGA, a autori preporučuju preradu na što je moguće nižoj temperaturi kako bi se spriječila degradacija PGA, čime se karakterizacija toplinske stabilnosti povezuje s dizajnom procesa.[18]
5.2 Visokotlačna homogenizacija i mikrofluidizacija
Visokotlačna homogenizacija izlaže fluide visokom mehaničkom stresu kada protječu kroz ventil s uskim zazorom; na samom otvoru, fluid je podvrgnut djelovanju smicanja, a dodatni fenomeni kao što su kavitacija, turbulencija, sudaranje i udaranje pridonose učincima smicanja.[14]
HPH radi pri povišenim tlakovima od preko 100 MPa i može generirati tlakove do 400 MPa, a primijenjeni tlak, broj ciklusa/prolaza i ulazna temperatura opisani su kao ključni čimbenici koji utječu na ekstraktibilnost i stabilnost fitokemikalija.[14]
Kvantitativno, pregledni rad o HPH navodi primjere promjena u sastavu kao što su postupno smanjenje L-ascorbic acid (1.7%, 4.6%, 10.7%) pri 100, 200, 300 MPa i smanjenje polyphenola (npr. 10.6%, 6.0%, 1.4%) u soku od jabuke pri 100, 200, 300 MPa, što ilustrira da razina tlaka može korelirati s gubicima spojeva osjetljivih na oksidaciju, ovisno o matrici i aktivnosti enzima.[14]
Na razini formulacije, mikrofluidizacija može proizvesti stabilne emulzije uz kvantificirano zadržavanje fenolnih spojeva: za W/O/W emulzije, optimalni uvjeti mikrofluidizatora prijavljeni su kao 148 MPa i sedam ciklusa, što daje kapljice od 105.3 ± 3.2 nm i PDI 0.233 ± 0.020, a nakon 35 dana zadržavanje fenolnih spojeva iznosilo je 68.6% uz zadržavanje antioksidacijske aktivnosti od 89.5%.[2]
Zasebna studija enkapsulacije navodi kombinirani pristup visokog smicanja i mikrofluidizacije: liposomske disperzije homogenizirane su pri 9500 rpm tijekom 10 min, a zatim su propuštene pet puta kroz mikrofluidizator pri 25,000 psi prije sušenja raspršivanjem, što pokazuje da industrijski realni sekvencijski procesi mogu kombinirati smicanje i naknadno toplinsko sušenje.[3]
Pregledi ultra-visokotlačne homogenizacije (UHPH) naglašavaju ekstremno smicanje i udare unutar ventila, s navedenim uvjetima kao što su fluidi pumpani pri više od 200 MPa (tipično 300 MPa) i vremenom zadržavanja u ventilu kraćim od 0.2 s pri brzini od Mach 3, uz nanofragmentaciju mikroorganizama, koloida i biopolimera na 100–500 nm.[34]
5.3 Miješanje s visokim smicanjem
Miješanje s visokim smicanjem često se koristi kao korak pred-emulgiranja ili dispergiranja i samo po sebi može generirati značajan porast temperature i oksidacijsku okolinu, čime utječe na degradaciju čak i prije nizvodnih operacija.[13]
U modelu pića, homogenizacija s visokim smicanjem tijekom 10 min pri rastućim brzinama rotacije povećala je izlaznu temperaturu (s 4.1 ± 0.7 °C pri 0 rpm na 41 ± 1.2 °C pri 20,000 rpm) te je bila povezana sa znatnim gubitkom ascorbic-acid (smanjenje od 42.6% pri 20,000 rpm).[13]
U curcumin Pickering emulzijskom sustavu, miješanje s visokim smicanjem pri 22,000 rpm tijekom 2 min korišteno je za formiranje emulzija, nakon čega su poboljšanja stabilnosti kvantificirana kroz sporiju degradaciju i produljeno vrijeme poluživota pod uvjetima skladištenja i UV stresa, povezujući strukturu međufaze stvorenu visokim smicanjem s ishodima kemijske stabilnosti.[1]
5.4 Mehanokemijsko mljevenje
Mehanokemijska prerada (npr. mljevenje u mlinu s kuglicama) može proizvesti amorfne čvrste disperzije i promijeniti stabilnost mijenjanjem oblika čvrstog stanja, miješanjem na molekularnoj razini i omogućivanjem snažnih međumolekulskih interakcija poput vodikovih veza.[15]
