Absztrakt
A termolabilis, hosszú élettartammal összefüggő vegyületek és polifenolos bioaktív anyagok a gyártás során (pl. nagy nyíróerejű keverés, nagynyomású homogenizálás és porlasztva szárítás) gyakran együttes termikus, oxidatív, pH- és mechanikai stresszhatásnak van kitéve, ami felgyorsíthatja a kémiai lebomlást és csökkentheti a leadott hatóanyag-mennyiséget. Ezért mennyiségi, 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 az alábbiakból kinyert mennyiségi bizonyítékokra összpontosítanak: (i) DSC/TGA által kimutatott termodinamikai/termikus átmenetek (olvadás, bomlási kiindulási pont, üvegesedési átmenetek és lépcsőzetes tömegvesztési viselkedés) és (ii) lebomlási kinetika (pszeudo-elsőrendű/elsőrendű modellek, Arrhenius-féle aktiválási energiák, pH-függőségek és a frakció lebomlási idejének mértékei) NAD⁺-prekurzorok (NR/NRH/NMN), stilbenoidok (resveratrol-rokon rendszerek), flavonoidok (kvercetin, fizetin, rutin/észterek) és kurkuminoidok esetén.[4–11]
Az eredmények azt mutatják, hogy számos reprezentatív hosszú élettartamú vegyület szűk termikus feldolgozási ablakkal rendelkezik specifikus fizikai állapotaiban. A nikotinamid-ribozid-klorid (NRCl) 120,7 ± 0,3 °C-on mutatja az olvadás kiindulási pontját, gyors olvadás utáni bomlással (pl. 98%-os lebomlás 130 °C-on qNMR szerint), míg a vizes közegű lebomlás pszeudo-elsőrendű kinetikát követ 75,4–82,8 kJ·mol⁻¹ aktiválási energiával a pH-tól függően.[4]
A transz-rezveratrol esetében a lebomlási kinetika erősen pH- és hőmérsékletfüggő (pl. a felezési idő pH 1,2 esetén 329 napról pH 10 esetén 3,3 percre csökken), és a gyorsított tesztek extrapolációja nem-Arrhenius-jellegű lehet a tablettamátrixokban.[7, 12]
A nagy nyíróerejű egységműveletek helyi felmelegedést és oxidatív környezetet idézhetnek elő, amint azt a nagynyomású homogenizálással a forgási sebességgel növekvő és a 20 000 rpm fordulatszámon bekövetkező 42,6%-os aszkorbinsav-veszteséggel egybeeső kilépő hőmérséklet, valamint a szeleppel történő nyírási, kavitációs és turbulenciamechanizmusokat magában foglaló, >100 MPa nyomású nagynyomású homogenizálási mechanizmusok mutatják.[13, 14]
A következtetések hangsúlyozzák a termodinamikai átmeneti adatok (DSC/TGA/Tg) kinetikai modellekkel (Arrhenius-, nem-Arrhenius- és izokonverziós módszerek) való integrálását idő–hőmérséklet–nyírás térképek előállítása és a csökkentési stratégiák – beleértve a besokasítást, az amorf szilárd diszperziókat, a ciklodextrin-/nanoszivacsrendszereket, az oxigénszabályozást és a nyírás-/hőmérséklet-minimalizálást – racionális kiválasztása céljából.[15–18]
Kulcsszavak: termolabilis bioaktív anyagok; lebomlási kinetika; Arrhenius; DSC; TGA; nagynyomású homogenizálás; porlasztva szárítás; NAD⁺-prekurzorok
1. Bevezetés
A hosszú élettartammal összefüggő vegyületeket egyre gyakrabban formulázzák táplálékkiegészítőkként, funkcionális élelmiszerekként és fejlett felszabadulási rendszerekként, ami olyan gyártási útvonalakat ösztönöz, amelyek a hatóanyagokat kombinált stresszhatásoknak – beleértve a melegítést, az oxigénnel való érintkezést, a vízs aktivitást, a pH-kilengéseket és az intenzív mechanikai energia bevitelt – teszik ki.[3, 5, 14, 19]
A NAD⁺-prekurzor kémiai rendszerek esetében a vizes és szilárd fázisú stabilitás kulcsfontosságú, mivel a reaktivitás a glikozidos vagy foszfát-kapcsolatú motívumok hidrolízisén keresztül következhet be, és mivel a feldolgozási hőmérséklet átlépheti azokat a szilárd fázisú átmeneti küszöböket, amelyek megelőzik a gyors bomlást.[4, 6]
A polifenolok és a kapcsolódó botanikai hatóanyagok esetében a stabilitási korlátok magukban foglalják az autooxidációt, az epimerizációt és a kinonokká történő enzimatikus oxidációt, amelyek érzékenyek a hőmérsékletre, a pH-ra, a fémionokra és a feldolgozás során fennálló oxigén-elérhetőségre.[17]
Gakorlati következmény, hogy a gyártási tervezés nem támaszkodhat kizárólag a névleges tömeghőmérsékletre; ehelyett integrálnia kell (i) az olyan termodinamikai mutatókat, mint az üvegesedési átmenet, az olvadás és a bomlás kiindulási pontja, valamint (ii) a kinetikai modelleket, amelyek rögzítik a lebomlás függését az időtől, a hőmérséklettől, a pH-tól, az oxigéntől és (ahol mérhető) a mechanikai energia beviteltől.[4, 9, 10, 14, 15]
Ez a cikk összefoglalja a reprezentatív hosszú élettartamú vegyületekre és a kapcsolódó bioaktív anyagokra vonatkozó mennyiségi bizonyítékokat, amelyek tekintetében 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 készítmény nagyobb molekuláris mozgékonyságú, és ezáltal 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 folyamatokra vagy a termikus pusztulásra vonatkozóan, ami a megvalósíthatóság termodinamikai mértékét biztosítja specifikus feltételek mellett.[8, 19]
NR-borát esetében a lebomlás spontaneitását Gibbs-féle szabadenergia-számítással értékelték, a jelentett ΔG értéke 2,43 kcal·mol⁻¹ volt.[19]
Rutin és zsírsav-rutin-észterek pirolitikus körülmények közötti vizsgálatakor a ΔG-értékek pozitívak voltak (84–245 kJ·mol⁻¹) a pozitív ΔH-val (60–242 kJ·mol⁻¹) együtt, ami endoterm és nem spontán pirolízisprofilt jelez a jelentett elemzésben.[8]
A kinetikai formalizmus szempontjából számos forrás alkalmaz átmeneti állapotú és szabadenergia-összefüggéseket is, például az átmeneti állapot elméletét használva a hidrolízis aktiválásának értelmezésére egy kurkumin-spiroborát komplex rendszerben.[21]
2.2 Üvegesedési átmenet, olvadás és bomlás kiindulási pontja
A DSC és a TGA a folyamat kockázatának kiegészítő markereit biztosítja: az olvadási vagy lágyulási események élesen növelhetik a diffúziót és lehetővé tehetik a gyors kémiai átalakulást, és a TGA tömegvesztési kiindulási pontja jelölheti a visszafordíthatatlan bomlás kezdetét még a látszólagos szilárd állapotban is.[4, 9, 15]
Az NRCl esetében a DSC 120,7 ± 0,3 °C-on olvadási kiindulási pontot és 125,2 ± 0,2 °C-on olvadási csúcsot mutat, amelyet azonnali, éles, 130,8 ± 0,3 °C-on tetőző exoterm esemény követ.[4]
A DSC eseménysorozatával összhangban a qNMR-kvantálás korlátozott lebomlást 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; csupán 0,45% NR maradt 140 °C-on).[4]
