الاستقرار الديناميكي الحراري لمركبات طول العمر غير المستقرة حرارياً في معالجة القص العالي

الاستقرار الديناميكي الحراري وحركية التحلل لمركبات طول العمر القابلة للتأثر بالحرارة تحت إجهاد التصنيع عالي القص

المؤلفون والانتسابات

A. Researcher* (المؤلف المسؤول)، B. Engineer، C. Formulation Scientist

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

ملخص

غالبًا ما تتعرض مركبات طول العمر المرتبطة القابلة للتأثر بالحرارة والنشطات الحيوية البوليفينولية لإجهادات حرارية، وتأكسدية، وهيدروجينية (pH)، وميكانيكية مقترنة أثناء التصنيع (مثل الخلط عالي القص، والتجانس عالي الضغط، والتجفيف بالرذاذ)، مما قد يؤدي إلى تسريع التحلل الكيميائي وتقليل الفعالية المقدمة. ولذلك، فإن معايير الاستقرار الكمية ذات الصلة بالعملية مطلوبة لتحديد مساحات التصميم القابلة للتصنيع وتوجيه استراتيجيات الصياغة الوقائية. [1–3]

تركّز الأساليب في هذا التخليق الحالي على الأدلة الكمية المستخلصة من الدراسات التي أبلغت عن:

• الانتقالات الديناميكية الحرارية/الحرارية التي تم تقييمها بواسطة DSC و TGA (الانصهار، بداية التحلل، الانتقالات الزجاجية، وسلوك فقدان الكتلة على مراحل)
• حركية التحلل (نماذج الرتبة الأولى الكاذبة/الرتبة الأولى، طاقات تنشيط Arrhenius، الاعتماد على pH، ومقاييس الوقت اللازم لتحلل جزء معين) لسلائف NAD⁺ (NR/NRH/NMN)، والستيلبينويدات (الأنظمة المرتبطة بـ resveratrol)، والفلافونيدات (quercetin، fisetin، rutin/esters)، والكركمينويدات. [4–11]

تشير النتائج إلى أن العديد من مركبات طول العمر التمثيلية تظهر نوافذ معالجة حرارية ضيقة في حالات فيزيائية محددة. يظهر Nicotinamide riboside chloride (NRCl) بداية انصهار عند 120.7 ± 0.3 °C مع تحلل سريع بعد الانصهار (على سبيل المثال، تحلل بنسبة 98% عند 130 °C بواسطة qNMR)، بينما يتبع التحلل المائي حركية الرتبة الأولى الكاذبة مع طاقات تنشيط تتراوح بين 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ اعتمادًا على pH. [4]

بالنسبة لـ trans-resveratrol، تعتمد حركية التحلل بشدة على pH ودرجة الحرارة (على سبيل المثال، يتناقص عمر النصف من 329 يومًا عند pH 1.2 إلى 3.3 دقيقة عند pH 10)، ويمكن أن يكون استقراء الاختبار المتسارع غير تابع لـ Arrhenius في مصفوفات الأقراص. [7, 12]

يمكن لعمليات الوحدات عالية القص أن تحفز التسخين الموضعي والبيئات التأكسدية، كما يتضح من التجانس عالي القص الذي يؤدي إلى زيادة درجة حرارة المخرج مع زيادة سرعة الدوران، وهو ما يتزامن مع فقدان 42.6% من ascorbic-acid عند 20,000 rpm، ومن خلال آليات التجانس عالي الضغط التي تشمل قص الصمام، والتكهف، والاضطراب عند ضغط أعلى من 100 MPa. [13, 14]

تؤكد الاستنتاجات على دمج بيانات الانتقال الديناميكي الحراري (DSC/TGA/Tg) مع النماذج الحركية (طرق Arrhenius، وغير Arrhenius، والطرق متساوية التحويل) لإنتاج خرائط الوقت–الحرارة–القص واختيار استراتيجيات التخفيف بعقلانية، بما في ذلك التغليف، والتشتتات الصلبة غير المتبلورة، وأنظمة cyclodextrin/nanosponge، والتحكم في الأكسجين، وتقليل القص/درجة الحرارة إلى أدنى حد. [15–18]

الكلمات المفتاحية

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

1. مقدمة

يتم صياغة المركبات ذات الصلة بطول العمر بشكل متزايد كمغذيات وظيفية، وأغذية وظيفية، وأنظمة توصيل متقدمة، مما يحفز مسارات التصنيع التي تعرض المواد النشطة لمزيج من الضغوط بما في ذلك التسخين، والاتصال بالأكسجين، والنشاط المائي، وتغيرات pH، ومدخلات الطاقة الميكانيكية المكثفة. [3, 5, 14, 19]

