ความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ของสารประกอบ Longevity ที่สลายตัวด้วยความร้อนในกระบวนการแปรรูปด้วยแรงเฉือนสูง

เสถียรภาพทางเทอร์โมไดนามิกส์และจลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพของสารประกอบเพื่ออายุยืนที่ไวต่อความร้อนภายใต้ความเค้นในการผลิตแบบแรงเฉือนสูง

บทคัดย่อ

สารประกอบที่เกี่ยวข้องกับอายุยืนที่ไวต่อความร้อนและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพกลุ่มโพลีฟีนอลมักเผชิญกับความเค้นร่วมกันทางความร้อน, ออกซิเดชัน, pH และเชิงกลในระหว่างการผลิต (เช่น การผสมแบบแรงเฉือนสูง, การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูง และการอบแห้งแบบพ่นฝอย) ซึ่งสามารถเร่งการเสื่อมสภาพทางเคมีและลดประสิทธิภาพในการส่งมอบยา ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีพารามิเตอร์ความเสถียรที่สอดคล้องกับกระบวนการในเชิงปริมาณเพื่อกำหนดพื้นที่การออกแบบที่สามารถผลิตได้และเพื่อชี้นำกลยุทธ์การตั้งตำรับเพื่อการปกป้อง [1–3]

วิธีการในการสังเคราะห์ปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่หลักฐานเชิงปริมาณที่สกัดจากการศึกษาที่รายงานเกี่ยวกับ:

• การเปลี่ยนผ่านทางเทอร์โมไดนามิกส์/ความร้อนที่ประเมินโดย DSC และ TGA (การหลอมละลาย, การเริ่มสลายตัว, การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว และพฤติกรรมการสูญเสียมวลเป็นระยะ)
• จลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพ (แบบจำลองอันดับหนึ่งเทียม/อันดับหนึ่ง, พลังงานก่อกัมมันต์ของ Arrhenius, การพึ่งพา pH และการวัดเวลาที่ใช้ในการสลายตัวบางส่วน) สำหรับสารตั้งต้น NAD⁺ (NR/NRH/NMN), stilbenoids (ระบบที่เกี่ยวข้องกับ resveratrol), flavonoids (quercetin, fisetin, rutin/เอสเทอร์) และ curcuminoids [4–11]

ผลลัพธ์ระบุว่าสารประกอบเพื่ออายุยืนที่เป็นตัวแทนหลายชนิดแสดงหน้าต่างการประมวลผลด้วยความร้อนที่แคบในสถานะทางกายภาพเฉพาะ Nicotinamide riboside chloride (NRCl) แสดงการเริ่มหลอมละลายที่ 120.7 ± 0.3 °C พร้อมกับการสลายตัวอย่างรวดเร็วหลังการหลอมละลาย (เช่น การเสื่อมสภาพ 98% ที่ 130 °C โดย qNMR) ในขณะที่การเสื่อมสภาพในน้ำเป็นไปตามจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่งเทียมโดยมีพลังงานก่อกัมมันต์อยู่ที่ 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ ขึ้นอยู่กับ pH [4]

สำหรับ trans-resveratrol จลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพขึ้นอยู่กับ pH และอุณหภูมิอย่างมาก (เช่น ครึ่งชีวิตลดลงจาก 329 วันที่ pH 1.2 เหลือ 3.3 นาทีที่ pH 10) และการคาดคะเนจากการทดสอบแบบเร่งอาจไม่ใช่แบบ Arrhenius ในเมทริกซ์ยาเม็ด [7, 12]

การดำเนินการหน่วยแรงเฉือนสูงสามารถกระตุ้นให้เกิดความร้อนเฉพาะจุดและสภาวะออกซิเดชัน ดังที่แสดงโดยการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยแรงเฉือนสูงที่เพิ่มอุณหภูมิขาออกตามความเร็วรอบการหมุนและสอดคล้องกับการสูญเสีย ascorbic-acid 42.6% ที่ 20,000 rpm และโดยกลไกการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูงที่เกี่ยวข้องกับแรงเฉือนของวาล์ว, คาวิทเทชัน และความปั่นป่วนที่ >100 MPa [13, 14]

ข้อสรุปเน้นย้ำถึงการบูรณาการข้อมูลการเปลี่ยนผ่านทางเทอร์โมไดนามิกส์ (DSC/TGA/Tg) เข้ากับแบบจำลองจลนพลศาสตร์ (Arrhenius, non-Arrhenius และวิธี isoconversional) เพื่อสร้างแผนที่ เวลา–อุณหภูมิ–แรงเฉือน และเพื่อเลือกกลยุทธ์การบรรเทาผลกระทบอย่างสมเหตุสมผล ซึ่งรวมถึงการห่อหุ้ม, สารกระจายตัวของแข็งอสัณฐาน, ระบบ cyclodextrin/nanosponge, การควบคุมออกซิเจน และการลดแรงเฉือน/อุณหภูมิให้เหลือน้อยที่สุด [15–18]

คำสำคัญ

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

1. บทนำ

สารประกอบที่เกี่ยวข้องกับอายุยืนได้รับการตั้งตำรับมากขึ้นในรูปแบบของผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร, อาหารฟังก์ชัน และระบบการนำส่งขั้นสูง ซึ่งผลักดันให้เกิดเส้นทางการผลิตที่ทำให้สารออกฤทธิ์สัมผัสกับปัจจัยกดดันร่วมกัน ได้แก่ ความร้อน, การสัมผัสออกซิเจน, water activity, การเปลี่ยนแปลงของ pH และการป้อนพลังงานเชิงกลที่รุนแรง [3, 5, 14, 19]

