Absztrakt
A termolabilis hosszú élettartammal összefüggő vegyületek és polifenolos bioaktív anyagok a gyártás során (például nagy nyírású keverés, nagynyomású homogenizálás és porlasztva szárítás közben) gyakran tapasztalnak kapcsolt termikus, oxidatív, pH- és mechanikai stresszt, ami felgyorsíthatja a kémiai degradációt és csökkentheti a leadott hatóerőt. Ezért kvantitatív, folyamatreleváns stabilitási paraméterekre van szükség a gyártható tervezési terek meghatározásához és a védő formulázási stratégiák irányításához.[1–3]
A jelen szintézis módszerei olyan tanulmányokból kinyert kvantitatív bizonyítékokra összpontosítanak, amelyek (i) termodinamikai/termikus átmenetekről számolnak be DSC/TGA segítségével (olvadás, bomlás kezdete, üvegesedési átmenetek és szakaszos tömegvesztési viselkedés), valamint (ii) degradációs kinetikáról (pszeudo-elsőrendű/elsőrendű modellek, Arrhenius-aktiválási energiák, pH-függőség és a degradált frakcióig eltelt idő mérése) NAD+ prekurzorok (NR/NRH/NMN), stilbenoidok (resveratrol-rokon rendszerek), flavonoidok (quercetin, fisetin, rutin/észterek) és curcuminoids esetén.[4–11]
Az eredmények azt mutatják, hogy több reprezentatív hosszú élettartamú vegyület szűk termikus feldolgozási ablakkal rendelkezik specifikus fizikai állapotokban. A Nicotinamide riboside chloride (NRCl) olvadásának kezdete 120.7 ± 0.3 °C-nál jelentkezik, amit gyors olvadás utáni bomlás követ (pl. 98%-os degradáció 130 °C-on qNMR-rel mérve), míg a vizes közegben történő degradáció pszeudo-elsőrendű kinetikát követ, a pH-tól függően 75.4–82.8 kJ·mol−1 aktiválási energiával.[4]
A trans-resveratrol esetében a degradációs kinetika erősen pH- és hőmérsékletfüggő (például a felezési idő a pH 1.2 melletti 329 napról pH 10 mellett 3.3 percre csökken), és a gyorsított vizsgálatokból származó extrapoláció a tablettamátrixokban nem-Arrhenius típusú lehet.[7, 12]
A nagy nyírású egységműveletek lokális felmelegedést és oxidatív környezetet idézhetnek elő, amint azt a nagy nyírású homogenizálás is mutatja, ahol a kilépő hőmérséklet a forgási sebességgel együtt nő, és 20,000 rpm sebességnél 42.6%-os ascorbic-acid veszteséggel párosul, valamint a nagynyomású homogenizálási mechanizmusok, amelyek szelepkopást, kavitációt és turbulenciát foglalnak magukban >100 MPa nyomáson.[13, 14]
A következtetések hangsúlyozzák a termodinamikai átmeneti adatok (DSC/TGA/Tg) és a kinetikai modellek (Arrhenius, nem-Arrhenius és izokonverziós módszerek) integrálását idő–hőmérséklet–nyírás térképek készítéséhez, valamint a mérséklő stratégiák racionális kiválasztását, beleértve az enkapszulációt, az amorf szilárd diszperziókat (ASD), a cyclodextrin/nanosponge rendszereket, az oxigénkontrollt, valamint a nyírás és a hőmérséklet minimalizálását.[15–18]
Kulcsszavak: termolabilis bioaktív anyagok; degradációs kinetika; Arrhenius; DSC; TGA; nagynyomású homogenizálás; porlasztva szárítás; NAD+ prekurzorok
1. Bevezetés
A hosszú élettartam szempontjából releváns vegyületeket egyre gyakrabban formulázzák nutraceutikumként, funkcionális élelmiszerként és fejlett hordozórendszerként, ami olyan gyártási útvonalakat igényel, amelyek az aktív anyagokat kombinált stresszhatásoknak teszik ki, beleértve a hevítést, az oxigénnel való érintkezést, a vízaktivitást, a pH-kilengéseket és az intenzív mechanikai energiabevitelt.[3, 5, 14, 19]
A NAD+ prekurzor kémiák esetében a vizes oldatban és szilárd állapotban mutatott stabilitás központi jelentőségű, mivel a reaktivitás a glikozidos vagy foszfát-kötésű motívumok hidrolízisén keresztül léphet fel, és mivel a feldolgozási hőmérséklet átlépheti a gyors bomlást megelőző szilárd fázisú átmeneti küszöböket.[4, 6]
A polifenolok és a kapcsolódó botanikai hatóanyagok esetében a stabilitási korlátok közé tartozik az autoxidáció, az epimerizáció és a kinonokká történő enzimatikus oxidáció, amelyek a feldolgozás során érzékenyek a hőmérsékletre, a pH-ra, a fémionokra és az oxigén rendelkezésre állására.[17]
Gyakorlati következmény, hogy a gyártási tervezés nem támaszkodhat kizárólag a névleges ömlesztett hőmérsékletre; ehelyett integrálnia kell (i) a termodinamikai indikátorokat, mint például az üvegesedési átmenetet, az olvadást és a bomlás kezdetét, valamint (ii) a kinetikai modelleket, amelyek rögzítik a degradáció függését az időtől, a hőmérséklettől, a pH-tól, az oxigéntől és (ahol mérhető) a mechanikai energiabeviteltől.[4, 9, 10, 14, 15]
Ez a tanulmány olyan reprezentatív hosszú élettartamú vegyületekre és kapcsolódó bioaktív anyagokra vonatkozó kvantitatív bizonyítékokat szintetizál, amelyekre vonatkozóan a források explicit termodinamikai átmeneteket és/oder kinetikai paramétereket közölnek, és ezeket az adatokat összekapcsolja a nagy nyírású egységműveletek stresszprofiljaival, beleértve a nagy nyírású keverést, a nagynyomású homogenizálást/mikrofluidizációt, a mechanokémiai őrlést és a porlasztva szárítást.[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 átmeneti hőmérséklet) segítségével értékelik, amelyek jelzik, ha egy vegyület vagy készítmény magasabb molekuláris mobilitású, és ezáltal magasabb reakciósebességű vagy eltérő mechanizmusú állapotokba megy át.[4, 9, 15]
2.1 Gibbs-féle szabadenergia és fázisstabilitás
Számos forrás explicit módon kiszámítja a degradációs folyamatok vagy a termikus destrukció Gibbs-féle szabadenergia-változását, termodinamikai mércét adva a megvalósíthatósághoz specifikus körülmények között.[8, 19]
Az NR borate esetében a degradáció spontaneitását Gibbs-féle szabadenergia-számítással értékelték, ahol a (ΔG) értéke 2.43 kcal·mol−1 volt.[19]
A rutin és a zsírsavas rutin-észterek pirolitikus körülményei között a (ΔG) értékek pozitívak voltak (84–245 kJ·mol−1), pozitív (ΔH) (60–242 kJ·mol−1) mellett, ami endoterm és nem spontán pirolízisprofilt jelez a jelentett elemzésben.[8]
A kinetikai formalizmus tekintetében több forrás is alkalmazza az átmeneti állapot- és szabadenergia-összefüggéseket, például a használatát a hidrolízis aktiválásának értelmezéséhez egy curcumin spiroborate komplex rendszerben.[21]
2.2 Üvegesedési átmenet, olvadás és a bomlás kezdete