بالنسبة لكيمياء سلائف NAD⁺، يعد الاستقرار في الحالة المائية والصلبة أمرًا مركزيًا لأن التفاعل يمكن أن يحدث عبر التحلل المائي لأنماط مرتبطة بالجليكوسيدات أو الفوسفات، ولأن درجات حرارة المعالجة يمكن أن تتجاوز عتبات انتقال الحالة الصلبة التي تسبق التحلل السريع. [4, 6]

بالنسبة للبوليفينولات والنشطات النباتية ذات الصلة، تشمل قيود الاستقرار الأكسدة الذاتية، والتماكب الصنوي، والأكسدة الإنزيمية إلى الكينونات، والتي تعتبر حساسة لدرجة الحرارة، و pH، وأيونات المعادن، وتوفر الأكسجين أثناء المعالجة. [17]

الآثار العملية هي أن تصميم التصنيع لا يمكن أن يعتمد فقط على درجة حرارة الكتلة الاسمية؛ بدلاً من ذلك، يجب أن يدمج:

• المؤشرات الديناميكية الحرارية مثل الانتقال الزجاجي، والانصهار، وبداية التحلل
• النماذج الحركية التي تلتقط اعتماد التحلل على الوقت، ودرجة الحرارة، و pH، والأكسجين، ومدخلات الطاقة الميكانيكية (حيثما كان ذلك قابلاً للقياس). [4, 9, 10, 14, 15]

تجمع هذه الورقة الأدلة الكمية حول مركبات طول العمر التمثيلية والنشطات الحيوية ذات الصلة التي توفر المصادر المضمنة لها انتقالات ديناميكية حرارية و/أو معايير حركية صريحة، وتربط تلك البيانات بملفات الإجهاد لعمليات الوحدات عالية القص بما في ذلك الخلط عالي القص، والتجانس عالي الضغط/Microfluidization، والطحن الميكانيكي الكيميائي، والتجفيف بالرذاذ. [1, 14, 15, 20]

2. الإطار الديناميكي الحراري

يتم تقييم الاستقرار الديناميكي الحراري في سياقات التصنيع عمليًا باستخدام الأحداث الحرارية القابلة للقياس (DSC/TGA) وواصفات الحالة (مثل غير المتبلور مقابل البلوري؛ درجة حرارة الانتقال الزجاجي) التي تشير إلى متى ينتقل مركب أو تركيبة إلى حالات ذات حركية جزيئية أعلى وبالتالي معدلات تفاعل أعلى أو آليات مختلفة. [4, 9, 15]

2.1 طاقة Gibbs الحرة واستقرار الطور

تحسب العديد من المصادر المضمنة صراحةً تغيرات طاقة Gibbs الحرة لعمليات التحلل أو التدمير الحراري، مما يوفر مقياسًا ديناميكيًا حراريًا للجدوى تحت ظروف محددة. [8, 19]

• بالنسبة لـ NR borate، تم تقييم عفوية التحلل عبر حساب طاقة Gibbs الحرة، حيث تم الإبلاغ عن قيمة ΔG بمقدار 2.43 kcal·mol⁻¹. [19]
• بالنسبة لـ rutin واسترات rutin للأحماض الدهنية تحت ظروف الانحلال الحراري، كانت قيم ΔG موجبة (84–245 kJ·mol⁻¹) جنبًا إلى جنب مع ΔG موجبة (60–242 kJ·mol⁻¹)، مما يشير إلى ملف انحلال حراري ماص للحرارة وغير عفوي في التحليل المبلغ عنه. [8]

من حيث المصطلحات الحركية، تطبق عدة مصادر أيضًا علاقات الحالة الانتقالية والطاقة الحرة لتفسير تنشيط التحلل المائي في أنظمة مثل معقد curcumin spiroborate. [21]

2.2 الانتقال الزجاجي، والانصهار، وبداية التحلل

يوفر DSC و TGA علامات تكميلية لمخاطر العملية: يمكن لأحداث الانصهار أو التلين أن تزيد بشكل حاد من الانتشار وتسمح بالتحول الكيميائي السريع، كما يمكن لبداية فقدان الكتلة في TGA أن تشير إلى بداية التحلل غير القابل للانعكاس حتى في الحالة الصلبة الظاهرة. [4, 9, 15]

