Stabilność termodynamiczna i kinetyka degradacji termolabilnych związków longevity w warunkach stresu produkcyjnego przy wysokim ścinaniu

Abstract

Termolabilne longevity-associated compounds oraz polifenolowe bioactives często doświadczają sprzężonych stresów termicznych, oksydacyjnych, pH i mechanicznych podczas wytwarzania (np. high-shear mixing, high-pressure homogenization oraz spray drying), co może przyspieszać degradację chemiczną i zmniejszać dostarczaną moc działania. Ilościowe parametry stabilności istotne procesowo są zatem wymagane do zdefiniowania przestrzeni projektowych (design spaces) możliwych do wytworzenia oraz do kierowania strategiami formulacji ochronnych.[1–3]

Metody w niniejszej syntezie koncentrują się na ilościowych dowodach wyekstrahowanych z badań raportujących (i) przejścia termodynamiczne/termiczne za pomocą DSC/TGA (topnienie, początek rozkładu, przejścia szkliste oraz etapowe zachowanie utraty masy) oraz (ii) kinetykę degradacji (modele pseudo-first-order/first-order, energie aktywacji Arrhenius, zależności od pH oraz miary czasu do rozkładu frakcji) dla prekursorów NAD⁺ (NR/NRH/NMN), stilbenoids (układy związane z resveratrol), flavonoids (quercetin, fisetin, rutin/estry) oraz curcuminoids.[4–11]

Wyniki pokazują, że kilka reprezentatywnych longevity compounds posiada wąskie okna przetwarzania termicznego w określonych stanach fizycznych. Nicotinamide riboside chloride (NRCl) wykazuje początek topnienia przy 120.7 ± 0.3 °C z gwałtownym rozkładem po stopieniu (np. 98% degradacji przy 130 °C według qNMR), podczas gdy degradacja wodna przebiega zgodnie z kinetyką pseudo-first-order z energiami aktywacji wynoszącymi 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ w zależności od pH.[4]

Dla trans-resveratrol kinetyka degradacji jest silnie zależna od pH i temperatury (np. okres półtrwania zmniejszający się z 329 dni przy pH 1.2 do 3.3 minut przy pH 10), a ekstrapolacja testów przyspieszonych może mieć charakter non-Arrhenius w matrycach tabletek.[7, 12]

Operacje jednostkowe typu high-shear mogą indukować lokalne ogrzewanie i środowiska utleniające, co wykazano w przypadku high-shear homogenization zwiększającej temperaturę wylotową wraz z prędkością obrotową, co zbiega się z 42.6% stratą ascorbic-acid przy 20,000 rpm, oraz w mechanizmach high-pressure homogenization obejmujących ścinanie na zaworze, kawitację i turbulencję przy >100 MPa.[13, 14]

Wnioski podkreślają integrację danych o przejściach termodynamicznych (DSC/TGA/Tg) z modelami kinetycznymi (metody Arrhenius, non-Arrhenius oraz metody izokonwersyjne) w celu stworzenia map czas–temperatura–ścinanie oraz racjonalnego doboru strategii łagodzących, w tym enkapsulacji, amorficznych dyspersji stałych (amorphous solid dispersions), układów cyclodextrin/nanosponge, kontroli poziomu tlenu oraz minimalizacji parametrów shear/temperature.[15–18]

Keywords: thermolabile bioactives; degradation kinetics; Arrhenius; DSC; TGA; high-pressure homogenization; spray drying; prekursory NAD⁺

1. Introduction

Związki istotne dla długowieczności (longevity-relevant compounds) są coraz częściej formułowane jako nutraceutyki, żywność funkcjonalna i zaawansowane systemy dostarczania, co wymusza ścieżki wytwarzania narażające substancje czynne na połączone czynniki stresogenne, w tym ogrzewanie, kontakt z tlenem, aktywność wody, wahania pH oraz intensywny wkład energii mechanicznej.[3, 5, 14, 19]

Dla chemii prekursorów NAD⁺ stabilność wodna i w stanie stałym są kluczowe, ponieważ reaktywność może zachodzić poprzez hydrolizę motywów glikozydowych lub związanych z fosforanami, a temperatury przetwarzania mogą przekraczać progi przejść w stanie stałym, które poprzedzają gwałtowny rozkład.[4, 6]

W przypadku polyphenols i powiązanych botanicznych substancji czynnych ograniczenia stabilności obejmują autooksydację, epimeryzację i enzymatyczne utlenianie do chinonów, które są wrażliwe na temperaturę, pH, jony metali i dostępność tlenu podczas przetwarzania.[17]

Praktyczną implikacją jest to, że projektowanie procesu wytwarzania nie może opierać się wyłącznie na nominalnej temperaturze masowej; zamiast tego musi integrować (i) wskaźniki termodynamiczne, takie jak przejście szkliste, topnienie i początek rozkładu oraz (ii) modele kinetyczne ujmujące zależność degradacji od czasu, temperatury, pH, tlenu oraz (tam, gdzie jest to mierzalne) wkładu energii mechanicznej.[4, 9, 10, 14, 15]

Niniejsza praca syntetyzuje ilościowe dowody na temat reprezentatywnych longevity compounds i powiązanych bioactives, dla których zawarte źródła dostarczają wyraźnych przejść termodynamicznych i/lub parametrów kinetycznych, oraz łączy te dane z profilami stresu operacji jednostkowych high-shear, w tym high-shear mixing, high-pressure homogenization/microfluidization, mechanochemical milling oraz spray drying.[1, 14, 15, 20]

2. Thermodynamic framework

Stabilność termodynamiczna w kontekstach wytwarzania jest oceniana operacyjnie przy użyciu mierzalnych zdarzeń termicznych (DSC/TGA) i deskryptorów stanu (np. postać amorficzna vs krystaliczna; temperatura przejścia szklistego), które wskazują, kiedy związek lub formulacja przechodzi w stany o wyższej ruchliwości molekularnej, a tym samym wyższej szybkości reakcji lub innych mechanizmach.[4, 9, 15]

2.1 Gibbs free energy and phase stability

Kilka uwzględnionych źródeł jawnie oblicza zmiany energii swobodnej Gibbsa dla procesów degradacji lub termicznej destrukcji, dostarczając termodynamicznej miary wykonalności w określonych warunkach.[8, 19]

Dla boranu NR (NR borate) spontaniczność degradacji oceniono poprzez obliczenie energii swobodnej Gibbsa, przy czym raportowana wartość (ΔG) wyniosła 2.43 kcal·mol⁻¹.[19]

Dla rutin i kwasów tłuszczowych rutin esters w warunkach pirolitycznych, wartości (ΔG) były dodatnie (84–245 kJ·mol⁻¹) wraz z dodatnimi (ΔH) (60–242 kJ·mol⁻¹), co wskazuje na endotermiczny i niespontaniczny profil pirolizy w raportowanej analizie.[8]

W kategoriach formalizmu kinetycznego kilka źródeł stosuje również relacje stanu przejściowego i energii swobodnej, takie jak użycie do interpretacji aktywacji hydrolizy w układzie kompleksu curcumin spiroborate.[21]

2.2 Glass transition, melting, and decomposition onset

DSC i TGA dostarczają uzupełniających się znaczników ryzyka procesowego: zdarzenia topnienia lub mięknienia mogą gwałtownie zwiększyć dyfuzję i umożliwić szybką przemianę chemiczną, a początek utraty masy w TGA może wskazywać na rozpoczęcie nieodwracalnego rozkładu nawet w pozornym stanie stałym.[4, 9, 15]

