Abstract
I composti termolabili associati alla longevità e i bioattivi polifenolici sono frequentemente soggetti a stress termici, ossidativi, di pH e meccanici accoppiati durante la produzione (ad esempio, miscelazione ad alto taglio, omogeneizzazione ad alta pressione ed essiccazione a spruzzo/spray drying), che possono accelerare la degradazione chimica e ridurre la potenza erogata. Sono pertanto necessari parametri di stabilità quantitativi e rilevanti per il processo per definire spazi di progettazione producibili e per guidare le strategie di formulazione protettiva.[1–3]
I metodi nella presente sintesi si concentrano sull'evidenza quantitativa estratta 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) cinetica di degradazione (modelli di pseudo-primo ordine/primo ordine, energie di attivazione di Arrhenius, dipendenze dal pH e misure del tempo di decomposizione frazionata) per i precursori del 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 strette in specifici stati fisici. Il cloruro di nicotinammide riboside (NRCl) mostra un inizio di fusione a 120.7 ± 0.3 °C con una rapida decomposizione post-fusione (ad esempio, degradazione del 98% 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, la cinetica di degradazione dipende fortemente dal pH e dalla temperatura (ad esempio, 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 non-Arrhenius nelle matrici delle compresse.[7, 12]
Le operazioni unitarie ad alto taglio possono indurre riscaldamento locale e ambienti ossidativi, come dimostrato dall'omogeneizzazione ad alto taglio che aumenta la temperatura di uscita con la velocità di rotazione, coincidendo con una perdita di acido ascorbico del 42.6% a 20,000 rpm, e dai meccanismi di omogeneizzazione ad alta pressione che coinvolgono taglio della valvola, cavitazione e turbolenza a >100 MPa.[13, 14]
Le conclusioni sottolineano l'integrazione dei dati sulle transizioni termodinamiche (DSC/TGA/Tg) con i modelli cinetici (Arrhenius, non-Arrhenius e metodi isoconversionali) per produrre mappe tempo-temperatura-taglio e selezionare razionalmente strategie di mitigazione tra cui incapsulamento, dispersioni solide amorfe, sistemi ciclodestrina/nanosponge, controllo dell'ossigeno e minimizzazione del taglio/temperatura.[15–18]
Parole chiave: bioattivi termolabili; cinetica di degradazione; Arrhenius; DSC; TGA; omogeneizzazione ad alta pressione; spray drying; precursori del NAD+
1. Introduzione
I composti rilevanti per la longevità sono sempre più formulati come nutraceutici, alimenti funzionali e sistemi di somministrazione avanzati, motivando percorsi di produzione che espongono i principi attivi a 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 del NAD+, la stabilità in fase acquosa e allo stato solido è fondamentale perché la reattività può avvenire tramite idrolisi di motivi glicosidici o legati al fosfato, e perché le temperature di processo possono superare le soglie di transizione allo stato solido che precedono la rapida decomposizione.[4, 6]
Per i polifenoli e i relativi principi attivi botanici, i vincoli di stabilità includono 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 del bulk; deve invece integrare (i) indicatori termodinamici come la transizione vetrosa, la fusione e l'inizio della decomposizione e (ii) modelli cinetici che catturino la dipendenza della degradazione da tempo, temperatura, pH, ossigeno e (dove misurabile) apporto di energia meccanica.[4, 9, 10, 14, 15]
Questo documento sintetizza le prove quantitative su composti rappresentativi della longevità e relativi bioattivi per i quali le fonti incluse forniscono esplicite transizioni termodinamiche e/o parametri cinetici, e collega tali dati ai profili di stress delle operazioni unitarie ad alto taglio, tra cui miscelazione ad alto taglio, omogeneizzazione/microfluidizzazione ad alta pressione, macinazione meccanochimica ed essiccazione a spruzzo (spray drying).[1, 14, 15, 20]
2. Quadro termodinamico
La stabilità termodinamica nei contesti produttivi è valutata operativamente utilizzando eventi termici misurabili (DSC/TGA) e descrittori di stato (ad esempio, amorfo vs cristallino; temperatura di transizione vetrosa) che indicano quando un composto o una formulazione transita verso stati con maggiore mobilità molecolare e quindi velocità di reazione più elevate o meccanismi differenti.[4, 9, 15]
2.1 Energia libera di Gibbs e stabilità di fase
Diverse 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 l'NR borato, la spontaneità della degradazione è stata valutata tramite un calcolo dell'energia libera di Gibbs, con (ΔG) riportato come 2.43 kcal·mol−1.[19]
