Absztrakt
A termolabilis, hosszú élettartammal összefüggő vegyületek és polifenolos bioaktív vegyületek gyakran szimultán termikus, oxidatív, pH- és mechanikai stresszhatásoknak vannak kitéve a gyártás során (pl. nagy nyíróerejű keverés, nagynyomású homogenizálás és porlasztva szárítás), ami felgyorsíthatja a kémiai lebomlást és csökkentheti a leadott hatóanyag-mennyiséget. Ezért kvantitatív, a folyamat szempontjából releváns stabilitási paraméterekre van szükség a gyártható tervezési terek meghatározásához és a védő jellegű formulálási stratégiák irányításához.[1–3]
A jelen szintézis módszerei a következőket jelentő tanulmányokból kinyert kvantitatív bizonyítékokra fókuszálnak: (i) termodinamikai/termikus átmenetek DSC/TGA révén (olvadás, bomlás kezdete, üvegesedési átmenetek és lépcsőzetes tömegvesztési viselkedés) és (ii) lebomlási kinetika (pszeudo-elsőrendű/elsőrendű modellek, Arrhenius-féle aktivációs energiák, pH-függőségek és a frakciók lebomlásáig eltelt idő mértékei) a következők esetében: NAD+ prekurzorok (NR/NRH/NMN), stilbenoidok (rezveratrol-jellegű rendszerek), flavonoidok (kvercetin, fizetin, rutin/észterek) és kurkuminoidok.[4–11]
Az eredmények azt mutatják, hogy számos reprezentatív hosszú élettartamú vegyület szűk termikus feldolgozási ablakkal rendelkezik specifikus fizikai állapotokban. A nikotinamid-ribozid-klorid (NRCl) olvadási kezdete 120,7 ± 0,3 °C-nál mutatkozik meg, gyors olvadás utáni bomlással (pl. 98%-os lebomlás 130 °C-on qNMR alapján), míg a vizes közegű lebomlás pszeudo-elsőrendű kinetikát követ, 75,4–82,8 kJ·mol−1 aktivációs energiákkal a pH-tól függően.[4]
A transz-rezveratrol esetében a lebomlási kinetika erősen pH- és hőmérsékletfüggő (pl. a felezési idő 329 napról pH 1,2 esetén 3,3 percre csökken pH 10 esetén), és a gyorsított teszteken alapuló extrapoláció nem-Arrhenius-jellegű lehet tablettamátrixokban.[7, 12]
A nagy nyíróerejű egységműveletek helyi felmelegedést és oxidatív környezetet idézhetnek elő, amint azt a nagy nyíróerejű homogenizálás is mutatja, amely a kiömlési hőmérsékletet növeli a fordulatszámmal, egybeesve a 42,6%-os aszkorbinsav-veszteséggel 20 000 rpm fordulatszámon, valamint a szelepen keresztüli nyíróhatást, kavitációt és turbulenciát magában foglaló nagynyomású homogenizálási mechanizmusok révén >100 MPa értéknél.[13, 14]
A következtetések hangsúlyozzák a termodinamikai átmeneti adatok (DSC/TGA/Tg) integrálását a kinetikai modellekkel (Arrhenius-, nem-Arrhenius- és izokonverziós módszerek) az idő–hőmérséklet–nyírás térképek előállítása, valamint a mitigációs stratégiák – beleértve a beágyazást, az amorf szilárd diszperziókat, a ciklodextrin-/nanoszivacs-rendszereket, az oxigénszabályozást és a nyírás-/hőmérséklet-minimalizálást – racionális kiválasztása érdekében.[15–18]
Kulcsszavak: termolabilis bioaktív vegyületek; lebomlási kinetika; Arrhenius; DSC; TGA; nagynyomású homogenizálás; porlasztva szárítás; NAD+ prekurzorok
1. Bevezetés
A hosszú élettartam szempontjából releváns vegyületeket egyre gyakrabban formulázzák táplálékkiegészítőkként, funkcionális élelmiszerekként és fejlett hatóanyag-leadó rendszerekként, ami olyan gyártási útvonalakat motivál, amelyek a hatóanyagokat kombinált stresszhatásoknak – beleértve a fűtést, az oxigénnel való érintkezést, a vízkitivitást, a pH-ingadozásokat és az intenzív mechanikai energiabevitelt – teszik ki.[3, 5, 14, 19]
A NAD+ prekurzor-kémiai rendszerek esetében a vizes és szilárd fázisú stabilitás kulcsfontosságú, mivel a reaktivitás a glikozidikus vagy foszfát-kötésű motívumok hidrolízisén keresztül is bekövetkezhet, és mivel a feldolgozási hőmérséklet átlépheti a szilárd fázisú átmeneti küszöböket, amelyek megelőzik a gyors bomlást.[4, 6]
A polifenolok és kapcsolódó botanikai hatóanyagok esetében a stabilitási korlátok közé tartozik az autooxidáció, az epimerizáció és a kinonokká történő enzimatikus oxidáció, amelyek érzékenyek a feldolgozás során fellépő hőmérsékletre, pH-ra, fémionokra és az oxigén elérhetőségére.[17]
Gyakorlati következmény, hogy a gyártás tervezése nem támaszkodhat kizárólag a névleges tömeghőmérsékletre; ehelyett integrálnia kell (i) az olyan termodinamikai mutatókat, mint az üvegesedési átmenet, az olvadás és a bomlás kezdete, valamint (ii) a kinetikai modelleket, amelyek rögzítik a lebomlás időtől, hőmérséklettől, pH-tól, oxigéntől és (ahol mérhető) a mechanikai energiabeviteltől való függését.[4, 9, 10, 14, 15]
Ez a cikk összefoglalja a reprezentatív hosszú élettartamú vegyületekre és a kapcsolódó bioaktív vegyületekre vonatkozó kvantitatív bizonyítékokat, amelyekhez a mellékelt források explicit termodinamikai átmeneteket és/vagy kinetikai paramétereket biztosítanak, és ezeket az adatokat összekapcsolja a nagy nyíróerejű egységműveletek – beleértve a nagy nyíróerejű keverést, a nagynyomású homogenizálást/mikrofluidizációt, a mechanokémiai őrlést és a porlasztva szárítást – stresszprofiljaival.[1, 14, 15, 20]
2. Termodinamikai keretrendszer
A gyártási kontextusban a termodinamikai stabilitást operatív módon mérhető termikus események (DSC/TGA) és állapotleírók (pl. amorf vs. kristályos; üvegesedési hőmérséklet) segítségével értékelik, amelyek jelzik, amikor egy vegyület vagy formuláció nagyobb molekuláris mobilitású, és így magasabb reakciósebességű vagy eltérő mechanizmusú állapotokba megy át.[4, 9, 15]
2.1 Gibbs-féle szabadenergia és fázisstabilitás
Számos mellékelt forrás kifejezetten kiszámítja a Gibbs-féle szabadenergia-változásokat a lebomlási folyamatokhoz vagy a termikus pusztuláshoz, megteremtve a megvalósíthatóság termodinamikai mértékét specifikus feltételek mellett.[8, 19]
Az NR-borát esetében a lebomlás spontaneitását Gibbs-féle szabadenergia-számítással értékelték, a jelentett (ΔG) érték 2,43 kcal·mol−1.[19]
A rutin és a zsírsav-rutin-észterek pirolitikus körülmények közötti vizsgálatakor a (ΔG) értékek pozitívak voltak (84–245 kJ·mol−1), a pozitív (ΔH) értékekkel (60–242 kJ·mol−1) együtt, ami endoterm és nem spontán pirolízisprofilt jelez a jelentett elemzésben.[8]
A kinetikai formalizmus szempontjából számos forrás alkalmaz átmenetiállapot- és szabadenergia-relációkat is, mint például az alkalmazásukat a hidrolízis aktivációjának értelmezésére egy kurkumin-spiroborát komplex rendszerben.[21]
2.2 Üvegesedési átmenet, olvadás és a bomlás kezdete