• بالنسبة لـ NRCl، يشير DSC إلى بداية انصهار عند 120.7 ± 0.3 °C وذروة انصهار عند 125.2 ± 0.2 °C، يليه حدث طارد للحرارة حاد وفوري يبلغ ذروته عند 130.8 ± 0.3 °C. [4]
• بالنسبة لـ NMN، يبدأ التحلل عند 160 °C وينتهي عند 165 °C، مع ذروة DSC ماصة للحرارة عند 162 °C ومحتوى حراري للتحلل يبلغ 184 kJ·mol⁻¹. [6]
• بالنسبة لـ quercetin، غالبًا ما يتم عزو ذروة DSC الماصة للحرارة الشديدة (الحد الأقصى عند 303 °C) بشكل خاطئ إلى الانصهار، بينما تشير بيانات TGA إلى التحلل عند 230 °C بالتداخل مع فقدان الكتلة. [9]
• بالنسبة لـ curcumin تحت النيتروجين، لوحظ تحلل متعدد المراحل يبدأ عند 240 °C، مع بقاء 37% من البقايا عند 600 °C. [18]

2.3 استقرار المواد غير المتبلورة والبلورية

قد تعمل الصيغ غير المتبلورة على تحسين الذوبانية والتوافر الحيوي ولكنها يمكن أن تغير السلوك الحراري والاستقرار من خلال زيادة الحركية الجزيئية بالنسبة للأشكال البلورية، مما يجعل درجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg) معلمة استقرار حرجة. [15, 16]

• تظهر التشتتات الصلبة غير المتبلورة (ASDs) لـ fisetin المحضرة ميكانيكيًا كيميائيًا قيم Tg قابلة للقياس في عمليات التسخين الثانية وتظهر تحولات تركيبية في Tg تتفق مع الامتزاج. [15]
• بالنسبة لـ resveratrol و nanosponges oxyresveratrol، تختفي ذروة انصهار resveratrol الماصة للحرارة في صيغ nanosponges، وهو ما يعزى إلى التغليف والتحول إلى الحالة غير المتبلورة. [16]
• بالنسبة لـ quercetin، يشير تفسير DSC/TGA المشترك إلى التحلل والاسترخاء الهيكلي/التلين في نطاق 150–350 °C. [9]

3. نماذج ومعايير حركية التحلل

تستخدم المصادر المضمنة نماذج حركية مختلفة (مثل الرتبة الأولى، الرتبة الأولى الكاذبة، السيني) ومعالجات الاعتماد على درجة الحرارة (مثل سلوك Arrhenius) لتوصيف التحلل. [4, 7, 22]

3.1 نماذج رتبة التفاعل

يستخدم النهج القياسي لتحلل طور المحلول نموذج الرتبة الأولى المتكامل. [4, 11, 12]

• بالنسبة لتحلل NRCl في المحاليل المائية، تم الإبلاغ عن حركية الرتبة الأولى الكاذبة. [4, 23]
• تظهر علامات المستخلصات النباتية المجففة بالرذاذ رتب تفاعل متفاوتة، بما في ذلك نماذج الرتبة صفر والرتبة الثانية لمركبات محددة. [20]

3.2 معالجات Arrhenius و Eyring

غالبًا ما يتم نمذجة الاعتمادات الحرارية للتحلل باستخدام تعبيرات من نوع Arrhenius. [4, 10, 12]

• بالنسبة لـ NRCl، تتراوح طاقات التنشيط من 75.4 إلى 82.8 kJ·mol⁻¹، مع تأثير pH على هذه القيم. [4]
• يظهر trans-resveratrol طاقة تنشيط تبلغ 84.7 kJ·mol⁻¹ عند pH 7.4. [12]
• يظهر curcumin في أوساط متنوعة طاقات تنشيط تتراوح بين 9.75–16.46 kcal·mol⁻¹. [11]

3.3 الطرق متساوية التحويل والخالية من النماذج

تُستخدم الطرق متساوية التحويل (مثل KAS، FWO، Friedman) لتحديد التحلل متعدد الخطوات وتغيرات الآلية. [8, 18, 25]

• بالنسبة لـ rutin واسترات rutin للأحماض الدهنية، تختلف طاقات التنشيط مع درجة التحول. [8]
• تظهر مركبات resveratrol–β-cyclodextrin زيادة في طاقة التنشيط مع درجة التحول. [25]