Per la rutina e gli esteri della rutina con acidi grassi in condizioni pirolitiche, i valori di (ΔG) erano positivi (84–245 kJ·mol−1) insieme a (ΔH) positivi (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 dell'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 marcatori complementari del rischio di processo: gli eventi di fusione o rammollimento possono aumentare drasticamente la diffusione e consentire una rapida conversione chimica, e l'inizio della perdita di massa TGA può indicare l'inizio della decomposizione irreversibile anche nell'apparente stato solido.[4, 9, 15]
Per l'NRCl, la DSC indica un inizio della fusione a 120.7 ± 0.3 °C e un picco di fusione a 125.2 ± 0.2 °C, seguito da un immediato e marcato evento esotermico con picco a 130.8 ± 0.3 °C.[4]
In coerenza con la sequenza degli eventi DSC, la quantificazione qNMR mostra una degradazione limitata a 115 °C (2%) ma una perdita rapida 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 l'NMN, una fonte riporta che il composto si decompone invece di mostrare una chiara transizione di fusione, con la decomposizione che inizia a 160 °C e si completa entro i 165 °C e un picco DSC endotermico a 162 °C con entalpia di decomposizione di 184 kJ·mol−1.[6]
Per la quercetina, l'interpretazione combinata DSC/TGA indica che un intenso endotermia DSC (massimo a 303 °C) è comunemente erroneamente attribuito alla fusione, mentre la TGA indica che la decomposizione inizia a 230 °C e l'endotermia 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 lieve perdita di massa (~5%) attribuita all'evaporazione dell'acqua dal campione cristallino e un importante evento di perdita di massa (~30.6%) a 369.6 °C attribuito alla decomposizione della molecola.[15]
Per la curcumina sotto azoto inerte, uno studio riporta che la curcumina grezza mostra un complesso processo di decomposizione che inizia intorno ai 240 °C (5% di perdita di massa) 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 compositivi nella Tg coerenti con la miscibilità: Eudragit® L100/EPO puri mostrano 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 il resveratrolo e le nanospugne di ossiresveratrolo, la DSC mostra che l'endotermia di fusione del resveratrolo (266.49 °C) scompare nelle formulazioni di nanospugne, il che gli autori attribuiscono all'incapsulamento e alla possibile amorfizzazione delle molecole di farmaco all'interno della matrice della nanospugna.[16]
Per la quercetina, si propone che il legame a idrogeno limiti il rammollimento simile alla fusione e faciliti la decomposizione attraverso l'indebolimento dei legami; l'interpretazione combinata DSC/TGA conclude che la quercetina non fonde semplicemente, ma subisce una decomposizione e un rilassamento/rammollimento strutturale sovrapposti nell'intervallo 150–350 °C.[9]
3. Modelli e parametri della cinematica di degradazione
Le fonti incluse utilizzano una gamma di modelli cinetici (primo ordine, pseudo-primo ordine, forme di ordine superiore o 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 multi-percorso.[4, 7, 22]
3.1 Modelli di ordine di reazione
Un riferimento ampiamente utilizzato per la degradazione in fase soluzionale è il modello integrato di primo ordine che appare in molteplici studi inclusi come adattamento primario ai dati concentrazione-tempo sotto 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 di primo ordine k (h−1) che aumentano fortemente con il pH e la temperatura.[24]
Per la quercetina a 90 °C vicino al pH neutro (6.5–7.5), è stato implementato un modello sigmoidale e confrontato con un modello di primo ordine, con il modello sigmoidale che ha prodotto valori di k 2.3–2.5 volte superiori agli adattamenti di primo ordine e una diversa interpretazione dell'emivita a pH 7.5.[22]
Per i marcatori 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 kaempferolo (attraverso binarie di eccipienti) e un modello di secondo ordine per la quercetina tra gli eccipienti.[20]
3.2 Trattamenti di Arrhenius e 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 durata di conservazione 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 è riportata come log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) con 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 37–60 °C produce (Ea)=79.6±2.2 kJ·mol−1.[10]
Per la curcumina in media acquosi rilevanti per il tratto gastrointestinale, i grafici di Arrhenius mostrano un'elevata linearità tra 37–80 °C (valori r2 riportati come 0.9967, 0.9994, 0.9886 per diversi media), 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 appare anche nello studio della decomposizione idrolitica di un estere spiroborato di curcumina (CBS), dove un grafico di Eyring è riportato per mostrare una relazione lineare con correlazione 0.9988.[21]
3.3 Metodi isoconversionali e model-free