Za fisetin ASDs i inkluzije, mljevenje je provedeno na sobnoj temperaturi s frekvencijom od 30 Hz i vremenom od 20 min, a naknadna TG/DSC analiza provedena je pod dušikom kako bi se kvantificirala toplinska stabilnost i ponašanje Tg.[15]
5.5 Sušenje raspršivanjem
Sušenje raspršivanjem opisano je kao jedna od najčešće korištenih tehnika za proizvodnju suhih biljnih ekstrakata, a navodi se da visoke temperature tijekom sušenja raspršivanjem mogu imati štetne učinke na termolabilne (poly)phenols.[3, 20]
U jednoj studiji enkapsulacije polyphenola, sušenje raspršivanjem provedeno je s ulaznom temperaturom zraka od 150 ± 5 °C i izlaznom temperaturom od 90 ± 5 °C, dok autori navode da se količina (poly)phenols smanjila uslijed izloženosti kisiku i toplini tijekom sušenja raspršivanjem, što je motiviralo enkapsulaciju radi očuvanja funkcionalnih svojstava.[3]
U studiji preformulacije ekstrakta, uvjeti procesa sušenja raspršivanjem (ulazna temperatura, brzina protoka napajanja, omjer colloidal silicon dioxide) procijenjeni su s obzirom na njihov utjecaj na odzive, a Arrheniusove metode korištene su za određivanje kinetičkih parametara razgradnje, uključujući red reakcije, vrijeme razgrađene frakcije i konstantu brzine.[20]
5.6 Sažeta tablica
Tablica u nastavku sažima profile stresa i primjere kvantitativnih utjecaja navedenih za jedinične operacije koje nameću visoko smicanje i/ili intenzivno izlaganje toplini.
| Jedinična operacija | Navedeni deskriptori stresa | Kvantitativni primjeri u uključenim izvorima | Implikacije za termolabilne aktivne tvari |
|---|---|---|---|
| Miješanje s visokim smicanjem | Rotacijska brzina; porast temperature s brzinom[13] | Izlazna temperatura raste na 41 ± 1.2 °C pri 20,000 rpm (10 min)[13]; ascorbic acid smanjena za 42.6% pri 20,000 rpm[13] | Zagrijavanje inducirano smicanjem može su-pokretati oksidaciju i toplinsku degradaciju čak i bez vanjskog zagrijavanja[13] |
| Visokotlačna homogenizacija | Tlak >100 MPa; smicanje u ventilu; kavitacija/turbulencija[14] | Smanjenje polyphenola prijavljeno pod tlakom od 100–300 MPa u sokovima (npr. 10.6% pri 100 MPa u soku od jabuke)[14] | Zahtijeva kontrolu ulazne temperature, prolaza, kisika i aktivnosti enzima kako bi se ograničio gubitak uzrokovan oksidacijom[14] |
| Mikrofluidizacija | Tlak i broj ciklusa[2] | 148 MPa i sedam ciklusa daju kapljice od ~105 nm; zadržavanje fenolnih spojeva iznosi 68.6% nakon 35 d skladištenja[2] | Omogućuje sustave enkapsulacije s malim kapljicama koji mogu očuvati fenolne spojeve tijekom skladištenja i eventualno nizvodne prerade[2] |
| UHPH | >200 MPa (tipično 300 MPa); ekstremno smicanje/udari; zadržavanje u ventilu <0.2 s; lokalna temperatura ventila često >75 °C[34] | Navedena nanofragmentacija na 100–500 nm[34] | Iznimno kratko vrijeme zadržavanja može ograničiti toplinsku degradaciju malih molekula unatoč lokalnom zagrijavanju, no učinci smicanja/oksidacije moraju se potvrditi za svaki pojedini spoj[34] |
| Mehanokemijsko mljevenje | Frekvencija i vrijeme; amorfizacija i stvaranje interakcija[15] | 30 Hz tijekom 20 min proizvelo je fisetin ASDs s mjerljivim vrijednostima Tg i dokazima vodikovih veza[15] | Može stvoriti amorfna stanja koja mijenjaju stabilnost; Tg postaje ključni kontrolni parametar za skladištenje/preradu[15] |