A DSC és a TGA egymást kiegészítő jelzői a folyamatkockázatnak: az olvadási vagy lágyulási események hirtelen növelhetik a diffúziót és lehetővé tehetik a gyors kémiai átalakulást, a TGA tömegvesztés kezdete pedig jelezheti a visszafordíthatatlan bomlás megindulását még 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 mutatja, amelyet azonnali, éles exoterm esemény követ, amely 130.8 ± 0.3 °C-on éri el a csúcsát.[4]
A DSC eseménysorozattal összhangban a qNMR kvantifikáció korlátozott degradációt mutat 115 °C-on (2%), de gyors veszteséget az olvadási tartományban és felette (7% 120 °C-on; 55% 125 °C-on; 98% 130 °C-on; mindössze 0.45% NR marad 140 °C-on).[4]
Az NMN esetében egy forrás arról számol be, hogy a vegyület inkább lebomlik, mintsem tiszta olvadási átmenetet mutatna; a bomlás 160 °C-on kezdődik és 165 °C-ra fejeződik be, 162 °C-on endoterm DSC-csúccsal és 184 kJ·mol−1 bomlási entalpiával.[6]
A quercetin esetében a kombinált DSC/TGA értelmezés azt jelzi, hogy az intenzív DSC endotermet (maximum 303 °C-on) gyakran tévesen az olvadásnak tulajdonítják, miközben a TGA azt mutatja, hogy a bomlás 230 °C-on indul meg, és az endoterm átfedésben van a folyamatos tömegvesztéssel; a 303 °C-os csúcsra jelentett "olvadáshő" 69–75 kJ·mol−1.[9]
A fisetin esetében a TGA kismértékű tömegvesztést mutat (~5%), amelyet a kristályos mintából származó víz elpárolgásának tulajdonítanak, valamint egy jelentős tömegvesztési eseményt (~30.6%) 369.6 °C-on, amelyet a molekula bomlásának tulajdonítanak.[15]
Inert nitrogén alatt a curcumin esetében egy tanulmány arról számol be, hogy a nyers curcumin komplex bomlási folyamatot mutat, amely 240 °C körül kezdődik (5% tömegvesztés), 347 °C-on DTGA-csúccsal, és 600 °C-on 37% maradék marad vissza (10 °C·min−1 sebességnél).[18]
2.3 Amorf és kristályos stabilitás
Az amorf formulák 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 átmeneti hőmérséklet (Tg) kritikus stabilitási paraméterré válik.[15, 16]
A mechanokémiailag előállított fisetin amorf szilárd diszperziók (ASD) mérhető Tg értékeket mutatnak a második fűtési ciklusban, és a Tg összetételtől függő eltolódását mutatják, ami összhangban van az elegyíthetőséggel: a nyers Eudragit® L100/EPO Tg értéke 147.1/55.4 °C, míg a fisetin ASD-k Tg értékei 144.2/71.8 °C és 145.9/76.7 °C a polimertől és a hatóanyag-töltéstől függően.[15]
A resveratrol és oxyresveratrol nanoszivacsok esetében a DSC azt mutatja, hogy a resveratrol olvadási endotermje (266.49 °C) eltűnik a nanoszivacs formulákban, amit a szerzők az enkapszulációnak és a hatóanyag-molekulák lehetséges amorfizációjának tulajdonítanak a nanoszivacs mátrixon belül.[16]
A quercetin esetében a hidrogénkötés feltételezhetően egyszerre gátolja az olvadásszerű lágyulást és segíti elő a bomlást a kötések gyengítésén keresztül; a kombinált DSC/TGA értelmezés arra a következtetésre jut, hogy a quercetin nem egyszerűen megolvad, hanem egymást átfedő bomláson és szerkezeti relaxáción/lágyuláson megy keresztül a 150–350 °C tartományban.[9]
3. Degradációs kinetikai modellek és paraméterek
A bevont források többféle kinetikai modellt (elsőrendű, pszeudo-elsőrendű, magasabb rendű vagy szigmoid formák) és hőmérsékletfüggési kezelést (Arrhenius és egyes esetekben nem-Arrhenius viselkedés) alkalmaznak, amelyeket gyakran a pH-függőség és a komplex, többcsatornás degradáció indokol.[4, 7, 22]
3.1 Reakciórend-modellek
Az oldatfázisú degradáció széles körben használt bázisa az integrált elsőrendű modell , amely több forrásban is az elsődleges illesztésként jelenik meg a koncentráció-idő adatokra szabályozott pH és hőmérséklet mellett.[4, 11, 12]
A pufferelt vizes oldatokban lévő NRCl esetében a degradációt pszeudo-elsőrendűként írják le, és ezt a pszeudo-elsőrendű formát az indokolja, hogy a pufferrendszerek az OH−/H3O+ koncentrációt nagy feleslegben és az NR koncentrációhoz képest megközelítőleg állandó szinten tartják.[4, 23]
A foszfátpufferben lévő fisetin és quercetin esetében a jelentett eredményeket k (h−1) elsőrendű degradációs sebességi állandóként adják meg, amely a pH-val és a hőmérséklettel erősen emelkedik.[24]
A quercetin esetében 90 °C-on, semleges pH közelében (6.5–7.5), szigmoid modellt alkalmaztak és hasonlítottak össze az elsőrendű modellel; a szigmoid modell 2.3–2.5-szer magasabb k értékeket és eltérő felezésiidő-értelmezést adott pH 7.5 mellett.[22]
A porlasztva szárított növényi kivonat markerek esetében a segédanyag-rendszerektől függően különböző látszólagos reakciórendekről számoltak be, beleértve a nulladrendű és másodrendű modelleket a kaempferol esetében (a segédanyag-binárisok mentén) és egy másodrendű modellt a quercetin esetében a segédanyagok mentén.[20]
3.2 Arrhenius- és Eyring-kezelések
A hőmérsékletfüggést gyakran Arrhenius-típusú kifejezésekkel modellezik , és több forrás explicit módon kiszámítja az aktiválási energiákat az eltarthatósági jóslatok és a folyamat termikus expozíciójának paraméterezéséhez.[4, 10, 12]
Az NRCl vizes oldatban történő degradációjára vonatkozóan az Arrhenius-aktiválási energiák 75.4 (±2.9) kJ·mol−1 pH 2.0-nál, 76.9 (±1.1) kJ·mol−1 pH 5.0-nál és 82.8 (±4.4) kJ·mol−1 pH 7.4-nél.[4]
A trans-resveratrol esetében pH 7.4-nél az Arrhenius-elemzés eredménye log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97), a számított aktiválási energia pedig 84.7 kJ·mol−1.[12]
A curcumin esetében puffer/metanol elegyben pH 8.0-nál a 37–60 °C közötti Arrhenius-elemzés (Ea)=79.6±2.2 kJ·mol−1 értéket ad.[10]
A gasztrointesztinálisan releváns vizes közegekben lévő curcumin esetében az Arrhenius-grafikonok nagy linearitást mutatnak 37–80 °C között (a jelentett r2 értékek 0.9967, 0.9994, 0.9886 a különböző közegekre), az aktiválási energiák pedig 16.46, 12.32 és 9.75 kcal·mol−1 pH 7.4, pH 6.8 és 0.1 N HCl esetén.[11]
Az Eyring-elemzés egy curcumin spiroborate ester (CBS) hidrolitikus bomlási tanulmányában is megjelenik, ahol az Eyring-grafikon lineáris kapcsolatot mutat 0.9988 korrelációval.[21]
3.3 Izokonverziós és modellfüggetlen módszerek