Az NMN esetében az egyik forrás arról számol be, hogy a vegyület bomlik ahelyett, hogy világos olvadási átmenetet mutatna, a bomlás 160 °C-on kezdődik és 165 °C-ra fejeződik be, valamint 162 °C-on endoterm DSC-csúcs jelentkezik 184 kJ·mol⁻¹ bomlási entalpiával.[6]
A kvercetin esetében a kombinált DSC/TGA értelmezés azt jelzi, hogy egy intenzív DSC endoterm jelenséget (amelynek maximuma 303 °C-on van) gyakran tévesen olvadásnak tulajdonítanak, miközben a TGA azt jelzi, hogy a bomlás 230 °C-on indul meg, és az endoterm csúcs átfedésben van a folyamatos tömegvesztéssel; a 303 °C-os csúcsra jelentett „olvadáshő” 69–75 kJ·mol⁻¹.[9]
A fizetin esetében a TGA enyhe, a kristályos mintából történő vízpárolgásnak tulajdonított tömegvesztést (~5%) és egy jelentős, a molekula bomlásának tulajdonított tömegvesztési eseményt (~30,6%) mutat 369,6 °C-on.[15]
Inert nitrogén alatt lévő 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) egy 347 °C-os DTGA-csúccsal, és 600 °C-on 37%-os maradék marad vissza (10 °C·min⁻¹ sebességnél).[18]
2.3 Amorf és kristályos stabilitás
Az amorf készítmények javíthatják az oldhatóságot és a biohasznosulást, de a kristályos formákhoz képest a molekuláris mozgékonyság növelésével megváltoztathatják a termikus viselkedést és a stabilitást, 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 Tg összetételbeli eltolódásait mutatják, amelyek összhangban vannak a elegyedéssel: a nyers Eudragit® L100/EPO Tg-értéke 147,1/55,4 °C, míg a fizetin ASD-k olyan Tg-értékeket mutatnak, mint 144.2/71.8 °C és 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 endotermája (266,49 °C) eltűnik a nanoszivacs-készítményekben, amit a szerzők a hatóanyag-molekulák nanoszivacs-mátrixon belüli tokozásának és lehetséges amorfizálódásának tulajdonítanak.[16]
A kvercetin esetében feltételezik, hogy a hidrogénkötés mind az olvadásszerű lágyulás visszaszorításához, mind pedig a kötések gyengülésén keresztüli bomlás elősegítéséhez hozzájárul, és a kombinált DSC/TGA értelmezés arra a következtetésre jut, hogy a kvercetin nem csupán megolvad, hanem egymást átfedő bomláson és szerkezeti relaxáción/lágyuláson megy keresztül a 150–350 °C tartományban.[9]
3. Lebomlási kinetikai modellek és paraméterek
A mellékelt források számos kinetikai modellt (elsőrendű, pszeudo-elsőrendű, magasabb rendű vagy szigmoid formák) és hőmérsékletfüggőségi kezelést (Arrhenius-féle és bizonyos esetekben nem-Arrhenius-jellegű viselkedés) használnak, amelyeket gyakran a pH-függőség és az összetett, többútvonalas lebomlás motivál.[4, 7, 22]
3.1 Reakciórendszeri modellek
Az oldatfázisú lebomlás széles körben alkalmazott alapegysége az integrált elsőrendű modell, amely több mellékelt tanulmányban is megjelenik a koncentráció–idő adatok elsődleges illesztéseként ellenőrzött pH és hőmérséklet mellett.[4, 11, 12]
Pufferelt vizes oldatokban lévő NRCl esetében a lebomlást pszeudo-elsőrendűként írják le, és ezt a pszeudo-elsőrendű formát azzal indokolják, hogy a pufferrendszerek az OH⁻/H₃O⁺-koncentrációt nagy feleslegben és megközelítőleg állandó értéken tartják az NR-koncentrációhoz képest.[4, 23]
Foszzfátpufferben lévő fizetin és kvercetin esetében a jelentett eredményeket elsőrendű lebomlási sebességi állandókként k (h⁻¹) mutatják be, amelyek a pH és a hőmérséklet növekedésével erősen nőnek.[24]
A semlegeshez közeli pH-n (6,5–7,5) 90 °C-on lévő kvercetin esetében szigmoid modellt alkalmaztak, amelyet összehasonlítottak az elsőrendű modellel; a szigmoid modell 2,3–2,5-szer magasabb k-értékeket adott az elsőrendű illesztésekhez képest, valamint eltérő felezési idő értelmezést eredményezett pH 7,5-nél.[22]
Porlasztva szárított növényi kivonat markerek esetében a segédanyagrendszerektől függően eltérő látszólagos reakciórendeket jelentettek, beleértve a kaempferol nulladrendű és másodrendű modelljeit (segédanyag-binárisokon keresztül) és a kvercetin segédanyagokon átívelő másodrendű modelljét.[20]
3.2 Arrhenius- és Eyring-kezelések
A hőmérsékletfüggőséget gyakran Arrhenius-típusú kifejezésekkel modellezik, és több forrás kifejezetten kiszámítja az aktiválási energiákat az eltarthatósági időre vonatkozó előrejelzések és a folyamat termikus terhelésének paraméterezéséhez.[4, 10, 12]
Vizes oldatban történő NRCl-lebomlás esetén az Arrhenius-féle aktiválási energiák 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 kerülnek jelentésre.[4]
pH 7,4-es transz-rezveratrol esetén az Arrhenius-elemzést log(kobs)=14,063−4425(1/T) (r = 0,97) formában jelentik, a számított aktiválási energia 84,7 kJ·mol⁻¹.[12]
pH 8,0-es puffer/metanol keverékben lévő kurkumin esetében a 37–60 °C közötti Arrhenius-elemzés Ea=79,6±2,2 kJ·mol⁻¹ értéket ad.[10]
Gastrointestinális szempontból releváns vizes közegekben lévő kurkumin esetében az Arrhenius-görbék nagy linearitást mutatnak 37–80 °C között (az r²-értékek különböző közegekre 0,9967, 0,9994, 0,9886), a jelentett aktiválási energiák 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 szintén megjelenik egy kurkumin-spiroborát-észter (CBS) hidrolitikus bomlási vizsgálatában, ahol az Eyring-görbéről kiderül, hogy 0,9988-as korrelációjú lineáris kapcsolatot mutat.[21]
3.3 Izokonverziós és modelltől független módszerek
Számos termikus bomlási tanulmány alkalmaz izokonverziós módszereket (pl. KAS, FWO, Friedman) a konverziófüggő aktiválási 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 lebomlás összetett, többlépcsős folyamaton keresztül megy végbe.[8]
A rezveratrol–β-ciklodextrin klatrátok esetében az aktivációs energia növekszik az átalakulási fokkal; a jelentett növekedés 110 és 130 kJ·mol⁻¹ között mozog (OFW-módszer), illetve 120 és 170 kJ·mol⁻¹ között (Friedman-módszer), ami a bomlás előrehaladtával a reakciómechanizmus megváltozására utal.[25]
Nitrogén atmoszférában vizsgált kurkumin tartalmú polimer rendszerek esetében a többféle megközelítéssel (Kissinger, KAS, Friedman és modellillesztés) meghatározott aktivációs energiák nagyságrendje széles körben konzisztens (pl. Kissinger szerint 71 ± 5 kJ·mol⁻¹; KAS szerint 77 ± 2; Friedman szerint 84 ± 3), és a modellválasztás F1 kinetikus motort jelez 73–91 kJ·mol⁻¹ tartománybeli energiákkal.[18]
3.4 Csatolt termomechanikai és oxidatív lebomlás
