高剪切加工中热敏性长寿化合物的热力学稳定性

高剪切制造压力下热敏性长寿化合物的热力学稳定性与降解动力学

摘要

热敏性长寿相关化合物和多酚类 bioactives 在制造过程中（例如高剪切混合、高压均质和喷雾干燥）经常面临热、氧化、pH 和机械压力的耦合作用，这可能加速化学降解并降低交付效价。因此，需要与工艺相关的定量稳定性参数来定义可制造性设计空间，并指导保护性配方策略。[1–3]

本综述中的方法侧重于从报告以下内容的实验研究中提取的定量证据：

• 通过 DSC 和 TGA 评估的热力学/热转变（熔融、分解起始、玻璃化转变和分阶段质量损失行为）
• 针对 NAD⁺ 前体 (NR/NRH/NMN)、stilbenoids (resveratrol 相关体系)、flavonoids (quercetin、fisetin、rutin/esters) 以及 curcuminoids 的降解动力学（准一级/一级模型、Arrhenius 活化能、pH 依赖性以及降解分数时间测量）。[4–11]

结果表明，几种具有代表性的长寿化合物在特定物理状态下表现出狭窄的热处理窗口。Nicotinamide riboside chloride (NRCl) 在 120.7 ± 0.3 °C 时表现出熔融起始，并伴有快速的熔融后分解（例如，通过 qNMR 检测到在 130 °C 时降解率为 98%），而水相降解遵循准一级动力学，其活化能根据 pH 值不同在 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ 之间。[4]

对于 trans-resveratrol，降解动力学表现出强烈的 pH 和温度依赖性（例如，半衰期从 pH 1.2 时的 329 天减少到 pH 10 时的 3.3 分钟），并且在片剂基质中的加速测试推导可能呈现 non-Arrhenius 特性。[7, 12]

高剪切单元操作会诱导局部加热和氧化环境，正如高剪切均质随着转速增加提高出口温度，并在 20,000 rpm 时导致 42.6% 的 ascorbic-acid 损失，以及在 >100 MPa 下涉及阀门剪切、空化和湍流的高压均质机制所证明的那样。[13, 14]

结论强调将热力学转变数据 (DSC/TGA/Tg) 与动力学模型（Arrhenius、non-Arrhenius 和等转化率法）相结合，以生成时间-温度-剪切图谱，并合理选择缓解策略，包括微囊化、无定形固体分散体、cyclodextrin/nanosponge 体系、氧气控制以及剪切/温度最小化。[15–18]

关键词

热敏性 bioactives；降解动力学；Arrhenius；DSC；TGA；高压均质；喷雾干燥；NAD⁺ 前体

1. 引言

长寿相关化合物越来越多地被配制成膳食补充剂、功能性食品和先进给药系统，这促使制造工艺将活性成分暴露在包括加热、氧气接触、水分活度、pH 偏移和剧烈机械能输入在内的综合压力下。[3, 5, 14, 19]

对于 NAD⁺ 前体化学品，水相和固态稳定性至关重要，因为反应可能通过 glycosidic 或 phosphate-linked motifs 的水解发生，且加工温度可能跨越快速分解前的固态转变阈值。[4, 6]

对于多酚类及相关的植物活性成分，稳定性限制包括自动氧化、差向异构化以及酶促氧化为 quinones，这些反应对加工过程中的温度、pH、金属离子和氧气利用率非常敏感。[17]

一个实际的意义是，制造设计不能仅依赖于名义散装温度；相反，它必须整合：

• 热力学指标，如玻璃化转变、熔融和分解起始
• 动力学模型，捕捉降解对时间、温度、pH、氧气以及（如果可测量的）机械能输入的依赖性。[4, 9, 10, 14, 15]

本文综合了具有代表性的长寿化合物及相关 bioactives 的定量证据，所包含的来源提供了明确的热力学转变和/或动力学参数，并将这些数据与高剪切单元操作（包括高剪切混合、高压均质/微射流、机械化学研磨和喷雾干燥）的压力曲线联系起来。[1, 14, 15, 20]

2. 热力学框架

在制造环境中，热力学稳定性通过可测量的热事件 (DSC/TGA) 和状态描述符（例如无定形 vs 结晶；玻璃化转变温度）进行操作性评估，这些指标指示化合物或配方何时转变为具有更高分子迁移率的状态，从而导致更高的反应速率或不同的反应机制。[4, 9, 15]

2.1 吉布斯自由能与相稳定性

多个包含的来源明确计算了降解过程或热破坏的吉布斯自由能变化，提供了特定条件下可行性的热力学衡量标准。[8, 19]

