Abstract
I composti termolabili associati alla longevità e i bioattivi polifenolici subiscono frequentemente stress termici, ossidativi, di pH e meccanici accoppiati durante la produzione (ad es. miscelazione ad alto crollo, omogeneizzazione ad alta pressione e spray drying), che possono accelerare la degradazione chimica e ridurre la potenza somministrata. Sono pertanto necessari parametri quantitativi di stabilità rilevanti per il processo per definire spazi di progettazione producibili e guidare strategie di formulazione protettive.[1–3]
I metodi della presente sintesi si concentrano su prove quantitative estratte da studi che riportano (i) transizioni termodinamiche/termiche mediante DSC/TGA (fusione, inizio della decomposizione, transizioni vetrose e comportamento di perdita di massa a stadi) e (ii) cinetiche di degradazione (modelli di pseudo-primo ordine/primo ordine, energie di attivazione di Arrhenius, dipendenze dal pH e misure del tempo di decomposizione frazionale) per precursori di NAD+ (NR/NRH/NMN), stilbenoidi (sistemi correlati al resveratrolo), flavonoidi (quercetina, fisetina, rutina/esteri) e curcuminoidi.[4–11]
I risultati mostrano che diversi composti rappresentativi della longevità presentano finestre di lavorazione termica ristrette in specifici stati fisici. Il nicotinammide riboside cloruro (NRCl) mostra un inizio di fusione a 120,7 ± 0,3 °C con una rapida decomposizione post-fusione (ad es. il 98% di degradazione a 130 °C tramite qNMR), mentre la degradazione acquosa segue una cinetica di pseudo-primo ordine con energie di attivazione di 75,4–82,8 kJ·mol−1 a seconda del pH.[4]
Per il trans-resveratrolo, le cinetiche di degradazione dipendono fortemente dal pH e dalla temperatura (ad es. l'emivita diminuisce da 329 giorni a pH 1,2 a 3,3 minuti a pH 10) e l'estrapolazione dei test accelerati può essere di tipo non-Arrhenius nelle matrici in compresse.[7, 12]
Le operazioni unitarie ad alto crollo possono indurre riscaldamento locale e ambienti ossidativi, come dimostrato dall'omogeneizzazione ad alto crollo che aumenta la temperatura di uscita con la velocità di rotazione e coincide con una perdita di acido ascorbico del 42,6% a 20.000 rpm, e dai meccanismi di omogeneizzazione ad alta pressione che comportano crollo della valvola, cavitazione e turbolenza a >100 MPa.[13, 14]
Le conclusioni enfatizzano l'integrazione dei dati di transizione termodinamica (DSC/TGA/Tg) con modelli cinetici (Arrhenius, non-Arrhenius e metodi isoconversionali) per produrre mappe tempo-temperatura-crollo e per selezionare razionalmente strategie di mitigazione tra cui incapsulamento, dispersioni solide amorfe, sistemi a base di ciclodestrina/nanospugna, controllo dell'ossigeno e minimizzazione di crollo/temperatura.[15–18]
Parole chiave: bioattivi termolabili; cinetica di degradazione; Arrhenius; DSC; TGA; omogeneizzazione ad alta pressione; spray drying; precursori di NAD+
1. Introduzione
I composti rilevanti per la longevità sono formulati in misura crescente come nutraceutici, alimenti funzionali e sistemi di rilascio avanzati, motivando percorsi di produzione che espongono i principi attivi a fattori di stress combinati tra cui riscaldamento, contatto con l'ossigeno, attività dell'acqua, escursioni di pH e intenso apporto di energia meccanica.[3, 5, 14, 19]
Per le chimiche dei precursori di NAD+, la stabilità in fase acquosa e solida è fondamentale poiché la reattività può verificarsi tramite idrolisi di motivi glicosidici o legati al fosfato, e poiché le temperature di lavorazione possono superare le soglie di transizione allo stato solido che precedono una rapida decomposizione.[4, 6]
Per i polifenoli e i relativi attivi botanici, i vincoli di stabilità comprendono l'autossidazione, l'epimerizzazione e l'ossidazione enzimatica a chinoni, che sono sensibili alla temperatura, al pH, agli ioni metallici e alla disponibilità di ossigeno durante la lavorazione.[17]
Un'implicazione pratica è che la progettazione della produzione non può basarsi esclusivamente sulla temperatura nominale di massa; essa deve invece integrare (i) indicatori termodinamici quali transizione vetrosa, fusione e inizio della decomposizione e (ii) modelli cinetici che catturano la dipendenza della degradazione da tempo, temperatura, pH, ossigeno e (laddove misurabile) apporto di energia meccanica.[4, 9, 10, 14, 15]
Questo articolo sintetizza le prove quantitative su composti rappresentativi della longevità e relativi bioattivi per i quali le fonti incluse forniscono transizioni termodinamiche esplicite e/o parametri cinetici, e collega tali dati ai profili di stress delle operazioni unitarie ad alto crollo, tra cui miscelazione ad alto crollo, omogeneizzazione/microfluidizzazione ad alta pressione, macinazione meccanochimica e spray drying.[1, 14, 15, 20]
2. Quadro termodinamico
La stabilità termodinamica nei contesti di produzione viene valutata operativamente utilizzando eventi termici misurabili (DSC/TGA) e descrittori di stato (ad es. amorfo rispetto a cristallino; temperatura di transizione vetrosa) che indicano quando un composto o una formulazione passa a stati con maggiore mobilità molecolare e quindi maggiori velocità di reazione o meccanismi differenti.[4, 9, 15]
2.1 Energia libera di Gibbs e stabilità di fase
Molteplici fonti incluse calcolano esplicitamente le variazioni di energia libera di Gibbs per i processi di degradazione o la distruzione termica, fornendo una misura termodinamica della fattibilità in condizioni specifiche.[8, 19]
Per il borato di NR, la spontaneità della degradazione è stata valutata tramite un calcolo dell'energia libera di Gibbs, con un valore di (ΔG) riportato pari a 2,43 kcal·mol−1.[19]
Per la rutina e gli esteri di rutina di acidi grassi in condizioni pirolitiche, i valori di (ΔG) sono risultati positivi (84–245 kJ·mol−1) insieme a un valore di (ΔH) positivo (60–242 kJ·mol−1), indicando un profilo di pirolisi endotermico e non spontaneo nell'analisi riportata.[8]
In termini di formalismo cinetico, diverse fonti applicano anche relazioni dello stato di transizione e di energia libera, come l'uso di per interpretare l'attivazione dell'idrolisi in un sistema complesso di spiroborato di curcumina.[21]
2.2 Transizione vetrosa, fusione e inizio della decomposizione
DSC e TGA forniscono indicatori complementari del rischio di processo: gli eventi di fusione o ammorbidimento possono aumentare drasticamente la diffusione e consentire una rapida conversione chimica, e l'inizio della perdita di massa in TGA può indicare l'inizio di una decomposizione irreversibile anche nell'apparente stato solido.[4, 9, 15]