A nagy nyírófeszültségű gyártási műveletek képesek összekapcsolni a mechanikai energiadisszipációt a helyi felmelegedéssel és a fokozott oxigénmassza-áradással, ezáltal erősítve az oxidáció vezérelte útvonalakat az oxigénérzékeny bioaktív anyagokban.[13, 14, 17]
Egy italrendszer nagy nyírófeszültségű homogenizálása során a kimeneti hőmérséklet markánsan emelkedik a fordulatszámmal (pl. 4,1 ± 0,7 °C-ról 0 rpm-en 41 ± 1.2 °C-ra 20 000 rpm-en), és a legmagasabb fordulatszámon az aszkorbinsav 42,6%-kal csökken, ami összhangban van azzal, hogy a lebomlást a magas hőmérséklet és az oxidáció segíti elő.[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 becsapódás, amelyek együttesen intenzív mechanikai és potenciálisan oxidatív stresszt hoznak létre.[14]
Az oxidatív kapcsolódás a kvercetin termikus oxidációs kísérleteiben is megfigyelhető: 150 °C-on a kvercetin lebomlása gyorsabban megy végbe oxigénben, mint nitrogénben (sebességi állandók 0,868 h⁻¹ vs 0,253 h⁻¹), és erősen felgyorsul koleszterin és oxigén jelenlétében (sebességi állandó 7,17 h⁻¹), ami összhangban van a koleszterin-hidroperoxid-képződés és a kvercetin-lebomlás közötti gyökös láncreakció-kapcsolódással.[26]
Az NRH esetében az oxigén és a hőmérséklet erős szabályozó hatást fejt ki: 25 °C-on, ioncserélt vízben a jelentett lebomlási sebesség levegőn 1,27×10⁻⁷ s⁻¹ (felezési idő 63 nap), míg N₂ alatt 5,90×10⁻⁸ s⁻¹ (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 hidrolízissel szembeni érzékenység, valamint 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 pszeudo-elsőrendű lebomlási kinetikát mutat vizes oldatokban, és a pH-val változó aktivációs energiákkal rendelkezik (75,4–82,8 kJ·mol⁻¹), ami kvantitatívan kódolja a domináns hidrolízisútvonal hőmérséklet-érzékenységét és pH-függését is.[4]
Mechanisztikus alapként a báziskatalizált hidrolízist javasolják, amelyben az NR csökken, míg a nikotinamid (Nam) és a cukor feldúsul, és mólarány-bizonyítékokat mutatnak be arra vonatkozóan, hogy minden elbomlott NR-molekulára egy molekula Nam és egy molekula cukor képződik.[4]
Szimulált gyomor-bél traktus (GI) folyadékokban, fiziológiás hőmérsékleten és keverés mellett (USP II lapátos keverő 75 rpm-mel és 37 °C-on), az NRCl viszonylag korlátozott rövid távú veszteséget mutat (pl. ~97–99% marad 2 óra után a gyomorközegben), de mérhető hosszabb távú csökkenést mutat egy 24 órás szimulációban (79,18 ± 2,68% marad 24 óra után, és 90,51 ± 0,82% marad 8 óra után).[4]
Szilárd fázisban az NRCl szűk hőmérsékleti tartományt mutat az olvadási kezdet és a gyors bomlás között: a DSC 120,7 ± 0,3 °C-on jelzi az olvadás kezdetét és az azt követő exoterm eseményt ~130,8 °C-on, míg a qNMR a lebomlás meredek emelkedését számszerűsíti 2%-ról (115 °C-on) 98%-ra (130 °C-on).[4]
Az egyik forrás kifejezetten úgy fogalmazza meg ezeket az adatokat, mint amelyek „kifejezett felső hőmérsékleti határt biztosítanak az NRCl feldolgozásához”, ami befolyásolhatja a kiegészítők előállítását a különböző szakaszokban, kiemelve a DSC/qNMR küszöbértékek relevanciáját, mint szigorú korlátokat a fűtött műveletek során.[4]
Az NR-borát olyan stabilizációs stratégiát vezet be, amelyet az NR reakcióképessége motivál: az NR-ről leírják, hogy különösen instabil glikozidkötéssel rendelkezik, amely egy pozitív töltésű piridinium heterociklust kapcsol egy szénhidráthoz, ami megnehezíti a szintézisét, tárolását és szállítását, és a borátstabilizációról leírják, hogy magas stabilitással rendelkezik a termikus és kémiai lebomlással 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 értékű Gibbs-féle szabadenergiát jelent az NR-borát lebomlására vonatkozóan, és megjegyzi, hogy 10 °C-os hőmérséklet-emelkedés megközelítőleg megkétszerezi a lebomlási sebességet bármely pH-feltétel mellett, visszhangozva az NRCl esetében megfigyelt hőmérséklet-érzékenységet.[4, 19]
Az NRH kifejezett érzékenységet mutat a pH-ra és az oxigénre: pH 5-ön kevesebb mint egy nap alatti teljes lebomlást jelentenek, míg pH 9-en a minták ~42–45%-os lebomlást mutatnak 60 nap után, és 25 °C-on, ioncserélt vízben, levegőn ~50%-os lebomlást jelentenek 60 nap után a 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 instabil molekulaként írják le N-glikozidkötése miatt, amely képes a lebomlásra, a hidrolízisre és az oxidációra.[5]
Az NMN esetében a kvantitatív szilárdtest-termodinamikai markerek közé tartozik a jelentett bomlás, amely 160 °C-on kezdődik és 165 °C-ra fejeződik be (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 mutatnak 40 °C-on és 75% relatív páratartalom mellett.[6]
Vizes oldatban az NMN lebomlását szobahőmérsékleten látszólagos elsőrendűnek jelentik 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 az egyik termékközpontú forrás 45 °C alatti beépítést javasol a foszfodiészter-kötés termikus lebomlásának megakadályozása érdekében, és kevesebb mint 5%-os lebomlást jelent a 40 °C-on / 75% relatív páratartalom mellett végzett gyorsított vizsgálatokban 3 hónap alatt a megfelelően formulázott, alacsony víztartalmú rendszerek esetében.[28]
Az elsődleges NMN-lebomlási útvonalat a foszfodiészter-kötés nikotinamidot és ribóz-5-foszfátot eredményező hidrolíziseként írják le, a pH-függőségeket pedig sav-katalizált hidrolízisként pH 4,5 alatt és bázis-közvetítetthasadásként pH 7,5 felett adják meg.[28]
4.2 Stilbenoidok
A stilbenoidok közé tartozik a rezveratrol és a kapcsolódó vegyületek, amelyek erős pH- és oxigénfüggő lebomlást mutatnak, és stabilitásuk a valós készítményekben eltérhet az egyszerű Arrhenius-extrapolációtól a mátrixhatások és a többféle útvonal miatt.[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-nél) 3,3 percre csökken pH 10-nél.[12]
pH 7,4-nél 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 felhozzák, hogy savas pH-n a hidroxilcsoportokat a pozitív töltésű H₃O⁺ védi a gyökös oxidációtól, míg lúgos körülmények között a fenolát-ionok növelik az oxidációra való hajlamot és a fenoxigyök-képződést, és a közegben lévő oxigén elősegíti a lebomláshoz vezető gyökös reakciókat.[12]