Diversi studi sulla degradazione termica applicano metodi isoconversionali (ad esempio, KAS, FWO, Friedman) per calcolare le energie di attivazione dipendenti dalla conversione e identificare così la decomposizione in più fasi e i cambiamenti di meccanismo.[8, 18, 25]
Per la rutina e gli esteri della rutina con acidi grassi, 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 questo 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 Friedman), il che è interpretato come indicazione di un cambiamento nel meccanismo di reazione man mano che la decomposizione procede.[25]
Per i sistemi polimerici caricati con curcumina sotto azoto, le energie di attivazione derivate da molteplici approcci (Kissinger, KAS, Friedman e model-fitting) mostrano magnitudini ampiamente coerenti (ad esempio, 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 termo-meccanica e ossidativa accoppiata
Le operazioni di produzione ad alto taglio possono accoppiare la dissipazione dell'energia meccanica al riscaldamento locale e a un potenziato trasferimento di ossigeno, amplificando così i percorsi guidati dall'ossidazione nei bioattivi sensibili all'ossigeno.[13, 14, 17]
Nell'omogeneizzazione ad alto taglio di un sistema per bevande, la temperatura di uscita aumenta notevolmente con la velocità di rotazione (ad esempio, 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 dall'alta temperatura e dall'ossidazione.[13]
Nell'omogeneizzazione ad alta pressione (HPH), il meccanismo di lavorazione è esplicitamente attribuito alla distribuzione dello stress da taglio all'orifizio della valvola, dove il movimento del fluido è interrotto, e ad ulteriori fenomeni come cavitazione, turbolenza, collisione e impatto, che insieme creano un intenso stress meccanico e potenzialmente ossidativo.[14]
L'accoppiamento ossidativo è dimostrato anche in esperimenti di ossidazione termica per la quercetina: a 150 °C, la degradazione della quercetina procede più velocemente sotto ossigeno rispetto all'azoto (costanti di velocità 0.868 h−1 vs 0.253 h−1) ed è fortemente accelerata in presenza di colesterolo e ossigeno (costante di velocità 7.17 h−1), in linea 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 di 1.27×10−7 s−1 in aria (emivita 63 giorni) rispetto a 5.90×10−8 s−1 sotto N2 (emivita 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. Revisione per classe di composti
La sintesi focalizzata sui composti di seguito enfatizza i parametri cinetici e termodinamici quantificati che possono essere utilizzati direttamente nei modelli di produzione, inclusi energie di attivazione, costanti di velocità, emivite, inizi di decomposizione e vincoli relativi alla transizione vetrosa o alla fusione.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 Precursori del NAD+
La stabilità dei precursori del NAD+ è fortemente condizionata dalla suscettibilità all'idrolisi e dalla scarsa tolleranza a determinate transizioni termiche (particolarmente per l'NRCl nella regione di fusione) e all'ossidazione guidata dall'ossigeno (particolarmente per le forme ridotte come l'NRH).[4, 5]
L'NRCl mostra una cinetica di degradazione di pseudo-primo ordine in soluzioni acquose e presenta energie di attivazione che variano con il pH (75.4–82.8 kJ·mol−1), codificando quantitativamente sia la sensibilità termica che la dipendenza dal pH del percorso 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 viene presentata un'evidenza di bilancio molare che indica 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 esempio, ~97–99% rimanente dopo 2 h in media gastrica) ma una diminuzione misurabile a lungo termine in una simulazione di 24 h (79.18 ± 2.68% rimanente a 24 h, con 90.51 ± 0.82% rimanente a 8 h).[4]
Allo stato solido, l'NRCl presenta una stretta finestra di temperatura tra l'inizio 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 esplicito di temperatura superiore per la lavorazione dell'NRCl" che può influenzare la produzione di integratori attraverso le fasi, sottolineando la rilevanza delle soglie DSC/qNMR come vincoli rigidi nelle operazioni riscaldate.[4]
L'NR borato introduce una strategia di stabilizzazione motivata dalla reattività dell'NR: l'NR è descritto come avente un legame glicosidico particolarmente instabile che unisce un eterociclo piridinio caricato positivamente a un carboidrato, rendendolo difficile da sintetizzare, conservare e trasportare, e la stabilizzazione con borato è descritta come avente un'elevata stabilità contro la degradazione termica e chimica.[19]
Quantitativamente, la solubilità dell'NR borato dipende fortemente dal pH (ad esempio, 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 è riportato per mostrare velocità di degradazione più elevate a pH 7.4 rispetto a pH 1.5 o 5.0, in linea con l'influenza della concentrazione di HO−.[19]
