Özet
Termolabil uzun ömür (longevity) ile ilişkili bileşikler ve polifenolik biyoaktifler; üretim sırasında (örneğin, yüksek kesme kuvvetli karıştırma, yüksek basınçlı homojenizasyon ve püskürtmeli kurutma), kimyasal bozunmayı hızlandırabilen ve iletilen etkinliği azaltabilen birleşik termal, oksidatif, pH ve mekanik streslere sıklıkla maruz kalmaktadır. Bu nedenle, üretilebilir tasarım alanlarını tanımlamak ve koruyucu formülasyon stratejilerine rehberlik etmek için nicel, prosesle ilgili stabilite parametreleri gereklidir.[1–3]
Bu sentezdeki yöntemler, (i) DSC/TGA ile termodinamik/termal geçişleri (erime, bozunma başlangıcı, camsı geçişler ve aşamalı kütle kaybı davranışı) ve (ii) NAD+ öncülleri (NR/NRH/NMN), stilbenoidler (resveratrol ile ilgili sistemler), flavonoidler (kuersetin, fisetin, rutin/esterler) ve kurkuminoidler için bozunma kinetiğini (psödo-birinci-derece/birinci-derece modeller, Arrhenius aktivasyon enerjileri, pH bağımlılıkları ve bozunma-oranı-zaman ölçümleri) rapor eden çalışmalardan elde edilen nicel kanıtlara odaklanmaktadır.[4–11]
Sonuçlar, temsilci niteliğindeki birkaç uzun ömür bileşiğinin, belirli fiziksel durumlarda dar termal işleme pencerelerine sahip olduğunu göstermektedir. Nikotinamid ribozit klorür (NRCl), 120.7 ± 0.3 °C'de bir erime başlangıcı ve ardından hızlı bir erime sonrası bozunma sergilemektedir (örneğin, qNMR ile 130 °C'de %98 bozunma); sulu bozunma ise pH'a bağlı olarak 75.4–82.8 kJ·mol−1 aktivasyon enerjileri ile psödo-birinci-derece kinetiği izlemektedir.[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 düşmektedir) ve tablet matrislerinde hızlandırılmış test ekstrapolasyonu non-Arrhenius davranışı gösterebilir.[7, 12]
Yüksek kesme kuvvetli birim işlemler, lokal ısınmaya ve oksidatif ortamlara neden olabilir; bu durum, yüksek kesme kuvvetli homojenizasyonun dönüş hızıyla birlikte çıkış sıcaklığını artırması ve 20,000 rpm'de %42.6 askorbik asit kaybıyla örtüşmesi ile ve >100 MPa'da valf kesmesi, kavitasyon ve türbülansı içeren yüksek basınçlı homojenizasyon mekanizmalarıyla gösterilmiştir.[13, 14]
Sonuçlar, zaman-sıcaklık-kesme haritaları oluşturmak ve enkapsülasyon, amorf katı dispersiyonlar, siklodekstrin/nanosünger sistemleri, oksijen kontrolü ve kesme/sıcaklık minimizasyonu gibi azaltma stratejilerini rasyonel olarak seçmek için termodinamik geçiş verilerinin (DSC/TGA/Tg) kinetik modellerle (Arrhenius, non-Arrhenius ve izokonversiyonel yöntemler) entegre edilmesini vurgulamaktadır.[15–18]
Anahtar Kelimeler: termolabil biyoaktifler; bozunma kinetiği; Arrhenius; DSC; TGA; yüksek basınçlı homojenizasyon; püskürtmeli kurutma; NAD+ öncülleri
1. Giriş
Uzun ömürle ilgili bileşikler giderek daha fazla nütrasötikler, fonksiyonel gıdalar ve gelişmiş iletim sistemleri olarak formüle edilmekte; bu durum, aktif maddeleri ısıtma, oksijen teması, su aktivitesi, pH değişimleri ve yoğun mekanik enerji girişi dahil olmak üzere birleşik stresörlere 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 işleme sıcaklıkları, hızlı bozunmadan önce gelen katı hal geçiş eşiklerini aşabilir.[4, 6]
Polifenoller ve ilgili botanik aktifler için stabilite kısıtlamaları; işleme sırasında sıcaklık, pH, metal iyonları ve oksijen mevcudiyetine duyarlı olan otoksidasyon, epimerizasyon ve kinonlara enzimatik oksidasyonu içerir.[17]
Pratik bir çıkarım, üretim tasarımının yalnızca nominal dökme sıcaklığına dayanamayacağıdır; bunun yerine, (i) camsı geçiş, erime ve bozunma başlangıcı gibi termodinamik göstergeleri ve (ii) bozunmanın zaman, sıcaklık, pH, oksijen ve (ölçülebilir olduğunda) mekanik enerji girişine bağımlılığını yakalayan kinetik modelleri entegre etmelidir.[4, 9, 10, 14, 15]
Bu makale, dahil edilen kaynakların açık termodinamik geçişler ve/veya kinetik parametreler sağladığı temsilci uzun ömür bileşikleri ve ilgili biyoaktifler üzerindeki nicel kanıtları sentezlemekte ve bu verileri yüksek kesme kuvvetli karıştırma, yüksek basınçlı homojenizasyon/mikrofluidizasyon, mekanokimyasal öğütme ve püskürtmeli kurutma dahil olmak üzere yüksek kesme kuvvetli birim işlemlerin stres profilleriyle ilişkilendirmektedir.[1, 14, 15, 20]
2. Termodinamik çerçeve
Üretim bağlamlarında termodinamik stabilite, bir bileşiğin veya formülasyonun daha yüksek moleküler mobiliteye ve dolayısıyla daha yüksek reaksiyon hızlarına veya farklı mekanizmalara sahip durumlara ne zaman geçtiğini gösteren ölçülebilir termal olaylar (DSC/TGA) ve durum tanımlayıcıları (örneğin, amorf vs kristal; camsı 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) çıkmıştır; bu, rapor edilen analizde endotermik ve kendiliğinden olmayan bir piroliz profilini göstermektedir.[8]
Kinetik formalizm terimleriyle, birkaç kaynak ayrıca bir kurkumin spiroborat kompleks sistemindeki hidroliz aktivasyonunu yorumlamak için geçiş hali ve serbest enerji ilişkilerini uygulamaktadır.[21]
2.2 Camsı geçiş, erime ve bozunma başlangıcı
DSC ve TGA, proses riskinin tamamlayıcı belirteçlerini 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 başladığını 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 acil ve keskin bir ekzotermik olay göstermektedir.[4]
DSC olay dizisiyle tutarlı olarak, qNMR kantifikasyonu 115 °C'de sınırlı bozunma (%2) gösterirken, erime bölgesinde ve üzerinde hızlı kayıp göstermektedir (120 °C'de %7; 125 °C'de %55; 130 °C'de %98; 140 °C'de sadece %0.45 NR kalmaktadır).[4]
NMN için bir kaynak, bileşiğin net bir erime geçişi sergilemek yerine bozunduğunu, bozunmanın 160 °C'de başlayıp 165 °C'de tamamlandığını ve 184 kJ·mol−1 bozunma entalpisi ile 162 °C'de endotermik bir DSC zirvesi görüldüğünü bildirmektedir.[6]