Független termikus stabilitási kísérumek vizes oldatban (19 mg·L−1) nem mutatnak szignifikáns spektrális változást 30 perc után 70 °C-ig, míg a magasabb hőmérséklet az elnyelés általános csökkenéséhez vezet 304 nm-en és csökkent elnyeléshez a 270–350 nm tartományban, ami hidromotív körülmények közötti termikusan indukált pusztulást jelez.[30]
Ezen hidromotív kísérumek mechanisztikus értelmezése a kettős kötés oxidatív hasadását és fenoltartalmú lebomlási termékek, például hidroxialdehidek, alkoholok és hidroxisavak képződését javasolja, és az FTIR-sávokat úgy értelmezik, mint amelyek összhangban vannak az aldehid- és karbonsavképződéssel 100–120 °C-on.[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 kapcsolat nemlineáris, és szuper-Arrhenius-típusúként van besorolva, a szerzők pedig lehetséges másodlagos reakciókat, többszörös reakcióútvonalakat vagy mátrixhatásokat javasolnak magasabb hőmérsékleten.[7]
Ugyanez a munka hangsúlyozza, hogy az Arrhenius-extrapoláció nem mindig teszi lehetővé a rezveratrol lebomlási kinetikájának meghatározását a kiegészítőkben, és a gyorsított vizsgálatok helytelen becslésekhez vezethetnek, beleértve a lebomlás túlbecslését is.[7]
Száraz rendszerekben a stilbénszerű fenolok esetében a termikus kezelések, például a 121 °C-on 20 percig végzett gőzsterilizálás mérhető veszteségeket eredményeznek (pl. a pinoszilvin 20,98%-kal csökkent a csúcsterület alapján), és a 105 °C-on végzett 24 órás szárítószekrényes szárítás >50%-os csökkenést eredményez a csúcsterületben több fenol esetében, míg a TGA ~200 °C feletti bomlási kezdeti hőmérsékletet jelez a pinoszilvin rendszerekben.[31]
4.3 Flavonoidok
A flavonoidok többféle útvonalon ható lebomlási érzékenységet mutatnak, amelyet a pH, a hőmérséklet, az oxigén és a formulázási kölcsönhatások, például a fehérjekötődés befolyásolnak, és hőmérsékleti viselkedésük a DSC/TGA-ban átfedő bomlást és lágyulást foglalhat magában az egyszerű olvadás helyett.[9, 22, 24]
Pufferelt oldatokban a közeg pH-jának 6,0-ról 7,5-re történő növelése 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 hőmérséklet 37 °C fölé emelése jelentősen növeli a k értéket (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 lebomlást: fehérje hozzáadásával a mért k értékek csökkennek, ideértve a fizetin k értékének 3,58×10−2-ről akár 1,76×10−2 h−1-re történő csökkenését, valamint a kvercetin k értékének 7,99×10−2-ről akár 3,80×10−2 h−1-re történő csökkenését.[24]
Mechanisztikusan a flavonoidok kémiai instabilitását a hidroxilcsoportoknak és az instabil piron szerkezetnek tulajdonítják, a fehérjék általi stabilizációt pedig elsősorban a hidrofób kölcsönhatásoknak (az SDS megszakítja a stabilizációt), míg a hidrogénkötéses hozzájárulásokat úgy emelik ki, mint amelyek jövőbeni kvantitatív vizsgálatokat igényelnek.[24]
A kvercetin esetében 90 °C-on, a semlegeshez közel, a lebomlási kinetika erős pH-hatásokat mutat: a k megközelítőleg ötszörösére nő pH 6,5-ről 7,5-re, és oxidációs köztes termékek, például kvercetin-kinon mutathatók ki, a tipikus végtermékek közé pedig a protokatekusav (PCA) és a floroglucin-karbonsav (PGCA) tartozik.[22]
A mechanisztikus leírás a 370 nm-nél megfigyelhető első mérhető veszteséget a kvercetin kinonná történő átalakulásának tulajdonítja, és feltételezi, hogy a kinonváz hasadása korlátozott abszorpciójú, egyszerűbb fenolos vegyületeket eredményez, míg az lúgos deprotonálás felgyorsítja a C-gyűrűt és a B-gyűrűt érintő o-difenol szerkezet oxidációját.[22]
Magas hőmérsékletű rendszerekben (150 °C) a kvercetin lebomlása és oxidációja gyorsan végbemegy; a jelentett sebességi állandók nitrogénben 0,253 h−1, oxigénben 0,868 h−1, míg oxigén és koleszterin jelenlétében erős gyorsulást (7,17 h−1) mutatnak; kísérletileg a kvercetinveszteség 10 perc alatt 7,9%-ról (N₂) 20,4%-ra (O₂) nő, míg koleszterin és oxigén jelenlétében 10 perc elteltével a kvercetin megmaradó mennyisége 10,9%-ra csökken.[26]
A termikus elemzés emellett azt mutatja, hogy a kvercetin a 90–135 °C-os tartományban egy kis endoterm csúcsot mutat, amely kis tömegveszteséggel (0,86 ± 0,33 tömeg%) jár együtt, a bomlás 230 °C-on indul meg, és egy kifejezett DSC endoterm csúcs 303 °C-on átfedést mutat a bomlással; a hidrogénkötések a feltételezések szerint egyaránt korlátozzák az olvadásszerű viselkedést és elősegítik a bomlást a kémiai kötések gyengítésével.[9]
A rutin (egy kvercetinglikozid) és zsírsavészterei esetében a TGA azt mutatja, hogy a rutin 240 °C-ig termikusan stabil, míg az észterek alacsonyabb kezdeti bomlási hőmérsékletet (217–220 °C) és nagyobb tömegveszteséget mutatnak egy fő szakaszban, és az aktiválási energiák a konverziós fok függvényében 65 és 246 kJ·mol−1 között változnak.[8]
4.4 Kurkuminoidok
A kurkumin lebomlása szigorúan pH-függő, és számos vizes közegben oxidatív útvonalakat foglal magában, míg a termikus bomlás és a formulációs kölcsönhatások eltolhatják a bomlási kezdeteket és a látszólagos kinetikai paramétereket.[10, 18, 32]
Puffer/metanol keverékekben 37 °C-on a kurkumin lebomlása a jelentések szerint elsőrendű kinetikát követ, ahol a k_obs értéke a pH növekedésével drasztikusan nő (pl. 3,2×10−3 h−1 pH 7,0-nél, szemben a 693×10−3 h−1 értékkel pH 12,0-nél), miközben pH 5.0-nél a kurkumin a leírt kísérletekben stabil marad.[10]
pH 8,0-nél az Arhenius-analízis eredménye (E_a)=79,6±2,2 kJ·mol−1, és a vizes pufferre történő extrapoláció oxidatív körülmények között gyors veszteséget jelez (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2,5 h).[10, 32]
A micellás nanoformulációk drasztikusan lelassítják a lebomlést: 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 idővel, amelyek a vizes pufferben lévő szabad kurkuminhoz képest ~300–500-szor magasabbnak bizonyultak.[10]
Mechanisztikus szempontból a hivatkozott munka azt állítja, hogy a kurkumin lebomlása nem hidrolitikus lánchasadáson keresztül megy végbe, hanem oxidáció révén, amelynek végtermékeként biciklopentadion keletkezik; 1 mol kurkumin lebomlása 1 mol O₂ fogyasztásával jár együtt, és a első lépés a hidroxilcsoportok deprotonálása 7,0 feletti pH-n.[10]
Egy különálló, gyomor-bél traktus szempontjából releváns stabilitási vizsgálat nagy linearitású (r² > 0,95) látszólagos elsőrendű kinetikát mutat ki, és megadja a közeggel változó aktiválási energiákat (kcal·mol−1-ben, magasabb pH 7,4-nél, mint 0,1 N sósavban), valamint arról számol be, hogy 37 °C-on 12 óra elteltével a kurkumin több mint 80%-a megmaradt 0,1 N sósavban, de csak 57%-a, illetve 47%-a maradt meg a 6,8-as, illetve 7,4-es pH-jú foszfátpufferben.[11]