Dla NRCl badanie DSC wskazuje na początek topnienia przy 120.7 ± 0.3 °C i pik topnienia przy 125.2 ± 0.2 °C, po którym następuje natychmiastowe, gwałtowne zdarzenie egzotermiczne z pikiem przy 130.8 ± 0.3 °C.[4]

Zgodnie z sekwencją zdarzeń DSC, kwantyfikacja qNMR wykazuje ograniczoną degradację przy 115 °C (2%), ale gwałtowną stratę w obszarze stopienia i powyżej (7% przy 120 °C; 55% przy 125 °C; 98% przy 130 °C; tylko 0.45% pozostałego NR przy 140 °C).[4]

W przypadku NMN jedno źródło podaje, że związek ulega rozkładowi zamiast wykazywać wyraźne przejście topnienia, przy czym rozkład rozpoczyna się przy 160 °C i kończy przy 165 °C, a endotermiczny pik DSC występuje przy 162 °C z entalpią rozkładu 184 kJ·mol⁻¹.[6]

Dla quercetin połączona interpretacja DSC/TGA wskazuje, że intensywny efekt endotermiczny DSC (maksimum przy 303 °C) jest powszechnie błędnie przypisywany topnieniu, podczas gdy TGA wskazuje, że rozkład inicjowany jest przy 230 °C, a efekt endotermiczny pokrywa się z ciągłą utratą masy; raportowane „ciepło syntezy” dla piku przy 303 °C wynosi 69–75 kJ·mol⁻¹.[9]

Dla fisetin TGA wykazuje niewielką utratę masy (~5%) przypisywaną odparowaniu wody z krystalicznej próbki oraz główne zdarzenie utraty masy (~30.6%) przy 369.6 °C przypisywane rozkładowi cząsteczki.[15]

Dla curcumin w obojętnym azocie jedno badanie raportuje, że surowa curcumin wykazuje złożony proces rozkładu rozpoczynający się około 240 °C (5% utraty masy) z pikiem DTGA przy 347 °C i 37% pozostałością przy 600 °C (przy 10 °C·min⁻¹).[18]

2.3 Amorphous and crystalline stability

Formulacje amorficzne mogą poprawiać rozpuszczalność i biodostępność, ale mogą zmieniać zachowanie termiczne i stabilność poprzez zwiększenie ruchliwości molekularnej względem form krystalicznych, co czyni temperaturę przejścia szklistego (Tg) krytycznym parametrem stabilności.[15, 16]

Przygotowane mechanochemicznie fisetin amorficzne dyspersje stałe (ASDs) wykazują mierzalne wartości Tg w drugich skanach ogrzewania i wykazują przesunięcia składu w Tg zgodne z mieszalnością: surowe Eudragit® L100/EPO wykazują Tg 147.1/55.4 °C, podczas gdy fisetin ASDs wykazują wartości Tg takie jak 144.2/71.8 °C i 145.9/76.7 °C w zależności od polimeru i obciążenia lekiem.[15]

Dla resweratrolu (resveratrol) i oxyresveratrol nanosponges, DSC pokazuje, że endoterma topnienia resveratrol (266.49 °C) zanika w formulacjach nanosponge, co autorzy przypisują enkapsulacji i możliwej amorfizacji cząsteczek leku wewnątrz matrycy nanosponge.[16]

W przypadku quercetin proponuje się, że wiązania wodorowe zarówno ograniczają mięknienie podobne do topnienia, jak i ułatwiają rozkład poprzez osłabienie wiązań, a połączona interpretacja DSC/TGA prowadzi do wniosku, że quercetin nie po prostu się topi, ale ulega nakładającemu się rozkładowi i relaksacji strukturalnej/mięknieniu w zakresie 150–350 °C.[9]

3. Degradation kinetics models and parameters

Uwzględnione źródła wykorzystują szereg modeli kinetycznych (pierwszorzędowe, pseudopierwszorzędowe, rzędy wyższe lub formy sigmoidalne) oraz podejść do zależności temperaturowej (zachowanie Arrheniusa, a w niektórych przypadkach non-Arrhenius), często motywowanych zależnością od pH i złożoną, wielościeżkową degradacją.[4, 7, 22]

3.1 Reaction-order models

Szeroko stosowanym punktem odniesienia dla degradacji w fazie roztworu jest zintegrowany model pierwszorzędowy, który pojawia się w wielu uwzględnionych badaniach jako podstawowe dopasowanie do danych stężenie-czas w kontrolowanym pH i temperaturze.[4, 11, 12]

Dla NRCl w buforowanych roztworach wodnych degradacja jest opisana jako pseudo-first-order, a ta forma pseudopierwszorzędowa jest uzasadniona przez układy buforowe utrzymujące stężenia OH⁻/H₃O⁺ w dużym nadmiarze i w przybliżeniu stałe względem stężenia NR.[4, 23]

Dla fisetin i quercetin w buforze fosforanowym raportowane wyniki są przedstawione jako stałe szybkości degradacji pierwszorzędowej k (h⁻¹), które silnie rosną wraz z pH i temperaturą.[24]

Dla quercetin przy 90 °C w pobliżu obojętnego pH (6.5–7.5) zaimplementowano model sigmoidalny i porównano go z modelem pierwszorzędowym, przy czym model sigmoidalny dał wartości k 2.3–2.5× wyższe niż dopasowania pierwszorzędowe oraz inną interpretację okresu półtrwania przy pH 7.5.[22]

Dla spray-dried plant-extract markers raportowano różne pozorne rzędy reakcji w zależności od układów substancji pomocniczych, w tym modele rzędu zerowego i drugiego dla kaempferol (w układach binarnych ekscypientów) oraz model rzędu drugiego dla quercetin we wszystkich ekscypientach.[20]

3.2 Arrhenius and Eyring treatments

Zależność temperaturowa jest często modelowana za pomocą wyrażeń typu Arrheniusa, a wiele źródeł jawnie oblicza energie aktywacji w celu parametryzacji przewidywań okresu trwałości i narażenia termicznego procesu.[4, 10, 12]

W przypadku degradacji NRCl w roztworze wodnym energie aktywacji Arrheniusa są raportowane jako 75.4 (±2.9) kJ·mol⁻¹ przy pH 2.0, 76.9 (±1.1) kJ·mol⁻¹ przy pH 5.0 oraz 82.8 (±4.4) kJ·mol⁻¹ przy pH 7.4.[4]

Dla trans-resveratrol przy pH 7.4 analiza Arrheniusa jest raportowana jako log(k_obs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) z obliczoną energią aktywacji 84.7 kJ·mol⁻¹.[12]

Dla curcumin w mieszaninie bufor/metanol przy pH 8.0 analiza Arrheniusa w zakresie 37–60 °C daje (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹.[10]

Dla curcumin w wodnych mediach istotnych dla GI wykresy Arrheniusa wykazują wysoką liniowość w zakresie 37–80 °C (wartości r² raportowane jako 0.9967, 0.9994, 0.9886 dla różnych mediów), z energiami aktywacji raportowanymi jako 16.46, 12.32 i 9.75 kcal·mol⁻¹ odpowiednio dla pH 7.4, pH 6.8 i 0.1 N HCl.[11]

Analiza Eyringa pojawia się również w badaniu hydrolitycznego rozkładu estru curcumin spiroborate (CBS), gdzie raportuje się, że wykres Eyringa wykazuje liniową zależność z korelacją 0.9988.[21]

