Yüksek Kaymalı İşlemlerde Termolabil Uzun Yaşam Bileşiklerinin Termodinamik Stabilitesi

Yüksek Kesmeli Üretim Stresi Altında Isıya Duyarlı Uzun Yaşam Bileşiklerinin Termodinamik Stabilitesi ve Bozunma Kinetiği

Özet

Isıya duyarlı (termolabil) uzun yaşamla ilişkili bileşikler ve polifenolik biyoaktifler; üretim sırasında (örneğin, yüksek kesmeli karıştırma, yüksek basınçlı homojenizasyon ve püskürtmeli kurutma) sıklıkla birleşik termal, oksidatif, pH ve mekanik streslere maruz kalır; bu da kimyasal bozunmayı hızlandırabilir ve iletilen potensi azaltabilir. Bu nedenle, üretilebilir tasarım alanlarını tanımlamak ve koruyucu formülasyon stratejilerine rehberlik etmek için kantitatif, süreçle ilgili stabilite parametrelerine ihtiyaç duyulmaktadır. [1–3]

Mevcut sentezdeki yöntemler, şu çalışmaları bildiren çalışmalardan elde edilen kantitatif kanıtlara odaklanmaktadır:

• DSC ve TGA ile değerlendirilen termodinamik/termal geçişler (erime, bozunma başlangıcı, cam geçişleri ve aşamalı kütle kaybı davranışı)
• NAD⁺ öncülleri (NR/NRH/NMN), stilbenoidler (resveratrol ile ilgili sistemler), flavonoidler (kuersetin, fisetin, rutin/esterler) ve kurkuminoidler için bozunma kinetiği (yalancı birinci derece/birinci derece modeller, Arrhenius aktivasyon enerjileri, pH bağımlılıkları ve parçalanma süresi ölçümleri). [4–11]

Sonuçlar, birkaç temsilci uzun yaşam bileşiğinin belirli fiziksel durumlarda dar termal işleme pencereleri sergilediğini göstermektedir. Nikotinamid ribozit klorür (NRCl), 120.7 ± 0.3 °C'de bir erime başlangıcı ve erime sonrası hızlı bozunma (örneğin, qNMR ile 130 °C'de %98 bozunma) sergilerken, sulu bozunma pH'a bağlı olarak 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ aktivasyon enerjileri ile yalancı birinci derece kinetiği izler. [4]

trans-resveratrol için bozunma kinetiği güçlü bir şekilde pH ve sıcaklığa bağlıdır (örneğin, yarı ömür pH 1.2'de 329 günden pH 10'da 3.3 dakikaya düşer) ve tablet matrislerinde hızlandırılmış test ekstrapolasyonu Arrhenius dışı olabilir. [7, 12]

Yüksek kesmeli birim operasyonlar, yüksek kesmeli homojenizasyonun dönüş hızıyla birlikte çıkış sıcaklığını artırması ve 20,000 rpm'de %42.6 askorbik asit kaybıyla çakışması ve >100 MPa'da valf kesmesi, kavitasyon ve türbülans içeren yüksek basınçlı homojenizasyon mekanizmalarıyla gösterildiği gibi, yerel ısınmaya ve oksidatif ortamlara neden olabilir. [13, 14]

Sonuçlar, zaman–sıcaklık–kesme haritaları oluşturmak ve kapsülleme, amorf katı dispersiyonlar, siklodekstrin/nanosünger sistemleri, oksijen kontrolü ve kesme/sıcaklık minimizasyonu dahil olmak üzere azaltma stratejilerini rasyonel olarak seçmek için termodinamik geçiş verilerinin (DSC/TGA/Tg) kinetik modellerle (Arrhenius, Arrhenius dışı ve eş-dönüşümlü yöntemler) entegre edilmesini vurgulamaktadır. [15–18]

Anahtar Kelimeler

ısıya duyarlı biyoaktifler; bozunma kinetiği; Arrhenius; DSC; TGA; yüksek basınçlı homojenizasyon; püskürtmeli kurutma; NAD⁺ öncülleri

