高剪切加工过程中热敏性长寿化合物的热力学稳定性分析

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

作者与隶属机构

A. Researcher*（通讯作者），B. Engineer，C. Formulation Scientist

• Department of Pharmaceutical Sciences, Placeholder University
• Center for Process Engineering, Placeholder Institute
• Nutraceutical Manufacturing R&D, Placeholder Company

摘要

热敏性长寿相关化合物和多酚类 bioactives 在制造过程中（如高剪切混合、高压均质和喷雾干燥）经常经受热、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，需要定量的、与工艺相关的稳定性参数来界定可制造的设计空间，并指导保护性制剂策略。[1–3]

本综述的方法侧重于从报告以下内容的研中提取定量证据：

• 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⁺ precursors (NR/NRH/NMN)、stilbenoids（resveratrol 相关体系）、flavonoids (quercetin, fisetin, rutin/esters) 和 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，几种代表性的长寿化合物在特定的物理状态下表现出狭窄的热加工窗口。Nicotinamide riboside chloride (NRCl) 在 120.7 ± 0.3 °C 时表现出熔融起始，并伴有熔融后迅速分解（例如，通过 qNMR 测得在 130 °C 时降解率为 98%），而水溶液降解遵循准一级动力学，活化能为 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹，具体取决于 pH。[4]

对于 trans-resveratrol，降解动力学强烈依赖于 pH 和温度（例如，半衰期从 pH 1.2 时的 329 天缩短至 pH 10 时的 3.3 分钟），并且在片剂基质中，加速试验的外推可能呈非 Arrhenius 特性。[7, 12]

高剪切单元操作可诱发局部加热和氧化环境，高剪切均质随转速提高增加出口温度，并在 20,000 rpm 时导致 42.6% 的 ascorbic acid 损失；此外，高压均质机制涉及 >100 MPa 下的阀门剪切、空化和湍流。[13, 14]

结论强调将热力学转变数据 (DSC/TGA/Tg) 与动力学模型（Arrhenius、非 Arrhenius 和等转化率法）相结合，以生成时间–温度–剪切图谱，并理性选择缓解策略，包括包埋、amorphous solid dispersions、cyclodextrin/nanosponge 体系、氧气控制以及剪切/温度最小化。[15–18]

关键词

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

1. 引言

长寿相关化合物越来越多地被配制为营养保健品、功能性食品和先进的递送系统，这促使制造路径将活性成分暴露于包括加热、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源下。[3, 5, 14, 19]

对于 NAD⁺ precursor 化学品，水溶液和固态稳定性至关重要，因为反应可能通过糖苷键或磷酸酯键基序的水解发生，并且加工温度可能跨越先于快速分解的固态转变阈值。[4, 6]

对于 polyphenols 和相关的植物活性成分，稳定性约束包括自动氧化、差向异构化以及酶促氧化为 quinones，这些过程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，制造设计不能仅仅依赖于名义上的体相温度；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
• 捕捉降解对时间、温度、pH、氧气以及（如果可测量）机械能输入依赖性的动力学模型。[4, 9, 10, 14, 15]

本文综合了代表性长寿化合物及相关 bioactives 的定量证据，所含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/microfluidization、机械化学球磨和喷雾干燥）的压力概况联系起来。[1, 14, 15, 20]

2. 热力学框架

在制造背景下，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，这些描述符指示化合物或制剂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机制。[4, 9, 15]

2.1 吉布斯自由能与相稳定性

几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度量。[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 和脂肪酸 rutin esters，ΔG 值为正 (84–245 kJ·mol⁻¹)，同时 ΔH 亦为正 (60–242 kJ·mol⁻¹)，表明在报告的分析中热解曲线呈吸热且非自发性。[8]

在动力学形式化术语中，一些来源还应用过渡态和自由能关系来解释 curcumin spiroborate 复合物等体系中的水解活化。[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：熔融或软化事件会急剧增加扩散并实现快速化学转化，而 TGA 质量损失起始可以指示即使在表观固态下也开始发生不可逆分解。[4, 9, 15]

• 对于 NRCl，DSC 指出熔融起始温度为 120.7 ± 0.3 °C，熔融峰值为 125.2 ± 0.2 °C，随后紧接着一个尖锐的放热事件，峰值在 130.8 ± 0.3 °C。[4]
• 对于 NMN，分解从 160 °C 开始并在 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（最大值在 303 °C）常被错误地归因于熔融，而 TGA 数据表明分解在 230 °C 时与质量损失重叠。[9]
• 对于氮气下的 curcumin，在 240 °C 开始观察到多阶段分解，600 °C 时残留量为 37%。[18]

2.3 无定形与结晶稳定性

无定形制剂可能会改善溶解度和生物利用度，但由于相对于结晶形式增加了分子迁移率，可能会改变热行为和稳定性，使得玻璃化转变温度 (Tg) 成为关键的稳定性参数。[15, 16]

