Abstract
Compostos termolábeis associados à longevidade e bioativos polifenólicos frequentemente sofrem estresses térmicos, oxidativos, de pH e mecânicos acoplados durante a fabricação (por exemplo, mistura de alto cisalhamento, homogeneização de alta pressão e spray drying), o que pode acelerar a degradação química e reduzir a potência entregue. Parâmetros quantitativos de estabilidade relevantes para o processo são, portanto, necessários para definir espaços de design de fabricação e orientar estratégias de formulação protetoras.[1–3]
Os métodos na presente síntese concentram-se em evidências quantitativas extraídas de estudos que relatam (i) transições termodinâmicas/térmicas por DSC/TGA (fusão, início da decomposição, transições vítreas e comportamento de perda de massa em estágios) e (ii) cinética de degradação (modelos de pseudo-primeira ordem/primeira ordem, energias de ativação de Arrhenius, dependências de pH e medidas de tempo para fração decomposta) para precursores de NAD⁺ (NR/NRH/NMN), estilbenoides (sistemas relacionados ao resveratrol), flavonoides (quercetin, fisetin, rutin/ésteres) e curcuminoids.[4–11]
Os resultados mostram que vários compostos de longevidade representativos apresentam janelas estreitas de processamento térmico em estados físicos específicos. Nicotinamide riboside chloride (NRCl) exibe um início de fusão a 120.7 ± 0.3 °C com rápida decomposição pós-fusão (por exemplo, 98% de degradação a 130 °C por qNMR), enquanto a degradação aquosa segue uma cinética de pseudo-primeira ordem com energias de ativação de 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ dependendo do pH.[4]
Para o trans-resveratrol, a cinética de degradação é fortemente dependente de pH e temperatura (por exemplo, meia-vida diminuindo de 329 dias em pH 1.2 para 3.3 minutos em pH 10), e a extrapolação de testes acelerados pode ser não-Arrhenius em matrizes de comprimidos.[7, 12]
Operações unitárias de alto cisalhamento podem induzir aquecimento local e ambientes oxidativos, conforme demonstrado pela homogeneização de alto cisalhamento aumentando a temperatura de saída com a velocidade rotacional e coincidindo com perda de 42.6% de ascorbic-acid a 20,000 rpm, e por mecanismos de homogeneização de alta pressão envolvendo cisalhamento de válvula, cavitação e turbulência a >100 MPa.[13, 14]
As conclusões enfatizam a integração de dados de transição termodinâmica (DSC/TGA/Tg) com modelos cinéticos (métodos de Arrhenius, não-Arrhenius e isoconversionais) para produzir mapas de tempo–temperatura–cisalhamento e para selecionar racionalmente estratégias de mitigação, incluindo encapsulamento, dispersões sólidas amorfas, sistemas de ciclodextrina/nanoesponja, controle de oxigênio e minimização de cisalhamento/temperatura.[15–18]
Keywords: bioativos termolábeis; cinética de degradação; Arrhenius; DSC; TGA; homogeneização de alta pressão; spray drying; precursores de NAD⁺
1. Introdução
Compostos relevantes para a longevidade são cada vez mais formulados como nutracêuticos, alimentos funcionais e sistemas avançados de liberação, motivando rotas de fabricação que expõem os ativos a estressores combinados, incluindo aquecimento, contato com oxigênio, atividade de água, excursões de pH e aporte intenso de energia mecânica.[3, 5, 14, 19]
Para as químicas precursoras de NAD⁺, a estabilidade em meio aquoso e no estado sólido é central porque a reatividade pode ocorrer via hidrólise de motivos glicosídicos ou ligados a fosfatos, e porque as temperaturas de processamento podem cruzar limiares de transição no estado sólido que precedem a decomposição rápida.[4, 6]
Para polifenóis e ativos botânicos relacionados, as restrições de estabilidade incluem autoxidação, epimerização e oxidação enzimática a quinonas, que são sensíveis à temperatura, pH, íons metálicos e disponibilidade de oxigênio durante o processamento.[17]
Uma implicação prática é que o projeto de fabricação não pode se basear exclusivamente na temperatura nominal do bulk; em vez disso, deve integrar (i) indicadores termodinâmicos, tais como transição vítrea, fusão e início da decomposição, e (ii) modelos cinéticos que capturem a dependência da degradação em relação ao tempo, temperatura, pH, oxigênio e (onde mensurável) aporte de energia mecânica.[4, 9, 10, 14, 15]
Este artigo sintetiza evidências quantitativas sobre compostos representativos de longevidade e bioativos relacionados para os quais as fontes incluídas fornecem transições termodinâmicas explícitas e/ou parâmetros cinéticos, e associa esses dados aos perfis de estresse de operações unitárias de alto cisalhamento, incluindo mistura de alto cisalhamento, homogeneização de alta pressão/microfluidização, moagem mecanoquímica e secagem por atomização.[1, 14, 15, 20]
2. Estrutura termodinâmica
A estabilidade termodinâmica em contextos de fabricação é avaliada operacionalmente utilizando eventos térmicos mensuráveis (DSC/TGA) e descritores de estado (ex.: amorfo vs. cristalino; temperatura de transição vítrea) que indicam quando um composto ou formulação transiciona para estados com maior mobilidade molecular e, portanto, maiores taxas de reação ou diferentes mecanismos.[4, 9, 15]
2.1 Energia livre de Gibbs e estabilidade de fase
Diversas fontes incluídas computam explicitamente as variações de energia livre de Gibbs para processos de degradação ou destruição térmica, fornecendo uma medida termodinâmica de viabilidade sob condições específicas.[8, 19]
Para o borato de NR, a espontaneidade da degradação foi avaliada por meio do cálculo de energia livre de Gibbs, com ΔG relatado como 2.43 kcal·mol⁻¹.[19]
Para a rutina e ésteres de rutina com ácidos graxos sob condições pirolíticas, os valores de ΔG foram positivos (84–245 kJ·mol⁻¹) juntamente com ΔH positivo (60–242 kJ·mol⁻¹), indicando um perfil de pirólise endotérmico e não espontâneo na análise relatada.[8]
Em termos de formalismo cinético, diversas fontes também aplicam relações de estado de transição e energia livre, como o uso de para interpretar a ativação da hidrólise em um sistema de complexo de espiroborato de curcumina.[21]
2.2 Transição vítrea, fusão e início da decomposição
DSC e TGA fornecem marcadores complementares de risco de processo: eventos de fusão ou amolecimento podem aumentar drasticamente a difusão e permitir uma conversão química rápida, e o início da perda de massa por TGA pode indicar o início da decomposição irreversível mesmo no estado sólido aparente.[4, 9, 15]
Para o NRCl, o DSC indica um início de fusão a 120.7 ± 0.3 °C e um pico de fusão a 125.2 ± 0.2 °C, seguido por um evento exotérmico acentuado imediato com pico a 130.8 ± 0.3 °C.[4]