A DSC és a TGA a folyamatkockázat kiegészítő markerit biztosítja: az olvadási vagy lágyulási események élesen növelhetik a diffúziót és lehetővé tehetik a gyors kémiai átalakulást, míg a TGA tömegvesztésének kezdete jelezheti a visszafordíthatatlan bomlás kezdetét még a látszólagos szilárd állapotban is.[4, 9, 15]
Az NRCl esetében a DSC az olvadás kezdetét 120,7 ± 0,3 °C-nál, az olvadási csúcsot pedig 125,2 ± 0,2 °C-nál jelzi, amit egy azonnali, éles exoterm esemény követ, amely 130,8 ± 0,3 °C-nál tetőzik.[4]
A DSC eseménysorozattal összhangban a qNMR kvantálás korlátozott lebomlást mutat 115 °C-on (2%), de gyors vesztést az olvadási tartományban és felette (7% 120 °C-on; 55% 125 °C-on; 98% 130 °C-on; csupán 0,45% NR marad 140 °C-on).[4]
Az NMN esetében az egyik forrás azt jelenti, hogy a vegyület inkább bomlik, semmint hogy egyértelmű olvadási átmenetet mutatna, a bomlás 160 °C-on kezdődik és 165 °C-ra fejeződik be, egy endoterm DSC csúccsal 162 °C-on, 184 kJ·mol−1 bomlási entalpiával.[6]
A kvercetin esetében a kombinált DSC/TGA értelmezés azt jelzi, hogy egy intenzív DSC endotermát (maximum 303 °C-nál) gyakran tévesen olvadásnak tulajdonítanak, miközben a TGA azt jelzi, hogy a bomlás 230 °C-on indul el, és az endotenm átfedésben van a folyamatos tömegvesztéssel; a 303 °C-os csúcsra jelentett „olvadáshő” 69–75 kJ·mol−1.[9]
A fizetin esetében a TGA egy kismértékű tömegvesztést (~5%) mutat, amelyet a kristályos mintából történő vízpárolgásnak tulajdonítanak, valamint egy jelentős tömegvesztési eseményt (~30,6%) 369,6 °C-on, ami a molekula bomlásának tudható be.[15]
Inert nitrogén alatti kurkumin esetében az egyik tanulmány arról számol be, hogy a nyers kurkumin összetett bomlási folyamatot mutat, amely körülbelül 240 °C-on kezdődik (5%-os tömegvesztés), 347 °C-os DTGA csúccsal és 37%-os maradékmaradvánnyal 600 °C-on (10 °C·min−1 sebesség mellett).[18]
2.3 Amorf és kristályos stabilitás
Az amorf formulációk javíthatják az oldhatóságot és a biohasznosulást, de megváltoztathatják a termikus viselkedést és a stabilitást azáltal, hogy növelik a molekuláris mobilitást a kristályos formákhoz képest, így az üvegesedési hőmérséklet (Tg) kritikus stabilitási paraméterré válik.[15, 16]
A mechanokémiailag előállított fizetin amorf szilárd diszperziók (ASD-k) mérhető Tg értékeket mutatnak a második fűtési szkennelések során, és a keverhetőséggel összhangban lévő összetételi eltolódásokat mutatnak a Tg-ben: a nyers Eudragit® L100/EPO Tg értékei 147,1/55.4 °C, míg a fizetin ASD-k olyan Tg értékeket mutatnak, mint a 144,2/71.8 °C és a 145,9/76.7 °C a polimertől és a hatóanyag-terheléstől függően.[15]
A rezveratrol és oxirezveratrol nanoszivacsok esetében a DSC azt mutatja, hogy a rezveratrol olvadási endothermája (266,49 °C) eltűnik a nanoszivacs-formulációkban, amit a szerzők a hatóanyag-molekulák nanoszivacs-mátrixba történő beágyazásának és lehetséges amorfizálódásának tulajdonítanak.[16]
A kvercetin esetében a hidrogénkötések feladata feltételezhetően mind az olvadásszerű lágyulás korlátozása, mind a bomlás elősegítése a kötésgyengülés révén, és a kombinált DSC/TGA értelmezés arra a következtetésre jut, hogy a kvercetin nem egyszerűen megolvad, hanem átfedő bomláson és szerkezeti relaxáción/lágyuláson megy keresztül a 150–350 °C-os tartományban.[9]
3. Lebomlási kinetikai modellek és paraméterek
A mellékelt források számos kinetikai modellt (elsőrendű, pszeudo-elsőrendű, magasabb rendű vagy szigmoid formákat) és hőmérséklet-függőségi kezelést (Arrhenius-féle és bizonyos esetekben nem-Arrhenius-jellegű viselkedést) alkalmaznak, gyakran a pH-függőség és az összetett, többútvonalas lebomlás által motiválva.[4, 7, 22]
3.1 Reakciórendszer-modellek
Az oldatfázisú lebomlás széles körben használt kiindulási alapja az integrált elsőrendű modell, amely több mellékelt tanulmányban is megjelenik a koncentráció-idő adatok elsődleges illesztéseként ellenőrzött pH és hőmérséklet mellett.[4, 11, 12]
Pufferezett vizes oldatokban lévő NRCl esetén a lebomlást pszeudo-elsőrendűként írják le, és ezt a pszeudo-elsőrendű formát az indokolja, hogy a pufferrendszerek az OH−/H3O+ koncentrációkat nagy feleslegben és az NR koncentrációhoz képest megközelítőleg állandó értéken tartják.[4, 23]
Foszzfátpufferben lévő fizetin és kvercetin esetén a jelentett eredményeket elsőrendű lebomlási sebességi állandókként k (h−1) mutatják be, amelyek erősen nőnek a pH-val és a hőmérséklettel.[24]
90 °C-on, semleges közeli pH-értékeknél (6,5–7,5) a kvercetin esetében egy szigmoid modellt implementáltak és hasonlítottak össze az elsőrendű modellel, ahol a szigmoid modell 2,3–2,5-szer magasabb k értékeket eredményezett az elsőrendű illesztésekhez képest, és eltérő felezési idő értelmezést adott pH 7,5-nél.[22]
A porlasztva szárított növényi kivonat markerek esetében a segédanyag-rendszerektől függően eltérő látszólagos reakciórendszereket jelentettek, ideértve a nulladrendű és másodrendű modelleket a kaempferol esetében (a segédanyag-bináriusok mentén), valamint egy másodrendű modellt a kvercetin esetében a különböző segédanyagok mentén.[20]
3.2 Arrhenius- és Eyring-kezelések
A hőmérséklet-függőséget gyakran Arrhenius-típusú kifejezésekkel modellezik, és több forrás kifejezetten kiszámítja az aktivációs energiákat az eltarthatósági előrejelzések és a folyamat termikus expozíciójának parametrizálására.[4, 10, 12]
Vizes oldatban történő NRCl lebomlás esetén az Arrhenius-féle aktivációs energiákat pH 2,0-nél 75,4 (±2,9) kJ·mol−1, pH 5,0-nél 76,9 (±1,1) kJ·mol−1, és pH 7,4-nél 82,8 (±4,4) kJ·mol−1 értékként jelentik.[4]
pH 7.4-es transz-rezveratrol esetén az Arrhenius-analízist log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) összefüggésként jelentik, a számított aktivációs energia 84.7 kJ·mol−1.[12]
A puffer/metanol keverékben, pH 8,0 mellett lévő kurkumin esetében a 37–60 °C közötti Arrhenius-analízis eredménye (Ea)=79.6±2.2 kJ·mol−1.[10]
Gastrointestinalis (GI) szempontból releváns vizes közegekben lévő kurkumin esetében az Arrhenius-görbék magas linearitást mutatnak 37–80 °C között (a különböző közegekre jelentett r2 értékek: 0,9967, 0,9994, 0,9886), a jelentett aktivációs energiák pedig 16,46, 12,32 és 9,75 kcal·mol−1 értékek a pH 7,4, pH 6,8 és a 0,1 N HCl esetében.[11]