| Sušenje raspršivanjem | Ulazne/izlazne temperature; izloženost kisiku/toplini[3] | Ulazna 150 ± 5 °C i izlazna 90 ± 5 °C korištene za praškove enkapsuliranog ekstrakta[3] | Toplinsko i oksidativno izlaganje može smanjiti (poly)phenols; zaštitna enkapsulacija može poboljšati zadržavanje i biološku dostupnost[3] |
6. Integrirani modeli stabilnosti i procesa
Uključeni izvori pružaju temeljne elemente za integrirani prediktivni okvir u kojem se ishodi stabilnosti izračunavaju iz toplinskih povijesti jediničnih operacija i fizikalno-kemijskih mikrookruženja (pH, kisik, aktivnost vode), uz poštovanje termodinamičkih prijelaznih pragova.[4, 14]
6.1 Mapiranje vrijeme–temperatura–smicanje
Praktičan pristup mapiranju može koristiti kinetiku (k, (E_a), poluživot) zajedno s izmjerenim ili izvedenim profilima vrijeme–temperatura jediničnih operacija za izračunavanje očekivane konverzije, koristeći pritom pragove prijelaza stanja (Tg, početak taljenja, početak razgradnje) kao granice koje mogu promijeniti mehanizme ili povećati brzine.[4, 15]
Na primjer, model pseudo-prvog reda u otopini za NRCl može se parametrizirati pomoću Arrheniusovih energija aktivacije (75.4–82.8 kJ·mol−1) i opažanja da povećanje od 10 °C približno udvostručuje k_obs, što omogućuje prenošenje iz validiranih pokusa s puferima na kratka toplinska odstupanja u proizvodnji.[4]
Za curcumin, temperaturna osjetljivost može se parametrizirati pomoću (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 pri pH 8.0 i zabilježene snažne ovisnosti k_obs o pH, što zajedno omogućuje predviđanje gubitaka tijekom držanja u vodenim medijima ili koraka emulgiranja na povišenoj temperaturi gdje je lokalni pH neutralan do bazičan.[10]
Za trans-resveratrol, pad poluživota pod utjecajem pH (s nekoliko stotina dana na minute kako se pH povećava) implicira da ishodima stabilnosti tijekom procesiranja može dominirati mikrookolišni pH radije nego temperatura mase, a Arrheniusovo modeliranje pri pH 7.4 može se koristiti za izlaganja umjerenim temperaturama uz (E_a)=84.7 kJ·mol−1.[12]
6.2 QbD i prostor dizajna
Quality-by-design interpretaciju podržavaju studije koje eksplicitno procjenjuju kako procesni parametri i formulacijske matrice mijenjaju mehanizme razgradnje, uključujući nalaze da ubrzana ispitivanja možda neće uspjeti predvidjeti rok valjanosti kada dođe do ne-Arrheniusovog ponašanja ili efekata matrice.[7, 29]
Za tablete s resveratrolom, zaključak da Arrheniusovi pristupi mogu precijeniti razgradnju u ubrzanim ispitivanjima motivira definiranje prostora dizajna koristeći i mehanicističko razumijevanje i podatke dobivene na više temperatura, radije nego na temelju samo jednog ubrzanog uvjeta.[7, 29]
Za raspršivanjem osušene flavonoid marker sustave, eksplicitno je navedeno da ekscipijensi utječu na kinetički red i vrijednosti vremena do razgradnje određenog udjela, što ukazuje na to da je sastav formulacije dio prostora dizajna stabilnosti, a ne fiksna pozadina.[20]
6.3 PAT i analitička specifičnost
Točno praćenje procesa zahtijeva analitičku specifičnost jer proizvodi razgradnje mogu ometati jednostavnije spektroskopske testove, osobito za polyphenols.[12]
