ความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์และจลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพของสารประกอบเพื่ออายุยืนที่ไวต่อความร้อนภายใต้ความเค้นจากการผลิตแบบแรงเฉือนสูง

บทคัดย่อ

สารประกอบที่เกี่ยวข้องกับความยั่งยืนของการมีชีวิต (longevity) และสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพกลุ่มโพลีฟีนอลที่ไม่ทนต่อความร้อน มักเผชิญกับความเครียดร่วมกันทั้งในด้านความร้อน, การออกซิเดชัน, pH และเชิงกลในระหว่างกระบวนการผลิต (เช่น การผสมด้วยแรงตัดเฉือนสูง, การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูง และการทำแห้งแบบพ่นฝอย) ซึ่งสามารถเร่งการเสื่อมสลายทางเคมีและลดความแรง (potency) ของสารที่ส่งมอบได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีพารามิเตอร์ความเสถียรที่สอดคล้องกับกระบวนการเชิงปริมาณ เพื่อกำหนดขอบเขตการออกแบบที่สามารถผลิตได้ (manufacturable design spaces) และเพื่อเป็นแนวทางสำหรับกลยุทธ์สูตรตำรับเพื่อการปกป้องสารสำคัญ [1–3]

วิธีการในการสังเคราะห์ข้อมูลปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่หลักฐานเชิงปริมาณที่สกัดจากการศึกษาที่รายงาน (i) การเปลี่ยนผ่านทางเทอร์โมไดนามิกส์/ความร้อนโดย DSC/TGA (การหลอมเหลว, การเริ่มต้นสลายตัว, การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว และพฤติกรรมการสูญเสียมวลเป็นระยะ) และ (ii) จลนพลศาสตร์การเสื่อมสลาย (แบบจำลองอันดับหนึ่งเสมือน/อันดับหนึ่ง, พลังงานก่อกัมมันต์ของ Arrhenius, การพึ่งพา pH และการวัดระยะเวลาที่สลายตัวไปบางส่วน) สำหรับสารตั้งต้นของ NAD⁺ (NR/NRH/NMN), stilbenoids (ระบบที่เกี่ยวข้องกับ resveratrol), flavonoids (quercetin, fisetin, rutin/esters) และ curcuminoids [4–11]

ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าสารประกอบเพื่อความยั่งยืนของการมีชีวิตที่เป็นตัวแทนหลายชนิดมีช่วงอุณหภูมิในการประมวลผลด้วยความร้อนที่แคบในสถานะทางกายภาพเฉพาะ Nicotinamide riboside chloride (NRCl) แสดงการเริ่มต้นของการหลอมเหลวที่ 120.7 ± 0.3 °C พร้อมกับการสลายตัวอย่างรวดเร็วหลังการหลอมเหลว (เช่น การเสื่อมสลาย 98% ที่ 130 °C โดย qNMR) ในขณะที่การเสื่อมสลายในสารละลายเป็นไปตามจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่งเสมือน โดยมีพลังงานก่อกัมมันต์อยู่ในช่วง 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ ขึ้นอยู่กับ pH [4]

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

กระบวนการผลิตย่อยที่มีแรงตัดเฉือนสูงสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดความร้อนเฉพาะจุดและสภาวะออกซิเดชัน ดังที่แสดงให้เห็นโดยการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยแรงตัดเฉือนสูงที่เพิ่มอุณหภูมิทางออกตามความเร็วรอบการหมุน ซึ่งสอดคล้องกับการสูญเสีย ascorbic-acid 42.6% ที่ 20,000 rpm และโดยกลไกการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูงซึ่งเกี่ยวข้องกับแรงตัดเฉือนที่วาล์ว, การเกิดโพรงอากาศ (cavitation) และความปั่นป่วนที่ >100 MPa [13, 14]

ข้อสรุปเน้นย้ำถึงการบูรณาการข้อมูลการเปลี่ยนผ่านทางเทอร์โมไดนามิกส์ (DSC/TGA/Tg) เข้ากับแบบจำลองจลนพลศาสตร์ (Arrhenius, non-Arrhenius และวิธี isoconversional) เพื่อสร้างแผนที่ความสัมพันธ์ระหว่าง เวลา–อุณหภูมิ–แรงตัดเฉือน (time–temperature–shear maps) และเพื่อเลือกกลยุทธ์การบรรเทาปัญหาอย่างมีเหตุผล ซึ่งรวมถึงการห่อหุ้ม (encapsulation), สารกระจายตัวของแข็งแบบอสัณฐาน (amorphous solid dispersions), ระบบ cyclodextrin/nanosponge, การควบคุมออกซิเจน และการลดแรงตัดเฉือน/อุณหภูมิให้เหลือน้อยที่สุด [15–18]

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

1. บทนำ

สารประกอบที่เกี่ยวข้องกับความยั่งยืนของการมีชีวิตถูกนำมาตั้งตำรับเป็นผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร (nutraceuticals), อาหารฟังก์ชัน และระบบนำส่งขั้นสูงเพิ่มมากขึ้น ซึ่งกระตุ้นให้เกิดเส้นทางการผลิตที่ทำให้สารออกฤทธิ์ต้องเผชิญกับปัจจัยกระตุ้นร่วมกัน ได้แก่ ความร้อน, การสัมผัสออกซิเจน, กิจกรรมของน้ำ (water activity), การเปลี่ยนแปลงของ pH และการใส่พลังงานเชิงกลที่รุนแรง [3, 5, 14, 19]

สำหรับเคมีของสารตั้งต้น NAD⁺ ความเสถียรในสภาวะสารละลายและสถานะของแข็งเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านการไฮโดรไลซิสของโครงสร้างพันธะ glycosidic หรือโครงสร้างที่เชื่อมต่อด้วยฟอสเฟต และเนื่องจากอุณหภูมิในการแปรรูปสามารถข้ามเกณฑ์การเปลี่ยนผ่านสถานะของแข็งที่เกิดขึ้นก่อนการสลายตัวอย่างรวดเร็ว [4, 6]

สำหรับโพลีฟีนอลและสารออกฤทธิ์จากพฤกษชาติที่เกี่ยวข้อง ข้อจำกัดด้านความเสถียรรวมถึง autoxidation, epimerization และการออกซิเดชันด้วยเอนไซม์ไปเป็น quinones ซึ่งไวต่ออุณหภูมิ, pH, ไอออนของโลหะ และการมีอยู่ของออกซิเจนในระหว่างการแปรรูป [17]

ผลกระทบในทางปฏิบัติคือ การออกแบบการผลิตไม่สามารถพึ่งพาเพียงอุณหภูมิรวมเฉลี่ย (nominal bulk temperature) เท่านั้น แต่ต้องบูรณาการ (i) ตัวบ่งชี้ทางเทอร์โมไดนามิกส์ เช่น การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว, การหลอมเหลว และการเริ่มสลายตัว และ (ii) แบบจำลองจลนพลศาสตร์ที่ครอบคลุมการพึ่งพาของการเสื่อมสลายต่อเวลา, อุณหภูมิ, pH, ออกซิเจน และ (ในจุดที่สามารถวัดได้) การใส่พลังงานเชิงกล [4, 9, 10, 14, 15]

บทความนี้สังเคราะห์หลักฐานเชิงปริมาณเกี่ยวกับสารประกอบเพื่อความยั่งยืนของการมีชีวิตที่เป็นตัวแทนและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่เกี่ยวข้อง ซึ่งแหล่งข้อมูลที่รวมไว้ได้ระบุการเปลี่ยนผ่านทางเทอร์โมไดนามิกส์ และ/หรือ พารามิเตอร์จลนพลศาสตร์ไว้อย่างชัดเจน และเชื่อมโยงข้อมูลเหล่านั้นเข้ากับโปรไฟล์ความเครียดของกระบวนการผลิตย่อยที่มีแรงตัดเฉือนสูง รวมถึงการผสมด้วยแรงตัดเฉือนสูง, การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูง/microfluidization, การบดเชิงกลเคมี (mechanochemical milling) และการทำแห้งแบบพ่นฝอย [1, 14, 15, 20]

2. กรอบแนวคิดทางเทอร์โมไดนามิกส์

ความเสถียรทางเทอร์โมไดนามิกส์ในบริบทการผลิตได้รับการประเมินในทางปฏิบัติโดยใช้เหตุการณ์ทางความร้อนที่วัดได้ (DSC/TGA) และตัวอธิบายสถานะ (เช่น อสัณฐานเทียบกับผลึก; อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว) ซึ่งบ่งชี้ว่าเมื่อใดที่สารประกอบหรือสูตรตำรับเปลี่ยนสถานะไปสู่สถานะที่มีการเคลื่อนที่ระดับโมเลกุลที่สูงขึ้น ส่งผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงขึ้นหรือมีกลไกที่แตกต่างไปจากเดิม [4, 9, 15]

2.1 พลังงานอิสระของกิบบ์สและความเสถียรของเฟส

แหล่งข้อมูลหลายแห่งที่รวมไว้มีการคำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระของกิบบ์สสำหรับกระบวนการเสื่อมสลายหรือการทำลายด้วยความร้อนอย่างชัดเจน โดยให้การวัดทางเทอร์โมไดนามิกส์ของความเป็นไปได้ภายใต้สภาวะเฉพาะ [8, 19]

สำหรับ NR borate ความเป็นไปได้เองของการเสื่อมสลายได้รับการประเมินผ่านการคำนวณพลังงานอิสระของกิบบ์ส โดยรายงานค่า (ΔG) เท่ากับ 2.43 kcal·mol⁻¹ [19]

สำหรับ rutin และ fatty-acid rutin esters ภายใต้สภาวะไพโรไลติก ค่า (ΔG) เป็นบวก (84–245 kJ·mol⁻¹) ควบคู่ไปกับค่า (ΔH) ที่เป็นบวก (60–242 kJ·mol⁻¹) ซึ่งบ่งชี้ถึงโปรไฟล์ไพโรไลซิสแบบดูดความร้อนและไม่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในการวิเคราะห์ที่รายงาน [8]

ในเชิงรูปแบบจลนพลศาสตร์ แหล่งข้อมูลหลายแห่งยังใช้ความสัมพันธ์ของสถานะเปลี่ยนผ่านและพลังงานอิสระ เช่น การใช้ เพื่อตีความการกระตุ้นการไฮโดรไลซิสในระบบเชิงซ้อน curcumin spiroborate [21]

2.2 การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว, การหลอมเหลว และการเริ่มต้นสลายตัว

DSC และ TGA ให้เครื่องหมายที่เสริมกันของความเสี่ยงในกระบวนการ: เหตุการณ์การหลอมเหลวหรือการอ่อนตัวสามารถเพิ่มการแพร่กระจายอย่างรวดเร็วและทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีอย่างรวดเร็ว และการเริ่มต้นของการสูญเสียมวลใน TGA สามารถบ่งชี้ถึงจุดเริ่มต้นของการสลายตัวที่ย้อนกลับไม่ได้ แม้จะดูเหมือนอยู่ในสถานะของแข็งก็ตาม [4, 9, 15]