3.4 التحلل الحراري الميكانيكي والتأكسدي المقترن

تقرن عمليات التصنيع عالية القص الإجهاد الميكانيكي مع التسخين الموضعي والأكسدة، مما يعزز مسارات التحلل. [13, 14, 17]

• يزيد التجانس عالي القص من درجات حرارة المخرج بشكل كبير مع سرعة الدوران ويسبب تحللًا شديدًا لـ ascorbic acid بسبب ارتفاع درجة الحرارة والأكسدة. [13]
• آليات التجانس عالي الضغط — مثل قص الصمام، والتكهف، والاضطراب — تحفز الإجهاد التأكسدي والميكانيكي. [14]
• يسرع الاقتران التأكسدي تحلل quercetin في البيئات ذات الحرارة العالية والأكسجين العالي. [26]

4. مراجعة فئة المركبات

يؤكد التخليق التالي على المعايير الحركية والديناميكية الحرارية الرئيسية ذات الصلة بنماذج التصنيع، مثل طاقات التنشيط، وثوابت المعدل، وأعمار النصف، وبدايات التحلل، والقيود المرتبطة بالانتقال الزجاجي أو الانصهار. [4, 11, 12, 15, 24]

4.1 سلائف NAD⁺

• يتأثر استقرار سلائف NAD⁺ بشكل كبير بالقابلية للتحلل المائي، والحساسية للانتقالات الحرارية، والأكسدة المدفوعة بالأكسجين. [4, 5]
• تظهر حركية تحلل NRCl سلوك الرتبة الأولى الكاذبة، مع طاقات تنشيط تتراوح من 75.4 إلى 82.8 kJ·mol⁻¹، متأثرة بشدة بـ pH. [4]
• في الحالة الصلبة، يمتلك NRCl نافذة معالجة حرارية ضيقة، حيث يحدث تحلل سريع فوق نقطة انصهاره البالغة 120.7 ± 0.3 °C. [4]
• يظهر NRH تحللاً سريعًا تحت الظروف الحمضية وفي وجود الأكسجين، مما يسلط الضوء على عدم استقراره بسبب رابطة N-glycosidic الخاصة به. [5]
• يتحلل NMN عند درجات حرارة أعلى من 160 °C ويظهر أنماط تحلل حساسة لـ pH ودرجة الحرارة في المحاليل المائية. [6, 27, 28]

مسار تحلل NMN

يوصف مسار تحلل NMN الأساسي بأنه التحلل المائي لرابطة phosphodiester مما ينتج عنه nicotinamide و ribose-5-phosphate، مع وصف الاعتماد على pH بأنه تحلل مائي محفز بالحمض تحت pH 4.5 وانقسام بوساطة القاعدة فوق pH 7.5. [28]

الستيلبينويدات

تشمل الستيلبينويدات الـ resveratrol والمركبات ذات الصلة التي تظهر تحللًا قويًا يعتمد على pH والأكسجين. يمكن أن ينحرف استقرارها في الصيغ الحقيقية عن استقراء Arrhenius بسبب تأثيرات المصفوفة والمسارات المتعددة. [7, 12, 29]

في الأنظمة المائية، يذكر أن trans-resveratrol مستقر عند pH الحمضي، ولكن تحلله يزداد بشكل كبير فوق pH 6.8. يتناقص عمر النصف من 329 يومًا عند pH 1.2 إلى 3.3 دقيقة عند pH 10. [12]

عند pH 7.4، يتبع تحلل trans-resveratrol حركية الرتبة الأولى عبر درجات الحرارة التي تم فحصها، مع طاقة تنشيط تبلغ 84.7 kJ·mol^-1. [12]

تختلف آليات التحلل باختلاف pH. في الظروف الحمضية، تكون مجموعات الهيدروكسيل محمية من الأكسدة الجذرية بواسطة H₃O⁺، بينما في البيئات القلوية، تزيد أيونات الفينات من القابلية للأكسدة، مما يعزز تكوين جذور الفينوكسي. بالإضافة إلى ذلك، يسرع الأكسجين في الوسط التفاعلات الجذرية المؤدية إلى التحلل. [12]

تظهر تجارب الاستقرار الحراري في المحلول المائي (19 mg·L^-1) عدم وجود تغيرات طيفية كبيرة بعد 30 دقيقة عند درجات حرارة تصل إلى 70 °C. ومع ذلك، تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى انخفاض في الامتصاص عند 304 nm وعبر نطاق 270–350 nm، مما يشير إلى تحلل محفز حراريًا. [30]