Per l'NRCl, la DSC indica un inizio di fusione a 120,7 ± 0,3 °C e un picco di fusione a 125,2 ± 0,2 °C, seguito da un immediato e netto evento esotermico con picco a 130,8 ± 0,3 °C.[4]
Coerentemente con la sequenza degli eventi DSC, la quantificazione qNMR mostra una degradazione limitata a 115 °C (2%) ma una rapida perdita in corrispondenza e al di sopra della regione di fusione (7% a 120 °C; 55% a 125 °C; 98% a 130 °C; solo lo 0,45% di NR rimanente a 140 °C).[4]
Per il NMN, una fonte riporta che il composto si deperisce anziché mostrare una chiara transizione di fusione, con una decomposizione che inizia a 160 °C e si completa entro i 165 °C e un picco DSC endotermico a 162 °C con un'entalpia di decomposizione di 184 kJ·mol−1.[6]
Per la quercetina, l'interpretazione combinata DSC/TGA indica che un endotermo DSC intenso (massimo a 303 °C) viene comunemente attribuito erroneamente alla fusione, mentre la TGA indica che la decomposizione inizia a 230 °C e l'endotermo si sovrappone alla perdita di massa continua; il "calore di fusione" riportato per il picco a 303 °C è di 69–75 kJ·mol−1.[9]
Per la fisetina, la TGA mostra una perdita di massa minore (~5%) attribuita all'evaporazione dell'acqua dal campione cristallino e un evento principale di perdita di massa (~30,6%) a 369,6 °C attribuito alla decomposizione della molecola.[15]
Per la curcumina in azoto inerte, uno studio riporta che la curcumina grezza mostra un complesso processo di decomposizione che inizia intorno ai 240 °C (perdita di massa del 5%) con un picco DTGA a 347 °C e il 37% di residuo rimanente a 600 °C (a 10 °C·min−1).[18]
2.3 Stabilità amorfa e cristallina
Le formulazioni amorfe possono migliorare la solubilità e la biodisponibilità ma possono alterare il comportamento termico e la stabilità aumentando la mobilità molecolare rispetto alle forme cristalline, rendendo la temperatura di transizione vetrosa (Tg) un parametro di stabilità critico.[15, 16]
Le dispersioni solide amorfe (ASD) di fisetina preparate meccanochimicamente mostrano valori di Tg misurabili nelle seconde scansioni di riscaldamento e dimostrano spostamenti composizionali della Tg coerenti con la miscibilità: l'Eudragit® L100/EPO grezzo mostra una Tg di 147,1/55,4 °C, mentre le ASD di fisetina mostrano valori di Tg come 144,2/71,8 °C e 145,9/76,7 °C a seconda del polimero e del carico di farmaco.[15]
Per le nanospugne di resveratrolo e ossiresveratrolo, la DSC mostra che l'endotermo di fusione del resveratrolo (266,49 °C) scompare nelle formulazioni in nanospugna, il che gli autori attribuiscono all'incapsulamento e alla possibile amorfiizzazione delle molecole di farmaco all'interno della matrice della nanospugna.[16]
Per la quercetina, si ipotizza che il legame ad idrogeno limiti l'ammorbidimento simile alla fusione e faciliti la decomposizione attraverso l'indebolimento del legame, e l'interpretazione combinata DSC/TGA conclude che la quercetina non si limita a fondere ma subisce una decomposizione sovrapposta e un rilassamento/ammorbidimento strutturale nell'intervallo 150–350 °C.[9]
3. Modelli e parametri della cinetica di degradazione
Le fonti incluse utilizzano una gamma di modelli cinetici (del primo ordine, di pseudo-primo ordine, di ordine superiore o forme sigmoidali) e trattamenti della dipendenza dalla temperatura (comportamento di Arrhenius e, in alcuni casi, non-Arrhenius), spesso motivati dalla dipendenza dal pH e da una complessa degradazione a vie multiple.[4, 7, 22]
3.1 Modelli di ordine di reazione
Una linea di base ampiamente utilizzata per la degradazione in fase di soluzione è il modello integrato del primo ordine che compare in molteplici studi inclusi come adattamento primario ai dati di concentrazione-tempo a pH e temperatura controllati.[4, 11, 12]
Per l'NRCl in soluzioni acquose tamponate, la degradazione è descritta come di pseudo-primo ordine e questa forma di pseudo-primo ordine è giustificata dai sistemi tampone che mantengono le concentrazioni di OH−/H3O+ in grande eccesso e approssimativamente costanti rispetto alla concentrazione di NR.[4, 23]
Per la fisetina e la quercetina in tampone fosfato, i risultati riportati sono presentati come costanti di velocità di degradazione del primo ordine k (h−1) che aumentano fortemente con il pH e la temperatura.[24]
Per la quercetina a 90 °C vicino alla neutralità del pH (6,5–7,5), è stato implementato un modello sigmoidale e confrontato con un modello del primo ordine, con il modello sigmoidale che produce valori di k 2,3–2,5 volte superiori rispetto agli adattamenti del primo ordine e una diversa interpretazione dell'emivita a pH 7,5.[22]
Per i marker di estratti vegetali essiccati a spruzzo, sono stati riportati diversi ordini di reazione apparenti a seconda dei sistemi di eccipienti, inclusi modelli di ordine zero e di secondo ordine per il kaempferol (attraverso binari di eccipienti) e un modello di secondo ordine per la quercetina tra gli eccipienti.[20]
3.2 Trattamenti di Arrhenius ed Eyring
La dipendenza dalla temperatura è frequentemente modellata da espressioni di tipo Arrhenius, e molteplici fonti calcolano esplicitamente le energie di attivazione per parametrizzare le previsioni della shelf-life e l'esposizione termica del processo.[4, 10, 12]
Per la degradazione dell'NRCl in soluzione acquosa, le energie di attivazione di Arrhenius sono riportate come 75,4 (±2,9) kJ·mol−1 a pH 2,0, 76,9 (±1,1) kJ·mol−1 a pH 5,0 e 82,8 (±4,4) kJ·mol−1 a pH 7,4.[4]
Per il trans-resveratrolo a pH 7,4, l'analisi di Arrhenius viene riportata come log(kobs)=14,063−4425(1/T) (r = 0,97) con un'energia di attivazione calcolata di 84,7 kJ·mol−1.[12]
Per la curcumina in miscela tampone/metanolo a pH 8,0, l'analisi di Arrhenius tra 37 e 60 °C produce (Ea)=79,6±2,2 kJ·mol−1.[10]
Per la curcumina in mezzi acquosi rilevanti per il tratto gastrointestinale, i grafici di Arrhenius mostrano un'elevata linearità su 37–80 °C (valori di r2 riportati come 0,9967, 0,9994, 0,9886 per diversi mezzi), con energie di attivazione riportate come 16,46, 12,32 e 9,75 kcal·mol−1 rispettivamente per pH 7,4, pH 6,8 e HCl 0,1 N.[11]
L'analisi di Eyring compare anche nello studio di decomposizione idrolitica di un estere spiroborato di curcumina (CBS), in cui viene riportato un grafico di Eyring che mostra una relazione lineare con correlazione 0,9988.[21]
3.3 Metodi isoconversionali e liberi da modello