สำหรับ NRCl ผล DSC บ่งชี้ถึงการเริ่มต้นหลอมเหลวที่ 120.7 ± 0.3 °C และพีคการหลอมเหลวที่ 125.2 ± 0.2 °C ตามด้วยเหตุการณ์คายความร้อนที่รุนแรงทันทีโดยมีพีคที่ 130.8 ± 0.3 °C [4]

เพื่อให้สอดคล้องกับลำดับเหตุการณ์ของ DSC การหาปริมาณด้วย qNMR แสดงให้เห็นการเสื่อมสลายที่จำกัดที่ 115 °C (2%) แต่เกิดการสูญเสียอย่างรวดเร็วที่ระดับอุณหภูมิการหลอมเหลวและสูงกว่า (7% ที่ 120 °C; 55% ที่ 125 °C; 98% ที่ 130 °C; เหลือ NR เพียง 0.45% ที่ 140 °C) [4]

สำหรับ NMN แหล่งข้อมูลหนึ่งรายงานว่าสารประกอบจะสลายตัวแทนที่จะแสดงการเปลี่ยนผ่านการหลอมเหลวที่ชัดเจน โดยการสลายตัวเริ่มที่ 160 °C และเสร็จสิ้นภายใน 165 °C และมีพีค DSC แบบดูดความร้อนที่ 162 °C พร้อมเอนทัลปีของการสลายตัว 184 kJ·mol⁻¹ [6]

สำหรับ quercetin การตีความ DSC/TGA ร่วมกันระบุว่า พีคดูดความร้อน DSC ที่รุนแรง (สูงสุดที่ 303 °C) มักถูกเข้าใจผิดว่าเป็นการหลอมเหลว ในขณะที่ TGA ระบุว่าการสลายตัวเริ่มต้นที่ 230 °C และพีคดูดความร้อนนั้นซ้อนทับกับการสูญเสียมวลอย่างต่อเนื่อง "ความร้อนของการฟิวชัน" ที่รายงานสำหรับพีคที่ 303 °C คือ 69–75 kJ·mol⁻¹ [9]

สำหรับ fisetin ผล TGA แสดงการสูญเสียมวลเล็กน้อย (~5%) ซึ่งเกิดจากการระเหยของน้ำจากตัวอย่างผลึก และเหตุการณ์การสูญเสียมวลหลัก (~30.6%) ที่ 369.6 °C ซึ่งเกิดจากการสลายตัวของโมเลกุล [15]

สำหรับ curcumin ภายใต้ไนโตรเจนเฉื่อย การศึกษาหนึ่งรายงานว่า curcumin ดิบแสดงกระบวนการสลายตัวที่ซับซ้อนโดยเริ่มประมาณ 240 °C (สูญเสียมวล 5%) โดยมีพีค DTGA ที่ 347 °C และมีกากเหลืออยู่ 37% ที่ 600 °C (ที่อัตรา 10 °C·min⁻¹) [18]

2.3 ความเสถียรของสถานะอสัณฐานและผลึก

สูตรตำรับแบบอสัณฐานอาจเพิ่มการละลายและการดูดซึม แต่อาจเปลี่ยนพฤติกรรมทางความร้อนและความเสถียรได้โดยการเพิ่มการเคลื่อนที่ของโมเลกุลเมื่อเทียบกับรูปแบบผลึก ทำให้อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) เป็นพารามิเตอร์ความเสถียรที่สำคัญ [15, 16]

การกระจายตัวของของแข็งแบบอสัณฐาน (ASDs) ของ fisetin ที่เตรียมด้วยวิธีเชิงกลเคมี แสดงค่า Tg ที่วัดได้ในการสแกนความร้อนครั้งที่สอง และแสดงการเปลี่ยนแปลงทางองค์ประกอบใน Tg ที่สอดคล้องกับการเข้ากันได้: Eudragit® L100/EPO ดิบแสดง Tg 147.1/55.4 °C ในขณะที่ fisetin ASDs แสดงค่า Tg เช่น 144.2/71.8 °C และ 145.9/76.7 °C ขึ้นอยู่กับพอลิเมอร์และปริมาณยาที่บรรจุ [15]

สำหรับ resveratrol และ oxyresveratrol nanosponges ผล DSC แสดงให้เห็นว่าพีคดูดความร้อนของการหลอมเหลวของ resveratrol (266.49 °C) หายไปในสูตรตำรับ nanosponge ซึ่งผู้นิพนธ์สันนิษฐานว่าเกิดจากการห่อหุ้มและความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนเป็นสารอสัณฐานของโมเลกุลยาภายในเมทริกซ์ nanosponge [16]

สำหรับ quercetin มีการเสนอว่าพันธะไฮโดรเจนทั้งช่วยจำกัดการอ่อนตัวที่คล้ายกับการหลอมเหลวและช่วยอำนวยความสะดวกในการสลายตัวผ่านการทำให้อ่อนตัวของพันธะ และการตีความ DSC/TGA ร่วมกันสรุปว่า quercetin ไม่ได้เพียงแค่หลอมเหลว แต่เกิดการสลายตัวและการคลายตัวทางโครงสร้าง/การอ่อนตัวที่ซ้อนทับกันในช่วง 150–350 °C [9]

3. แบบจำลองและพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์การเสื่อมสลาย

แหล่งข้อมูลที่รวมไว้ใช้แบบจำลองจลนพลศาสตร์ที่หลากหลาย (อันดับหนึ่ง, อันดับหนึ่งเสมือน, อันดับที่สูงกว่า หรือรูปแบบ sigmoidal) และการจัดการกับการพึ่งพาอุณหภูมิ (พฤติกรรมแบบ Arrhenius และในบางกรณี แบบ non-Arrhenius) ซึ่งมักถูกกระตุ้นโดยการพึ่งพา pH และการเสื่อมสลายที่ซับซ้อนหลายเส้นทาง [4, 7, 22]

3.1 แบบจำลองอันดับปฏิกิริยา

เกณฑ์มาตรฐานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการเสื่อมสลายในสภาวะสารละลายคือ แบบจำลองอันดับหนึ่งที่รวมเข้าด้วยกัน ซึ่งปรากฏในการศึกษาหลายแห่งที่รวมไว้ในฐานะการปรับข้อมูลความเข้มข้น–เวลาขั้นต้นภายใต้ pH และอุณหภูมิที่ควบคุม [4, 11, 12]

สำหรับ NRCl ในสารละลายบัฟเฟอร์ การเสื่อมสลายถูกอธิบายว่าเป็นแบบอันดับหนึ่งเสมือน และรูปแบบอันดับหนึ่งเสมือนนี้มีความสมเหตุสมผลเนื่องจากระบบบัฟเฟอร์รักษาความเข้มข้นของ OH⁻/H₃O⁺ ให้เกินพอมากและคงที่โดยประมาณเมื่อเทียบกับความเข้มข้นของ NR [4, 23]

สำหรับ fisetin และ quercetin ในฟอสเฟตบัฟเฟอร์ ผลลัพธ์ที่รายงานถูกนำเสนอในรูปของค่าคงที่อัตราการเสื่อมสลายอันดับหนึ่ง k (h⁻¹) ซึ่งเพิ่มขึ้นอย่างมากตาม pH และอุณหภูมิ [24]

สำหรับ quercetin ที่ 90 °C ใกล้ pH เป็นกลาง (6.5–7.5) มีการใช้แบบจำลอง sigmoidal และเปรียบเทียบกับแบบจำลองอันดับหนึ่ง โดยแบบจำลอง sigmoidal ให้ค่า k สูงกว่าการปรับแบบอันดับหนึ่ง 2.3–2.5 เท่า และมีการตีความครึ่งชีวิตที่แตกต่างกันที่ pH 7.5 [22]

สำหรับสารบ่งชี้ในสารสกัดจากพืชที่ทำแห้งแบบพ่นฝอย มีรายงานอันดับปฏิกิริยาที่ปรากฏแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับระบบสารเพิ่มปริมาณ รวมถึงแบบจำลองอันดับศูนย์และอันดับสองสำหรับ kaempferol (ในสารเพิ่มปริมาณแบบผสมสองส่วน) และแบบจำลองอันดับสองสำหรับ quercetin ในสารเพิ่มปริมาณต่างๆ [20]

3.2 การจัดการแบบ Arrhenius และ Eyring

การพึ่งพาอุณหภูมิมักถูกสร้างแบบจำลองโดยนิพจน์ประเภท Arrhenius, และแหล่งข้อมูลหลายแห่งมีการคำนวณพลังงานก่อกัมมันต์อย่างชัดเจนเพื่อกำหนดพารามิเตอร์การคาดการณ์อายุการเก็บรักษาและการสัมผัสความร้อนในกระบวนการ [4, 10, 12]

สำหรับความเสื่อมสลายของ NRCl ในสารละลาย พลังงานก่อกัมมันต์ของ Arrhenius มีรายงานเป็น 75.4 (±2.9) kJ·mol⁻¹ ที่ pH 2.0, 76.9 (±1.1) kJ·mol⁻¹ ที่ pH 5.0 และ 82.8 (±4.4) kJ·mol⁻¹ ที่ pH 7.4 [4]

สำหรับ trans-resveratrol ที่ pH 7.4 การวิเคราะห์แบบ Arrhenius มีรายงานเป็น log(k_obs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) โดยมีพลังงานก่อกัมมันต์ที่คำนวณได้ 84.7 kJ·mol⁻¹ [12]

สำหรับ curcumin ในส่วนผสมของบัฟเฟอร์/เมทานอลที่ pH 8.0 การวิเคราะห์แบบ Arrhenius ระหว่าง 37–60 °C ให้ค่า (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹ [10]

สำหรับ curcumin ในสื่อกลางที่เป็นสารละลายที่เกี่ยวข้องกับระบบทางเดินอาหาร กราฟ Arrhenius แสดงความเป็นเส้นตรงสูงในช่วง 37–80 °C (รายงานค่า r² เป็น 0.9967, 0.9994, 0.9886 สำหรับสื่อกลางต่างๆ) โดยมีพลังงานก่อกัมมันต์รายงานเป็น 16.46, 12.32 และ 9.75 kcal·mol⁻¹ สำหรับ pH 7.4, pH 6.8 และ 0.1 N HCl ตามลำดับ [11]

การวิเคราะห์แบบ Eyring ยังปรากฏในการศึกษาการสลายตัวด้วยไฮโดรไลซิสของ curcumin spiroborate ester (CBS) โดยรายงานว่ากราฟ Eyring แสดงความสัมพันธ์เชิงเส้นด้วยค่าสหสัมพันธ์ 0.9988 [21]

3.3 วิธี Isoconversional และวิธีที่ไม่ขึ้นกับแบบจำลอง

การศึกษาการเสื่อมสลายด้วยความร้อนหลายแห่งใช้วิธี isoconversional (เช่น KAS, FWO, Friedman) เพื่อคำนวณพลังงานก่อกัมมันต์ที่ขึ้นกับระดับการเปลี่ยนสภาพ (conversion) และระบุการสลายตัวหลายขั้นตอนและการเปลี่ยนแปลงกลไก [8, 18, 25]

สำหรับ rutin และ rutin fatty-acid esters พลังงานก่อกัมมันต์มีความแปรผันอย่างมากตามระดับการเปลี่ยนสภาพในช่วง 0.05 < (α) < 0.90 โดยมีรายงานช่วงตั้งแต่ 65 ถึง 246 kJ·mol⁻¹ ซึ่งผู้นิพนธ์ตีความว่าเป็นหลักฐานว่าการเสื่อมสลายด้วยความร้อนดำเนินไปผ่านกระบวนการที่ไม่ใช่ขั้นตอนเดียวแต่มีหลายระยะ [8]