Az Eyring-analízis szintén megjelenik egy kurkumin-spiroborát-észter (CBS) hidrolitikus bomlási vizsgálatában, ahol az Eyring-görbéről beszámolnak, hogy lineáris kapcsolatot mutat 0,9988-as korrelációval.[21]
3.3 Izokonverziós és modellfüggetlen módszerek
Számos termikus degradációs vizsgálat alkalmaz izokonverziós módszereket (pl. KAS, FWO, Friedman) a konverziófüggő aktivációs energiák kiszámítására, és ezáltal a többlépcsős bomlás és a mechanizmusváltozások azonosítására.[8, 18, 25]
A rutin és a rutin zsírsav-észterek esetében az aktivációs energiák lényegesen változnak a konverziós fok függvényében a 0,05 < (α) < 0,90 tartományban, a jelentett értékek 65 és 246 kJ·mol−1 között mozognak; a szerzők ezt annak bizonyítékaként értelmezik, hogy a termikus degradáció egy többlépcsős, nem egyszerű folyamaton keresztül megy végbe.[8]
A resveratrol–β-ciklodextrin klatrátok esetében az aktivációs energia növekszik az átalakulás fokával; a jelentett növekedés 110-ről 130 kJ·mol−1-ra (OFW-módszer) és 120-ról 170 kJ·mol−1-ra (Friedman-módszer) terjed, amit úgy értelmeznek, hogy a bomlás előrehaladtával a reakciómechanizmus megváltozik.[25]
A nitrogén alatti kurkumin-tartalmú polimer rendszerek esetében a többféle megközelítéssel (Kissinger, KAS, Friedman és modellillesztés) levezetett aktivációs energiák nagyságrendje nagy vonalakban konzisztens (pl. Kissinger szerint 71 ± 5 kJ·mol−1; KAS szerint 77 ± 2; Friedman szerint 84 ± 3), a modellválasztás pedig egy F1 kinetikai modellt jelez 73–91 kJ·mol−1 tartományba eső energiákkal.[18]
3.4 Csatolt termomechanikai és oxidatív degradáció
A nagy nyíróhatású gyártási műveletek képesek összekapcsolni a mechanikai energiadisszipációt a helyi felmelegedéssel és a fokozott oxigén-transzferrel, ezáltal felerősítve az oxidációvezérelt útvonalakat az oxigénérzékeny bioaktív anyagokban.[13, 14, 17]
Egy italrendszer nagy nyíróhatású homogenizálása során a kimeneti hőmérséklet a fordulatszámmal határozottan növekszik (pl. 4,1 ± 0,7 °C-ról 0 rpm-nél 41 ± 1,2 °C-ra 20 000 rpm-nél), és a legmagasabb fordulatszámon az aszkorbinsav 42,6%-kal csökken, ami összhangban van azzal, hogy a degradációt a magas hőmérséklet és az oxidáció elősegíti.[13]
A nagynyomású homogenizálásban (HPH) a feldolgozási mechanizmus kifejezetten a szelepnyílásnál lévő nyírófeszültség-eloszlásnak tulajdonítható, ahol a folyadék mozgása megszakad, valamint olyan további jelenségeknek, mint a kavitáció, a turbulencia, az ütközés és a ráütközés, amelyek együttesen intenzív mechanikai és potenciálisan oxidatív stresszt hoznak létre.[14]
Az oxidatív csatolás a kvercetin termikus oxidációs kísérleteiben is kimutatható: 150 °C-on a kvercetin lebomlása gyorsabban megy végbe oxigénben, mint nitrogénben (sebességi állandók: 0,868 h−1 vs. 0,253 h−1), és koleszterin és oxigén jelenlétében erősen felgyorsul (sebességi állandó: 7,17 h−1), ami összhangban van a koleszterin-hidroperoxid-képződés és a kvercetin-degradáció közötti gyökös-láncú csatolással.[26]
Az NRH esetében az oxigén és a hőmérséklet erős befolyással bír: 25 °C-on, ioncserélt vízben a jelentett lebomlási sebesség levegőn 1,27×10−7 s−1 (felezési idő: 63 nap), összehasonlítva a N2 alatti 5,90×10−8 s−1 értékkel (felezési idő: 136 nap), és a szerzők megállapítják, hogy az NRH oxigén jelenlétében oxidálódhat, és savas körülmények között gyorsan hidrolizál.[5]
4. Vegyületcsoport-áttekintés
Az alábbi vegyületközpontú szintézis olyan számszerűsített kinetikai és termodinamikai paramétereket hangsúlyoz, amelyek közvetlenül felhasználhatók a gyártási modellekben, beleértve az aktivációs energiákat, a sebességi állandókat, a felezési időket, a bomlási kezdeteket, valamint az üvegesedési vagy olvadással kapcsolatos korlátokat.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 NAD+-prekurzorok
A NAD+-prekurzorok stabilitását erősen meghatározza a hidrolízisre való hajlam, valamint az bizonyos termikus átmenetekkel szembeni alacsony tolerancia (különösen az NRCl esetében az olvadástartományban) és az oxigénvezérelt oxidáció (különösen a redukált formák, például az NRH esetében).[4, 5]
Az NRCl vizes oldatokban pszeudo-elsőrendű degradációs kinetikát mutat, és olyan aktivációs energiákkal rendelkezik, amelyek a pH-val változnak (75,4–82,8 kJ·mol−1), ami kvantitatívan kódolja a domináns hidrolízisútvonal mind termikus érzékenységét, mind pH-függőségét.[4]
Mechanisztikus alapként a báziskatalizált hidrolízist javasolják, amelyben az NR-szint csökken, miközben nikotinamid (Nam) és cukor halmozódik fel, és moláris egyensúlyi bizonyítékokat mutatnak be arra vonatkozóan, hogy minden egyes lebomló NR-molekulára egy molekula Nam és egy molekula cukor képződik.[4]
Szimulált gyomor-bél traktusi (GI) folyadékokban, fiziológiás hőmérsékleten és keverés mellett (USP II lapátos keverő 75 rpm-en és 37 °C-on), az NRCl viszonylag korlátozott rövid távú veszeség mutat (pl. ~97–99% marad vissza 2 óra elteltével a gyomorközegben), de mérhető hosszabb távú csökkenést mutat egy 24 órás szimuláció során (79,18 ± 2.68% marad vissza 24 óra elteltével, és 90,51 ± 0,82% marad vissza 8 óra elteltével).[4]
Szilárd fázisban az NRCl szűk hőmérsékleti ablakot mutat az olvadás kezdete és a gyors bomlás között: a DSC 120,7 ± 0,3 °C-on jelzi az olvadás kezdetét és az ezt követő ~130,8 °C-on bekövetkező exoterm eseményt, míg a qNMR a degradáció meredek emelkedését számszerűsíti 2%-ról (115 °C-on) 98%-ra (130 °C-on).[4]
Az egyik forrás kifejezetten úgy keretezi ezeket az adatokat, mint amelyek „kifejezett felső hőmérsékleti határt biztosítanak az NRCl feldolgozásához”, ami befolyásolhatja a étrend-kiegészítő gyártást a különböző szakaszokban, aláhúzva a DSC/qNMR küszöbértékek relevanciáját kemény korlátokként a hőt igénylő műveletekben.[4]
Az NR-borát olyan stabilizációs stratégiát vezet be, amelyet az NR reakciókészsége motivál: az NR-ről leírják, hogy különösen instabil glikozidkötéssel rendelkezik, amely egy pozitív töltésű piridinium heterociklust köt össze egy szénhidráttal, ami megnehezíti a szintézisét, tárolását és szállítását, és a borátalapú stabilizációt úgy jellemzik, mint ami nagy stabilitással rendelkezik a termikus és vegyi degradációval szemben.[19]
Kvantitatíven az NR-borát oldhatósága erősen pH-függő (pl. 1972,7 ± 15,4 mg·mL−1 pH 1,5-nél; 926,0 ± 34,4 mg·mL−1 pH 7,4-nél), és az Arrhenius-modell a jelentések szerint magasabb lebomlási sebességet mutat pH 7,4-nél, mint pH 1,5-nél vagy 5,0-nél, ami összhangban van a HO−-koncentráció hatásával.[19]