1. Giriş

Uzun yaşamla ilgili bileşikler giderek daha fazla nutrasötikler, fonksiyonel gıdalar ve gelişmiş iletim sistemleri olarak formüle edilmekte, bu da aktif maddeleri ısıtma, oksijen teması, su aktivitesi, pH değişimleri ve yoğun mekanik enerji girişi dahil olmak üzere birleşik stres faktörlerine maruz bırakan üretim yollarını teşvik etmektedir. [3, 5, 14, 19]

NAD⁺ öncül kimyaları için, sulu ve katı hal stabilitesi merkezidir çünkü reaktivite, glikozidik veya fosfat bağlı motiflerin hidrolizi yoluyla meydana gelebilir ve işlem sıcaklıkları, hızlı bozunmadan önceki katı hal geçiş eşiklerini geçebilir. [4, 6]

Polifenoller ve ilgili botanik aktifler için stabilite kısıtlamaları, işlem sırasında sıcaklığa, pH'a, metal iyonlarına ve oksijen mevcudiyetine duyarlı olan ototoksidasyon, epimerizasyon ve kinonlara enzimatik oksidasyonu içerir. [17]

Pratik bir sonuç, üretim tasarımının yalnızca nominal yığın sıcaklığına güvenemeyeceğidir; bunun yerine şunları entegre etmelidir:

• Cam geçişi, erime ve bozunma başlangıcı gibi termodinamik göstergeler
• Bozunmanın zamana, sıcaklığa, pH'a, oksijene ve (ölçülebildiği yerlerde) mekanik enerji girişine bağımlılığını yakalayan kinetik modeller. [4, 9, 10, 14, 15]

Bu çalışma, dahil edilen kaynakların açık termodinamik geçişler ve/veya kinetik parametreler sağladığı temsilci uzun yaşam bileşikleri ve ilgili biyoaktifler üzerindeki kantitatif kanıtları sentezlemekte ve bu verileri yüksek kesmeli karıştırma, yüksek basınçlı homojenizasyon/mikroakışkanlaştırma, mekanokimyasal öğütme ve püskürtmeli kurutma dahil olmak üzere yüksek kesmeli birim operasyonların stres profilleriyle ilişkilendirmektedir. [1, 14, 15, 20]

2. Termodinamik Çerçeve

Üretim bağlamlarında termodinamik stabilite, ölçülebilir termal olaylar (DSC/TGA) ve bir bileşiğin veya formülasyonun ne zaman daha yüksek moleküler hareketliliğe ve dolayısıyla daha yüksek reaksiyon hızlarına veya farklı mekanizmalara sahip durumlara geçtiğini gösteren durum tanımlayıcıları (örneğin, amorf ve kristal; cam geçiş sıcaklığı) kullanılarak operasyonel olarak değerlendirilir. [4, 9, 15]

2.1 Gibbs Serbest Enerjisi ve Faz Stabilitesi

Dahil edilen birkaç kaynak, bozunma süreçleri veya termal yıkım için Gibbs serbest enerjisi değişimlerini açıkça hesaplayarak belirli koşullar altında fizibiliteye dair termodinamik bir ölçü sağlamaktadır. [8, 19]

• NR borat için, bozunma kendiliğindenliği bir Gibbs serbest enerjisi hesaplaması yoluyla değerlendirilmiş ve ΔG, 2.43 kcal·mol⁻¹ olarak bildirilmiştir. [19]
• Pirolitik koşullar altındaki rutin ve yağ asidi rutin esterleri için, ΔG değerleri pozitif ΔH (60–242 kJ·mol⁻¹) ile birlikte pozitif (84–245 kJ·mol⁻¹) çıkmış, bu da bildirilen analizde endotermik ve kendiliğinden olmayan bir piroliz profilini göstermiştir. [8]

Kinetik formalizm terimleriyle, birkaç kaynak ayrıca kurkumin spiroborat kompleksi gibi sistemlerde hidroliz aktivasyonunu yorumlamak için geçiş durumu ve serbest enerji ilişkilerini uygulamaktadır. [21]

2.2 Cam Geçişi, Erime ve Bozunma Başlangıcı

DSC ve TGA, süreç riskine dair tamamlayıcı işaretler sağlar: erime veya yumuşama olayları difüzyonu keskin bir şekilde artırabilir ve hızlı kimyasal dönüşümü mümkün kılabilir; TGA kütle kaybı başlangıcı ise görünür katı halde bile geri dönüşü olmayan bozunmanın başlangıcını gösterebilir. [4, 9, 15]