Consistente com a sequência de eventos de DSC, a quantificação por qNMR mostra degradação limitada a 115 °C (2%) mas perda rápida na região de fusão e acima dela (7% a 120 °C; 55% a 125 °C; 98% a 130 °C; apenas 0.45% de NR restante a 140 °C).[4]
Para o NMN, uma fonte relata que o composto se decompõe em vez de exibir uma transição de fusão clara, com a decomposição iniciando a 160 °C e se completando a 165 °C, e um pico endotérmico de DSC a 162 °C com entalpia de decomposição de 184 kJ·mol⁻¹.[6]
Para a quercetina, a interpretação combinada de DSC/TGA indica que uma endotermia intensa de DSC (máximo a 303 °C) é comumente atribuída incorretamente à fusão, enquanto o TGA indica que a decomposição se inicia a 230 °C e a endotermia se sobrepõe à perda contínua de massa; o "calor de fusão" relatado para o pico de 303 °C é de 69–75 kJ·mol⁻¹.[9]
Para a fisetina, o TGA mostra uma perda de massa menor (~5%) atribuída à evaporação de água da amostra cristalina e um evento de perda de massa maior (~30.6%) a 369.6 °C atribuído à decomposição da molécula.[15]
Para a curcumina sob nitrogênio inerte, um estudo relata que a curcumina bruta exibe um processo de decomposição complexo iniciando em torno de 240 °C (5% de perda de massa) com um pico de DTGA a 347 °C e 37% de resíduo restante a 600 °C (a 10 °C·min⁻¹).[18]
2.3 Estabilidade amorfa e cristalina
Formulações amorfas podem melhorar a solubilidade e a biodisponibilidade, mas podem alterar o comportamento térmico e a estabilidade ao aumentar a mobilidade molecular em relação às formas cristalinas, tornando a temperatura de transição vítrea (Tg) um parâmetro crítico de estabilidade.[15, 16]
Dispersões sólidas amorfas (ASDs) de fisetina preparadas mecanoquimicamente mostram valores de Tg mensuráveis em segundas varreduras de aquecimento e demonstram desvios composicionais na Tg consistentes com a miscibilidade: Eudragit® L100/EPO bruto mostra Tg de 147.1/55.4 °C, enquanto as ASDs de fisetina mostram valores de Tg como 144.2/71.8 °C e 145.9/76.7 °C dependendo do polímero e da carga de fármaco.[15]
Para nanoesponjas de resveratrol e oxyresveratrol, o DSC mostra que a endotermia de fusão do resveratrol (266.49 °C) desaparece nas formulações de nanoesponjas, o que os autores atribuem à encapsulação e possível amorfização das moléculas do fármaco dentro da matriz de nanoesponja.[16]
Para a quercetina, propõe-se que as ligações de hidrogênio restrinjam o amolecimento semelhante à fusão e facilitem a decomposição através do enfraquecimento das ligações, e a interpretação combinada de DSC/TGA conclui que a quercetina não sofre simplesmente fusão, mas passa por decomposição e relaxamento estrutural/amolecimento sobrepostos na faixa de 150–350 °C.[9]
3. Modelos e parâmetros de cinética de degradação
As fontes incluídas utilizam uma gama de modelos cinéticos (formas de primeira ordem, pseudo-primeira ordem, ordem superior ou sigmoidais) e tratamentos de dependência da temperatura (comportamento de Arrhenius e, em alguns casos, não-Arrhenius), frequentemente motivados pela dependência do pH e degradação complexa por múltiplas vias.[4, 7, 22]
3.1 Modelos de ordem de reação
Uma linha de base amplamente utilizada para a degradação em fase de solução é o modelo integrado de primeira ordem, que aparece em múltiplos estudos incluídos como um ajuste primário para dados de concentração-tempo sob pH e temperatura controlados.[4, 11, 12]
Para o NRCl em soluções aquosas tamponadas, a degradação é descrita como de pseudo-primeira ordem, e essa forma de pseudo-primeira ordem é justificada por sistemas de tampão que mantêm as concentrações de OH⁻/H₃O⁺ em grande excesso e aproximadamente constantes em relação à concentração de NR.[4, 23]
Para fisetin e quercetin em tampão fosfato, os resultados relatados são apresentados como constantes de velocidade de degradação de primeira ordem k (h⁻¹) que aumentam fortemente com o pH e a temperatura.[24]
Para quercetin a 90 °C próximo ao pH neutro (6.5–7.5), um modelo sigmoidal foi implementado e comparado com um modelo de primeira ordem, com o modelo sigmoidal resultando em valores de k 2.3–2.5× maiores do que os ajustes de primeira ordem e uma interpretação diferente de meia-vida em pH 7.5.[22]
Para marcadores de extratos vegetais secos por atomização (spray-dried), diferentes ordens de reação aparentes foram relatadas dependendo dos sistemas de excipientes, incluindo modelos de ordem zero e segunda ordem para kaempferol (em binários de excipientes) e um modelo de segunda ordem para quercetin em todos os excipientes.[20]
3.2 Tratamentos de Arrhenius e Eyring
A dependência da temperatura é frequentemente modelada por expressões do tipo Arrhenius, e múltiplas fontes computam explicitamente energias de ativação para parametrizar previsões de vida útil e exposição térmica do processo.[4, 10, 12]
Para a degradação de NRCl em solução aquosa, as energias de ativação de Arrhenius são relatadas como 75.4 (±2.9) kJ·mol⁻¹ em pH 2.0, 76.9 (±1.1) kJ·mol⁻¹ em pH 5.0 e 82.8 (±4.4) kJ·mol⁻¹ em pH 7.4.[4]
Para trans-resveratrol em pH 7.4, a análise de Arrhenius é relatada como log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) com energia de ativação calculada de 84.7 kJ·mol⁻¹.[12]
Para curcumin em mistura de tampão/metanol em pH 8.0, a análise de Arrhenius entre 37–60 °C resulta em Ea=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹.[10]
Para curcumin em meios aquosos relevantes para o trato GI, os gráficos de Arrhenius mostram alta linearidade na faixa de 37–80 °C (valores de r² relatados como 0.9967, 0.9994, 0.9886 para diferentes meios), com energias de ativação relatadas como 16.46, 12.32 e 9.75 kcal·mol⁻¹ para pH 7.4, pH 6.8 e 0.1 N HCl, respectivamente.[11]
A análise de Eyring também aparece no estudo de decomposição hidrolítica de um curcumin spiroborate ester (CBS), onde um gráfico de Eyring é relatado como apresentando uma relação linear com correlação de 0.9988.[21]
3.3 Métodos isoconversionais e livres de modelo
Vários estudos de degradação térmica aplicam métodos isoconversionais (por exemplo, KAS, FWO, Friedman) para calcular energias de ativação dependentes da conversão e, assim, identificar a decomposição em múltiplas etapas e mudanças de mecanismo.[8, 18, 25]
Para rutin e ésteres de ácidos graxos de rutin, as energias de ativação variam substancialmente com o grau de conversão em toda a faixa de 0.05 < α < 0.90, com faixas relatadas de 65 a 246 kJ·mol⁻¹; os autores interpretam isso como evidência de que a degradação térmica ocorre através de um processo não simples com múltiplos estágios.[8]