Kuersetin için birleşik DSC/TGA yorumu, yoğun bir DSC endoterminin (303 °C'de maksimum) yaygın olarak hatalı bir şekilde erimeye atfedildiğini, TGA'nın ise bozunmanın 230 °C'de başladığını ve endotermik durumun sürekli kütle kaybı ile örtüştüğünü gösterdiğini bildirmektedir; 303 °C zirvesi için rapor edilen "füzyon ısısı" 69–75 kJ·mol−1'dir.[9]
Fisetin için TGA, kristal numuneden suyun buharlaşmasına atfedilen küçük bir kütle kaybı (~%5) ve molekülün bozunmasına atfedilen 369.6 °C'de büyük bir kütle kaybı olayı (~%30.6) göstermektedir.[15]
İnert azot altındaki kurkumin için bir çalışma, ham kurkuminin 240 °C civarında başlayan ( %5 kütle kaybı), 347 °C'de bir DTGA zirvesi yapan ve 600 °C'de %37 kalıntı bırakan (10 °C·min−1 hızında) karmaşık bir bozunma süreci sergilediğini bildirmektedir.[18]
2.3 Amorf ve kristal stabilite
Amorf formülasyonlar çözünürlüğü ve biyoyararlanımı artırabilir ancak kristal formlara kıyasla moleküler mobiliteyi artırarak termal davranışı ve stabiliteyi değiştirebilir, bu da camsı 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 değişimleri gösterir: ham Eudragit® L100/EPO 147.1/55.4 °C Tg gösterirken, fisetin ASD'leri polimer ve ilaç yüklemesine bağlı olarak 144.2/71.8 °C ve 145.9/76.7 °C gibi Tg değerleri gösterir.[15]
Resveratrol ve oksiresveratrol nanosüngerleri için DSC, resveratrolün erime endoterminin (266.49 °C) nanosünger formülasyonlarında kaybolduğunu göstermektedir; yazarlar bunu enkapsülasyona ve ilaç moleküllerinin nanosünger matrisi içinde olası amorfizasyonuna bağlamaktadır.[16]
Kuersetin için hidrojen bağının hem erime benzeri yumuşamayı kısıtladığı hem de bağ zayıflaması yoluyla bozunmayı kolaylaştırdığı öne sürülmektedir; birleşik DSC/TGA yorumu, kuersetinin sadece erimediğini, 150–350 °C aralığında örtüşen bozunma ve yapısal gevşeme/yumuşama geçirdiğini sonuçlandırmaktadır.[9]
3. Bozunma kinetiği modelleri ve parametreleri
Dahil edilen kaynaklar, genellikle pH bağımlılığı ve karmaşık çok yollu bozunma nedeniyle bir dizi kinetik model (birinci-derece, psödo-birinci-derece, daha yüksek dereceli veya sigmoidal formlar) ve sıcaklık bağımlılığı işlemleri (Arrhenius ve bazı durumlarda non-Arrhenius davranışı) kullanmaktadır.[4, 7, 22]
3.1 Reaksiyon derecesi modelleri
Çözelti fazı bozunması için yaygın olarak kullanılan bir temel, kontrol edilen pH ve sıcaklık altında konsantrasyon-zaman verilerine birincil uyum olarak birden fazla çalışmada görülen entegre birinci-derece modeldir.[4, 11, 12]
Tamponlanmış sulu çözeltilerdeki NRCl için bozunma psödo-birinci-derece olarak tanımlanmaktadır ve bu psödo-birinci-derece form, NR konsantrasyonuna kıyasla OH−/H3O+ konsantrasyonlarını büyük bir fazlalıkta ve yaklaşık olarak sabit tutan tampon sistemleri ile gerekçelendirilmektedir.[4, 23]
Fosfat tamponundaki fisetin ve kuersetin için rapor edilen sonuçlar, pH ve sıcaklıkla güçlü bir şekilde artan birinci-derece bozunma hızı sabitleri k (saat−1) olarak sunulmaktadır.[24]
Nötr pH'a yakın (6.5–7.5) 90 °C'deki kuersetin için sigmoidal bir model uygulanmış ve birinci-derece model ile karşılaştırılmıştır; sigmoidal model, birinci-derece uyumlardan 2.3–2.5 kat daha yüksek k değerleri ve pH 7.5'te farklı bir yarı ömür yorumu vermiştir.[22]
Püskürtmeli kurutulmuş bitki özü belirteçleri için yardımcı madde sistemlerine bağlı olarak farklı görünür reaksiyon dereceleri bildirilmiştir; bunlar arasında kaempferol için (yardımcı madde ikilileri genelinde) sıfırıncı ve ikinci-derece modeller ve yardımcı maddeler genelinde kuersetin için ikinci-derece bir model bulunmaktadır.[20]
3.2 Arrhenius ve Eyring işlemleri
Sıcaklık bağımlılığı sıklıkla Arrhenius tipi ifadelerle modellenmektedir ve birden fazla kaynak raf ömrü tahminlerini ve proses termal maruziyetini parametrelendirmek için aktivasyon enerjilerini açıkça hesaplamaktadır.[4, 10, 12]
NRCl'nin sulu çözeltideki bozunması için Arrhenius aktivasyon enerjileri; pH 2.0'da 75.4 (±2.9) kJ·mol−1, pH 5.0'da 76.9 (±1.1) kJ·mol−1 ve pH 7.4'te 82.8 (±4.4) kJ·mol−1 olarak bildirilmiştir.[4]
pH 7.4'teki trans-resveratrol için Arrhenius analizi, hesaplanan 84.7 kJ·mol−1 aktivasyon enerjisi ile log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) olarak bildirilmiştir.[12]
pH 8.0'daki tampon/metanol karışımındaki kurkumin için 37–60 °C arasındaki Arrhenius analizi (Ea)=79.6±2.2 kJ·mol−1 sonucunu vermektedir.[10]
Gastrointestinal sistemle ilgili sulu ortamlardaki kurkumin için Arrhenius grafikleri 37–80 °C üzerinde yüksek doğrusallık gösterirken (r2 değerleri farklı ortamlar için 0.9967, 0.9994, 0.9886 olarak bildirilmiştir), aktivasyon enerjileri pH 7.4, pH 6.8 ve 0.1 N HCl için sırasıyla 16.46, 12.32 ve 9.75 kcal·mol−1 olarak bildirilmiştir.[11]
Eyring analizi ayrıca bir kurkumin spiroborat esterinin (CBS) hidrolitik bozunma çalışmasında da görülmektedir; burada bir Eyring grafiğinin 0.9988 korelasyonla doğrusal bir ilişki gösterdiği bildirilmiştir.[21]
3.3 İzokonversiyonel ve modelden bağımsız yöntemler
Birkaç termal bozunma çalışması, dönüşüme bağlı aktivasyon enerjilerini hesaplamak ve böylece çok adımlı bozunmayı ve mekanizma değişikliklerini belirlemek için izokonversiyonel yöntemler (örneğin, KAS, FWO, Friedman) uygulamaktadır.[8, 18, 25]
Rutin ve rutin yağ asidi esterleri için aktivasyon enerjileri, 0.05 < (α) < 0.90 genelinde dönüşüm derecesine göre önemli ölçüde değişmekte ve 65 ile 246 kJ·mol−1 arasında değişen aralıklar bildirilmektedir; yazarlar bunu termal bozunmanın çoklu aşamalara sahip basit olmayan bir süreçle ilerlediğinin kanıtı olarak yorumlamaktadır.[8]
Resveratrol–β-siklodekstrin klatratları için aktivasyon enerjisi dönüşüm derecesi ile artmakta olup, 110'dan 130 kJ·mol−1'e (OFW yöntemi) ve 120'den 170 kJ·mol−1'e (Friedman yöntemi) yükselen artışlar bildirilmiştir; bu durum bozunma ilerledikçe reaksiyon mekanizmasında bir değişiklik olduğunun göstergesi olarak yorumlanmaktadır.[25]