يقترح التفسير الآلي للتجارب الحرارية المائية انقسامًا تأكسديًا للرابطة المزدوجة وتشكيل نواتج التحلل، بما في ذلك hydroxy aldehydes، و alcohols، و hydroxy acids. كشف تحليل FTIR عن حزم تتفق مع تكوين aldehyde و carboxylic acid عند 100–120 °C. [30]

في مصفوفات الأقراص، يتبع تحلل resveratrol حركية الرتبة الأولى أحادية الأسي مع قيم k تبلغ 0.07140 و 0.1937 و 0.231 شهر^-1 عند 25 و 30 و 40 °C على التوالي. ومع ذلك، فإن العلاقة بين ln(k) و 1/T غير خطية وتُصنف على أنها super-Arrhenius، مما يشير إلى تفاعلات إضافية، أو مسارات متعددة، أو تأثيرات المصفوفة عند درجات حرارة أعلى. [7]

تشير الأبحاث إلى أن الاختبارات المتسارعة قد تبالغ في تقدير التحلل، حيث يوصي المؤلفون بطرق بديلة لتحديد حركية التحلل. [7]

بالنسبة للفينولات الشبيهة بالستيلبين في الأنظمة الجافة، تسبب المعالجات الحرارية مثل التعقيم بالبخار عند 121 °C لمدة 20 دقيقة خسائر ملموسة (على سبيل المثال، انخفاض بنسبة 20.98% في pinosylvin حسب مساحة الذروة)، ويؤدي التجفيف في الفرن عند 105 °C لمدة 24 ساعة إلى انخفاضات تزيد عن 50% للعديد من الفينولات. ومع ذلك، يشير TGA إلى درجات حرارة بداية التحلل فوق ~200 °C لأنظمة pinosylvin. [31]

الفلافونيدات

تظهر الفلافونيدات تحللاً متعدد المسارات يكون حساسًا لـ pH، ودرجة الحرارة، والأكسجين، وتفاعلات الصيغة مثل الارتباط بالبروتين. يمكن أن يتضمن سلوكها الحراري في DSC/TGA تداخلاً بين التحلل والتلين. [9, 22, 24]

تظهر الدراسات أن زيادة pH الوسط من 6.0 إلى 7.5 تسرع التحلل، حيث شهد fisetin و quercetin زيادات بمقدار 24 ضعفًا و 12 ضعفًا في ثوابت معدل التحلل على التوالي. علاوة على ذلك، فإن رفع درجة الحرارة فوق 37 °C يزيد من ثوابت المعدل بشكل أكبر. [24]

• بالنسبة لـ fisetin: زاد k من 8.30×10^-3 إلى 0.202 h^-1 مع رفع pH، وإلى 0.490 h^-1 عند 65 °C.
• بالنسبة لـ quercetin: زاد k من 2.81×10^-2 إلى 0.375 h^-1 مع pH وارتفع إلى 1.42 h^-1 عند 65 °C. [24]

يمكن للمكونات البروتينية المصاحبة أن تخفف من التحلل، كما تشير قيم k المنخفضة في وجودها. على سبيل المثال، انخفض k لـ fisetin من 3.58×10^-2 إلى 1.76×10^-2 h^-1، وانخفض k لـ quercetin من 7.99×10^-2 إلى 3.80×10^-2 h^-1. يُعزى الاستقرار إلى التفاعلات الكارهة للماء والروابط الهيدروجينية، بينما يتسبب SDS في عدم الاستقرار. هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لتحديد مساهمات الروابط الهيدروجينية. [24]

بالنسبة لـ quercetin عند 90 °C بالقرب من التعادل، لوحظت تأثيرات pH قوية. يزداد ثابت معدل التحلل بنحو خمسة أضعاف من pH 6.5 إلى 7.5، مما ينتج نواتج أكسدة وسيطة مثل quercetin quinone، مع وجود protocatechuic acid (PCA) و phloroglucinol carboxylic acid (PGCA) كمنتجات نهائية. [22]

تسرع الأنظمة عالية الحرارة (150 °C) التحلل، حيث تم الإبلاغ عن ثوابت معدل تبلغ 0.253 h^-1 تحت النيتروجين، و 0.868 h^-1 في الأكسجين، و 7.17 h^-1 في الأكسجين مع الكوليسترول. تزداد خسارة quercetin من 7.9% في 10 دقائق في النيتروجين إلى 20.4% في الأكسجين، وتنخفض أكثر إلى 10.9% متبقية مع الكوليسترول بالإضافة إلى الأكسجين. [26]