• NRCl için DSC, 120.7 ± 0.3 °C'de bir erime başlangıcı ve 125.2 ± 0.2 °C'de bir erime zirvesi, ardından 130.8 ± 0.3 °C'de zirve yapan ani bir keskin ekzotermik olay göstermektedir. [4]
• NMN için bozunma 160 °C'de başlar ve 165 °C'de tamamlanır; 162 °C'de bir endotermik DSC zirvesi ve 184 kJ·mol⁻¹ bozunma entalpisi görülür. [6]
• Kuersetin için, yoğun bir DSC endotermi (maksimum 303 °C'de) genellikle yanlışlıkla erimeye atfedilirken, TGA verileri 230 °C'de kütle kaybıyla çakışan bozunmayı göstermektedir. [9]
• Azot altındaki kurkumin için, 240 °C'den başlayan çok aşamalı bir bozunma gözlenir ve 600 °C'de %37 kalıntı kalır. [18]

2.3 Amorf ve Kristal Stabilite

Amorf formülasyonlar çözünürlüğü ve biyoyararlanımı artırabilir ancak kristal formlara göre moleküler hareketliliği artırarak termal davranışı ve stabiliteyi değiştirebilir, bu da cam geçiş sıcaklığını (Tg) kritik bir stabilite parametresi haline getirir. [15, 16]

• Mekanokimyasal olarak hazırlanan fisetin amorf katı dispersiyonları (ASD'ler), ikinci ısıtma taramalarında ölçülebilir Tg değerleri sergiler ve karışabilirlikle tutarlı Tg bileşimsel kaymaları gösterir. [15]
• Resveratrol ve oksi-resveratrol nanosüngerleri için, resveratrolün erime endotermi, kapsüllenme ve amorfizasyona atfedilen nanosünger formülasyonlarında kaybolur. [16]
• Kuersetin için birleşik DSC/TGA yorumu, 150–350 °C aralığında bozunma ve yapısal gevşeme/yumuşama olduğunu göstermektedir. [9]

3. Bozunma Kinetiği Modelleri ve Parametreleri

Dahil edilen kaynaklar, bozunmayı karakterize etmek için çeşitli kinetik modeller (örneğin, birinci derece, yalancı birinci derece, sigmoidal) ve sıcaklık bağımlılığı yaklaşımları (örneğin, Arrhenius davranışı) kullanmaktadır. [4, 7, 22]

3.1 Reaksiyon Derecesi Modelleri

Çözelti fazı bozunması için standart bir yaklaşım, entegre birinci derece modeli kullanır. [4, 11, 12]

• Sulu çözeltilerdeki NRCl bozunması için yalancı birinci derece kinetiği bildirilmiştir. [4, 23]
• Püskürtmeli kurutulmuş bitki özü belirteçleri, belirli bileşikler için sıfırıncı derece ve ikinci derece modeller dahil olmak üzere değişen reaksiyon dereceleri sergilemektedir. [20]

3.2 Arrhenius ve Eyring Yaklaşımları

Bozunmanın sıcaklık bağımlılıkları genellikle Arrhenius tipi ifadeler kullanılarak modellenir. [4, 10, 12]

• NRCl için aktivasyon enerjileri 75.4 ile 82.8 kJ·mol⁻¹ arasında değişmekte olup pH bu değerleri etkilemektedir. [4]
• trans-resveratrol, pH 7.4'te 84.7 kJ·mol⁻¹ aktivasyon enerjisi sergiler. [12]
• Değişen ortamlardaki kurkumin, 9.75–16.46 kcal·mol⁻¹ arasında aktivasyon enerjileri göstermektedir. [11]

3.3 Eş-dönüşümlü ve Modelden Bağımsız Yöntemler

Eş-dönüşümlü yöntemler (örneğin, KAS, FWO, Friedman), çok aşamalı bozunmayı ve mekanizma değişikliklerini tanımlamak için kullanılır. [8, 18, 25]

• Rutin ve yağ asidi rutin esterleri için aktivasyon enerjileri dönüşüm derecesine göre değişir. [8]
• Resveratrol–β-siklodekstrin klatratları, dönüşüm derecesiyle birlikte aktivasyon enerjisi artışları göstermektedir. [25]