Azot altındaki kurkumin yüklü polimer sistemleri için çoklu yaklaşımlarla (Kissinger, KAS, Friedman ve model uydurma) elde edilen aktivasyon enerjileri geniş ölçüde tutarlı büyüklükler göstermekte (örneğin, Kissinger ile 71 ± 5 kJ·mol−1; KAS ile 77 ± 2; Friedman ile 84 ± 3) ve model seçimi 73–91 kJ·mol−1 aralığında enerjilere sahip bir F1 kinetik modeline işaret etmektedir.[18]
3.4 Birleşik termo-mekanik ve oksidatif bozunma
Yüksek kesme kuvvetli üretim operasyonları, mekanik enerji yayılımını lokal ısınma ve artan oksijen transferi ile birleştirerek oksijene duyarlı biyoaktiflerde oksidasyon kaynaklı yolları güçlendirebilir.[13, 14, 17]
Bir içecek sisteminin yüksek kesme kuvvetli homojenizasyonunda, çıkış sıcaklığı dönüş hızıyla belirgin şekilde artar (örneğin, 0 rpm'de 4.1 ± 0.7 °C'den 20,000 rpm'de 41 ± 1.2 °C'ye) ve en yüksek hızda askorbik asit %42.6 oranında azalır; bu durum bozunmanın yüksek sıcaklık ve oksidasyon tarafından teşvik edilmesiyle tutarlıdır.[13]
Yüksek basınçlı homojenizasyonda (HPH), işleme mekanizması açıkça akış hareketinin bozulduğu valf deliğindeki kesme stresi dağılımına ve birlikte yoğun mekanik ve potansiyel olarak oksidatif stres yaratan kavitasyon, türbülans, çarpışma ve darbe gibi ek fenomenlere atfedilmektedir.[14]
Oksidatif eşleşme kuersetin için termal oksidasyon deneylerinde de gösterilmiştir: 150 °C'de kuersetin bozunması oksijen altında azota göre daha hızlı ilerler (hız sabitleri 0.868 saat−1'e karşı 0.253 saat−1) ve kolesterol ile oksijen mevcut olduğunda güçlü bir şekilde hızlanır (hız sabiti 7.17 saat−1); bu durum kolesterol hidroperoksit oluşumu ile kuersetin bozunması arasındaki radikal-zincir eşleşmesi ile tutarlıdır.[26]
NRH için oksijen ve sıcaklık güçlü bir kontrol uygular: DI su içerisinde 25 °C'de rapor edilen bozunma hızı hava altında 1.27×10−7 s−1 iken (yarı ömür 63 gün), N2 altında 5.90×10−8 s−1'dir (yarı ömür 136 gün); yazarlar NRH'nin oksijen varlığında oksitlenebileceğini ve asidik koşullarda hızla hidroliz olduğunu belirtmektedir.[5]
4. Bileşik sınıfı incelemesi
Aşağıdaki bileşik odaklı sentez; aktivasyon enerjileri, hız sabitleri, yarı ömürler, bozunma başlangıçları ve camsı geçiş veya erime ile ilgili kısıtlamalar dahil olmak üzere üretim modellerinde doğrudan kullanılabilecek nicelleştirilmiş kinetik ve termodinamik parametreleri vurgulamaktadır.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 NAD+ öncülleri
NAD+ öncül stabilitesi, hidroliz duyarlılığı ve belirli termal geçişlere (özellikle erime bölgesindeki NRCl için) ve oksijen kaynaklı oksidasyona (özellikle NRH gibi indirgenmiş formlar için) olan düşük tolerans tarafından güçlü bir şekilde koşullandırılır.[4, 5]
NRCl, sulu çözeltilerde psödo-birinci-derece bozunma kinetiği gösterir ve pH ile değişen aktivasyon enerjileri (75.4–82.8 kJ·mol−1) sergiler; bu, baskın hidroliz yolunun hem termal hassasiyetini hem de pH bağımlılığını nicel olarak kodlar.[4]
NR'nin azaldığı, nikotinamid (Nam) ve şekerin biriktiği baz katalizli bir hidroliz mekanistik temel olarak önerilmekte ve bozunan her NR molekülü için bir Nam ve bir şeker molekülünün oluştuğunu gösteren molar denge kanıtları sunulmaktadır.[4]
Fizyolojik sıcaklık ve ajitasyonda simüle edilmiş gastrointestinal sıvılarda (75 rpm ve 37 °C'de USP II paleti), NRCl nispeten sınırlı kısa vadeli kayıp gösterir (örneğin, mide ortamında 2 saat sonra yaklaşık %97–99 kalır) ancak 24 saatlik bir simülasyonda ölçülebilir uzun vadeli bir azalma gösterir (24 saatte %79.18 ± 2.68 kalırken, 8 saatte %90.51 ± 0.82 kalır).[4]
Katı halde NRCl, erime başlangıcı ile hızlı bozunma arasında dar bir sıcaklık penceresi sergiler: DSC, 120.7 ± 0.3 °C'de erime başlangıcı ve ardından yaklaşık 130.8 °C'de ekzotermik bir olay rapor ederken, qNMR bozunmada 115 °C'deki %2'den 130 °C'deki %98'e dik bir artış ölçmektedir.[4]
Bir kaynak, bu verileri takviye üretimini aşamalar boyunca etkileyebilecek "NRCl'nin işlenmesi için açık bir üst sıcaklık sınırı" olarak açıkça çerçevelemekte ve ısıtmalı operasyonlarda DSC/qNMR eşiklerinin sert kısıtlamalar olarak alaka düzeyini vurgulamaktadır.[4]
NR borat, NR reaktivitesinden yola çıkarak bir stabilizasyon stratejisi sunar: NR, pozitif yüklü bir piridinyum heterosiklisini bir karbonhidrata bağlayan özellikle kararsız bir glikozidik bağa sahip olarak tanımlanır; bu durum sentezlenmesini, depolanmasını ve taşınmasını zorlaştırır. Borat stabilizasyonunun ise termal ve kimyasal bozunmaya karşı yüksek stabiliteye sahip olduğu belirtilir.[19]
Nicel olarak, NR borat çözünürlüğü güçlü bir şekilde pH'a bağlıdır (örneğin, pH 1.5'te 1972.7 ± 15.4 mg·mL−1; pH 7.4'te 926.0 ± 34.4 mg·mL−1) ve Arrhenius modelinin, HO− konsantrasyonunun etkisiyle uyumlu olarak pH 7.4'te pH 1.5 veya 5.0'a göre daha yüksek bozunma hızları gösterdiği bildirilmiştir.[19]
Aynı inceleme, NR borat bozunmasının Gibbs serbest enerjisini 2.43 kcal·mol−1 olarak bildirmekte ve 10 °C'lik bir artışın herhangi bir pH koşulu altında bozunma hızını yaklaşık iki katına çıkardığını belirterek NRCl için gözlemlenen sıcaklık hassasiyetini yankılamaktadır.[4, 19]
NRH, pH ve oksijene karşı belirgin bir hassasiyet sergiler: pH 5'te bir günden kısa sürede tam bozunma bildirilirken, pH 9'da örnekler 60 gün sonra yaklaşık %42–45 bozunma göstermekte ve 25 °C'de hava altındaki DI su içinde 60 gün sonra N2 altındaki yaklaşık %27'ye kıyasla yaklaşık %50 bozunma bildirilmektedir.[5]