สำหรับ resveratrol–β-cyclodextrin clathrates พลังงานก่อกัมมันต์เพิ่มขึ้นตามระดับการเปลี่ยนสภาพ โดยรายงานการเพิ่มขึ้นจาก 110 เป็น 130 kJ·mol⁻¹ (วิธี OFW) และจาก 120 เป็น 170 kJ·mol⁻¹ (วิธี Friedman) ซึ่งตีความว่าบ่งชี้ถึงการเปลี่ยนแปลงในกลไกปฏิกิริยาเมื่อการสลายตัวดำเนินไป [25]

สำหรับระบบพอลิเมอร์ที่บรรจุ curcumin ภายใต้ไนโตรเจน พลังงานก่อกัมมันต์ที่ได้จากหลายวิธี (Kissinger, KAS, Friedman และการปรับแบบจำลอง) แสดงขนาดที่สอดคล้องกันโดยกว้าง (เช่น 71 ± 5 kJ·mol⁻¹ โดย Kissinger; 77 ± 2 โดย KAS; 84 ± 3 โดย Friedman) และการเลือกแบบจำลองระบุถึงแบบจำลองจลนพลศาสตร์ F1 ที่มีพลังงานอยู่ในช่วง 73–91 kJ·mol⁻¹ [18]

3.4 การเสื่อมสลายร่วมกันระหว่างความร้อน–เชิงกล และการออกซิเดชัน

กระบวนการผลิตที่มีแรงตัดเฉือนสูงสามารถเชื่อมโยงการกระจายพลังงานเชิงกลเข้ากับความร้อนเฉพาะจุดและการถ่ายเทออกซิเจนที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะช่วยขยายเส้นทางการสลายตัวที่ขับเคลื่อนด้วยการออกซิเดชันในสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่ไวต่อออกซิเจน [13, 14, 17]

ในการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยแรงตัดเฉือนสูงของระบบเครื่องดื่ม อุณหภูมิทางออกเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดตามความเร็วรอบการหมุน (เช่น จาก 4.1 ± 0.7 °C ที่ 0 rpm เป็น 41 ± 1.2 °C ที่ 20,000 rpm) และที่ความเร็วสูงสุด ascorbic acid ลดลง 42.6% ซึ่งสอดคล้องกับการเสื่อมสลายที่ถูกกระตุ้นโดยอุณหภูมิสูงและการออกซิเดชัน [13]

ในการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูง (HPH) กลไกการประมวลผลถูกระบุอย่างชัดเจนว่าเกิดจากการกระจายแรงตัดเฉือนที่รูวาล์ว ซึ่งการเคลื่อนที่ของของเหลวจะถูกรบกวน และเกิดปรากฏการณ์เพิ่มเติม เช่น การเกิดโพรงอากาศ, ความปั่นป่วน, การชน และการปะทะ ซึ่งร่วมกันสร้างความเครียดเชิงกลที่รุนแรงและอาจเกิดความเครียดจากการออกซิเดชันได้ [14]

การเชื่อมโยงกับการออกซิเดชันยังแสดงให้เห็นในการทดลองการออกซิเดชันด้วยความร้อนสำหรับ quercetin: ที่ 150 °C การเสื่อมสลายของ quercetin ดำเนินไปเร็วกว่าภายใต้ออกซิเจนเมื่อเทียบกับไนโตรเจน (ค่าคงที่อัตรา 0.868 h⁻¹ เทียบกับ 0.253 h⁻¹) และจะเร่งตัวขึ้นอย่างมากเมื่อมี cholesterol และออกซิเจนอยู่ด้วย (ค่าคงที่อัตรา 7.17 h⁻¹) สอดคล้องกับการเชื่อมโยงแบบลูกโซ่อนุมูลอิสระระหว่างการก่อตัวของ cholesterol hydroperoxide และการเสื่อมสลายของ quercetin [26]

สำหรับ NRH ออกซิเจนและอุณหภูมิมีอิทธิพลอย่างมาก: มีรายงานการเสื่อมสลายอย่างสมบูรณ์ภายในเวลาไม่ถึงหนึ่งวันที่ pH 5 ในขณะที่ที่ pH 9 ตัวอย่างแสดงการเสื่อมสลาย ~42–45% หลังจาก 60 วัน และที่ 25 °C ในน้ำ DI ภายใต้อากาศ มีรายงานการเสื่อมสลาย ~50% หลังจาก 60 วัน เทียบกับ ~27% ภายใต้ N₂ [5]

ความไวต่อออกซิเจนนี้อธิบายโดยกลไกการออกซิเดชันเมื่อมีออกซิเจนอยู่ และการไฮโดรไลซิสที่เร่งขึ้นในสภาวะเป็นกรด ซึ่งสอดคล้องกับการระบุว่า NRH เป็นโมเลกุลที่ไม่เสถียรเนื่องจากพันธะ N-glycosidic และสามารถเกิดการเสื่อมสลาย, ไฮโดรไลซิส และออกซิเดชันได้ [5]

4. การทบทวนจำแนกตามประเภทของสารประกอบ

การสังเคราะห์ที่มุ่งเน้นไปที่สารประกอบด้านล่างเน้นพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์และเทอร์โมไดนามิกส์เชิงปริมาณที่สามารถนำไปใช้โดยตรงในแบบจำลองการผลิต รวมถึงพลังงานก่อกัมมันต์, ค่าคงที่อัตรา, ครึ่งชีวิต, การเริ่มต้นสลายตัว และข้อจำกัดที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วหรือการหลอมเหลว [4, 11, 12, 15, 24]

4.1 สารตั้งต้นของ NAD⁺

ความเสถียรของสารตั้งต้น NAD⁺ ถูกกำหนดอย่างมากโดยความไวต่อการไฮโดรไลซิส และความทนทานต่ำต่อการเปลี่ยนผ่านทางความร้อนบางอย่าง (โดยเฉพาะสำหรับ NRCl ในช่วงการหลอมเหลว) และการออกซิเดชันที่ขับเคลื่อนด้วยออกซิเจน (โดยเฉพาะสำหรับรูปแบบที่ถูกรีดิวซ์ เช่น NRH) [4, 5]

NRCl แสดงจลนพลศาสตร์การเสื่อมสลายแบบอันดับหนึ่งเสมือนในสารละลาย และแสดงพลังงานก่อกัมมันต์ที่แปรผันตาม pH (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹) ซึ่งกำหนดพารามิเตอร์เชิงปริมาณสำหรับทั้งความไวต่อความร้อนและการพึ่งพา pH ของเส้นทางการไฮโดรไลซิสที่สำคัญ [4]

มีการเสนอพื้นฐานเชิงกลไกเป็นการไฮโดรไลซิสที่มีด่างเป็นตัวเร่ง ซึ่ง NR จะลดลงในขณะที่ nicotinamide (Nam) และน้ำตาลจะสะสม และมีหลักฐานสมดุลโมลที่บ่งชี้ว่า สำหรับทุกโมเลกุล NR ที่เสื่อมสลายไป จะเกิด Nam หนึ่งโมเลกุลและน้ำตาลหนึ่งโมเลกุล [4]

ในของเหลวจำลองในระบบทางเดินอาหารที่อุณหภูมิและการกวนตามสรีรวิทยา (ใบพัด USP II ที่ 75 rpm และ 37 °C) NRCl แสดงการสูญเสียในระยะสั้นที่ค่อนข้างจำกัด (เช่น เหลือ ~97–99% หลังจาก 2 ชม. ในสื่อกลางกระเพาะอาหาร) แต่มีการลดลงที่วัดได้ในระยะยาวในการจำลอง 24 ชม. (เหลือ 79.18 ± 2.68% ที่ 24 ชม. และเหลือ 90.51 ± 0.82% ที่ 8 ชม.) [4]

ในสถานะของแข็ง NRCl แสดงช่วงอุณหภูมิที่แคบระหว่างการเริ่มต้นหลอมเหลวและการสลายตัวอย่างรวดเร็ว: DSC รายงานการเริ่มต้นของการหลอมเหลวที่ 120.7 ± 0.3 °C และเหตุการณ์คายความร้อนที่ตามมาที่ ~130.8 °C ในขณะที่ qNMR หาปริมาณการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของการเสื่อมสลายจาก 2% ที่ 115 °C เป็น 98% ที่ 130 °C [4]

แหล่งข้อมูลหนึ่งระบุอย่างชัดเจนว่าข้อมูลเหล่านี้ให้ "ขีดจำกัดอุณหภูมิสูงสุดที่ชัดเจนสำหรับการแปรรูป NRCl" ซึ่งอาจส่งผลต่อการผลิตผลิตภัณฑ์เสริมอาหารในทุกขั้นตอน โดยเน้นย้ำถึงความเกี่ยวข้องของเกณฑ์ DSC/qNMR ในฐานะข้อจำกัดที่เข้มงวดในกระบวนการที่ใช้ความร้อน [4]

NR borate นำเสนอส่วนหนึ่งของกลยุทธ์การทำให้เสถียรที่ถูกกระตุ้นโดยความสามารถในการทำปฏิกิริยาของ NR: NR ถูกอธิบายว่ามีพันธะ glycosidic ที่ไม่เสถียรเป็นพิเศษซึ่งเชื่อมต่อเฮเทอโรไซเคิล pyridinium ที่มีประจุบวกเข้ากับคาร์โบไฮเดรต ทำให้ยากต่อการสังเคราะห์, จัดเก็บ และขนส่ง และการทำให้เสถียรด้วย borate ถูกอธิบายว่ามีความเสถียรสูงต่อการเสื่อมสลายทางความร้อนและทางเคมี [19]

ในเชิงปริมาณ การละลายของ NR borate ขึ้นอยู่กับ pH อย่างมาก (เช่น 1972.7 ± 15.4 mg·mL⁻¹ ที่ pH 1.5; 926.0 ± 34.4 mg·mL⁻¹ ที่ pH 7.4) และมีรายงานว่าแบบจำลอง Arrhenius แสดงอัตราการเสื่อมสลายที่ pH 7.4 สูงกว่าที่ pH 1.5 หรือ 5.0 ซึ่งสอดคล้องกับอิทธิพลของความเข้มข้นของ HO⁻ [19]

การทบทวนเรื่องเดียวกันรายงานค่าพลังงานอิสระของกิบบ์สในการเสื่อมสลายของ NR borate เท่ากับ 2.43 kcal·mol⁻¹ และระบุว่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุก 10 °C จะทำให้อัตราการเสื่อมสลายเพิ่มขึ้นประมาณเท่าตัวภายใต้สภาวะ pH ใดๆ ซึ่งสะท้อนถึงความไวต่ออุณหภูมิที่สังเกตพบใน NRCl [4, 19]

NRH แสดงความไวที่เด่นชัดต่อ pH และออกซิเจน: มีรายงานการเสื่อมสลายอย่างสมบูรณ์ในเวลาไม่ถึงหนึ่งวันที่ pH 5 ในขณะที่ที่ pH 9 ตัวอย่างแสดงการเสื่อมสลาย ~42–45% หลังจาก 60 วัน และที่ 25 °C ในน้ำ DI ภายใต้อากาศ มีรายงานการเสื่อมสลาย ~50% หลังจาก 60 วัน เทียบกับ ~27% ภายใต้ N₂ [5]