Diversi studi di degradazione termica applicano metodi isoconversionali (ad es. KAS, FWO, Friedman) per calcolare le energie di attivazione dipendenti dalla conversione e identificare così la decomposizione a più stadi e i cambiamenti di meccanismo.[8, 18, 25]
Per la rutina e gli esteri di acidi grassi della rutina, le energie di attivazione variano sostanzialmente con il grado di conversione tra 0,05 < (α) < 0,90, con intervalli riportati da 65 a 246 kJ·mol−1; gli autori interpretano ciò come prova che la degradazione termica procede attraverso un processo non semplice con più stadi.[8]
Per i clatrati di resveratrolo–β-ciclodestrina, l'energia di attivazione aumenta con il grado di trasformazione, con aumenti riportati da 110 a 130 kJ·mol−1 (metodo OFW) e da 120 a 170 kJ·mol−1 (metodo di Friedman), il che viene interpretato come indicazione di un cambiamento nel meccanismo di reazione man mano che la decomposizione procede.[25]
Per i sistemi polimerici caricati a curcumina in azoto, le energie di attivazione derivate da molteplici approcci (Kissinger, KAS, Friedman e model-fitting) mostrano grandezze ampiamente coerenti (ad es., 71 ± 5 kJ·mol−1 secondo Kissinger; 77 ± 2 secondo KAS; 84 ± 3 secondo Friedman), e la selezione del modello indica un modello cinetico F1 con energie nell'intervallo 73–91 kJ·mol−1.[18]
3.4 Degradazione termomeccanica e ossidativa accoppiata
Le operazioni di produzione ad alto potere di taglio possono accoppiare la dissipazione di energia meccanica al riscaldamento locale e a un maggiore trasferimento di ossigeno, amplificando così le vie guidate dall'ossidazione nei bioattivi sensibili all'ossigeno.[13, 14, 17]
Nell'omogeneizzazione ad alto potere di taglio di un sistema di bevande, la temperatura di uscita aumenta notevolmente con la velocità di rotazione (ad es., da 4,1 ± 0,7 °C a 0 rpm a 41 ± 1,2 °C a 20.000 rpm), e alla velocità massima l'acido ascorbico si riduce del 42,6%, coerentemente con una degradazione favorita da temperatura elevata e ossidazione.[13]
Nell'omogeneizzazione ad alta pressione (HPH), il meccanismo di lavorazione è esplicitamente attribuito alla distribuzione dello sforzo di taglio all'orifizio della valvola, dove il moto del fluido viene interrotto, e a fenomeni aggiuntivi come cavitazione, turbolenza, collisione e impatto, che insieme creano un intenso stress meccanico e potenzialmente ossidativo.[14]
L'accoppiamento ossidativo è dimostrato anche negli esperimenti di ossidazione termica per la quercetina: a 150 °C, la degradazione della quercetina procede più rapidamente in presenza di ossigeno che di azoto (costanti di velocità 0,868 h−1 rispetto a 0,253 h−1) ed è fortemente accelerata quando sono presenti colesterolo e ossigeno (costante di velocità 7,17 h−1), in accordo con l'accoppiamento a catena radicalica tra la formazione di idroperossido di colesterolo e la degradazione della quercetina.[26]
Per l'NRH, l'ossigeno e la temperatura esercitano un forte controllo: a 25 °C in acqua deionizzata la velocità di degradazione riportata è 1,27×10−7 s−1 in aria (emivita di 63 giorni) rispetto a 5,90×10−8 s−1 sotto N2 (emivita di 136 giorni), e gli autori affermano che l'NRH può essere ossidato in presenza di ossigeno e si idrolizza rapidamente in condizioni acide.[5]
4. Panoramica delle classi di composti
La sintesi incentrata sui composti di seguito enfatizza i parametri cinetici e termodinamici quantificati che possono essere utilizzati direttamente nei modelli di produzione, comprese energie di attivazione, costanti di velocità, emivite, insorgenze di decomposizione e vincoli correlati alla transizione vetrosa o alla fusione.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 Precursori del NAD+
La stabilità del precursore del NAD+ è fortemente condizionata dalla suscettibilità all'idrolisi e dalla bassa tolleranza a determinate transizioni termiche (in particolare per l'NRCl nella regione di fusione) e all'ossidazione guidata dall'ossigeno (in particolare per le forme ridotte come l'NRH).[4, 5]
L'NRCl mostra una cinetica di degradazione di pseudo-primo ordine in soluzioni acquose ed esibisce energie di attivazione che variano con il pH (75,4–82,8 kJ·mol−1), codificando quantitativamente sia la sensibilità termica sia la dipendenza dal pH della via di idrolisi dominante.[4]
Viene proposta una base meccanicistica come idrolisi catalizzata da basi in cui l'NR diminuisce mentre la nicotinammide (Nam) e lo zucchero si accumulano, e vengono presentate prove di bilancio molare che indicano che per ogni molecola di NR che si degrada si formano una molecola di Nam e una di zucchero.[4]
Nei fluidi gastrointestinali simulati a temperatura e agitazione fisiologiche (pala USP II a 75 rpm e 37 °C), l'NRCl mostra una perdita a breve termine relativamente limitata (ad es., ~97–99% rimanente dopo 2 h in mezzi gastrici) ma una diminuzione a lungo termine misurabile in una simulazione di 24 h (79,18 ± 2,68% rimanente a 24 h, con il 90,51 ± 0,82% rimanente a 8 h).[4]
allo stato solido, l'NRCl mostra una stretta finestra di temperatura tra l'insorgenza della fusione e la rapida decomposizione: la DSC riporta l'inizio della fusione a 120,7 ± 0,3 °C e un successivo evento esotermico a ~130,8 °C, mentre la qNMR quantifica un forte aumento della degradazione dal 2% a 115 °C al 98% a 130 °C.[4]
Una fonte inquadra esplicitamente questi dati come fornitura di un "limite superiore di temperatura esplicito per la lavorazione dell'NRCl" che può influenzare la produzione di integratori nelle varie fasi, sottolineando la rilevanza delle soglie DSC/qNMR come vincoli rigidi nelle operazioni riscaldate.[4]
Il borato di NR introduce una strategia di stabilizzazione motivata dalla reattività dell'NR: l'NR viene descritto come dotato di un legame glicosidico particolarmente instabile che unisce un eterociclo piridinico carico positivamente a un carboidrato, rendendolo difficile da sintetizzare, conservare e trasportare, e la stabilizzazione con borato viene descritta come dotata di elevata stabilità contro la degradazione termica e chimica.[19]
Quantitativamente, la solubilità del borato di NR dipende fortemente dal pH (ad es., 1972.7 ± 15,4 mg·mL−1 a pH 1,5; 926,0 ± 34,4 mg·mL−1 a pH 7,4) e il modello di Arrhenius mostra velocità di degradazione più elevate a pH 7,4 rispetto a pH 1,5 o 5,0, in accordo con l'influenza della concentrazione di HO−.[19]