สำหรับเคมีของสารตั้งต้น NAD⁺ ความเสถียรในสถานะสารละลายน้ำและสถานะของแข็งมีความสำคัญเนื่องจากปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านการไฮโดรไลซิสของโครงสร้างไกลโคซิดิกหรือโครงสร้างที่เชื่อมด้วยฟอสเฟต และเนื่องจากอุณหภูมิในการประมวลผลสามารถข้ามเกณฑ์การเปลี่ยนผ่านสถานะของแข็งที่เกิดขึ้นก่อนการสลายตัวอย่างรวดเร็ว [4, 6]

สำหรับโพลีฟีนอลและสารออกฤทธิ์ทางพฤกษศาสตร์ที่เกี่ยวข้อง ข้อจำกัดด้านความเสถียรรวมถึง autoxidation, epimerization และการเกิดออกซิเดชันด้วยเอนไซม์ไปเป็น quinones ซึ่งไวต่ออุณหภูมิ, pH, ไอออนของโลหะ และความพร้อมของออกซิเจนในระหว่างการประมวลผล [17]

นัยในทางปฏิบัติคือการออกแบบการผลิตไม่สามารถพึ่งพาเพียงอุณหภูมิมวลรวมเล็กน้อยเท่านั้น แต่ต้องบูรณาการสิ่งต่อไปนี้:

• ตัวบ่งชี้ทางเทอร์โมไดนามิกส์ เช่น การเปลี่ยนผ่านสถานะคล้ายแก้ว, การหลอมละลาย และการเริ่มสลายตัว
• แบบจำลองจลนพลศาสตร์ที่จับความสัมพันธ์ของการเสื่อมสภาพกับเวลา, อุณหภูมิ, pH, ออกซิเจน และ (ในกรณีที่วัดได้) การป้อนพลังงานเชิงกล [4, 9, 10, 14, 15]

บทความนี้สังเคราะห์หลักฐานเชิงปริมาณของสารประกอบเพื่ออายุยืนที่เป็นตัวแทนและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่เกี่ยวข้องซึ่งแหล่งข้อมูลที่รวมไว้ให้ข้อมูลการเปลี่ยนผ่านทางเทอร์โมไดนามิกส์และ/หรือพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์ที่ชัดเจน และเชื่อมโยงข้อมูลเหล่านั้นกับโปรไฟล์ความเค้นของการดำเนินการหน่วยแรงเฉือนสูง รวมถึงการผสมแบบแรงเฉือนสูง, การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูง/microfluidization, mechanochemical milling และการอบแห้งแบบพ่นฝอย [1, 14, 15, 20]

2. กรอบแนวคิดทางเทอร์โมไดนามิกส์

ความเสถียรทางเทอร์โมไดนามิกส์ในบริบทการผลิตได้รับการประเมินในทางปฏิบัติโดยใช้เหตุการณ์ความร้อนที่วัดได้ (DSC/TGA) และตัวอธิบายสถานะ (เช่น อสัณฐานเทียบกับผลึก; อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว) ซึ่งระบุว่าเมื่อใดที่สารประกอบหรือตำรับยาเปลี่ยนผ่านเข้าสู่สถานะที่มีการเคลื่อนที่ระดับโมเลกุลสูงขึ้น ดังนั้นจึงมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่สูงขึ้นหรือกลไกที่แตกต่างออกไป [4, 9, 15]

2.1 พลังงานอิสระของกิ๊บบ์สและเสถียรภาพของเฟส

แหล่งข้อมูลหลายแหล่งที่รวมอยู่คำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระของกิ๊บบ์สสำหรับกระบวนการเสื่อมสภาพหรือการทำลายด้วยความร้อนอย่างชัดเจน เพื่อให้การวัดความเป็นไปได้ทางเทอร์โมไดนามิกส์ภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ [8, 19]

• สำหรับ NR borate ความเป็นไปได้ในการเสื่อมสภาพเองได้รับการประเมินผ่านการคำนวณพลังงานอิสระของกิ๊บบ์ส โดยมีรายงานค่า ΔG อยู่ที่ 2.43 kcal·mol⁻¹ [19]
• สำหรับ rutin และ fatty-acid rutin esters ภายใต้สภาวะไพโรไลซิส ค่า ΔG เป็นบวก (84–245 kJ·mol⁻¹) ควบคู่ไปกับ ΔH ที่เป็นบวก (60–242 kJ·mol⁻¹) ซึ่งบ่งชี้ถึงโปรไฟล์ไพโรไลซิสแบบดูดความร้อนและไม่เกิดขึ้นเองในการวิเคราะห์ที่รายงาน [8]

ในแง่ของรูปแบบจลนพลศาสตร์ แหล่งข้อมูลหลายแห่งยังใช้ความสัมพันธ์ของสถานะเปลี่ยนผ่านและพลังงานอิสระเพื่อตีความการกระตุ้นการไฮโดรไลซิสในระบบต่างๆ เช่น curcumin spiroborate complex [21]

2.2 การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว, การหลอมละลาย และการเริ่มสลายตัว

DSC และ TGA ให้เครื่องหมายที่เสริมกันของความเสี่ยงในกระบวนการ: เหตุการณ์การหลอมละลายหรือการอ่อนตัวสามารถเพิ่มการแพร่กระจายอย่างรวดเร็วและช่วยให้เกิดการเปลี่ยนรูปทางเคมีอย่างรวดเร็ว และการเริ่มสูญเสียมวลใน TGA สามารถระบุถึงจุดเริ่มต้นของการสลายตัวที่ย้อนกลับไม่ได้แม้ในสถานะของแข็งที่เห็นได้ชัด [4, 9, 15]