Bu oksijen hassasiyeti mekanistik olarak oksijen varlığındaki oksidasyona ve asidik koşullarda hızlanan hidrolize atfedilmektedir; bu durum NRH'nin N-glikozidik bağı nedeniyle kararsız bir molekül olarak tanımlanması ve bozunma, hidroliz ve oksidasyona yatkın olmasıyla tutarlıdır.[5]
NMN için nicel katı hal termodinamik belirteçleri arasında 160 °C'de başlayıp 165 °C'de tamamlanan bozunma (162 °C'de endotermik bir DSC zirvesi ve 184 kJ·mol−1 bozunma entalpisi ile) ve 40 °C ve %75 bağıl nemde ayda %0.8 bozunma hızı bildiren hızlandırılmış stabilite verileri yer almaktadır.[6]
Sulu çözeltide NMN bozunması, lg(Ct)=0.0057t+4.8172 kinetik denklemi ve t0.9=95.58 saat ile t1/2=860.26 saat olarak bildirilen sürelerle oda sıcaklığında görünür birinci-derece olarak rapor edilmiştir; çalışma bozunma hızının birincil olarak yüksek sıcaklık ve pH'tan etkilendiğini belirtmektedir.[27]
Pratik formülasyon kısıtlamalarını desteklemek için ürün odaklı bir kaynak, fosfodiester bağının termal bozunmasını önlemek için 45 °C'nin altında birleştirmeyi önermekte ve uygun şekilde formüle edilmiş düşük su içerikli sistemler için 3 ay boyunca 40 °C/%75 bağıl nemdeki hızlandırılmış testlerde %5'ten az bozunma bildirmektedir.[28]
Birincil NMN bozunma yolu, nikotinamid ve riboz-5-fosfat veren fosfodiester bağının hidrolizi olarak tanımlanmaktadır; pH bağımlılıkları ise pH 4.5'in altında asit katalizli hidroliz ve pH 7.5'in üzerinde baz aracılı parçalanma olarak tanımlanmaktadır.[28]
4.2 Stilbenoidler
Stilbenoidler, güçlü bir şekilde pH'a ve oksijene bağlı bozunma gösteren resveratrol ve ilgili bileşikleri içerir; gerçek formülasyonlardaki stabiliteleri matris etkileri ve çoklu yollar nedeniyle basit Arrhenius ekstrapolasyonundan sapabilir.[7, 12, 29]
Sulu sistemlerde, trans-resveratrolün asidik pH'ta stabil olduğu, bozunmanın ise pH 6.8'in üzerinde katlanarak arttığı ve yarı ömrün pH 1.2'de 329 günden pH 10'da 3.3 dakikaya düştüğü bildirilmiştir.[12]
pH 7.4'te trans-resveratrol bozunma kinetiği incelenen sıcaklıklar boyunca birinci-derece kinetiği izler ve aktivasyon enerjisi 84.7 kJ·mol−1 olarak bildirilmiştir.[12]
Asidik pH'ta hidroksil gruplarının pozitif yüklü H₃O⁺ tarafından radikal oksidasyondan korunduğu, oysa alkali koşullarda fenat iyonlarının oksidasyona ve fenoksi radikali oluşumuna duyarlılığı artırdığı ve ortamdaki oksijenin bozunmaya yol açan radikal reaksiyonları teşvik ettiği şeklinde mekanistik bir gerekçe sunulmuştur.[12]
Sulu çözeltideki (19 mg·L−1) bağımsız termal stabilite deneyleri, 70 °C'ye kadar 30 dakika sonra önemli spektral değişiklikler bildirmemekte; daha yüksek sıcaklıklar ise 304 nm'de absorbansın genel bir azalmasına ve 270–350 nm arasında azalan absorbansa yol açarak hidrotermal koşullar altında termal olarak indüklenen yıkımı göstermektedir.[30]
Bu hidrotermal deneylerin mekanistik yorumu, çift bağın oksidatif olarak parçalanmasını ve hidroksi aldehitler, alkoller ve hidroksi asitler gibi fenol içeren bozunma ürünlerinin oluşumunu önermekte; FTIR bantları 100–120 °C'de aldehit ve karboksilik asit oluşumu ile tutarlı olarak yorumlanmaktadır.[30]
Tablet matrislerinde resveratrol bozunmasının 25, 30 ve 40 °C'de sırasıyla 0.07140, 0.1937 ve 0.231 ay−1 k değerleri ile birinci-derece monoeksponansiyel kinetiği izlediği bildirilmiş; ancak ln(k) vs 1/T ilişkisi doğrusal olmayıp süper-Arrhenius olarak sınıflandırılmıştır; yazarlar yüksek sıcaklıklarda olası ikinci reaksiyonlar, çoklu reaksiyon yolları veya matris etkileri önermektedir.[7]
Aynı çalışma, Arrhenius ekstrapolasyonunun takviyelerdeki resveratrol için bozunma kinetiğinin belirlenmesine her zaman izin vermediğini ve hızlandırılmış testlerin bozunmanın aşırı tahmini dahil olmak üzere yanlış tahminlere yol açabileceğini vurgulamaktadır.[7]
Kuru sistemlerdeki stilben benzeri fenolikler için 20 dakika boyunca 121 °C'de buhar sterilizasyonu gibi termal işlemler ölçülebilir kayıplar üretmekte (örneğin, pinosilvin pik alanına göre %20.98 azalmıştır) ve 105 °C'de 24 saat fırın kurutma birkaç fenolik için pik alanında %50'den fazla azalma üretmektedir; TGA ise pinosilvin sistemleri için ~200 °C'nin üzerinde bozunma başlangıç sıcaklıklarını göstermektedir.[31]
4.3 Flavonoidler
Flavonoidler; pH, sıcaklık, oksijen ve protein bağlanması gibi formülasyon etkileşimlerinden etkilenen çok yollu bozunma hassasiyeti gösterir; DSC/TGA'daki termal davranışları basit erime yerine örtüşen bozunma ve yumuşamayı içerebilir.[9, 22, 24]
Tamponlanmış çözeltilerde ortam pH'ının 6.0'dan 7.5'e çıkarılması, fisetin ve kuersetin bozunma hızı sabitlerini sırasıyla 24 kat ve 12 kat artırmaktadır (örneğin, fisetin k değeri 8.30×10−3'ten 0.202 saat−1'e; kuersetin k değeri 2.81×10−2'den 0.375 saat−1'e çıkmaktadır) ve sıcaklığın 37 °C'nin üzerine çıkarılması k değerini önemli ölçüde artırmaktadır (örneğin, 65 °C'de fisetin k değeri 0.490 saat−1'e; 65 °C'de kuersetin k değeri 1.42 saat−1'e çıkmaktadır).[24]
Protein yardımcı bileşenleri bozunmayı azaltabilir: protein ilavesiyle ölçülen k değerleri azalır; fisetin k değeri 3.58×10−2'den 1.76×10−2 saat−1'e kadar olan aralıklara ve kuersetin k değeri 7.99×10−2'den 3.80×10−2 saat−1'e kadar olan aralıklara düşer.[24]
Mekanistik olarak, flavonoid kimyasal kararsızlığı hidroksil gruplarına ve kararsız bir piron yapısına atfedilmekte; proteinlerle stabilizasyon ise esas olarak hidrofobik etkileşimlere (SDS stabilizasyonu bozmaktadır) bağlanmakta; hidrojen bağı katkılarının gelecekteki nicel analizleri gerektirdiği vurgulanmaktadır.[24]
Nötrite yakın 90 °C'deki kuersetin için bozunma kinetiği güçlü pH etkileri gösterir: k değeri pH 6.5'ten 7.5'e yaklaşık beş kat artar ve kuersetin kinon gibi oksidasyon ara ürünleri tespit edilir; tipik son ürünler arasında protokatekuik asit (PCA) ve floroglusinol karboksilik asit (PGCA) yer alır.[22]