Para clatratos de resveratrol–β-cyclodextrin, a energia de ativação aumenta com o grau de transformação, com aumentos relatados de 110 para 130 kJ·mol⁻¹ (método OFW) e de 120 para 170 kJ·mol⁻¹ (método Friedman), o que é interpretado como indicativo de uma mudança no mecanismo de reação à medida que a decomposição prossegue.[25]
Para sistemas poliméricos carregados com curcumin sob nitrogênio, as energias de ativação derivadas por múltiplas abordagens (Kissinger, KAS, Friedman e ajuste de modelo) mostram magnitudes amplamente consistentes (por exemplo, 71 ± 5 kJ·mol⁻¹ por Kissinger; 77 ± 2 por KAS; 84 ± 3 por Friedman), e a seleção do modelo indica um modelo cinético F1 com energias na faixa de 73–91 kJ·mol⁻¹.[18]
3.4 Degradação termomecânica e oxidativa acoplada
As operações de fabricação sob alto cisalhamento podem acoplar a dissipação de energia mecânica ao aquecimento local e à transferência aprimorada de oxigênio, amplificando assim as vias impulsionadas pela oxidação em bioativos sensíveis ao oxigênio.[13, 14, 17]
Na homogeneização sob alto cisalhamento de um sistema de bebidas, a temperatura de saída aumenta acentuadamente com a velocidade de rotação (por exemplo, de 4.1 ± 0.7 °C a 0 rpm para 41 ± 1.2 °C a 20,000 rpm) e, na velocidade mais alta, o ascorbic acid é reduzido em 42.6%, consistente com a degradação sendo promovida por alta temperatura e oxidação.[13]
Na homogeneização sob alta pressão (HPH), o mecanismo de processamento é explicitamente atribuído à distribuição de tensão de cisalhamento no orifício da válvula, onde o movimento do fluido é interrompido, e a fenômenos adicionais como cavitação, turbulência, colisão e impacto, que juntos criam estresse mecânico intenso e potencialmente oxidativo.[14]
O acoplamento oxidativo também é demonstrado em experimentos de oxidação térmica para quercetin: a 150 °C, a degradação de quercetin ocorre mais rapidamente sob oxygen do que nitrogen (constantes de velocidade 0.868 h⁻¹ vs 0.253 h⁻¹) e é fortemente acelerada quando cholesterol e oxygen estão presentes (constante de velocidade 7.17 h⁻¹), consistente com o acoplamento de cadeia radicalar entre a formação de cholesterol hydroperoxide e a degradação de quercetin.[26]
Para NRH, oxygen e temperatura exercem forte controle: a 25 °C em água DI a taxa de degradação relatada é de 1.27×10⁻⁷ s⁻¹ sob o ar (meia-vida de 63 dias) em comparação com 5.90×10⁻⁸ s⁻¹ sob N₂ (meia-vida de 136 dias), e os autores afirmam que o NRH pode ser oxidado na presença de oxygen e hidrolisa rapidamente em condições ácidas.[5]
4. Revisão por classe de compostos
A síntese focada em compostos abaixo enfatiza parâmetros cinéticos e termodinâmicos quantificados que podem ser utilizados diretamente em modelos de fabricação, incluindo energias de ativação, constantes de velocidade, meias-vidas, inícios de decomposição e restrições relacionadas à transição vítrea ou fusão.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 Precursores de NAD⁺
A estabilidade dos precursores de NAD⁺ é fortemente condicionada pela suscetibilidade à hidrólise e pela baixa tolerância a certas transições térmicas (particularmente para o NRCl na região de fusão) e oxidação induzida por oxigênio (particularmente para formas reduzidas como o NRH).[4, 5]
O NRCl apresenta cinética de degradação de pseudo-primeira ordem em soluções aquosas e exibe energias de ativação que variam com o pH (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹), o que codifica quantitativamente tanto a sensibilidade térmica quanto a dependência de pH da via de hidrólise dominante.[4]
Propõe-se uma base mecanicista de hidrólise catalisada por base, na qual o NR diminui enquanto a nicotinamida (Nam) e o açúcar se acumulam, e são apresentadas evidências de balanço molar indicando que, para cada molécula de NR que se degrada, uma molécula de Nam e uma de açúcar são formadas.[4]
Em fluidos GI simulados à temperatura fisiológica e agitação (pá USP II a 75 rpm e 37 °C), o NRCl apresenta perda de curto prazo relativamente limitada (ex.: ~97–99% remanescente após 2 h em meio gástrico), mas uma redução mensurável a longo prazo em uma simulação de 24 h (79.18 ± 2.68% remanescente às 24 h, com 90.51 ± 0.82% remanescente às 8 h).[4]
No estado sólido, o NRCl exibe uma janela estreita de temperatura entre o início da fusão e a decomposição rápida: o DSC relata o início da fusão a 120.7 ± 0.3 °C e um evento exotérmico subsequente a ~130.8 °C, enquanto o qNMR quantifica um aumento acentuado na degradação de 2% a 115 °C para 98% a 130 °C.[4]
Uma fonte enquadra explicitamente esses dados como fornecedores de um "limite explícito de temperatura superior para o processamento de NRCl" que pode afetar a produção de suplementos em todas as etapas, ressaltando a relevância dos limites de DSC/qNMR como restrições rígidas em operações aquecidas.[4]
O borato de NR introduz uma estratégia de estabilização motivada pela reatividade do NR: o NR é descrito como tendo uma ligação glicosídica especialmente instável que une um heterociclo de piridínio carregado positivamente a um carboidrato, tornando-o difícil de sintetizar, armazenar e transportar, e a estabilização por borato é descrita como possuindo alta estabilidade contra a degradação térmica e química.[19]
Quantitativamente, a solubilidade do borato de NR é fortemente dependente do pH (ex.: 1972.7 ± 15.4 mg·mL⁻¹ em pH 1.5; 926.0 ± 34.4 mg·mL⁻¹ em pH 7.4), e relata-se que o modelo de Arrhenius mostra taxas de degradação mais elevadas em pH 7.4 do que em pH 1.5 ou 5.0, consistente com a influência da concentração de HO⁻.[19]
A mesma revisão relata uma energia livre de Gibbs para a degradação do borato de NR de 2.43 kcal·mol⁻¹ e observa que um aumento de 10 °C aproximadamente dobra a taxa de degradação sob qualquer condição de pH, ecoando a sensibilidade à temperatura observada para o NRCl.[4, 19]
O NRH exibe sensibilidade pronunciada ao pH e ao oxigênio: relata-se degradação completa em menos de um dia em pH 5, enquanto em pH 9 as amostras mostram ~42–45% de degradação após 60 dias, e a 25 °C em água DI sob ar relata-se ~50% de degradação após 60 dias contra ~27% sob N₂.[5]
Esta sensibilidade ao oxigênio é mecanisticamente atribuída à oxidação na presença de oxigênio e à hidrólise acelerada em condições ácidas, consistente com a descrição do NRH como uma molécula instável devido à sua ligação N-glicosídica e capaz de sofrer degradação, hidrólise e oxidação.[5]
Para o NMN, os marcadores termodinâmicos quantitativos no estado sólido incluem o início da decomposição relatado a 160 °C e a conclusão aos 165 °C (com um pico endotérmico de DSC a 162 °C e entalpia de decomposição de 184 kJ·mol⁻¹), e dados de estabilidade acelerada relatando taxa de decomposição de 0.8% por mês a 40 °C e 75% RH.[6]