Számos termikus degradációs tanulmány alkalmaz izokonverziós módszereket (pl. KAS, FWO, Friedman) a konverziófüggő aktiválási energiák kiszámításához, és ezáltal a többlépcsős bomlás és a mechanizmusváltások azonosításához.[8, 18, 25]
A rutin és a rutin zsírsav-észterek esetében az aktiválási energiák jelentősen változnak a konverzió mértékével 0.05 < (α) < 0.90 tartományban, a jelentett tartományok 65 és 246 kJ·mol−1 között mozognak; a szerzők ezt bizonyítékként értelmezik arra, hogy a termikus degradáció nem egyszerű, több szakaszból álló folyamat.[8]
A resveratrol–β-cyclodextrin klatrátok esetében az aktiválási energia az átalakulás mértékével nő, a jelentett emelkedés 110-ről 130 kJ·mol−1-ra (OFW módszer) és 120-ról 170 kJ·mol−1-ra (Friedman módszer), amit a reakciómechanizmus változásaként értelmeznek a bomlás előrehaladtával.[25]
A nitrogén alatti curcumin-töltött polimer rendszerek esetében a több megközelítéssel (Kissinger, KAS, Friedman és modellillesztés) származtatott aktiválási energiák széles körben konzisztens nagyságrendeket mutatnak (pl. 71 ± 5 kJ·mol−1 Kissinger-rel; 77 ± 2 KAS-szel; 84 ± 3 Friedman-nel), a modellválasztás pedig egy F1 kinetikai modellt jelez 73–91 kJ·mol−1 tartományba eső energiákkal.[18]
3.4 Kapcsolt termo-mechanikai és oxidatív degradáció
A nagy nyírású gyártási műveletek a mechanikai energiadisszipációt lokális felmelegedéssel és fokozott oxigénátadással kapcsolhatják össze, ezáltal felerősítve az oxidatív útvonalakat az oxigénérzékeny bioaktív anyagokban.[13, 14, 17]
Egy italkészítmény nagy nyírású homogenizálása során a kilépő hőmérséklet jelentősen emelkedik a forgási sebességgel (pl. 0 rpm-nél mért 4.1 ± 0.7 °C-ról 20,000 rpm-nél 41 ± 1.2 °C-ra), és a legmagasabb sebességnél az ascorbic-acid 42.6%-kal csökken, ami összhangban van a magas hőmérséklet és az oxidáció által elősegített degradációval.[13]
A nagynyomású homogenizálás (HPH) során a feldolgozási mechanizmust kifejezetten a szelepnyílásnál jelentkező nyírófeszültség-eloszlásnak tulajdonítják, ahol a folyadékmozgás megszakad, valamint olyan további jelenségeknek, mint a kavitáció, a turbulencia, az ütközés és a becsapódás, amelyek együttesen intenzív mechanikai és potenciálisan oxidatív stresszt hoznak létre.[14]
Az oxidatív kapcsolódást a quercetin termikus oxidációs kísérletei is bizonyítják: 150 °C-on a quercetin degradációja gyorsabban halad oxigén alatt, mint nitrogén alatt (sebességi állandók: 0.868 h−1 vs. 0.253 h−1), és erősen felgyorsul cholesterol és oxigén jelenlétében (sebességi állandó: 7.17 h−1), ami összhangban van a cholesterol-hidroperoxid képződés és a quercetin degradáció közötti gyökös lánckapcsolattal.[26]
Az NRH esetében az oxigén és a hőmérséklet erős kontrollt gyakorol: 25 °C-on, ioncserélt vízben a jelentett degradációs sebesség 1.27×10−7 s−1 levegő alatt (felezési idő: 63 nap), szemben az N2 alatti 5.90×10−8 s−1 értékkel (felezési idő: 136 nap), és a szerzők kijelentik, hogy az NRH oxigén jelenlétében oxidálódhat, savas körülmények között pedig gyorsan hidrolizál.[5]
4. Vegyületcsoport-áttekintés
Az alábbi vegyületközpontú szintézis a kvantifikált kinetikai és termodinamikai paraméterekre összpontosít, amelyek közvetlenül felhasználhatók a gyártási modellekben, beleértve az aktiválási energiákat, sebességi állandókat, felezési időket, bomlási kezdeteket, valamint az üvegesedéssel vagy olvadással kapcsolatos korlátokat.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 NAD+ prekurzorok
A NAD+ prekurzorok stabilitását erősen meghatározza a hidrolízisre való hajlam és bizonyos termikus átmenetekkel szembeni alacsony tolerancia (különösen az NRCl esetében az olvadási tartományban), valamint az oxigén által vezérelt oxidáció (különösen a redukált formák, például az NRH esetében).[4, 5]
Az NRCl pszeudo-elsőrendű degradációs kinetikát mutat vizes oldatokban, és a pH-val változó aktiválási energiákat mutat (75.4–82.8 kJ·mol−1), ami kvantitatíve kódolja mind a termikus érzékenységet, mind a domináns hidrolízisútvonal pH-függését.[4]
A mechanisztikus alapként bázis-katalizált hidrolízist javasolnak, amelyben az NR mennyisége csökken, miközben nicotinamide (Nam) és cukor halmozódik fel; a bemutatott moláris mérleg-bizonyítékok szerint minden lebomló NR molekulára egy Nam és egy cukormolekula jut.[4]
Szimulált gasztrointesztinális folyadékokban, fiziológiás hőmérsékleten és keverés mellett (USP II lapát 75 rpm-en és 37 °C-on), az NRCl viszonylag korlátozott rövid távú veszteséget mutat (pl. ~97–99% marad meg 2 óra után gyomorközegben), de mérhető hosszabb távú csökkenést mutat egy 24 órás szimulációban (79.18 ± 2.68% marad meg 24 óra után, és 90.51 ± 0.82% marad meg 8 óra után).[4]
Szilárd állapotban az NRCl szűk hőmérsékleti ablakot mutat az olvadás kezdete és a gyors bomlás között: a DSC 120.7 ± 0.3 °C-nál jelzi az olvadás kezdetét, majd ~130.8 °C-nál egy későbbi exoterm eseményt, míg a qNMR a degradáció meredek emelkedését számszerűsíti a 115 °C-on mért 2%-ról a 130 °C-on mért 98%-ra.[4]
Egy forrás explicit módon úgy fogalmaz, hogy ezek az adatok "kifejezett felső hőmérsékleti határt szabnak az NRCl feldolgozásához", ami a kiegészítők gyártásának minden szakaszára kihathat, aláhúzva a DSC/qNMR küszöbértékek relevanciáját, mint kemény korlátokat a hevített műveletekben.[4]
Az NR borate egy olyan stabilizációs stratégiát vezet be, amelyet az NR reaktivitása motivált: az NR-t úgy írják le, mint amely különösen instabil glikozidos kötéssel rendelkezik, amely egy pozitív töltésű piridínium heterociklust kapcsol egy szénhidráthoz, ami nehézzé teszi a szintézisét, tárolását és szállítását; a borát-stabilizációról pedig azt írják, hogy nagy stabilitást mutat a termikus és kémiai degradációval szemben.[19]
Kvantitatíve az NR borate 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 jelentése szerint a degradációs sebesség magasabb pH 7.4-nél, mint pH 1.5 vagy 5.0 mellett, ami összhangban van a HO− koncentráció hatásával.[19]
Ugyanez az áttekintés 2.43 kcal·mol−1 Gibbs-féle szabadenergiát jelent az NR borate degradációjára, és megjegyzi, hogy a 10 °C-os emelés megközelítőleg megduplázza a degradációs sebességet bármely pH-körülmény között, visszhangozva az NRCl-nél megfigyelt hőmérséklet-érzékenységet.[4, 19]