La stessa recensione riporta un'energia libera di Gibbs di degradazione dell'NR borato di 2.43 kcal·mol−1 e nota che un aumento di 10 °C raddoppia approssimativamente la velocità di degradazione in qualsiasi condizione di pH, riecheggiando la sensibilità alla temperatura osservata per l'NRCl.[4, 19]
L'NRH mostra una marcata 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 sotto 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 linea con l'NRH descritto come una molecola instabile a causa del suo legame N-glicosidico e capace di degradazione, idrolisi e ossidazione.[5]
Per l'NMN, i marcatori termodinamici quantitativi allo stato solido includono la decomposizione riportata che inizia a 160 °C e si completa entro i 165 °C (con un picco DSC endotermico a 162 °C e 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% UR.[6]
In soluzione acquosa, la degradazione dell'NMN è riportata come apparente 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 dall'alta temperatura e dal pH.[27]
Per supportare i vincoli pratici di formulazione, una fonte focalizzata sul prodotto raccomanda l'incorporazione al di sotto dei 45 °C per prevenire la degradazione termica del legame fosfodiestere e riporta meno del 5% di degradazione nei test accelerati a 40 °C/75% UR per 3 mesi per sistemi a basso contenuto d'acqua correttamente formulati.[28]
Il percorso primario di degradazione dell'NMN è descritto come idrolisi del legame fosfodiestere che produce nicotinammide e ribosio-5-fosfato, con dipendenze dal pH descritte come idrolisi acido-catalizzata al di sotto di pH 4.5 e scissione base-mediata al di sopra di pH 7.5.[28]
4.2 Stilbenoidi
Gli stilbenoidi includono il resveratrolo e composti correlati che mostrano una forte degradazione dipendente dal pH e dall'ossigeno, e la loro stabilità in formulazioni reali può deviare dalla semplice estrapolazione di Arrhenius a causa degli effetti di matrice e di percorsi multipli.[7, 12, 29]
Nei sistemi acquosi, il trans-resveratrolo è riportato essere stabile a pH acido, mentre la degradazione aumenta esponenzialmente 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 di primo ordine attraverso le temperature studiate, 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 dagli H₃O⁺ carichi 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 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 diminuzione dell'assorbanza tra 270–350 nm, indicando distruzione indotta termicamente in condizioni idrotermali.[30]
L'interpretazione meccanicistica di quegli 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 delle compresse, la degradazione del resveratrolo è riportata seguire una cinetica monoesponenziale di primo ordine con valori di k pari a 0.07140, 0.1937 e 0.231 mesi−1 rispettivamente a 25, 30 e 40 °C, ma la relazione ln(k) vs 1/T è non lineare e classificata come super-Arrhenius, con gli autori che propongono possibili seconde reazioni, percorsi di reazione multipli o effetti di matrice a temperature più elevate.[7]
Lo stesso lavoro sottolinea che l'estrapolazione di Arrhenius non sempre consente 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 stilbene nei sistemi a secco, i trattamenti termici come la sterilizzazione a vapore a 121 °C per 20 min producono perdite misurabili (ad esempio, la pinosilvina è diminuita del 20.98% per area del picco), e l'essiccazione in forno per 24 h a 105 °C produce diminuzioni >50% nell'area del picco per diversi fenolici, mentre la TGA indica temperature di inizio della decomposizione superiori a ~200 °C per i sistemi di pinosilvina.[31]
4.3 Flavonoidi
I flavonoidi mostrano una sensibilità alla degradazione multi-percorso influenzata dal pH, dalla temperatura, dall'ossigeno e dalle interazioni della 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]
In 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 esempio, 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'aumento della temperatura sopra i 37 °C aumenta sostanzialmente k (ad esempio, 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 misurati di k diminuiscono, incluso il valore k della fisetina che scende da 3.58×10−2 a intervalli fino a 1.76×10−2 h−1 e il valore k della quercetina che scende da 7.99×10−2 a intervalli fino a 3.80×10−2 h−1.[24]
Meccanisticamente, l'instabilità chimica dei flavonoidi è attribuita ai gruppi ossidrilici e a una struttura pironica instabile, e la stabilizzazione da parte delle proteine è attribuita principalmente alle interazioni idrofobiche (con l'SDS che interrompe la stabilizzazione), con contributi del legame a idrogeno evidenziati come richiedenti futuri saggi quantitativi.[24]
Per la quercetina a 90 °C vicino alla neutralità, la cinetica di degradazione mostra forti effetti del pH: 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 prodotti finali tipici tra cui l'acido protocatecuico (PCA) e l'acido floroglucinolo carbossilico (PGCA).[22]