• 对于 NR borate，通过吉布斯自由能计算评估了降解的自发性，报告的 ΔG 为 2.43 kcal·mol⁻¹。[19]
• 对于热解条件下的 rutin 和 fatty-acid rutin esters，ΔG 值为正 (84–245 kJ·mol⁻¹)，同时 ΔH 也为正 (60–242 kJ·mol⁻¹)，表明在报告的分析中呈现吸热且非自发的热解曲线。[8]

在动力学形式化方面，一些来源还应用过渡态和自由能关系来解释 curcumin spiroborate complex 等系统中的水解活化。[21]

2.2 玻璃化转变、熔融与分解起始

DSC 和 TGA 提供了工艺风险的互补标记：熔融或软化事件可以急剧增加扩散并实现快速的化学转化，而 TGA 质量损失起始可以指示即使在表观固态下不可逆分解的开始。[4, 9, 15]

• 对于 NRCl，DSC 显示熔融起始温度为 120.7 ± 0.3 °C，熔融峰值为 125.2 ± 0.2 °C，随后立即出现峰值为 130.8 ± 0.3 °C 的剧烈放热事件。[4]
• 对于 NMN，分解始于 160 °C 并在 165 °C 时完成，DSC 吸热峰位于 162 °C，分解焓为 184 kJ·mol⁻¹。[6]
• 对于 quercetin，强烈的 DSC 吸热峰（最高在 303 °C）常被错误地归因于熔融，而 TGA 数据显示分解发生在 230 °C 并伴随质量损失。[9]
• 对于氮气环境下的 curcumin，在 240 °C 开始观察到多阶段分解，在 600 °C 时残留率为 37%。[18]

2.3 无定形与结晶稳定性

无定形配方可能提高溶解度和生物利用度，但通过增加相对于结晶形式的分子迁移率，可能会改变热行为和稳定性，使玻璃化转变温度 (Tg) 成为关键的稳定性参数。[15, 16]

• 通过机械化学制备的 fisetin 无定形固体分散体 (ASDs) 在第二次加热扫描中显示出可测量的 Tg 值，并表现出与相容性一致的 Tg 成分偏移。[15]
• 对于 resveratrol 和 oxyresveratrol 纳米海绵，resveratrol 的熔融吸热峰在纳米海绵配方中消失，这归因于微囊化和无定形化。[16]
• 对于 quercetin，DSC/TGA 综合解释表明在 150–350 °C 范围内发生了分解和结构松弛/软化。[9]

3. 降解动力学模型与参数

所包含的来源采用了各种动力学模型（如一级、准一级、S 型）和温度依赖性处理（如 Arrhenius 行为）来表征降解。[4, 7, 22]

3.1 反应级数模型

溶液相降解的标准方法是使用积分一级模型。[4, 11, 12]

• 对于水溶液中的 NRCl 降解，报告了准一级动力学。[4, 23]
• 喷雾干燥的植物提取物标记物表现出不同的反应级数，包括针对特定化合物的零级和二级模型。[20]

3.2 Arrhenius 与 Eyring 处理

降解的温度依赖性通常使用 Arrhenius 型表达式进行建模。[4, 10, 12]

• 对于 NRCl，活化能范围为 75.4 到 82.8 kJ·mol⁻¹，pH 值会影响这些数值。[4]
• trans-resveratrol 在 pH 7.4 时的活化能为 84.7 kJ·mol⁻¹。[12]
• 不同介质中的 curcumin 表现出的活化能在 9.75–16.46 kcal·mol⁻¹ 之间。[11]

3.3 等转化率法与模型无关法

等转化率法（如 KAS、FWO、Friedman）用于识别多步分解和机制变化。[8, 18, 25]

• 对于 rutin 和 fatty-acid rutin esters，活化能随转化程度而变化。[8]
• resveratrol–β-cyclodextrin clathrates 显示活化能随转化程度增加而增加。[25]

3.4 耦合热-机械与氧化降解

高剪切制造工艺将机械压力与局部加热和氧化结合在一起，促进了降解途径。[13, 14, 17]

• 高剪切均质随着转速显著提高出口温度，并由于温度升高和氧化导致严重的 ascorbic-acid 降解。[13]
• 高压均质机制——如阀门剪切、空化和湍流——诱导了氧化和机械压力。[14]
• 在高温、高氧环境下，氧化偶联加速了 quercetin 的降解。[26]