Za trans-resveratrol, specifičnost HPLC i UPLC metoda navodi se kao potvrđena, dok je UV/VIS spektroskopija rezultirala lažno povišenim koncentracijama trans-resveratrol u uvjetima u kojima nije bio stabilan (alkalni pH, svjetlo, povišena temperatura), što naglašava potrebu za metodama koje ukazuju na stabilnost u procesnoj analitici.[12]
7. Strategije ublažavanja
Pristupi ublažavanju u uključenim izvorima naglašavaju ograničavanje izloženosti poznatim akceleratorima (toplina, kisik, visoki pH, UV), te korištenje formulacijskih arhitektura koje smanjuju molekularnu mobilnost, štite granične površine ili smještaju aktivnu tvar u manje reaktivna mikrookruženja.[10, 13, 17]
7.1 Enkapsulacija i disperzije
Enkapsulacija u micelarnim ili čestičnim sustavima može značajno stabilizirati termolabilne spojeve ograničavanjem kontakta s vodom, kisikom i reaktivnim vrstama te mijenjanjem kiselinsko-bazne dostupnosti ključnih funkcionalnih skupina.[1, 10]
Za curcumin, micelarna solubilizacija smanjuje k_obs na 0.6–0.9×10−3 h−1 i produljuje poluvijek na 777–1100 h, a ova se stabilizacija pripisuje sprječavanju deprotonacije hidroksilne skupine unutar hidrofobne jezgre micele, što je opisano kao prvi korak degradacije.[10]
Pickeringove emulzije osiguravaju fizičku barijeru: navodi se da prisutnost guste fizičke barijere na graničnoj površini ometa degradaciju curcumina, a kvantitativno sustav koji tvori barijeru produljuje poluvijek skladištenja s 13 dana na 28 dana i UV poluvijek s ~13 h na ~27 h.[1]
Sustavi nosača izvedeni iz ciklodekstrina pružaju još jednu strategiju: klatrati resveratrol–β-cyclodextrin pokazuju termičke događaje uključujući oslobađanje vode blizu 50 °C i degradacijske događaje na višim temperaturama, a slobodne energije vezanja (npr. −86 kJ·mol−1 prema MM/PBSA) kvantificiraju snažne inkluzijske interakcije.[25]
Enkapsulacija resveratrola u nanospužve eliminira njegov DSC endoterm taljenja i osigurava fotoprotekciju: slobodni resveratrol pokazuje 59.7% degradacije unutar 15 min pod utjecajem UV zračenja, dok resveratrol nanospužve pružaju približno dvostruku zaštitu, što je u skladu s time da enkapsulacija sprječava izravno UV izlaganje.[16]
Amorfne čvrste disperzije mogu se osmisliti mehanokemijskim mljevenjem, pri čemu je izričito identificirano vodikovo vezanje između fisetina i esterskih skupina Eudragit®, pružajući mehanističku osnovu za mješljivost i promijenjeni Tg, što može stabilizirati sustav protiv promjena u ponašanju otapanja ovisnih o kristalizaciji.[15]
7.2 Odabir pomoćnih tvari i nosača
Odabir pomoćnih tvari može izmijeniti kinetičke mehanizme i ishode stabilnosti, kao što je zabilježeno u sustavima biljnih ekstrakata osušenih raspršivanjem, gdje se reakcijski red i vremena razgrađene frakcije razlikuju ovisno o smjesama pomoćnih tvari, što ukazuje na kinetiku degradacije ovisnu o pomoćnim tvarima.[20]
Proteinski su-sastojci mogu stabilizirati flavonoide putem hidrofobnih interakcija, snižavajući vrijednosti k za fisetin i quercetin, a narušavanje tih interakcija uzrokovano SDS-om podupire tumačenje da je hidrofobno vezanje ključni stabilizirajući mehanizam.[24]
7.3 Kontrole procesnog inženjerstva
Procesne kontrole koje smanjuju izloženost toplini i kontakt s kisikom izravno su poduprte s više skupova podataka.[5, 18]
Za NRCl, DSC/qNMR dokazi ukazuju da prekoračenje područja početka taljenja (~120–130 °C) može uzrokovati iznimno brzu degradaciju, što podupire stroga gornja ograničenja temperature i vremena zadržavanja u grijanim operacijama u krutom stanju.[4]