Mekanistik anlatı, 370 nm'deki ilk ölçülebilir kaybı kuersetinin kinona dönüşümüne atfeder ve kinon iskeletinin parçalanmasının sınırlı absorbansa sahip daha basit fenolikler ürettiğini, alkali deprotonasyonun ise C-halkasını ve B-halkası o-difenol yapısını etkileyen oksidasyonu hızlandırdığını ileri sürer.[22]
Yüksek sıcaklıklı sistemlerde (150 °C), kuersetin bozunması ve oksidasyonu azot altında 0.253 saat−1 ve oksijen altında 0.868 saat−1 olarak bildirilen hız sabitleri ve oksijen artı kolesterolde güçlü bir hızlanma (7.17 saat−1) ile hızla ilerler; deneysel olarak kuersetin kaybı 10 dakikada (N₂) %7.9'dan 10 dakikada (O₂) %20.4'e yükselirken, kolesterol + oksijende kuersetin 10 dakika sonra %10.9 kalana kadar azalır.[26]
Termal analiz ayrıca kuersetinin 90–135 °C aralığında küçük bir kütle kaybıyla (%0.86 ± 0.33 ağ.) ilişkili küçük bir endotermik pik gösterdiğini, bozunmanın 230 °C'de başladığını ve 303 °C'deki belirgin bir DSC endoterminin bozunma ile örtüştüğünü göstermektedir; hidrojen bağının hem erime benzeri davranışı kısıtladığı hem de kimyasal bağları zayıflatarak bozunmayı kolaylaştırdığı savunulmaktadır.[9]
Rutin (bir kuersetin glikoziti) ve yağ asidi esterleri için TGA, rutinin 240 °C'ye kadar termal olarak stabil olduğunu gösterirken, esterlerin daha düşük başlangıç bozunma sıcaklıkları (217–220 °C) ve büyük bir aşamada daha yüksek kütle kaybı sergilediği görülür; aktivasyon enerjileri dönüşüm derecesine göre 65 ile 246 kJ·mol−1 arasında değişmektedir.[8]
4.4 Kurkuminoidler
Kurkumin bozunması güçlü bir şekilde pH'a bağlıdır ve birçok sulu koşul altında oksidatif yolları içerir; termal bozunma ve formülasyon etkileşimleri ise bozunma başlangıçlarını ve görünür kinetik parametreleri kaydırabilir.[10, 18, 32]
37 °C'deki tampon/metanol karışımlarında, kurkumin bozunmasının k_obs'un pH arttıkça dramatik bir şekilde artmasıyla (örneğin, pH 7.0'da 3.2×10−3 saat−1'e karşı pH 12.0'da 693×10−3 saat−1) birinci-derece kinetiği izlediği bildirilirken, pH 5.0'da kurkumin rapor edilen deneylerde stabildir.[10]
pH 8.0'da Arrhenius analizi (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 sonucunu vermekte ve sulu tampora ekstrapolasyon oksitleyici koşullar altında hızlı kaybı (k_obs 280×10−3 saat−1, t_(1/2)=2.5 saat) göstermektedir.[10, 32]
Miseller nanoformülasyonlar bozunmayı dramatik şekilde yavaşlatır: pH 8.0 ve 37 °C'deki polimerik misellerde ve Triton X-100 misellerinde, rapor edilen k_obs değerleri 0.9×10−3 ve 0.6×10−3 saat−1'e düşerken, 777 ± 87 saat ve 1100 ± 95 saatlik yarı ömürlerin sulu tampondaki serbest kurkuminden yaklaşık 300–500 kat daha yüksek olduğu belirtilmiştir.[10]
Mekanistik olarak, dahil edilen çalışma kurkumin bozunmasının hidrolitik zincir kopması yoluyla değil, nihai ürün olarak bir bisiklopentadiyon veren oksidasyon yoluyla ilerlediğini, 1 mol kurkumin bozunmasının 1 mol O₂ tüketimi ile ilişkili olduğunu ve ilk adımın pH 7.0 üzerinde hidroksil gruplarının deprotonasyonu olduğunu savunmaktadır.[10]
Gastrointestinal sistemle ilgili ayrı bir stabilite çalışması, yüksek doğrusallıkla (r² > 0.95) görünür birinci-derece kinetiği rapor etmekte ve ortama göre değişen (pH 7.4'te 0.1 N HCl'den daha yüksek) aktivasyon enerjileri (kcal·mol−1 cinsinden) sağlamakta; 37 °C'de 12 saat sonra 0.1 N HCl'de %80'den fazlasının kaldığını ancak pH 6.8 ve 7.4 fosfat tamponlarında sırasıyla sadece %57 ve %47'sinin kaldığını bildirmektedir.[11]
Yüksek sıcaklıklarda (180 °C), kavurma deneyleri aşırı termolabilite gösterir; 5 dakika sonra başlangıç kurkuminin sadece %30'u kalmaktadır ve mekanistik yorum oksidatif parçalanmayı ferulik asit ara ürün oluşumuna ve hava maruziyeti ile yüksek sıcaklıklar tarafından hızlandırılan bir dekarboksilasyon adımına bağlamaktadır.[33]
Azot altındaki kurkumin ve kurkumin içeren polimer sistemlerinin termal bozunma çalışmaları karmaşık davranışlar göstermektedir: ham kurkumin bozunması 240 °C civarında başlarken, kurkuminin PGA/PCL karışımlarına dahil edilmesi PGA bozunma maksimumunu daha düşük sıcaklıklara kaydırır (örneğin, saf karışım için 372 °C'den %5 kurkuminde 327 °C'ye); bu durum kurkumin dahil edilmesinin matris termal stabilitesini azaltabileceği anlamına gelir.[18]
Aynı polimer odaklı çalışma, eriyik hal işlemenin hem polimer matrisinin kimyasal stabilitesinin hem de dahil edilen ilaçların biyolojik aktivitesinin garanti edilmesini gerektirdiğini ve PGA veya PGA/PCL karışımlarının kurkumin ile işlenmesinin, PGA bozunmasını önlemek için mümkün olan en düşük sıcaklıkta yapılması gerektiğini belirterek bu sonuçları üretimle ilişkilendirmektedir.[18]
Yüksek kesme kuvvetli emülsifikasyon altındaki kurkumin stabilizasyonu, 2 dakika boyunca 22,000 rpm'de yüksek kesmeli bir karıştırıcı kullanılarak hazırlanan Pickering emülsiyonlarında da nicelleştirilmiştir: 20 °C'de karanlıkta depolama, enkapsüle edilmemiş bir kurkumin-yağ karışımında kurkuminin yaklaşık yarısının 6 gün sonra bozulduğunu ve 16 gün sonra sadece %20'sinin kaldığını gösterirken, bir Pickering emülsiyon sistemi 16 gün sonra yaklaşık %50'sini korumakta ve yarı ömrü 13 günden 28 güne çıkarmaktadır.[1]
UV maruziyeti altında (6 W, 365 nm), aynı sistem yağ karışımı için 9 saat sonra yaklaşık %50 bozunma ve 24 saat sonra sadece %20 kalma gösterirken, Pickering emülsiyonu 9 saat sonra yaklaşık %70 ve 24 saat sonra yaklaşık %45'ini korumakta ve %50 kayıp için yarı ömrü yaklaşık 13 saatten yaklaşık 27 saate çıkarmaktadır.[1]
4.5 Özet tablo
Aşağıdaki tablo, bileşik sınıfları arasında rapor edilen ve proses modellemesi için en doğrudan kullanılabilir değerleri vurgulayan temsilci kinetik ve termodinamik parametreleri bir araya getirmektedir.