• สำหรับ NRCl ผล DSC บ่งชี้ถึงการเริ่มหลอมละลายที่ 120.7 ± 0.3 °C และพีคการหลอมละลายที่ 125.2 ± 0.2 °C ตามด้วยเหตุการณ์คายความร้อนที่รุนแรงทันทีซึ่งพุ่งสูงสุดที่ 130.8 ± 0.3 °C [4]
• สำหรับ NMN การสลายตัวเริ่มต้นที่ 160 °C และเสร็จสิ้นที่ 165 °C โดยมีพีค DSC แบบดูดความร้อนที่ 162 °C และเอนทาลปีของการสลายตัว 184 kJ·mol⁻¹ [6]
• สำหรับ quercetin ค่าเอนโดเทอร์ม DSC ที่รุนแรง (สูงสุดที่ 303 °C) มักถูกระบุผิดว่าเป็นการหลอมละลาย ในขณะที่ข้อมูล TGA บ่งชี้ถึงการสลายตัวที่ 230 °C ซึ่งทับซ้อนกับการสูญเสียมวล [9]
• สำหรับ curcumin ภายใต้ไนโตรเจน สังเกตเห็นการสลายตัวหลายขั้นตอนเริ่มที่ 240 °C โดยมีกากเหลือ 37% ที่ 600 °C [18]

2.3 เสถียรภาพของอสัณฐานและผลึก

ตำรับอสัณฐานอาจปรับปรุงการละลายและการดูดซึม แต่สามารถเปลี่ยนพฤติกรรมทางความร้อนและความเสถียรได้โดยการเพิ่มการเคลื่อนที่ระดับโมเลกุลเมื่อเทียบกับรูปแบบผลึก ทำให้อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) เป็นพารามิเตอร์ความเสถียรที่สำคัญ [15, 16]

• fisetin amorphous solid dispersions (ASDs) ที่เตรียมด้วยวิธีเคมีเชิงกลแสดงค่า Tg ที่วัดได้ในการสแกนความร้อนครั้งที่สอง และแสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบใน Tg ที่สอดคล้องกับความสามารถในการผสมกัน [15]
• สำหรับนาโนสปอนจ์ resveratrol และ oxyresveratrol พีคการหลอมละลายแบบดูดความร้อนของ resveratrol หายไปในตำรับนาโนสปอนจ์ ซึ่งสาเหตุมาจากการห่อหุ้มและการเปลี่ยนเป็นสารอสัณฐาน [16]
• สำหรับ quercetin การตีความ DSC/TGA ร่วมกันบ่งชี้ถึงการสลายตัวและการคลายตัวทางโครงสร้าง/การอ่อนตัวในช่วง 150–350 °C [9]

3. แบบจำลองและพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพ

แหล่งข้อมูลที่รวมอยู่ใช้แบบจำลองจลนพลศาสตร์ต่างๆ (เช่น อันดับหนึ่ง, อันดับหนึ่งเทียม, ซิกมอยด์) และการจัดการการพึ่งพาอุณหภูมิ (เช่น พฤติกรรมของ Arrhenius) เพื่อระบุคุณลักษณะของการเสื่อมสภาพ [4, 7, 22]

3.1 แบบจำลองอันดับปฏิกิริยา

แนวทางมาตรฐานสำหรับการเสื่อมสภาพในสถานะสารละลายใช้แบบจำลองอันดับหนึ่งแบบอินทิเกรต [4, 11, 12]

• สำหรับการเสื่อมสภาพของ NRCl ในสารละลายน้ำ มีรายงานจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่งเทียม [4, 23]
• เครื่องหมายบ่งชี้สารสกัดจากพืชที่ผ่านการอบแห้งแบบพ่นฝอยแสดงอันดับปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน รวมถึงแบบจำลองอันดับศูนย์และอันดับสองสำหรับสารประกอบเฉพาะ [20]

3.2 การจัดการแบบ Arrhenius และ Eyring

การพึ่งพาอุณหภูมิของการเสื่อมสภาพมักจะถูกสร้างแบบจำลองโดยใช้นิพจน์ประเภท Arrhenius [4, 10, 12]

• สำหรับ NRCl พลังงานก่อกัมมันต์อยู่ในช่วง 75.4 ถึง 82.8 kJ·mol⁻¹ โดยที่ pH มีอิทธิพลต่อค่าเหล่านี้ [4]
• trans-resveratrol แสดงพลังงานก่อกัมมันต์ที่ 84.7 kJ·mol⁻¹ ที่ pH 7.4 [12]
• curcumin ในตัวกลางที่แตกต่างกันแสดงพลังงานก่อกัมมันต์ระหว่าง 9.75–16.46 kcal·mol⁻¹ [11]

3.3 วิธี Isoconversional และ Model-Free

วิธี Isoconversional (เช่น KAS, FWO, Friedman) ถูกนำมาใช้เพื่อระบุการสลายตัวหลายขั้นตอนและการเปลี่ยนแปลงกลไก [8, 18, 25]

• สำหรับ rutin และ fatty-acid rutin esters พลังงานก่อกัมมันต์จะแปรผันตามระดับการเปลี่ยนรูป [8]
• resveratrol–β-cyclodextrin clathrates แสดงการเพิ่มขึ้นของพลังงานก่อกัมมันต์ตามระดับการเปลี่ยนรูป [25]

3.4 การเสื่อมสภาพร่วมกันทางความร้อน-กล และออกซิเดชัน

กระบวนการผลิตที่มีแรงเฉือนสูงรวมความเค้นเชิงกลเข้ากับการทำความร้อนเฉพาะจุดและออกซิเดชัน ซึ่งส่งเสริมเส้นทางการเสื่อมสภาพ [13, 14, 17]

• การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยแรงเฉือนสูงเพิ่มอุณหภูมิขาออกอย่างมีนัยสำคัญตามความเร็วรอบการหมุน และทำให้เกิดการเสื่อมสภาพของ ascorbic acid อย่างรุนแรงเนื่องจากอุณหภูมิที่สูงขึ้นและออกซิเดชัน [13]
• กลไกการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูง—เช่น แรงเฉือนของวาล์ว, คาวิทเทชัน และความปั่นป่วน—กระตุ้นให้เกิดความเค้นจากออกซิเดชันและเชิงกล [14]
• การจับคู่แบบออกซิเดชันเร่งการเสื่อมสภาพของ quercetin ในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงและออกซิเจนสูง [26]

4. การทบทวนกลุ่มสารประกอบ

การสังเคราะห์ต่อไปนี้เน้นย้ำถึงพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์และเทอร์โมไดนามิกส์ที่สำคัญซึ่งเกี่ยวข้องกับแบบจำลองการผลิต เช่น พลังงานก่อกัมมันต์, ค่าคงที่อัตรา, ครึ่งชีวิต, การเริ่มสลายตัว และข้อจำกัดที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วหรือการหลอมละลาย [4, 11, 12, 15, 24]

4.1 สารตั้งต้น NAD⁺

• ความเสถียรของสารตั้งต้น NAD⁺ ได้รับผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญจากความไวต่อการไฮโดรไลซิส, ความไวต่อการเปลี่ยนผ่านทางความร้อน และออกซิเดชันที่ขับเคลื่อนด้วยออกซิเจน [4, 5]
• จลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพของ NRCl แสดงพฤติกรรมอันดับหนึ่งเทียม โดยมีพลังงานก่อกัมมันต์ตั้งแต่ 75.4 ถึง 82.8 kJ·mol⁻¹ ซึ่งได้รับอิทธิพลอย่างมากจาก pH [4]
• ในสถานะของแข็ง NRCl มีหน้าต่างการประมวลผลด้วยความร้อนที่แคบ โดยมีการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วเกิดขึ้นเหนือจุดหลอมละลายที่ 120.7 ± 0.3 °C [4]
• NRH แสดงการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะที่เป็นกรดและเมื่อมีออกซิเจน ซึ่งเน้นย้ำถึงความไม่เสถียรเนื่องจากพันธะ N-glycosidic [5]
• NMN สลายตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า 160 °C และแสดงรูปแบบการเสื่อมสภาพที่ไวต่อ pH และอุณหภูมิในสารละลายน้ำ [6, 27, 28]

เส้นทางการเสื่อมสภาพของ NMN

เส้นทางการเสื่อมสภาพหลักของ NMN อธิบายว่าเป็นการไฮโดรไลซิสของพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ที่ให้ nicotinamide และ ribose-5-phosphate โดยมีการพึ่งพา pH ซึ่งอธิบายว่าเป็นการไฮโดรไลซิสที่เร่งด้วยกรดที่ pH ต่ำกว่า 4.5 และการแตกตัวที่ใช้เบสเป็นตัวกลางที่ pH สูงกว่า 7.5 [28]

Stilbenoids

Stilbenoids รวมถึง resveratrol และสารประกอบที่เกี่ยวข้องซึ่งแสดงการเสื่อมสภาพที่ขึ้นอยู่กับ pH และออกซิเจนอย่างมาก ความเสถียรของพวกมันในตำรับจริงสามารถเบี่ยงเบนจากการคาดคะเนของ Arrhenius เนื่องมาจากผลกระทบของเมทริกซ์และเส้นทางที่หลากหลาย [7, 12, 29]

ในระบบสารละลายน้ำ มีรายงานว่า trans-resveratrol มีความเสถียรที่ pH กรด แต่การเสื่อมสภาพจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเหนือ pH 6.8 ครึ่งชีวิตลดลงจาก 329 วันที่ pH 1.2 เหลือ 3.3 นาทีที่ pH 10 [12]

ที่ pH 7.4 การเสื่อมสภาพของ trans-resveratrol เป็นไปตามจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่งตลอดช่วงอุณหภูมิที่ตรวจสอบ โดยมีพลังงานก่อกัมมันต์ที่ 84.7 kJ·mol^-1 [12]

กลไกการเสื่อมสภาพแปรผันตาม pH ในสภาวะที่เป็นกรด กลุ่มไฮดรอกซิลจะได้รับการปกป้องจากการออกซิเดชันของอนุมูลอิสระโดย H₃O⁺ ในขณะที่ในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง ไอออนฟีเนตจะเพิ่มความไวต่อออกซิเดชัน ส่งเสริมการสร้างอนุมูลอิสระฟีน็อกซี นอกจากนี้ ออกซิเจนในตัวกลางยังเร่งปฏิกิริยาอนุมูลอิสระที่นำไปสู่การเสื่อมสภาพ [12]

การทดลองเสถียรภาพทางความร้อนในสารละลายน้ำ (19 mg·L^-1) ไม่พบการเปลี่ยนแปลงของสเปกตรัมที่มีนัยสำคัญหลังจาก 30 นาทีที่อุณหภูมิสูงสุด 70 °C อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่สูงขึ้นส่งผลให้การดูดกลืนแสงที่ 304 nm และตลอดช่วง 270–350 nm ลดลง ซึ่งบ่งชี้ถึงการเสื่อมสภาพที่เกิดจากความร้อน [30]

การตีความเชิงกลไกของการทดลองไฮโดรเทอร์มัลเสนอการแตกตัวแบบออกซิเดชันของพันธะคู่และการก่อตัวของผลิตภัณฑ์การเสื่อมสภาพ รวมถึงไฮดรอกซีอัลดีไฮด์, แอลกอฮอล์ และไฮดรอกซีแอซิด การวิเคราะห์ FTIR เผยให้เห็นแถบที่สอดคล้องกับการก่อตัวของอัลดีไฮด์และกรดคาร์บอกซิลิกที่ 100–120 °C [30]