يظهر التحليل الحراري أن quercetin لديه ذروة صغيرة ماصة للحرارة عند 90–135 °C (مرتبطة بفقدان طفيف للكتلة) ويبدأ في التحلل عند 230 °C. تتداخل ذروة DSC البارزة الماصة للحرارة عند 303 °C مع التحلل، حيث تقيد الروابط الهيدروجينية السلوك الشبيه بالانصهار وتسهل التحلل في نفس الوقت. [9]

بالنسبة لـ rutin (جليكوسيد quercetin) واستراته للأحماض الدهنية، يشير TGA إلى أن rutin مستقر حرارياً حتى 240 °C، بينما تظهر الاسترات درجات حرارة تحلل أولية أقل وفقدان كتلة أعلى خلال مراحل التحلل الرئيسية. تتراوح طاقات التنشيط من 65 إلى 246 kJ·mol^-1 اعتمادًا على درجة التحول. [8]

أنظمة الناقل المشتقة من Cyclodextrin

توفر أنظمة الناقل المشتقة من Cyclodextrin استراتيجية أخرى: تظهر مركبات resveratrol–β-cyclodextrin أحداثًا حرارية تشمل إطلاق الماء بالقرب من 50 °C وأحداث تحلل عند درجات حرارة أعلى، كما تحدد طاقات الارتباط الحرة (على سبيل المثال، −86 kJ·mol⁻¹ بواسطة MM/PBSA) تفاعلات احتواء قوية. [25]

تغليف Nanosponge

يؤدي تغليف resveratrol في Nanosponge إلى القضاء على ذروة انصهار DSC الخاصة به ويوفر حماية ضوئية: يظهر resveratrol الحر تحللاً بنسبة 59.7% خلال 15 دقيقة تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية، بينما توفر nanosponges resveratrol حماية تبلغ ضعف ذلك تقريبًا، وهو ما يتفق مع منع التغليف للتعرض المباشر للأشعة فوق البنفسجية. [16]

التشتتات الصلبة غير المتبلورة

يمكن هندسة التشتتات الصلبة غير المتبلورة عبر الطحن الميكانيكي الكيميائي، وقد تم تحديد الروابط الهيدروجينية بين fisetin ومجموعات إستر Eudragit® صراحةً، مما يوفر أساسًا آليًا للامتزاج وتغير Tg الذي يمكن أن يثبت ضد التغيرات المعتمدة على التبلور في سلوك الذوبان. [15]

اختيار السواغات والناقلات

يمكن لاختيار السواغات أن يغير الآليات الحركية ونتائج الاستقرار، كما ورد في أنظمة المستخلصات النباتية المجففة بالرذاذ حيث تختلف رتبة التفاعل وأوقات الأجزاء المتحللة باختلاف خلائط السواغات، مما يشير إلى حركية تحلل تعتمد على السواغ. [20]

يمكن للمكونات البروتينية المصاحبة أن تثبت الفلافونيدات عبر التفاعلات الكارهة للماء، مما يقلل من قيم k لـ fisetin و quercetin، ويدعم تعطيل SDS لهذه التفاعلات التفسير القائل بأن الارتباط الكاره للماء هو آلية استقرار رئيسية. [24]

ضوابط هندسة العمليات

تُدعم ضوابط العملية التي تقلل من التعرض للحرارة والاتصال بالأكسجين مباشرةً من خلال مجموعات بيانات متعددة. [5, 18]

بالنسبة لـ NRCl، تشير أدلة DSC/qNMR إلى أن تجاوز منطقة بداية الانصهار (~120–130 °C) يمكن أن يؤدي إلى تحلل سريع للغاية، مما يدعم الحدود القصوى الصارمة لدرجة الحرارة وزمن البقاء في العمليات الصلبة المسخنة. [4]

بالنسبة لـ NRH، فإن الفرق بين عمر النصف في الهواء و N₂ عند 25 °C يعني أن الخمول واستبعاد الأكسجين يمكن أن يكونا جوهريين، وأفاد المؤلفون أن العينات تحت غطاء N₂ عند 4 °C لا تظهر أي تحلل ملموس بعد 60 يومًا بينما تظهر العينات عند 4 °C في الهواء تحللاً بنسبة ~10%. [5]