5. Yüksek kesme kuvvetli üretim birim işlemleri
Yüksek kesme kuvvetli üretim, termolabil bileşikleri sıcaklığı, oksijen transferini ve arayüzey alanını artırabilen mekanik stres alanlarına maruz bırakarak, özellikle oksijene ve pH'a duyarlı biyoaktifler için hem reaksiyon kinetiğini hem de baskın mekanizmaları etkiler.[13, 14, 17]
5.1 Eriyik işleme
Eriyik hal işleme, polimer-ilaç sistemlerinde hem polimer stabilitesinin hem de ilaç aktivitesinin korunması gereken bir senaryo olarak vurgulanmakta ve eriyik hal işlemenin, polimer matrisinin kimyasal stabilitesinin ve dahil edilen ilaçların biyolojik aktivitesinin garanti edilmesini gerektirdiği açıkça belirtilmektedir.[18]
PGA/PCL–kurkumin sisteminde, kurkumin dahil edilmesi PGA termal stabilitesini olumsuz etkilemekte ve yazarlar, termal stabilite karakterizasyonunu proses tasarımına bağlayarak PGA bozunmasını önlemek için mümkün olan en düşük sıcaklıkta işlemeyi önermektedir.[18]
5.2 Yüksek basınçlı homojenizasyon ve mikrofluidizasyon
Yüksek basınçlı homojenizasyon, sıvılar dar bir delikli valften akarken onları yüksek mekanik strese maruz bırakır; delikte sıvı, kesme etkisine maruz kalır ve kavitasyon, türbülans, çarpışma ve darbe gibi ek fenomenler kesme etkilerine katkıda bulunur.[14]
HPH, 100 MPa'dan daha yüksek basınçlarda çalışır ve 400 MPa'ya kadar basınç üretebilir; uygulanan basınç, döngü/geçiş sayısı ve giriş sıcaklığı fitokimyasalların özütlenebilirliğini ve stabilitesini etkileyen temel faktörler olarak tanımlanmaktadır.[14]
Nicel olarak, HPH incelemesi 100, 200, 300 MPa'da L-askorbik asitte kademeli azalmalar (%1.7, %4.6, %10.7) ve elma suyunda 100, 200, 300 MPa'da polifenol azalmaları (örneğin, %10.6, %6.0, %1.4) gibi örnek kompozisyonel değişiklikleri rapor ederek basınç seviyesinin matrise ve enzim aktivitesine bağlı olarak oksidasyona duyarlı bileşiklerdeki kayıplarla ilişkili olabileceğini göstermektedir.[14]
Formülasyon ölçeğinde, mikrofluidizasyon fenoliklerin nicelleştirilmiş korunmasıyla stabil emülsiyonlar üretebilir: W/O/W emülsiyonları için optimum mikrofluidizasyon koşulları 148 MPa ve yedi döngü olarak bildirilmiş olup 105.3 ± 3.2 nm damlacıklar ve 0.233 ± 0.020 PDI elde edilmiş ve 35 gün sonra fenolik korunması %68.6, antioksidan aktivite korunması ise %89.5 olmuştur.[2]
Ayrı bir enkapsülasyon çalışması, birleşik bir yüksek kesme kuvvetli ve mikrofluidizasyon yaklaşımı bildirmektedir: lipozomal dispersiyonlar 10 dakika boyunca 9500 rpm'de homojenize edilmiş ve ardından püskürtmeli kurutma öncesinde 25,000 psi'de bir mikrofluidizörden beş kez geçirilmiştir; bu durum endüstriyel olarak gerçekçi sekansların kesme ve ardından termal kurutmayı birleştirebileceğini göstermektedir.[3]
Ultra yüksek basınçlı homojenizasyon (UHPH) incelemeleri, valf içindeki aşırı kesme ve darbeleri vurgulamakta; 200 MPa'dan fazla (genellikle 300 MPa) basınçla pompalanan sıvılar ve Mach 3 hızında valfte 0.2 saniyeden kısa kalış süresi ile mikroorganizmaların, kolloidlerin ve biyopolimerlerin 100–500 nm'ye nanofragmantasyonu gibi koşullar bildirilmektedir.[34]
5.3 Yüksek kesme kuvvetli karıştırma
Yüksek kesme kuvvetli karıştırma genellikle bir ön emülsifikasyon veya dispersiyon adımı olarak kullanılır ve kendisi de önemli sıcaklık artışları ve oksidatif ortamlar oluşturabilir, böylece aşağı akış operasyonlarından önce bile bozunmayı etkileyebilir.[13]
Bir içecek modelinde, artan dönüş hızlarında 10 dakika boyunca yüksek kesme kuvvetli homojenizasyon çıkış sıcaklığını artırmış (0 rpm'de 4.1 ± 0.7 °C'den 20,000 rpm'de 41 ± 1.2 °C'ye) ve önemli ölçüde askorbik asit kaybıyla (%20,000 rpm'de %42.6 azalma) ilişkilendirilmiştir.[13]
Bir kurkumin Pickering emülsiyon sisteminde, emülsiyon oluşturmak için 2 dakika boyunca 22,000 rpm'de yüksek kesme kuvvetli karıştırma kullanılmış, ardından hem depolama hem de UV stresi altında daha yavaş bozunma ve uzatılmış yarı ömür yoluyla stabilite iyileştirmeleri nicelleştirilerek yüksek kesme kuvvetli arayüzey yapılanması kimyasal stabilite sonuçlarıyla ilişkilendirilmiştir.[1]
5.4 Mekanokimyasal öğütme
Mekanokimyasal işleme (örneğin, bilyalı öğütme), amorf katı dispersiyonlar üretebilir ve katı hal formunu değiştirerek, moleküler düzeyde karıştırarak ve hidrojen bağı gibi güçlü moleküller arası etkileşimleri mümkün kılarak stabiliteyi değiştirebilir.[15]
Fisetin ASD'leri ve inklüzyonları için öğütme, 30 Hz frekans ve 20 dakika süreyle oda sıcaklığında gerçekleştirilmiş ve ardından termal stabiliteyi ve Tg davranışını nicelleştirmek için azot altında TG/DSC analizi yapılmıştır.[15]
5.5 Püskürtmeli kurutma
Püskürtmeli kurutma, kurutulmuş bitki özleri üretmek için en yaygın kullanılan tekniklerden biri olarak tanımlanmakta ve püskürtmeli kurutma sırasındaki yüksek sıcaklıkların termolabil (poli)fenoller üzerinde potansiyel olarak zararlı etkilere sahip olduğu belirtilmektedir.[3, 20]
Bir polifenol enkapsülasyon çalışmasında, püskürtmeli kurutma 150 ± 5 °C giriş havası sıcaklığı ve 90 ± 5 °C çıkış sıcaklığı ile gerçekleştirilmiştir; yazarlar fonksiyonel özellikleri korumak için enkapsülasyonu teşvik ederek, püskürtmeli kurutma sırasında oksijen ve ısı maruziyeti nedeniyle (poli)fenol miktarının azaldığını belirtmektedir.[3]
Bir özüt ön formülasyon çalışmasında, püskürtmeli kurutucu proses koşulları (giriş sıcaklığı, besleme akış hızı, kolloidal silikon dioksit oranı) yanıtlar üzerindeki etkileri açısından değerlendirilmiş ve reaksiyon derecesi, bozunan fraksiyon süresi ve hız sabiti dahil olmak üzere bozunma kinetik parametrelerini belirlemek için Arrhenius yöntemleri kullanılmıştır.[20]
5.6 Özet tablo
Aşağıdaki tablo, yüksek kesme ve/veya yoğun termal maruziyet uygulayan birim işlemler için bildirilen stres profillerini ve örnek nicel etkileri özetlemektedir.