La stessa revisione riporta un'energia libera di Gibbs di degradazione del borato di NR pari a 2,43 kcal·mol−1 e rileva che un aumento di 10 °C raddoppia approssimativamente la velocità di degradazione in qualsiasi condizione di pH, riecheggiando una sensibilità alla temperatura osservata per l'NRCl.[4, 19]
L'NRH mostra una spiccata sensibilità al pH e all'ossigeno: viene riportata una degradazione completa in meno di un giorno a pH 5, mentre a pH 9 i campioni mostrano una degradazione del ~42–45% dopo 60 giorni, e a 25 °C in acqua deionizzata in aria viene riportata una degradazione del ~50% dopo 60 giorni rispetto al ~27% sotto N2.[5]
Questa sensibilità all'ossigeno è attribuita meccanicisticamente all'ossidazione in presenza di ossigeno e all'idrolisi accelerata in condizioni acide, in coerenza con la descrizione dell'NRH come molecola instabile a causa del suo legame N-glicosidico e capace di degradazione, idrolisi e ossidazione.[5]
Per l'NMN, i marker termodinamici quantitativi allo stato solido includono l'inizio della decomposizione riportato a 160 °C e il completamento entro 165 °C (con un picco DSC endotermico a 162 °C ed entalpia di decomposizione di 184 kJ·mol−1), e dati di stabilità accelerata che riportano una velocità di decomposizione dello 0,8% al mese a 40 °C e 75% di umidità relativa.[6]
In soluzione acquosa, la degradazione dell'NMN è riportata come apparente di primo ordine a temperatura ambiente con un'equazione cinetica lg(Ct)=0,0057t+4,8172 e tempi riportati t0.9=95,58 h e t1/2=860,26 h, e lo studio afferma che la velocità di degradazione è influenzata principalmente da temperatura elevata e pH.[27]
A supporto dei vincoli di formulazione pratica, una fonte incentrata sul prodotto raccomanda l'incorporazione al di sotto di 45 °C per prevenire la degradazione termica del legame fosfodiesterico e riporta una degradazione inferiore al 5% nei test accelerati a 40 °C / 75% di umidità relativa in 3 mesi per sistemi a basso contenuto d'acqua opportunamente formulati.[28]
La principale via di degradazione dell'NMN è descritta come idrolisi del legame fosfodiestere che produce nicotinammide e ribosio-5-fosfato, con dipendenze dal pH descritte come idrolisi catalizzata da acido al di sotto di pH 4.5 e scissione mediata da basi al di sopra di pH 7.5.[28]
4.2 Stilbenoidi
Gli stilbenoidi comprendono il resveratrolo e composti correlati che mostrano una forte degradazione dipendente dal pH e dall'ossigeno, e la loro stabilità nelle formulazioni reali può deviare dalla semplice estrapolazione di Arrhenius a causa degli effetti di matrice e di molteplici vie.[7, 12, 29]
Nei sistemi acquosi, il trans-resveratrolo risulta stabile a pH acido, mentre la degradazione aumenta esponenzialemente sopra pH 6,8 e l'emivita diminuisce da 329 giorni a pH 1,2 a 3,3 minuti a pH 10.[12]
A pH 7,4, la cinetica di degradazione del trans-resveratrolo segue una cinetica del primo ordine alle temperature indagate e l'energia di attivazione è riportata come 84,7 kJ·mol−1.[12]
Viene fornita una motivazione meccanicistica secondo cui a pH acido i gruppi ossidrilici sono protetti dall'ossidazione radicalica da H₃O⁺ caricati positivamente, mentre in condizioni alcaline gli ioni fenato aumentano la suscettibilità all'ossidazione e alla formazione di radicali fenossilici, e l'ossigeno nel mezzo promuove le reazioni radicaliche che portano alla degradazione.[12]
Esperimenti indipendenti di stabilità termica in soluzione acquosa (19 mg·L−1) non riportano cambiamenti spettrali significativi dopo 30 min fino a 70 °C, mentre temperature più elevate portano a una diminuzione generale dell'assorbanza a 304 nm e a una ridotta assorbanza tra 270 e 350 nm, indicando una distruzione termicamente indotta in condizioni idrotermali.[30]
L'interpretazione meccanicistica di tali esperimenti idrotermali propone la scissione ossidativa del doppio legame e la formazione di prodotti di degradazione contenenti fenolo come idrossialdeidi, alcoli e idrossiacidi, e le bande FTIR sono interpretate come coerenti con la formazione di aldeidi e acidi carbossilici a 100–120 °C.[30]
Nelle matrici in compresse, la degradazione del resveratrolo segue una cinetica monoesponenziale del primo ordine con valori k rispettivamente di 0,07140, 0,1937 e 0,231 mesi−1 a 25, 30 e 40 °C, ma la relazione ln(k) vs 1/T non è lineare ed è classificata come super-Arrhenius, con gli autori che propongono possibili seconde reazioni, molteplici vie di reazione o effetti di matrice a temperature più elevate.[7]
Lo stesso lavoro sottolinea che l'estrapolazione di Arrhenius non consente sempre di determinare la cinetica di degradazione del resveratrolo negli integratori e che i test accelerati possono portare a stime errate, inclusa la sovrastima della degradazione.[7]
Per i fenolici di tipo stilbenico nei sistemi secchi, trattamenti termici come la sterilizzazione a vapore a 121 °C per 20 min producono perdite misurabili (ad es., il pinosilvina è diminuita del 20,98% per area di picco) e l'essiccazione in stufa a 105 °C per 24 h produce diminuzioni >50% dell'area di picco per diversi fenolici, mentre la TGA indica temperature di inizio decomposizione superiori a ~200 °C per i sistemi a base di pinosilvina.[31]
4.3 Flavonoidi
I flavonoidi mostrano una sensibilità alla degradazione a vie multiple influenzata da pH, temperatura, ossigeno e interazioni di formulazione come il legame proteico, e il loro comportamento termico in DSC/TGA può comportare la sovrapposizione di decomposizione e rammollimento piuttosto che una semplice fusione.[9, 22, 24]
Nelle soluzioni tamponate, l'aumento del pH del mezzo da 6,0 a 7,5 aumenta le costanti di velocità di degradazione di fisetina e quercetina rispettivamente di 24 volte e 12 volte (ad es., k della fisetina da 8,30×10−3 a 0,202 h−1; k della quercetina da 2,81×10−2 a 0,375 h−1) e l'innalzamento della temperatura sopra i 37 °C aumenta k in modo sostanziale (ad es., k della fisetina a 0,490 h−1 a 65 °C; k della quercetina a 1,42 h−1 a 65 °C).[24]
I co-ingredienti proteici possono mitigare la degradazione: con l'aggiunta di proteine, i valori di k misurati diminuiscono, inclusa la k della fisetina che diminuisce da 3,58×10−2 a intervalli fino a 1,76×10−2 h−1 e la k della quercetina che diminuisce da 7,99×10−2 a intervalli fino a 3,80×10−2 h−1.[24]
Dal punto di vista meccanicistico, l'instabilità chimica dei flavonoidi è attribuita ai gruppi ossidrilici e a una struttura pironica instabile, mentre la stabilizzazione da parte delle proteine è attribuita principalmente a interazioni idrofobiche (con l'SDS che interrompe la stabilizzazione), con contributi legati ai legami a idrogeno evidenziati come bisognosi di future analisi quantitative.[24]