3.4 Birleşik Termo-Mekanik ve Oksidatif Bozunma

Yüksek kesmeli üretim süreçleri, mekanik stresi yerel ısınma ve oksidasyonla birleştirerek bozunma yollarını teşvik eder. [13, 14, 17]

• Yüksek kesmeli homojenizasyon, çıkış sıcaklıklarını dönüş hızıyla birlikte önemli ölçüde artırır ve yüksek sıcaklık ve oksidasyon nedeniyle ciddi askorbik asit bozunmasına neden olur. [13]
• Valf kesmesi, kavitasyon ve türbülans gibi yüksek basınçlı homojenizasyon mekanizmaları, oksidatif ve mekanik stresi indükler. [14]
• Oksidatif eşleşme, yüksek sıcaklıklı, yüksek oksijenli ortamlarda kuersetin bozunmasını hızlandırır. [26]

4. Bileşik Sınıfı İncelemesi

Aşağıdaki sentez; aktivasyon enerjileri, hız sabitleri, yarı ömürler, bozunma başlangıçları ve cam geçişi veya erime ile ilgili kısıtlamalar gibi üretim modelleri için ilgili temel kinetik ve termodinamik parametreleri vurgulamaktadır. [4, 11, 12, 15, 24]

4.1 NAD⁺ Öncülleri

• NAD⁺ öncül stabilitesi, hidroliz duyarlılığı, termal geçişlere olan hassasiyet ve oksijen kaynaklı oksidasyondan önemli ölçüde etkilenir. [4, 5]
• NRCl bozunma kinetiği, pH'tan güçlü bir şekilde etkilenen 75.4 ile 82.8 kJ·mol⁻¹ arasında değişen aktivasyon enerjileri ile yalancı birinci derece davranışı sergiler. [4]
• Katı halde NRCl, 120.7 ± 0.3 °C'lik erime noktasının üzerinde meydana gelen hızlı bozunma ile dar bir termal işleme penceresine sahiptir. [4]
• NRH, asidik koşullar altında ve oksijen varlığında hızlı bozunma göstererek, N-glikozidik bağı nedeniyle kararsızlığını vurgular. [5]
• NMN, 160 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda bozunur ve sulu çözeltilerde pH ve sıcaklığa duyarlı bozunma modelleri sergiler. [6, 27, 28]

NMN Bozunma Yolu

Birincil NMN bozunma yolu, nikotinamid ve riboz-5-fosfat veren fosfodiester bağının hidrolizi olarak tanımlanır; pH bağımlılıkları pH 4.5'in altında asit katalizli hidroliz ve pH 7.5'in üzerinde baz aracılı bölünme olarak tanımlanır. [28]

Stilbenoidler

Stilbenoidler, resveratrol ve güçlü pH ve oksijene bağlı bozunma sergileyen ilgili bileşikleri içerir. Gerçek formülasyonlardaki stabiliteleri, matris etkileri ve çoklu yollar nedeniyle Arrhenius ekstrapolasyonundan sapabilir. [7, 12, 29]

Sulu sistemlerde, trans-resveratrolün asidik pH'ta stabil olduğu ancak bozunmasının pH 6.8'in üzerinde katlanarak arttığı bildirilmiştir. Yarı ömür pH 1.2'de 329 günden pH 10'da 3.3 dakikaya düşmektedir. [12]

pH 7.4'te, trans-resveratrol bozunması, incelenen sıcaklıklar boyunca 84.7 kJ·mol^-1 aktivasyon enerjisi ile birinci derece kinetiği izler. [12]

Bozunma mekanizmaları pH'a göre değişir. Asidik koşullarda hidroksil grupları H₃O⁺ tarafından radikal oksidasyondan korunurken, alkali ortamlarda fenat iyonları oksidasyona duyarlılığı artırarak fenoksi radikali oluşumunu teşvik eder. Ek olarak, ortamdaki oksijen bozunmaya yol açan radikal reaksiyonları hızlandırır. [12]