6. Entegre stabilite-proses modelleri
Dahil edilen kaynaklar, stabilite sonuçlarının birim operasyon termal geçmişlerinden ve fizikokimyasal mikro ortamlardan (pH, oksijen, su aktivitesi) hesaplandığı ve termodinamik geçiş eşiklerine saygı duyulduğu entegre bir öngörücü çerçeve için yapı taşları sağlamaktadır.[4, 14]
6.1 Zaman-sıcaklık-kesme haritalama
Pratik bir haritalama yaklaşımı, beklenen dönüşümü hesaplamak için kinetiği (k, (E_a), yarı ömür) ölçülen veya çıkarılan birim operasyon zaman-sıcaklık profilleriyle birlikte kullanabilir; durum geçiş eşiklerini (Tg, erime başlangıcı, bozunma başlangıcı) ise mekanizmaları değiştirebilecek veya hızları artırabilecek sınırlar olarak kullanabilir.[4, 15]
Örneğin, NRCl için psödo-birinci-derece çözelti fazı modeli, Arrhenius aktivasyon enerjileri (75.4–82.8 kJ·mol−1) ve 10 °C'lik bir artışın k_obs'u yaklaşık iki katına çıkardığı gözlemi kullanılarak parametrelendirilmiş olup, doğrulanmış tampon deneylerinden üretimdeki kısa termal sapmalara geçişe izin verir.[4]
Kurkumin için sıcaklık hassasiyeti, pH 8.0'daki (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 ve k_obs'un pH'a güçlü bağımlılığı kullanılarak parametrelendirilmiş olup, birlikte sulu bekletmeler veya lokal pH'ın nötr-bazik olduğu ısıtılmış emülsifikasyon adımları sırasındaki kayıpların tahmin edilmesini sağlar.[10]
Trans-resveratrol için pH kaynaklı yarı ömür çöküşü (pH arttıkça yüzlerce günden dakikalara), işleme sırasındaki stabilite sonuçlarının dökme sıcaklıktan ziyade mikro çevresel pH tarafından domine edilebileceği anlamına gelir ve pH 7.4'teki Arrhenius modellemesi, (E_a)=84.7 kJ·mol−1 ile ılımlı sıcaklık maruziyetleri için kullanılabilir.[12]
6.2 QbD ve tasarım alanı
Tasarım yoluyla kalite (QbD) yorumu, proses parametrelerinin ve formülasyon matrislerinin bozunma mekanizmalarını nasıl değiştirdiğini açıkça değerlendiren çalışmalarla desteklenmektedir; buna non-Arrhenius davranışı veya matris etkileri oluştuğunda hızlandırılmış testlerin raf ömrünü tahmin etmede başarısız olabileceği bulguları dahildir.[7, 29]
Resveratrol tabletleri için, Arrhenius yaklaşımlarının hızlandırılmış testlerde bozunmayı aşırı tahmin edebileceği sonucu, tasarım alanlarının tek bir hızlandırılmış koşul yerine hem mekanistik anlayış hem de çoklu sıcaklık verileri kullanılarak tanımlanmasını teşvik etmektedir.[7, 29]
Püskürtmeli kurutulmuş flavonoid belirteç sistemleri için yardımcı maddelerin kinetik dereceyi ve bozunan fraksiyon süresi değerlerini etkilediği açıkça bildirilmiş olup, formülasyon bileşiminin sabit bir arka plan yerine stabilite tasarım alanının bir parçası olduğunu göstermektedir.[20]
6.3 PAT ve analitik özgünlük
Bozunma ürünleri, özellikle polifenoller için daha basit spektroskopik analizleri yanıltabileceğinden, doğru proses izleme analitik özgünlük gerektirir.[12]
Trans-resveratrol için HPLC ve UPLC özgünlüğü onaylanmış olarak rapor edilirken, UV/VIS spektroskopisi stabil olmadığı koşullarda (alkali pH, ışık, artan sıcaklık) hatalı bir şekilde daha yüksek trans-resveratrol konsantrasyonları ile sonuçlanmış; bu da proses analitiğinde stabiliteyi gösteren yöntemlere duyulan ihtiyacı vurgulamıştır.[12]
7. Azaltma stratejileri
Dahil edilen kaynaklardaki azaltma yaklaşımları, bilinen hızlandırıcılara (ısı, oksijen, yüksek pH, UV) maruziyeti kısıtlamayı ve moleküler mobiliteyi azaltan, arayüzeyleri kalkanlayan veya aktif maddeyi daha az reaktif mikro ortamlara yerleştiren formülasyon mimarilerini kullanmayı vurgulamaktadır.[10, 13, 17]
7.1 Enkapsülasyon ve dispersiyonlar
Miseller veya partikül sistemlerinde enkapsülasyon, su, oksijen ve reaktif türlerle teması sınırlayarak ve temel fonksiyonel grupların asit-baz erişilebilirliğini değiştirerek termolabil bileşikleri önemli ölçüde stabilize edebilir.[1, 10]
Kurkumin için miseller çözündürme k_obs'u 0.6–0.9×10−3 saat−1'e düşürür ve yarı ömrü 777–1100 saate uzatır; bu stabilizasyon, bozunmanın ilk adımı olarak tanımlanan hidrofobik bir misel çekirdeği içindeki hidroksil deprotonasyonunun önlenmesine atfedilmektedir.[10]
Pickering emülsiyonları fiziksel bir bariyer sağlar: arayüzeydeki yoğun bir fiziksel bariyerin varlığının kurkumin bozunmasını engellediği belirtilmiş ve nicel olarak bariyer oluşturan sistem depolama yarı ömrünü 13 günden 28 güne, UV yarı ömrünü ise yaklaşık 13 saatten yaklaşık 27 saate çıkarmıştır.[1]
Siklodekstrin türevi taşıyıcı sistemler başka bir strateji sunar: resveratrol–β-siklodekstrin klatratları 50 °C civarında su salınımı ve daha yüksek sıcaklıklı bozunma olayları dahil termal olaylar göstermekte ve bağlanma serbest enerjileri (örneğin, MM/PBSA ile −86 kJ·mol−1) güçlü inklüzyon etkileşimlerini nicelleştirmektedir.[25]
Resveratrolün nanosünger enkapsülasyonu 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 sağlayarak enkapsülasyonun doğrudan UV maruziyetini önlemesiyle tutarlı bir sonuç vermektedir.[16]
Amorf katı dispersiyonlar mekanokimyasal öğütme yoluyla tasarlanabilir ve fisetin ile Eudragit® ester grupları arasındaki hidrojen bağı açıkça tanımlanmış olup, çözünme davranışındaki kristalizasyona bağlı değişikliklere karşı stabilize edebilen karışabilirlik ve değişen Tg için mekanistik bir temel sağlar.[15]
Yardımcı madde ve taşıyıcı seçimi
Yardımcı madde seçimi, reaksiyon derecesi ve bozunan fraksiyon sürelerinin yardımcı madde karışımlarına göre farklılık gösterdiği püskürtmeli kurutulmuş bitki özü sistemlerinde bildirildiği üzere, kinetik mekanizmaları ve stabilite sonuçlarını değiştirebilir ve bu da yardımcı maddeye bağlı bozunma kinetiğine işaret eder.[20]
Protein yardımcı bileşenleri, hidrofobik etkileşimler yoluyla flavonoidleri stabilize edebilir, fisetin ve kuersetin için k değerlerini düşürebilir ve SDS'nin bu etkileşimleri bozması, hidrofobik bağlanmanın temel bir stabilizasyon mekanizması olduğu yorumunu desteklemektedir.[24]
Proses mühendisliği kontrolleri
Termal maruziyeti ve oksijen temasını azaltan proses kontrolleri, birden fazla veri seti tarafından doğrudan desteklenmektedir.[5, 18]
NRCl için DSC/qNMR kanıtları, erime başlangıcı bölgesini (~120–130 °C) aşmanın aşırı hızlı bozunmaya yol açabileceğini göstererek, ısıtılmış katı hal operasyonlarında sıcaklık ve kalış süresi üzerinde sert üst sınırlar getirilmesini desteklemektedir.[4]