ความไวต่อออกซิเจนนี้อธิบายโดยกลไกการออกซิเดชันเมื่อมีออกซิเจนอยู่ และการไฮโดรไลซิสที่เร่งขึ้นในสภาวะเป็นกรด ซึ่งสอดคล้องกับการที่ NRH ถูกอธิบายว่าเป็นโมเลกุลที่ไม่เสถียรเนื่องจากพันธะ N-glycosidic และมีความสามารถในการเสื่อมสลาย, ไฮโดรไลซิส และออกซิเดชัน [5]

สำหรับ NMN ตัวบ่งชี้ทางเทอร์โมไดนามิกส์เชิงปริมาณในสถานะของแข็งรวมถึงรายงานการสลายตัวที่เริ่มที่ 160 °C และเสร็จสิ้นภายใน 165 °C (พร้อมพีค DSC แบบดูดความร้อนที่ 162 °C และเอนทัลปีของการสลายตัว 184 kJ·mol⁻¹) และข้อมูลความเสถียรแบบเร่งรายงานอัตราการสลายตัว 0.8% ต่อเดือนที่ 40 °C และ 75% RH [6]

ในสารละลาย อัตราการเสื่อมสลายของ NMN มีรายงานว่าเป็นแบบอันดับหนึ่งที่ปรากฏที่อุณหภูมิห้อง โดยมีสมการจลนพลศาสตร์ lg(C_t)=0.0057t+4.8172 และมีรายงานค่า t_0.9=95.58 h และ t_1/2=860.26 h และการศึกษาระบุว่าอัตราการเสื่อมสลายได้รับอิทธิพลหลักจากอุณหภูมิสูงและ pH [27]

เพื่อสนับสนุนข้อจำกัดในการตั้งตำรับจริง แหล่งข้อมูลที่เน้นผลิตภัณฑ์แหล่งหนึ่งแนะนำให้ผสมที่อุณหภูมิต่ำกว่า 45 °C เพื่อป้องกันการเสื่อมสลายด้วยความร้อนของพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ และรายงานการเสื่อมสลายต่ำกว่า 5% ในการทดสอบแบบเร่งที่ 40 °C/75% RH เป็นเวลา 3 เดือนสำหรับระบบที่มีปริมาณน้ำต่ำซึ่งตั้งตำรับอย่างเหมาะสม [28]

เส้นทางการเสื่อมสลายหลักของ NMN ถูกอธิบายว่าเป็นการไฮโดรไลซิสของพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ ซึ่งได้เป็น nicotinamide และ ribose-5-phosphate โดยการพึ่งพา pH ถูกอธิบายว่าเป็นการไฮโดรไลซิสที่มีกรดเป็นตัวเร่งที่ต่ำกว่า pH 4.5 และการสลายพันธะที่มีด่างเป็นสื่อกลางที่สูงกว่า pH 7.5 [28]

4.2 สารกลุ่มสติลบีนอยด์

สารกลุ่มสติลบีนอยด์รวมถึง resveratrol และสารประกอบที่เกี่ยวข้องซึ่งแสดงการเสื่อมสลายที่ขึ้นกับ pH และออกซิเจนอย่างมาก และความเสถียรในสูตรตำรับจริงอาจเบี่ยงเบนไปจากการคาดการณ์แบบ Arrhenius อย่างง่ายเนื่องจากผลของเมทริกซ์และเส้นทางปฏิกิริยาที่หลากหลาย [7, 12, 29]

ในระบบสารละลาย มีรายงานว่า trans-resveratrol มีความเสถียรใน pH ที่เป็นกรด ในขณะที่การเสื่อมสลายจะเพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โพเนนเชียลที่สูงกว่า pH 6.8 และครึ่งชีวิตลดลงจาก 329 วันที่ pH 1.2 เหลือ 3.3 นาทีที่ pH 10 [12]

ที่ pH 7.4 จลนพลศาสตร์ของการเสื่อมสลายของ trans-resveratrol เป็นไปตามจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่งในทุกอุณหภูมิที่ตรวจสอบ และรายงานพลังงานก่อกัมมันต์เป็น 84.7 kJ·mol−1 [12]

มีการให้เหตุผลเชิงกลไกว่าใน pH ที่เป็นกรด กลุ่มไฮดรอกซิลจะได้รับการปกป้องจากการออกซิเดชันด้วยอนุมูลอิสระโดย H₃O⁺ ที่มีประจุบวก ในขณะที่ในสภาวะด่าง ไอออนฟีเนต (phenate ions) จะเพิ่มความไวต่อการออกซิเดชันและการเกิดอนุมูลอิสระฟีน็อกซี และออกซิเจนในสื่อกลางจะส่งเสริมปฏิกิริยาอนุมูลอิสระที่นำไปสู่การเสื่อมสลาย [12]

การทดลองความเสถียรทางความร้อนที่เป็นอิสระในสารละลาย (19 mg·L−1) รายงานว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงสเปกตรัมที่มีนัยสำคัญหลังจาก 30 นาที จนถึงอุณหภูมิ 70 °C ในขณะที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นนำไปสู่การลดลงของค่าการดูดกลืนแสงโดยทั่วไปที่ 304 nm และการดูดกลืนแสงที่ลดลงในช่วง 270–350 nm ซึ่งบ่งชี้ถึงการทำลายที่เกิดจากความร้อนภายใต้สภาวะไฮโดรเทอร์มอล [30]

การตีความเชิงกลไกของการทดลองไฮโดรเทอร์มอลเหล่านั้นเสนอว่าเกิดการสลายตัวด้วยการออกซิเดชันของพันธะคู่และการก่อตัวของผลิตภัณฑ์เสื่อมสลายที่มีฟีนอล เช่น อัลดีไฮด์ที่มีหมู่ไฮดรอกซิล, แอลกอฮอล์ และกรดไฮดรอกซิล และแถบสเปกตรัม FTIR ถูกตีความว่าสอดคล้องกับการก่อตัวของอัลดีไฮด์และกรดคาร์บอกซิลิกที่ 100–120 °C [30]

ในเมทริกซ์ยาเม็ด มีรายงานว่าการเสื่อมสลายของ resveratrol เป็นไปตามจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่งแบบเอกซ์โพเนนเชียลเดี่ยว โดยมีค่า k เท่ากับ 0.07140, 0.1937 และ 0.231 ต่อเดือนที่อุณหภูมิ 25, 30 และ 40 °C ตามลำดับ แต่ความสัมพันธ์ระหว่าง ln(k) กับ 1/T ไม่เป็นเส้นตรงและถูกจัดอยู่ในประเภท super-Arrhenius โดยผู้นิพนธ์เสนอว่าอาจเกิดปฏิกิริยาที่สอง, เส้นทางปฏิกิริยาที่หลากหลาย หรือผลของเมทริกซ์ที่อุณหภูมิสูงขึ้น [7]

งานวิจัยชิ้นเดียวกันเน้นย้ำว่า การคาดการณ์แบบ Arrhenius ไม่สามารถใช้กำหนดจลนพลศาสตร์การเสื่อมสลายสำหรับ resveratrol ในผลิตภัณฑ์เสริมอาหารได้เสมอไป และการทดสอบแบบเร่งอาจนำไปสู่การประมาณการที่คลาดเคลื่อน รวมถึงการประมาณการเสื่อมสลายที่สูงเกินจริง [7]

สำหรับสารประกอบฟีนอลิกที่คล้ายสติลบีนในระบบแห้ง การจัดการด้วยความร้อน เช่น การนึ่งฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำ (steam sterilization) ที่ 121 °C เป็นเวลา 20 นาที ทำให้เกิดการสูญเสียที่วัดได้ (เช่น pinosylvin ลดลง 20.98% ตามพื้นที่พีค) และการอบแห้งที่ 105 °C เป็นเวลา 24 ชั่วโมง ทำให้พื้นที่พีคลดลงมากกว่า 50% สำหรับฟีนอลิกหลายชนิด ในขณะที่ TGA บ่งชี้ถึงอุณหภูมิเริ่มต้นการสลายตัวที่สูงกว่า ~200 °C สำหรับระบบ pinosylvin [31]

4.3 สารกลุ่มฟลาโวนอยด์

สารกลุ่มฟลาโวนอยด์แสดงความไวต่อการเสื่อมสลายหลายเส้นทางซึ่งได้รับอิทธิพลจาก pH, อุณหภูมิ, ออกซิเจน และปฏิสัมพันธ์ในสูตรตำรับ เช่น การจับกับโปรตีน และพฤติกรรมทางความร้อนใน DSC/TGA อาจเกี่ยวข้องกับการสลายตัวและการอ่อนตัวที่ซ้อนทับกันมากกว่าการหลอมเหลวอย่างง่าย [9, 22, 24]

ในสารละลายบัฟเฟอร์ การเพิ่ม pH ของสื่อกลางจาก 6.0 เป็น 7.5 จะเพิ่มค่าคงที่อัตราการเสื่อมสลายของ fisetin และ quercetin ขึ้น 24 เท่า และ 12 เท่า ตามลำดับ (เช่น ค่า k ของ fisetin จาก 8.30×10−3 เป็น 0.202 h−1; ค่า k ของ quercetin จาก 2.81×10−2 เป็น 0.375 h−1) และการเพิ่มอุณหภูมิสูงกว่า 37 °C จะเพิ่มค่า k อย่างมีนัยสำคัญ (เช่น ค่า k ของ fisetin เป็น 0.490 h−1 ที่ 65 °C; ค่า k ของ quercetin เป็น 1.42 h−1 ที่ 65 °C) [24]

ส่วนผสมร่วมที่เป็นโปรตีนสามารถบรรเทาการเสื่อมสลายได้: เมื่อมีการเติมโปรตีน ค่า k ที่วัดได้จะลดลง รวมถึงค่า k ของ fisetin ที่ลดลงจาก 3.58×10−2 เหลือช่วงต่ำสุดที่ 1.76×10−2 h−1 และค่า k ของ quercetin ที่ลดลงจาก 7.99×10−2 เหลือช่วงต่ำสุดที่ 3.80×10−2 h−1 [24]

ในเชิงกลไก ความไม่เสถียรทางเคมีของฟลาโวนอยด์เกิดจากกลุ่มไฮดรอกซิลและโครงสร้างไพโรน (pyrone) ที่ไม่เสถียร และการทำให้เสถียรโดยโปรตีนมีสาเหตุหลักมาจากอันตรกิริยาที่ไม่ชอบน้ำ (hydrophobic interactions) (โดยที่ SDS จะรบกวนการทำให้เสถียรนี้) โดยมีการเน้นย้ำว่าการมีส่วนร่วมของพันธะไฮโดรเจนยังต้องการการวิเคราะห์เชิงปริมาณในอนาคต [24]

สำหรับ quercetin ที่ 90 °C ใกล้สภาวะเป็นกลาง การเสื่อมสลายมีผลของ pH อย่างรุนแรง: ค่า k เพิ่มขึ้นประมาณห้าเท่าจาก pH 6.5 เป็น 7.5 และตรวจพบสารมัธยันตร์ของการออกซิเดชัน เช่น quercetin quinone โดยผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายทั่วไปรวมถึง protocatechuic acid (PCA) และ phloroglucinol carboxylic acid (PGCA) [22]