3.3 Isoconversional and model-free methods

Kilka badań degradacji termicznej stosuje metody izokonwersyjne (np. KAS, FWO, Friedman) do obliczania energii aktywacji zależnych od stopnia konwersji, identyfikując tym samym wieloetapowy rozkład i zmiany mechanizmu.[8, 18, 25]

Dla rutin i kwasów tłuszczowych rutin esters energie aktywacji zmieniają się znacząco wraz ze stopniem konwersji w zakresie 0.05 < (α) < 0.90, z raportowanymi zakresami od 65 do 246 kJ·mol⁻¹; autorzy interpretują to jako dowód na to, że degradacja termiczna przebiega w procesie nieprostym z wieloma etapami.[8]

Dla klatratów resveratrol–β-cyclodextrin energia aktywacji rośnie wraz ze stopniem przemiany, z raportowanymi wzrostami od 110 do 130 kJ·mol⁻¹ (metoda OFW) oraz od 120 do 170 kJ·mol⁻¹ (metoda Friedmana), co jest interpretowane jako wskazanie zmiany mechanizmu reakcji w miarę postępu rozkładu.[25]

Dla układów polimerowych obciążonych curcumin w azocie energie aktywacji pochodzące z wielu podejść (Kissinger, KAS, Friedman oraz dopasowanie modelu) wykazują zasadniczo spójne rzędy wielkości (np. 71 ± 5 kJ·mol⁻¹ wg Kissingera; 77 ± 2 wg KAS; 84 ± 3 wg Friedmana), a selekcja modelu wskazuje na model kinetyczny F1 z energiami w zakresie 73–91 kJ·mol⁻¹.[18]

3.4 Coupled thermo-mechanical and oxidative degradation

Wysokościnające procesy wytwórcze mogą łączyć rozpraszanie energii mechanicznej z lokalnym ogrzewaniem i zwiększonym transferem tlenu, tym samym wzmacniając ścieżki napędzane utlenianiem w bioactives wrażliwych na tlen.[13, 14, 17]

W high-shear homogenization systemu napojów temperatura wylotowa wzrasta wyraźnie wraz z prędkością obrotową (np. z 4.1 ± 0.7 °C przy 0 rpm do 41 ± 1.2 °C przy 20,000 rpm), a przy najwyższej prędkości ascorbic acid zostaje zredukowany o 42.6%, co jest zgodne z promocją degradacji przez wysoką temperaturę i utlenianie.[13]

W high-pressure homogenization (HPH) mechanizm przetwarzania jest jawnie przypisywany rozkładowi naprężeń ścinających w otworze zaworu, gdzie ruch płynu zostaje zakłócony, oraz dodatkowym zjawiskom, takim jak kawitacja, turbulencja, kolizja i uderzenie, które razem tworzą intensywny stres mechaniczny i potencjalnie oksydacyjny.[14]

Sprzężenie oksydacyjne wykazano również w eksperymentach utleniania termicznego dla quercetin: przy 150 °C degradacja quercetin postępuje szybciej w obecności tlenu niż azotu (stałe szybkości 0.868 h⁻¹ vs 0.253 h⁻¹) i jest silnie przyspieszana, gdy obecny jest cholesterol i tlen (stała szybkości 7.17 h⁻¹), co jest zgodne z rodnikowym sprzężeniem łańcuchowym między tworzeniem wodoronadtlenku cholesterol a degradacją quercetin.[26]

Dla NRH tlen i temperatura wywierają silną kontrolę: przy 25 °C w wodzie dejonizowanej raportowana szybkość degradacji wynosi 1.27×10⁻⁷ s⁻¹ w powietrzu (okres półtrwania 63 dni) w porównaniu do 5.90×10⁻⁸ s⁻¹ pod N₂ (okres półtrwania 136 dni), a autorzy stwierdzają, że NRH może ulegać utlenianiu w obecności tlenu i szybko hydrolizuje w warunkach kwasowych.[5]

4. Compound-class review

Poniższa synteza skoncentrowana na związkach podkreśla skwantyfikowane parametry kinetyczne i termodynamiczne, które mogą być bezpośrednio wykorzystane w modelach wytwarzania, w tym energie aktywacji, stałe szybkości, okresy półtrwania, początki rozkładu oraz ograniczenia związane z przejściem szklistym lub topnieniem.[4, 11, 12, 15, 24]

4.1 NAD⁺ precursors

Stabilność prekursorów NAD⁺ jest silnie uwarunkowana podatnością na hydrolizę oraz niską tolerancją na niektóre przejścia termiczne (szczególnie dla NRCl w obszarze stopienia) i utlenianie napędzane tlenem (szczególnie dla form zredukowanych, takich jak NRH).[4, 5]

NRCl wykazuje kinetykę degradacji pseudo-first-order w roztworach wodnych i wykazuje energie aktywacji różniące się w zależności od pH (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹), co ilościowo koduje zarówno wrażliwość termiczną, jak i zależność dominującej ścieżki hydrolizy od pH.[4]

Jako podstawę mechaniczną proponuje się hydrolizę katalizowaną zasadami, w której NR spada, podczas gdy nicotinamide (Nam) i cukier kumulują się; przedstawiono dowody bilansu molowego wskazujące, że na każdą cząsteczkę NR, która ulega degradacji, powstaje jedna cząsteczka Nam i jedna cząsteczka cukru.[4]

W symulowanych płynach GI w temperaturze fizjologicznej i przy mieszaniu (USP II paddle przy 75 rpm i 37 °C), NRCl wykazuje stosunkowo ograniczoną stratę krótkoterminową (np. ~97–99% pozostaje po 2 h w mediach żołądkowych), ale mierzalny spadek długoterminowy w 24 h symulacji (pozostało 79.18 ± 2.68% po 24 h, przy czym 90.51 ± 0.82% pozostało po 8 h).[4]

W stanie stałym NRCl wykazuje wąskie okno temperaturowe między początkiem topnienia a gwałtownym rozkładem: DSC raportuje początek topnienia przy 120.7 ± 0.3 °C i późniejsze zdarzenie egzotermiczne przy ~130.8 °C, podczas gdy qNMR kwantyfikuje gwałtowny wzrost degradacji z 2% przy 115 °C do 98% przy 130 °C.[4]

Jedno źródło jawnie definiuje te dane jako dostarczające „wyraźnego górnego limitu temperatury dla przetwarzania NRCl”, co może wpływać na produkcję suplementów na różnych etapach, podkreślając znaczenie progów DSC/qNMR jako twardych ograniczeń w operacjach ogrzewanych.[4]

Boran NR (NR borate) wprowadza strategię stabilizacji motywowaną reaktywnością NR: NR jest opisywany jako posiadający szczególnie niestabilne wiązanie glikozydowe łączące dodatnio naładowany heterocykl pirydyniowy z węglowodanem, co utrudnia jego syntezę, przechowywanie i transport, a stabilizacja boranowa jest opisywana jako posiadająca wysoką stabilność przeciw degradacji termicznej i chemicznej.[19]

Ilościowo rozpuszczalność NR borate jest silnie zależna od pH (np. 1972.7 ± 15.4 mg·mL⁻¹ przy pH 1.5; 926.0 ± 34.4 mg·mL⁻¹ przy pH 7.4), a model Arrheniusa wykazuje wyższe szybkości degradacji przy pH 7.4 niż przy pH 1.5 lub 5.0, co jest spójne z wpływem stężenia HO⁻.[19]

Ten sam przegląd raportuje energię swobodną Gibbsa degradacji NR borate na poziomie 2.43 kcal·mol⁻¹ i zauważa, że wzrost o 10 °C w przybliżeniu podwaja szybkość degradacji w każdych warunkach pH, co odzwierciedla wrażliwość termiczną zaobserwowaną dla NRCl.[4, 19]