Az NRH kifejezett érzékenységet mutat a pH-ra és az oxigénre: pH 5-nél kevesebb mint egy nap alatt teljes degradációról számoltak be, míg pH 9-nél a minták ~42–45%-os degradációt mutatnak 60 nap után, 25 °C-on ioncserélt vízben, levegő alatt pedig ~50%-os degradációt jelentettek 60 nap után, szemben az N2 alatti ~27%-kal.[5]
Ezt az oxigénérzékenységet mechanisztikusan az oxigén jelenlétében fellépő oxidációnak és a savas körülmények között felgyorsuló hidrolízisnek tulajdonítják; ez összhangban van azzal, hogy az NRH-t instabil molekulaként írják le az N-glikozidos kötése miatt, amely hajlamos a degradációra, hidrolízisre és oxidációra.[5]
Az NMN esetében a kvantitatív szilárd fázisú termodinamikai indikátorok közé tartozik a bomlás megindulása 160 °C-on és befejeződése 165 °C-ra (162 °C-os endoterm DSC-csúccsal és 184 kJ·mol−1 bomlási entalpiával), valamint a gyorsított stabilitási adatok, amelyek havi 0.8%-os bomlási sebességet jeleznek 40 °C-on és 75% relatív páratartalom mellett.[6]
Vizes oldatban az NMN degradációja látszólagos elsőrendű szobahőmérsékleten, lg(Ct)=0.0057t+4.8172 kinetikai egyenlettel és t0.9=95.58 h, illetve t1/2=860.26 h jelentett időkkel; a tanulmány megállapítja, hogy a degradációs sebességet elsősorban a magas hőmérséklet és a pH befolyásolja.[27]
A gyakorlati formulázási korlátok támogatása érdekében egy termékközpontú forrás a 45 °C alatti beépítést javasolja a foszfodiészter kötés termikus degradációjának megelőzésére, és kevesebb mint 5%-os degradációról számol be a 40 °C/75% RH melletti 3 hónapos gyorsított vizsgálat során a megfelelően formulázott, alacsony víztartalmú rendszerek esetében.[28]
Az NMN elsődleges degradációs útvonalát a foszfodiészter kötés hidrolíziseként írják le, amely nicotinamide-ot és ribose-5-phosphate-ot eredményez, a pH-függőséget pedig pH 4.5 alatt sav-katalizált hidrolízisként, pH 7.5 felett pedig bázis-közvetített hasadásként jellemzik.[28]
4.2 Stilbenoidok
A stilbenoidok közé tartozik a resveratrol és a kapcsolódó vegyületek, amelyek erős pH- és oxigénfüggő degradációt mutatnak, és valós készítményekben mutatott stabilitásuk a mátrixhatások és a többféle útvonal miatt eltérhet az egyszerű Arrhenius-extrapolációtól.[7, 12, 29]
Vizes rendszerekben a trans-resveratrol savas pH mellett stabilnak bizonyult, míg a degradáció pH 6.8 felett exponenciálisan nő, a felezési idő pedig a pH 1.2 melletti 329 napról pH 10 mellett 3.3 percre csökken.[12]
pH 7.4-nél a trans-resveratrol degradációjának kinetikája elsőrendű kinetikát követ a vizsgált hőmérsékleteken, az aktiválási energiát pedig 84.7 kJ·mol−1 értékként jelentették.[12]
A mechanisztikus indoklás szerint savas pH-nál a hidroxilcsoportokat a pozitív töltésű H₃O⁺ védi a gyökös oxidációtól, míg lúgos körülmények között a fenátionok növelik az oxidációra való hajlamot és a fenoxigyök-képződést, a közegben lévő oxigén pedig elősegíti a degradációhoz vezető gyökös reakciókat.[12]
Független termikus stabilitási kísérletek vizes oldatban (19 mg·L−1) nem mutattak jelentős spektrális változásokat 30 perc után 70 °C-ig, míg a magasabb hőmérsékletek az abszorbancia általános csökkenéséhez vezetnek 304 nm-nél, valamint csökkent abszorbanciát mutatnak a 270–350 nm tartományban, ami hidrotermális körülmények között termikusan indukált destrukciót jelez.[30]
Ezen hidrotermális kísérletek mechanisztikus értelmezése a kettős kötés oxidatív felhasadását és fenoltartalmú degradációs termékek, például hidroxi-aldehidek, alkoholok és hidroxi-savak képződését feltételezi, az FTIR-sávokat pedig az aldehid- és karbonsavképződéssel összhangban lévőnek értelmezik 100–120 °C-on.[30]
Tablettamátrixokban a resveratrol degradációja elsőrendű monoexponenciális kinetikát követ 0.07140, 0.1937 és 0.231 hónap−1 k értékekkel 25, 30, illetve 40 °C-on, de az ln(k) vs. 1/T kapcsolat nemlineáris és szuper-Arrhenius besorolású; a szerzők lehetséges másodlagos reakciókat, többféle reakcióutat vagy magasabb hőmérsékleten fellépő mátrixhatásokat feltételeznek.[7]
Ugyanez a munka hangsúlyozza, hogy az Arrhenius-extrapoláció nem mindig teszi lehetővé a resveratrol degradációs kinetikájának meghatározását étrend-kiegészítőkben, és hogy a gyorsított vizsgálatok téves becslésekhez vezethetnek, beleértve a degradáció túlbecsülését is.[7]
Száraz rendszerekben a stilbénszerű fenolok esetében a termikus kezelések, például a 121 °C-on 20 percig tartó gőzsterilizálás mérhető veszteségeket okoznak (pl. a pinosylvin csúcsterülete 20.98%-kal csökkent), a 105 °C-on végzett 24 órás kemencés szárítás pedig >50%-os csökkenést eredményez több fenolos vegyület csúcsterületén, míg a TGA ~200 °C feletti bomlási kezdeti hőmérsékleteket jelez a pinosylvin rendszerekre.[31]
4.3 Flavonoidok
A flavonoidok többcsatornás degradációs érzékenységet mutatnak, amelyet a pH, a hőmérséklet, az oxigén és a formulációs kölcsönhatások (például fehérjekötés) befolyásolnak; DSC/TGA termikus viselkedésük gyakran egymást átfedő bomlást és lágyulást foglal magában az egyszerű olvadás helyett.[9, 22, 24]
Pufferelt oldatokban a közeg pH-jának 6.0-ról 7.5-re emelése a fisetin és a quercetin degradációs sebességi állandóját 24-szeresére, illetve 12-szeresére növeli (pl. fisetin k: 8.30×10−3-ról 0.202 h−1-re; quercetin k: 2.81×10−2-ről 0.375 h−1-re), a hőmérséklet 37 °C fölé emelése pedig jelentősen növeli a k értékét (pl. fisetin k: 0.490 h−1 65 °C-on; quercetin k: 1.42 h−1 65 °C-on).[24]
A fehérje-társkomponensek mérsékelhetik a degradációt: fehérje hozzáadásával a mért k értékek csökkennek; a fisetin k értéke 3.58×10−2-ről egészen 1.76×10−2 h−1-ig, a quercetin k értéke pedig 7.99×10−2-ről egészen 3.80×10−2 h−1-ig csökken.[24]
Mechanisztikusan a flavonoidok kémiai instabilitását a hidroxilcsoportoknak és az instabil piron-szerkezetnek tulajdonítják, a fehérjék általi stabilizációt pedig főként hidrofób kölcsönhatásoknak (ahol az SDS megzavarja a stabilizációt), a hidrogénkötés-hozzájárulást pedig a jövőbeni kvantitatív vizsgálatokat igénylő területként emelik ki.[24]