Ugyanez az áttekintés 2,43 kcal·mol−1-os Gibbs-féle szabad energiát jelent az NR-borát degradációjára vonatkozóan, és megjegyzi, hogy 10 °C-os hőmérséklet-emelkedés hozzávetőlegesen megduplázza a lebomlási sebességet bármilyen pH-körülmény között, ami visszhangozza az NRCl esetében megfigyelt hőmérséklet-érzékenységet.[4, 19]
Az NRH kifejezett érzékenységet mutat a pH-ra és az oxigénre: pH 5-nél egy napon belüli teljes degradációról számolnak be, míg pH 9-nél a minták ~42–45%-os degradációt mutatnak 60 nap után, és 25 °C-on, ioncserélt vízben, levegőn ~50%-os degradációt jelentenek 60 nap után az N2 alatti ~27%-kal szemben.[5]
Ez az oxigénérzékenység mechanisztikusan az oxigén jelenlétében történő oxidációnak és a savas körülmények között felgyorsult hidrolízisnek tulajdonítható, ami összhangban van azzal, hogy az NRH-t N-glikozidkötése miatt instabil molekulaként írják le, amely képes a degradációra, hidrolízisre és oxidációra.[5]
Az NMN esetében a kvantitatív szilárdtest-termodinamikai markerek közé tartozik a 160 °C-on kezdődő és 165 °C-ra befejeződő jelentett bomlás (162 °C-os endoterm DSC-csúccsal és 184 kJ·mol−1-os bomlási entalpiával), valamint a gyorsított stabilitási adatok, amelyek 40 °C-on és 75%-os relatív páratartalom mellett havi 0,8%-os bomlási sebességről számolnak be.[6]
Vizes oldatban az NMN lebomlása szobahőmérsékleten látszólag elsőrendűként van jelölve, lg(Ct)=0,0057t+4,8172 kinetikai egyenlettel, valamint a jelentett t0,9=95,58 h és t1/2=860,26 h időkkel, és a tanulmány megállapítja, hogy a lebomlási sebességet elsősorban a magas hőmérséklet és a pH befolyásolja.[27]
A gyakorlati formulázási korlátok támogatása érdekében a termékközpontú forrás 45 °C alatti bekeverést javasol a foszfodiészter-kötés termikus degradációjának megakadályozására, és kevesebb mint 5%-os degradációt jelent a gyorsított vizsgálatokban 40 °C-on / 75%-os relatív páratartalom mellett 3 hónap alatt a megfelelően formulázott alacsony víztartalmú rendszerek esetében.[28]
Az elsődleges NMN-degradációs útvonalat a foszfodiészter-kötés hidrolízisérként írják le, amely nikotinamidot és ribóz-5-foszfátot eredményez, a pH-függőségek pedig pH 4,5 alatt savak által katalizált hidrolízisként, pH 7,5 felett pedig bázis közvetítette hasításként vannak leírva.[28]
4.2 Stilbenoidok
A stilbenoidok közé tartozik a rezveratrol és a kapcsolódó vegyületek, amelyek erős pH- és oxigénfüggő degradációt mutatnak, és stabilitásuk a valós készítményekben a mátrixhatások és a többszörös útvonalak miatt eltérhet az egyszerű Arrhenius-extrapolációtól.[7, 12, 29]
Vizes rendszerekben a transz-rezveratrol a jelentések szerint stabil savas pH-n, míg a lebomlás exponenciálisan növekszik pH 6,8 felett, és a felezési idő 329 napról (pH 1,2) 3,3 percre csökken (pH 10).[12]
pH 7,4-en a transz-rezveratrol lebomlásának kinetikája elsőrendű kinetikát követ a vizsgált hőmérsékleteken, és az aktivációs energia a jelentések szerint 84,7 kJ·mol−1.[12]
Mechanisztikus indoklásként megadják, hogy savas pH-n a hidroxilcsoportok védve vannak a gyökös oxidációtól a pozitív töltésű H₃O⁺ révén, míg lúgos körülmények között a fenolátionok növelik az oxidációra való hajlamot és a fenoxigyök-képződést, és a közegben lévő oxigén elősegíti a degradációhoz vezető gyökös reakciókat.[12]
Független termikus stabilitási kísérletek vizes oldatban (19 mg·L−1) nem mutatnak szignifikáns spektrális változást 30 perc után 70 °C-ig, míg a magasabb hőmérséklet a 304 nm-es abszorbancia általános csökkenéséhez és a 270–350 nm tartománybeli csökkent abszorbanciához vezet, ami hidrotermális körülmények közötti termikusan indukált pusztulást jelez.[30]
Ezen hidrotermális kísérletek mechanisztikus értelmezése a kettős kötés oxidatív hasítását és fenoltartalmú bomlástermékek, például hidroxialdehidek, alkoholok és hidroxisavak képződését javasolja, és az FTIR-sávokat úgy értelmezik, hogy azok 100–120 °C-on aldehid- és karbonsav-képződéssel konzisztensek.[30]
Tablettamátrixokban a rezveratrol lebomlása a jelentések szerint elsőrendű monoexponenciális kinetikát követ 0,07140, 0.1937 és 0,231 hónap−1 k-értékekkel 25, 30 és 40 °C-on, de az ln(k) vs 1/T összefüggés nemlineáris, és szuper-Arrhenius jellegűként van besorolva, a szerzők pedig magasabb hőmérsékleten lehetséges második reakciókat, több reakcióútvonalat vagy mátrixhatásokat javasolnak.[7]
Ugyanez a munka hangsúlyozza, hogy az Arrhenius-extrapoláció nem mindig teszi lehetővé a rezveratrol étrend-kiegészítőkben történő lebomlási kinetikájának meghatározását, és a gyorsított vizsgálatok helytelen becslésekhez, beleértve a degradáció túlbecsléséhez vezethetnek.[7]
Száraz rendszerekben a stilbénszerű fenolok esetében a termikus kezelések, mint például a 121 °C-on 20 percig végzett gőzsterilizálás, mérhető veszteségeket okoznak (pl. a pinoszilvin a csúcsterület alapján 20,98%-kal csökkent), és a 105 °C-on végzett 24 órás szárítószekrényes szárítás több fenol esetében >50%-os csökkenést eredményez a csúcsterületben, míg a TGA a ~200 °C feletti bomlási kezdeti hőmérsékletet jelez a pinoszilvin rendszerekben.[31]
4.3 Flavonoidok
A flavonoidok többutalas degradációs érzékenységet mutatnak, amelyet a pH, a hőmérséklet, az oxigén és a formulázási kölcsönhatások, például a fehérjekötődés befolyásolnak, és termikus viselkedésük a DSC/TGA-ban az egyszerű olvadás helyett átfedő bomlást és lágyulást foglalhat magában.[9, 22, 24]
Pufferelt oldatokban a közeg pH-jának 6,0-ról 7,5-re történő emelése 24-szeresére, illetve 12-szeresére növeli a fizetin és a kvercetin lebomlási sebességi állandóit (pl. fizetin k 8,30×10−3-ról 0,202 h−1-re; kvercetin k 2,81×10−2-ről 0,375 h−1-re), és a 37 °C feletti hőmérséklet-emelés jelentősen megnöveli a k-t (pl. fizetin k 0,490 h−1-re 65 °C-on; kvercetin k 1,42 h−1-re 65 °C-on).[24]
A fehérjetartalmú segédanyagok mérsékelhetik a degradációt: fehérje hozzáadásával a mért k-értékek csökkennek, beleértve a fizetin k csökkenését 3,58×10−2-ről akár 1,76×10−2 h−1-es tartományokig, valamint a kvercetin k csökkenését 7,99×10−2-ről akár 3,80×10−2 h−1-es tartományokig.[24]
Mechanisztikus szempontból a flavonoidok kémiai instabilitását a hidroxilcsoportoknak és a instabil pironvázas szerkezetnek tulajdonítják, míg a fehérjék általi stabilizáció elsősorban a hidrofób kölcsönhatásoknak köszönhető (ahol az SDS megszakítja a stabilizációt), rámutatva arra, hogy a hidrogénkötések szerepének számszerűsítéséhez jövőbeli kvantitatív vizsgálatok szükségesek.[24]