คำอธิบายเชิงกลไกระบุว่าการสูญเสียที่วัดได้ครั้งแรกที่ 370 nm เกิดจากการเปลี่ยน quercetin เป็น quinone และเสนอว่าการสลายโครงสร้างของ quinone จะได้สารฟีนอลิกที่ง่ายขึ้นซึ่งมีค่าการดูดกลืนแสงจำกัด ในขณะที่การดึงโปรตอน (deprotonation) ในสภาวะด่างจะเร่งการออกซิเดชันที่ส่งผลต่อวงแหวน C และโครงสร้าง o-diphenol ของวงแหวน B [22]

ในระบบอุณหภูมิสูง (150 °C) การเสื่อมสลายและการออกซิเดชันของ quercetin ดำเนินไปอย่างรวดเร็ว โดยมีรายงานค่าคงที่อัตรา 0.253 h−1 ในไนโตรเจน และ 0.868 h−1 ในออกซิเจน และมีการเร่งตัวอย่างรุนแรง (7.17 h−1) ในสภาวะออกซิเจนรวมกับ cholesterol; ในเชิงทดลอง การสูญเสีย quercetin เพิ่มขึ้นจาก 7.9% ที่ 10 นาที (N₂) เป็น 20.4% ที่ 10 นาที (O₂) ในขณะที่ในสภาวะที่มี cholesterol + ออกซิเจน quercetin จะลดลงเหลือเพียง 10.9% หลังจาก 10 นาที [26]

การวิเคราะห์ทางความร้อนยังระบุว่า quercetin แสดงพีคดูดความร้อนขนาดเล็กในช่วง 90–135 °C ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสูญเสียมวลเล็กน้อย (0.86 ± 0.33 wt.%) การสลายตัวเริ่มต้นที่ 230 °C และพีคดูดความร้อน DSC ที่เด่นชัดที่ 303 °C ซ้อนทับกับการสลายตัว; มีการโต้แย้งว่าพันธะไฮโดรเจนทั้งช่วยจำกัดพฤติกรรมที่คล้ายกับการหลอมเหลวและช่วยอำนวยความสะดวกในการสลายตัวโดยการทำให้พันธะเคมีอ่อนแอลง [9]

สำหรับ rutin (ฟลาโวนอยด์ไกลโคไซด์ของ quercetin) และเอสเทอร์ของกรดไขมัน ผล TGA บ่งชี้ว่า rutin มีความเสถียรทางความร้อนสูงถึง 240 °C ในขณะที่เอสเทอร์แสดงอุณหภูมิการเสื่อมสลายเริ่มต้นที่ต่ำกว่า (217–220 °C) และมีการสูญเสียมวลที่สูงกว่าในระยะหลัก และพลังงานก่อกัมมันต์แปรผันตามระดับการเปลี่ยนสภาพตั้งแต่ 65 ถึง 246 kJ·mol−1 [8]

4.4 สารกลุ่มเคอร์คูมินอยด์

การเสื่อมสลายของ curcumin ขึ้นอยู่กับ pH อย่างมากและเกี่ยวข้องกับเส้นทางการออกซิเดชันภายใต้สภาวะสารละลายหลายประเภท ในขณะที่การสลายตัวด้วยความร้อนและปฏิสัมพันธ์ในสูตรตำรับสามารถเปลี่ยนจุดเริ่มต้นการเสื่อมสลายและพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์ที่ปรากฏได้ [10, 18, 32]

ในส่วนผสมบัฟเฟอร์/เมทานอลที่ 37 °C มีรายงานว่าการเสื่อมสลายของ curcumin เป็นไปตามจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่ง โดยค่า k_obs เพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อ pH เพิ่มขึ้น (เช่น 3.2×10−3 h−1 ที่ pH 7.0 เทียบกับ 693×10−3 h−1 ที่ pH 12.0) ในขณะที่ที่ pH 5.0 curcumin มีความเสถียรในการทดลองที่รายงาน [10]

ที่ pH 8.0 การวิเคราะห์แบบ Arrhenius ให้ค่า (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 และการคาดการณ์ไปยังบัฟเฟอร์สารละลายบ่งชี้ถึงการสูญเสียอย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะออกซิไดซ์ (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h) [10, 32]

สูตรตำรับนาโนแบบไมเซลล์ช่วยชะลอการเสื่อมสลายได้อย่างมาก: ในพอลิเมอร์ไมเซลล์และไมเซลล์ Triton X-100 ที่ pH 8.0 และ 37 °C มีรายงานค่า k_obs ลดลงเหลือ 0.9×10−3 และ 0.6×10−3 h−1 โดยมีครึ่งชีวิต 777 ± 87 h และ 1100 ± 95 h ซึ่งระบุว่าสูงกว่า curcumin อิสระในบัฟเฟอร์สารละลายประมาณ 300–500 เท่า [10]

ในเชิงกลไก งานวิจัยที่รวมไว้โต้แย้งว่าการเสื่อมสลายของ curcumin ไม่ได้ดำเนินไปผ่านการสลายสายโซ่ด้วยไฮโดรไลซิส (hydrolytic chain scission) แต่ผ่านการออกซิเดชันที่ได้ bicyclopentadione เป็นผลิตภัณฑ์สุดท้าย โดยการเสื่อมสลายของ curcumin 1 โมลสัมพันธ์กับการบริโภค O₂ 1 โมล และขั้นตอนแรกคือการดึงโปรตอนออกจากกลุ่มไฮดรอกซิลที่ pH สูงกว่า 7.0 [10]

การศึกษาความเสถียรที่เกี่ยวข้องกับระบบทางเดินอาหารอีกชิ้นหนึ่งรายงานจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่งที่ปรากฏซึ่งมีความเป็นเส้นตรงสูง (r² > 0.95) และระบุพลังงานก่อกัมมันต์ (ในหน่วย kcal·mol−1) ที่แปรผันตามสื่อกลาง (สูงกว่าที่ pH 7.4 เมื่อเทียบกับใน 0.1 N HCl) และรายงานว่าหลังจาก 12 ชม. ที่ 37 °C ยังคงเหลืออยู่มากกว่า 80% ใน 0.1 N HCl แต่เหลือเพียง 57% และ 47% ในฟอสเฟตบัฟเฟอร์ pH 6.8 และ 7.4 ตามลำดับ [11]

ที่อุณหภูมิสูง (180 °C) การทดลองคั่ว (roasting) แสดงให้เห็นถึงความไม่ทนต่อความร้อนอย่างยิ่ง โดยเหลือ curcumin เริ่มต้นเพียง 30% หลังจาก 5 นาที และการตีความเชิงกลไกเชื่อมโยงการสลายตัวด้วยการออกซิเดชันไปยังสารมัธยันตร์ ferulic acid และขั้นตอนการดึงคาร์บอกซิล (decarboxylation) ที่เร่งตัวขึ้นจากการสัมผัสอากาศและอุณหภูมิที่สูงขึ้น [33]

การศึกษาการสลายตัวด้วยความร้อนของ curcumin และระบบพอลิเมอร์ที่มี curcumin ภายใต้ไนโตรเจนแสดงพฤติกรรมที่ซับซ้อน: การสลายตัวของ curcumin ดิบเริ่มประมาณ 240 °C ในขณะที่การใส่ curcumin ลงในของผสม PGA/PCL จะเลื่อนจุดการสลายตัวสูงสุดของ PGA ไปยังอุณหภูมิที่ต่ำกว่า (เช่น จาก 372 °C สำหรับของผสมบริสุทธิ์เป็น 327 °C เมื่อมี curcumin 5%) ซึ่งหมายความว่าการใส่ curcumin สามารถลดความเสถียรทางความร้อนของเมทริกซ์ได้ [18]

การศึกษาที่มุ่งเน้นพอลิเมอร์ชิ้นเดียวกันเชื่อมโยงผลลัพธ์เหล่านี้เข้ากับความเกี่ยวข้องในการผลิต โดยระบุว่ากระบวนการแปรรูปในสถานะหลอมเหลวต้องการให้แน่ใจถึงทั้งความเสถียรทางเคมีของเมทริกซ์พอลิเมอร์และฤทธิ์ทางชีวภาพของยาที่บรรจุ และการแปรรูป PGA หรือของผสม PGA/PCL ร่วมกับ curcumin ควรดำเนินการที่อุณหภูมิต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อป้องกันการเสื่อมสลายของ PGA [18]

การทำให้ curcumin เสถียรภายใต้การทำอิมัลชันด้วยแรงตัดเฉือนสูงได้รับการวัดเชิงปริมาณใน Pickering emulsions ที่เตรียมโดยใช้เครื่องผสมแรงตัดเฉือนสูงที่ 22,000 rpm เป็นเวลา 2 นาที: การเก็บรักษาที่ 20 °C ในที่มืดแสดงให้เห็นว่าในน้ำมันผสม curcumin ที่ไม่ได้ห่อหุ้ม curcumin ประมาณครึ่งหนึ่งเสื่อมสลายไปหลังจาก 6 วัน และเหลือเพียง 20% หลังจาก 16 วัน ในขณะที่ระบบ Pickering emulsion ยังคงเหลืออยู่ ~50% หลังจาก 16 วัน และขยายครึ่งชีวิตจาก 13 วันเป็น 28 วัน [1]

ภายใต้การสัมผัสแสง UV (6 W, 365 nm) ระบบเดียวกันแสดงการเสื่อมสลาย ~50% หลังจาก 9 ชม. และเหลือเพียง 20% หลังจาก 24 ชม. สำหรับน้ำมันผสม ในขณะที่ Pickering emulsion ยังคงเหลืออยู่ ~70% หลังจาก 9 ชม. และ ~45% หลังจาก 24 ชม. และขยายครึ่งชีวิตจาก ~13 ชม. เป็น ~27 ชม. สำหรับการสูญเสีย 50% [1]

4.5 ตารางสรุป

ตารางด้านล่างรวบรวมพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์และเทอร์โมไดนามิกส์ที่เป็นตัวแทนซึ่งรายงานในสารประกอบแต่ละกลุ่ม โดยเน้นค่าที่สามารถนำไปใช้ในการสร้างแบบจำลองกระบวนการได้โดยตรงมากที่สุด

5. กระบวนการผลิตย่อยที่มีแรงตัดเฉือนสูง

การผลิตด้วยแรงตัดเฉือนสูงทำให้สารประกอบที่ไม่ทนต่อความร้อนต้องเผชิญกับสนามความเครียดเชิงกลที่สามารถเพิ่มอุณหภูมิ, การถ่ายเทออกซิเจน และพื้นที่ผิวสัมผัส ซึ่งส่งผลกระทบต่อทั้งจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาและกลไกหลัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่ไวต่อออกซิเจนและ pH [13, 14, 17]

5.1 กระบวนการแปรรูปในสถานะหลอมเหลว

กระบวนการแปรรูปในสถานะหลอมเหลวถูกเน้นย้ำในระบบพอลิเมอร์–ยาว่าเป็นสถานการณ์ที่ต้องรักษาทั้งความเสถียรของพอลิเมอร์และฤทธิ์ของยาไว้ และมีการระบุอย่างชัดเจนว่ากระบวนการในสถานะหลอมเหลวหมายความว่าต้องรับประกันความเสถียรทางเคมีของเมทริกซ์พอลิเมอร์และฤทธิ์ทางชีวภาพของยาที่บรรจุไว้ [18]