4. 化合物类别综述

以下综述强调了与制造模型相关的关键动力学和热力学参数，如活化能、速率常数、半衰期、分解起始以及玻璃化转变或熔融相关的限制。[4, 11, 12, 15, 24]

4.1 NAD⁺ 前体

• NAD⁺ 前体的稳定性受水解敏感性、热转变敏感性和氧驱动氧化的显著影响。[4, 5]
• NRCl 降解动力学表现出准一级行为，活化能范围为 75.4 至 82.8 kJ·mol⁻¹，受 pH 值强烈影响。[4]
• 在固态下，NRCl 的热加工窗口很窄，在其 120.7 ± 0.3 °C 的熔点以上会发生快速降解。[4]
• NRH 在酸性条件和氧气存在下表现出快速降解，突显了其由于 N-glycosidic bond 导致的不稳定性。[5]
• NMN 在高于 160 °C 的温度下分解，并在水溶液中表现出 pH 和温度敏感的降解模式。[6, 27, 28]

NMN 降解途径

主要的 NMN 降解途径被描述为 phosphodiester linkage 的水解，产生 nicotinamide 和 ribose-5-phosphate，其 pH 依赖性表现为在 pH 4.5 以下的酸催化水解以及在 pH 7.5 以上的碱介导裂解。[28]

Stilbenoids

Stilbenoids 包括 resveratrol 及其相关化合物，它们表现出强烈的 pH 和氧依赖性降解。由于基质效应和多条途径，它们在实际配方中的稳定性可能偏离 Arrhenius 推导。[7, 12, 29]

在水相体系中，据报告 trans-resveratrol 在酸性 pH 下稳定，但其降解在 pH 6.8 以上呈指数级增加。半衰期从 pH 1.2 时的 329 天减少到 pH 10 时的 3.3 分钟。[12]

在 pH 7.4 时，trans-resveratrol 的降解在研究的温度范围内遵循一级动力学，活化能为 84.7 kJ·mol^-1。[12]

降解机制随 pH 值变化。在酸性条件下，羟基受到 H₃O⁺ 的保护而不受自由基氧化；而在碱性环境下，phenate ions 增加了对氧化的敏感性，促进了 phenoxy radical 的形成。此外，介质中的氧气会加速导致降解的自由基反应。[12]

水溶液 (19 mg·L^-1) 中的热稳定性实验显示，在高达 70 °C 的温度下处理 30 分钟后，光谱无显著变化。然而，升高的温度导致 304 nm 处以及 270–350 nm 范围内的吸光度下降，表明发生了热诱导降解。[30]

水热实验的机制解释提出了双键的氧化裂解以及降解产物的形成，产物包括 hydroxy aldehydes、alcohols 和 hydroxy acids。FTIR 分析揭示了在 100–120 °C 时与 aldehyde 和 carboxylic acid 形成一致的谱带。[30]

在片剂基质中，resveratrol 的降解遵循一级单指数动力学，在 25、30 和 40 °C 时的 k 值分别为 0.07140、0.1937 和 0.231 months^-1。然而，ln(k) 与 1/T 的关系是非线性的，被归类为 super-Arrhenius，这表明在更高温度下存在额外的反应、多条途径或基质效应。[7]

研究表明，加速测试可能会高估降解，作者建议采用替代方法来确定降解动力学。[7]

对于干燥系统中的 stilbene 样酚类物质，121 °C 蒸汽灭菌 20 分钟等热处理会导致可测量的损失（例如，pinosylvin 峰面积减少 20.98%），105 °C 烘箱干燥 24 小时会导致几种酚类物质减少 50% 以上。然而，TGA 显示 pinosylvin 体系的分解起始温度高于 ~200 °C。[31]

Flavonoids

Flavonoids 表现出多途径降解，对 pH、温度、氧气和配方相互作用（如蛋白质结合）非常敏感。它们在 DSC/TGA 中的热行为可能涉及重叠的分解和软化。[9, 22, 24]

研究表明，将介质 pH 从 6.0 提高到 7.5 会加速降解，fisetin 和 quercetin 的降解速率常数分别增加 24 倍和 12 倍。此外，将温度提高到 37 °C 以上会进一步增加速率常数。[24]

• 对于 fisetin：随着 pH 值升高，k 从 8.30×10^-3 增加到 0.202 h^-1，在 65 °C 时增加到 0.490 h^-1。
• 对于 quercetin：k 随 pH 值从 2.81×10^-2 增加到 0.375 h^-1，在 65 °C 时升至 1.42 h^-1。[24]