NRH için hava ve N₂ altındaki yarı ömür farkı 25 °C'de inertleştirme ve oksijen dışlamasının kritik olabileceği anlamına gelir; yazarlar 4 °C'de N₂ örtüsü altındaki örneklerin 60 gün sonra tespit edilebilir bir bozunma göstermediğini, ancak 4 °C'de hava altındaki örneklerin yaklaşık %10 bozunma gösterdiğini bildirmektedir.[5]
Yüksek kesme kuvvetli homojenizasyon için, artan rpm'nin çıkış sıcaklığını artırdığı ve oksidasyona duyarlı askorbik asidin daha yüksek kaybıyla ilişkili olduğu yönündeki 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 termolabil fenolikler için zararlı olabileceği iddiası, uygulanabilir olduğunda çıkış sıcaklığının düşürülmesi ve oksidasyon ile ısı hassasiyetini azaltmak için enkapsülasyon kullanılması gibi seçimleri desteklemektedir.[3]
Antioksidanlar ve oksijen yönetimi
Antioksidan ve oksijen yönetimi stratejileri polifenol veri setleri genelinde mekanistik olarak desteklenmektedir.[12, 22]
90 °C'deki kuersetin için sisteini gibi antioksidanlar k değerini düşürmekte olup, 200 μmol·L−1 sistein kontrole kıyasla k değerinde yaklaşık %43 azalma sağlamaktadır; mekanistik yorum kuersetin kinonun stabilizasyonunu ve radikal sönümleme etkilerini dikkate almaktadır.[22]
Trans-resveratrol için oksijenin bozunmaya yol açan radikal reaksiyonlarını teşvik ettiği açıkça bildirilmiş olup, alkali/nötr sulu işleme için mümkün olduğunda inert işleme atmosferlerini veya oksijen bariyerlerini desteklemektedir.[12]
Lipozomal sistemlerde, resveratrolün serbest radikalleri nötralize ederek stigmasterol oksidasyonunu sınırladığı ve lipid çift katmanlarına entegre olarak sertliği artırdığı, oksijen ve oksitleyici ajanlara karşı geçirgenliği azalttığı, böylece sistemin termal ve oksidatif stabilitesini artırdığı bildirilmiştir.[35]
Tartışma
Burada sentezlenen kanıt tabanı genelinde en güçlü nicel örüntü, kimyasal mikro çevrenin (pH, oksijen, su varlığı) ılımlı sıcaklıklarda bile stabilite sonuçlarını domine edebileceği 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 psödo-birinci-derece hidroliz, Arrhenius aktivasyon enerjileri ve her 10 °C için 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 baskın bir proses riski pH hassasiyetinden kaynaklanır: yarı ömür asidik pH'taki uzun sürelerden yüksek pH'taki dakikalara çökerken, oksijen radikal reaksiyonlarını teşvik eder; bu durum oksijen transferini ve lokal alkaliniteyi artıran yüksek kesme kuvvetli operasyonların, dökme sıcaklık ılımlı kalsa bile orantısız şekilde zarar verici olabileceğini göstermektedir.[12]
Flavonoidler için kinon ara ürünleri yoluyla oksidasyon ve pH bağımlı deprotonasyon mekanizmaları (kuersetin), yüksek sıcaklık oksidasyonu ve radikal-zincir eşleşmesiyle (örneğin, oksijen artı kolesterol) birleşerek lipid içeren formülasyonların ve oksijen maruziyetinin oksidatif kayıp yollarını güçlü bir şekilde büyütebileceğini düşündürmektedir.[22, 26]
Kurkumin için, hidroliz kaynaklı anlatımlar (bazı GI-tampon çalışmalarında) ile otoksidasyon kaynaklı anlatımlar (misel odaklı çalışmalarda) arasında mekanistik bir gerilim olsa da, her ikisi de güçlü bir pH etkisinde ve hidrofobik mikro ortamların ve oksijen sınırlamasının koruyucu rolünde birleşmektedir.[11, 32]
Birim operasyon düzeyinde, yüksek kesme kuvvetli prosesler birincil olarak ısı üreterek ve oksidatif duyarlılığı artırarak dolaylı hızlandırıcılar gibi hareket edebilir; bu durum, dönüş hızının çıkış sıcaklığını artırdığı ve askorbik asidin oksidatif kaybıyla örtüştüğü yüksek kesme kuvvetli homojenizasyonda doğrudan gösterilmiştir.[13]
HPH/UHPH ek bir karmaşıklık getirir çünkü valf bölgesi aşırı kesme, kavitasyon ve türbülans uygular ve yüksek lokal sıcaklıklar üretebilir; ancak kalış süreleri çok kısa olabilir (örneğin, UHPH tanımlarında <0.2 s), bu da kimyasal sonuçların bozunmanın hızlı radikal süreçleri, difüzyon sınırlı adımlar veya daha yavaş termal aktivasyon adımları tarafından kontrol edilip edilmediğine bağlı olabileceği anlamına gelir.[14, 34]
Son olarak, birkaç kaynak stabilite modellemesinin ilgili matriste mekanistik olarak doğrulanması gerektiğini vurgulamaktadır: resveratrol tablet verileri, hızlandırılmış testlerden genel Arrhenius ekstrapolasyonunu sınırlayan non-Arrhenius davranışı ve matris etkileri göstermekte; püskürtmeli kurutulmuş bitki özü belirteçleri ise yardımcı maddeye bağlı kinetik dereceler ve bozunan fraksiyon süreleri sergilemektedir.[7, 20]
Sonuçlar
Nicel termodinamik geçiş belirteçleri (DSC/TGA) ve bozunma kinetiği (k, t_(1/2), (E_a), dönüşüme bağlı aktivasyon enerjileri), termolabil uzun ömür bileşiklerinin ve ilgili biyoaktiflerin etkinliğini koruyan üretim koşullarını tasarlamak için prosesle ilgili bir temel sağlar.[4, 8, 9]
NAD⁺ öncülleri için NRCl, erimeyi takiben hızlı bozunmanın geldiği dar bir termal işleme penceresi sergilerken, sulu kinetik, termal maruziyet modellerini parametrelendirebilen 75–83 kJ·mol−1 aktivasyon enerjileri ile pH'a bağlı psödo-birinci-derece davranışı göstermektedir.[4]
Resveratrol için pH ve oksijen baskın değişkenlerdir; yarı ömür asidik pH'taki yüzlerce günden yüksek pH'taki dakikalara çökmekte ve formülasyon matrisleri hızlandırılmış test ekstrapolasyonunu zorlaştıran non-Arrhenius davranışı üretebilmektedir.[7, 12]
Flavonoidler ve kurkuminoidler için oksidasyon yolları (kuersetin için kinon ara ürünleri; kurkumin için otoksidasyon), misel sistemlerinde yarı ömrü mertebelerce, yüksek kesme kuvvetli karıştırma altında üretilen Pickering emülsiyonlarında ise maddi olarak uzattığı nicel olarak gösterilen oksijen kontrolü ve hidrofobik enkapsülasyon stratejilerini teşvik etmektedir.[1, 10, 22, 32]
Yüksek kesme kuvvetli birim operasyonlar için mevcut kanıtlar, kesmenin sıcaklığı yükseltebileceğini ve oksidasyonu teşvik edebileceğini (yüksek kesme kuvvetli karıştırma) ve valf bazlı yüksek basınçlı proseslerin, basınç, geçiş sayısı ve giriş sıcaklığının temel stres değişkenleri olduğu aşırı kesme ve kavitasyon oluşturduğunu göstermektedir; bu içgörüler, zaman-sıcaklık-kesme haritalamasının ve stabiliteyi gösteren analitikler kullanılarak PAT uygulamasının hayata geçirilmesini desteklemektedir.[12–14]
Çıkar çatışması
Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması beyan etmemektedir.[20]