Magas hőmérsékleten (180 °C) a pörkölési kísérletek rendkívüli termolabilitást mutatnak: 5 perc elteltével a kiindulási kurkumin csupán 30%-a marad meg, és a mechanisztikus értelmezés az oxidatív hasadást a ferulinsav köztes termékhez, valamint a levegőnek való kitettség és a magasabb hőmérséklet által felgyorsított 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 bomlási maximumát (pl. a tiszta keverék 372 °C-os értékéről 327 °C-ra 5% kurkumin tartalom esetén), ami azt jelenti, hogy a kurkumin beépítése csökkentheti a mátrix termikus stabilitását.[18]
Ugyanez a polimerekre fókuszáló tanulmány 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 kurkumin nagy nyíróerejű emulgeálás melletti stabilizációját Pickering emulziókban is számszerűsítették, amelyeket nagy nyíróerejű keverővel készítettek 22 000 rpm fordulatszámon 2 percig: a sötétben, 20 °C-on történő tárolás azt mutatja, hogy egy nem enkapszulált kurkumin-olaj keverékben a kurkumin megközelítőleg fele lebomlik 6 nap után, és csupán 20%-a marad meg 16 nap elteltével, míg a Pickering emulziós rendszer a kurkumin ~50%-át tartja vissza 16 nap után, és a felezési időt 13 napról 28 napra növeli.[1]
UV-sugárzásnak (6 W, 365 nm) kitéve ugyanez a rendszer az olajkeverék esetében ~50%-os lebomlást mutat 9 óra elteltével, és csupán 20%-os maradékot 24 óra után, míg a Pickering emulzió ~70%-ot tart meg 9 óra és ~45%-ot 24 óra után, valamint az 50%-os veszteségre vonatkozó felezési időt ~13 óráról ~27 órára növeli.[1]
4.5 Összefoglaló táblázat
Az alábbi táblázat egységesíti a különböző vegyületosztályokra vonatkozóan megadott reprezentatív kinetikai és termodinamikai paramétereket, hangsúlyozva a folyamatmodellezéshez legközvetlenebbül felhasználható értékeket.
| Vegyület vagy rendszer | Körülmény | Kinetikai vagy termodinamikai paraméter | Megjegyzések a feldolgozási modellekhez |
|---|---|---|---|
| NRCl | Vizes pufferek (pH 2,0, 5,0, 7,4), Arrhenius-modell | (E_a)=75,4±2,9 (pH 2,0), 76,9±1,1 (pH 5,0), 82,8±4,4 kJ·mol−1 (pH 7,4)[4] | Támogatja a hőmérséklet-gyorsulás modellezését és a pH-függő tervezési teret[4] |
| NRCl | DSC és qNMR (száraz melegítés) | DSC olvadási kezdet 120,7 ± 0,3 °C; bomlási exoterm csúcs 130,8 ± 0,3 °C[4]; lebomlás 55% 125 °C-on és 98% 130 °C-on[4] | Szűk biztonságos ablakot jelez az olvadáspont közeli, fűtött szilárd fázisú műveletekhez[4] |
| NRH | DI víz 25 °C-on, levegő vs N₂ | k=1,27×10−7 s−1 (levegő; t_(1/2)=63 d) vs 5,90×10−8 s−1 (N₂; t_(1/2)=136 d)[5] | Az oxigénszabályozás a vizsgált körülmények között megközelítőleg megduplázhatja a felezési időt[5] |
| NMN | Vizes oldat, szobahőmérséklet | Látszólagos elsőrendű: lg(C_t)=0,0057t+4,8172; t_(0,9)=95,58 h; t_(1/2)=860,26 h[27] | Lehetővé teszi a hatóanyag-tartalom csökkenésének becslését vizes tartási lépések során[27] |
| transz-resveratrol | pH-függőség | Felezési idő 329 d pH 1,2-nél vs 3,3 min pH 10-nél[12] | Erős pH-szabályozás szükséges a vizes feldolgozás és a feloldódási vizsgálat során[12] |
| transz-resveratrol | pH 7,4 Arrhenius | (E_a)=84,7 kJ·mol−1[12] | Mérsékelt hőmérsékletű modellezéshez használatos; óvatosság szükséges, ha a mátrixokban nem-Arrhenius viselkedés fordul elő[7, 12] |
| Resveratrol tabletták | 25–40 °C, 60–75% relatív páratartalom | k=0,07140, 0,1937, 0,231 hónap−1 (25, 30, 40 °C)[7] | Eltér az Arrhenius-törvénytől (szuper-Arrhenius), korlátozva a gyorsított tesztek extrapolációját[7] |
| Fizetin, kvercetin | Foszfátpuffer | A pH 6,0→7,5 növekedés 24-szeresére (fizetin) és 12-szeresére (kvercetin) növeli a k értéket[24] | Kiemeli a pH-érzékenységet a vizes egységműveletek során[24] |
| Kurkumin | pH 8,0, Arrhenius | (E_a)=79,6±2,2 kJ·mol−1[10] | Hasznos a semleges-bázisos közegekben fellépő hőmérséklet-érzékenység előrejelzésére[10] |
| Kurkumin micellákban | pH 8,0, 37 °C | t_(1/2)=777±87 h és 1100±95 h (micellák) vs 2,5 h (szabad vizes puffer)[10] | Szemlélteti a formulációs alapú stabilizáció mértékét a tartási/feldolgozási lépésekhez[10] |
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 határfelületi nagyságot, ezáltal befolyásolva mind a reakciókinetikát, mind a domináns mechanizmusokat, különösen az oxigén- és pH-érzékeny bioaktív anyagok esetében.[13, 14, 17]
5.1 Olvadékfeldolgozás
Az olvadékállapotú feldolgozást a polimer-hatóanyag rendszerekben olyan forgatókönyvként emelik ki, amelyben meg kell őrizni mind a polimer stabilitását, mind a hatóanyag aktivitását, 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 hátrányosan befolyásolja a PGA termikus stabilitását, ezért a szerzők a PGA lebomlásának megakadályozása érdekében a feldolgozást a lehető legalacsonyabb hőmérsékleten javasolják, a termikus stabilitás jellemzését a folyamattervezéshez kötve.[18]
5.2 Nagynyomású homogenizálás és mikrofluidizálás
A nagynyomású homogenizálás nagy mechanikai feszültségnek ismeri ki a folyadékokat, amikor azok egy szűk résű szelepen áramolnak át; a nyíláson a folyadék nyíróhatásnak van kitéve, és további jelenségek, mint például a kavitáció, a turbulencia, az ütközés és a becsapódás hozzájárulnak a nyíróhatásokhoz.[14]
A HPH több mint 100 MPa-os emelkedett nyomáson üzemel, és akár 400 MPa-os nyomást is képes generálni; az alkalmazott nyomás, a ciklusok/áthaladások száma és a bemeneti hőmérséklet kulcsfontosságú tényezőként vannak leírva, amelyek befolyásolják a fitokemikáliák kinyerhetőségét és stabilitását.[14]
Mennyiségi szempontból a HPH-ról szóló áttekintés olyan összetételbeli változásokra hoz példákat, 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 összefüggésbe hozható az oxidációra érzékeny vegyületek veszteségével a mátrixtól és az enzimaktivitástól függően.[14]
A formulációs skálán a mikrofluidizálás stabil emulziókat tud előállítani a fenolok számszerűsített visszatartásával: a W/O/W emulziók esetében az optimális mikrofluidizáló 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 fenol visszatartás 68.6%, az antioxidáns aktivitás visszatartása pedig 89,5% volt.[2]