蛋白质辅料可以缓解降解，正如在它们存在下 k 值降低所指示的那样。例如，fisetin 的 k 从 3.58×10^-2 降至 1.76×10^-2 h^-1，quercetin 的 k 从 7.99×10^-2 降至 3.80×10^-2 h^-1。稳定性归因于疏水相互作用和氢键，而 SDS 会导致失稳。需要进一步研究来量化氢键的贡献。[24]

对于接近中性且在 90 °C 下的 quercetin，观察到强烈的 pH 效应。从 pH 6.5 到 7.5，降解速率常数增加了约五倍，产生 quercetin quinone 等中间氧化产物，最终产物为 protocatechuic acid (PCA) 和 phloroglucinol carboxylic acid (PGCA)。[22]

高温系统 (150 °C) 会加速降解，报告的速率常数在氮气下为 0.253 h^-1，氧气下为 0.868 h^-1，氧气加 cholesterol 下为 7.17 h^-1。Quercetin 的损失从氮气下 10 分钟时的 7.9% 增加到氧气下的 20.4%，在 cholesterol 加氧气存在下，残留率进一步下降至 10.9%。[26]

热分析显示，quercetin 在 90–135 °C 处有一个小的吸热峰（与轻微的质量损失有关），并从 230 °C 开始分解。在 303 °C 处的显著 DSC 吸热峰与分解重叠，氢键既限制了类熔融行为，又促进了分解。[9]

对于 rutin（一种 quercetin 糖苷）及其 fatty acid esters，TGA 表明 rutin 在 240 °C 以下具有热稳定性，而 esters 表现出较低的初始降解温度和在主要降解阶段较高的质量损失。根据转化程度的不同，活化能范围为 65 到 246 kJ·mol^-1。[8]

环糊精衍生载体系统

环糊精衍生载体系统提供了另一种策略：resveratrol–β-cyclodextrin clathrates 表现出的热事件包括 50 °C 附近的水释放和更高温度下的降解事件，而结合自由能（例如通过 MM/PBSA 测得的 −86 kJ·mol⁻¹）量化了强烈的包合相互作用。[25]

纳米海绵微囊化

resveratrol 的纳米海绵微囊化消除了其 DSC 熔融吸热峰并提供了光保护：游离 resveratrol 在 UV 照射 15 分钟内降解率为 59.7%，而 resveratrol 纳米海绵提供约两倍的保护，这与微囊化防止直接 UV 暴露是一致的。[16]

无定形固体分散体

无定形固体分散体可以通过机械化学研磨制备，fisetin 与 Eudragit® 酯基之间的氢键已被明确识别，这为相容性和改变 Tg 提供了机制基础，从而可以防止溶解行为中依赖于结晶的变化。[15]

辅料与载体选择

辅料选择可以改变动力学机制和稳定性结果，正如在喷雾干燥的植物提取物系统中报告的那样，其中反应级数和降解分数时间因辅料混合物而异，表明降解动力学具有辅料依赖性。[20]

蛋白质辅料可以通过疏水相互作用稳定 flavonoids，降低 fisetin 和 quercetin 的 k 值，而 SDS 对这些相互作用的破坏支持了疏水结合是关键稳定机制的解释。[24]

工艺工程控制

减少热暴露和氧气接触的工艺控制直接得到多组数据集的支持。[5, 18]

对于 NRCl，DSC/qNMR 证据表明，超过熔融起始区域 (~120–130 °C) 会产生极其快速的降解，这为加热固态操作中的温度和停留时间设定了硬性上限。[4]

对于 NRH，空气和 N₂ 环境下 25 °C 半衰期的差异意味着惰性化和除氧可能非常重要，作者报告称，在 4 °C 的 N₂ 覆盖下的样品在 60 天后未检测到降解，而在 4 °C 空气中的样品显示出 ~10% 的降解。[5]

对于高剪切均质，直接观察到增加 rpm 会提高出口温度，并与氧化敏感的 ascorbic-acid 更高的损失相关，这支持了限制剪切驱动加热的工程措施（例如冷却夹套、更短的混合时间、分阶段添加）。[13]

对于喷雾干燥，氧气和热暴露会减少 (poly)phenols，且高温可能对热敏性酚类物质有害，这支持了诸如在可行时降低出口温度以及使用微囊化来降低氧化和热敏性的选择。[3]

抗氧化剂与氧气管理

抗氧化剂和氧气管理策略在多酚类数据集中得到了机制支持。[12, 22]