Za NRH, razlika između poluvijeka u zraku i pod N2 na 25 °C implicira da inertizacija i isključivanje kisika mogu biti od ključne važnosti, a autori navode da uzorci pod atmosferom N2 na 4 °C ne pokazuju mjerljivu degradaciju nakon 60 days, dok uzorci na 4 °C na zraku pokazuju ~10% degradacije.[5]
Za homogenizaciju s visokim smicanjem, izravno opažanje da povećanje rpm povećava izlaznu temperaturu te da je povezano s većim gubitkom na oksidaciju osjetljive ascorbic acid podupire inženjerske mjere koje ograničavaju zagrijavanje uzrokovano smicanjem (npr. rashladni plaštevi, kraća vremena miješanja, stupnjevano dodavanje).[13]
Za sušenje raspršivanjem, tvrdnja da izloženost kisiku i toplini smanjuje udio (poli)fenola te da visoke temperature mogu biti štetne za termolabilne fenolne spojeve podupire odabire poput snižavanja izlazne temperature kada je to izvedivo i korištenja enkapsulacije radi smanjenja osjetljivosti na oksidaciju i toplinu.[3]
7.4 Antioksidansi i upravljanje kisikom
Strategije primjene antioksidansa i upravljanja kisikom mehanistički su poduprte kroz skupove podataka o polifenolima.[12, 22]
Za quercetin na 90 °C, antioksidansi poput cysteine smanjuju k, pri čemu 200 µmol·L−1 cysteine uzrokuje smanjenje k od ~43% u usporedbi s kontrolom, a mehanističko tumačenje razmatra stabilizaciju quercetin quinone i učinke gašenja radikala.[22]
Za trans-resveratrol, izričito se navodi da kisik potiče radikalske reakcije koje dovode do degradacije, što podupire primjenu inertnih procesnih atmosfera ili barijera za kisik, gdje god je to izvedivo, za alkalnu/neutralnu vodenu preradu.[12]
U liposomskim sustavima, navodi se da resveratrol ograničava oksidaciju stigmasterola neutralizacijom slobodnih radikala te da se integrira u lipidne dvoslojeve povećavajući krutost, smanjujući propusnost za kisik i oksidacijska sredstva, čime se poboljšava toplinska i oksidacijska stabilnost sustava.[35]
8. Rasprava
U cijeloj ovdje sintetiziranoj bazi dokaza, najsnažniji kvantitativni obrazac jest da kemijsko mikrookruženje (pH, kisik, prisutnost vode) može dominirati ishodima stabilnosti čak i pri umjerenim temperaturama, te da nekoliko bioaktivnih tvari pokazuje oštre diskontinuitete stabilnosti na specifičnim pragovima termičke tranzicije.[4, 5, 12]
Za NAD+ prekursore, NRCl skup podataka ističe dvostruki režim: u vodenoj otopini, hidroliza pseudo-prvog reda može se modelirati Arrheniusovim energijama aktivacije i približno dvostrukim povećanjem brzine reakcije na svakih 10 °C, dok u čvrstom stanju usko područje oko 120–130 °C odgovara taljenju nakon kojeg odmah slijedi brza razgradnja.[4]
Za resveratrol, dominantni procesni rizik proizlazi iz osjetljivosti na pH: poluvijek se dramatično skraćuje s dugog trajanja pri kiselom pH na svega nekoliko minuta pri visokom pH, dok kisik potiče radikalske reakcije, što ukazuje na to da operacije s visokim smicanjem koje povećavaju prijenos kisika i lokalnu alkalnost mogu biti nerazmjerno štetne čak i ako temperatura mase ostane umjerena.[12]
Za flavonoide, oksidacija putem kinonskih intermedijera i o pH ovisni mehanizmi deprotonacije (quercetin) kombiniraju se s visokotemperaturnom oksidacijom i kupliranjem radikalnih lanaca (npr. kisik plus cholesterol), što sugerira da formulacije koje sadrže lipide i izloženost kisiku mogu snažno pojačati putove oksidativnog gubitka.[22, 26]