NRH wykazuje wyraźną wrażliwość na pH i tlen: raportowano kompletną degradację w czasie krótszym niż jeden dzień przy pH 5, podczas gdy przy pH 9 próbki wykazują ~42–45% degradacji po 60 dniach, a przy 25 °C w wodzie dejonizowanej w powietrzu raportuje się ~50% degradacji po 60 dniach w porównaniu do ~27% pod N₂.[5]

Ta wrażliwość na tlen jest mechanistycznie przypisywana utlenianiu w obecności tlenu oraz hydrolizie przyspieszanej w warunkach kwasowych, co jest spójne z opisywaniem NRH jako cząsteczki niestabilnej ze względu na jej wiązanie N-glikozydowe i zdolnej do degradacji, hydrolizy oraz utleniania.[5]

Dla NMN ilościowe znaczniki termodynamiczne w stanie stałym obejmują raportowany rozkład rozpoczynający się przy 160 °C i kończący przy 165 °C (z endotermicznym pikiem DSC przy 162 °C i entalpią rozkładu 184 kJ·mol⁻¹) oraz dane ze stabilności przyspieszonej raportujące szybkość rozkładu na poziomie 0.8% na miesiąc przy 40 °C i 75% RH.[6]

W roztworze wodnym degradacja NMN jest raportowana jako pozorna pierwszorzędowa w temperaturze pokojowej z równaniem kinetycznym lg(C_t)=0.0057t+4.8172 i raportowanymi czasami t_0.9=95.58 h oraz t_1/2=860.26 h, a badanie stwierdza, że na szybkość degradacji wpływają przede wszystkim wysoka temperatura i pH.[27]

Aby wesprzeć praktyczne ograniczenia formulacyjne, jedno źródło skoncentrowane na produkcie zaleca inkorporację poniżej 45 °C, aby zapobiec termicznej degradacji wiązania fosfodiestrowego, i raportuje mniej niż 5% degradacji w testach przyspieszonych przy 40 °C/75% RH przez 3 miesiące dla prawidłowo sformułowanych układów o niskiej zawartości wody.[28]

Główna ścieżka degradacji NMN jest opisywana jako hydroliza wiązania fosfodiestrowego dająca nicotinamide i ribose-5-phosphate, z zależnościami pH opisanymi jako hydroliza katalizowana kwasem poniżej pH 4.5 oraz rozszczepienie mediowane zasadą powyżej pH 7.5.[28]

4.2 Stilbenoids

Stilbenoids obejmują resveratrol i powiązane związki, które wykazują silną degradację zależną od pH i tlenu, a ich stabilność w rzeczywistych formulacjach może odbiegać od prostej ekstrapolacji Arrheniusa ze względu na efekty matrycy i wiele ścieżek reakcji.[7, 12, 29]

W układach wodnych raportuje się, że trans-resveratrol jest stabilny w kwasowym pH, podczas gdy degradacja wzrasta wykładniczo powyżej pH 6.8, a okres półtrwania skraca się z 329 dni przy pH 1.2 do 3.3 minut przy pH 10.[12]

Przy pH 7.4 kinetyka degradacji trans-resveratrol przebiega zgodnie z modelem first-order w badanych temperaturach, a energia aktywacji jest raportowana jako 84.7 kJ·mol−1.[12]

Podaje się uzasadnienie mechanistyczne, że w kwasowym pH grupy hydroksylowe są chronione przed utlenianiem rodnikowym przez dodatnio naładowane H₃O⁺, podczas gdy w warunkach zasadowych jony fenolanowe zwiększają podatność na utlenianie i tworzenie rodników fenoksylowych, a tlen w medium promuje reakcje rodnikowe prowadzące do degradacji.[12]

Niezależne eksperymenty stabilności termicznej w roztworze wodnym (19 mg·L−1) nie wykazują znaczących zmian spektralnych po 30 min do 70 °C, podczas gdy wyższe temperatury prowadzą do ogólnego spadku absorbancji przy 304 nm i zmniejszonej absorbancji w zakresie 270–350 nm, co wskazuje na termicznie indukowaną destrukcję w warunkach hydrotermalnych.[30]

Interpretacja mechanistyczna tych eksperymentów hydrotermalnych sugeruje oksydacyjne rozszczepienie podwójnego wiązania i tworzenie produktów degradacji zawierających fenole, takich jak hydroksyaldehydy, alkohole i hydroksykwasy, a pasma FTIR są interpretowane jako spójne z tworzeniem aldehydów i kwasów karboksylowych w 100–120 °C.[30]

W matrycach tabletek degradacja resveratrol postępuje według kinetyki pierwszorzędowej monowykładniczej z wartościami k wynoszącymi odpowiednio 0.07140, 0.1937 i 0.231 mies.-1 przy 25, 30 i 40 °C, jednak zależność ln(k) vs 1/T jest nieliniowa i sklasyfikowana jako super-Arrhenius, przy czym autorzy sugerują możliwe reakcje wtórne, wiele ścieżek reakcji lub efekty matrycy w wyższych temperaturach.[7]

Ta sama praca podkreśla, że ekstrapolacja Arrheniusa nie zawsze pozwala na określenie kinetyki degradacji resveratrol w suplementach i że testy przyspieszone mogą prowadzić do błędnych oszacowań, w tym do przeszacowania degradacji.[7]

Dla stilbene-like phenolics w układach suchych, obróbka termiczna taka jak sterylizacja parowa w 121 °C przez 20 min powoduje mierzalne straty (np. zawartość pinosylvin spadła o 20.98% wg powierzchni piku), a 24-godzinne suszenie w suszarce w 105 °C powoduje >50% spadki powierzchni piku dla kilku związków fenolowych, podczas gdy TGA wskazuje na temperatury początku rozkładu powyżej ~200 °C dla układów pinosylvin.[31]

4.3 Flavonoids

Flavonoids wykazują wielościeżkową wrażliwość na degradację, na którą wpływają pH, temperatura, tlen oraz interakcje formulacyjne, takie jak wiązanie z białkami, a ich zachowanie termiczne w DSC/TGA może obejmować nakładający się rozkład i mięknienie zamiast prostego topnienia.[9, 22, 24]

W roztworach buforowych zwiększenie pH medium z 6.0 do 7.5 zwiększa stałe szybkości degradacji fisetin i quercetin odpowiednio 24-krotnie i 12-krotnie (np. k dla fisetin z 8.30×10−3 do 0.202 h−1; k dla quercetin z 2.81×10−2 do 0.375 h−1), a podniesienie temperatury powyżej 37 °C znacząco zwiększa k (np. k dla fisetin do 0.490 h−1 przy 65 °C; k dla quercetin do 1.42 h−1 przy 65 °C).[24]

Współskładniki białkowe mogą łagodzić degradację: po dodaniu białka mierzony współczynnik k maleje, w tym k dla fisetin spada z 3.58×10−2 do zakresów rzędu 1.76×10−2 h−1, a k dla quercetin spada z 7.99×10−2 do zakresów rzędu 3.80×10−2 h−1.[24]

Mechanistycznie niestabilność chemiczna flawonoidów jest przypisywana grupom hydroksylowym i niestabilnej strukturze pironu, a stabilizacja przez białka jest przypisywana głównie oddziaływaniom hydrofobowym (przy czym SDS zaburza tę stabilizację), z podkreśleniem wkładu wiązań wodorowych jako wymagającego przyszłych oznaczeń ilościowych.[24]