Per la quercetina a 90 °C in condizioni vicine alla neutralità, la cinetica di degradazione mostra forti effetti del pH: il valore di k aumenta di circa cinque volte da pH 6,5 a 7,5 e vengono rilevati intermedi di ossidazione come il chinone di quercetina, con tipici prodotti finali che includono l'acido protocatecuico (PCA) e l'acido floroglucinrcarbossilico (PGCA).[22]
La descrizione meccanicistica assegna la prima perdita misurabile a 370 nm alla conversione della quercetina in chinone e suggerisce che la scissione dello scheletro del chinone produca composti fenolici più semplici con assorbanza limitata, mentre la deprotonazione alcalina accelera l'ossidazione influenzando la struttura o-difenolica dell'anello C e dell'anello B.[22]
Nei sistemi ad alta temperatura (150 °C), la degradazione e l'ossidazione della quercetina procedono rapidamente, con costanti di velocità riportate di 0,253 h−1 in azoto e 0,868 h−1 in ossigeno e una forte accelerazione (7,17 h−1) in ossigeno più colesterolo; sperimentalmente, la perdita di quercetina aumenta dal 7,9% a 10 min (N₂) al 20,4% a 10 min (O₂), mentre in colesterolo + ossigeno la quercetina diminuisce fino a un residuo del 10,9% dopo 10 min.[26]
L'analisi termica indica inoltre che la quercetina mostra un piccolo picco endotermico nell'intervallo 90–135 °C associato a una leggera perdita di massa (0,86 ± 0,33% in peso), la decomposizione si avvia a 230 °C e un endoterma DSC prominente a 303 °C si sovrappone alla decomposizione; si sostiene che i legami a idrogeno vincolino il comportamento di tipo fusional e facilitino al contempo la decomposizione indebolendo i legami chimici.[9]
Per la rutina (un glicoside della quercetina) e i suoi esteri di acidi grassi, la TGA indica che la rutina è termicamente stabile fino a 240 °C, mentre gli esteri mostrano temperature di degradazione iniziale inferiori (217–220 °C) e una maggiore perdita di massa in una fase principale, e le energie di attivazione variano con il grado di conversione da 65 a 246 kJ·mol−1.[8]
4.4 Curcuminoidi
La degradazione della curcumina è fortemente dipendente dal pH e implica percorsi ossidativi in molte condizioni acquose, mentre la decomposizione termica e le interazioni di formulazione possono spostare gli inizi della degradazione e i parametri cinetici apparenti.[10, 18, 32]
In miscele tampone/metanolo a 37 °C, viene riportato che la degradazione della curcumina segue una cinetica del primo ordine con k_obs che aumenta drasticamente all'aumentare del pH (ad es. 3,2×10−3 h−1 a pH 7,0 rispetto a 693×10−3 h−1 a pH 12,0), mentre a pH 5,0 la curcumina risulta stabile negli esperimenti riportati.[10]
A pH 8,0, l'analisi di Arrhenius fornisce (E_a)=79,6±2.2 kJ·mol−1, e l'estrapolazione al tampone acquoso suggerisce una rapida perdita in condizioni ossidative (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2,5 h).[10, 32]
Le nanoformulazioni micellari rallentano drasticamente la degradazione: nelle micelle polimeriche e nelle micelle di Triton X-100 a pH 8,0 e 37 °C, i valori di k_obs riportati diminuiscono a 0,9×10−3 e 0,6×10−3 h−1, con emivite di 777 ± 87 h e 1100 ± 95 h, che vengono dichiarate essere circa 300–500 volte superiori rispetto alla curcumina libera in tampone acquoso.[10]
Dal punto di vista meccanicistico, il lavoro incluso sostiene che la degradazione della curcumina non procede tramite scissione di catena idrolitica bensì tramite ossidazione che produce un biciclopentadione come prodotto finale, con la degradazione di 1 mol di curcumina associata al consumo di 1 mol di O₂ e con la prima fase costituita dalla deprotonazione dei gruppi ossidrilici a un pH superiore a 7,0.[10]
Uno studio di stabilità separato rilevante per il tratto gastrointestinale riporta una cinetica apparente del primo ordine con elevata linearità (r² > 0,95) e fornisce energie di attivazione (in kcal·mol−1) che variano con il mezzo (superiori a pH 7,4 rispetto a HCl 0,1 N), e riporta che dopo 12 h a 37 °C, oltre l'80% è rimasto in HCl 0,1 N ma solo il 57% e il 47% sono rimasti rispettivamente nei tamponi fosfato a pH 6,8 e 7,4.[11]
A temperature elevate (180 °C), gli esperimenti di tostatura mostrano un'estrema termolabilità, con solo il 30% della curcumina iniziale rimanente dopo 5 minuti, e l'interpretazione meccanicistica collega la scissione ossidativa alla presenza intermedia di acido ferulico e a una fase di decarbossilazione accelerata dall'esposizione all'aria e da temperature più elevate.[33]
Gli studi di decomposizione termica della curcumina e di sistemi polimerici contenenti curcumina in atmosfera di azoto mostrano un comportamento complesso: la decomposizione della curcumina grezza inizia intorno ai 240 °C, mentre l'incorporazione della curcumina in miscele PGA/PCL sposta il massimo di degradazione del PGA a temperature inferiori (ad es. da 372 °C per la miscela pura a 327 °C con il 5% di curcumina), implicando che l'incorporazione di curcumina può ridurre la stabilità termica della matrice.[18]
Il medesimo studio incentrato sui polimeri collega questi risultati alla rilevanza manifatturiera affermando che la lavorazione allo stato fuso richiede che siano garantite sia la stabilità chimica della matrice polimerica sia l'attività biologica dei farmaci incorporati e che la lavorazione di miscele di PGA o PGA/PCL con curcumina debba essere eseguita a una temperatura più bassa possibile per prevenire la degradazione del PGA.[18]
La stabilizzazione della curcumina sotto emulsificazione ad alto taglio è anche quantificata in emulsioni di Pickering preparate utilizzando un miscelatore ad alto taglio a 22.000 rpm per 2 min: la conservazione a 20 °C al buio mostra che in una miscela olio-curcumina non incapsulata circa metà della curcumina si degrada dopo 6 giorni e solo il 20% rimane dopo 16 giorni, laddove un sistema in emulsione di Pickering trattiene ~50% dopo 16 giorni ed estende l'emivita da 13 giorni a 28 giorni.[1]
Sotto esposizione UV (6 W, 365 nm), lo stesso sistema mostra una degradazione del ~50% dopo 9 h e solo il 20% rimanente dopo 24 h per la miscela oleosa, mentre l'emulsione di Pickering trattiene ~70% dopo 9 h e ~45% dopo 24 h ed estende l'emivita da ~13 h a ~27 h per una perdita del 50%.[1]
4.5 Tabella riassuntiva
La tabella sottostante consolida i parametri cinetici e termodinamici rappresentativi riportati tra le varie classi di composti, enfatizzando i valori più direttamente utilizzabili per la modellazione dei processi.