对于 90 °C 下的 quercetin，cysteine 等抗氧化剂会降低 k 值，200 μmol·L⁻¹ 的 cysteine 与对照组相比使 k 降低了约 43%，机制解释考虑了对 quercetin quinone 的稳定作用和自由基淬灭效应。[22]

对于 trans-resveratrol，据明确报告氧气会促进导致降解的自由基反应，这支持在碱性/中性水相加工时采用惰性加工气氛或氧气屏障。[12]

在脂质体系统中，据报告 resveratrol 通过中和自由基限制 stigmasterol 的氧化，并整合到脂质双分子层中增加刚性，降低对氧气和氧化剂的渗透性，从而增强系统的热和氧化稳定性。[35]

讨论

在本文综合的证据库中，最强的定量规律是化学微环境（pH、氧气、水的存在）即使在适度的温度下也能主导稳定性结果，并且几种生物活性物质在特定的热转变阈值处表现出急剧的稳定性断裂。[4, 5, 12]

对于 NAD⁺ 前体，NRCl 数据集突显了双重机制：在水溶液中，准一级水解可以用 Arrhenius 活化能建模，每升高 10 °C 速率约增加两倍；而在固态下，120–130 °C 附近的狭窄区域对应于熔融，随后立即发生快速分解。[4]

对于 resveratrol，一个主要的工艺风险源于 pH 敏感性：半衰期从酸性 pH 下的长时效骤降至高 pH 下的几分钟，而氧气促进自由基反应，这表明即使散装温度保持适中，增加氧转移和局部碱度的高剪切操作也可能造成不成比例的破坏。[12]

对于 flavonoids，通过 quinone 中间体的氧化和 pH 依赖性的脱质子机制 (quercetin) 与高温氧化和自由基链偶联（例如氧气加 cholesterol）相结合，这表明含脂质配方和氧气暴露会显著放大氧化损失途径。[22, 26]

对于 curcumin，在以水解驱动的叙述（在一些胃肠道缓冲液研究中）和以自动氧化驱动的叙述（在以胶束为中心的研究中）之间存在机制上的张力，但两者都趋向于强烈的 pH 效应以及疏水微环境和限氧的保护作用。[11, 32]

在单元操作层面，高剪切工艺可能主要作为间接加速剂，通过产生热量和增加氧化敏感性发挥作用；这在高剪切均质中得到了直接证明，其中转速增加了出口温度并与 ascorbic-acid 的氧化损失相吻合。[13]

HPH/UHPH 引入了额外的复杂性，因为阀门区域施加了极端的剪切、空化和湍流，并可能产生较高的局部温度，尽管停留时间可能非常短（例如 UHPH 描述中 <0.2 s），这意味着化学结果可能取决于降解是由快速自由基过程、扩散限制步骤还是较慢的热活化步骤控制的。[14, 34]

最后，一些来源强调，稳定性建模必须在相关基质中进行机制验证：resveratrol 片剂数据表现出 non-Arrhenius 行为和基质效应，这限制了从加速测试进行通用 Arrhenius 推导的可行性，而喷雾干燥的植物提取物标记物表现出辅料依赖性的动力学级数和降解分数时间。[7, 20]

结论

定量的热力学转变标记物 (DSC/TGA) 和降解动力学 (k, t_1/2, E_a, 依赖转化的活化能) 为设计制造条件提供了与工艺相关的基础，以保留热敏性长寿化合物及相关 bioactives 的效价。[4, 8, 9]

对于 NAD⁺ 前体，NRCl 在熔融附近表现出狭窄的热加工窗口，随后发生快速分解，而水相动力学显示 pH 依赖的准一级行为，活化能为 75–83 kJ·mol⁻¹，可用于热暴露模型参数化。[4]

对于 resveratrol，pH 和氧气是主导变量，半衰期从酸性 pH 下的数百天骤降至高 pH 下的几分钟，且配方基质可能产生 non-Arrhenius 行为，使加速测试推导复杂化。[7, 12]

对于 flavonoids 和 curcuminoids，氧化途径（quercetin 的 quinone 中间体；curcumin 的自动氧化）促使采用控氧和疏水微囊化策略，定量显示这些策略在胶束系统中可将半衰期延长几个数量级，并在高剪切混合产生的 Pickering emulsions 中产生实质性保护。[1, 10, 22, 32]

对于高剪切单元操作，现有证据表明剪切会升高温度并促进氧化（高剪切混合），且基于阀门的高压工艺会产生极端的剪切和空化，压力、通过次数和入口温度是关键的压力变量；这些见解支持实施时间-温度-剪切图谱，并使用稳定性指示分析技术进行 PAT。[12–14]

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。[20]