La narrazione 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 fenolici più semplici con assorbanza limitata, mentre la deprotonazione alcalina accelera l'ossidazione che colpisce l'anello C e la struttura o-difenolo 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 scende al 10.9% rimanente 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 piccola perdita di massa (0.86 ± 0.33 % in peso), la decomposizione inizia a 230 °C e un prominente endotermia DSC a 303 °C si sovrappone alla decomposizione; si sostiene che il legame a idrogeno limiti il comportamento simile alla fusione e faciliti la decomposizione indebolendo i legami chimici.[9]
Per la rutina (un glicoside della quercetina) e i suoi esteri con acidi grassi, la TGA indica che la rutina è termicamente stabile fino a 240 °C, mentre gli esteri mostrano temperature di inizio degradazione 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 dipende fortemente dal pH e coinvolge percorsi ossidativi in molte condizioni acquose, mentre la decomposizione termica e le interazioni della formulazione possono spostare gli inizi della degradazione e i parametri cinetici apparenti.[10, 18, 32]
In miscele tampone/metanolo a 37 °C, si riporta che la degradazione della curcumina segue una cinetica di primo ordine con k_obs che aumenta drasticamente all'aumentare del pH (ad esempio, 3.2×10−3 h−1 a pH 7.0 vs 693×10−3 h−1 a pH 12.0), mentre a pH 5.0 la curcumina è stabile negli esperimenti riportati.[10]
A pH 8.0, l'analisi di Arrhenius produce (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1, e l'estrapolazione al tampone acquoso suggerisce una rapida perdita in condizioni ossidanti (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]
Le nanoformulazioni micellari rallentano drasticamente la degradazione: in micelle polimeriche e micelle Triton X-100 a pH 8.0 e 37 °C, i valori riportati di k_obs scendono a 0.9×10−3 e 0.6×10−3 h−1, con emivite di 777 ± 87 h e 1100 ± 95 h, che si afferma essere circa 300–500 volte superiori alla curcumina libera in tampone acquoso.[10]
Meccanisticamente, il lavoro incluso sostiene che la degradazione della curcumina non proceda tramite scissione della catena idrolitica ma tramite ossidazione producendo un biciclopentadione come prodotto finale, con la degradazione di 1 mole di curcumina associata al consumo di 1 mole di O₂ e con il primo passo che è la deprotonazione dei gruppi ossidrilici a pH superiore a 7.0.[10]
Uno studio di stabilità separato rilevante per il tratto gastrointestinale riporta una cinetica apparente di primo ordine con elevata linearità (r² > 0.95) e fornisce energie di attivazione (in kcal·mol−1) che variano con il mezzo (più alte 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]
Ad alte temperature (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 all'intermediazione dell'acido ferulico e a una fase di decarbossilazione accelerata dall'esposizione all'aria e dalle temperature più elevate.[33]
Studi sulla decomposizione termica della curcumina e dei sistemi polimerici contenenti curcumina sotto azoto mostrano un comportamento complesso: la decomposizione della curcumina grezza inizia intorno ai 240 °C, mentre l'incorporazione della curcumina nelle miscele PGA/PCL sposta il massimo della degradazione del PGA a temperature più basse (ad esempio, da 372 °C per la miscela pura a 327 °C con il 5% di curcumina), implicando che l'incorporazione della curcumina possa ridurre la stabilità termica della matrice.[18]
Lo stesso studio focalizzato sul polimero collega questi risultati alla pertinenza produttiva 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 alla temperatura più bassa possibile per prevenire la degradazione del PGA.[18]
La stabilizzazione della curcumina sotto emulsificazione ad alto taglio è quantificata anche 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 è degradata dopo 6 giorni e ne rimane solo il 20% dopo 16 giorni, mentre un sistema di emulsione di Pickering ne trattiene il ~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 di olio, mentre l'emulsione di Pickering ne trattiene il ~70% dopo 9 h e il ~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 seguente consolida i parametri cinetici e termodinamici rappresentativi riportati tra le 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 interfacciale, influenzando così sia la cinetica di reazione che 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 che l'attività del farmaco, e si afferma esplicitamente 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 di curcumina influisce negativamente sulla stabilità termica del PGA, e gli autori raccomandano 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; all'orifizio, un fluido è sottoposto a un'azione di taglio e ulteriori fenomeni come 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; 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]