5. Operazioni unitarie di produzione ad alto taglio
La produzione ad alto taglio espone i composti termolabili a campi di stress meccanico che possono aumentare la temperatura, il trasferimento di ossigeno e l'area interfasica, influenzando in tal modo sia la cinetica di reazione sia i meccanismi dominanti, in particolare per i bioattivi sensibili all'ossigeno e al pH.[13, 14, 17]
5.1 Lavorazione allo stato fuso
La lavorazione allo stato fuso è evidenziata nei sistemi polimero-farmaco come uno scenario in cui devono essere preservate sia la stabilità del polimero sia l'attività del farmaco, ed è esplicitamente affermato che la lavorazione allo stato fuso implica che la stabilità chimica della matrice polimerica e l'attività biologica dei farmaci incorporati debbano essere garantite.[18]
Nel sistema PGA/PCL–curcumina, l'incorporazione della curcumina influisce negativamente sulla stabilità termica del PGA e gli autori raccomandano di eseguire la lavorazione alla temperatura più bassa possibile per prevenire la degradazione del PGA, collegando la caratterizzazione della stabilità termica alla progettazione del processo.[18]
5.2 Omogeneizzazione ad alta pressione e microfluidizzazione
L'omogeneizzazione ad alta pressione sottopone i fluidi a un elevato stress meccanico quando fluiscono attraverso una valvola a fessura stretta; in corrispondenza dell'orifizio, un fluido è sottoposto a un'azione di taglio e fenomeni aggiuntivi quali cavitazione, turbolenza, collisione e impatto contribuiscono agli effetti di taglio.[14]
L'HPH opera a pressioni elevate superiori a 100 MPa e può generare pressioni fino a 400 MPa, e la pressione applicata, il numero di cicli/passaggi e la temperatura di ingresso sono descritti come fattori chiave che influenzano l'estraibilità e la stabilità dei fitochimici.[14]
Quantitatively, la rassegna sull'HPH riporta esempi di variazioni composizionali come diminuzioni graduali dell'acido L-ascorbico (1,7%, 4,6%, 10,7%) a 100, 200, 300 MPa e diminuzioni dei polifenoli (ad es. 10,6%, 6,0%, 1,4%) nel succo di mela a 100, 200, 300 MPa, illustrando che il livello di pressione può correlare con le perdite nei composti sensibili all'ossidazione a seconda della matrice e dell'attività enzimatica.[14]
Su scala di formulazione, la microfluidizzazione può produrre emulsioni stabili con ritenzione quantificata dei fenoli: per le emulsioni W/O/W, le condizioni ottimali del microfluidizzatore sono state riportate a 148 MPa e sette cicli, producendo goccioline di 105,3 ± 3,2 nm e PDI 0,233 ± 0,020, e dopo 35 giorni la ritenzione fenolica è stata del 68,6% con una ritenzione dell'attività antiossidante dell'89,5%.[2]
Uno studio di incapsulamento separato riporta un approccio combinato di alto taglio e microfluidizzazione: le dispersioni liposomiali sono state omogeneizzate a 9500 rpm per 10 min e successivamente fatte passare cinque volte attraverso un microfluidizzatore a 25.000 psi prima dell'essiccazione a spruzzo, dimostrando che sequenze industrialmente realistiche possono combinare l'azione di taglio e la successiva essiccazione termica.[3]
Le rassegne sull'omogeneizzazione ad altissima pressione (UHPH) enfatizzano l'estremo taglio e gli impatti all'interno della valvola, con condizioni riportate quali fluidi pompati a oltre 200 MPa (tipicamente 300 MPa) e un tempo di residenza inferiore a 0,2 s nella valvola a Mach 3, e con la nanoframmentazione di microrganismi, colloidi e biopolimeri a 100–500 nm.[34]
5.3 Miscelazione ad alto taglio
La miscelazione ad alto taglio viene spesso utilizzata come fase di pre-emulsione o dispersione e può essa stessa generare significativi aumenti di temperatura e ambienti ossidativi, influenzando così la degradazione ancor prima delle operazioni a valle.[13]
In un modello di bevanda, l'omogeneizzazione ad alto taglio per 10 min a velocità di rotazione crescenti ha aumentato la temperatura in uscita (da 4,1 ± 0,7 °C a 0 rpm a 41 ± 1,2 °C a 20.000 rpm) ed è stata associata a una consistente perdita di acido ascorbico (riduzione del 42,6% a 20.000 rpm).[13]
In un sistema di emulsione di Pickering a base di curcumina, la miscelazione ad alto taglio a 22.000 rpm per 2 min è stata utilizzata per formare le emulsioni, dopodiché i miglioramenti della stabilità sono stati quantificati tramite una degradazione più lenta e un'emivita prolungata sia in condizioni di conservazione che di stress UV, collegando la strutturazione interfasica ad alto taglio ai risultati di stabilità chimica.[1]
5.4 Macinazione meccanochimica
La lavorazione meccanochimica (ad es. la macinazione a sfere) può produrre dispersioni solide amorfe e alterare la stabilità modificando la forma allo stato solido, miscelando a livello molecolare e consentendo forti interazioni intermolecolari come i legami a idrogeno.[15]
Per i sistemi ASD e di inclusione di fisetina, la macinazione è stata eseguita a temperatura ambiente con una frequenza di 30 Hz e per una durata di 20 min, e la successiva analisi TG/DSC è stata eseguita in atmosfera di azoto per quantificare la stabilità termica e il comportamento di Tg.[15]
5.5 Essiccazione a spruzzo (Spray drying)
L'essiccazione a spruzzo è descritta come una delle tecniche più comunemente utilizzate per produrre estratti vegetali essiccati, e viene affermato che le alte temperature durante l'essiccazione a spruzzo possono avere effetti potenzialmente dannosi sui (poli)fenoli termolabili.[3, 20]
In uno studio sull'incapsulamento dei polifenoli, l'essiccazione a spruzzo è stata eseguita con una temperatura dell'aria in ingresso di 150 ± 5 °C e una temperatura in uscita di 90 ± 5 °C, mentre gli autori dichiarano che la quantità di (poli)fenoli è diminuita a causa dell'esposizione all'ossigeno e al calore durante l'essiccazione a spruzzo, motivando l'incapsulamento per preservare le proprietà funzionali.[3]
In uno studio di preformulazione di estratti, sono state valutate le condizioni di processo dell'essiccatore a spruzzo (temperatura in ingresso, portata di alimentazione, rapporto di biossido di silicio colloidale) per i loro effetti sulle risposte, e sono stati utilizzati metodi di Arrhenius per determinare i parametri cinetici di decomposizione inclusi l'ordine di reazione, il tempo di frazione decomposta e la costante di velocità.[20]
5.6 Tabella riassuntiva
La tabella sottostante riassume i profili di stress e gli impatti quantitativi di esempio riportati per le operazioni unitarie che impongono un elevato taglio e/o un'intensa esposizione termica.