• 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，并表现出与混溶性一致的 Tg 组成偏移。[15]
• 对于 resveratrol 和 oxyresveratrol nanosponges，resveratrol 的熔融吸热峰在 nanosponge 制剂中消失，这归功于包埋和无定形化。[16]
• 对于 quercetin，结合 DSC/TGA 的解释表明，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

包含的来源采用了各种动力学模型（例如，一级、准一级、S 型）和温度依赖性处理（例如，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使用积分一级模型。[4, 11, 12]

• 对于 NRCl 在水溶液中的降解，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 和 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 至 82.8 kJ·mol⁻¹，pH 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]
• Curcumin 在不同介质中的活化能介于 9.75–16.46 kcal·mol⁻¹ 之间。[11]

3.3 等转化率法和无模型法

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 和脂肪酸 rutin esters，活化能随转化程度而变化。[8]
• Resveratrol–β-cyclodextrin 包合物表现出活化能随转化程度增加而增加。[25]

3.4 热-机械耦合与氧化降解

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

• 高剪切均质随转速提高显著增加出口温度，并由于温度升高和氧化导致 ascorbic acid 严重降解。[13]
• 高压均质机制——如阀门剪切、空化和湍流——会诱发氧化和机械压力。[14]
• 在高温、高氧环境中，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、分解起始温度以及玻璃化转变或熔融相关的约束。[4, 11, 12, 15, 24]

4.1 NAD⁺ 前体

• NAD⁺ precursor 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 强烈影响。[4]
• 在固态下，NRCl 的热加工窗口狭窄，在其熔点 120.7 ± 0.3 °C 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-糖苷键产生的不稳定性。[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 降解途径被描述为磷酸二酯键的水解，产生 nicotinamide 和 ribose-5-phosphate，其 pH 依赖性描述为 pH 4.5 以下的酸催化水解和 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，它们在实际制剂中的稳定性可能偏离 Arrhenius 外推。[7, 12, 29]

在水体系中，据报道 trans-resveratrol 在酸性 pH 下稳定，但在 pH 6.8 以上其降解呈指数级增加。半衰期从 pH 1.2 时的 329 天缩短至 pH 10 时的 3.3 分钟。[12]

在 pH 7.4 时，trans-resveratrol 的降解在所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 变化而不同。在酸性条件下，羟基受 H₃O⁺ 保护免受自由基氧化，而在碱性环境中，表酚盐离子增加了对氧化的敏感性，促进了表酚自由基的形成。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，温度升高导致 304 nm 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]

热液实验的机制解释提出了双键的氧化裂解和降解产物的形成，包括羟基醛、醇和羟基酸。FTIR 分析显示在 100–120 °C 时出现了与醛和羧酸形成一致的光谱带。[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 下的 k 值分别为 0.07140、0.1937 和 0.231 months^-1。然而，ln(k) 对 1/T 的关系是非线性的，被归类为超 Arrhenius，这表明在较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]

对于干燥系统中的芪类酚类物质，蒸汽灭菌（121 °C，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%），而在 105 °C 下烘箱干燥 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在 ~200 °C 以上。[31]

Flavonoids

Flavonoids 表现出多途径降解，对 pH、温度、氧气和制剂相互作用（如蛋白质结合）敏感。它们在 DSC/TGA 中的热行为可能涉及分解和软化的重叠。[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了 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 的升高，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 增加从 2.81×10^-2 增加到 0.375 h^-1，并在 65 °C 时上升到 1.42 h^-1。[24]

蛋白质助剂可以缓解降解，其存在时 k 值降低。例如，fisetin 的 k 值从 3.58×10^-2 降至 1.76×10^-2 h^-1，quercetin 的 k 值从 7.99×10^-2 降至 3.80×10^-2 h^-1。这种稳定性归因于疏水相互作用和氢键，而 SDS 会导致去稳定化。需要进一步的研究来量化氢键的贡献。[24]

对于 quercetin，在 90 °C 且接近中性时，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，据报道在氮气下的速率常数为 0.253 h^-1，在氧气下为 0.868 h^-1，在含有 cholesterol 的氧气下为 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 加氧气的情况下剩余量进一步降至 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。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）及其脂肪酸酯，TGA 表明 rutin 在高达 240 °C 时热稳定，而酯类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。活化能范围为 65 至 246 kJ·mol^-1，取决于转化程度。[8]

Cyclodextrin 衍生载体系统

Cyclodextrin 衍生载体系统提供了另一种策略：resveratrol–β-cyclodextrin 包合物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，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]

Nanosponge 包埋

Resveratrol 的 Nanosponge 包埋消除了其 DSC 熔融吸热峰并提供了光保护：游离 resveratrol 在紫外线照射下 15 分钟内降解 59.7%，而 resveratrol nanosponges 提供了约两倍的保护，这与包埋防止直接紫外线暴露是一致的。[16]