A quercetin esetében 90 °C-on, semlegesség közelében a degradációs kinetika erős pH-hatást mutat: a k körülbelül ötszörösére nő pH 6.5-ről 7.5-re, és oxidációs köztestermékek, például quercetin quinone mutathatók ki, a tipikus végtermékek pedig a protocatechuic acid (PCA) és a phloroglucinol carboxylic acid (PGCA).[22]
A mechanisztikus leírás az első mérhető veszteséget 370 nm-nél a quercetin quinone-ná történő átalakulásának tulajdonítja, és azt sugallja, hogy a quinone-váz hasadása egyszerűbb, korlátozott abszorbanciájú fenolokat eredményez, míg a lúgos deprotonáció felgyorsítja az oxidációt, ami érinti a C-gyűrűt és a B-gyűrű o-difenol szerkezetét.[22]
Magas hőmérsékletű rendszerekben (150 °C) a quercetin degradációja és oxidációja gyorsan halad; a jelentett sebességi állandók 0.253 h−1 nitrogénben és 0.868 h−1 oxigénben, és erős gyorsulás (7.17 h−1) tapasztalható oxigén plusz cholesterol jelenlétében; kísérletileg a quercetin veszteség 10 perc után a nitrogén alatti 7.9%-ról oxigén alatt 20.4%-ra nő, míg cholesterol + oxigén jelenlétében 10 perc után a quercetinnek csak 10.9%-a marad meg.[26]
A termikus elemzés továbbá jelzi, hogy a quercetin egy kis endoterm csúcsot mutat a 90–135 °C tartományban, ami csekély tömegvesztéssel (0.86 ± 0.33 tömeg%) párosul, a bomlás 230 °C-on indul meg, és egy kiemelkedő DSC endoterm 303 °C-on átfedi a bomlást; érvelésük szerint a hidrogénkötés egyszerre gátolja az olvadásszerű viselkedést és segíti elő a bomlást a kémiai kötések gyengítésével.[9]
A rutin (egy quercetin glikozid) és zsírsav-észterei esetében a TGA azt jelzi, hogy a rutin 240 °C-ig termikusan stabil, míg az észterek alacsonyabb kezdeti degradációs hőmérsékletet (217–220 °C) és nagyobb tömegvesztést mutatnak egy fő szakaszban, az aktiválási energiák pedig a konverzió mértékével 65 és 246 kJ·mol−1 között változnak.[8]
4.4 Curcuminoids
A curcumin degradációja erősen pH-függő, és számos vizes körülmény között oxidatív útvonalakat foglal magában, miközben a termikus bomlás és a formulációs kölcsönhatások eltolhatják a degradációs kezdeteket és a látszólagos kinetikai paramétereket.[10, 18, 32]
Puffer/metanol elegyekben 37 °C-on a curcumin degradációjáról jelentették, hogy elsőrendű kinetikát követ, ahol a k_obs drámai módon nő a pH emelkedésével (pl. 3.2×10−3 h−1 pH 7.0-nél vs. 693×10−3 h−1 pH 12.0-nél), miközben pH 5.0-nél a curcumin stabil maradt a jelentett kísérletekben.[10]
pH 8.0-nál az Arrhenius-elemzés (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 értéket ad, és a vizes pufferre való extrapoláció gyors veszteséget sugall oxidáló körülmények között (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]
A micelláris nanokészítmények drámaian lelassítják a degradációt: polimer micellákban és Triton X-100 micellákban pH 8.0 és 37 °C mellett a jelentett k_obs értékek 0.9×10−3 és 0.6×10−3 h−1-re csökkennek, 777 ± 87 h és 1100 ± 95 h felezési időkkel, amelyek állításuk szerint ~300–500-szor magasabbak, mint a szabad curcumin értékei vizes pufferben.[10]
Mechanisztikusan a bevont munka amellett érvel, hogy a curcumin degradációja nem hidrolitikus lánchasadáson keresztül megy végbe, hanem oxidáción keresztül, amelynek végterméke egy biciklopentadion; 1 mol curcumin degradációja 1 mol O₂ elfogyasztásával jár, és az első lépés a hidroxilcsoportok deprotonációja pH 7.0 felett.[10]
Egy különálló, GI-releváns stabilitási tanulmány látszólagos elsőrendű kinetikáról számol be nagy linearitással (r² > 0.95), és megadja az aktiválási energiákat (kcal·mol−1-ban), amelyek a közegtől függően változnak (magasabb pH 7.4-nél, mint 0.1 N HCl-ben); jelentésük szerint 37 °C-on 12 óra után több mint 80% maradt meg 0.1 N HCl-ben, de csak 57% és 47% maradt meg pH 6.8, illetve 7.4 foszfátpufferben.[11]
Magas hőmérsékleten (180 °C) a pörkölési kísérletek extrém termolabilitást mutatnak: a kezdeti curcuminnek mindössze 30%-a marad meg 5 perc után, a mechanisztikus értelmezés pedig az oxidatív hasadást a ferulic acid intermedierekhez és egy dekarboxilezési lépéshez köti, amelyet a levegőnek való kitettség és a magasabb hőmérséklet felgyorsít.[33]
A curcumin és curcumin-tartalmú polimer rendszerek nitrogén alatti termikus bomlási tanulmányai komplex viselkedést mutatnak: a nyers curcumin bomlása 240 °C körül kezdődik, míg a curcumin beépítése PGA/PCL keverékekbe a PGA degradációs maximumát alacsonyabb hőmérsékletekre tolja el (pl. 372 °C-ról a tiszta keverék esetében 327 °C-ra 5% curcumin mellett), ami azt jelenti, hogy a curcumin beépítése csökkentheti a mátrix termikus stabilitását.[18]
Ugyanez a polimer-központú tanulmány ezeket az eredményeket a gyártási relevanciával kapcsolja össze, kijelentve, hogy az ömledékállapotú feldolgozás során mind a polimermátrix kémiai stabilitását, mind a beépített gyógyszerek biológiai aktivitását garantálni kell, és a PGA vagy PGA/PCL keverékek curcumin-nal történő feldolgozását a lehető legalacsonyabb hőmérsékleten kell végezni a PGA degradációjának megelőzése érdekében.[18]
A curcumin nagy nyírású emulgeálás alatti stabilizálását Pickering-emulziókban is kvantifikálták, amelyeket nagy nyírású keverővel készítettek 22,000 rpm-en 2 percig: a sötétben, 20 °C-on történő tárolás azt mutatja, hogy egy nem enkapszulált curcumin-olaj keverékben a curcumin körülbelül fele lebomlik 6 nap után, és csak 20% marad meg 16 nap után, miközben egy Pickering-emulziós rendszer ~50%-ot tart meg 16 nap után, és a felezési időt 13 napról 28 napra hosszabbítja meg.[1]
UV-expozíció alatt (6 W, 365 nm) ugyanez a rendszer ~50%-os degradációt mutat 9 óra után, és csak 20% marad meg 24 óra után az olajkeverék esetében, míg a Pickering-emulzió ~70%-ot tart meg 9 óra után és ~45%-ot 24 óra után, a felezési időt pedig ~13 óráról ~27 órára hosszabbítja meg az 50%-os veszteség eléréséig.[1]
4.5 Összefoglaló táblázat
Az alábbi táblázat összefoglalja a vegyületcsoportokon keresztül jelentett reprezentatív kinetikai és termodinamikai paramétereket, hangsúlyozva a folyamatmodellezéshez legközvetlenebbül használható értékeket.