Egy különálló enkapszulációs vizsgálat egy kombinált nagy nyíróerejű és mikrofluidizálási megközelítést ismertet: a liposzómás diszperziókat 9500 rpm fordulatszámon 10 percig homogenizálták, majd ötször átszűrték egy mikrofluidizálón 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 homogenizálásról (UHPH) szóló áttekintések a szelepen belüli extrém nyírást és hatásokat 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, mikroorganizmusok, kolloidok és biopolimerek 100–500 nm-es méretű nanofragmentációjával.[34]
5.3 Nagy nyíróerejű keverés
A nagy nyíróerejű keverést gyakran alkalmazzák előemulgeálási vagy diszpergálási lépésként, amely önmagában is jelentős hőmérséklet-emelkedést és oxidatív környezetet generálhat, ezáltal befolyásolva a lebomlást még a továbbfeldolgozási műveletek előtt.[13]
Egy italmodellben a 10 perces, növekvő fordulatszámú nagy nyíróerejű homogenizálás növelte a kimeneti hőmérsékletet (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-en) társult.[13]
Egy kurkumin Pickering emulziós rendszerben a 22 000 rpm fordulatszámon 2 percig végzett nagy nyíróerejű keverést az emulziók kialakítására használták, ami után a stabilitás javulását lassabb lebomlással és meghosszabbított felezési idővel számszerűsítették mind a tárolási, mind az UV-sugárzás alatti stressz során, a nagy nyíróerejű határfelületi strukturálást a kémiai stabilitási eredményekhez kötve.[1]
5.4 Mechanokémiai őrlés
A mechanokémiai feldolgozás (pl. golyósmalmos őrlés) amorf szilárd diszperziókat hozhat létre, és megváltoztathatja a stabilitást a szilárdtest-forma módosításával, molekuláris szintű keveréssel, valamint olyan erős intermolekuláris kölcsönhatások – például a hidrogénkötések – lehetővé tételével.[15]
A fizetin ASD-k és zárványok esetén a őrlést szobahőmérsékleten, 30 Hz-es frekvenciával és 20 perces időtartammal végezték, majd a termikus stabilitás és a Tg-viselkedés számszerűsítése érdekében nitrogén alatt TG/DSC elemzést hajtottak végre.[15]
5.5 Porlasztva szárítás
A porlasztva szárítás a szárított növényi kivonatok előállításának egyik leggyakrabban alkalmazott technikájaként szerepel, és a porlasztva szárítás során fellépő magas hőmérséklet a termolabilis (poli)fenolokra potenciálisan káros hatással lehet.[3, 20]
Egy polifenol-kapszulázási 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 a kapszulázást a funkcionális tulajdonságok megőrzése érdekében.[3]
Egy kivonat-preformulációs vizsgálatban kiértékelték a porlasztva szárító folyamatfeltételeinek (bemeneti hőmérséklet, adagolási áramlási sebesség, kolloid szilícium-dioxid arány) a válaszokra gyakorolt hatását, és Arrhenius-módszereket alkalmaztak a bomlási kinetikai paraméterek – beleértve a reakciórendet, a bomlási frakció idejét és a sebességi állandót – meghatározására.[20]
5.6 Összefoglaló táblázat
Az alábbi táblázat összefoglalja a nagy nyírófeszültséget és/vagy intenzív hőhatást kifejtő egységműveletekre vonatkozó stresszprofilokat és a jelentett példaként szolgáló kvantitatív hatásokat.
| Egységművelet | Jelentett stresszdeszkriptorok | Kvantitatív példák a felhasznált forrásokban | Következmények a termolabilis hatóanyagokra nézve |
|---|---|---|---|
| Nagy nyíróerejű keverés | Forgási sebesség; hőmérséklet-emelkedés a sebességgel[13] | A kimeneti hőmérséklet 20 000 rpm-nél (10 perc) 41 ± 1,2 °C-ra emelkedik[13]; az aszkorbinsav 42,6%-kal csökkent 20 000 rpm-nél[13] | A nyíróhatás miatti felmelegedés külső fűtés nélkül is előidézheti az oxidációt és a termikus bomlást[13] |
| Nagynyomású homogenizálás | Nyomás >100 MPa; szelepnyírás; kavitáció/turbulencia[14] | Leveekben 100–300 MPa alatt jelentett polifenolcsökkenés (pl. 10,6% 100 MPa-nál almalében)[14] | Az oxidáció okozta veszteség korlátozása érdekében szükséges a bemeneti hőmérséklet, a ciklusszámok, az oxigén és az enzimaktivitás ellenőrzése[14] |
| Mikrofluidizáció | Nyomás és ciklusszám[2] | 148 MPa és hét ciklus ~105 nm-es cseppeket eredményez; a fenolos vegyületek visszatartása 68,6% 35 napos tárolás után[2] | Lehetővé teszi a kis cseppméretű kapszulázási rendszereket, amelyek megőrizhetik a fenolokat tárolás és esetleg a további feldolgozás során[2] |
| UHPH | >200 MPa (jellemzően 300 MPa); extrém nyírás/behatások; <0,2 s szelepen belüli tartózkodási idő; a helyi szelephőmérséklet gyakran >75 °C[34] | 100–500 nm-es nanofragmentáció állapítható meg[34] | A rendkívül rövid tartózkodási idő a helyi melegedés ellenére korlátozhatja a kismolekulák termikus bomlását, de a nyírási/oxidációs hatásokat vegyületenként validálni kell[34] |
| Mechanokémiai őrlés | Frekvencia és idő; amorfizáció és kölcsönhatások kialakulása[15] | A 30 Hz 20 percen keresztül mérhető Tg-értékekkel és hidrogénkötések jeleivel rendelkező fizetin ASD-ket eredményezett[15] | Olyan amorf állapotokat hozhat létre, amelyek megváltoztatják a stabilitást; a Tg a tárolás/feldolgozás kulcsfontosságú vezérlőparaméterévé válik[15] |
| Porlasztva szárítás | Bemeneti/kimeneti hőmérséklet; oxigén-/hőhatás[3] | Kapszulázott kivonatporokhoz használt 150 ± 5 °C-os bemeneti és 90 ± 5 °C-os kimeneti hőmérséklet[3] | A termikus és oxidatív hatás csökkentheti a (poli)fenolokat; a védő kapszulázás javíthatja a visszatartást és a biológiai hozzáférhetőséget[3] |
6. Integrált stabilitási-folyamat modellek
A mellékelt források építőköveket biztosítanak egy integrált prediktív keretrendszerhez, amelyben a stabilitási eredményeket az egységműveletek hőtörténeteiből és a fizikai-kémiai mikrokörnyezetekből (pH, oxigén, vízkivonás) számítják ki, tiszteletben tartva a termodinamikai átmeneti küszöbértékeket.[4, 14]
6.1 Idő–hőmérséklet–nyírás térképezés
A praktikus leképezési megközelítés a kinetikát (k, (E_a), felezési idő) a mért vagy következtetett egységműveleti idő–hőmérséklet profilokkal együtt használhatja a várt konverzió kiszámításához, miközben az állapotátmeneti küszöbértékeket (Tg, olvadási kezdet, bomlási kezdet) olyan határokként alkalmazza, amelyek eltolhatják a mechanizmusokat vagy növelhetik a sebességet.[4, 15]
