Lämpöherkkien longevity-yhdisteiden termodynaaminen stabiilisuus ja hajoamiskinetiikka valmistusprosessin suurleikkausstressissä

Tiivistelmä

Lämpöherkät pitkäikäisyyteen liittyvät yhdisteet ja polyfenoliset bioaktiiviset aineet altistuvat usein kytkeytyneille termisille, oksidatiivisille, pH-arvoon liittyville ja mekaanisille rasituksille valmistuksen aikana (esim. suuren leikkausvoiman sekoitus, korkeapainehomogenointi ja sumukuivaus), mikä voi nopeuttaa kemiallista hajoamista ja heikentää toimitettua tehoa. Määrällisiä, prosessin kannalta olennaisia stabiiliusparametreja tarvitaan siksi määrittelemään valmistettavissa olevat suunnittelualueet ja ohjaamaan suojaavia formulointistrategioita.[1–3]

Tämän synteesin menetelmät keskittyvät kvantitatiiviseen näyttöön, joka on kerätty tutkimuksista, joissa raportoidaan (i) termodynaamiset/termiset transitiot DSC/TGA-analyyseillä (sulaminen, hajoamisen alkaminen, lasisiirtymät ja vaiheittainen massahäviökäyttäytyminen) ja (ii) hajoamiskinetiikka (näennäisen ensimmäisen kertaluvun/ensimmäisen kertaluvun mallit, Arrhenius aktivoitumisenergiat, pH-riippuvuudet ja aika-hajoamisosuus-mittarit) NAD⁺-prekursoreille (NR/NRH/NMN), stilbenoideille (resveratrol-liitännäiset järjestelmät), flavonoideille (quercetin, fisetin, rutin/esterit) ja kurkuminoideille.[4–11]

Tulokset osoittavat, että useilla edustavilla pitkäikäisyysyhdisteillä on kapeat termisen prosessoinnin ikkunat tietyissä fysikaalisissa tiloissa. NRCl:n sulaminen alkaa 120.7 ± 0.3 °C:ssa, mitä seuraa nopea sulamisen jälkeinen hajoaminen (esim. 98 % hajoaminen 130 °C:ssa qNMR-mittauksella), kun taas vesiliukoinen hajoaminen noudattaa näennäisen ensimmäisen kertaluvun kinetiikkaa aktivoitumisenergioiden ollessa 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ pH-arvosta riippuen.[4]

trans-resveratrol-yhdisteen hajoamiskinetiikka on voimakkaasti pH- ja lämpötilariippuvaista (esim. puoliintumisajan lyhentyessä 329 päivästä pH-arvossa 1.2 aina 3.3 minuuttiin pH-arvossa 10), ja nopeutettujen testien ekstrapolaatio voi olla ei-Arrhenius-tyyppistä tablettimatriiseissa.[7, 12]

Suuren leikkausvoiman yksikköprosessit voivat aiheuttaa paikallista kuumenemista ja oksidatiivisia ympäristöjä, kuten on osoitettu suuren leikkausvoiman homogenoinnilla, joka nostaa ulostulolämpötilaa pyörimisnopeuden myötä ja johtaa 42.6 % ascorbic-acid-hävikkiin 20,000 rpm nopeudella, sekä korkeapainehomogenoinnin mekanismeilla, joihin liittyy venttiilin leikkausvoimaa, kavitaatiota ja turbulenssia tasolla >100 MPa.[13, 14]

Johtopäätöksissä korostetaan termodynaamisen transitiotiedon (DSC/TGA/Tg) integroimista kineettisiin malleihin (Arrhenius, ei-Arrhenius ja isokonversiomenetelmät) aika–lämpötila–leikkausvoima-karttojen luomiseksi ja hallintakeinojen rationaaliseksi valitsemiseksi, mukaan lukien kapselointi, amorfiset kiinteät dispersiot, syklodekstriini/nanosienijärjestelmät, hapen hallinta sekä leikkausvoiman ja lämpötilan minimointi.[15–18]

Avainsanat: lämpöherkät bioaktiiviset aineet; hajoamiskinetiikka; Arrhenius; DSC; TGA; korkeapainehomogenointi; sumukuivaus; NAD⁺-prekursorit

1. Johdanto

Pitkäikäisyyteen vaikuttavia yhdisteitä formuloidaan yhä enemmän ravintolisiksi, funktionaalisiksi elintarvikkeiksi ja edistyneiksi annostelujärjestelmiksi, mikä motivoi valmistusreittejä, jotka altistavat aktiiviaineet yhdistetyille rasitustekijöille, kuten kuumennukselle, kosketukselle hapen kanssa, vesiaktiivisuudelle, pH-vaihteluille ja voimakkaalle mekaaniselle energian syötölle.[3, 5, 14, 19]