Sulu çözeltideki termal stabilite deneyleri (19 mg·L^-1), 70 °C'ye kadar olan sıcaklıklarda 30 dakika sonra önemli spektral değişiklikler göstermez. Bununla birlikte, yükseltilmiş sıcaklıklar 304 nm'de ve 270-350 nm aralığında absorbans azalmasına neden olur, bu da termal olarak indüklenen bozunmayı gösterir. [30]

Hidrotermal deneylerin mekanistik yorumu, çift bağın oksidatif bölünmesini ve hidroksi aldehitler, alkoller ve hidroksi asitler dahil bozunma ürünlerinin oluşumunu önermektedir. FTIR analizi, 100-120 °C'de aldehit ve karboksilik asit oluşumuyla uyumlu bantlar ortaya çıkarmıştır. [30]

Tablet matrislerinde, resveratrol bozunması sırasıyla 25, 30 ve 40 °C'de 0.07140, 0.1937 ve 0.231 ay^-1 k değerleri ile birinci derece monoeksponansiyel kinetiği izler. Bununla birlikte, ln(k) vs 1/T ilişkisi doğrusal değildir ve süper-Arrhenius olarak sınıflandırılır; bu da daha yüksek sıcaklıklarda ek reaksiyonlar, çoklu yollar veya matris etkilerini düşündürür. [7]

Araştırmalar, hızlandırılmış testlerin bozunmayı abartabileceğini göstermekte ve yazarlar bozunma kinetiğini belirlemek için alternatif yöntemler önermektedir. [7]

Kuru sistemlerdeki stilben benzeri fenolikler için, 121 °C'de 20 dakika boyunca buhar sterilizasyonu gibi termal işlemler ölçülebilir kayıplara neden olur (örneğin, pinosilvinde pik alanına göre %20.98 azalma) ve 105 °C'de 24 saat fırında kurutma, birkaç fenolik için %50'den fazla azalmaya yol açar. Bununla birlikte TGA, pinosilvin sistemleri için ~200 °C'nin üzerinde bozunma başlangıç sıcaklıklarını göstermektedir. [31]

Flavonoidler

Flavonoidler; pH, sıcaklık, oksijen ve protein bağlanması gibi formülasyon etkileşimlerine duyarlı olan çok yollu bozunma sergiler. DSC/TGA'daki termal davranışları, çakışan bozunma ve yumuşamayı içerebilir. [9, 22, 24]

Çalışmalar, ortam pH'ının 6.0'dan 7.5'e çıkarılmasının bozunmayı hızlandırdığını, fisetin ve kuersetinin ilgili bozunma hızı sabitlerinde sırasıyla 24 kat ve 12 kat artış yaşadığını göstermektedir. Ayrıca, sıcaklığın 37 °C'nin üzerine çıkarılması hız sabitlerini daha da artırmaktadır. [24]

• Fisetin için: pH yükseltildikçe k, 8.30×10^-3'ten 0.202 h^-1'e ve 65 °C'de 0.490 h^-1'e yükselmiştir.
• Kuersetin için: k, pH ile birlikte 2.81×10^-2'den 0.375 h^-1'e ve 65 °C'de 1.42 h^-1'e yükselmiştir. [24]

Protein yardımcı bileşenleri, varlıklarında azalan k değerlerinin gösterdiği gibi bozunmayı hafifletebilir. Örneğin, fisetin k değeri 3.58×10^-2'den 1.76×10^-2 h^-1'e, kuersetin k değeri ise 7.99×10^-2'den 3.80×10^-2 h^-1'e düşmüştür. Stabilizasyon, hidrofobik etkileşimlere ve hidrojen bağına atfedilirken SDS destabilizasyona neden olmaktadır. Hidrojen bağı katkılarını kantitatif olarak belirlemek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç vardır. [24]

Nötrlüğe yakın 90 °C'deki kuersetin için güçlü pH etkileri gözlenir. Bozunma hızı sabiti, pH 6.5'ten 7.5'e yaklaşık beş kat artarak, son ürünler olarak protokateşuik asit (PCA) ve floroglusinol karboksilik asit (PGCA) ile kuersetin kinon gibi ara oksidasyon ürünleri verir. [22]