Dla quercetin przy 90 °C w warunkach bliskich obojętności kinetyka degradacji wykazuje silne efekty pH: k wzrasta około pięciokrotnie od pH 6.5 do 7.5, a wykrywane są produkty pośrednie utleniania, takie jak quercetin quinone, przy czym typowe produkty końcowe obejmują kwas protokatechowy (PCA) i kwas floroglucynokarboksylowy (PGCA).[22]

Narracja mechanistyczna przypisuje pierwszą mierzalną stratę przy 370 nm konwersji quercetin w chinon i sugeruje, że rozszczepienie szkieletu chinonowego daje prostsze związki fenolowe o ograniczonej absorbancji, podczas gdy deprotonacja alkaliczna przyspiesza utlenianie wpływające na strukturę o-difenolową pierścieni C i B.[22]

W układach o wysokiej temperaturze (150 °C) degradacja i utlenianie quercetin postępują szybko, z raportowanymi stałymi szybkości 0.253 h−1 w azocie i 0.868 h−1 w tlenie oraz silnym przyspieszeniem (7.17 h−1) w tlenie z dodatkiem cholesterol; eksperymentalnie strata quercetin wzrasta z 7.9% po 10 min (N₂) do 20.4% po 10 min (O₂), podczas gdy w układzie cholesterol + tlen zawartość quercetin spada do 10.9% pozostałości po 10 min.[26]

Analiza termiczna wskazuje ponadto, że quercetin wykazuje mały pik endotermiczny w zakresie 90–135 °C związany z niewielką utratą masy (0.86 ± 0.33 % wag.), rozkład inicjowany jest przy 230 °C, a wydatny efekt endotermiczny DSC przy 303 °C pokrywa się z rozkładem; argumentuje się, że wiązania wodorowe zarówno ograniczają zachowanie typowe dla topnienia, jak i ułatwiają rozkład poprzez osłabienie wiązań chemicznych.[9]

Dla rutin (glikozydu quercetin) i jego fatty-acid esters, TGA wskazuje, że rutin jest termicznie stabilna do 240 °C, podczas gdy estry wykazują niższe początkowe temperatury degradacji (217–220 °C) i wyższą utratę masy w głównym etapie, a energie aktywacji zmieniają się wraz ze stopniem konwersji od 65 do 246 kJ·mol−1.[8]

4.4 Curcuminoids

Degradacja curcumin jest silnie zależna od pH i obejmuje ścieżki oksydacyjne w wielu warunkach wodnych, podczas gdy rozkład termiczny i interakcje formulacyjne mogą przesuwać początki degradacji i pozorne parametry kinetyczne.[10, 18, 32]

W mieszaninach bufor/metanol przy 37 °C raportuje się, że degradacja curcumin przebiega zgodnie z kinetyką pierwszorzędową, przy czym k_obs gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem pH (np. 3.2×10−3 h−1 przy pH 7.0 vs 693×10−3 h−1 przy pH 12.0), podczas gdy przy pH 5.0 curcumin jest stabilna w raportowanych eksperymentach.[10]

Przy pH 8.0 analiza Arrheniusa daje (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1, a ekstrapolacja do buforu wodnego sugeruje szybką stratę w warunkach utleniających (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]

Nanofolmulacje micelarne dramatycznie spowalniają degradację: w micelach polimerowych i micelach Triton X-100 przy pH 8.0 i 37 °C raportowane wartości k_obs spadają do 0.9×10−3 i 0.6×10−3 h−1, z okresami półtrwania wynoszącymi 777 ± 87 h i 1100 ± 95 h, o których mówi się, że są ~300–500 razy wyższe niż dla wolnej curcumin w buforze wodnym.[10]

Mechanistycznie uwzględniona praca argumentuje, że degradacja curcumin nie postępuje poprzez hydrolityczne rozrywanie łańcucha, lecz poprzez utlenianie dające bicyclopentadione jako produkt końcowy, przy czym degradacja 1 mola curcumin wiąże się ze zużyciem 1 mola O₂, a pierwszym krokiem jest deprotonacja grup hydroksylowych przy pH powyżej 7.0.[10]

Osobne badanie stabilności istotnej dla GI raportuje pozorną kinetykę pierwszorzędową z wysoką liniowością (r² > 0.95) i dostarcza energii aktywacji (w kcal·mol−1), które zmieniają się wraz z medium (wyższe przy pH 7.4 niż w 0.1 N HCl), oraz informuje, że po 12 h przy 37 °C ponad 80% pozostało w 0.1 N HCl, ale tylko 57% i 47% pozostało odpowiednio w buforach fosforanowych o pH 6.8 i 7.4.[11]

W wysokich temperaturach (180 °C) eksperymenty prażenia wykazują ekstremalną termolabilność, przy czym tylko 30% początkowej curcumin pozostaje po 5 minutach, a interpretacja mechanistyczna łączy rozszczepienie oksydacyjne z pośrednictwem kwasu ferulowego i etapem dekarboksylacji przyspieszanym przez ekspozycję na powietrze i wyższe temperatury.[33]

Badania rozkładu termicznego curcumin i układów polimerowych zawierających curcumin w azocie wykazują złożone zachowanie: rozkład surowej curcumin zaczyna się około 240 °C, podczas gdy inkorporacja curcumin do mieszanek PGA/PCL przesuwa maksimum degradacji PGA do niższych temperatur (np. z 372 °C dla czystej mieszanki do 327 °C przy 5% curcumin), co sugeruje, że dodatek curcumin może obniżać stabilność termiczną matrycy.[18]

To samo badanie skoncentrowane na polimerach łączy te wyniki z istotnością dla wytwarzania, stwierdzając, że przetwarzanie w stanie stopionym wymaga zagwarantowania zarówno stabilności chemicznej matrycy polimerowej, jak i aktywności biologicznej inkorporowanych leków, oraz że przetwarzanie PGA lub mieszanek PGA/PCL z curcumin powinno odbywać się w możliwie najniższej temperaturze, aby zapobiec degradacji PGA.[18]

Stabilizacja curcumin podczas emulsyfikacji high-shear jest również skwantyfikowana w emulsjach Pickeringa przygotowanych przy użyciu miksera o wysokim ścinaniu przy 22,000 rpm przez 2 min: przechowywanie w 20 °C w ciemności pokazuje, że w nieenkapsulowanej mieszance olej-curcumin około połowa curcumin ulega degradacji po 6 dniach i tylko 20% pozostaje po 16 dniach, podczas gdy system emulsji Pickeringa zachowuje ~50% po 16 dniach i wydłuża okres półtrwania z 13 do 28 dni.[1]

Pod wpływem promieniowania UV (6 W, 365 nm) ten sam układ wykazuje ~50% degradacji po 9 h i tylko 20% pozostałości po 24 h dla mieszanki olejowej, podczas gdy emulsja Pickeringa zachowuje ~70% po 9 h i ~45% po 24 h oraz wydłuża okres półtrwania z ~13 h do ~27 h dla 50% straty.[1]

4.5 Summary table

Poniższa tabela konsoliduje reprezentatywne parametry kinetyczne i termodynamiczne raportowane dla różnych klas związków, podkreślając wartości najbardziej przydatne do modelowania procesów.