Például az NRCl pszeudo-elsőrendű oldatfázisú modellje paraméterezhető az Arrhenius-féle aktivációs energiák (75,4–82,8 kJ·mol−1) és azon megfigyelés felhasználásával, hogy a 10 °C-os emelkedés megközelítőleg megkétszerezi a k_obs értéket, ami lehetővé teszi az átvitelt a validált kísérletekből a gyártás során bekövetkező rövid termikus kilengésekre.[4]
A kurkumin esetében a hőmérséklet-érzékenység paraméterezhető a pH 8,0 értéknél mért (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 értékkel és a k_obs erős pH-függőségével, amelyek együtt lehetővé teszik a veszteségek előrejelzését vizes tartások vagy melegített emulgeálási lépések során, ahol a helyi pH semleges-lúgos.[10]
A transz-resveratrol esetében a pH által okozott felezési idő-összeomlás (a pH növekedésével a száz naptól 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-modellezés mérsékelt hőmérsékletű expozíciókhoz használható, (E_a)=84.7 kJ·mol−1 értékkel.[12]
6.2 QbD és tervezési tér
A tervezésen alapuló minőség (Quality-by-Design) értelmezését olyan vizsgálatok támogatják, amelyek kifejezetten értékelik, hogy a folyamatparaméterek és a formulázási mátrixok hogyan változtatják meg a bomlási mechanizmusokat, beleértve azokat a megállapításokat, hogy a felgyorsult tesztelés nem feltétlenül jósolja meg az eltarthatósági időt, ha nem Arrhenius-szerű viselkedés vagy mátrixhatások lépnek fel.[7, 29]
A resveratrol-tabletták esetében az a következtetés, hogy az Arrhenius-megközelítések túlbecsülhetik a bomlást a gyorsított tesztekben, arra ösztönöz, hogy a tervezési tereket ne egyetlen gyorsított feltétel, hanem mind a mechanisztikus megértés, mind a többféle hőmérsékleten gyűjtött adatok alapján határozzák meg.[7, 29]
A porlasztva szárított flavonoid markermendszerek esetében kifejezetten jelentik, hogy a segédanyagok befolyásolják a kinetikai rendet és a bomlási frakció időértékeit, ami azt jelzi, hogy a formuláció összetétele a stabilitási tervezési tér része, nem pedig fix háttér.[20]
6.3 PAT és analitikai specificitás
A pontos folyamatfelügyelet analitikai specificitást igényel, mivel a bomlástermékek megzavarhatják az egyszerűbb spektroszkópiai vizsgálatokat, különösen a polifenolok esetében.[12]
A transz-resveratrol esetében a HPLC és UPLC specificitása megerősítettként szerepel, míg az UV/VIS spektroszkópia hamisan magasabb transz-resveratrol-koncentrációt eredményezett olyan körülmények között, ahol nem volt stabil (lúgos pH, fény, emelkedett hőmérséklet), ami rávilágít a stabilitást jelző módszerek szükségességére a folyamatanalitikában.[12]
7. Csökkentési stratégiák
A felhasznált forrásokban szereplő csökkentési megközelítések az ismert gyorsítók (hő, oxigén, magas pH, UV) hatásának korlátozását, valamint olyan formulációs architektúrák alkalmazását hangsúlyozzák, amelyek csökkentik a molekuláris mobilitást, árnyékolják a határfelületeket, vagy a hatóanyagot kevésbé reaktív mikrokörnyezetbe helyezik.[10, 13, 17]
7.1 Kapszulázás és diszperziók
A micellás vagy részecskerendszerekbe történő kapszulázás jelentősen stabilizálhatja a termolabilis vegyületeket a vízzel, oxigénnel és reaktív fajokkal való érintkezés korlátozásával, valamint a kulcsfontosságú funkciós csoportok sav-bázis hozzáférhetőségének megváltoztatásával.[1, 10]
A kurkumin esetében a micellás szolubilizáció 0,6–0,9×10−3 h−1 értékre csökkenti a k_obs-t és 777–1100 órára nyújtja a felezési időt; e stabilitás hátterében a hidrofób micellamagon belüli hidroxil-deprotonáció megakadályozása áll, amelyet a bomlás első lépéseként írnak le.[10]
A Pickering-emulziók fizikai gátat biztosítanak: a sűrű fizikai gát jelenléte a határfelületen akadályozza a kurkumin bomlását, és számszerűen a gátképző rendszer 13 napról 28 napra növeli a tárolási felezési időt, valamint ~13 óráról ~27 órára az UV-felezési időt.[1]
A ciklodextrin-alapú hordozórendszerek egy másik stratégiát kínálnak: a resveratrol–β-ciklodextrin klatrátok termikus eseményeket, köztük 50 °C körüli vízleadást és magasabb hőmérsékletű bomlási eseményeket mutatnak, a kötési szabad energiák (pl. MM/PBSA szerint −86 kJ·mol−1) pedig számszerűsítik az erős zárványkölcsönhatásokat.[25]
A resveratrol nanoszivacs-kapszulázása megszünteti a DSC olvadási endotermáját és fotoprotekciót biztosít: a szabad resveratrol 59.7%-os bomlást mutat 15 perc alatt UV-sugárzás hatására, míg a resveratrol-nanoszivacsok megközelítőleg kétszeres védelmet nyújtanak, ami összhangban van azzal, hogy a kapszulázás megakadályozza a közvetlen UV-sugárzást.[16]
Az amorf szilárd diszperziók mechanokémiai őrléssel tervezhetők meg, és a fizetin és az Eudragit® észtercsoportok közötti hidrogénkötések kifejezetten azonosításra kerülnek, mechanisztikus alapot biztosítva a elegyíthetőséghez és a megváltozott Tg-hez, amely stabilizálhat a feloldódási viselkedés kristályosodástól függő változásaival szemben.[15]
7.2 Segédanyag- és hordozóválasztás
A segédanyag kiválasztása megváltoztathatja a kinetikai mechanizmusokat és a stabilitási eredményeket, amint arról a porlasztva szárított növényi kivonat rendszerekben beszámoltak, ahol a reakciórend és a bomlási frakció ideje segédanyag-keverékenként eltér, ami segédanyagfüggő bomlási kinetikát jelez.[20]
A fehérjetartalmú társösszetevők hidrofób kölcsönhatások révén stabilizálhatják a flavonoidokat, csökkentve a fizetin és a kvercetin k értékeit, e kölcsönhatások SDS általi megszüntetése pedig alátámasztja azt az értelmezést, hogy a hidrofób kötődés kulcsfontosságú stabilizáló mechanizmus.[24]
7.3 Folyamatmérnöki ellenőrzések
A hőexpozíciót és az oxigénnel való érintkezést csökkentő folyamatszabályozásokat több adatkészlet is közvetlenül alátámasztja.[5, 18]
Az NRCl esetében a DSC/qNMR bizonyítékok azt mutatják, hogy az olvadási kezdeti tartomány (~120–130 °C) túllépése rendkívül gyors bomlást eredményezhet, ami alátámasztja a fűtött szilárdtest-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 oxigénkizárás jelentős lehet, és a szerzők arról számolnak be, hogy a 4 °C-os N2-takaró alatt lévő minták 60 nap után sem mutatnak kimutatható bomlást, míg a 4 °C-os levegőn lévő minták ~10%-os bomlást mutatnak.[5]
A nagy nyíróerejű homogenizálás esetében az a közvetlen megfigyelés, hogy az rpm növelése növeli a kimeneti hőmérsékletet, és az oxigénérzékeny aszkorbinsav nagyobb mértékű veszteségével jár együtt, támogatja a nyírás általi felmelegedést korlátozó mérnöki intézkedéseket (pl. hűtőköpenyek, rövidebb keverési idők, lépcsőzetes adagolás).[13]