Za curcumin, postoji mehanistička napetost između teorija vođenih hidrolizom (u nekim radovima s GI puferima) i teorija vođenih autooksidacijom (u radovima usmjerenim na micele), no obje konvergiraju prema snažnom utjecaju pH te zaštitnoj ulozi hidrofobnih mikrookruženja i ograničenja kisika.[11, 32]
Na razini jediničnih operacija, procesi s visokim smicanjem mogu djelovati prvenstveno kao neizravni akceleratori generiranjem topline i povećanjem oksidativne osjetljivosti; to je izravno demonstrirano u homogenizaciji s visokim smicanjem, gdje brzina rotacije povećava izlaznu temperaturu i podudara se s oksidativnim gubitkom ascorbic acid.[13]
HPH/UHPH uvode dodatnu složenost jer područje ventila nameće ekstremno smicanje, kavitaciju i turbulenciju te može generirati visoke lokalne temperature, iako vremena zadržavanja mogu biti vrlo kratka (npr. <0.2 s u opisima UHPH), što implicira da kemijski ishodi mogu ovisiti o tome je li degradacija kontrolirana brzim radikalskim procesima, koracima ograničenim difuzijom ili sporijim koracima termičke aktivacije.[14, 34]
Naposljetku, nekoliko izvora ističe da modeliranje stabilnosti mora biti mehanistički validirano u relevantnoj matrici: podaci za tablete resveratrol pokazuju ne-Arrheniusovo ponašanje i učinke matrice koji ograničavaju opću Arrheniusovu ekstrapolaciju iz ubrzanih ispitivanja, a markeri biljnih ekstrakata osušenih raspršivanjem pokazuju kinetičke redove ovisne o ekscipijensima i vremena frakcijske razgradnje.[7, 20]
9. Zaključci
Kvantitativni termodinamički tranzicijski markeri (DSC/TGA) i kinetika degradacije (k, t_(1/2), (E_a), aktivacijske energije ovisne o konverziji) pružaju procesno relevantnu osnovu za projektiranje proizvodnih uvjeta koji čuvaju potentnost termolabilnih spojeva za dugovječnost i srodnih bioaktivnih tvari.[4, 8, 9]
Za NAD+ prekursore, NRCl pokazuje uski prozor termičke obrade blizu tališta, nakon čega slijedi brza razgradnja, dok kinetika u vodenim medijima pokazuje ponašanje pseudo-prvog reda ovisno o pH s aktivacijskim energijama od 75–83 kJ·mol−1 koje mogu parametrizirati modele toplinske izloženosti.[4]
Za resveratrol, pH i kisik su dominantne varijable, pri čemu se poluživot smanjuje sa stotina dana pri kiselom pH na minute pri visokom pH, a formulacijske matrice mogu uzrokovati ne-Arrheniusovo ponašanje koje komplicira ekstrapolaciju ubrzanih ispitivanja.[7, 12]
Za flavonoide i kurkuminoide, oksidacijski putevi (kinonski intermedijari za quercetin; autooksidacija za curcumin) nameću potrebu za kontrolom kisika i strategijama hidrofobne enkapsulacije, za koje je kvantitativno dokazano da produljuju poluživot za redove veličine u micelarnim sustavima te značajno u Pickeringovim emulzijama proizvedenim pod visokosmičnim miješanjem.[1, 10, 22, 32]
Za jedinične operacije s visokim smicanjem, dostupni dokazi pokazuju da smicanje može povisiti temperaturu i potaknuti oksidaciju (visokosmično miješanje) te da visokotlačni procesi na bazi ventila generiraju ekstremno smicanje i kavitaciju, pri čemu su tlak, broj prolaza i ulazna temperatura ključne stresne varijable; ove spoznaje podupiru implementaciju mapiranja vremena, temperature i smicanja te PAT-a primjenom analitike koja indicira stabilnost.[12–14]
Sukob interesa
Autori izjavljuju da ne postoji sukob interesa.[20]