Yüksek sıcaklıklı sistemler (150 °C) bozunmayı hızlandırır; hız sabitleri azot altında 0.253 h^-1, oksijende 0.868 h^-1 ve kolesterol ile oksijende 7.17 h^-1 olarak bildirilmiştir. Kuersetin kaybı, azotta 10 dakikada %7.9'dan oksijende %20.4'e yükselir ve kolesterol artı oksijenle kalan miktar %10.9'a kadar düşer. [26]

Termal analiz, kuersetinin 90–135 °C'de küçük bir endotermik pike sahip olduğunu (küçük kütle kaybıyla ilişkili) ve 230 °C'de bozunmaya başladığını göstermektedir. 303 °C'deki belirgin bir DSC endotermi bozunma ile çakışır; hidrojen bağı hem erime benzeri davranışı kısıtlar hem de bozunmayı kolaylaştırır. [9]

Rutin (bir kuersetin glikozidi) ve onun yağ asidi esterleri için TGA, rutinin 240 °C'ye kadar termal olarak stabil olduğunu gösterirken, esterler daha düşük başlangıç bozunma sıcaklıkları ve ana bozunma aşamalarında daha yüksek kütle kaybı sergiler. Aktivasyon enerjileri dönüşüm derecesine bağlı olarak 65 ile 246 kJ·mol^-1 arasında değişmektedir. [8]

Siklodekstrin Türevli Taşıyıcı Sistemler

Siklodekstrin türevli taşıyıcı sistemler başka bir strateji sunar: resveratrol–β-siklodekstrin klatratları, 50 °C civarında su salınımı ve daha yüksek sıcaklıklı bozunma olayları dahil olmak üzere termal olaylar gösterir ve bağlanma serbest enerjileri (örneğin, MM/PBSA ile −86 kJ·mol⁻¹) güçlü inklüzyon etkileşimlerini kantitatif olarak tanımlar. [25]

Nanosünger Kapsülleme

Resveratrolün nanosünger kapsülleme yöntemi, DSC erime endotermini ortadan kaldırır ve fotokoruma sağlar: serbest resveratrol UV maruziyeti altında 15 dakika içinde %59.7 bozunma gösterirken, resveratrol nanosüngerleri yaklaşık iki kat koruma sağlar; bu da kapsüllemenin doğrudan UV maruziyetini önlemesiyle tutarlıdır. [16]

Amorf Katı Dispersiyonlar

Amorf katı dispersiyonlar mekanokimyasal öğütme yoluyla tasarlanabilir ve fisetin ile Eudragit® ester grupları arasındaki hidrojen bağı açıkça tanımlanmıştır; bu da çözünme davranışındaki kristalleşmeye bağlı değişikliklere karşı stabilize edebilen karışabilirlik ve değiştirilmiş Tg için mekanistik bir temel sağlar. [15]

Eksipiyan ve Taşıyıcı Seçimi

Eksipiyan seçimi, reaksiyon derecesi ve parçalanma sürelerinin eksipiyan karışımlarına göre farklılık gösterdiği püskürtmeli kurutulmuş bitki özü sistemlerinde bildirildiği gibi, kinetik mekanizmaları ve stabilite sonuçlarını değiştirebilir ve bu da eksipiyan bağımlı bozunma kinetiğine işaret eder. [20]

Protein yardımcı bileşenleri, fisetin ve kuersetin için k değerlerini düşürerek flavonoidleri hidrofobik etkileşimler yoluyla stabilize edebilir ve bu etkileşimlerin SDS ile bozulması, hidrofobik bağlanmanın temel bir stabilizasyon mekanizması olduğu yorumunu destekler. [24]

Süreç Mühendisliği Kontrolleri

Termal maruziyeti ve oksijen temasını azaltan süreç kontrolleri birden fazla veri seti ile doğrudan desteklenmektedir. [5, 18]

NRCl için DSC/qNMR kanıtları, erime başlangıcı bölgesini (~120–130 °C) aşmanın son derece hızlı bozunmaya neden olabileceğini göstererek, ısıtılmış katı hal operasyonlarında sıcaklık ve kalış süresi üzerinde sert üst sınırlar getirilmesini desteklemektedir. [4]