A 90 °C-on, a semleges ponthoz közel vizsgált kvercetin esetében a lebomlási kinetika erős pH-hatásokat mutat: a k nagyjából ötszörösére nő 6,5-ről 7,5-ös pH-ra történő emelkedés során, és olyan oxidációs intermedierek mutathatók ki, mint a kvercetin-kinon, a tipikus végtermékek között pedig protokatechusav (PCA) és floroglucin-karbonsav (PGCA) szerepel.[22]
A mechanisztikus leírás a 370 nm-en megfigyelhető első mérhető veszteséget a kvercetin kinonná történő átalakulásának tulajdonítja, és felveti, hogy a kinonváz hasadása korlátozott abszorpciójú, egyszerűbb fenolos vegyületeket eredményez, míg a lúgos deprotonálás felgyorsítja a C-gyűrűt és a B-gyűrű o-difenol szerkezetét érintő oxidációt.[22]
Magas hőmérsékletű rendszerekben (150 °C) a kvercetin lebomlása és oxidációja gyorsan zajlik, a jelentett sebességi állandók nitrogénben 0,253 h−1, oxigénben 0,868 h−1, oxigén plusz koleszterin jelenlétében pedig erős gyorsulást (7,17 h−1) mutatnak; kísérletileg a kvercetinveszteség 10 perc alatt 7,9%-ról (N₂) 20,4%-ra (O₂) nőtt, míg koleszterin és oxigén jelenlétében a kvercetin 10 perc elteltével a kezdeti érték 10.9%-ára csökkent.[26]
A termikus elemzés emellett azt mutatja, hogy a kvercetin a 90–135 °C-os tartományban egy kis endoterm csúcsot mutat, amely kis mértékű tömegveszteséggel (0,86 ± 0,33 tömeg%) jár, a bomlás 230 °C-on indul meg, és egy markáns DSC endoterm csúcs 303 °C-on átfedést mutat a bomlással; a hidrogénkötések a feltevések szerint egyaránt korlátozzák az olvadásszerű viselkedést és a kémiai kötések gyengítésén keresztül elősegítik a bomlást.[9]
A rutin (egy kvercetin-glikozid) és zsírsav-észterei esetében a TGA azt mutatja, hogy a rutin 240 °C-ig termikusan stabil, míg az észterek alacsonyabb kezdeti lebomlási hőmérsékletet (217–220 °C) és nagyobb tömegveszteséget mutatnak egy fő szakaszban, az aktiválási energiák pedig a konverzió mértékétől függően 65 és 246 kJ·mol−1 között változnak.[8]
4.4 Kurkuminoidok
A kurkumin lebomlása erősen pH-függő, és számos vizes közegben oxidatív utakon megy végbe, miközben a termikus bomlás és a formulációs kölcsönhatások eltolhatják a lebomlási küszöböket és a látszólagos kinetikai paramétereket.[10, 18, 32]
Pufferelemgyártási/metanolos keverékekben 37 °C-on a kurkumin lebomlása a jelentések szerint elsőrendű kinetikát követ, ahol a k_obs a pH növekedésével drasztikusan nő (pl. 3,2×10−3 h−1 pH 7,0-nél vs. 693×10−3 h−1 pH 12,0-nél), míg pH 5,0-nél a kurkumin a leírt kísérletekben stabil marad.[10]
pH 8,0-nél az Arrhenius-analízis (E_a)=79,6±2.2 kJ·mol−1 értéket ad, és a vizes pufferre történő extrapoláció oxidáló körülmények között gyors lebomlásra utal (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2,5 h).[10, 32]
A micellás nanoformulációk drasztikusan lelassítják a lebomlást: polimer micellákban és Triton X-100 micellákban pH 8,0-nél és 37 °C-on a jelentett k_obs értékek 0,9×10−3 és 0,6×10−3 h−1 értékre csökkennek, 777 ± 87 h és 1100 ± 95 h felezési idő mellett, amelyek a vizes pufferben lévő szabad kurkuminhoz képest ~300–500-szor magasabbnak adódnak.[10]
Mechanisztikus szempontból a hivatkozott munka azt állítja, hogy a kurkumin lebomlása nem hidrolitikus lánchasadáson keresztül megy végbe, hanem olyan oxidáció révén, amelynek végterméke egy biciklopentadion, és a kurkumin 1 moljának lebomlása 1 mol O₂ fogyasztásával jár, miközben az első lépés a hidroxilcsoportok deprotonálása 7,0 feletti pH-n.[10]
Egy különálló, gyomor-bél traktust (GI) érintő stabilitási vizsgálat nagy linearitású (r² > 0,95) látszólagos elsőrendű kinetikáról számol be, és közli a közeghordozótól függő aktiválási energiákat (kcal·mol−1-ben) (magasabb pH 7,4-nél, mint 0,1 N sósavban), valamint megállapítja, hogy 37 °C-on 12 óra elteltével a kurkumin több mint 80%-a megmaradt 0,1 N sósavban, de pH 6,8-as és 7,4-es foszfátpufferben csak 57%-a, illetve 47%-a maradt fenn.[11]
Magas hőmérsékleten (180 °C) a pörkölési kísérletek extrém termolabilitást mutatnak, a kezdeti kurkumin mindössze 30%-a marad meg 5 perc után, és a mechanisztikus értelmezés az oxidatív hasadást a ferulasavas köztitermékhez, valamint a levegő oxigénjének hatására és magasabb hőmérsékleten felgyorsuló dekarboxilezési lépéshez köti.[33]
A kurkumin és a kurkumint tartalmazó polimer rendszerek nitrogén alatti termikus bomlási vizsgálatai összetett viselkedést mutatnak: a nyers kurkumin bomlása 240 °C körül kezdődik, míg a kurkumin PGA/PCL keverékekbe történő beépítése alacsonyabb hőmérsékletre tolja el a PGA-bomlás maximumát (pl. a tiszta keverék 372 °C-áról 327 °C-ra 5% kurkumin tartalom mellett), ami azt jelenti, hogy a kurkumin beépítése csökkentheti a mátrix termikus stabilitását.[18]
Ugyanez a polimer-központú tanulmány a gyártási relevanciához köti ezeket az eredményeket azzal, hogy kijelenti: az olvadékállapotú feldolgozás során garantálni kell mind a polimermátrix kémiai stabilitását, mind a beépített hatóanyagok biológiai aktivitását, és a PGA vagy PGA/PCL keverékek kurkuminnal történő feldolgozását a lehető legalacsonyabb hőmérsékleten kell elvégezni a PGA lebomlásának megakadályozása érdekében.[18]
A nagy nyíróerejű emulgeálás során megvalósuló kurkuminstabilizációt szintén számszerűsítik a nagynyírású keverővel 22 000 rpm-en, 2 percig előállított Pickering-emulziókban: a sötétben, 20 °C-on történő tárolás azt mutatja, hogy a nem enkapszulált kurkumin-olaj keverékben a kurkumin körülbelül fele 6 nap alatt lebomlik, és mindössze 20% marad meg 16 nap után, míg a Pickering-emulziós rendszer ~50%-ot tart meg 16 nap után, és a felezési időt 13 napról 28 napra növeli.[1]
UV-sugárzásnak kitéve (6 W, 365 nm) ugyanez a rendszer az olajkeverék esetében ~50%-os lebomlást mutat 9 óra után, és mindössze 20% marad meg 24 óra elteltével, míg a Pickering-emulzió ~70%-ot tart meg 9 óra után és ~45%-ot 24 óra után, valamint az 50%-os veszteségre vonatkozó felezési időt ~13 óráról ~27 órára nyújtja meg.[1]
4.5 Összefoglaló táblázat
Az alábbi táblázat az egyes vegyületosztályoknál jelentett reprezentatív kinetikai és termodinamikai paramétereket foglalja össze, hangsúlyozva a folyamatmodellezéshez legközvetlenebbül felhasználható értékeket.