5. Nagy nyírású gyártási egységműveletek
A nagy nyírású gyártás a termolabilis vegyületeket olyan mechanikai stresszmezőknek teszi ki, amelyek növelhetik a hőmérsékletet, az oxigénátadást és az interfaciális felületet, ezáltal befolyásolva mind a reakciókinetikát, mind a domináns mechanizmusokat, különösen az oxigén- és pH-érzékeny bioaktív anyagok esetében.[13, 14, 17]
5.1 Ömledék-feldolgozás
Az ömledékállapotú feldolgozást a polimer–gyógyszer rendszereknél olyan forgatókönyvként emelik ki, ahol mind a polimer stabilitását, mind a gyógyszer aktivitását meg kell őrizni; kifejezetten rögzítik, hogy az ömledékállapotú feldolgozás feltételezi a polimermátrix kémiai stabilitásának és a beépített gyógyszerek biológiai aktivitásának garantálását.[18]
A PGA/PCL–curcumin rendszerben a curcumin beépítése hátrányosan befolyásolja a PGA termikus stabilitását, a szerzők pedig a lehető legalacsonyabb hőmérsékleten történő feldolgozást javasolják a PGA degradációjának megelőzésére, összekapcsolva a termikus stabilitás jellemzését a folyamattervezéssel.[18]
5.2 Nagynyomású homogenizálás és mikrofluidizáció
A nagynyomású homogenizálás a folyadékokat nagy mechanikai stressznek teszi ki, amikor azok egy szűk hézagú szelepen haladnak át; a nyílásnál a folyadék nyíróhatásnak van kitéve, és további jelenségek, mint például a kavitáció, a turbulencia, az ütközés és a becsapódás járulnak hozzá a nyíróhatásokhoz.[14]
A HPH több mint 100 MPa emelt nyomáson működik, és akár 400 MPa nyomást is generálhat; az alkalmazott nyomást, a ciklusok/áthaladások számát és a belépő hőmérsékletet a fitokemikáliák kinyerhetőségét és stabilitását befolyásoló kulcsfontosságú tényezőkként írják le.[14]
Kvantitatíve a HPH-áttekintés olyan példákat említ az összetétel változására, mint az L-ascorbic acid fokozatos csökkenése (1.7%, 4.6%, 10.7%) 100, 200, 300 MPa nyomáson, valamint a polifenol-csökkenés (pl. 10.6%, 6.0%, 1.4%) almalében 100, 200, 300 MPa mellett, szemléltetve, hogy a nyomásszint korrelálhat az oxidációérzékeny vegyületek veszteségével a mátrix és az enzimaktivitás függvényében.[14]
Formulációs léptékben a mikrofluidizáció stabil emulziókat hozhat létre a fenolok kvantifikált megtartása mellett: W/O/W emulziók esetében az optimális mikrofluidizációs körülményeket 148 MPa-ban és hét ciklusban határozták meg, ami 105.3 ± 3.2 nm-es cseppeket és 0.233 ± 0.020 PDI-t eredményezett; 35 nap után a fenolmegtartás 68.6%, az antioxidáns aktivitás megtartása pedig 89.5% volt.[2]
Egy különálló enkapszulációs tanulmány kombinált nagy nyírású és mikrofluidizációs megközelítésről számol be: a liposzómális diszperziókat 9500 rpm-en homogenizálták 10 percig, majd ötször átengedték egy mikrofluidizátoron 25,000 psi nyomáson a porlasztva szárítás előtt, bemutatva, hogy az iparilag reális szekvenciák kombinálhatják a nyírást és az azt követő termikus szárítást.[3]
Az ultra-nagynyomású homogenizálási (UHPH) áttekintések hangsúlyozzák az extrém nyírást és a szelepen belüli becsapódásokat; olyan jelentett körülményekkel, mint a több mint 200 MPa (jellemzően 300 MPa) nyomáson szivattyúzott folyadékok, a szelepen belüli kevesebb mint 0.2 s tartózkodási idő Mach 3 sebesség mellett, valamint a mikroorganizmusok, kolloidok és biopolimerek 100–500 nm-re történő nanofragmentációja.[34]
5.3 Nagy nyírású keverés
A nagy nyírású keverést gyakran előemulgeálási vagy diszpergálási lépésként használják, és önmagában is jelentős hőmérséklet-emelkedést és oxidatív környezetet generálhat, ezáltal befolyásolva a degradációt már a továbbfeldolgozási műveletek előtt.[13]
Egy italkészítmény-modellben a 10 percig tartó, növekvő forgási sebességű nagy nyírású homogenizálás növelte a kilépő hőmérsékletet (a 0 rpm-nél mért 4.1 ± 0.7 °C-ról a 20,000 rpm-nél mért 41 ± 1.2 °C-ra), és jelentős ascorbic-acid veszteséggel járt (42.6%-os csökkenés 20,000 rpm-nél).[13]
Egy curcumin Pickering-emulziós rendszerben 22,000 rpm-en végzett 2 perces nagy nyírású keverést alkalmaztak az emulziók létrehozásához, ami után a stabilitás javulását lassabb degradációval és meghosszabbított felezési idővel számszerűsítették mind a tárolás, mind az UV-stressz alatt, összekapcsolva a nagy nyírású interfaciális strukturálást a kémiai stabilitási eredményekkel.[1]
5.4 Mechanokémiai őrlés
A mechanokémiai feldolgozás (pl. golyós őrlés) amorf szilárd diszperziókat hozhat létre, és megváltoztathatja a stabilitást a szilárd fázisú forma módosításával, a molekuláris szintű keveréssel és az erős intermolekuláris kölcsönhatások, például hidrogénkötések kialakításával.[15]
A fisetin ASD-k és inklúziók esetében az őrlést szobahőmérsékleten, 30 Hz frekvenciával, 20 percig végezték, majd ezt követő TG/DSC elemzést végeztek nitrogén alatt a termikus stabilitás és a Tg viselkedés számszerűsítésére.[15]
5.5 Porlasztva szárítás
A porlasztva szárítást a szárított növényi kivonatok előállításának egyik leggyakrabban használt technikájaként írják le, és megállapítják, hogy a porlasztva szárítás során alkalmazott magas hőmérséklet potenciálisan káros hatással lehet a termolabilis (poli)fenolokra.[3, 20]
Egy polifenol-enkapszulációs tanulmányban a porlasztva szárítást 150 ± 5 °C belépő levegőhőmérséklettel és 90 ± 5 °C kilépő hőmérséklettel végezték; a szerzők rögzítik, hogy a (poli)fenolok mennyisége csökkent a porlasztva szárítás során fellépő oxigén- és hőexpozíció miatt, ami az enkapszulációt indokolja a funkcionális tulajdonságok megőrzése érdekében.[3]
Egy kivonat-preformulációs tanulmányban a porlasztva szárító folyamatparamétereit (belépő hőmérséklet, táplálási sebesség, kolloid szilícium-dioxid arány) értékelték a válaszokra gyakorolt hatásuk szempontjából, és Arrhenius-módszereket alkalmaztak a bomlási kinetikai paraméterek, köztük a reakciórend, a degradált frakcióig eltelt idő és a sebességi állandó meghatározására.[20]
5.6 Összefoglaló táblázat
Az alábbi táblázat összefoglalja a nagy nyírást és/vagy intenzív termikus expozíciót jelentő egységműveletekre vonatkozó stresszprofilokat és a jelentett kvantitatív hatásokat.