ในระบบ PGA/PCL–curcumin การใส่ curcumin ส่งผลเสียต่อความเสถียรทางความร้อนของ PGA และผู้นิพนธ์แนะนำให้แปรรูปที่อุณหภูมิต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อป้องกันการเสื่อมสลายของ PGA โดยเชื่อมโยงคุณลักษณะความเสถียรทางความร้อนเข้ากับการออกแบบกระบวนการ [18]

5.2 การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูงและ Microfluidization

การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูงทำให้ของเหลวต้องเผชิญกับความเครียดเชิงกลสูงเมื่อไหลผ่านวาล์วที่มีช่องแคบ; ที่รูวาล์ว ของเหลวจะถูกกระทำด้วยแรงตัดเฉือน และปรากฏการณ์เพิ่มเติม เช่น การเกิดโพรงอากาศ, ความปั่นป่วน, การชน และการปะทะ มีส่วนช่วยให้เกิดผลของแรงตัดเฉือน [14]

HPH ทำงานที่ความดันสูงกว่า 100 MPa และสามารถสร้างความดันได้สูงถึง 400 MPa โดยความดันที่ใช้, จำนวนรอบ/รอบการผ่าน และอุณหภูมิทางเข้าถูกอธิบายว่าเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความสามารถในการสกัดและความเสถียรของสารพฤกษเคมี [14]

ในเชิงปริมาณ การทบทวน HPH รายงานตัวอย่างการเปลี่ยนแปลงทางองค์ประกอบ เช่น การลดลงทีละน้อยของ L-ascorbic acid (1.7%, 4.6%, 10.7%) ที่ 100, 200, 300 MPa และโพลีฟีนอลที่ลดลง (เช่น 10.6%, 6.0%, 1.4%) ในน้ำแอปเปิลที่ 100, 200, 300 MPa ซึ่งแสดงให้เห็นว่าระดับความดันสามารถสัมพันธ์กับการสูญเสียสารประกอบที่ไวต่อการออกซิเดชัน โดยขึ้นอยู่กับเมทริกซ์และกิจกรรมของเอนไซม์ [14]

ในระดับสูตรตำรับ microfluidization สามารถผลิตอิมัลชันที่เสถียรพร้อมการรักษาปริมาณสารฟีนอลิกที่วัดได้: สำหรับอิมัลชัน W/O/W สภาวะ microfluidizer ที่เหมาะสมคือ 148 MPa และ 7 รอบการผ่าน ซึ่งให้หยดไขมันขนาด 105.3 ± 3.2 nm และ PDI 0.233 ± 0.020 และหลังจาก 35 วัน มีการรักษาปริมาณสารฟีนอลิกไว้ที่ 68.6% พร้อมการรักษาฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระไว้ที่ 89.5% [2]

การศึกษาการห่อหุ้มอีกชิ้นหนึ่งรายงานวิธีการผสมผสานระหว่างแรงตัดเฉือนสูงและ microfluidization: สารกระจายตัวไลโปโซมถูกทำให้เป็นเนื้อเดียวกันที่ 9500 rpm เป็นเวลา 10 นาที แล้วผ่านเครื่อง microfluidizer 5 ครั้งที่ 25,000 psi ก่อนการทำแห้งแบบพ่นฝอย ซึ่งแสดงให้เห็นว่าลำดับการผลิตจริงในอุตสาหกรรมอาจรวมแรงตัดเฉือนและการทำแห้งด้วยความร้อนที่ตามมา [3]

การทบทวนการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูงยิ่งยวด (UHPH) เน้นย้ำถึงแรงตัดเฉือนและการปะทะที่รุนแรงภายในวาล์ว โดยมีรายงานสภาวะต่างๆ เช่น ของเหลวถูกปั๊มที่ความดันมากกว่า 200 MPa (ปกติคือ 300 MPa) และมีระยะเวลาพำนัก (residence time) ในวาล์วน้อยกว่า 0.2 วินาที ที่ความเร็ว Mach 3 พร้อมการแตกตัวเป็นอนุภาคนาโน (nanofragmentation) ของจุลินทรีย์, คอลลอยด์ และพอลิเมอร์ชีวภาพให้เหลือขนาด 100–500 nm [34]

5.3 การผสมด้วยแรงตัดเฉือนสูง

การผสมด้วยแรงตัดเฉือนสูงมักใช้เป็นขั้นตอนการเตรียมอิมัลชันเบื้องต้นหรือการกระจายตัว และสามารถสร้างอุณหภูมิที่สูงขึ้นและสภาวะออกซิเดชันอย่างมีนัยสำคัญได้ด้วยตัวมันเอง จึงส่งผลต่อการเสื่อมสลายแม้ก่อนถึงกระบวนการขั้นปลาย [13]

ในแบบจำลองเครื่องดื่ม การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยแรงตัดเฉือนสูงเป็นเวลา 10 นาที ที่ความเร็วรอบการหมุนที่เพิ่มขึ้น จะทำให้อุณหภูมิทางออกสูงขึ้น (จาก 4.1 ± 0.7 °C ที่ 0 rpm เป็น 41 ± 1.2 °C ที่ 20,000 rpm) และสัมพันธ์กับการสูญเสีย ascorbic-acid อย่างมาก (ลดลง 42.6% ที่ 20,000 rpm) [13]

ในระบบ curcumin Pickering emulsion การผสมด้วยแรงตัดเฉือนสูงที่ 22,000 rpm เป็นเวลา 2 นาที ถูกใช้เพื่อสร้างอิมัลชัน หลังจากนั้นความเสถียรที่เพิ่มขึ้นได้รับการวัดเชิงปริมาณผ่านการเสื่อมสลายที่ช้าลงและครึ่งชีวิตที่ขยายออกไปภายใต้ทั้งการจัดเก็บและความเครียดจาก UV ซึ่งเชื่อมโยงการจัดโครงสร้างพื้นผิวด้วยแรงตัดเฉือนสูงเข้ากับผลลัพธ์ความเสถียรทางเคมี [1]

5.4 การบดเชิงกลเคมี

กระบวนการเชิงกลเคมี (เช่น การบดด้วยลูกบด) สามารถผลิตสารกระจายตัวของแข็งแบบอสัณฐาน และเปลี่ยนความเสถียรโดยการเปลี่ยนรูปแบบสถานะของแข็ง, การผสมในระดับโมเลกุล และการเปิดให้เกิดอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลที่แข็งแรง เช่น พันธะไฮโดรเจน [15]

สำหรับ fisetin ASDs และสารเชิงซ้อนแบบฝัง (inclusions) การบดดำเนินการที่อุณหภูมิห้องด้วยความถี่ 30 Hz เป็นเวลา 20 นาที และการวิเคราะห์ TG/DSC ที่ตามมาดำเนินการภายใต้ไนโตรเจนเพื่อวัดความเสถียรทางความร้อนและพฤติกรรม Tg [15]

5.5 การทำแห้งแบบพ่นฝอย

การทำแห้งแบบพ่นฝอยถูกอธิบายว่าเป็นหนึ่งในเทคนิคที่ใช้กันบ่อยที่สุดในการผลิตสารสกัดจากพืชแบบแห และมีการระบุว่าอุณหภูมิสูงในระหว่างการทำแห้งแบบพ่นฝอยอาจมีผลเสียต่อโพลีฟีนอลที่ไม่ทนต่อความร้อน [3, 20]

ในการศึกษาการห่อหุ้มโพลีฟีนอลชิ้นหนึ่ง การทำแห้งแบบพ่นฝอยดำเนินการด้วยอุณหภูมิอากาศขาเข้า 150 ± 5 °C และอุณหภูมิขาออก 90 ± 5 °C ขณะที่ผู้นิพนธ์ระบุว่าปริมาณโพลีฟีนอลลดลงเนื่องจากการสัมผัสออกซิเจนและความร้อนในระหว่างการทำแห้งแบบพ่นฝอย ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการห่อหุ้มเพื่อรักษาคุณสมบัติหน้าที่ไว้ [3]

ในการศึกษาการเตรียมตำรับสารสกัด สภาวะของกระบวนการทำแห้งแบบพ่นฝอย (อุณหภูมิขาเข้า, อัตราการไหลของฟีด, อัตราส่วน colloidal silicon dioxide) ได้รับการประเมินผลกระทบ และใช้วิธี Arrhenius เพื่อกำหนดพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์ของการสลายตัว รวมถึงอันดับปฏิกิริยา, ระยะเวลาที่สลายตัวไปบางส่วน และค่าคงที่อัตรา [20]

5.6 ตารางสรุป

ตารางด้านล่างสรุปโปรไฟล์ความเครียดและตัวอย่างผลกระทบเชิงปริมาณที่รายงานสำหรับกระบวนการผลิตย่อยที่ใช้แรงตัดเฉือนสูง และ/หรือ การสัมผัสความร้อนที่รุนแรง

6. แบบจำลองความเสถียร–กระบวนการแบบบูรณาการ

แหล่งข้อมูลที่รวมไว้ให้องค์ประกอบพื้นฐานสำหรับกรอบการคาดการณ์แบบบูรณาการ ซึ่งผลลัพธ์ความเสถียรจะถูกคำนวณจากประวัติอุณหภูมิของกระบวนการผลิตย่อยและสภาวะแวดล้อมทางเคมีกายภาพ (pH, ออกซิเจน, กิจกรรมของน้ำ) ในขณะที่ต้องคำนึงถึงเกณฑ์การเปลี่ยนผ่านทางเทอร์โมไดนามิกส์ [4, 14]

6.1 การทำแผนที่ เวลา–อุณหภูมิ–แรงตัดเฉือน

แนวทางการทำแผนที่ในทางปฏิบัติสามารถใช้จลนพลศาสตร์ (k, (E_a), ครึ่งชีวิต) ร่วมกับโปรไฟล์เวลา–อุณหภูมิของกระบวนการผลิตย่อยที่วัดได้หรืออนุมานได้ เพื่อคำนวณการเปลี่ยนสภาพที่คาดหวัง ในขณะที่ใช้เกณฑ์การเปลี่ยนสถานะ (Tg, การเริ่มหลอมเหลว, การเริ่มสลายตัว) เป็นขอบเขตที่อาจเปลี่ยนกลไกหรือเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา [4, 15]

ตัวอย่างเช่น แบบจำลองสถานะสารละลายอันดับหนึ่งเสมือนสำหรับ NRCl สามารถกำหนดพารามิเตอร์โดยใช้พลังงานก่อกัมมันต์ของ Arrhenius (75.4–82.8 kJ·mol−1) และการสังเกตว่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 10 °C จะทำให้ k_obs เพิ่มขึ้นประมาณเท่าตัว ซึ่งช่วยให้สามารถแปลผลจากการทดลองในบัฟเฟอร์ที่ผ่านการตรวจสอบแล้วไปสู่การเปลี่ยนแปลงความร้อนในช่วงสั้นๆ ในการผลิตได้ [4]