Quantitativamente, la recensione sull'HPH riporta cambiamenti compositivi esemplificativi come diminuzioni graduali di acido L-ascorbico (1.7%, 4.6%, 10.7%) a 100, 200, 300 MPa e diminuzioni di polifenoli (ad esempio, 10.6%, 6.0%, 1.4%) nel succo di mela a 100, 200, 300 MPa, illustrando che il livello di pressione può correlarsi con le perdite nei composti sensibili all'ossidazione a seconda della matrice e dell'attività enzimatica.[14]
Su scala formulativa, la microfluidizzazione può produrre emulsioni stabili con ritenzione quantificata dei fenolici: per le emulsioni W/O/W, le condizioni ottimali del microfluidizzatore sono state riportate come 148 MPa e sette cicli, producendo goccioline di 105.3 ± 3.2 nm e PDI di 0.233 ± 0.020, e dopo 35 giorni la ritenzione fenolica era del 68.6% con una ritenzione dell'attività antiossidante dell'89.5%.[2]
Uno studio separato sull'incapsulamento riporta un approccio combinato di alto taglio e microfluidizzazione: le dispersioni liposomiali sono state omogeneizzate a 9500 rpm per 10 min e poi passate cinque volte attraverso un microfluidizzatore a 25,000 psi prima dell'essiccazione a spruzzo (spray drying), dimostrando che sequenze industrialmente realistiche possono combinare il taglio e la successiva essiccazione termica.[3]
Le recensioni sull'omogeneizzazione ad altissima pressione (UHPH) sottolineano il taglio estremo e gli impatti all'interno della valvola, con condizioni riportate come fluidi pompati a più di 200 MPa (tipicamente 300 MPa) e tempo di residenza inferiore a 0.2 s nella valvola a Mach 3, e con nano-frammentazione di microrganismi, colloidi e biopolimeri a 100–500 nm.[34]
5.3 Miscelazione ad alto taglio
La miscelazione ad alto taglio è spesso utilizzata come fase di pre-emulsificazione o dispersione e può generare essa stessa aumenti significativi di temperatura e ambienti ossidativi, influenzando così la degradazione anche 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 di 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 sostanziale perdita di acido ascorbico (riduzione del 42.6% a 20,000 rpm).[13]
In un sistema di emulsione di Pickering alla curcumina, è stata utilizzata la miscelazione ad alto taglio a 22,000 rpm per 2 min per formare emulsioni, dopodiché i miglioramenti della stabilità sono stati quantificati tramite una degradazione più lenta e un'emivita estesa sia sotto stoccaggio che sotto stress UV, collegando la strutturazione interfacciale ad alto taglio ai risultati di stabilità chimica.[1]
5.4 Macinazione meccanochimica
La lavorazione meccanochimica (ad esempio, macinazione a sfere) può produrre dispersioni solide amorfe e alterare la stabilità cambiando la forma allo stato solido, miscelando a livello molecolare e consentendo forti interazioni intermolecolari come il legame a idrogeno.[15]
Per le ASD di fisetina e le inclusioni, la macinazione è stata eseguita a temperatura ambiente con frequenza 30 Hz e tempo 20 min, e la successiva analisi TG/DSC è stata eseguita sotto azoto per quantificare la stabilità termica e il comportamento della Tg.[15]
5.5 Essiccazione a spruzzo (Spray drying)
L'essiccazione a spruzzo (spray drying) è descritta come una delle tecniche più comunemente utilizzate per la produzione di estratti vegetali secchi, e si afferma che le alte temperature durante lo spray drying abbiano effetti potenzialmente deleteri sui (poli)fenoli termolabili.[3, 20]
In uno studio sull'incapsulamento dei polifenoli, lo spray drying è stato eseguito con una temperatura dell'aria in ingresso di 150 ± 5 °C e una temperatura in uscita di 90 ± 5 °C; gli autori affermano che la quantità di (poli)fenoli è diminuita a causa dell'esposizione all'ossigeno e al calore durante lo spray drying, motivando l'incapsulamento per preservare le proprietà funzionali.[3]
In uno studio di preformulazione degli estratti, le condizioni di processo dell'essiccatore a spruzzo (temperatura di ingresso, velocità del flusso di alimentazione, rapporto di biossido di silicio colloidale) sono state valutate per i loro effetti sulle risposte, e i metodi di Arrhenius sono stati utilizzati per determinare i parametri cinetici di decomposizione tra cui l'ordine di reazione, il tempo della frazione decomposta e la costante di velocità.[20]
5.6 Tabella riassuntiva
La tabella seguente riassume i profili di stress e gli impatti quantitativi esemplificativi riportati per le operazioni unitarie che impongono un alto taglio e/o un'intensa esposizione termica.