6. Integrált stabilitás–folyamat modellek
A bevont források építőelemeket szolgáltatnak egy olyan integrált prediktív keretrendszerhez, amelyben a stabilitási eredményeket az egységműveletek termikus előzményeiből és a fizikai-kémiai mikrokörnyezetből (pH, oxigén, vízaktivitás) számítják ki, miközben tiszteletben tartják a termodinamikai átmeneti küszöböket.[4, 14]
6.1 Idő–hőmérséklet–nyírás térképezés
Egy gyakorlati térképezési megközelítés alkalmazhatja a kinetikát (k, (E_a), felezési idő) a mért vagy következtetett egységműveleti idő–hőmérséklet profilokkal együtt a várható konverzió kiszámításához, miközben az állapotátmeneti küszöböket (Tg, olvadás kezdete, bomlás kezdete) olyan határvonalakként használja, amelyek megváltoztathatják a mechanizmusokat vagy növelhetik a sebességet.[4, 15]
Például az NRCl pszeudo-elsőrendű oldatfázisú modellje paraméterezhető az Arrhenius-aktiválási energiákkal (75.4–82.8 kJ·mol−1) és azzal a megfigyeléssel, hogy a 10 °C-os emelés megközelítőleg megduplázza a k_obs értékét, lehetővé téve a validált pufferkísérletek átültetését a gyártás során fellépő rövid termikus kilengésekre.[4]
A curcumin esetében a hőmérséklet-érzékenység paraméterezhető az (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 értékkel pH 8.0-nál, valamint a k_obs pH-tól való erős függésével, amelyek együttesen lehetővé teszik a veszteségek előrejelzését a vizes várakoztatási szakaszok vagy a melegített emulgeálási lépések során, ahol a lokális pH semleges-lúgos.[10]
A trans-resveratrol esetében a pH-vezérelt felezésiidő-összeomlás (több száz napról percekre, ahogy a pH nő) azt jelenti, hogy a feldolgozás során a stabilitási eredményeket inkább a mikrokörnyezeti pH uralhatja, mintsem az ömlesztett hőmérséklet; a pH 7.4-nél végzett Arrhenius-modellezés pedig használható a mérsékelt hőmérsékleti expozíciókhoz (E_a)=84.7 kJ·mol−1 mellett.[12]
6.2 QbD és tervezési tér
A Quality-by-Design (QbD) értelmezést olyan tanulmányok támasztják alá, amelyek explicit módon értékelik, hogyan módosítják a folyamatparaméterek és a formulációs mátrixok a degradációs mechanizmusokat, beleértve azokat a megállapításokat, miszerint a gyorsított vizsgálatok nem feltétlenül jelzik előre az eltarthatósági időt, ha nem-Arrhenius viselkedés vagy mátrixhatások lépnek fel.[7, 29]
A resveratrol tabletták esetében az a következtetés, miszerint az Arrhenius-megközelítések túlbecsülhetik a degradációt a gyorsított vizsgálatokban, arra sarkall, hogy a tervezési tereket mind a mechanisztikus megértés, mind a több hőmérsékleten mért adatok alapján határozzák meg, ne pedig egyetlen gyorsított körülmény alapján.[7, 29]
A porlasztva szárított flavonoid markerrendszerek esetében kifejezetten jelentették, hogy a segédanyagok befolyásolják a kinetikai rendet és a degradált frakcióig eltelt időt, jelezve, 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 degradációs termékek megzavarhatják az egyszerűbb spektroszkópiai vizsgálatokat, különösen a polifenolok esetében.[12]
A trans-resveratrol esetében a jelentések szerint a HPLC és UPLC specifitása beigazolódott, miközben az UV/VIS spektroszkópia hamisabb, magasabb trans-resveratrol koncentrációkat eredményezett olyan körülmények között, ahol az nem volt stabil (lúgos pH, fény, emelt hőmérséklet), hangsúlyozva a stabilitásjelző módszerek szükségességét a folyamatanalitikában (PAT).[12]
7. Mérséklő stratégiák
A bevont forrásokban szereplő mérséklő megközelítések hangsúlyozzák az ismert gyorsító tényezőknek (hő, oxigén, magas pH, UV) való kitettség korlátozását, valamint olyan formulációs architektúrák alkalmazását, amelyek csökkentik a molekuláris mobilitást, pajzsként védik az interfészeket, vagy a hatóanyagot kevésbé reaktív mikrokörnyezetbe helyezik.[10, 13, 17]
7.1 Enkapszuláció és diszperziók
A micelláris vagy részecskerendszerekbe történő enkapszuláció jelentősen stabilizálhatja a termolabilis vegyületeket azáltal, hogy korlátozza a vízzel, oxigénnel és reaktív részecskékkel való érintkezést, valamint megváltoztatja a kulcsfontosságú funkciós csoportok sav-bázis hozzáférhetőségét.[1, 10]
A curcumin esetében a micelláris szolubilizáció 0.6–0.9×10−3 h−1-re csökkenti a k_obs értékét, a felezési időt pedig 777–1100 h-ra növeli; ezt a stabilizációt a hidrofób micellamagban lévő hidroxil-deprotonáció megakadályozásának tulajdonítják, amit a degradáció első lépéseként írnak le.[10]
A Pickering-emulziók fizikai gátat biztosítanak: a jelentések szerint a határfelületen lévő sűrű fizikai gát gátolja a curcumin degradációját, és kvantitatíve a gátképző rendszer a tárolási felezési időt 13 napról 28 napra, az UV-felezési időt pedig ~13 óráról ~27 órára növeli.[1]
A cyclodextrin-alapú hordozórendszerek egy másik stratégiát jelentenek: a resveratrol–β-cyclodextrin klatrátok olyan termikus eseményeket mutatnak, mint a vízkibocsátás 50 °C közelében és a magasabb hőmérsékletű degradációs események, a kötési szabadenergiák (pl. −86 kJ·mol−1 MM/PBSA-val) pedig erős inklúziós kölcsönhatásokat számszerűsítenek.[25]
A resveratrol nanoszivacsos enkapszulációja megszünteti annak DSC olvadási endotermjét és fényvédelmet biztosít: a szabad resveratrol 59.7%-os degradációt mutat 15 percen belül UV-expozíció alatt, míg a resveratrol nanoszivacsok körülbelül kétszeres védelmet nyújtanak, összhangban azzal, hogy az enkapszuláció megakadályozza a közvetlen UV-expozíciót.[16]
Az amorf szilárd diszperziók mechanokémiai őrléssel alakíthatók ki; a fisetin és az Eudragit® észtercsoportjai közötti hidrogénkötést explicit módon azonosították, mechanisztikus alapot szolgáltatva az elegyíthetőséghez és a módosult Tg-hez, ami stabilizálhat a kioldódási viselkedés kristályosodásfüggő változásaival szemben.[15]
Segédanyag- és vivőanyag-választás
A segédanyag-választás megváltoztathatja a kinetikai mechanizmusokat és a stabilitási eredményeket, amint azt a porlasztva szárított növényi kivonat rendszerekben jelentették, ahol a reakciórend és a degradált frakcióig eltelt idő eltér a segédanyag-keverékektől függően, jelezve a segédanyag-függő degradációs kinetikát.[20]
A fehérje-társkomponensek hidrofób kölcsönhatások révén stabilizálhatják a flavonoidokat, csökkentve a fisetin és a quercetin k értékeit; ezen kölcsönhatások SDS általi megzavarása pedig alátámasztja azt az értelmezést, hogy a hidrofób kötődés kulcsfontosságú stabilizáló mechanizmus.[24]
Folyamatmérnöki kontrollok
A hőexpozíciót és az oxigénnel való érintkezést csökkentő folyamatszabályozást több adatkészlet is közvetlenül támogatja.[5, 18]
Az NRCl esetében a DSC/qNMR bizonyítékok azt mutatják, hogy az olvadáskezdeti tartomány (~120–130 °C) túllépése rendkívül gyors degradációt eredményezhet, alátámasztva a hőmérsékletre és a tartózkodási időre vonatkozó szigorú felső korlátokat a hevített szilárd fázisú műveletekben.[4]