Em solução aquosa, a degradação do NMN é relatada como de aparente primeira ordem à temperatura ambiente, com uma equação cinética lg(Ct)=0.0057t+4.8172 e tempos relatados t0.9=95.58 h e t1/2=860.26 h, e o estudo afirma que a taxa de degradação é influenciada principalmente pela alta temperatura e pelo pH.[27]
Para dar suporte a restrições práticas de formulação, uma fonte focada no produto recomenda a incorporação abaixo de 45 °C para evitar a degradação térmica da ligação fosfodiéster e relata menos de 5% de degradação em testes acelerados a 40 °C/75% RH ao longo de 3 meses para sistemas de baixo teor de água formulados adequadamente.[28]
A principal via de degradação do NMN é descrita como a hidrólise da ligação fosfodiéster, gerando nicotinamida e ribose-5-fosfato, com dependências de pH descritas como hidrólise catalisada por ácido abaixo de pH 4.5 e clivagem mediada por base acima de pH 7.5.[28]
4.2 Estilbenoides
Os estilbenoides incluem o resveratrol e compostos relacionados que apresentam forte degradação dependente do pH e do oxigênio, sendo que a sua estabilidade em formulações reais pode desviar-se da extrapolação simples de Arrhenius devido a efeitos de matriz e a múltiplas vias de reação.[7, 12, 29]
Em sistemas aquosos, relata-se que o trans-resveratrol é estável em pH ácido, enquanto a degradação aumenta exponencialmente acima de pH 6.8, e a meia-vida diminui de 329 dias em pH 1.2 para 3.3 minutos em pH 10.[12]
Em pH 7.4, a cinética de degradação do trans-resveratrol segue uma cinética de primeira ordem em todas as temperaturas investigadas, e a energia de ativação é relatada como 84.7 kJ·mol−1.[12]
A fundamentação mecanística apresentada indica que, em pH ácido, os grupos hidroxila são protegidos contra a oxidação radicalar por H₃O⁺ carregado positivamente, ao passo que, em condições alcalinas, os íons fenato aumentam a suscetibilidade à oxidação e à formação de radicais fenóxi, e o oxigênio no meio promove reações radicalares que levam à degradação.[12]
Experimentos independentes de estabilidade térmica em solução aquosa (19 mg·L−1) não relatam alterações espectrais significativas após 30 min até 70 °C, enquanto temperaturas mais elevadas levam a um decréscimo geral na absorbância a 304 nm e à diminuição da absorbância na faixa de 270–350 nm, indicando destruição induzida termicamente sob condições hidrotermais.[30]
A interpretação mecanística desses experimentos hidrotermais propõe a clivagem oxidativa da dupla ligação e a formação de produtos de degradação contendo fenol, tais como hidróxi-aldeídos, álcoois e hidróxi-ácidos, e as bandas de FTIR são interpretadas como consistentes com a formação de aldeídos e ácidos carboxílicos a 100–120 °C.[30]
Em matrizes de comprimidos, relata-se que a degradação do resveratrol segue uma cinética monoexponencial de primeira ordem com valores de k de 0.07140, 0.1937 e 0.231 months−1 a 25, 30 e 40 °C, respectivamente, mas a relação ln(k) vs 1/T é não linear e classificada como super-Arrhenius, com os autores propondo possíveis reações secundárias, múltiplas vias de reação ou efeitos de matriz em temperaturas mais elevadas.[7]
O mesmo trabalho enfatiza que a extrapolação de Arrhenius nem sempre permite a determinação da cinética de degradação do resveratrol em suplementos e que testes acelerados podem levar a estimativas incorretas, incluindo a superestimativa da degradação.[7]
Para fenólicos do tipo estilbeno em sistemas secos, tratamentos térmicos como esterilização a vapor a 121 °C por 20 min produzem perdas mensuráveis (por exemplo, a pinosylvin diminuiu 20.98% em área de pico), e a secagem em estufa por 24 h a 105 °C produz reduções de >50% na área de pico para vários fenólicos, enquanto a TGA indica temperaturas de início de decomposição acima de ~200 °C para sistemas de pinosylvin.[31]
4.3 Flavonoids
Os Flavonoids apresentam sensibilidade à degradação por múltiplas vias, influenciada por pH, temperatura, oxygen e interações de formulação, tais como a ligação a proteínas, e o seu comportamento térmico em DSC/TGA pode envolver decomposição e amolecimento sobrepostos em vez de uma fusão simples.[9, 22, 24]
Em soluções tamponadas, o aumento do pH do meio de 6.0 para 7.5 aumenta as constantes de velocidade de degradação de fisetin e quercetin em 24 vezes e 12 vezes, respectivamente (e.g., k de fisetin de 8.30×10−3 para 0.202 h−1; k de quercetin de 2.81×10−2 para 0.375 h−1), e a elevação da temperatura acima de 37 °C aumenta k substancialmente (e.g., k de fisetin para 0.490 h−1 a 65 °C; k de quercetin para 1.42 h−1 a 65 °C).[24]
Coingredientes proteicos podem mitigar a degradação: com a adição de proteínas, os valores de k medidos diminuem, incluindo o k de fisetin diminuindo de 3.58×10−2 para intervalos que descem até 1.76×10−2 h−1 e o k de quercetin diminuindo de 7.99×10−2 para intervalos que descem até 3.80×10−2 h−1.[24]
Mecanisticamente, a instabilidade química de flavonoid é atribuída a grupos hidroxila e a uma estrutura de pirona instável, e a estabilização por proteínas é atribuída principalmente a interações hidrofóbicas (com SDS interrompendo a estabilização), com as contribuições de ligações de hidrogênio destacadas como requerendo ensaios quantitativos futuros.[24]
Para quercetin a 90 °C próximo da neutralidade, a cinética de degradação mostra fortes efeitos de pH: k aumenta aproximadamente cinco vezes de pH 6.5 para 7.5, e intermediários de oxidação tais como quercetin quinone são detectados, com produtos finais típicos incluindo protocatechuic acid (PCA) e phloroglucinol carboxylic acid (PGCA).[22]
A narrativa mecanística atribui a primeira perda mensurável a 370 nm à conversão de quercetin em quinone e sugere que a clivagem do esqueleto de quinone gera fenólicos mais simples com absorbância limitada, enquanto a desprotonação alcalina acelera a oxidação afetando a estrutura de o-diphenol do C-ring e B-ring.[22]
Em sistemas de alta temperatura (150 °C), a degradação e oxidação de quercetin ocorrem rapidamente, com constantes de velocidade relatadas de 0.253 h−1 em nitrogen e 0.868 h−1 em oxygen e uma forte aceleração (7.17 h−1) em oxygen mais cholesterol; experimentalmente, a perda de quercetin aumenta de 7.9% aos 10 min (N₂) para 20.4% aos 10 min (O₂), enquanto em cholesterol + oxygen a quercetin diminui para 10.9% restante após 10 min.[26]