A porlasztva szárítás esetében az az állítás, hogy az oxigén- és hőhatás csökkenti a (poli)fenolokat, és hogy a magas hőmérséklet káros lehet a termolabilis fenolokra, alátámasztja az olyan döntéseket, mint a kimeneti hőmérséklet csökkentése, ha lehetséges, és a kapszulázás alkalmazása az oxidáció és a hőérzékenység csökkentésére.[3]
7.4 Antioxidánsok és oxigénkezelés
Az antioxidáns és oxigénkezelési stratégiákat a polifenol adatkészletei mechanisztikusan alátámasztják.[12, 22]
A 90 °C-on vizsgált kvercetin esetében az olyan antioxidánsok, mint a cisztein, csökkentik a k-t, miközben 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-resveratrol esetében kifejezetten jelentik, hogy az oxigén elősegíti a bomláshoz vezető gyökös reakciókat, ami lúgos/semleges vizes feldolgozás esetén, ahol lehetséges, inert feldolgozási atmoszférát vagy oxigéngátakat támogat.[12]
A liposzómás rendszerekben a resveratrol a szabad gyökök semlegesítésével korlátozza a stigmaszterol oxidációját, és beépül a lipid kettős rétegekbe, növelve a merevséget, csökkentve az oxigénnel és az oxidálószerekkel szembeni áteresztőképességet, ezáltal fokozva a rendszer termikus és oxidatív stabilitását.[35]
8. Megbeszélés
Az itt szintetizált bizonyítékbázisban a leghatározottabb kvantitatív minta az, hogy a kémiai mikrokörnyezet (pH, oxigén, víz jelenléte) még mérsékelt hőmérsékleten is dominálhatja a stabilitási eredményeket, és számos bioaktív vegyület éles stabilitási diszkontinuitásokat mutat bizonyos termikus átmeneti küszöbértékeken.[4, 5, 12]
A NAD+-prekurzorok esetében az NRCl-adatkészlet kettős rendszert mutat: vizes oldatban a pszeudo-elsőrendű hidrolízis Arrhenius-féle aktiválási energiákkal és 10 °C-onként körülbelül kétszeres sebességnövekedéssel modellezhető, míg szilárd halmazállapotban a 120–130 °C körüli szűk tartomány olvadásnak, majd azt közvetlenül követő gyors bomlásnak felel meg.[4]
A rezveratrol esetében a pH-érzékenység jelentős folyamatkockázatot teremt: a felezési idő a savas pH-n mért hosszú időtartamról néhány percre esik vissza magas pH esetén, miközben az oxigén elősegíti a gyökös reakciókat, ami azt jelzi, hogy az oxigénátvitelt és a helyi lúgosságot növelő, nagy nyírófeszültségű műveletek aránytalanul károsak lehetnek még akkor is, ha a tömegminta hőmérséklete mérsékelt marad.[12]
A flavonoidok esetében a kinon-intermediereken keresztüli oxidáció és a pH-függő deprotonációs mechanizmusok (kvercetin) összefonódnak a magas hőmérsékletű oxidációval és a gyöklánc-kapcsolódással (pl. oxigén plusz koleszterin), ami arra utal, hogy a lipidtartalmú készítmények és az oxigénexpozíció erősen felerősíthetik az oxidatív lebonthatósági útvonalakat.[22, 26]
A kurkumin esetében mechanisztikus feszültség áll fenn a hidrolízis-vezérelt leírások (egyes gyomor-bél traktusbeli pufferes munkákban) és az autoxidáció-vezérelt leírások (a micella-fókuszú munkákban) között, de mindkettő egy erős pH-hatásnál, valamint a hidrofób mikrokörnyezetek és az oxigénkorlátozás védő szerepénél konvergál.[11, 32]
A mûveleti egység szintjén a nagy nyírófeszültségű folyamatok elsősorban közvetett gyorsítókként hathatnak a hőtermelés és az oxidatív érzékenység növelése révén; ez közvetlenül kimutatható a nagy nyírófeszültségű homogenizálásban, ahol a fordulatszám növeli a kilépő hőmérsékletet, és egybeesik az aszkorbinsav oxidatív veszteségével.[13]
A HPH/UHPH további összetettséget vezet be, mivel a szeleprégió extrém nyírófeszültséget, kavitációt és turbulenciát kényszerít ki, és magas helyi hőmérsékletet generálhat, bár a tartózkodási idők nagyon rövidek lehetnek (pl. <0,2 s az UHPH leírásokban), ami arra utal, hogy a kémiai eredmények attól függhetnek, hogy a lebomlást gyors gyökös folyamatok, diffúziókorlátos lépések vagy lassabb termikus aktiválási lépések vezérlik-e.[14, 34]
Végül, számos forrás emeli ki, hogy a stabilitásmodellezést mechanisztikusan validálni kell a releváns mátrixban: a rezveratrol tabletta adatai nem Arrhenius-szerű viselkedést és mátrixhatásokat mutatnak, amelyek korlátozzák az általános Arrhenius-extrapolációt a gyorsított tesztekből, a porlasztva szárított növényi kivonat markerek pedig segédanyag-függő kinetikai rendeket és frakció-bomlási időket mutatnak.[7, 20]
9. Következtetések
A kvantitatív termodinamikai átmeneti markerek (DSC/TGA) és a lebomlási kinetika (k, t_(1/2), (E_a), konverziófüggő aktiválási energiák) folyamatreleváns alapot biztosítanak olyan gyártási feltételek megtervezéséhez, amelyek megőrzik a termolabilis hosszúságú vegyületek és a kapcsolódó bioaktív anyagok hatóanyag-potenciálját.[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 energiával, amely paraméterezheti a hőterhelési modelleket.[4]
A rezveratrol esetében a pH és az oxigén a domináns változók, a felezési idő a savas pH-n mért több száz napról magas pH esetén percekre esik vissza, és a készítménymátrixok nem Arrhenius-szerű viselkedést válthatnak ki, ami megnehezíti a gyorsított vizsgálati extrapolációt.[7, 12]
A flavonoidok és kurkuminoidok esetében az oxidációs útvonalak (kinon-intermedier a kvercetinhez; autoxidáció a kurkuminhoz) indokolják az oxigénszabályozást és a hidrofób enkapszulációs stratégiákat, amelyekről kvantitatívan kimutatták, hogy nagyságrendekkel nyújtják meg a felezési időt micelláris rendszerekben, és érdemben a nagy nyírófeszültségű keveréssel előállított Pickering-emulziókban.[1, 10, 22, 32]
A nagy nyírófeszültségű egységműveletek esetében a rendelkezésre álló bizonyítékok azt mutatják, hogy a nyírófeszültség növelheti a hőmérsékletet és elősegítheti az oxidációt (nagy nyírófeszültségű keverés), valamint hogy a szelepalapú nagynyomású folyamatok extrém nyírófeszültséget és kavitációt generálnak a nyomással, az áthaladásszámmal és a bemeneti hőmérséklettel mint kulcsfontosságú stresszváltozókkal; ezek a meglátások támogatják az idő–hőmérséklet–nyírófeszültség térképezés és a stabilitást jelző analitikát alkalmazó PAT bevezetését.[12–14]
Érdekellentét
A szerzők nem ajánlanak fel érdekellentétet.[20]