Amorphous Solid Dispersions

Amorphous solid dispersions 可以通过机械化学球磨来设计，并且明确识别了 fisetin 与 Eudragit® 酯基之间的氢键，这为混溶性和改变的 Tg 提供了机制基础，可以防止依赖于结晶的溶出行为变化。[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，表明了辅料依赖性的降解动力学。[20]

蛋白质助剂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得到了多个数据集的直接支持。[5, 18]

对于 NRCl，DSC/qNMR 证据表明，超过熔融起始区域（~120–130 °C）会产生极快的降解，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 下 25 °C 半衰期的差异意味着惰性化和除氧可能非常重要，作者报告说，在 4 °C 的 N₂ 毯下的样品在 60 天后未检测到降解，而在 4 °C 的空气中样品显示出 ~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 损失增加相关，这支持了限制剪切驱动加热的工程措施（例如冷却夹套、缩短混合时间、分阶段添加）。[13]

对于喷雾干燥，氧气和热暴露会降低 (poly)phenols，且高温可能对热敏性酚类物质有害，这一主张支持了在可行时降低出口温度以及使用包埋技术来降低氧化和热敏感性的选择。[3]

抗氧化剂与氧气管理

抗氧化剂和氧气管理策略在 polyphenol 数据集中得到了机制支持。[12, 22]

对于 90 °C 下的 quercetin，cysteine 等抗氧化剂可降低 k 值，200 μmol·L⁻¹ 的 cysteine 与对照组相比使 k 值降低了 ~43%，机制解释考虑了 quercetin quinone 的稳定化和自由基猝灭效应。[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，这支持了在碱性/中性水性加工中使用惰性加工气氛或氧气屏障（如可行）。[12]

在脂质体系统中，据报道 resveratrol 通过中和自由基限制 stigmasterol 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

在此综合的证据库中，最强的定量模式是，化学微环境（pH、氧气、水的存在）即使在适度温度下也能主导稳定性结果，并且几种 bioactives 在特定的热转变阈值处表现出尖锐的稳定性不连续性。[4, 5, 12]

对于 NAD⁺ precursors，NRCl 数据集突出了双重状态：在水溶液中，准一级水解可以用 Arrhenius 活化能建模，每 10 °C 速率大约增加两倍；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，pH 敏感性是一个主要的工艺风险：半衰期从酸性 pH 下的长时程骤减至高 pH 下的几分钟，而氧气促进自由基反应，这表明增加氧传递和局部碱度的高剪切操作可能会造成不成比例的损害，即使体相温度保持适中。[12]

对于 flavonoids，通过 quinone 中间体的氧化和 pH 依赖性去质子化机制 (quercetin) 与高温氧化及自由基链偶联（例如氧气加 cholesterol）相结合，这表明含脂质制剂和氧气暴露会强烈放大氧化损失途径。[22, 26]

对于 curcumin，在水解驱动的描述（在某些 GI 缓冲液研究中）和自动氧化驱动的描述（在以胶束为中心的研究中）之间存在机制张力，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，高剪切工艺主要通过产生热量和增加氧化敏感性来充当间接促进剂；这在高剪切均质中得到了直接证明，其中转速会提高出口温度，并伴随着 ascorbic acid 的氧化损失。[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受快速自由基过程、扩散限制步骤还是较慢的热活化步骤控制。[14, 34]

最后，几个来源强调，稳定性建模必须在相关基质中进行机制验证：resveratrol 片剂数据显示出非 Arrhenius 行为和基质效应，这限制了从加速测试中进行一般的 Arrhenius 外推，而喷雾干燥的植物提取物标记物显示出依赖于辅料的动力学级数和降解分数时间。[7, 20]

结论

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

对于 NAD⁺ precursors，NRCl 在熔融附近表现出狭窄的热加工窗口，随后迅速分解，而水溶液动力学表现出 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 和氧气是主要变量，半衰期从酸性 pH 下的数百天骤减至高 pH 下的几分钟，且制剂基质会产生非 Arrhenius 行为，使加速测试外推复杂化。[7, 12]

对于 flavonoids 和 curcuminoids，氧化途径（quercetin 的 quinone 中间体；curcumin 的自动氧化）促使采取控氧和疏水包埋策略，定量研究表明，这些策略在胶束体系中可使半衰期延长数个数量级，并在高剪切混合产生的 Pickering 乳液中产生实质性改善。[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压力变量；这些见解支持实施时间–温度–剪切图谱绘制，并利用稳定性指示分析法开展 PAT。[12–14]

致谢

作者感谢 Placeholder Laboratory 就稳定性指示分析和工艺图谱进行的内部讨论。[12]

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。[20]