6. Modelli integrati di stabilità e processo
Le fonti incluse forniscono i mattoni per un quadro predittivo integrato in cui i risultati di stabilità sono calcolati a partire dalle storie termiche delle operazioni unitarie e dai microambienti fisico-chimici (pH, ossigeno, attività dell'acqua) rispettando al contempo le soglie di transizione termodinamica.[4, 14]
6.1 Mappatura tempo-temperatura-taglio
Un approccio di mappatura pratico può utilizzare la cinetica (k, (E_a), emivita) insieme a profili temporali e di temperatura delle operazioni unitarie misurati o inferiti per calcolare la conversione attesa, utilizzando al contempo le soglie di transizione di stato (Tg, inizio della fusione, inizio della decomposizione) come confini che possono alterare i meccanismi o aumentare le velocità.[4, 15]
Ad esempio, un modello in fase di soluzione di pseudo-primo ordine per NRCl può essere parametrizzato utilizzando energie di attivazione di Arrhenius (75,4–82,8 kJ·mol−1) e l'osservazione che un aumento di 10 °C raddoppia approssimativamente k_obs, consentendo la traslazione da esperimenti validati in tampone a brevi escursioni termiche nella produzione.[4]
Per la curcumina, la sensibilità alla temperatura può essere parametrizzata utilizzando (E_a)=79,6±2,2 kJ·mol−1 a pH 8,0 e la forte dipendenza riportata di k_obs dal pH, che insieme consentono la previsione delle perdite durante le fasi di mantenimento acquoso o di emulsione riscaldata in cui il pH locale è neutro-basico.[10]
Per il trans-resveratrolo, il crollo dell'emivita guidato dal pH (da centinaia di giorni a minuti all'aumentare del pH) implica che i risultati di stabilità durante la lavorazione possano essere dominati dal pH microambientale anziché dalla temperatura di massa, e la modellazione di Arrhenius a pH 7,4 può essere utilizzata per esposizioni a temperatura moderata con (E_a)=84,7 kJ·mol−1.[12]
6.2 QbD e spazio di progettazione
L'interpretazione basata sulla qualità per progettazione (QbD) è supportata da studi che valutano esplicitamente come i parametri di processo e le matrici di formulazione alterino i meccanismi di degradazione, inclusi i risultati secondo cui i test accelerati potrebbero non prevedere la durata di conservazione in presenza di comportamenti non di Arrhenius o effetti di matrice.[7, 29]
Per le compresse di resveratrolo, la conclusione che gli approcci di Arrhenius possano sovrastimare la degradazione nei test accelerati motiva la definizione di spazi di progettazione utilizzando sia la comprensione meccanicistica che i dati a temperatura multipla anziché una singola condizione accelerata.[7, 29]
Per i sistemi di marker flavonoidi essiccati a spruzzo, viene riportato esplicitamente che gli eccipienti influenzano l'ordine cinetico e i valori di tempo alla frazione decomposta, indicando che la composizione della formulazione fa parte dello spazio di progettazione della stabilità anziché costituire uno sfondo fisso.[20]
6.3 PAT e specificità analitica
Un monitoraggio accurato del processo richiede specificità analitica poiché i prodotti di degradazione possono confondere saggi spettroscopici più semplici, in particolare per i polifenoli.[12]
Per il trans-resveratrolo, la specificità di HPLC e UPLC risulta confermata, mentre la spettroscopia UV/VIS ha portato a concentrazioni di trans-resveratrolo falsamente più elevate in condizioni in cui non era stabile (pH alcalino, luce, temperatura aumentata), sottolineando la necessità di metodi che indichino la stabilità nell'analitica di processo.[12]
7. Strategie di mitigazione
Gli approcci di mitigazione nelle fonti incluse enfatizzano la restrizione dell'esposizione ad acceleranti noti (calore, ossigeno, pH elevato, UV) e l'utilizzo di architetture di formulazione che riducono la mobilità molecolare, schermano le interfacce o collocano il principio attivo in microambienti meno reattivi.[10, 13, 17]
7.1 Incapsulamento e dispersioni
L'incapsulamento in sistemi micellari o particolati può stabilizzare sostanzialmente i composti termolabili limitando il contatto con acqua, ossigeno e specie reattive e alterando l'accessibilità acido-base dei gruppi funzionali chiave.[1, 10]
Per la curcumina, la solubilizzazione micellare riduce k_obs a 0,6–0,9×10−3 h−1 ed estende l'emivita a 777–1100 h; questa stabilizzazione è attribuita alla prevenzione della deprotonazione idrossilica all'interno di un nucleo micellare idrofobico, descritta come il primo passaggio della degradazione.[10]
Le emulsioni di Pickering forniscono una barriera fisica: viene dichiarato che la presenza di una densa barriera fisica all'interfaccia ostacola la degradazione della curcumina e, quantitativamente, il sistema formante la barriera estende l'emivita di stoccaggio da 13 giorni a 28 giorni e l'emivita UV da ~13 h a ~27 h.[1]
I sistemi di trasporto derivati da ciclodestrina forniscono un'altra strategia: i clatrati di resveratrolo-β-ciclodestrina mostrano eventi termici tra cui il rilascio di acqua vicino a 50 °C ed eventi di degradazione a temperatura più elevata, e le energie libere di legame (ad es. −86 kJ·mol−1 tramite MM/PBSA) quantificano forti interazioni di inclusione.[25]
L'incapsulamento in nanospugne del resveratrolo elimina il suo endotermo di fusione DSC e fornisce fotoprotezione: il resveratrolo libero mostra una degradazione del 59,7% entro 15 min sotto esposizione UV, mentre le nanospugne di resveratrolo forniscono una protezione di circa due volte, coerentemente con il fatto che l'incapsulamento impedisce l'esposizione diretta ai raggi UV.[16]
Le dispersioni solide amorfe possono essere ingegnerizzate tramite macinazione meccanochimica e viene identificato esplicitamente il legame ad idrogeno tra fisetina e i gruppi estere Eudragit®, fornendo una base meccanicistica per la miscibilità e la Tg alterata che possono stabilizzare contro i cambiamenti del comportamento di dissoluzione dipendenti dalla cristallizzazione.[15]
Selezione di eccipienti e trasportatori
La selezione degli eccipienti può alterare i meccanismi cinetici e i risultati di stabilità, come riportato nei sistemi di estratti vegetali essiccati a spruzzo in cui l'ordine di reazione e i tempi della frazione decomposta differiscono in base alle miscele di eccipienti, indicando una cinetica di degradazione dipendente dagli eccipienti.[20]
I co-ingredienti proteici possono stabilizzare i flavonoidi tramite interazioni idrofobiche, abbassando i valori di k per fisetina e quercetina, e la disruzione di SDS di queste interazioni supporta l'interpretazione secondo cui il legame idrofobico è un meccanismo stabilizzante chiave.[24]
Controlli di ingegneria di processo
I controlli di processo che riducono l'esposizione termica e il contatto con l'ossigeno sono direttamente supportati da molteplici set di dati.[5, 18]
Per NRCl, l'evidenza DSC/qNMR indica che il superamento della regione di inizio della fusione (~120–130 °C) può produrre una degradazione estremamente rapida, supportando rigidi limiti superiori di temperatura e tempo di permanenza nelle operazioni allo stato solido riscaldate.[4]