A análise térmica indica ainda que quercetin apresenta um pequeno pico endotérmico na faixa de 90–135 °C associado a uma pequena perda de massa (0.86 ± 0.33 wt.%), a decomposição inicia-se a 230 °C, e um endotérmico proeminente de DSC a 303 °C sobrepõe-se à decomposição; argumenta-se que as ligações de hidrogênio tanto restringem o comportamento semelhante à fusão quanto facilitam a decomposição ao enfraquecer as ligações químicas.[9]
Para rutin (um quercetin glycoside) e os seus ésteres de ácidos graxos, o TGA indica que rutin é termicamente estável até 240 °C, enquanto os ésteres exibem temperaturas de degradação inicial mais baixas (217–220 °C) e maior perda de massa numa etapa principal, e as energias de ativação variam com o grau de conversão de 65 a 246 kJ·mol−1.[8]
4.4 Curcuminoides
A degradação da curcumina é fortemente dependente do pH e envolve vias oxidativas sob diversas condições aquosas, enquanto a decomposição térmica e as interações de formulação podem alterar os inícios de degradação e os parâmetros cinéticos aparentes.[10, 18, 32]
Em misturas de tampão/metanol a 37 °C, relata-se que a degradação da curcumina segue uma cinética de primeira ordem com k_obs aumentando drasticamente à medida que o pH aumenta (por exemplo, 3,2×10−3 h−1 em pH 7,0 vs 693×10−3 h−1 em pH 12,0), enquanto em pH 5,0 a curcumina se mostra estável nos experimentos relatados.[10]
Em pH 8,0, a análise de Arrhenius resulta em (E_a)=79,6±2,2 kJ·mol−1, e a extrapolação para tampão aquoso sugere uma perda rápida sob condições oxidantes (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2,5 h).[10, 32]
As nanoformulações micelares retardam drasticamente a degradação: em micelas poliméricas e micelas de Triton X-100 em pH 8,0 e 37 °C, os valores relatados de k_obs diminuem para 0,9×10−3 e 0,6×10−3 h−1, com meias-vidas de 777 ± 87 h e 1100 ± 95 h, que são declaradas como sendo ~300–500 vezes maiores do que a curcumina livre em tampão aquoso.[10]
Mecanisticamente, o trabalho incluído argumenta que a degradação da curcumina não ocorre por cisão de cadeia hidrolítica, mas sim por oxidação, gerando uma biciclopentadiona como produto final, estando a degradação de 1 mol de curcumina associada ao consumo de 1 mol de O₂ e sendo a primeira etapa a desprotonação dos grupos hidroxila em pH acima de 7,0.[10]
Um estudo de estabilidade separado relevante para o trato gastrointestinal (GI) relata uma cinética de primeira ordem aparente com alta linearidade (r² > 0,95) e fornece energias de ativação (em kcal·mol−1) que variam com o meio (maiores em pH 7,4 do que em HCl 0,1 N), e relata que, após 12 h a 37 °C, mais de 80% permaneceram em HCl 0,1 N, mas apenas 57% e 47% permaneceram em tampões de fosfato de pH 6,8 e 7,4, respectivamente.[11]
Em altas temperaturas (180 °C), experimentos de torrefação mostram extrema termolabilidade, com apenas 30% da curcumina inicial restando após 5 minutos, e a interpretação mecanicista associa a clivagem oxidativa à intermediação de ácido ferúlico e a uma etapa de descarboxilação acelerada pela exposição ao ar e por temperaturas mais elevadas.[33]
Estudos de decomposição térmica da curcumina e de sistemas poliméricos contendo curcumina sob nitrogênio mostram um comportamento complexo: a decomposição da curcumina pura começa em torno de 240 °C, enquanto a incorporação de curcumina em blendas de PGA/PCL desloca o máximo de degradação do PGA para temperaturas mais baixas (por exemplo, de 372 °C para a blenda pura para 327 °C com 5% de curcumina), implicando que a incorporação de curcumina pode reduzir a estabilidade térmica da matriz.[18]
O mesmo estudo focado em polímeros correlaciona estes resultados com a relevância na fabricação, afirmando que o processamento no estado fundido exige que tanto a estabilidade química da matriz polimérica quanto a atividade biológica dos fármacos incorporados sejam garantidas, e que o processamento de PGA ou blendas de PGA/PCL com curcumina deve ser realizado na menor temperatura possível para evitar a degradação do PGA.[18]
A estabilização da curcumina sob emulsificação de alto cisalhamento também é quantificada em emulsões de Pickering preparadas usando um misturador de alto cisalhamento a 22.000 rpm por 2 min: o armazenamento a 20 °C no escuro mostra que, em uma mistura de óleo-curcumina não encapsulada, aproximadamente metade da curcumina é degradada após 6 dias e apenas 20% restam após 16 dias, ao passo que um sistema de emulsão de Pickering retém ~50% após 16 dias e prolonga a meia-vida de 13 dias para 28 dias.[1]
Sob exposição UV (6 W, 365 nm), o mesmo sistema mostra ~50% de degradação após 9 h e apenas 20% restando após 24 h para a mistura de óleo, enquanto a emulsão de Pickering retém ~70% após 9 h e ~45% após 24 h, prolongando a meia-vida de ~13 h para ~27 h para uma perda de 50%.[1]
4.5 Tabela resumo
A tabela abaixo consolida os parâmetros cinéticos e termodinâmicos representativos relatados em diferentes classes de compostos, enfatizando os valores mais diretamente utilizáveis para a modelagem de processos.
| Composto ou sistema | Condição | Parâmetro cinético ou termodinâmico | Notas para modelos de processamento |
|---|---|---|---|
| NRCl | Tampões aquosos (pH 2.0, 5.0, 7.4), modelo de Arrhenius | (E_a)=75.4±2.9 (pH 2.0), 76.9±1.1 (pH 5.0), 82.8±4.4 kJ·mol−1 (pH 7.4)[4] | Suporta a modelagem de aceleração por temperatura e o espaço de design dependente de pH[4] |
| NRCl | DSC e qNMR (aquecimento a seco) | Início de fusão por DSC 120.7 ± 0.3 °C; pico exotérmico de decomposição 130.8 ± 0.3 °C[4]; degradação de 55% a 125 °C e 98% a 130 °C[4] | Indica uma janela de segurança estreita para operações em estado sólido aquecido próximas à fusão[4] |
| NRH | Água DI a 25 °C, ar vs N₂ | k=1.27×10−7 s−1 (ar; t_(1/2)=63 d) vs 5.90×10−8 s−1 (N₂; t_(1/2)=136 d)[5] | O controle de oxigênio pode aproximadamente duplicar a meia-vida sob as condições testadas[5] |
| NMN | Solução aquosa, temperatura ambiente | Primeira ordem aparente: lg(C_t)=0.0057t+4.8172; t_(0.9)=95.58 h; t_(1/2)=860.26 h[27] | Permite a estimativa da perda de potência durante as etapas de retenção aquosa[27] |
| trans-Resveratrol | Dependência de pH | Meia-vida de 329 d em pH 1.2 vs 3.3 min em pH 10[12] | Forte controle de pH necessário durante o processamento aquoso e ensaios de dissolução[12] |
| trans-Resveratrol | Arrhenius em pH 7.4 | (E_a)=84.7 kJ·mol−1[12] | Utilizado para modelagem de temperaturas moderadas; precaução onde ocorre comportamento não-Arrhenius em matrizes[7, 12] |
| Comprimidos de resveratrol | 25–40 °C, 60–75% RH | k=0.07140, 0.1937, 0.231 months−1 (25, 30, 40 °C)[7] | Desvia-se de Arrhenius (super-Arrhenius), limitando a extrapolação de testes acelerados[7] |