5. Nagy nyíróerejű gyártási egységműveletek
A nagy nyíróerejű gyártás olyan mechanikai feszültségmezőknek teszi ki a termolabilis vegyületeket, amelyek növelhetik a hőmérsékletet, az oxigénátadást és a határfelület nagyságát, ezáltal befolyásolva mind a reakciókinetikát, mind a domináns mechanizmusokat, különösen az oxigén- és pH-érzékeny bioaktív anyagok esetében.[13, 14, 17]
5.1 Olvadékban történő feldolgozás
Az olvadékállapotú feldolgozást a polimer-hatóanyag rendszerekben olyan forgatókönyvként emelik ki, amelyben mind a polimerstabilitást, mind a hatóanyag aktivitását meg kell őrizni, és kifejezetten kijelentik, hogy az olvadékállapotú feldolgozás azt jelenti, hogy garantálni kell a polimermátrix kémiai stabilitását és a beépített hatóanyagok biológiai aktivitását.[18]
A PGA/PCL–kurkumin rendszerben a kurkumin beépítése kedvezőtlenül befolyásolja a PGA termikus stabilitását, és a szerzők a PGA lebomlásának megakadályozása érdekében a feldolgozást a lehető legalacsonyabb hőmérsékleten javasolják elvégezni, a termikus stabilitás jellemzését a folyamattervezéshez kapcsolva.[18]
5.2 Nagynyomású homogenizálás és mikrofluidizálás
A nagynyomású homogenizálás nagy mechanikai feszültségnek veti alá a folyadékokat, amikor azok egy keskeny résű szelepen áramlanak át; a nyíláson (orkán) keresztülfolyó folyadék nyíróhatásnak van kitéve, és további jelenségek, mint például a kavitáció, a turbulencia, az ütközés és a becsapódás hozzájárulnak a nyíróhatásokhoz.[14]
A HPH 100 MPa-nál magasabb, emelkedett nyomáson üzemel, és akár 400 MPa-os nyomást is képes előállítani, az alkalmazott nyomást, a ciklusok/áthaladások számát és a bemeneti hőmérsékletet pedig a fitokemikáliák kinyerhetőségét és stabilitását befolyásoló kulcsfontosságú tényezőkként írják le.[14]
Mennyiségi szempontból a HPH-ról szóló áttekintés olyan összetételbeli változásokat mutat be példaként, mint az L-aszkorbinsav fokozatos csökkenése (1,7%, 4,6%, 10,7%) 100, 200, 300 MPa nyomáson, valamint a polifenolok csökkenése (pl. 10,6%, 6,0%, 1,4%) almalében 100, 200, 300 MPa nyomáson, ami illusztrálja, hogy a nyomásszint a mátrixtól és az enzimaktivitástól függően összefüggésbe hozható az oxidációra érzékeny vegyületek veszteségeivel.[14]
A formuláció skáláján a mikrofluidizálás stabil emulziókat tud előállítani a fenolok számszerűsített visszatartásával: W/O/W emulziók esetében az optimális mikrofluidizálási feltételekként 148 MPa-t és hét ciklust adtak meg, amelyek 105,3 ± 3,2 nm-es cseppméretet és 0,233 ± 0,020 PDI-t eredményeztek, és 35 nap elteltével a fenolvisszatartás 68,6% volt, míg az antioxidáns aktivitás megőrzése 89,5% volt.[2]
Egy különálló enkapszulációs tanulmány egy kombinált nagynyírású és mikrofluidizálási megközelítést ismertet: a liposzómás diszperziókat 9500 rpm-en homogenizálták 10 percig, majd ötször átvezették egy mikrofluidizálón 25 000 psi nyomáson a porlasztva szárítás előtt, demonstrálva, hogy az iparilag reális sorozatok ötvözhetik a nyíróhatást és a szárítást követő hőkezelést.[3]
Az ultra-nagynyomású homogenizálásról (UHPH) szóló áttekintések a szelepen belüli extrém nyíróhatásokat és behatásokat hangsúlyozzák, olyan jelentett feltételekkel, mint a 200 MPa-nál (jellemzően 300 MPa-nál) nagyobb nyomással szivattyúzott folyadékok és a szelepen belül Mach 3 sebességnél kevesebb mint 0,2 s tartózkodási idő, miközben a mikroorganizmusok, kolloidok és biopolimerek nanofragmentációja 100–500 nm-re megy végbe.[34]
5.3 Nagy nyíróerejű keverés
A nagy nyíróerejű keverést gyakran alkalmazzák előemulgeálási vagy diszpergálási lépésként, és önmagában is jelentős hőmérséklet-emelkedést és oxidatív környezetet generálhat, ezáltal befolyásolva a lebomlást még a későbbi (downstream) műveletek előtt.[13]
Egy italmodellben a 10 percen keresztül, növekvő fordulatszámon végzett nagynyomású homogenizálás növelte a kimeneti hőmérsékletet (a 0 rpm-en mért 4,1 ± 0,7 °C-ról 20 000 rpm-en 41 ± 1.2 °C-ra), és jelentős aszkorbinsav-veszteséggel (42,6%-os csökkenés 20 000 rpm-nél) járt együtt.[13]
Egy kurkumin Pickering-emulziós rendszerben az emulziók kialakítására 22 000 rpm-en, 2 percig tartó nagy nyíróerejű keverést alkalmaztak, am calificacionesetán a stabilitás javulását a lassabb lebomlással és a meghosszabbított felezési idővel számszerűsítették mind a tárolási, mind az UV-stressz feltételek mellett, összekapcsolva a nagy nyíróerejű határfelületi strukturálást a kémiai stabilitási eredményekkel.[1]
5.4 Mechanokémiai őrlés
A mechanokémiai feldolgozás (pl. golyósmalmos őrlés) amorf szilárd diszperziókat hozhat létre, és a szilárdhalmaz-forma megváltoztatásával, a molekuláris szintű keveréssel, valamint az olyan erős intermolekuláris kölcsönhatások – mint a hidrogénkötések – lehetővé tételével módosíthatja a stabilitást.[15]
A fizetin ASD-k és zárványok esetében az őrlést szobahőmérsékleten, 30 Hz frekvenciával és 20 perc időtartammal végezték, majd a termikus stabilitás és a Tg-viselkedés számszerűsítésére nitrogén alatt TG/DSC-analízist hajtottak végre.[15]
5.5 Porlasztva szárítás
A porlasztva szárítást a szárított növényi kivonatok előállítására leggyakrabban használt technikák egyikeként írják le, és megjegyzik, hogy a porlasztva szárítás során fellépő magas hőmérséklet potenciálisan káros hatással lehet a termolabilis (poli)fenolokra.[3, 20]
Az egyik polifenol-enkapszulációs vizsgálatban a porlasztva szárítást 150 ± 5 °C-os bemeneti levegőhőmérséklettel és 90 ± 5 °C-os kimeneti hőmérséklettel végezték, miközben a szerzők megállapítják, hogy a (poli)fenolok mennyisége a porlasztva szárítás közbeni oxigén- és hőhatás miatt csökkent, ami indokolja az enkapszuláció alkalmazását a funkcionális tulajdonságok megőrzése érdekében.[3]
Egy kivonatelőkészítési (preformulációs) vizsgálatban értékelték a porlasztva szárító eljárási paramétereinek (bemeneti hőmérséklet, adagolási áramlási sebesség, kolloid szilícium-dioxid arány) a válaszreakciókra gyakorolt hatását, és Arrhenius-módszerek alkalmazásával határozták meg a bomlási kinetikai paramétereket, beleértve a reakciórendet, a bomlott frakció idejét és a sebességi állandót.[20]
5.6 Összefoglaló táblázat
Az alábbi táblázat összefoglalja a nagy nyíróhatású és/vagy intenzív termikus kitettséget alkalmazó egységműveleteknél jelentett stresszprofilokat és a kvantitatív hatások példáit.