สำหรับ curcumin ความไวต่ออุณหภูมิสามารถกำหนดพารามิเตอร์ได้โดยใช้ (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 ที่ pH 8.0 และการพึ่งพา k_obs ต่อ pH อย่างรุนแรงที่รายงานไว้ ซึ่งเมื่อรวมกันแล้วจะช่วยให้สามารถคาดการณ์การสูญเสียในระหว่างการพักของสารละลายหรือขั้นตอนการทำอิมัลชันที่ใช้ความร้อนซึ่ง pH เฉพาะจุดอยู่ในช่วงเป็นกลางถึงด่าง [10]

สำหรับ trans-resveratrol การลดลงของครึ่งชีวิตที่ขับเคลื่อนโดย pH (จากหลายร้อยวันเหลือเพียงไม่กี่นาทีเมื่อ pH เพิ่มขึ้น) หมายความว่าผลลัพธ์ความเสถียรในระหว่างการแปรรูปอาจถูกกำหนดโดย pH ของสภาวะแวดล้อมจุลภาคมากกว่าอุณหภูมิรวม และแบบจำลอง Arrhenius ที่ pH 7.4 สามารถใช้สำหรับการสัมผัสอุณหภูมิระดับปานกลางด้วยค่า (E_a)=84.7 kJ·mol−1 [12]

6.2 QbD และขอบเขตการออกแบบ

การตีความตามแนวทาง Quality-by-design ได้รับการสนับสนุนจากการศึกษาที่ประเมินอย่างชัดเจนว่าพารามิเตอร์ของกระบวนการและเมทริกซ์สูตรตำรับเปลี่ยนกลไกการเสื่อมสลายได้อย่างไร รวมถึงการค้นพบว่าการทดสอบแบบเร่งอาจไม่สามารถคาดการณ์อายุการเก็บรักษาได้เมื่อเกิดพฤติกรรมแบบ non-Arrhenius หรือผลกระทบจากเมทริกซ์ [7, 29]

สำหรับยาเม็ด resveratrol ข้อสรุปที่ว่าวิธีของ Arrhenius อาจประมาณการเสื่อมสลายในขั้นตอนการทดสอบแบบเร่งสูงเกินไป เป็นแรงจูงใจในการกำหนดขอบเขตการออกแบบโดยใช้ทั้งความเข้าใจเชิงกลไกและข้อมูลจากหลายอุณหภูมิ แทนที่จะใช้สภาวะเร่งเพียงอย่างเดียว [7, 29]

สำหรับระบบสารบ่งชี้ฟลาโวนอยด์ที่ทำแห้งแบบพ่นฝอย สารเพิ่มปริมาณมีรายงานอย่างชัดเจนว่าส่งผลต่ออันดับจลนพลศาสตร์และค่าระยะเวลาที่สลายตัวไปบางส่วน ซึ่งบ่งชี้ว่าองค์ประกอบของสูตรตำรับเป็นส่วนหนึ่งของขอบเขตการออกแบบเพื่อความเสถียร ไม่ใช่เพียงปัจจัยพื้นฐานที่คงที่ [20]

6.3 PAT และความจำเพาะในการวิเคราะห์

การติดตามกระบวนการที่แม่นยำต้องการความจำเพาะในการวิเคราะห์ เนื่องจากผลิตภัณฑ์เสื่อมสลายสามารถรบกวนการวิเคราะห์ด้วยสเปกโทรสโกปีแบบง่ายได้ โดยเฉพาะสำหรับโพลีฟีนอล [12]

สำหรับ trans-resveratrol ความจำเพาะของ HPLC และ UPLC ได้รับการยืนยัน ในขณะที่ UV/VIS spectroscopy ให้ค่าความเข้มข้นของ trans-resveratrol ที่สูงเกินจริงภายใต้สภาวะที่สารไม่เสถียร (pH ด่าง, แสง, อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น) ซึ่งเน้นย้ำถึงความจำเป็นในวิธีการที่ระบุความเสถียร (stability-indicating methods) ในการวิเคราะห์กระบวนการ [12]

7. กลยุทธ์การบรรเทาปัญหา

แนวทางการบรรเทาปัญหาในแหล่งข้อมูลที่รวมไว้เน้นการจำกัดการสัมผัสกับปัจจัยเร่งที่เป็นที่รู้จัก (ความร้อน, ออกซิเจน, pH สูง, UV) และการใช้โครงสร้างสูตรตำรับที่ลดการเคลื่อนที่ระดับโมเลกุล, ปกป้องพื้นผิวสัมผัส หรือวางสารออกฤทธิ์ไว้ในสภาวะแวดล้อมจุลภาคที่มีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาต่ำกว่า [10, 13, 17]

7.1 การห่อหุ้มและการกระจายตัว

การห่อหุ้มในระบบไมเซลล์หรือระบบอนุภาคสามารถทำให้สารประกอบที่ไม่ทนต่อความร้อนเสถียรขึ้นได้อย่างมาก โดยการจำกัดการสัมผัสกับน้ำ, ออกซิเจน และสารที่ว่องไวต่อปฏิกิริยา และโดยการเปลี่ยนการเข้าถึงกรด–ด่างของกลุ่มหน้าที่สำคัญ [1, 10]

สำหรับ curcumin การทำให้ละลายในไมเซลล์ช่วยลด k_obs เหลือ 0.6–0.9×10−3 h−1 และขยายครึ่งชีวิตเป็น 777–1100 ชม. และการทำให้เสถียรนี้มีสาเหตุมาจากการป้องกันการดึงโปรตอนออกจากหมู่ไฮดรอกซิลภายในแกนไมเซลล์ที่ไม่ชอบน้ำ ซึ่งถูกอธิบายว่าเป็นขั้นตอนแรกของการเสื่อมสลาย [10]

Pickering emulsions ให้สิ่งกีดขวางทางกายภาพ: มีการระบุว่าการมีสิ่งกีดขวางทางกายภาพที่หนาแน่นที่พื้นผิวสัมผัสช่วยขัดขวางการเสื่อมสลายของ curcumin และในเชิงปริมาณ ระบบที่สร้างสิ่งกีดขวางนี้ช่วยขยายครึ่งชีวิตในการจัดเก็บจาก 13 วันเป็น 28 วัน และครึ่งชีวิตภายใต้ UV จาก ~13 ชม. เป็น ~27 ชม. [1]

ระบบพาหะที่ได้จาก cyclodextrin เป็นอีกหนึ่งกลยุทธ์: resveratrol–β-cyclodextrin clathrates แสดงเหตุการณ์ทางความร้อนซึ่งรวมถึงการปล่อยน้ำที่อุณหภูมิใกล้ 50 °C และเหตุการณ์การเสื่อมสลายที่อุณหภูมิสูงกว่า และพลังงานอิสระในการจับ (เช่น −86 kJ·mol−1 โดย MM/PBSA) เป็นการวัดเชิงปริมาณของอันตรกิริยาการรวมตัว (inclusion interactions) ที่แข็งแรง [25]

การห่อหุ้ม resveratrol ใน nanosponge ช่วยกำจัดพีคดูดความร้อนของการหลอมเหลวใน DSC และให้การปกป้องจากแสง: resveratrol อิสระแสดงการเสื่อมสลาย 59.7% ภายใน 15 นาทีภายใต้การสัมผัส UV ในขณะที่ resveratrol nanosponges ให้การปกป้องเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่า ซึ่งสอดคล้องกับการที่การห่อหุ้มช่วยป้องกันการสัมผัส UV โดยตรง [16]

สารกระจายตัวของแข็งแบบอสัณฐานสามารถออกแบบได้ผ่านการบดเชิงกลเคมี และมีการระบุพันธะไฮโดรเจนระหว่าง fisetin และกลุ่มเอสเทอร์ของ Eudragit® อย่างชัดเจน ซึ่งเป็นพื้นฐานเชิงกลไกสำหรับการเข้ากันได้และ Tg ที่เปลี่ยนไป ซึ่งสามารถช่วยป้องกันการเปลี่ยนแปลงการละลายที่ขึ้นกับการเกิดผลึก [15]

การเลือกสารเพิ่มปริมาณและพาหะ

การเลือกสารเพิ่มปริมาณสามารถเปลี่ยนกลไกจลนพลศาสตร์และผลลัพธ์ความเสถียรได้ ดังที่มีรายงานในระบบสารสกัดจากพืชที่ทำแห้งแบบพ่นฝอย ซึ่งอันดับปฏิกิริยาและระยะเวลาที่สลายตัวไปบางส่วนแตกต่างกันตามส่วนผสมของสารเพิ่มปริมาณ ซึ่งบ่งชี้ถึงจลนพลศาสตร์การเสื่อมสลายที่ขึ้นกับสารเพิ่มปริมาณ [20]

ส่วนผสมร่วมที่เป็นโปรตีนสามารถทำให้ฟลาโวนอยด์เสถียรผ่านอันตรกิริยาที่ไม่ชอบน้ำ ซึ่งช่วยลดค่า k ของ fisetin และ quercetin และการที่ SDS รบกวนอันตรกิริยาเหล่านี้ช่วยสนับสนุนการตีความที่ว่าการจับแบบไม่ชอบน้ำเป็นกลไกการทำให้เสถียรที่สำคัญ [24]

การควบคุมทางวิศวกรรมกระบวนการ

การควบคุมกระบวนการที่ลดการสัมผัสความร้อนและการสัมผัสออกซิเจนได้รับการสนับสนุนโดยตรงจากชุดข้อมูลหลายชุด [5, 18]

สำหรับ NRCl หลักฐานจาก DSC/qNMR บ่งชี้ว่า การได้รับความร้อนเกินช่วงการเริ่มหลอมเหลว (~120–130 °C) สามารถทำให้เกิดการเสื่อมสลายที่รวดเร็วอย่างยิ่ง ซึ่งสนับสนุนการกำหนดขีดจำกัดสูงสุดของอุณหภูมิและระยะเวลาพำนักในกระบวนการสถานะของแข็งที่ใช้ความร้อน [4]

สำหรับ NRH ความแตกต่างระหว่างครึ่งชีวิตในอากาศและใน N₂ ที่ 25 °C หมายความว่าการทำให้เป็นระบบเฉื่อยและการไล่ออกซิเจนเป็นสิ่งสำคัญ และผู้นิพนธ์รายงานว่าตัวอย่างภายใต้บรรยากาศ N₂ ที่ 4 °C ไม่แสดงการเสื่อมสลายที่ตรวจพบได้หลังจาก 60 วัน ในขณะที่ตัวอย่างที่ 4 °C ในอากาศแสดงการเสื่อมสลาย ~10% [5]

สำหรับการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยแรงตัดเฉือนสูง การสังเกตโดยตรงว่าการเพิ่ม rpm จะเพิ่มอุณหภูมิทางออกและสัมพันธ์กับการสูญเสีย ascorbic acid ที่ไวต่อการออกซิเดชันเพิ่มขึ้น ช่วยสนับสนุนมาตรการทางวิศวกรรมที่จำกัดความร้อนจากแรงตัดเฉือน (เช่น เสื้อหล่อเย็น (cooling jackets), เวลาการผสมที่สั้นลง, การแบ่งขั้นตอนการเติม) [13]