ในเมทริกซ์ยาเม็ด การเสื่อมสภาพของ resveratrol เป็นไปตามจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่งแบบเอกซ์โพเนนเชียลเดี่ยว โดยมีค่า k เท่ากับ 0.07140, 0.1937 และ 0.231 เดือน^-1 ที่ 25, 30 และ 40 °C ตามลำดับ อย่างไรก็ตาม ความสัมพันธ์ระหว่าง ln(k) และ 1/T ไม่เป็นเชิงเส้นและถูกจัดอยู่ในประเภท super-Arrhenius ซึ่งบ่งชี้ถึงปฏิกิริยาเพิ่มเติม, เส้นทางที่หลากหลาย หรือผลกระทบจากเมทริกซ์ที่อุณหภูมิสูงขึ้น [7]

งานวิจัยระบุว่าการทดสอบแบบเร่งอาจประเมินการเสื่อมสภาพสูงเกินไป โดยผู้เขียนแนะนำวิธีทางเลือกในการกำหนดจลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพ [7]

สำหรับฟีโนลิกที่มีลักษณะคล้ายสติลบีนในระบบแห้ง การบำบัดด้วยความร้อน เช่น การนึ่งฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำที่ 121 °C เป็นเวลา 20 นาที ทำให้เกิดการสูญเสียที่วัดได้ (เช่น pinosylvin ลดลง 20.98% ตามพื้นที่พีค) และการอบแห้งในตู้อบที่ 105 °C เป็นเวลา 24 ชั่วโมง นำไปสู่การลดลงมากกว่า 50% สำหรับฟีโนลิกหลายชนิด อย่างไรก็ตาม TGA บ่งชี้อุณหภูมิการเริ่มสลายตัวที่สูงกว่า ~200 °C สำหรับระบบ pinosylvin [31]

Flavonoids

Flavonoids แสดงการเสื่อมสภาพในหลายเส้นทางซึ่งไวต่อ pH, อุณหภูมิ, ออกซิเจน และปฏิกิริยาระหว่างตำรับ เช่น การจับกับโปรตีน พฤติกรรมทางความร้อนของพวกมันใน DSC/TGA อาจเกี่ยวข้องกับการสลายตัวและการอ่อนตัวที่ทับซ้อนกัน [9, 22, 24]

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการเพิ่ม pH ของตัวกลางจาก 6.0 เป็น 7.5 จะเร่งการเสื่อมสภาพ โดย fisetin และ quercetin มีค่าคงที่อัตราการเสื่อมสภาพเพิ่มขึ้น 24 เท่า และ 12 เท่า ตามลำดับ นอกจากนี้ การเพิ่มอุณหภูมิเหนือ 37 °C ยังช่วยเพิ่มค่าคงที่อัตราให้สูงขึ้นไปอีก [24]

• สำหรับ fisetin: ค่า k เพิ่มขึ้นจาก 8.30×10^-3 เป็น 0.202 h^-1 เมื่อเพิ่ม pH และเพิ่มเป็น 0.490 h^-1 ที่ 65 °C
• สำหรับ quercetin: ค่า k เพิ่มขึ้นจาก 2.81×10^-2 เป็น 0.375 h^-1 ตาม pH และเพิ่มเป็น 1.42 h^-1 ที่ 65 °C [24]

ส่วนผสมรองที่เป็นโปรตีนสามารถบรรเทาการเสื่อมสภาพได้ ดังที่ระบุโดยค่า k ที่ลดลงเมื่อมีโปรตีนอยู่ ตัวอย่างเช่น ค่า k ของ fisetin ลดลงจาก 3.58×10^-2 เหลือ 1.76×10^-2 h^-1 และค่า k ของ quercetin ลดลงจาก 7.99×10^-2 เหลือ 3.80×10^-2 h^-1 ความเสถียรนี้เกิดจากอันตรกิริยาที่ไม่ชอบน้ำ (hydrophobic interactions) และพันธะไฮโดรเจน โดย SDS ทำให้เกิดความไม่เสถียร จำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมเพื่อระบุปริมาณการมีส่วนร่วมของพันธะไฮโดรเจน [24]

สำหรับ quercetin ที่ 90 °C ในสภาวะใกล้เป็นกลาง สังเกตเห็นผลกระทบของ pH ที่รุนแรง ค่าคงที่อัตราการเสื่อมสภาพเพิ่มขึ้นประมาณห้าเท่าจาก pH 6.5 เป็น 7.5 ให้ผลิตภัณฑ์ออกซิเดชันขั้นกลาง เช่น quercetin quinone โดยมี protocatechuic acid (PCA) และ phloroglucinol carboxylic acid (PGCA) เป็นผลิตภัณฑ์สุดท้าย [22]

ระบบที่มีอุณหภูมิสูง (150 °C) จะเร่งการเสื่อมสภาพ โดยมีค่าคงที่อัตราที่มีรายงานคือ 0.253 h^-1 ภายใต้ไนโตรเจน, 0.868 h^-1 ในออกซิเจน และ 7.17 h^-1 ในออกซิเจนที่มี cholesterol การสูญเสีย quercetin เพิ่มขึ้นจาก 7.9% ที่ 10 นาทีในไนโตรเจน เป็น 20.4% ในออกซิเจน และลดลงเหลือ 10.9% เมื่อมี cholesterol ร่วมกับออกซิเจน [26]