| Fisetin, quercetin | Tampão fosfato | O aumento de pH de 6.0→7.5 aumenta k em 24× (fisetin) e 12× (quercetin)[24] | Destaca a sensibilidade ao pH durante as operações unitárias aquosas[24] |
| Curcumin | pH 8.0, Arrhenius | (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1[10] | Útil para prever a sensibilidade à temperatura em meios neutro-básicos[10] |
| Curcumin em micelas | pH 8.0, 37 °C | t_(1/2)=777±87 h e 1100±95 h (micelas) vs 2.5 h (tampão aquoso livre)[10] | Demonstra a magnitude da estabilização baseada na formulação para as etapas de retenção/processamento[10] |
5. Operações unitárias de fabricação por alto cisalhamento
A fabricação por alto cisalhamento expõe compostos termolábeis a campos de estresse mecânico que podem aumentar a temperatura, a transferência de oxigênio e a área interfacial, afetando assim tanto a cinética de reação quanto os mecanismos dominantes, particularmente para bioativos sensíveis ao oxigênio e ao pH.[13, 14, 17]
5.1 Processamento por fusão
O processamento no estado fundido é destacado em sistemas polímero–fármaco como um cenário onde tanto a estabilidade do polímero quanto a atividade do fármaco devem ser preservadas, e é explicitamente declarado que o processamento no estado fundido implica que a estabilidade química da matriz polimérica e a atividade biológica dos fármacos incorporados devem ser garantidas.[18]
No sistema PGA/PCL–curcumin, a incorporação de curcumin afeta adversamente a estabilidade térmica do PGA, e os autores recomendam o processamento na menor temperatura possível para evitar a degradação do PGA, vinculando a caracterização da estabilidade térmica ao design do processo.[18]
5.2 Homogeneização sob alta pressão e microfluidização
A homogeneização sob alta pressão submete fluidos a alto estresse mecânico quando eles fluem através de uma válvula de fenda estreita; no orifício, o fluido é submetido à ação de cisalhamento, e fenômenos adicionais como cavitação, turbulência, colisão e impacto contribuem para os efeitos de cisalhamento.[14]
A HPH opera sob pressões elevadas de mais de 100 MPa e pode gerar pressões de até 400 MPa, e a pressão aplicada, o número de ciclos/passagens e a temperatura de entrada são descritos como fatores-chave que afetam a extratibilidade e a estabilidade de fitoquímicos.[14]
Quantitativamente, a revisão de HPH relata exemplos de alterações de composição, tais como reduções graduais de L-ascorbic acid (1.7%, 4.6%, 10.7%) a 100, 200, 300 MPa e reduções de polyphenol (por exemplo, 10.6%, 6.0%, 1.4%) em suco de maçã a 100, 200, 300 MPa, ilustrando que o nível de pressão pode se correlacionar com perdas em compostos sensíveis à oxidação, dependendo da matriz e da atividade enzimática.[14]
Na escala de formulação, a microfluidização pode produzir emulsões estáveis com retenção quantificada de phenolics: para emulsões W/O/W, as condições ideais do microfluidizador foram relatadas como 148 MPa e sete ciclos, resultando em gotículas de 105.3 ± 3.2 nm e PDI 0.233 ± 0.020, e após 35 dias a retenção de phenolics foi de 68.6% com retenção da atividade antioxidante de 89.5%.[2]
Um estudo de encapsulação separado relata uma abordagem combinada de alto cisalhamento e microfluidização: dispersões lipossomais foram homogeneizadas a 9500 rpm por 10 min e depois passadas cinco vezes por um microfluidizador a 25,000 psi antes do spray drying, demonstrando que sequências industrialmente realistas podem combinar cisalhamento e subsequente secagem térmica.[3]
Revisões de homogeneização sob ultra-alta pressão (UHPH) enfatizam o cisalhamento extremo e os impactos dentro da válvula, com condições relatadas tais como fluidos bombeados a mais de 200 MPa (tipicamente 300 MPa) e menos de 0.2 s de tempo de residência na válvula a Mach 3, e com nanofragmentação de microrganismos, coloides e biopolímeros para 100–500 nm.[34]
5.3 Mistura de alto cisalhamento
A mistura de alto cisalhamento é frequentemente utilizada como uma etapa de pré-emulsificação ou dispersão e pode, por si só, gerar aumentos significativos de temperatura e ambientes oxidativos, influenciando assim a degradação mesmo antes das operações subsequentes.[13]
Em um modelo de bebida, a homogeneização por alto cisalhamento por 10 min em velocidades de rotação crescentes aumentou a temperatura de saída (de 4.1 ± 0.7 °C a 0 rpm para 41 ± 1.2 °C a 20,000 rpm) e foi associada a uma perda substancial de ascorbic-acid (redução de 42.6% a 20,000 rpm).[13]
Em um sistema de emulsão de Pickering de curcumin, a mistura de alto cisalhamento a 22,000 rpm por 2 min foi utilizada para formar emulsões, após o que as melhorias de estabilidade foram quantificadas através de uma degradação mais lenta e meia-vida estendida tanto sob armazenamento quanto sob estresse por UV, vinculando a estruturação interfacial por alto cisalhamento aos resultados de estabilidade química.[1]
5.4 Moagem mecanoquímica
O processamento mecanoquímico (por exemplo, moagem de bolas) pode produzir dispersões sólidas amorfas e alterar a estabilidade ao mudar a forma do estado sólido, misturando em nível molecular e permitindo interações intermoleculares fortes, como ligações de hidrogênio.[15]
Para as ASDs e inclusões de fisetin, a moagem foi realizada à temperatura ambiente com frequência de 30 Hz e tempo de 20 min, e a análise subsequente de TG/DSC foi realizada sob nitrogênio para quantificar a estabilidade térmica e o comportamento de Tg.[15]
5.5 Spray drying
O spray drying é descrito como uma das técnicas mais comumente utilizadas para a produção de extratos vegetais secos, e as altas temperaturas durante o spray drying são apontadas como tendo efeitos potencialmente prejudiciais sobre (poly)phenols termolábeis.[3, 20]
Em um estudo de encapsulação de polyphenol, o spray drying foi realizado com temperatura do ar de entrada de 150 ± 5 °C e temperatura de saída de 90 ± 5 °C, enquanto os autores afirmam que a quantidade de (poly)phenols diminuiu devido à exposição ao oxigênio e ao calor durante o spray drying, motivando a encapsulação para preservar as propriedades funcionais.[3]
Em um estudo de pré-formulação de extrato, as condições de processo do spray-dryer (temperatura de entrada, taxa de fluxo de alimentação, proporção de colloidal silicon dioxide) foram avaliadas quanto aos seus efeitos nas respostas, e métodos de Arrhenius foram utilizados para determinar os parâmetros cinéticos de decomposição, incluindo ordem de reação, tempo de fração decomposta e constante de velocidade.[20]
5.6 Summary table
A tabela abaixo resume os perfis de estresse e exemplos de impactos quantitativos relatados para operações unitárias que impõem alto cisalhamento e/ou exposição térmica intensa.