NRH için, 25 °C'deki hava ve N₂ yarı ömrü arasındaki fark, inertleştirme ve oksijen dışlamasının önemli olabileceğini ima eder; yazarlar N₂ battaniyesi altında 4 °C'deki örneklerin 60 gün sonra saptanabilir bir bozunma göstermediğini, havadaki 4 °C'deki örneklerin ise ~%10 bozunma gösterdiğini bildirmektedir. [5]

Yüksek kesmeli homojenizasyon için, rpm artışının çıkış sıcaklığını artırdığına ve oksidasyona duyarlı askorbik asidin daha yüksek kaybıyla ilişkili olduğuna dair doğrudan gözlem, kesme kaynaklı ısınmayı sınırlayan mühendislik önlemlerini (örneğin, soğutma ceketleri, daha kısa karıştırma süreleri, aşamalı ekleme) desteklemektedir. [13]

Püskürtmeli kurutma için, oksijen ve ısı maruziyetinin (poli)fenolleri azalttığı ve yüksek sıcaklıkların ısıya duyarlı fenolikler için zararlı olabileceği iddiası, mümkün olduğunda çıkış sıcaklığının düşürülmesi ve oksidasyonu ve ısı duyarlılığını azaltmak için kapsülleme kullanılması gibi seçimleri desteklemektedir. [3]

Antioksidanlar ve Oksijen Yönetimi

Antioksidan ve oksijen yönetimi stratejileri polifenol veri setlerinde mekanistik olarak desteklenmektedir. [12, 22]

90 °C'deki kuersetin için sistein gibi antioksidanlar k değerini düşürür; 200 μmol·L⁻¹ sistein, kontrole kıyasla ~%43'lük bir k azalması sağlar ve mekanistik yorum, kuersetin kinonun stabilizasyonunu ve radikal sönümleme etkilerini dikkate alır. [22]

trans-resveratrol için oksijenin, bozunmaya yol açan radikal reaksiyonları teşvik ettiği açıkça bildirilmiştir; bu da alkali/nötr sulu işlemler için mümkün olduğunda inert işlem atmosferlerini veya oksijen bariyerlerini destekler. [12]

Lipozomal sistemlerde, resveratrolün serbest radikalleri nötralize ederek stigmasterol oksidasyonunu sınırladığı ve lipid çift katmanlarına entegre olarak sertliği artırdığı, oksijene ve oksitleyici ajanlara karşı geçirgenliği azalttığı, böylece sistemin termal ve oksidatif stabilitesini artırdığı bildirilmiştir. [35]

Tartışma

Burada sentezlenen kanıt tabanı genelinde, en güçlü kantitatif örüntü, kimyasal mikroçevrenin (pH, oksijen, su varlığı) mütevazı sıcaklıklarda bile stabilite sonuçlarına hakim olabileceği ve birkaç biyoaktifin belirli termal geçiş eşiklerinde keskin stabilite süreksizlikleri sergilediğidir. [4, 5, 12]

NAD⁺ öncülleri için NRCl veri seti ikili bir rejimi vurgular: sulu çözeltide yalancı birinci derece hidroliz, Arrhenius aktivasyon enerjileri ve 10 °C başına kabaca iki kat hız artışı ile modellenebilirken; katı halde 120–130 °C civarındaki dar bir bölge, erimeyi ve hemen ardından gelen hızlı bozunmayı temsil eder. [4]

Resveratrol için, pH duyarlılığından baskın bir süreç riski ortaya çıkar: yarı ömür asidik pH'taki uzun sürelerden yüksek pH'taki dakikalara çökerken, oksijen radikal reaksiyonları teşvik eder; bu da oksijen transferini ve yerel alkaliniteyi artıran yüksek kesmeli operasyonların, yığın sıcaklığı orta düzeyde kalsa bile orantısız derecede zarar verici olabileceğini gösterir. [12]

Flavonoidler için, kinon ara ürünleri yoluyla oksidasyon ve pH'a bağlı deprotonasyon mekanizmaları (kuersetin), yüksek sıcaklıklı oksidasyon ve radikal zincir eşleşmesi (örneğin, oksijen artı kolesterol) ile birleşerek, lipid içeren formülasyonların ve oksijen maruziyetinin oksidatif kayıp yollarını güçlü bir şekilde büyütebileceğini düşündürür. [22, 26]