6. Integrált stabilitási–folyamat modellek
A hivatkozott források építőköveket biztosítanak egy olyan integrált prediktív keretrendszerhez, amelyben a stabilitási eredményeket az egységműveletek termikus történetéből és a fizikai-kémiai mikrokörnyezetekből (pH, oxigén, vízkötéses aktivitás) számítják ki, miközben tiszteletben tartják a termodinamikai átmeneti küszöbértékeket.[4, 14]
6.1 Idő–hőmérséklet–nyírás térképezés
A praktikus leképezési megközelítés alkalmazhatja a kinetikát (k, (E_a), felezési idő) a mért vagy következtetett egységműveleti idő–hőmérséklet profilokkal együtt a várt konverzió kiszámításához, miközben az állapotátmeneti küszöbértékeket (Tg, olvadási kezdet, bomlási kezdet) olyan határvonalakként használja, amelyek eltolhatják a mechanizmusokat vagy növelhetik a sebességeket.[4, 15]
Például az NRCl pszeudo-első rendű oldatfázisú modellje paraméterezhető az Arrhenius-féle aktivációs energiák (75,4–82,8 kJ·mol−1) és azon megfigyelés alapján, hogy a 10 °C-os hőmérséklet-emelkedés hozzávetőlegesen megduplázza a k_obs értéket, ami lehetővé teszi a validált kísérleti pufferekből származó adatok átültetését a gyártás során bekövetkező rövid ideig tartó hőmérsékleti kilengésekre.[4]
A kurkumin esetében a hőmérséklet-érzékenység paraméterezhető az (E_a)=79,6±2,2 kJ·mol−1 értékkel 8,0-as pH mellett, valamint a k_obs pH-tól való erős, szakirodalomban leírt függésével; ezek együttesen lehetővé teszik a veszteségek előrejelzését vizes tartások vagy felmelegített emulgeálási lépések során, ahol a helyi pH semleges-bázikus.[10]
A transz-rezveratrol esetében a pH által meghajtott felezésiidő-összeomlás (amely a pH növekedésével a több száz napról percekre csökken) azt jelenti, hogy a feldolgozás során a stabilitási eredményeket a tömeges hőmérséklet helyett a mikrokörnyezeti pH határozhatja meg, és a 7,4-es pH-n végzett Arrhenius-modellalkalmazás mérsékelt hőmérsékletű kitettségekhez használható, (E_a)=84,7 kJ·mol−1 értékkel.[12]
6.2 QbD és tervezési tér
A minőség beépítésén (QbD) alapuló értelmezést olyan vizsgálatok támogatják, amelyek kifejezetten értékelik, hogy a folyamatparaméterek és a készítmény mátrixai hogyan módosítják a lebomlási mechanizmusokat, beleértve azokat a megállapításokat is, hogy a gyorsított vizsgálatok nem feltétlenül jelzik előre a eltarthatósági időt, ha nem Arrhenius-jellegű viselkedés vagy mátrixhatások lépnek fel.[7, 29]
A rezveratrol tabletták esetében az a következtetés, hogy az Arrhenius-féle megközelítések túlbecsülhetik a lebomlást a gyorsított tesztekben, indokolja a tervezési terek meghatározását mind a mechanisztikus megértés, mind a többhőmérsékletű adatok felhasználásával, egyetlen gyorsított feltétel helyett.[7, 29]
Porlasztva szárított flavonoid markermrendszerek esetében kifejezetten leírják, hogy a segédanyagok befolyásolják a kinetikai rendet és a frakcióbomlási időket, ami azt jelzi, hogy a készítmény összetétele a stabilitási tervezési tér része, nem pedig egy rögzített háttér.[20]
6.3 PAT és analitikai specifitás
A pontos folyamatfelügyelet analitikai specifitást igényel, mivel a bomlástermékek zavarhatják az egyszerűbb spektroszkópiai vizsgálatokat, különösen a polifenolok esetében.[12]
A transz-rezveratrol esetében a HPLC és UPLC specifitása a jelentések szerint igazoltnak tekinthető, míg az UV/VIS spektroszkópia hamisan magasabb transz-rezveratrol-koncentrációt eredményezett olyan körülmények között, amelyekben az nem volt stabil (lúgos pH, fény, emelkedett hőmérséklet), ami aláhúzza a stabilitást jelző módszerek szükségességét a folyamat-analitikában.[12]
7. Kockázatcsökkentési stratégiák
A vizsgált forrásokban szereplő kockázatcsökkentési megközelítések hangsúlyozzák az ismert gyorsító hatású tényezőknek (hő, oxigén, magas pH, UV) való kitettség korlátozását, valamint olyan készítményarchitektúrák alkalmazását, amelyek csökkentik a molekuláris mobilitást, árnyékolják a határfelületeket, vagy a hatóanyagot kevésbé reaktív mikrokörnyezetbe helyezik.[10, 13, 17]
7.1 Encapsuláció és diszperziók
A micellás vagy részecskerendszerekbe történő beágyazás jelentősen stabilizálhatja a hőlabilis vegyületeket azáltal, hogy korlátozza a vízzel, oxigénnel és reaktív fajokkal való érintkezést, valamint megváltoztatja a kulcsfontosságú funkciós csoportok sav-bázis hozzáférhetőségét.[1, 10]
A kurkumin esetében a micellás szolubilizáció 0,6–0,9×10−3 h−1 értékre csökkenti a k_obs értéket, és 777–1100 órára nyújtja a felezési időt; ezt a stabilizációt a hidrofób micellamagon belüli hidroxil-deprotonáció megakadályozásának tulajdonítják, ami a lebomlás első lépéseként van leírva.[10]
A Pickering-emulziók fizikai gátat biztosítanak: a sűrű fizikai gát jelenléte a határfelületen a leírás szerint gátolja a kurkumin lebomlását, és mennyiségi szempontból a gátat képző rendszer 13 napról 28 napra növeli a tárolási felezési időt, az UV-felezési időt pedig ~13 óráról ~27 órára.[1]
A ciklodextrin-származék hordozórendszerek egy másik stratégiát kínálnak: a rezveratrol–β-ciklodextrin klatrátok termikus eseményeket mutatnak, beleértve a víz felszabadulását 50 °C közelében és magasabb hőmérsékletű bomlási eseményeket, a kötési szabad energiák pedig (pl. −86 kJ·mol−1 MM/PBSA szerint) számszerűsítik az erős zárványképződési kölcsönhatásokat.[25]
A rezveratrol nanoszivacs-kapszulázása megszünteti a DSC olvadási endotermáját és fényvédelmet biztosít: a szabad rezveratrol 59,7%-os lebomlást mutat 15 percen belül UV-sugárzás hatására, míg a rezveratrol nanoszivacsok körülbelül kétszeres védelmet nyújtanak, ami összhangban van azzal, hogy az enkapszuláció megakadályozza a közvetlen UV-sugárzást.[16]
Az amorf szilárd diszperziók mechanokémiai őrléssel alakíthatók ki, és a fizetin, valamint az Eudragit® észtercsoportjai közötti hidrogénkötés kifejezetten azonosításra kerül, mechanisztikus alapot biztosítva a elegyedhetőséghez és a megváltozott Tg-hez, amely stabilizálhatja a rendszert az oldódási viselkedés kristályosodástól függő változásaival szemben.[15]
Segédanyag- és hordozóválasztás
A segédanyag kiválasztása megváltoztathatja a kinetikai mechanizmusokat és a stabilitási eredményeket, amint arról a porlasztva szárított növényi kivonat rendszerek esetében beszámoltak, ahol a reakciórend és a lebomlási frakció időtartama segédanyag-keverékenként eltér, jelezve a segédanyagtól függő lebomlási kinetikát.[20]
A fehérje összetevők hidrofób kölcsönhatások révén stabilizálhatják a flavonoidokat, csökkentve a fizetin és a kvercetin k értékeit, és ezen kölcsönhatások SDS általi felborítása alátámasztja azt az értelmezést, hogy a hidrofób kötődés kulcsfontosságú stabilizáló mechanizmus.[24]
Folyamatmérnöki szabályozások
A termikus expozíciót és az oxigénnel való érintkezést csökkentő folyamatszabályozásokat több adatkészlet is közvetlenül alátámasztja.[5, 18]
Az NRCl esetében a DSC/qNMR bizonyítékai azt jelzik, hogy az olvadási kezdeti tartomány (~120–130 °C) túllépése rendkívül gyors lebomlást eredményezhet, ami alátámasztja a melegített szilárd fázisú műveletek hőmérsékletére és tartózkodási idejére vonatkozó szigorú felső határokat.[4]