สำหรับการทำแห้งแบบพ่นฝอย การยืนยันว่าการสัมผัสออกซิเจนและความร้อนทำให้โพลีฟีนอลลดลง และอุณหภูมิสูงอาจส่งผลเสียต่อฟีนอลิกที่ไม่ทนต่อความร้อน ช่วยสนับสนุนการตัดสินใจเลือก เช่น การลดอุณหภูมิขาออกเมื่อเป็นไปได้ และการใช้การห่อหุ้มเพื่อลดความไวต่อการออกซิเดชันและความร้อน [3]

สารต้านอนุมูลอิสระและการจัดการออกซิเจน

กลยุทธ์สารต้านอนุมูลอิสระและการจัดการออกซิเจนได้รับการสนับสนุนเชิงกลไกในชุดข้อมูลโพลีฟีนอลต่างๆ [12, 22]

สำหรับ quercetin ที่ 90 °C สารต้านอนุมูลอิสระเช่น cysteine จะช่วยลดค่า k โดย cysteine ปริมาณ 200 μmol·L−1 ช่วยลดค่า k ลงประมาณ 43% เมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุม และการตีความเชิงกลไกพิจารณาถึงการทำให้ quercetin quinone เสถียรและผลของการกำจัดอนุมูลอิสระ [22]

สำหรับ trans-resveratrol มีรายงานอย่างชัดเจนว่าออกซิเจนส่งเสริมปฏิกิริยาอนุมูลอิสระที่นำไปสู่การเสื่อมสลาย ซึ่งสนับสนุนการใช้บรรยากาศการประมวลผลแบบเฉื่อยหรือสิ่งกีดขวางออกซิเจนเมื่อทำได้สำหรับการแปรรูปในสภาวะสารละลายที่เป็นด่าง/กลาง [12]

ในระบบไลโปโซม มีรายงานว่า resveratrol ช่วยจำกัดการออกซิเดชันของ stigmasterol โดยการทำให้อนุมูลอิสระเป็นกลาง และเข้าไปรวมอยู่ในชั้นลิพิด (lipid bilayers) ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรง (rigidity) และลดการซึมผ่านของออกซิเจนและสารออกซิไดซ์ จึงช่วยเพิ่มความเสถียรทางความร้อนและการออกซิเดชันของระบบ [35]

การอภิปราย

จากฐานข้อมูลหลักฐานที่สังเคราะห์ขึ้นที่นี่ รูปแบบเชิงปริมาณที่ชัดเจนที่สุดคือ สภาวะแวดล้อมจุลภาคทางเคมี (pH, ออกซิเจน, การมีอยู่ของน้ำ) สามารถครอบงำผลลัพธ์ความเสถียรได้แม้ในอุณหภูมิปานกลาง และสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพหลายชนิดแสดงความไม่ต่อเนื่องของความเสถียรอย่างรุนแรงที่เกณฑ์การเปลี่ยนผ่านทางความร้อนเฉพาะเจาะจง [4, 5, 12]

สำหรับสารตั้งต้น NAD⁺ ชุดข้อมูล NRCl เน้นย้ำถึงสภาวะสองรูปแบบ: ในสารละลาย การไฮโดรไลซิสอันดับหนึ่งเสมือนสามารถสร้างแบบจำลองได้ด้วยพลังงานก่อกัมมันต์ของ Arrhenius และอัตราที่เพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าต่ออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 10 °C ในขณะที่ในสถานะของแข็ง ช่วงแคบๆ ประมาณ 120–130 °C จะสอดคล้องกับการหลอมเหลวที่ตามมาด้วยการสลายตัวอย่างรวดเร็วทันที [4]

สำหรับ resveratrol ความเสี่ยงหลักในกระบวนการเกิดจากความไวต่อ pH: ครึ่งชีวิตลดลงอย่างรุนแรงจากระยะเวลาที่ยาวนานใน pH เป็นกรด เหลือเพียงไม่กี่นาทีใน pH สูง ขณะที่ออกซิเจนส่งเสริมปฏิกิริยาอนุมูลอิสระ บ่งชี้ว่ากระบวนการที่มีแรงตัดเฉือนสูงซึ่งเพิ่มการถ่ายเทออกซิเจนและความเป็นด่างเฉพาะจุดอาจสร้างความเสียหายได้มากกว่าปกติ แม้ว่าอุณหภูมิรวมจะยังคงอยู่ในระดับปานกลาง [12]

สำหรับฟลาโวนอยด์ การออกซิเดชันผ่านสารมัธยันตร์ quinone และกลไกการดึงโปรตอนที่ขึ้นกับ pH (quercetin) รวมกับการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงและการเชื่อมโยงแบบลูกโซ่อนุมูลอิสระ (เช่น ออกซิเจนบวกกับ cholesterol) บ่งชี้ว่าสูตรตำรับที่มีลิพิดและการสัมผัสออกซิเจนสามารถขยายเส้นทางการสูญเสียจากการออกซิเดชันได้อย่างมาก [22, 26]

สำหรับ curcumin มีความขัดแย้งเชิงกลไกระหว่างคำอธิบายที่ขับเคลื่อนด้วยการไฮโดรไลซิส (ในงานวิจัยเกี่ยวกับบัฟเฟอร์ทางเดินอาหารบางชิ้น) และคำอธิบายที่ขับเคลื่อนด้วย autoxidation (ในงานวิจัยที่เน้นไมเซลล์) แต่ทั้งสองมีความเห็นตรงกันในเรื่องผลกระทบของ pH ที่รุนแรงและบทบาทการปกป้องของสภาวะแวดล้อมจุลภาคที่ไม่ชอบน้ำและการจำกัดออกซิเจน [11, 32]

ในระดับกระบวนการผลิตย่อย กระบวนการที่มีแรงตัดเฉือนสูงสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งทางอ้อมเป็นหลักโดยการสร้างความร้อนและเพิ่มความไวต่อการออกซิเดชัน; สิ่งนี้แสดงให้เห็นโดยตรงในการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยแรงตัดเฉือนสูง ซึ่งความเร็วรอบการหมุนเพิ่มอุณหภูมิทางออกและสอดคล้องกับการสูญเสียจากการออกซิเดชันของ ascorbic acid [13]

HPH/UHPH นำความซับซ้อนเพิ่มเติมเข้ามาเนื่องจากบริเวณวาล์วทำให้เกิดแรงตัดเฉือน, การเกิดโพรงอากาศ และความปั่นป่วนที่รุนแรง และอาจสร้างอุณหภูมิเฉพาะจุดที่สูง แม้ว่าระยะเวลาพำนักอาจสั้นมาก (เช่น <0.2 วินาที ในคำอธิบาย UHPH) ซึ่งหมายความว่าผลลัพธ์ทางเคมีอาจขึ้นอยู่กับว่าการเสื่อมสลายถูกควบคุมโดยกระบวนการอนุมูลอิสระที่รวดเร็ว, ขั้นตอนที่จำกัดด้วยการแพร่ หรือขั้นตอนการกระตุ้นด้วยความร้อนที่ช้ากว่า [14, 34]

สุดท้ายนี้ แหล่งข้อมูลหลายแห่งเน้นย้ำว่าการสร้างแบบจำลองความเสถียรต้องได้รับการตรวจสอบความถูกต้องเชิงกลไกในเมทริกซ์ที่เกี่ยวข้อง: ข้อมูลยาเม็ด resveratrol แสดงพฤติกรรมแบบ non-Arrhenius และผลกระทบจากเมทริกซ์ที่จำกัดการคาดการณ์แบบ Arrhenius ทั่วไปจากการทดสอบแบบเร่ง และสารบ่งชี้ในสารสกัดจากพืชที่ทำแห้งแบบพ่นฝอยแสดงอันดับจลนพลศาสตร์และระยะเวลาที่สลายตัวไปบางส่วนที่ขึ้นกับสารเพิ่มปริมาณ [7, 20]

บทสรุป

ตัวบ่งชี้การเปลี่ยนผ่านทางเทอร์โมไดนามิกส์เชิงปริมาณ (DSC/TGA) และจลนพลศาสตร์การเสื่อมสลาย (k, t_(1/2), (E_a), พลังงานก่อกัมมันต์ที่ขึ้นกับระดับการเปลี่ยนสภาพ) เป็นพื้นฐานที่สอดคล้องกับกระบวนการสำหรับการออกแบบสภาวะการผลิตที่รักษาความแรงของสารประกอบเพื่อความยั่งยืนของการมีชีวิตที่ไม่ทนต่อความร้อนและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่เกี่ยวข้อง [4, 8, 9]

สำหรับสารตั้งต้น NAD⁺ สาร NRCl แสดงช่วงอุณหภูมิการแปรรูปที่แคบใกล้การหลอมเหลวตามด้วยการสลายตัวอย่างรวดเร็ว ในขณะที่จลนพลศาสตร์ในสารละลายแสดงพฤติกรรมอันดับหนึ่งเสมือนที่ขึ้นกับ pH พร้อมพลังงานก่อกัมมันต์ที่ 75–83 kJ·mol−1 ซึ่งสามารถกำหนดพารามิเตอร์ให้กับแบบจำลองการสัมผัสความร้อนได้ [4]

สำหรับ resveratrol ค่า pH และออกซิเจนเป็นตัวแปรสำคัญ โดยครึ่งชีวิตลดลงอย่างรวดเร็วจากหลายร้อยวันใน pH เป็นกรดเหลือเพียงไม่กี่นาทีใน pH สูง และเมทริกซ์สูตรตำรับสามารถทำให้เกิดพฤติกรรมแบบ non-Arrhenius ที่ทำให้การคาดการณ์จากการทดสอบแบบเร่งมีความซับซ้อน [7, 12]

สำหรับฟลาโวนอยด์และเคอร์คูมินอยด์ เส้นทางการออกซิเดชัน (สารมัธยันตร์ quinone สำหรับ quercetin; autoxidation สำหรับ curcumin) กระตุ้นให้เกิดการใช้กลยุทธ์ควบคุมออกซิเจนและการห่อหุ้มแบบไม่ชอบน้ำ ซึ่งแสดงให้เห็นเชิงปริมาณว่าสามารถขยายครึ่งชีวิตได้หลายเท่าในระบบไมเซลล์ และขยายได้อย่างมีนัยสำคัญใน Pickering emulsions ที่ผลิตภายใต้การผสมด้วยแรงตัดเฉือนสูง [1, 10, 22, 32]

สำหรับกระบวนการผลิตย่อยที่มีแรงตัดเฉือนสูง หลักฐานที่มีอยู่แสดงให้เห็นว่าแรงตัดเฉือนสามารถทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นและส่งเสริมการออกซิเดชัน (การผสมด้วยแรงตัดเฉือนสูง) และกระบวนการความดันสูงแบบใช้วาล์วจะสร้างแรงตัดเฉือนและการเกิดโพรงอากาศที่รุนแรง โดยมีความดัน, จำนวนรอบการผ่าน และอุณหภูมิทางเข้าเป็นตัวแปรความเครียดที่สำคัญ ข้อมูลเชิงลึกเหล่านี้สนับสนุนการนำการทำแผนที่ เวลา–อุณหภูมิ–แรงตัดเฉือน และ PAT มาใช้โดยใช้การวิเคราะห์ที่ระบุความเสถียร [12–14]

ผลประโยชน์ทับซ้อน

ผู้นิพนธ์ประกาศว่าไม่มีผลประโยชน์ทับซ้อน [20]