Az NRH esetében a levegő és az N₂ alatti felezési idő közötti különbség 25 °C-on azt sugallja, hogy az inertizálás és az oxigén kizárása lényeges lehet; a szerzők jelentése szerint az N₂ védőgáz alatt, 4 °C-on tárolt minták 60 nap után nem mutatnak kimutatható degradációt, míg a levegőn, 4 °C-on tárolt minták ~10%-os degradációt mutatnak.[5]
A nagy nyírású homogenizálás esetében az a közvetlen megfigyelés, miszerint az rpm növelése növeli a kilépő hőmérsékletet, és az oxidációérzékeny ascorbic acid nagyobb veszteségével jár együtt, alátámasztja azokat a mérnöki intézkedéseket, amelyek korlátozzák a nyírás okozta felmelegedést (pl. hűtőköpenyek, rövidebb keverési idők, szakaszos adagolás).[13]
A porlasztva szárítás esetében az az állítás, miszerint az oxigén- és hőexpozíció csökkenti a (poli)fenolokat, és a magas hőmérséklet káros lehet a termolabilis fenolokra, alátámasztja az olyan döntéseket, mint a kilépő hőmérséklet csökkentése (ahol lehetséges) és az enkapszuláció alkalmazása az oxidáció- és hőérzékenység mérséklésére.[3]
Antioxidánsok és oxigénkezelés
Az antioxidáns- és oxigénkezelési stratégiákat mechanisztikusan alátámasztják a polifenol adatkészletek.[12, 22]
A quercetin esetében 90 °C-on az antioxidánsok, például a cisztein csökkentik a k értékét; 200 μmol·L−1 cisztein ~43%-os k-csökkenést eredményez a kontrollhoz képest, a mechanisztikus értelmezés pedig a quercetin quinone stabilizálását és a gyökfogó hatásokat veszi figyelembe.[22]
A trans-resveratrol esetében kifejezetten jelentették, hogy az oxigén elősegíti a degradációhoz vezető gyökös reakciókat, alátámasztva az inert feldolgozási légkört vagy az oxigéngátakat, ahol ez megvalósítható a lúgos/semleges vizes feldolgozás során.[12]
Liposzómális rendszerekben a resveratrolról jelentették, hogy korlátozza a stigmasterol oxidációját a szabad gyökök semlegesítésével, és beépül a lipid kettősrétegekbe, növelve a merevséget és csökkentve az oxigénnel és oxidálószerekkel szembeni permeabilitást, ezáltal fokozva a rendszer termikus és oxidatív stabilitását.[35]
Diszkusszió
Az itt szintetizált bizonyítékbázis mentén a legerősebb kvantitatív mintázat az, hogy a kémiai mikrokörnyezet (pH, oxigén, víz jelenléte) még mérsékelt hőmérsékleten is dominálhatja a stabilitási eredményeket, és hogy több bioaktív anyag éles stabilitási diszkontinuitást mutat specifikus termikus átmeneti küszöböknél.[4, 5, 12]
A NAD⁺ prekurzorok esetében az NRCl adatkészlet kettős rezsimet emel ki: vizes oldatban a pszeudo-elsőrendű hidrolízis Arrhenius-aktiválási energiákkal és 10 °C-onként körülbelül kétszeres sebességnövekedéssel modellezhető, míg szilárd állapotban egy szűk, 120–130 °C körüli tartomány felel meg az olvadásnak, amelyet azonnal gyors bomlás követ.[4]
A resveratrol esetében a fő folyamatkockázat a pH-érzékenységből adódik: a felezési idő a savas pH melletti hosszú időtartamokról percekre omlik össze magas pH-nál, miközben az oxigén elősegíti a gyökös reakciókat, ami jelzi, hogy az oxigénátadást és a lokális lúgosságot növelő nagy nyírású műveletek aránytalanul károsak lehetnek még mérsékelt ömlesztett hőmérséklet mellett is.[12]
A flavonoidok esetében a quinone köztestermékeken keresztüli oxidáció és a pH-függő deprotonációs mechanizmusok (quercetin) kombinálódnak a magas hőmérsékletű oxidációval és a gyökös lánckapcsolódással (pl. oxigén plusz cholesterol), ami arra utal, hogy a lipidtartalmú készítmények és az oxigénexpozíció erősen felerősítheti az oxidatív veszteségi útvonalakat.[22, 26]
A curcumin esetében mechanisztikus feszültség feszül a hidrolízis-vezérelt leírások (egyes GI-puffer munkákban) és az autoxidáció-vezérelt leírások (a micella-központú munkákban) között, de mindkettő egyetért az erős pH-hatásban, valamint a hidrofób mikrokörnyezet és az oxigénkorlátozás védő szerepében.[11, 32]
Az egységműveletek szintjén a nagy nyírású folyamatok elsősorban közvetett gyorsítóként hathatnak a hőtermelés és az oxidatív hajlam növelése révén; ezt közvetlenül bizonyítja a nagy nyírású homogenizálás, ahol a forgási sebesség növeli a kilépő hőmérsékletet és egybeesik az ascorbic acid oxidatív veszteségével.[13]
A HPH/UHPH további összetettséget visz be, mivel a szeleptartomány extrém nyírást, kavitációt és turbulenciát okoz, és magas lokális hőmérsékleteket generálhat, bár a tartózkodási idő nagyon rövid lehet (pl. <0.2 s az UHPH leírásokban), ami azt jelenti, hogy a kémiai eredmények attól függhetnek, hogy a degradációt gyors gyökös folyamatok, diffúzió-korlátozott lépések vagy lassabb termikus aktiválási lépések vezérlik.[14, 34]
Végül több forrás kiemeli, hogy a stabilitásmodellezést mechanisztikusan validálni kell a releváns mátrixban: a resveratrol tabletta adatai nem-Arrhenius viselkedést és mátrixhatásokat mutatnak, amelyek korlátozzák az általános Arrhenius-extrapolációt a gyorsított vizsgálatokból, a porlasztva szárított növényi kivonat markerek pedig segédanyag-függő kinetikai rendet és degradált frakció-időket mutatnak.[7, 20]
Következtetések
A kvantitatív termodinamikai átmeneti markerek (DSC/TGA) és a degradációs kinetika (k, t_(1/2), (E_a), konverziófüggő aktiválási energiák) folyamatreleváns alapot szolgáltatnak olyan gyártási körülmények megtervezéséhez, amelyek megőrzik a termolabilis hosszú élettartamú vegyületek és kapcsolódó bioaktív anyagok hatóerejét.[4, 8, 9]
A NAD⁺ prekurzorok esetében az NRCl szűk termikus feldolgozási ablakot mutat az olvadás közelében, amelyet gyors bomlás követ, míg a vizes kinetika pH-függő pszeudo-elsőrendű viselkedést mutat 75–83 kJ·mol−1 aktiválási energiákkal, amelyek paraméterezhetik a hőexpozíciós modelleket.[4]
A resveratrol esetében a pH és az oxigén a domináns változók; a felezési idő a savas pH melletti több száz napról percekre omlik össze magas pH-nál, a formulációs mátrixok pedig nem-Arrhenius viselkedést eredményezhetnek, ami megnehezíti a gyorsított vizsgálatokból származó extrapolációt.[7, 12]
A flavonoidok és curcuminoids esetében az oxidációs útvonalak (quinone köztestermékek a quercetin-nél; autoxidáció a curcumin-nál) oxigénkontrollt és hidrofób enkapszulációs stratégiákat indokolnak, amelyekről kvantitatíve kimutatták, hogy a micelláris rendszerekben nagyságrendekkel, a nagy nyírású keveréssel előállított Pickering-emulziókban pedig érdemben meghosszabbítják a felezési időt.[1, 10, 22, 32]
A nagy nyírású egységműveletek esetében a rendelkezésre álló bizonyítékok azt mutatják, hogy a nyírás növelheti a hőmérsékletet és elősegítheti az oxidációt (nagy nyírású keverés), és hogy a szelep-alapú nagynyomású folyamatok extrém nyírást és kavitációt generálnak, ahol a nyomás, az áthaladási szám és a belépő hőmérséklet a kulcsfontosságú stresszváltozók; ezek a felismerések támogatják az idő–hőmérséklet–nyírás térképezés és a stabilitásjelző analitikát alkalmazó PAT bevezetését.[12–14]
Összeférhetetlenség
A szerzők kijelentik, hogy nem áll fenn összeférhetetlenség.[20]