5. High-shear manufacturing unit operations

Wytwarzanie typu high-shear naraża związki termolabilne na pola stresu mechanicznego, które mogą zwiększać temperaturę, transfer tlenu i powierzchnię międzyfazową, wpływając tym samym zarówno na kinetykę reakcji, jak i dominujące mechanizmy, szczególnie w przypadku bioactives wrażliwych na tlen i pH.[13, 14, 17]

5.1 Melt processing

Przetwarzanie w stanie stopionym (melt-state processing) jest podkreślane w układach polimer–lek jako scenariusz, w którym należy zachować zarówno stabilność polimeru, jak i aktywność leku; jawnie stwierdza się, że przetwarzanie w stanie stopionym wymaga zagwarantowania stabilności chemicznej matrycy i aktywności biologicznej składników.[18]

W układzie PGA/PCL–curcumin inkorporacja curcumin niekorzystnie wpływa na stabilność termiczną PGA, a autorzy zalecają przetwarzanie w możliwie najniższej temperaturze, aby zapobiec degradacji PGA, łącząc charakterystykę stabilności termicznej z projektowaniem procesu.[18]

5.2 High-pressure homogenization and microfluidization

High-pressure homogenization poddaje płyny wysokiemu stresowi mechanicznemu podczas przepływu przez zawór o wąskiej szczelinie; w otworze płyn jest poddawany działaniu ścinającemu, a dodatkowe zjawiska takie jak kawitacja, turbulencja, kolizja i uderzenie przyczyniają się do efektów ścinania.[14]

HPH operuje przy podwyższonych ciśnieniach wynoszących ponad 100 MPa i może generować ciśnienia do 400 MPa; zastosowane ciśnienie, liczba cykli/przejść oraz temperatura wlotowa są opisywane jako kluczowe czynniki wpływające na ekstrakcyjność i stabilność fitochemikaliów.[14]

Ilościowo przegląd HPH raportuje przykładowe zmiany składu, takie jak stopniowe spadki L-ascorbic acid (1.7%, 4.6%, 10.7%) przy 100, 200, 300 MPa oraz spadki polifenoli (np. 10.6%, 6.0%, 1.4%) w soku jabłkowym przy 100, 200, 300 MPa, ilustrując, że poziom ciśnienia może korelować ze stratami w związkach wrażliwych na utlenianie w zależności od matrycy i aktywności enzymatycznej.[14]

W skali formulacyjnej mikrofluidyzacja może wytwarzać stabilne emulsje ze skwantyfikowaną retencją związków fenolowych: dla emulsji W/O/W optymalne warunki microfluidizer raportowano jako 148 MPa i siedem cykli, co dało krople o wielkości 105.3 ± 3.2 nm i PDI 0.233 ± 0.020, a po 35 dniach retencja związków fenolowych wynosiła 68.6% przy retencji aktywności antyoksydacyjnej na poziomie 89.5%.[2]

Osobne badanie enkapsulacji raportuje połączone podejście high-shear i microfluidization: dyspersje liposomalne homogenizowano przy 9500 rpm przez 10 min, a następnie przepuszczano pięciokrotnie przez microfluidizer przy 25,000 psi przed suszeniem rozpyłowym, wykazując, że przemysłowo realistyczne sekwencje mogą łączyć ścinanie z późniejszym suszeniem termicznym.[3]

Przeglądy ultra-high pressure homogenization (UHPH) podkreślają ekstremalne ścinanie i uderzenia wewnątrz zaworu, z raportowanymi warunkami takimi jak płyny pompowane pod ciśnieniem ponad 200 MPa (zazwyczaj 300 MPa) i czasem przebywania w zaworze poniżej 0.2 s przy prędkości Mach 3, z nanofragmentacją mikroorganizmów, koloidów i biopolimerów do 100–500 nm.[34]

5.3 High-shear mixing

Mieszanie wysokościnające (high-shear mixing) jest często stosowane jako etap wstępnej emulsyfikacji lub dyspersji i samo w sobie może generować znaczne wzrosty temperatury i środowiska oksydacyjne, wpływając tym samym na degradację jeszcze przed operacjami końcowymi.[13]

W modelu napoju high-shear homogenization przez 10 min przy rosnących prędkościach obrotowych zwiększała temperaturę wylotową (z 4.1 ± 0.7 °C przy 0 rpm do 41 ± 1.2 °C przy 20,000 rpm) i wiązała się ze znaczną stratą ascorbic-acid (redukcja o 42.6% przy 20,000 rpm).[13]

W układzie emulsji Pickeringa z curcumin, high-shear mixing przy 22,000 rpm przez 2 min wykorzystano do wytworzenia emulsji, po czym poprawę stabilności skwantyfikowano poprzez wolniejszą degradację i wydłużony okres półtrwania zarówno w warunkach przechowywania, jak i stresu UV, łącząc strukturyzację międzyfazową typu high-shear z efektami stabilności chemicznej.[1]

5.4 Mechanochemical milling

Przetwarzanie mechanochemiczne (np. ball milling) może wytwarzać amorficzne dyspersje stałe i zmieniać stabilność poprzez zmianę formy stanu stałego, mieszanie na poziomie molekularnym oraz umożliwianie silnych oddziaływań międzycząsteczkowych, takich jak wiązania wodorowe.[15]

Dla ASDs i inkluzji fisetin mielenie przeprowadzano w temperaturze pokojowej z częstotliwością 30 Hz i czasem 20 min, a późniejszą analizę TG/DSC wykonano w azocie w celu skwantyfikowania stabilności termicznej i zachowania Tg.[15]

5.5 Spray drying

Spray drying jest opisywany jako jedna z najczęściej stosowanych technik produkcji suszonych ekstraktów roślinnych, a wysokie temperatury podczas spray drying są określane jako potencjalnie szkodliwe dla termolabilnych (poly)phenols.[3, 20]

W jednym badaniu enkapsulacji polifenoli spray drying przeprowadzono przy temperaturze powietrza wlotowego 150 ± 5 °C i temperaturze wylotowej 90 ± 5 °C, przy czym autorzy stwierdzają, że ilość (poly)phenols spadła z powodu ekspozycji na tlen i ciepło podczas suszenia, co motywuje enkapsulację w celu zachowania właściwości funkcjonalnych.[3]

W badaniu preformulacji ekstraktu oceniano wpływ warunków procesu spray-dryer (temperatura wlotowa, natężenie przepływu zasilania, stosunek colloidal silicon dioxide) na odpowiedzi, a metody Arrhenius wykorzystano do określenia parametrów kinetycznych rozkładu, w tym rzędu reakcji, czasu rozkładu frakcji i stałej szybkości.[20]

5.6 Summary table

Poniższa tabela podsumowuje profile stresu i przykładowe ilościowe skutki raportowane dla operacji jednostkowych, które narzucają wysokie ścinanie i/lub intensywną ekspozycję termiczną.