Kurkumin için, hidroliz kaynaklı anlatılar (bazı GI-tampon çalışmalarında) ve ototoksidasyon kaynaklı anlatılar (misel odaklı çalışmalarda) arasında mekanistik bir gerilim vardır, ancak her ikisi de güçlü bir pH etkisi ve hidrofobik mikroçevrelerin ve oksijen sınırlamasının koruyucu rolü üzerinde birleşir. [11, 32]

Birim operasyon düzeyinde, yüksek kesmeli süreçler öncelikle ısı üreterek ve oksidatif duyarlılığı artırarak dolaylı hızlandırıcılar olarak hareket edebilir; bu, dönüş hızının çıkış sıcaklığını artırdığı ve askorbik asidin oksidatif kaybıyla çakıştığı yüksek kesmeli homojenizasyonda doğrudan gösterilmiştir. [13]

HPH/UHPH ek karmaşıklık getirir çünkü valf bölgesi aşırı kesme, kavitasyon ve türbülans uygular ve kalış süreleri çok kısa olsa bile (örneğin, UHPH tanımlarında <0.2 s) yüksek yerel sıcaklıklar üretebilir; bu da kimyasal sonuçların bozunmanın hızlı radikal süreçler, difüzyon sınırlı adımlar veya daha yavaş termal aktivasyon adımları tarafından kontrol edilip edilmediğine bağlı olabileceğini ima eder. [14, 34]

Son olarak, birkaç kaynak stabilite modellemesinin ilgili matriste mekanistik olarak doğrulanması gerektiğini vurgulamaktadır: resveratrol tablet verileri, hızlandırılmış testlerden genel Arrhenius ekstrapolasyonunu sınırlayan Arrhenius dışı davranış ve matris etkileri gösterirken, püskürtmeli kurutulmuş bitki özü belirteçleri eksipiyan bağımlı kinetik dereceler ve parçalanma süreleri sergilemektedir. [7, 20]

Sonuçlar

Kantitatif termodinamik geçiş işaretleri (DSC/TGA) ve bozunma kinetiği (k, t_1/2, E_a, dönüşüme bağlı aktivasyon enerjileri), ısıya duyarlı uzun yaşam bileşiklerinin ve ilgili biyoaktiflerin potensini koruyan üretim koşullarını tasarlamak için süreçle ilgili bir temel sağlar. [4, 8, 9]

NAD⁺ öncülleri için NRCl, erime noktasına yakın dar bir termal işleme penceresi ve ardından hızlı bozunma sergilerken, sulu kinetik, termal maruz kalma modellerini parametrelendirebilen 75–83 kJ·mol⁻¹ aktivasyon enerjileri ile pH'a bağlı yalancı birinci derece davranışı gösterir. [4]

Resveratrol için pH ve oksijen baskın değişkenlerdir; yarı ömür asidik pH'taki yüzlerce günden yüksek pH'taki dakikalara düşer ve formülasyon matrisleri, hızlandırılmış test ekstrapolasyonunu karmaşıklaştıran Arrhenius dışı davranışlar üretebilir. [7, 12]

Flavonoidler ve kurkuminoidler için oksidasyon yolları (kuersetin için kinon ara ürünleri; kurkumin için ototoksidasyon), oksijen kontrolü ve hidrofobik kapsülleme stratejilerini teşvik eder; bunların misel sistemlerinde yarı ömrü büyüklük sıralamasına göre ve yüksek kesmeli karıştırma altında üretilen Pickering emülsiyonlarında önemli ölçüde uzattığı kantitatif olarak gösterilmiştir. [1, 10, 22, 32]

Yüksek kesmeli birim operasyonlar için mevcut kanıtlar, kesmenin sıcaklığı yükseltebileceğini ve oksidasyonu teşvik edebileceğini (yüksek kesmeli karıştırma) ve valf bazlı yüksek basınçlı işlemlerin basınç, geçiş sayısı ve giriş sıcaklığı temel stres değişkenleri olacak şekilde aşırı kesme ve kavitasyon oluşturduğunu göstermektedir; bu görüşler, stabilite gösteren analitikler kullanarak zaman–sıcaklık–kesme haritalaması ve PAT uygulanmasını desteklemektedir. [12–14]

Çıkar Çatışması

Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması beyan etmemektedir. [20]