6. Modelli integrati stabilità-processo
Le fonti incluse forniscono elementi costitutivi 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 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 ai profili tempo-temperatura misurati o dedotti dell'operazione unitaria per calcolare la conversione prevista, utilizzando le soglie di transizione di stato (Tg, inizio della fusione, inizio della decomposizione) come confini che possono spostare i meccanismi o aumentare le velocità.[4, 15]
Ad esempio, un modello in fase soluzionale di pseudo-primo ordine per l'NRCl può essere parametrizzato utilizzando le 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 traduzione dagli esperimenti in tampone convalidati 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 permanenze acquose o le fasi di emulsificazione riscaldate 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 piuttosto che dalla temperatura di massa, e la modellazione di Arrhenius a pH 7.4 può essere utilizzata per esposizioni a temperature modeste con (E_a)=84.7 kJ·mol−1.[12]
6.2 QbD e spazio di progettazione
L'interpretazione della qualità per progettazione (Quality-by-design, QbD) è supportata da studi che valutano esplicitamente come i parametri di processo e le matrici di formulazione alterino i meccanismi di degradazione, incluse le scoperte che i test accelerati potrebbero non riuscire a prevedere la durata di conservazione quando si verificano comportamenti non-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 multi-temperatura piuttosto che una singola condizione accelerata.[7, 29]
Per i sistemi di marcatori flavonoidi essiccati a spruzzo, si riporta esplicitamente che gli eccipienti influenzano l'ordine cinetico e i valori del tempo di frazione decomposta, indicando che la composizione della formulazione fa parte dello spazio di progettazione della stabilità piuttosto che essere uno sfondo fisso.[20]
6.3 PAT e specificità analitica
Un monitoraggio accurato del processo richiede specificità analitica perché i prodotti di degradazione possono confondere saggi spettroscopici più semplici, in particolare per i polifenoli.[12]
Per il trans-resveratrolo, la specificità HPLC e UPLC è riportata come 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 indicativi di stabilità nell'analitica di processo.[12]
7. Strategie di mitigazione
Gli approcci di mitigazione nelle fonti incluse enfatizzano la limitazione dell'esposizione agli acceleranti noti (calore, ossigeno, pH elevato, UV) e l'uso di architetture di formulazione che riducano la mobilità molecolare, schermino le interfacce o collochino l'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 l'acqua, l'ossigeno e le 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 ossidrilica all'interno di un nucleo micellare idrofobico, descritta come la prima fase della degradazione.[10]
Le emulsioni di Pickering forniscono una barriera fisica: si afferma che la presenza di una densa barriera fisica all'interfaccia ostacoli la degradazione della curcumina, e quantitativamente il sistema di formazione della barriera estende l'emivita di conservazione da 13 giorni a 28 giorni e l'emivita UV da ~13 h a ~27 h.[1]
I sistemi di trasporto derivati dalla ciclodestrina forniscono un'altra strategia: i clatrati di resveratrolo–β-ciclodestrina mostrano eventi termici tra cui il rilascio di acqua vicino ai 50 °C ed eventi di degradazione a temperatura più elevata, e le energie libere di legame (ad esempio, −86 kJ·mol−1 tramite MM/PBSA) quantificano forti interazioni di inclusione.[25]
L'incapsulamento in nanospugne del resveratrolo elimina la sua endotermia 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 l'incapsulamento che previene l'esposizione diretta ai raggi UV.[16]
Le dispersioni solide amorfe possono essere ingegnerizzate tramite macinazione meccanochimica, e il legame a idrogeno tra fisetina e gruppi esterei di Eudragit® è identificato esplicitamente, fornendo una base meccanicistica per la miscibilità e l'alterazione della Tg che può stabilizzare contro i cambiamenti dipendenti dalla cristallizzazione nel comportamento di dissoluzione.[15]
7.2 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 dove l'ordine di reazione e i tempi della frazione decomposta differiscono a seconda delle miscele di eccipienti, indicando una cinetica di degradazione dipendente dall'eccipiente.[20]
I co-ingredienti proteici possono stabilizzare i flavonoidi tramite interazioni idrofobiche, abbassando i valori di k per fisetina e quercetina, e la rottura di queste interazioni da parte di SDS supporta l'interpretazione che il legame idrofobico sia un meccanismo di stabilizzazione chiave.[24]
7.3 Controlli dell'ingegneria di processo
I controlli di processo che riducono l'esposizione termica e il contatto con l'ossigeno sono supportati direttamente da molteplici set di dati.[5, 18]
Per l'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 limiti superiori rigidi per la temperatura e il tempo di residenza nelle operazioni allo stato solido riscaldate.[4]