بالنسبة للتجانس عالي القص، فإن الملاحظة المباشرة بأن زيادة rpm تزيد من درجة حرارة المخرج وترتبط بفقدان أعلى لـ ascorbic acid الحساس للأكسدة تدعم التدابير الهندسية التي تحد من التسخين الناجم عن القص (مثل أقمصة التبريد، وأوقات الخلط الأقصر، والإضافة على مراحل). [13]

بالنسبة للتجفيف بالرذاذ، فإن التأكيد على أن التعرض للأكسجين والحرارة يقلل من البوليفينولات وأن درجات الحرارة المرتفعة قد تكون ضارة للفينولات القابلة للتأثر بالحرارة يدعم خيارات مثل خفض درجة حرارة المخرج عندما يكون ذلك ممكنًا واستخدام التغليف لتقليل الحساسية للأكسدة والحرارة. [3]

مضادات الأكسدة وإدارة الأكسجين

تُدعم استراتيجيات مضادات الأكسدة وإدارة الأكسجين آلياً عبر مجموعات بيانات البوليفينول. [12, 22]

بالنسبة لـ quercetin عند 90 °C، تقلل مضادات الأكسدة مثل cysteine من k، حيث يؤدي 200 μmol·L⁻¹ من cysteine إلى تقليل k بنسبة ~43% مقارنة بالكنترول، ويأخذ التفسير الآلي في الاعتبار استقرار quercetin quinone وتأثيرات إخماد الجذور. [22]

بالنسبة لـ trans-resveratrol، ورد صراحة أن الأكسجين يعزز التفاعلات الجذرية المؤدية إلى التحلل، مما يدعم أجواء المعالجة الخاملة أو حواجز الأكسجين حيثما كان ذلك ممكناً للمعالجة المائية القلوية/المتعادلة. [12]

في أنظمة الليبوسومات، ورد أن resveratrol يحد من أكسدة stigmasterol عن طريق تحييد الجذور الحرة والاندماج في طبقات الليبيدات المزدوجة مما يزيد من الصلابة، ويقلل النفاذية للأكسجين والعوامل المؤكسدة، وبالتالي يعزز الاستقرار الحراري والتأكسدي للنظام. [35]

مناقشة

عبر قاعدة الأدلة التي تم تخليقها هنا، فإن أقوى نمط كمي هو أن البيئة الكيميائية الدقيقة (pH، الأكسجين، وجود الماء) يمكن أن تهيمن على نتائج الاستقرار حتى عند درجات حرارة معتدلة، وأن العديد من النشطات الحيوية تظهر انقطاعات حادة في الاستقرار عند عتبات انتقال حرارية محددة. [4, 5, 12]

بالنسبة لسلائف NAD⁺، تسلط مجموعة بيانات NRCl الضوء على نظام مزدوج: في المحلول المائي، يمكن نمذجة التحلل المائي من الرتبة الأولى الكاذبة بطاقات تنشيط Arrhenius وزيادة في المعدل بمقدار الضعف تقريباً لكل 10 °C، بينما في الحالة الصلبة تتوافق منطقة ضيقة حول 120–130 °C مع الانصهار المتبوع مباشرة بتحلل سريع. [4]

بالنسبة لـ resveratrol، تنشأ مخاطر عملية مهيمنة من الحساسية لـ pH: ينهار عمر النصف من فترات طويلة عند pH الحمضي إلى دقائق عند pH المرتفع، بينما يعزز الأكسجين التفاعلات الجذرية، مما يشير إلى أن عمليات عالي القص التي تزيد من انتقال الأكسجين والقلوية الموضعية يمكن أن تكون ضارة بشكل غير متناسب حتى لو ظلت درجة الحرارة الكلية معتدلة. [12]

بالنسبة للفلافونيدات، تجتمع الأكسدة عبر وسائط الكينون وآليات نزع البروتون المعتمدة على pH (quercetin) مع الأكسدة عالية الحرارة واقتران السلسلة الجذرية (مثل الأكسجين بالإضافة إلى الكوليسترول)، مما يشير إلى أن الصيغ المحتوية على الليبيدات والتعرض للأكسجين يمكن أن يضخما بقوة مسارات الفقد التأكسدي. [22, 26]

بالنسبة لـ curcumin، هناك توتر آلي بين الروايات المدفوعة بالتحلل المائي (في بعض أعمال التخزين المؤقت المعدي المعوي) والروايات المدفوعة بالأكسدة الذاتية (في الأعمال المركزة على المذيلات)، ولكن كلاهما يتقارب عند تأثير pH القوي والدور الوقائي للبيئات الدقيقة الكارهة للماء والحد من الأكسجين. [11, 32]