6. Integrated stability–process models

Uwzględnione źródła dostarczają elementów składowych dla zintegrowanych ram predykcyjnych, w których wyniki stabilności są obliczane na podstawie historii termicznej operacji jednostkowych i fizykochemicznych mikrośrodowisk (pH, tlen, aktywność wody) przy jednoczesnym uwzględnieniu progów przejść termodynamicznych.[4, 14]

6.1 Time–temperature–shear mapping

Praktyczne podejście do mapowania może wykorzystywać kinetykę (k, (E_a), okres półtrwania) wraz ze zmierzonymi lub wywnioskowanymi profilami czas–temperatura operacji jednostkowych do obliczenia oczekiwanej konwersji, przy jednoczesnym wykorzystaniu progów przejść fazowych (Tg, melting onset, decomposition onset) jako granic, które mogą zmieniać mechanizmy lub zwiększać szybkości reakcji.[4, 15]

Na przykład model pseudo-first-order w fazie roztworu dla NRCl można sparametryzować przy użyciu energii aktywacji Arrhenius (75.4–82.8 kJ·mol−1) i obserwacji, że wzrost o 10 °C w przybliżeniu podwaja k_obs, co pozwala na przełożenie walidowanych eksperymentów buforowych na krótkie skoki termiczne w procesie wytwarzania.[4]

Dla curcumin wrażliwość termiczną można sparametryzować przy użyciu (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 przy pH 8.0 oraz raportowanej silnej zależności k_obs od pH, co razem umożliwia przewidywanie strat podczas przetrzymywania w roztworach wodnych lub etapów emulsyfikacji na ciepło, gdzie lokalne pH jest obojętne lub zasadowe.[10]

Dla trans-resveratrol gwałtowny spadek okresu półtrwania napędzany przez pH (z setek dni do minut wraz ze wzrostem pH) implikuje, że wyniki stabilności podczas przetwarzania mogą być zdominowane przez mikrośrodowiskowe pH, a nie przez masową temperaturę, a modelowanie Arrheniusa przy pH 7.4 można stosować dla ekspozycji w umiarkowanych temperaturach z (E_a)=84.7 kJ·mol−1.[12]

6.2 QbD and design space

Interpretacja w duchu Quality-by-Design (QbD) jest wspierana przez badania, które jawnie oceniają, jak parametry procesu i matryce formulacji zmieniają mechanizmy degradacji, w tym ustalenia, że testy przyspieszone mogą zawieść w przewidywaniu okresu trwałości, gdy występuje zachowanie non-Arrhenius lub efekty matrycy.[7, 29]

Dla tabletek z resveratrol wniosek, że podejścia Arrheniusa mogą przeszacowywać degradację w testach przyspieszonych, motywuje do definiowania przestrzeni projektowych (design spaces) przy użyciu zarówno zrozumienia mechanistycznego, jak i danych z wielu temperatur, zamiast pojedynczego warunku przyspieszonego.[7, 29]

Dla systemów znaczników flawonoidowych spray-dried jawnie raportuje się, że substancje pomocnicze wpływają na rząd kinetyczny i wartości czasu do rozkładu frakcji, wskazując, że skład formulacji jest częścią przestrzeni projektowej stabilności, a nie tylko stałym tłem.[20]

6.3 PAT and analytical specificity

Dokładne monitorowanie procesu wymaga specyficzności analitycznej, ponieważ produkty degradacji mogą zakłócać prostsze oznaczenia spektroskopowe, szczególnie w przypadku polyphenols.[12]

Dla trans-resveratrol potwierdzono specyficzność metod HPLC i UPLC, podczas gdy spektroskopia UV/VIS dawała fałszywie wyższe stężenia trans-resveratrol w warunkach, w których nie był on stabilny (pH zasadowe, światło, podwyższona temperatura), co podkreśla potrzebę stosowania metod wskazujących na stabilność (stability-indicating methods) w analityce procesowej (PAT).[12]

7. Mitigation strategies

Strategie łagodzące w uwzględnionych źródłach kładą nacisk na ograniczanie ekspozycji na znane akceleratory (ciepło, tlen, wysokie pH, UV) oraz stosowanie architektur formulacyjnych, które redukują ruchliwość molekularną, chronią powierzchnie międzyfazowe lub umieszczają substancję czynną w mniej reaktywnych mikrośrodowiskach.[10, 13, 17]

7.1 Encapsulation and dispersions

Enkapsulacja w układach micelarnych lub cząsteczkowych może znacząco stabilizować związki termolabilne poprzez ograniczanie kontaktu z wodą, tlenem i reaktywnymi formami oraz poprzez zmianę dostępności kwasowo-zasadowej kluczowych grup funkcyjnych.[1, 10]

Dla curcumin solubilizacja micelarna redukuje k_obs do 0.6–0.9×10−3 h−1 i wydłuża okres półtrwania do 777–1100 h, a stabilizację tę przypisuje się zapobieganiu deprotonacji grup hydroksylowych wewnątrz hydrofobowego rdzenia miceli, co jest opisywane jako pierwszy etap degradacji.[10]

Emulsje Pickeringa zapewniają barierę fizyczną: stwierdza się, że obecność gęstej bariery fizycznej na powierzchni międzyfazowej utrudnia degradację curcumin, a ilościowo system tworzący barierę wydłuża okres półtrwania przy przechowywaniu z 13 do 28 dni oraz okres półtrwania pod wpływem UV z ~13 h do ~27 h.[1]

Inną strategię stanowią systemy nośnikowe pochodne cyclodextrin: klatraty resveratrol–β-cyclodextrin wykazują zdarzenia termiczne, w tym uwalnianie wody blisko 50 °C oraz zdarzenia degradacji w wyższych temperaturach, a energie swobodne wiązania (np. −86 kJ·mol−1 wg MM/PBSA) kwantyfikują silne oddziaływania inkluzyjne.[25]

Enkapsulacja resveratrol w nanogąbkach (nanosponges) eliminuje jego endotermę topnienia w DSC i zapewnia fotoochronę: wolny resveratrol wykazuje 59.7% degradacji w ciągu 15 min ekspozycji na UV, podczas gdy resveratrol nanosponges zapewniają około dwukrotnie większą ochronę, co jest spójne z enkapsulacją zapobiegającą bezpośredniej ekspozycji na UV.[16]

Amorficzne dyspersje stałe (ASDs) mogą być projektowane poprzez mechanochemical milling, a wiązania wodorowe między fisetin a grupami estrowymi Eudragit® zostały jawnie zidentyfikowane, co stanowi mechanistyczną podstawę mieszalności i zmienionej Tg, która może stabilizować przed zmianami w zachowaniu podczas rozpuszczania zależnymi od krystalizacji.[15]

Excipient and carrier selection

Dobór substancji pomocniczych może zmieniać mechanizmy kinetyczne i wyniki stabilności, jak raportowano w układach spray-dried ekstraktów roślinnych, gdzie rząd reakcji i czasy rozkładu frakcji różnią się w zależności od mieszanek ekscypientów, co wskazuje na kinetykę degradacji zależną od substancji pomocniczej.[20]

Współskładniki białkowe mogą stabilizować flawonoidy poprzez oddziaływania hydrofobowe, obniżając wartości k dla fisetin i quercetin, a zaburzenie tych oddziaływań przez SDS wspiera interpretację, że wiązanie hydrofobowe jest kluczowym mechanizmem stabilizującym.[24]

Process engineering controls

Kontrole procesowe redukujące ekspozycję termiczną i kontakt z tlenem są bezpośrednio wspierane przez liczne zestawy danych.[5, 18]

Dla NRCl dowody DSC/qNMR wskazują, że przekroczenie regionu początku topnienia (~120–130 °C) może powodować ekstremalnie szybką degradację, co wspiera twarde górne granice temperatury i czasu przebywania w operacjach na ciele stałym prowadzonych na ciepło.[4]

W przypadku NRH różnica między okresem półtrwania w powietrzu i N₂ przy 25 °C sugeruje, że inertyzacja i wykluczenie tlenu mogą mieć istotne znaczenie; autorzy raportują, że próbki pod osłoną N₂ przy 4 °C nie wykazują wykrywalnej degradacji po 60 dniach, podczas gdy próbki przy 4 °C w powietrzu wykazują ~10% degradacji.[5]