| Unit operation | Stress descriptors reported | Quantitative examples in included sources | Implications for thermolabile actives |
|---|---|---|---|
| Mistura de alto cisalhamento | Velocidade de rotação; aumento de temperatura com a velocidade[13] | A temperatura de saída aumenta para 41 ± 1.2 °C a 20,000 rpm (10 min)[13]; ascorbic acid reduzido em 42.6% a 20,000 rpm[13] | O aquecimento induzido por cisalhamento pode co-conduzir a oxidação e a degradação térmica mesmo sem aquecimento externo[13] |
| Homogeneização sob alta pressão | Pressão >100 MPa; cisalhamento na válvula; cavitação/turbulência[14] | Reduções de polyphenol relatadas sob 100–300 MPa em sucos (ex.: 10.6% a 100 MPa em suco de maçã)[14] | Requer controle da temperatura de entrada, passagens, oxigênio e atividade enzimática para limitar a perda induzida por oxidação[14] |
| Microfluidização | Pressão e contagem de ciclos[2] | 148 MPa e sete ciclos resultam em gotículas de ~105 nm; retenção de phenolics de 68.6% após 35 d de armazenamento[2] | Permite sistemas de encapsulação de gotículas pequenas que podem preservar phenolics durante o armazenamento e possivelmente no processamento subsequente[2] |
| UHPH | >200 MPa (tipicamente 300 MPa); cisalhamento/impactos extremos; <0.2 s de residência na válvula; temperatura local da válvula frequentemente >75 °C[34] | Nanofragmentação para 100–500 nm declarada[34] | O tempo de residência extremamente curto pode limitar a degradação térmica de pequenas moléculas, apesar do aquecimento local, mas os efeitos de cisalhamento/oxidação devem ser validados para cada composto[34] |
| Moagem mecanoquímica | Frequência e tempo; amorfização e formação de interações[15] | 30 Hz por 20 min produziu ASDs de fisetin com valores de Tg mensuráveis e evidência de ligações de hidrogênio[15] | Pode criar estados amorfos que alteram a estabilidade; a Tg torna-se um parâmetro de controle fundamental para armazenamento/processamento[15] |
| Spray drying | Temperaturas de entrada/saída; exposição ao oxigênio/calor[3] | Entrada de 150 ± 5 °C e saída de 90 ± 5 °C utilizadas para pós de extratos encapsulados[3] | A exposição térmica e oxidativa pode diminuir os (poly)phenols; a encapsulação protetora pode melhorar a retenção e a bioacessibilidade[3] |
6. Modelos integrados de estabilidade-processo
As fontes incluídas fornecem os elementos fundamentais para uma estrutura preditiva integrada, na qual os resultados de estabilidade são calculados a partir dos históricos térmicos das operações unitárias e dos microambientes físico-químicos (pH, oxigênio, atividade de água), respeitando os limiares de transição termodinâmica.[4, 14]
6.1 Mapeamento tempo-temperatura-cisalhamento
Uma abordagem prática de mapeamento pode utilizar a cinética (k, (E_a), meia-vida) em conjunto com perfis de tempo-temperatura medidos ou inferidos das operações unitárias para calcular a conversão esperada, utilizando simultaneamente os limiares de transição de estado (Tg, início da fusão, início da decomposição) como limites que podem alterar os mecanismos ou aumentar as taxas.[4, 15]
Por exemplo, um modelo em fase de solução de pseudo-primeira ordem para o NRCl pode ser parametrizado utilizando energias de ativação de Arrhenius (75.4–82.8 kJ·mol−1) e a observação de que um aumento de 10 °C aproximadamente duplica o k_obs, permitindo a transposição de experimentos validados em tampão para excursões térmicas curtas na fabricação.[4]
Para o curcumin, a sensibilidade à temperatura pode ser parametrizada utilizando (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 em pH 8.0 e a forte dependência relatada do k_obs em relação ao pH, que juntos permitem a previsão de perdas durante tempos de retenção aquosa ou etapas de emulsificação aquecidas onde o pH local é neutro-básico.[10]
Para o trans-resveratrol, o colapso da meia-vida impulsionado pelo pH (de centenas de dias para minutos à medida que o pH aumenta) implica que os resultados de estabilidade durante o processamento podem ser dominados pelo pH microambiental em vez da temperatura global, e a modelagem de Arrhenius em pH 7.4 pode ser utilizada para exposições a temperaturas moderadas com (E_a)=84.7 kJ·mol−1.[12]
6.2 QbD e espaço de design
A interpretação do Quality-by-Design é apoiada por estudos que avaliam explicitamente como os parâmetros de processo e as matrizes de formulação alteram os mecanismos de degradação, incluindo descobertas de que os testes acelerados podem falhar em prever o prazo de validade quando ocorrem comportamentos não-Arrhenius ou efeitos de matriz.[7, 29]
Para comprimidos de resveratrol, a conclusão de que as abordagens de Arrhenius podem superestimar a degradação em testes acelerados motiva a definição de espaços de design utilizando tanto a compreensão mecanicista quanto dados de múltiplas temperaturas, em vez de uma única condição acelerada.[7, 29]
Para sistemas marcadores de flavonoides secos por atomização, relata-se explicitamente que os excipientes influenciam a ordem cinética e os valores de tempo para fração decomposta, indicando que a composição da formulação é parte do espaço de design da estabilidade, e não um background fixo.[20]
6.3 PAT e especificidade analítica
O monitoramento preciso do processo exige especificidade analítica, pois os produtos de degradação podem confundir ensaios espectroscópicos mais simples, particularmente para polifenóis.[12]
Para o trans-resveratrol, a especificidade de HPLC e UPLC é relatada como confirmada, enquanto a espectroscopia UV/VIS resultou em concentrações falsamente mais elevadas de trans-resveratrol sob condições em que este não era estável (pH alcalino, luz, temperatura elevada), enfatizando a necessidade de métodos indicativos de estabilidade na analítica de processo.[12]
7. Estratégias de mitigação
As abordagens de mitigação nas fontes incluídas enfatizam a restrição da exposição a aceleradores conhecidos (calor, oxigênio, pH alto, UV) e o uso de arquiteturas de formulação que reduzem a mobilidade molecular, protegem as interfaces ou posicionam o ativo em microambientes menos reativos.[10, 13, 17]
7.1 Encapsulamento e dispersões
O encapsulamento em sistemas micelares ou particulados pode estabilizar substancialmente compostos termolábeis ao limitar o contato com água, oxigênio e espécies reativas, e ao alterar a acessibilidade ácido-base de grupos funcionais fundamentais.[1, 10]
Para curcumin, a solubilização micelar reduz o k_obs para 0.6–0.9×10−3 h−1 e estende a meia-vida para 777–1100 h, e essa estabilização é atribuída à prevenção da deprotonação de hidroxila dentro de um núcleo micelar hidrofóbico, descrita como a primeira etapa da degradação.[10]
As emulsões de Pickering fornecem uma barreira física: afirma-se que a presença de uma barreira física densa na interface dificulta a degradação de curcumin, e, quantitativamente, o sistema formador de barreira estende a meia-vida de armazenamento de 13 dias para 28 dias e a meia-vida sob UV de ~13 h para ~27 h.[1]
Sistemas carreadores derivados de cyclodextrin fornecem outra estratégia: clatratos de resveratrol–β-cyclodextrin mostram eventos térmicos, incluindo liberação de água próxima a 50 °C e eventos de degradação em temperaturas mais altas, e as energias livres de ligação (ex., −86 kJ·mol−1 por MM/PBSA) quantificam interações de inclusão fortes.[25]
O encapsulamento em nanosponges de resveratrol elimina seu endotérmico de fusão por DSC e fornece fotoproteção: o resveratrol livre mostra 59.7% de degradação dentro de 15 min sob exposição ao UV, enquanto os nanosponges de resveratrol fornecem uma proteção de aproximadamente duas vezes, consistente com o fato de o encapsulamento impedir a exposição direta ao UV.[16]
Dispersões sólidas amorfas podem ser projetadas via moagem mecanoquímica, e as ligações de hidrogênio entre fisetin e os grupos éster do Eudragit® são explicitamente identificadas, fornecendo uma base mecanicista para a miscibilidade e Tg alterada que pode estabilizar contra alterações dependentes de cristalização no comportamento de dissolução.[15]
7.2 Seleção de excipientes e carreadores