NAD⁺-prekursorikemioissa vesiliuosten ja kiinteän tilan stabiilius on keskeistä, koska reaktiivisuutta voi tapahtua glykosidisten tai fosfaattisidonnaisten motiivien hydrolyysin kautta ja koska prosessointilämpötilat voivat ylittää kiinteän tilan transitiokynnykset, jotka edeltävät nopeaa hajoamista.[4, 6]

Polyfenolien ja niihin liittyvien kasviperäisten aktiiviaineiden stabiiliusrajoituksiin kuuluvat autoksidaatio, epimerisoituminen ja entsymaattinen hapettuminen kinoneiksi, jotka ovat herkkiä lämpötilalle, pH:lle, metalli-ioneille ja hapen saatavuudelle prosessoinnin aikana.[17]

Käytännön vaikutus on, ettei valmistussuunnittelu voi perustua pelkästään nimelliseen massalämpötilaan; sen sijaan on integroitava (i) termodynaamiset indikaattorit, kuten lasisiirtymä, sulaminen ja hajoamisen alkaminen, sekä (ii) kineettiset mallit, jotka kuvaavat hajoamisen riippuvuutta ajasta, lämpötilasta, pH-arvosta, hapesta ja (mikäli mitattavissa) mekaanisen energian syötöstä.[4, 9, 10, 14, 15]

Tämä artikkeli syntetisoi kvantitatiivista näyttöä edustavista pitkäikäisyysyhdisteistä ja niihin liittyvistä bioaktiivisista aineista, joista lähdeaineisto tarjoaa selkeät termodynaamiset transitiot ja/tai kineettiset parametrit, ja yhdistää nämä tiedot suuren leikkausvoiman yksikköprosessien rasitusprofiileihin, mukaan lukien suuren leikkausvoiman sekoitus, korkeapainehomogenointi/mikrofluidisointi, mekaanis-kemiallinen jauhaminen ja sumukuivaus.[1, 14, 15, 20]

2. Termodynaaminen viitekehys

Termodynaamista stabiiliutta valmistuskontekstissa arvioidaan operatiivisesti käyttämällä mitattavia termisiä tapahtumia (DSC/TGA) ja tilan kuvauksia (esim. amorfinen vs. kiteinen; lasisiirtymälämpötila), jotka osoittavat, milloin yhdiste tai formulaatio siirtyy tiloihin, joissa on suurempi molekulaarinen mobiliteetti ja siten suuremmat reaktionopeudet tai erilaiset mekanismit.[4, 9, 15]

2.1 Gibbsin vapaa energia ja faasistabiilius

Useat mukana olevat lähteet laskevat nimenomaisesti Gibbsin vapaan energian muutokset hajoamisprosesseille tai termiselle tuhoutumiselle, tarjoten termodynaamisen mitan toteutettavuudelle tietyissä olosuhteissa.[8, 19]

NR-boraatin osalta hajoamisen spontaanisuutta arvioitiin Gibbsin vapaan energian laskennalla, ja raportoitu (ΔG) oli 2.43 kcal·mol⁻¹.[19]

Rutin-yhdisteen ja rasvahappojen rutin-estereiden osalta pyrolyyttisissä olosuhteissa (ΔG)-arvot olivat positiivisia (84–245 kJ·mol⁻¹) yhdessä positiivisen (ΔH):n kanssa (60–242 kJ·mol⁻¹), mikä osoittaa endotermistä ja ei-spontaania pyrolyysiprofiilia raportoidussa analyysissa.[8]

Kineettisen formalismin termein useat lähteet soveltavat myös siirtymätila- ja vapaa-energia-suhteita, kuten käyttöä tulkittaessa hydrolyysin aktivoitumista curcumin-spiroboraattikompleksijärjestelmässä.[21]

2.2 Lasisiirtymä, sulaminen ja hajoamisen alkaminen

DSC ja TGA tarjoavat toisiaan täydentäviä merkkejä prosessiriskistä: sulamis- tai pehmenemistapahtumat voivat jyrkästi lisätä diffuusiota ja mahdollistaa nopean kemiallisen muuntumisen, ja TGA-massahäviön alkaminen voi osoittaa peruuttamattoman hajoamisen alkamisen jopa näennäisessä kiinteässä tilassa.[4, 9, 15]