على مستوى عملية الوحدات، يمكن للعمليات عالية القص أن تعمل أساساً كمسرعات غير مباشرة عن طريق توليد الحرارة وزيادة القابلية للتأكسد؛ وهذا يظهر بوضوح في التجانس عالي القص حيث تزيد سرعة الدوران من درجة حرارة المخرج وتتزامن مع الفقد التأكسدي لـ ascorbic acid. [13]

تقدم HPH/UHPH تعقيداً إضافياً لأن منطقة الصمام تفرض قصاً شديداً، وتكهفاً، واضطراباً، وقد تولد درجات حرارة موضعية عالية، على الرغم من أن أزمنة البقاء يمكن أن تكون قصيرة جداً (على سبيل المثال، <0.2 ثانية في أوصاف UHPH)، مما يعني أن النتائج الكيميائية قد تعتمد على ما إذا كان التحلل محكوماً بعمليات جذرية سريعة، أو خطوات محدودة بالانتشار، أو خطوات تنشيط حراري أبطأ. [14, 34]

أخيراً، تسلط عدة مصادر الضوء على أن نمذجة الاستقرار يجب أن يتم التحقق منها آلياً في المصفوفة ذات الصلة: تظهر بيانات أقراص resveratrol سلوكاً غير تابع لـ Arrhenius وتأثيرات مصفوفة تحد من استقراء Arrhenius العام من الاختبارات المتسارعة، وتظهر علامات المستخلصات النباتية المجففة بالرذاذ رتباً حركية وأوقات تحلل تعتمد على السواغ. [7, 20]

استنتاجات

توفر علامات الانتقال الديناميكي الحراري الكمية (DSC/TGA) وحركية التحلل (k، t_1/2، E_a، طاقات التنشيط المعتمدة على التحول) أساساً ذا صلة بالعملية لتصميم ظروف التصنيع التي تحافظ على فعالية مركبات طول العمر القابلة للتأثر بالحرارة والنشطات الحيوية ذات الصلة. [4, 8, 9]

بالنسبة لسلائف NAD⁺، يظهر NRCl نافذة معالجة حرارية ضيقة بالقرب من الانصهار يليه تحلل سريع، بينما تظهر الحركية المائية سلوك الرتبة الأولى الكاذبة المعتمد على pH مع طاقات تنشيط تبلغ 75–83 kJ·mol⁻¹ والتي يمكن أن تحدد نماذج التعرض الحراري. [4]

بالنسبة لـ resveratrol، يعد pH والأكسجين متغيرين مهيمنين، حيث ينهار عمر النصف من مئات الأيام عند pH الحمضي إلى دقائق عند pH المرتفع، ويمكن لمصفوفات الصياغة أن تنتج سلوكاً غير تابع لـ Arrhenius يعقد استقراء الاختبار المتسارع. [7, 12]

بالنسبة للفلافونيدات والكركمينويدات، تحفز مسارات الأكسدة (وسائط الكينون لـ quercetin؛ الأكسدة الذاتية لـ curcumin) استراتيجيات التحكم في الأكسجين والتغليف الكاره للماء، والتي ثبت كمياً أنها تمدد عمر النصف بمقدار عدة مراتب في أنظمة المذيلات وبشكل جوهري في مستحلبات Pickering المنتجة تحت الخلط عالي القص. [1, 10, 22, 32]

بالنسبة لعمليات الوحدات عالية القص، تشير الأدلة المتاحة إلى أن القص يمكن أن يرفع درجة الحرارة ويعزز الأكسدة (الخلط عالي القص) وأن العمليات عالية الضغط القائمة على الصمامات تولد قصاً وتكهفاً شديدين، مع اعتبار الضغط وعدد المرات ودرجة حرارة المدخل كمتغيرات إجهاد رئيسية؛ وتدعم هذه الرؤى تنفيذ رسم خرائط الوقت–الحرارة–القص واستخدام PAT باستخدام تحليلات تشير إلى الاستقرار. [12–14]

شكر وتقدير

يشكر المؤلفون Placeholder Laboratory على المناقشات الداخلية حول التحليلات التي تشير إلى الاستقرار ورسم خرائط العمليات. [12]

تضارب المصالح

يعلن المؤلفون عدم وجود تضارب في المصالح. [20]