การวิเคราะห์ทางความร้อนแสดงให้เห็นว่า quercetin มีพีคดูดความร้อนขนาดเล็กที่ 90–135 °C (เกี่ยวข้องกับการสูญเสียมวลเล็กน้อย) และเริ่มสลายตัวที่ 230 °C พีคเอนโดเทอร์ม DSC ที่โดดเด่นที่ 303 °C ทับซ้อนกับการสลายตัว โดยพันธะไฮโดรเจนมีส่วนทั้งในการจำกัดพฤติกรรมคล้ายการหลอมละลายและช่วยให้เกิดการสลายตัว [9]

สำหรับ rutin (ไกลโคไซด์ของ quercetin) และเอสเทอร์กรดไขมันของมัน TGA บ่งชี้ว่า rutin มีความเสถียรทางความร้อนสูงสุด 240 °C ในขณะที่เอสเทอร์แสดงอุณหภูมิการเสื่อมสภาพเริ่มแรกที่ต่ำกว่าและการสูญเสียมวลที่สูงกว่าในช่วงขั้นตอนการเสื่อมสภาพหลัก พลังงานก่อกัมมันต์อยู่ในช่วง 65 ถึง 246 kJ·mol^-1 ขึ้นอยู่กับระดับการเปลี่ยนรูป [8]

ระบบตัวพาที่ได้จากไซโคลเดกซ์ทริน

ระบบตัวพาที่ได้จากไซโคลเดกซ์ทรินเป็นอีกกลยุทธ์หนึ่ง: resveratrol–β-cyclodextrin clathrates แสดงเหตุการณ์ทางความร้อนรวมถึงการคายน้ำใกล้ 50 °C และเหตุการณ์การเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิสูงกว่า และพลังงานอิสระในการจับ (เช่น −86 kJ·mol⁻¹ โดย MM/PBSA) เป็นการวัดเชิงปริมาณถึงปฏิกิริยาการรวมตัวที่แข็งแกร่ง [25]

การห่อหุ้มด้วยนาโนสปอนจ์

การห่อหุ้ม resveratrol ด้วยนาโนสปอนจ์ช่วยกำจัดพีคเอนโดเทอร์มการหลอมละลาย DSC และให้การปกป้องจากแสง: resveratrol อิสระแสดงการเสื่อมสภาพ 59.7% ภายใน 15 นาทีภายใต้การสัมผัส UV ในขณะที่นาโนสปอนจ์ resveratrol ให้การปกป้องประมาณสองเท่า ซึ่งสอดคล้องกับการห่อหุ้มที่ป้องกันการสัมผัส UV โดยตรง [16]

สารกระจายตัวของแข็งอสัณฐาน

สารกระจายตัวของแข็งอสัณฐานสามารถออกแบบได้ผ่านการบดทางเคมีเชิงกล และมีการระบุพันธะไฮโดรเจนระหว่าง fisetin และกลุ่มเอสเทอร์ของ Eudragit® อย่างชัดเจน ซึ่งเป็นพื้นฐานทางกลไกสำหรับความสามารถในการผสมกันและค่า Tg ที่เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งสามารถสร้างความเสถียรต่อการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการละลายที่ขึ้นอยู่กับการตกผลึก [15]

การเลือกสารช่วยและตัวพา

การเลือกสารช่วยสามารถเปลี่ยนกลไกจลนพลศาสตร์และผลลัพธ์ของความเสถียร ดังที่มีรายงานในระบบสารสกัดจากพืชที่อบแห้งแบบพ่นฝอยซึ่งอันดับปฏิกิริยาและเวลาในการสลายตัวบางส่วนแตกต่างกันตามส่วนผสมของสารช่วย ซึ่งบ่งชี้ถึงจลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพที่ขึ้นอยู่กับสารช่วย [20]

ส่วนผสมรองที่เป็นโปรตีนสามารถสร้างความเสถียรให้กับ flavonoids ผ่านอันตรกิริยาที่ไม่ชอบน้ำ ลดค่า k สำหรับ fisetin และ quercetin และการที่ SDS ทำลายอันตรกิริยาเหล่านี้ช่วยสนับสนุนการตีความที่ว่าการจับแบบไม่ชอบน้ำเป็นกลไกสร้างความเสถียรที่สำคัญ [24]

การควบคุมวิศวกรรมกระบวนการ

การควบคุมกระบวนการที่ลดการสัมผัสความร้อนและการสัมผัสออกซิเจนได้รับการสนับสนุนโดยตรงจากชุดข้อมูลที่หลากหลาย [5, 18]

สำหรับ NRCl หลักฐาน DSC/qNMR บ่งชี้ว่าการเกินช่วงเริ่มหลอมละลาย (~120–130 °C) สามารถทำให้เกิดการเสื่อมสภาพที่รวดเร็วอย่างยิ่ง ซึ่งสนับสนุนการกำหนดขีดจำกัดสูงสุดที่เข้มงวดสำหรับอุณหภูมิและระยะเวลาในการคงตัวในการดำเนินการสถานะของแข็งที่ได้รับความร้อน [4]

สำหรับ NRH ความแตกต่างระหว่างครึ่งชีวิตในอากาศและ N₂ ที่ 25 °C บ่งชี้ว่าการใช้ก๊าซเฉื่อยและการไล่ออกซิเจนออกสามารถเป็นปัจจัยสำคัญ และผู้เขียนรายงานว่าตัวอย่างภายใต้บรรยากาศ N₂ ที่ 4 °C ไม่แสดงการเสื่อมสภาพที่ตรวจพบได้หลังจาก 60 วัน ในขณะที่ตัวอย่างที่ 4 °C ในอากาศแสดงการเสื่อมสภาพ ~10% [5]

สำหรับการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยแรงเฉือนสูง การสังเกตโดยตรงว่าการเพิ่ม rpm จะเพิ่มอุณหภูมิขาออกและเกี่ยวข้องกับการสูญเสีย ascorbic acid ที่ไวต่อออกซิเดชันสูงขึ้น ช่วยสนับสนุนมาตรการทางวิศวกรรมที่จำกัดความร้อนที่เกิดจากแรงเฉือน (เช่น เสื้อหล่อเย็น, ระยะเวลาการผสมที่สั้นลง, การเติมเป็นระยะ) [13]