Per l'NRH, la differenza tra l'emivita in aria e in N₂ a 25 °C implica che l'inertizzazione e l'esclusione dell'ossigeno possono essere rilevanti, e gli autori riferiscono che i campioni sotto una coltre 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 aumenta la temperatura di uscita ed è associata a una maggiore perdita di acido ascorbico sensibile all'ossidazione supporta misure ingegneristiche che limitano il riscaldamento guidato dal taglio (ad esempio, camicie di raffreddamento, tempi di miscelazione più brevi, aggiunta a stadi).[13]
Per lo spray drying, l'affermazione che l'esposizione all'ossigeno e al calore diminuisca i (poli)fenoli e che le alte temperature possano essere dannose per i fenolici termolabili supporta scelte come l'abbassamento della temperatura di uscita quando possibile e l'uso dell'incapsulamento per ridurre la sensibilità all'ossidazione e al calore.[3]
7.4 Antiossidanti e gestione dell'ossigeno
Le strategie di gestione dell'ossigeno e degli antiossidanti sono supportate meccanicisticamente attraverso 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 del ~43% rispetto al controllo, e l'interpretazione meccanicistica considera la stabilizzazione del chinone di quercetina e gli effetti di quenching dei radicali.[22]
Per il trans-resveratrolo, l'ossigeno è esplicitamente riportato per promuovere reazioni radicaliche che portano alla degradazione, supportando atmosfere di lavorazione inerti o barriere all'ossigeno ove possibile per la lavorazione acquosa alcalina/neutra.[12]
Nei sistemi liposomiali, il resveratrolo è riportato limitare l'ossidazione dello stigmasterolo neutralizzando i radicali liberi e integrarsi nei doppi strati lipidici aumentandone la rigidità, riducendo la permeabilità all'ossigeno e agli agenti ossidanti, migliorando così la stabilità termica e ossidativa del sistema.[35]
Discussione
Attraverso la base di prove qui sintetizzata, il modello quantitativo più forte è che il microambiente chimico (pH, ossigeno, presenza di acqua) può dominare i risultati di stabilità anche a temperature modeste, e che diversi bioattivi mostrano brusche discontinuità di stabilità a specifiche soglie di transizione termica.[4, 5, 12]
Per i precursori del 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 aumento della velocità di circa due volte 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 esempio, ossigeno più colesterolo), suggerendo che le formulazioni contenenti lipidi e l'esposizione all'ossigeno possano amplificare fortemente i percorsi di perdita ossidativa.[22, 26]
Per la curcumina, esiste una tensione meccanicistica tra le narrazioni guidate dall'idrolisi (in alcuni lavori sul tampone gastrointestinale) e le narrazioni guidate dall'autossidazione (nei lavori focalizzati sulle micelle), 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 dove la velocità di rotazione aumenta la temperatura di uscita e coincide con la perdita ossidativa di acido ascorbico.[13]
L'HPH/UHPH introduce un'ulteriore complessità perché la regione della valvola impone taglio estremo, cavitazione e turbolenza, e può generare elevate temperature locali, sebbene i tempi di residenza possano essere molto brevi (ad esempio, <0.2 s nelle descrizioni UHPH), implicando 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 convalidata meccanicisticamente nella matrice rilevante: i dati sulle compresse di resveratrolo mostrano un comportamento non-Arrhenius ed effetti di matrice che limitano l'estrapolazione generale di Arrhenius dai test accelerati, e i marcatori di estratti vegetali essiccati a spruzzo mostrano ordini cinetici dipendenti dall'eccipiente e tempi di frazione decomposta.[7, 20]
Conclusioni
I marcatori quantitativi della transizione termodinamica (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 preservino la potenza dei composti termolabili della longevità e dei relativi bioattivi.[4, 8, 9]
Per i precursori del NAD+, l'NRCl presenta 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-Arrhenius che complica l'estrapolazione dei test accelerati.[7, 12]
Per i flavonoidi e i curcuminoidi, i percorsi di ossidazione (intermedi chinonici per la quercetina; autossidazione per la curcumina) motivano il controllo dell'ossigeno e le strategie di incapsulamento idrofobico, che si sono dimostrate quantitativamente capaci di estendere l'emivita di ordini di grandezza nei sistemi micellari e materialmente nelle emulsioni di Pickering prodotte sotto miscelazione ad alto taglio.[1, 10, 22, 32]
Per le operazioni unitarie ad alto taglio, le prove disponibili mostrano che il taglio può elevare la temperatura e favorire l'ossidazione (miscelazione ad alto taglio) e che i processi ad alta pressione basati su valvole generano taglio estremo e cavitazione, con la pressione, il numero di passaggi e la temperatura di ingresso come variabili di stress chiave; queste intuizioni supportano l'implementazione della mappatura tempo-temperatura-taglio e della PAT utilizzando analisi indicative della stabilità.[12–14]
Conflitto di interessi
Gli autori dichiarano l'assenza di conflitti di interessi.[20]