Per NRH, la differenza tra l'emivita in aria e in N₂ a 25 °C implica che l'inertizzazione e l'esclusione di ossigeno possano essere rilevanti, e gli autori riportano che i campioni sotto copertura di N₂ a 4 °C non mostrano alcuna degradazione rilevabile dopo 60 giorni, mentre i campioni a 4 °C in aria mostrano una degradazione del ~10%.[5]
Per l'omogeneizzazione ad alto taglio, l'osservazione diretta che l'aumento dei giri al minuto (rpm) incrementa la temperatura di uscita ed è associato a una maggiore perdita di acido ascorbico sensibile all'ossidazione supporta misure ingegneristiche che limitano il riscaldamento guidato dal taglio (ad es. camicie di raffreddamento, tempi di miscelazione più brevi, aggiunta graduale).[13]
Per l'essiccazione a spruzzo, l'affermazione secondo cui l'esposizione all'ossigeno e al calore diminuisce i (poli)fenoli e che le temperature elevate possono essere dannose per i fenoli termolabili supporta scelte quali l'abbassamento della temperatura di uscita quando fattibile e l'uso dell'incapsulamento per ridurre la sensibilità all'ossidazione e al calore.[3]
Antiossidanti e gestione dell'ossigeno
Le strategie antiossidanti e di gestione dell'ossigeno sono supportate meccanisticamente in tutti i set di dati sui polifenoli.[12, 22]
Per la quercetina a 90 °C, gli antiossidanti come la cisteina riducono k, con 200 μmol·L−1 di cisteina che producono una riduzione di k di circa il 43% rispetto al controllo, e l'interpretazione meccanicistica considera la stabilizzazione della quercetina chinone e gli effetti di scavenging dei radicali.[22]
Per il trans-resveratrolo, viene riportato esplicitamente che l'ossigeno promuove reazioni radicaliche che portano alla degradazione, supportando atmosfere di lavorazione inerti o barriere di ossigeno ove fattibile per la lavorazione acquosa alcalina/neutra.[12]
Nei sistemi liposomiali, viene riportato che il resveratrolo limita l'ossidazione dello stigmasterolo neutralizzando i radicali liberi e si integra nei doppi strati lipidici aumentando la rigidità, riducendo la permeabilità all'ossigeno e agli agenti ossidanti, migliorando così la stabilità termica e ossidativa del sistema.[35]
Discussione
Nell'insieme delle evidenze sintetizzate qui, il pattern quantitativo più forte è che il microambiente chimico (pH, ossigeno, presenza di acqua) può dominare i risultati di stabilità anche a temperature moderate, e che diversi bioattivi mostrano nette discontinuità di stabilità a specifiche soglie di transizione termica.[4, 5, 12]
Per i precursori di NAD⁺, il set di dati NRCl evidenzia un doppio regime: in soluzione acquosa, l'idrolisi di pseudo-primo ordine può essere modellata con energie di attivazione di Arrhenius e un incremento di velocità di circa due volte per ogni 10 °C, mentre allo stato solido una stretta regione intorno a 120–130 °C corrisponde alla fusione seguita immediatamente da una rapida decomposizione.[4]
Per il resveratrolo, un rischio di processo dominante emerge dalla sensibilità al pH: l'emivita crolla da lunghe durate a pH acido a minuti a pH elevato, mentre l'ossigeno promuove reazioni radicaliche, indicando che le operazioni ad alto taglio che aumentano il trasferimento di ossigeno e l'alcalinità locale potrebbero essere sproporzionatamente dannose anche se la temperatura di massa rimane moderata.[12]
Per i flavonoidi, l'ossidazione tramite intermedi chinonici e i meccanismi di deprotonazione dipendenti dal pH (quercetina) si combinano con l'ossidazione ad alta temperatura e l'accoppiamento a catena radicalica (ad es. ossigeno più colesterolo), suggerendo che le formulazioni contenenti lipidi e l'esposizione all'ossigeno possono amplificare fortemente le vie di perdita ossidativa.[22, 26]
Per la curcumina, esiste una tensione meccanicistica tra narrazioni guidate dall'idrolisi (in alcuni lavori sui tamponi gastrointestinali) e narrazioni guidate dall'autossidazione (nei lavori incentrati sulle micelles), ma entrambe convergono su un forte effetto del pH e sul ruolo protettivo dei microambienti idrofobici e della limitazione dell'ossigeno.[11, 32]
A livello di operazione unitaria, i processi ad alto taglio possono agire principalmente come acceleranti indiretti generando calore e aumentando la suscettibilità ossidativa; ciò è dimostrato direttamente nell'omogeneizzazione ad alto taglio in cui la velocità di rotazione aumenta la temperatura di uscita e coincide con la perdita ossidativa di acido ascorbico.[13]
HPH e UHPH introducono ulteriore complessità perché la regione della valvola impone taglio estremo, cavitazione e turbolenza e può generare temperature locali elevate, sebbene i tempi di permanenza possano essere molto brevi (ad es. <0,2 s nelle descrizioni UHPH), il che implica che i risultati chimici possano dipendere dal fatto che la degradazione sia controllata da processi radicalici veloci, fasi limitate dalla diffusione o fasi di attivazione termica più lente.[14, 34]
Infine, diverse fonti evidenziano che la modellazione della stabilità deve essere validata meccanisticamente nella matrice rilevante: i dati sulle compresse di resveratrolo mostrano un comportamento non di Arrhenius ed effetti di matrice che limitano l'estrapolazione generale di Arrhenius dai test accelerati, e i marker di estratti vegetali essiccati a spruzzo mostrano ordini cinetici e tempi di frazione decomposta dipendenti dagli eccipienti.[7, 20]
Conclusioni
I marker di transizione termodinamica quantitativa (DSC/TGA) e la cinetica di degradazione (k, t_(1/2), (E_a), energie di attivazione dipendenti dalla conversione) forniscono una base rilevante per il processo per la progettazione di condizioni di produzione che preservano la potenza dei composti per la longevità termolabili e dei bioattivi correlati.[4, 8, 9]
Per i precursori di NAD⁺, NRCl mostra una stretta finestra di lavorazione termica vicino alla fusione seguita da una rapida decomposizione, mentre la cinetica acquosa mostra un comportamento di pseudo-primo ordine dipendente dal pH con energie di attivazione di 75–83 kJ·mol−1 che possono parametrizzare i modelli di esposizione termica.[4]
Per il resveratrolo, il pH e l'ossigeno sono variabili dominanti, con l'emivita che crolla da centinaia di giorni a pH acido a minuti a pH elevato, e le matrici di formulazione possono produrre un comportamento non di Arrhenius che complica l'estrapolazione dei test accelerati.[7, 12]
Per flavonoidi e curcuminoidi, le vie di ossidazione (intermedi chinonici per la quercetina; autossidazione per la curcumina) motivano il controllo dell'ossigeno e le strategie di incapsulamento idrofobico, che è dimostrato quantitativamente estendere l'emivita di ordini di grandezza nei sistemi micellari e materialmente nelle emulsioni di Pickering prodotte tramite miscelazione ad alto taglio.[1, 10, 22, 32]
Per le operazioni unitarie ad alto taglio, le evidenze disponibili dimostrano che il taglio può elevare la temperatura e promuovere l'ossidazione (miscelazione ad alto taglio) e che i processi ad alta pressione basati su valvole generano taglio estremo e cavitazione, con pressione, numero di passaggi e temperatura di ingresso come variabili di stress chiave; questi dati supportano l'implementazione della mappatura tempo-temperatura-taglio e della PAT mediante analisi indicatrici della stabilità.[12–14]
Conflitto di interessi
Gli autori dichiarano nessun conflitto di interessi.[20]