Az NRH esetében a levegőben és a N₂-ben mért 25 °C-os felezési idő közötti különbség azt jelenti, hogy az inertizálás és az oxigén kizárása jelentős tényező lehet, és a szerzők arról számolnak be, hogy a 4 °C-on N₂-párna alatt lévő minták 60 nap után sem mutatnak kimutatható lebomlást, míg a 4 °C-on levegőn lévő minták ~10%-os lebomlást mutatnak.[5]
A nagy nyíróerejű homogenizálás esetében az a közvetlen megfigyelés, hogy a fordulatszám növelése növeli a kilépési hőmérsékletet, és összefügg az oxigénérzékeny aszkorbinsav nagyobb mértékű veszteségével, alátámasztja azokat a mérnöki intézkedéseket, amelyek korlátozzák a nyírás általi felmelegedést (pl. hűtőköpenyek, rövidebb keverési idők, szakaszos adagolás).[13]
A porlasztva szárítás esetében az az állítás, hogy az oxigén- és hőexpozíció csökkenti a (poli)fenolok mennyiségét, és hogy a magas hőmérséklet káros lehet a hőlabilis fenolokra, olyan döntéseket támogat, mint a kilépési hőmérséklet csökkentése, amikor ez megvalósítható, valamint az enkapszuláció alkalmazása az oxigén- és hőérzékenység csökkentésére.[3]
Antioxidánsok és oxigénkezelés
Az antioxidáns és oxigénkezelési stratégiákat a polifenol adatkészletek mechanisztikusan alátámasztják.[12, 22]
A kvercetin 90 °C-on történő vizsgálatakor az olyan antioxidánsok, mint a cisztein, csökkentik a k értéket; 200 μmol·L−1 cisztein a kontrollhoz képest ~43%-os k-csökkenést eredményez, a mechanisztikus értelmezés pedig figyelembe veszi a kvercetin-kinon stabilizálását és a gyökfogó hatásokat.[22]
A transz-rezveratrol esetében kifejezetten leírják, hogy az oxigén elősegíti a lebomláshoz vezető gyökös reakciókat, ami lúgos/semleges vizes feldolgozás esetén, ahol lehetséges, inert feldolgozási atmoszférát vagy oxigéngátakat támogat.[12]
A liposzómás rendszerekben a beszámolók szerint a rezveratrol korlátozza a szigmaszterol oxidációját a szabad gyökök semlegesítésével, és beépül a lipid kettős rétegekbe, növelve a merevséget, csökkentve az oxigénnel és oxidálószerekkel szembeni áteresztőképességet, ezáltal növelve a rendszer termikus és oxidatív stabilitását.[35]
Megbeszélés
Az itt szintetizált bizonyítékok alapján a leghatározottabb mennyiségi minta az, hogy a kémiai mikrokörnyezet (pH, oxigén, víz jelenléte) még mérsékelt hőmérsékleten is uralhatja a stabilitási eredményeket, és számos bioaktív vegyület éles stabilitási diszkontinuitást mutat specifikus termikus átmeneti küszöbökön.[4, 5, 12]
A NAD⁺-prekurzorok esetében az NRCl adatkészlet kettős rendszert emel ki: vizes oldatban a pszeudo-első rendű hidrolízis Arrhenius-féle aktivációs energiákkal és 10 °C-onként hozzávetőlegesen kétszeres sebességnövekedéssel modellezhető, míg szilárd állapotban a 120–130 °C körüli szűk tartomány olvadásnak, majd azt közvetlenül követő gyors bomlásnak felel meg.[4]
A rezveratrol esetében a pH-érzékenységből adódik egy domináns folyamatkockázat: a felezési idő a savas pH-n mért hosszú időtartamról a magas pH-n mért percekre esik vissza, míg az oxigén elősegíti a gyökös reakciókat, ami azt jelzi, hogy az oxigénátvitelt és a helyi lúgosságot növelő nagy nyíróerejű műveletek aránytalanul károsak lehetnek még akkor is, ha a tömeges hőmérséklet mérsékelt marad.[12]
A flavonoidok esetében a kinon köztes termékeken keresztüli oxidáció és a pH-függő deprotonációs mechanizmusok (kvercetin) a magas hőmérsékletű oxidációval és a gyökös láncreakcióval (pl. oxigén plusz koleszterin) kombinálódnak, ami arra utal, hogy a lipideket tartalmazó készítmények és az oxigénexpozíció erősen felerősíthetik az oxidatív veszteségútvonalakat.[22, 26]
A kurkumin esetében mechanisztikus feszültség áll fenn a hidrolízis-vezérelt leírások (egyes gyomor-bél traktusra vonatkozó pufferes munkákban) és az autooxidáció-vezérelt leírások (a micella-központú munkákban) között, de mindkettő az erős pH-hatásban, valamint a hidrofób mikrokörnyezetek és az oxigénkorlátozás védő szerepében konvergál.[11, 32]
Az egységművelet szintjén a nagy nyíróerejű folyamatok elsősorban közvetett gyorsítóként hathatnak hőtermelés és az oxidatív érzékenység növelése révén; ez közvetlenül kimutatható a nagy nyíróerejű homogenizálásban, ahol a fordulatszám növeli a kilépési hőmérsékletet, és ez egybeesik az aszkorbinsav oxidatív veszteségével.[13]
A HPH/UHPH további összetettséget vezet be, mivel a szelepzóna extrém nyírást, kavitációt és turbulenciát kényszerít ki, és magas helyi hőmérsékletet generálhat, bár a tartózkodási idők igen rövidek lehetnek (pl. <0,2 s az UHPH leírásokban), ami azt jelzi, hogy a kémiai eredmények attól függhetnek, hogy a lebomlást gyors gyökös folyamatok, diffúziókorlátozott lépések vagy lassabb termikus aktivációs lépések irányítják-e.[14, 34]
Végül számos forrás emeli ki, hogy a stabilitási modellezést mechanisztikusan validálni kell a releváns mátrixban: a rezveratrol tabletta adatai nem Arrhenius-jellegű viselkedést és mátrixhatásokat mutatnak, amelyek korlátozzák az általános Arrhenius-extrapolációt a gyorsított tesztekből, a porlasztva szárított növényi kivonat markerek pedig segédanyagtól függő kinetikai rendeket és frakcióbomlási időket mutatnak.[7, 20]
Következtetések
A kvantitatív termodinamikai átmeneti markerek (DSC/TGA) és a lebomlási kinetika (k, t_(1/2), (E_a), konverziófüggő aktivációs energiák) folyamatreleváns alapot biztosítanak olyan gyártási feltételek megtervezéséhez, amelyek megőrzik a hőlabilis hosszúságú vegyületek és a kapcsolódó bioaktív anyagok hatóerejét.[4, 8, 9]
A NAD⁺-prekurzorok esetében az NRCl az olvadás közelében szűk termikus feldolgozási ablakkal rendelkezik, amelyet gyors lebomlás követ, míg a vizes kinetika pH-függő pszeudo-első rendű viselkedést mutat 75–83 kJ·mol−1 aktivációs energiákkal, amelyek paraméterezhetik a termikus expozíciós modelleket.[4]
A rezveratrol esetében a pH és az oxigén a domináns változók, a felezési idő a savas pH-n mért több száz napról a magas pH-n mért percekre esik vissza, és a készítmény mátrixai olyan nem Arrhenius-jellegű viselkedést eredményezhetnek, amely megnehezíti a gyorsított tesztek extrapolációját.[7, 12]
A flavonoidok és curcuminoidok esetében az oxidációs útvonalak (kinon köztes termékek a kvercetin esetében; autooxidáció a kurkumin esetében) indokolják az oxigénszabályozást és a hidrofób enkapszulációs stratégiákat, amelyekről kvantitatívan kimutatták, hogy nagyságrendekkel növelik a felezési időt a micellás rendszerekben, és érdemben a nagy nyíróerejű keveréssel előállított Pickering-emulziókban.[1, 10, 22, 32]
A nagy nyírófeszültségű egységműveletek esetében a rendelkezésre álló adatok azt mutatják, hogy a nyírófeszültség emelheti a hőmérsékletet és elősegítheti az oxidációt (nagy nyírófeszültségű keverés), valamint hogy a szelepalapú nagynyomású eljárások extrém nyírófeszültséget és kavitációt generálnak, ahol a nyomás, az áthaladási ciklusok száma és a bemeneti hőmérséklet kulcsfontosságú stresszváltozók; ezek az insights (megállapítások) támogatják az idő–hőmérséklet–nyírófeszültség leképezés és a PAT alkalmazását a stabilitást jelző analitika használatával.[12–14]
Özönlési összeférhetetlenség
A szerzők kijelentik, hogy nincsenek összeférhetetlenségi érdekeik.[20]