สำหรับการอบแห้งแบบพ่นฝอย การยืนยันว่าการสัมผัสออกซิเจนและความร้อนทำให้ (poly)phenols ลดลง และอุณหภูมิที่สูงอาจเป็นผลเสียต่อฟีโนลิกที่ไวต่อความร้อน ช่วยสนับสนุนการตัดสินใจเลือก เช่น การลดอุณหภูมิขาออกเมื่อทำได้ และการใช้การห่อหุ้มเพื่อลดความไวต่อออกซิเดชันและความร้อน [3]

สารต้านอนุมูลอิสระและการจัดการออกซิเจน

กลยุทธ์การจัดการสารต้านอนุมูลอิสระและออกซิเจนได้รับการสนับสนุนเชิงกลไกผ่านชุดข้อมูลโพลีฟีนอล [12, 22]

สำหรับ quercetin ที่ 90 °C สารต้านอนุมูลอิสระเช่น cysteine จะช่วยลดค่า k โดย cysteine ที่ความเข้มข้น 200 μmol·L⁻¹ จะทำให้ค่า k ลดลง ~43% เมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุม และการตีความเชิงกลไกพิจารณาถึงความเสถียรของ quercetin quinone และผลของการกำจัดอนุมูลอิสระ [22]

สำหรับ trans-resveratrol มีรายงานอย่างชัดเจนว่าออกซิเจนส่งเสริมปฏิกิริยาอนุมูลอิสระที่นำไปสู่การเสื่อมสภาพ ซึ่งสนับสนุนการใช้บรรยากาศการประมวลผลแบบก๊าซเฉื่อยหรือตัวกั้นออกซิเจนเมื่อสามารถทำได้สำหรับการประมวลผลในสารละลายน้ำที่เป็นด่าง/เป็นกลาง [12]

ในระบบไลโปโซม มีรายงานว่า resveratrol ช่วยจำกัดการออกซิเดชันของ stigmasterol โดยการทำให้อนุมูลอิสระเป็นกลางและเข้าไปรวมอยู่ในชั้นไขมันคู่ (lipid bilayers) เพื่อเพิ่มความแข็งแรง ลดการซึมผ่านของออกซิเจนและตัวออกซิไดซ์ ซึ่งจะช่วยเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนและออกซิเดชันของระบบ [35]

บทวิจารณ์

จากฐานหลักฐานที่สังเคราะห์ขึ้นที่นี่ รูปแบบเชิงปริมาณที่แข็งแกร่งที่สุดคือ สภาพแวดล้อมจุลภาคทางเคมี (pH, ออกซิเจน, การมีอยู่ของน้ำ) สามารถครอบงำผลลัพธ์ของความเสถียรได้แม้ในอุณหภูมิที่ไม่สูงมาก และสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพหลายชนิดแสดงความไม่ต่อเนื่องของความเสถียรที่รุนแรง ณ เกณฑ์การเปลี่ยนผ่านความร้อนเฉพาะ [4, 5, 12]

สำหรับสารตั้งต้น NAD⁺ ชุดข้อมูล NRCl เน้นย้ำถึงระบบสองแบบ: ในสารละลายน้ำ การไฮโดรไลซิสอันดับหนึ่งเทียมสามารถจำลองได้ด้วยพลังงานก่อกัมมันต์ของ Arrhenius และอัตราที่เพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าต่อ 10 °C ในขณะที่ในสถานะของแข็ง บริเวณที่แคบประมาณ 120–130 °C จะสอดคล้องกับการหลอมละลายตามมาด้วยการสลายตัวอย่างรวดเร็วทันที [4]

สำหรับ resveratrol ความเสี่ยงหลักในกระบวนการเกิดจากความไวต่อ pH: ครึ่งชีวิตลดลงจากระยะเวลานานที่ pH กรดเหลือเพียงไม่กี่นาทีที่ pH สูง ในขณะที่ออกซิเจนส่งเสริมปฏิกิริยาอนุมูลอิสระ ซึ่งบ่งชี้ว่าการดำเนินการด้วยแรงเฉือนสูงที่เพิ่มการถ่ายโอนออกซิเจนและความเป็นด่างเฉพาะจุดอาจสร้างความเสียหายอย่างมากแม้ว่าอุณหภูมิมวลรวมจะยังอยู่ในระดับปานกลางก็ตาม [12]

สำหรับ flavonoids การเกิดออกซิเดชันผ่านตัวกลาง quinone และกลไกการดึงโปรตอนออกที่ขึ้นอยู่กับ pH (quercetin) รวมกับการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงและการจับคู่สายโซ่อนุมูลอิสระ (เช่น ออกซิเจนบวก cholesterol) บ่งชี้ว่าตำรับที่มีไขมันและการสัมผัสกับออกซิเจนสามารถขยายเส้นทางการสูญเสียจากออกซิเดชันได้อย่างรุนแรง [22, 26]

สำหรับ curcumin มีความขัดแย้งเชิงกลไกระหว่างคำอธิบายที่ขับเคลื่อนด้วยการไฮโดรไลซิส (ในงานวิจัยเกี่ยวกับบัฟเฟอร์ในทางเดินอาหารบางชิ้น) และคำอธิบายที่ขับเคลื่อนด้วย autoxidation (ในงานวิจัยที่เน้นไมเซลล์) แต่ทั้งสองอย่างมาบรรจบกันที่ผลกระทบของ pH ที่รุนแรงและบทบาทในการปกป้องของสภาพแวดล้อมจุลภาคที่ไม่ชอบน้ำและการจำกัดออกซิเจน [11, 32]