A seleção de excipientes pode alterar os mecanismos cinéticos e os resultados de estabilidade, conforme relatado em sistemas de extratos vegetais secos por atomização, onde a ordem de reação e os tempos de fração decomposta diferem dependendo das misturas de excipientes, indicando uma cinética de degradação dependente do excipiente.[20]
Co-ingredientes proteicos podem estabilizar flavonoides via interações hidrofóbicas, diminuindo os valores de k para fisetin e quercetin, e a ruptura dessas interações por SDS apoia a interpretação de que a ligação hidrofóbica é um mecanismo estabilizador essencial.[24]
7.3 Controles de engenharia de processo
Controles de processo que reduzem a exposição térmica e o contato com oxigênio são diretamente apoiados por múltiplos conjuntos de dados.[5, 18]
Para NRCl, as evidências de DSC/qNMR indicam que exceder a região de início de fusão (~120–130 °C) pode produzir uma degradação extremamente rápida, apoiando limites superiores rígidos para a temperatura e o tempo de residência em operações em estado sólido aquecido.[4]
Para NRH, a diferença entre a meia-vida em ar e em N2 a 25 °C implica que a inertização e a exclusão de oxigênio podem ser significativas, e os autores relatam que amostras sob uma cobertura de N2 a 4 °C não mostram degradação detectável após 60 dias, enquanto amostras a 4 °C em ar mostram ~10% de degradação.[5]
Para homogeneização de alto cisalhamento, a observação direta de que o aumento de rpm aumenta a temperatura de saída e está associado a uma maior perda de ascorbic acid sensível à oxidação apoia medidas de engenharia que limitem o aquecimento induzido por cisalhamento (ex., camisas de resfriamento, tempos de mistura mais curtos, adição em etapas).[13]
Para a secagem por atomização, a afirmação de que a exposição ao oxigênio e ao calor reduz (poly)phenols e de que altas temperaturas podem ser prejudiciais para phenolics termolábeis apoia escolhas como a redução da temperatura de saída quando viável e o uso de encapsulamento para reduzir a oxidação e a sensibilidade ao calor.[3]
7.4 Antioxidantes e controle de oxigênio
As estratégias de antioxidantes e controle de oxigênio são apoiadas mecanisticamente em conjuntos de dados de polyphenol.[12, 22]
Para quercetin a 90 °C, antioxidantes como cysteine reduzem o k, com 200 µmol·L−1 de cysteine produzindo uma redução de k de ~43% em comparação ao controle, e a interpretação mecanicista considera a estabilização de quercetin quinone e os efeitos de sequestro de radicais.[22]
Para trans-resveratrol, relata-se explicitamente que o oxigênio promove reações radicalares que levam à degradação, apoiando atmosferas de processamento inertes ou barreiras de oxigênio, quando viável, para processamento aquoso alcalino/neutro.[12]
Em sistemas lipossomais, relata-se que o resveratrol limita a oxidação de stigmasterol ao neutralizar radicais livres e se integra nas bicamadas lipídicas, aumentando a rigidez e reduzindo a permeabilidade ao oxigênio e agentes oxidantes, aumentando, assim, a estabilidade térmica e oxidativa do sistema.[35]
8. Discussão
Em toda a base de evidências aqui sintetizada, o padrão quantitativo mais robusto é que o microambiente químico (pH, oxigênio, presença de água) pode dominar os desfechos de estabilidade mesmo sob temperaturas moderadas, e que diversos bioativos exibem descontinuidades acentuadas de estabilidade em limiares específicos de transição térmica.[4, 5, 12]
Para os precursores de NAD+, o conjunto de dados do NRCl destaca um regime duplo: em solução aquosa, a hidrólise de pseudo-primeira ordem pode ser modelada com energias de ativação de Arrhenius e um aumento de taxa de aproximadamente duas vezes a cada 10 °C, ao passo que, no estado sólido, uma região estreita em torno de 120–130 °C corresponde à fusão seguida imediatamente por rápida decomposição.[4]
Para o resveratrol, um risco de processo dominante surge da sensibilidade ao pH: a meia-vida colapsa de longas durações em pH ácido para minutos em pH elevado, enquanto o oxigênio promove reações radicalares, indicando que operações de alto cisalhamento que aumentam a transferência de oxigênio e a alcalinidade local podem ser desproporcionalmente prejudiciais, mesmo que a temperatura global permaneça moderada.[12]
Para os flavonoides, a oxidação via intermediários de quinona e os mecanismos de desprotonação dependentes de pH (quercetina) combinam-se com a oxidação a alta temperatura e o acoplamento de cadeia radicalar (ex.: oxigênio mais cholesterol), sugerindo que formulações contendo lipídeos e a exposição ao oxigênio podem amplificar fortemente as vias de perda oxidativa.[22, 26]
Para a curcumina, existe uma tensão mecanicista entre narrativas impulsionadas pela hidrólise (em alguns trabalhos com tampão GI) e narrativas impulsionadas pela autooxidação (em trabalhos focados em micelas), mas ambas convergem para um forte efeito de pH e para o papel protetor de microambientes hidrofóbicos e da limitação de oxigênio.[11, 32]
No nível de operação unitária, processos de alto cisalhamento podem atuar primariamente como aceleradores indiretos, gerando calor e aumentando a suscetibilidade oxidativa; isso é demonstrado diretamente na homogeneização de alto cisalhamento, onde a velocidade de rotação aumenta a temperatura de saída e coincide com a perda oxidativa de ascorbic acid.[13]
HPH/UHPH introduzem complexidade adicional porque a região da válvula impõe cisalhamento extremo, cavitação e turbulência, e pode gerar altas temperaturas locais, embora os tempos de residência possam ser muito curtos (ex.: <0.2 s em descrições de UHPH), implicando que os desfechos químicos podem depender de a degradação ser controlada por processos radicalares rápidos, etapas limitadas por difusão ou etapas de ativação térmica mais lentas.[14, 34]
Finalmente, diversas fontes destacam que a modelagem de estabilidade deve ser validada mecanicamente na matriz relevante: dados de comprimidos de resveratrol mostram comportamento não-Arrhenius e efeitos de matriz que limitam a extrapolação geral de Arrhenius a partir de testes acelerados, e marcadores de extratos vegetais secos por atomização mostram ordens cinéticas dependentes de excipientes e tempos de fração decomposta.[7, 20]
9. Conclusões
Marcadores quantitativos de transição termodinâmica (DSC/TGA) e cinética de degradação (k, t_(1/2), (E_a), energias de ativação dependentes da conversão) fornecem uma base relevante para o processo no delineamento de condições de fabricação que preservam a potência de compostos de longevidade termolábeis e bioativos relacionados.[4, 8, 9]
Para precursores de NAD+, o NRCl apresenta uma janela estreita de processamento térmico próxima da fusão, seguida de rápida decomposição, enquanto a cinética aquosa mostra um comportamento de pseudo-primeira ordem dependente do pH, com energias de ativação de 75–83 kJ·mol−1 que podem parametrizar modelos de exposição térmica.[4]
Para o resveratrol, o pH e o oxigênio são variáveis dominantes, com a meia-vida decaindo de centenas de dias em pH ácido para minutos em pH elevado, e as matrizes de formulação podem produzir um comportamento não-Arrhenius que complica a extrapolação de testes acelerados.[7, 12]
Para flavonoides e curcuminoides, as vias de oxidação (intermediários de quinona para quercetin; auto-oxidação para curcumin) motivam estratégias de controle de oxigênio e encapsulamento hidrofóbico, que se mostraram quantitativamente capazes de prolongar a meia-vida em ordens de magnitude em sistemas micelares e substancialmente em emulsões de Pickering produzidas sob mistura de alto cisalhamento.[1, 10, 22, 32]
Para operações unitárias de alto cisalhamento, as evidências disponíveis mostram que o cisalhamento pode elevar a temperatura e promover a oxidação (mistura de alto cisalhamento) e que os processos de alta pressão baseados em válvulas geram cisalhamento extremo e cavitação, com a pressão, o número de passagens e a temperatura de entrada como variáveis-chave de estresse; essas descobertas apoiam a implementação do mapeamento de tempo–temperatura–cisalhamento e PAT utilizando métodos analíticos indicadores de estabilidade.[12–14]
Conflito de interesses
Os autores declaram não haver conflito de interesses.[20]