Dla high-shear homogenization bezpośrednia obserwacja, że zwiększanie prędkości obrotowej podnosi temperaturę wylotową i wiąże się z wyższą stratą wrażliwego na utlenianie ascorbic-acid, wspiera środki inżynieryjne ograniczające nagrzewanie wywołane ścinaniem (np. płaszcze chłodzące, krótsze czasy mieszania, dozowanie etapowe).[13]

W przypadku spray drying twierdzenie, że ekspozycja na tlen i ciepło zmniejsza zawartość (poly)phenols oraz że wysokie temperatury mogą być szkodliwe dla termolabilnych związków fenolowych, wspiera decyzje takie jak obniżanie temperatury wylotowej, gdy jest to wykonalne, oraz stosowanie enkapsulacji w celu zmniejszenia wrażliwości na utlenianie i ciepło.[3]

Antioxidants and oxygen management

Strategie zarządzania antyoksydantami i tlenem są mechanistycznie wspierane w zbiorach danych dotyczących polifenoli.[12, 22]

Dla quercetin przy 90 °C antyoksydanty takie jak cysteine redukują k, przy czym 200 μmol·L−1 cysteine powoduje redukcję k o ~43% w porównaniu do kontroli; interpretacja mechanistyczna uwzględnia stabilizację quercetin quinone oraz efekty wygaszania rodników.[22]

W przypadku trans-resveratrol tlen jest jawnie wskazywany jako czynnik promujący reakcje rodnikowe prowadzące do degradacji, co wspiera stosowanie atmosfer obojętnych w procesie lub barier tlenowych tam, gdzie jest to możliwe przy przetwarzaniu w alkalicznych/obojętnych roztworach wodnych.[12]

W układach liposomalnych raportuje się, że resveratrol ogranicza utlenianie stigmasterol poprzez neutralizację wolnych rodników i integruje się z dwuwarstwami lipidowymi zwiększając ich sztywność, co redukuje przepuszczalność dla tlenu i czynników utleniających, wzmacniając tym samym termiczną i oksydacyjną stabilność układu.[35]

Discussion

W całej zsyntezowanej tutaj bazie dowodowej najsilniejszym wzorcem ilościowym jest to, że chemiczne mikrośrodowisko (pH, tlen, obecność wody) może dominować w wynikach stabilności nawet w umiarkowanych temperaturach oraz że kilka substancji bioaktywnych wykazuje gwałtowne nieciągłości stabilności przy określonych progach przejść termicznych.[4, 5, 12]

Dla prekursorów NAD⁺ zbiór danych NRCl podkreśla podwójny reżim: w roztworze wodnym hydroliza pseudo-first-order może być modelowana za pomocą energii aktywacji Arrhenius i około dwukrotnego wzrostu szybkości na każde 10 °C, podczas gdy w stanie stałym wąski obszar wokół 120–130 °C odpowiada topnieniu, po którym następuje natychmiastowa szybka degradacja.[4]

Dla resveratrol główne ryzyko procesowe wynika z wrażliwości na pH: okres półtrwania gwałtownie spada z długich okresów w kwasowym pH do minut przy wysokim pH, podczas gdy tlen promuje reakcje rodnikowe, co wskazuje, że operacje high-shear zwiększające transfer tlenu i lokalną zasadowość mogą być nieproporcjonalnie szkodliwe, nawet jeśli masowa temperatura pozostaje umiarkowana.[12]

Dla flavonoids utlenianie poprzez produkty pośrednie typu chinon oraz mechanizmy deprotonacji zależne od pH (quercetin) łączą się z wysokotemperaturowym utlenianiem i rodnikowym sprzężeniem łańcuchowym (np. tlen plus cholesterol), sugerując, że formulacje zawierające lipidy i ekspozycja na tlen mogą silnie potęgować ścieżki strat oksydacyjnych.[22, 26]

W przypadku curcumin istnieje mechanistyczne napięcie między narracjami napędzanymi hydrolizą (w niektórych badaniach buforów GI) a narracjami napędzanymi autooksydacją (w badaniach skoncentrowanych na micelach), ale obie zbiegają się w silnym efekcie pH oraz ochronnej roli hydrofobowych mikrośrodowisk i ograniczania tlenu.[11, 32]

Na poziomie operacji jednostkowych procesy high-shear mogą działać przede wszystkim jako pośrednie akceleratory poprzez generowanie ciepła i zwiększanie podatności oksydacyjnej; zostało to bezpośrednio wykazane w high-shear homogenization, gdzie prędkość obrotowa podnosi temperaturę wylotową i zbiega się z oksydacyjną stratą kwasu askorbinowego.[13]

HPH/UHPH wprowadzają dodatkową złożoność, ponieważ obszar zaworu narzuca ekstremalne ścinanie, kawitację i turbulencję oraz może generować wysokie temperatury lokalne, choć czasy przebywania mogą być bardzo krótkie (np. <0.2 s w opisach UHPH), co implikuje, że wyniki chemiczne mogą zależeć od tego, czy degradacja jest kontrolowana przez szybkie procesy rodnikowe, etapy limitowane dyfuzją, czy wolniejsze etapy aktywacji termicznej.[14, 34]

Wreszcie kilka źródeł podkreśla, że modelowanie stabilności musi być walidowane mechanistycznie w odpowiedniej matrycy: dane dla tabletek resveratrol wykazują zachowanie non-Arrhenius i efekty matrycy, które ograniczają ogólną ekstrapolację Arrheniusa z testów przyspieszonych, a znaczniki ekstraktów roślinnych spray-dried wykazują rzędy kinetyczne i czasy rozkładu zależne od substancji pomocniczych.[7, 20]

Conclusions

Ilościowe znaczniki przejść termodynamicznych (DSC/TGA) oraz kinetyka degradacji (k, t_(1/2), (E_a), energie aktywacji zależne od konwersji) stanowią istotną procesowo podstawę do projektowania warunków wytwarzania, które zachowują moc termolabilnych związków długowieczności i powiązanych bioactives.[4, 8, 9]

Dla prekursorów NAD⁺, NRCl wykazuje wąskie okno przetwarzania termicznego w pobliżu temperatury topnienia, po którym następuje gwałtowny rozkład, podczas gdy kinetyka wodna wykazuje zachowanie pseudo-first-order zależne od pH z energiami aktywacji 75–83 kJ·mol−1, które mogą parametryzować modele ekspozycji termicznej.[4]

Dla resveratrol dominującymi zmiennymi są pH i tlen, przy czym okres półtrwania drastycznie spada z setek dni przy kwasowym pH do minut przy wysokim pH, a matryce formulacyjne mogą powodować zachowanie non-Arrhenius, co komplikuje ekstrapolację z testów przyspieszonych.[7, 12]

Dla flavonoids i curcuminoids ścieżki utleniania (produkty pośrednie typu chinon dla quercetin; autooksydacja dla curcumin) motywują do stosowania kontroli tlenu i strategii hydrofobowej enkapsulacji, które ilościowo wydłużają okres półtrwania o rzędy wielkości w układach micelarnych i znacząco w emulsjach Pickeringa wytwarzanych metodą high-shear mixing.[1, 10, 22, 32]

W przypadku operacji jednostkowych high-shear dostępne dowody pokazują, że ścinanie może podnosić temperaturę i promować utlenianie (high-shear mixing), a procesy wysokociśnieniowe oparte na zaworach generują ekstremalne ścinanie i kawitację, gdzie ciśnienie, liczba przejść i temperatura wlotowa są kluczowymi zmiennymi stresu; spostrzeżenia te wspierają wdrażanie mapowania czas–temperatura–ścinanie oraz PAT przy użyciu analityki wskazującej na stabilność.[12–14]

Conflict of interest

Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.[20]