ในระดับการดำเนินการหน่วย กระบวนการแรงเฉือนสูงสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งทางอ้อมเป็นหลักโดยการสร้างความร้อนและเพิ่มความไวต่อออกซิเดชัน สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์โดยตรงในการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยแรงเฉือนสูงซึ่งความเร็วรอบการหมุนเพิ่มอุณหภูมิขาออกและสอดคล้องกับการสูญเสีย ascorbic acid จากออกซิเดชัน [13]

HPH/UHPH เพิ่มความซับซ้อนขึ้นเนื่องจากบริเวณวาล์วจะสร้างแรงเฉือน, คาวิทเทชัน และความปั่นป่วนที่รุนแรง และอาจสร้างอุณหภูมิสูงเฉพาะจุด แม้ว่าระยะเวลาที่สารอยู่ในระบบจะสั้นมาก (เช่น <0.2 วินาที ในคำอธิบาย UHPH) ซึ่งนัยว่าผลลัพธ์ทางเคมีอาจขึ้นอยู่กับว่าการเสื่อมสภาพนั้นถูกควบคุมโดยกระบวนการอนุมูลอิสระที่รวดเร็ว, ขั้นตอนที่จำกัดด้วยการแพร่กระจาย หรือขั้นตอนการกระตุ้นด้วยความร้อนที่ช้ากว่า [14, 34]

ท้ายที่สุด แหล่งข้อมูลหลายแห่งเน้นย้ำว่าการสร้างแบบจำลองความเสถียรต้องได้รับการตรวจสอบเชิงกลไกในเมทริกซ์ที่เกี่ยวข้อง: ข้อมูลยาเม็ด resveratrol แสดงพฤติกรรมที่ไม่เป็นไปตาม Arrhenius และผลกระทบจากเมทริกซ์ที่จำกัดการคาดคะเน Arrhenius ทั่วไปจากการทดสอบแบบเร่ง และเครื่องหมายบ่งชี้สารสกัดจากพืชที่อบแห้งแบบพ่นฝอยแสดงอันดับจลนพลศาสตร์และเวลาในการสลายตัวบางส่วนที่ขึ้นอยู่กับสารช่วย [7, 20]

บทสรุป

เครื่องหมายระบุการเปลี่ยนผ่านทางเทอร์โมไดนามิกส์เชิงปริมาณ (DSC/TGA) และจลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพ (k, t_1/2, E_a, พลังงานก่อกัมมันต์ที่ขึ้นอยู่กับการแปลงสภาพ) เป็นพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสำหรับการออกแบบเงื่อนไขการผลิตที่รักษาประสิทธิภาพของสารประกอบเพื่ออายุยืนที่ไวต่อความร้อนและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่เกี่ยวข้อง [4, 8, 9]

สำหรับสารตั้งต้น NAD⁺ นั้น NRCl แสดงหน้าต่างการประมวลผลด้วยความร้อนที่แคบใกล้กับการหลอมละลายตามด้วยการสลายตัวอย่างรวดเร็ว ในขณะที่จลนพลศาสตร์ในน้ำแสดงพฤติกรรมอันดับหนึ่งเทียมที่ขึ้นอยู่กับ pH พร้อมพลังงานก่อกัมมันต์ที่ 75–83 kJ·mol⁻¹ ซึ่งสามารถนำมาใช้กำหนดพารามิเตอร์แบบจำลองการสัมผัสความร้อนได้ [4]

สำหรับ resveratrol นั้น pH และออกซิเจนเป็นตัวแปรหลัก โดยครึ่งชีวิตลดลงจากหลายร้อยวันใน pH กรดเหลือเพียงไม่กี่นาทีใน pH สูง และเมทริกซ์ตำรับยาสามารถทำให้เกิดพฤติกรรมที่ไม่เป็นไปตาม Arrhenius ซึ่งทำให้การคาดคะเนจากการทดสอบแบบเร่งซับซ้อนขึ้น [7, 12]

สำหรับ flavonoids และ curcuminoids เส้นทางการออกซิเดชัน (ตัวกลาง quinone สำหรับ quercetin; autoxidation สำหรับ curcumin) ผลักดันให้เกิดกลยุทธ์การควบคุมออกซิเจนและการห่อหุ้มแบบไม่ชอบน้ำ ซึ่งแสดงให้เห็นในเชิงปริมาณว่าสามารถยืดครึ่งชีวิตได้หลายเท่าในระบบไมเซลล์ และอย่างมีนัยสำคัญในอิมัลชันแบบ Pickering ที่ผลิตภายใต้การผสมแบบแรงเฉือนสูง [1, 10, 22, 32]

สำหรับการดำเนินการหน่วยแรงเฉือนสูง หลักฐานที่มีอยู่แสดงให้เห็นว่าแรงเฉือนสามารถเพิ่มอุณหภูมิและส่งเสริมออกซิเดชัน (การผสมแบบแรงเฉือนสูง) และกระบวนการความดันสูงที่ใช้พิกัดวาล์วจะสร้างแรงเฉือนและคาวิทเทชันที่รุนแรง โดยมีความดัน, จำนวนรอบการผ่าน และอุณหภูมิขาเข้าเป็นตัวแปรความเค้นที่สำคัญ ข้อมูลเชิงลึกเหล่านี้สนับสนุนการนำการทำแผนที่ เวลา–อุณหภูมิ–แรงเฉือน และ PAT มาใช้โดยใช้การวิเคราะห์ที่บ่งชี้ถึงความเสถียร [12–14]

ผลประโยชน์ทับซ้อน

ผู้เขียนประกาศว่าไม่มีผลประโยชน์ทับซ้อน [20]