NRCl:n osalta DSC osoittaa sulamisen alkamisen 120.7 ± 0.3 °C:ssa ja sulamispiikin 125.2 ± 0.2 °C:ssa, mitä seuraa välitön voimakas eksoterminen tapahtuma, joka saavuttaa huippunsa 130.8 ± 0.3 °C:ssa.[4]

Yhdenmukaisesti DSC-tapahtumasarjan kanssa qNMR-kvantifiointi osoittaa rajoitettua hajoamista 115 °C:ssa (2 %), mutta nopeaa hävikkiä sulamisalueella ja sen yläpuolella (7 % 120 °C:ssa; 55 % 125 °C:ssa; 98 % 130 °C:ssa; vain 0.45 % NR:ää jäljellä 140 °C:ssa).[4]

NMN:n osalta yksi lähde raportoi, että yhdiste hajoaa sen sijaan, että siinä olisi selkeä sulamistransitio; hajoaminen alkaa 160 °C:ssa ja päättyy 165 °C:ssa, ja endoterminen DSC-piikki on 162 °C:ssa hajoamisentalpian ollessa 184 kJ·mol⁻¹.[6]

Quercetin-yhdisteen osalta yhdistetty DSC/TGA-tulkinta osoittaa, että voimakas DSC-endotermi (maksimi 303 °C:ssa) luokitellaan usein virheellisesti sulamiseksi, kun taas TGA osoittaa hajoamisen alkavan 230 °C:ssa ja endotermin olevan päällekkäinen jatkuvan massahäviön kanssa; raportoitu "sulamislämpö" 303 °C:n piikille on 69–75 kJ·mol⁻¹.[9]

Fisetin-yhdisteen osalta TGA osoittaa pienen massahäviön (~5 %), joka johtuu veden haihtumisesta kiteisestä näytteestä, ja suuren massahäviön (~30.6 %) 369.6 °C:ssa, mikä johtuu molekyylin hajoamisesta.[15]

Curcumin-yhdisteen osalta inertissä typessä yksi tutkimus raportoi, että raaka curcumin osoittaa monimutkaisen hajoamisprosessin, joka alkaa noin 240 °C:ssa (5 % massahäviö), DTGA-piikin ollessa 347 °C:ssa ja 37 % residuaalin jäädessä 600 °C:seen (nopeudella 10 °C·min⁻¹).[18]

2.3 Amorfinen ja kiteinen stabiilius

Amorfiset formulaatiot voivat parantaa liukoisuutta ja biosaatavuutta, mutta ne voivat muuttaa termistä käyttäytymistä ja stabiiliutta lisäämällä molekulaarista mobiliteettia kiteisiin muotoihin verrattuna, mikä tekee lasisiirtymälämpötilasta (Tg) kriittisen stabiiliusparametrin.[15, 16]

Mekaanis-kemiallisesti valmistetut fisetin-yhdisteen amorfiset kiinteät dispersiot (ASD) osoittavat mitattavia Tg-arvoja toisessa lämmityksessä ja osoittavat Tg:n muutoksia, jotka ovat yhdenmukaisia sekoittuvuuden kanssa: raaka Eudragit® L100/EPO osoittaa Tg:ksi 147.1/55.4 °C, kun taas fisetin-ASD:t osoittavat Tg-arvoja kuten 144.2/71.8 °C ja 145.9/76.7 °C riippuen polymeeristä ja lääkeainekuormasta.[15]

Resveratrol- ja oxyresveratrol-nanosienien osalta DSC osoittaa, että resveratrol-yhdisteen sulamisendotermi (266.49 °C) häviää nanosieniformulaatioissa, minkä kirjoittajat katsovat johtuvan lääkeainemolekyylien kapseloinnista ja mahdollisesta amorfisoitumisesta nanosienimatriisissa.[16]

Quercetin-yhdisteen osalta vetysidosten ehdotetaan sekä rajoittavan sulamisen kaltaista pehmenemistä että helpottavan hajoamista sidosten heikkenemisen kautta. Yhdistetty DSC/TGA-tulkinta päättelee, ettei quercetin yksinkertaisesti sula, vaan se läpikäy päällekkäistä hajoamista ja rakenteellista rentoutumista/pehmenemistä välillä 150–350 °C.[9]

3. Hajoamiskinetiikan mallit ja parametrit

Mukana olevat lähteet käyttävät erilaisia kineettisiä malleja (ensimmäinen kertaluku, näennäinen ensimmäinen kertaluku, korkeamman kertaluvun tai sigmoidit muodot) ja lämpötilariippuvuuden käsittelyjä (Arrhenius ja joissakin tapauksissa ei-Arrhenius-käyttäytyminen), joita usein motivoivat pH-riippuvuus ja monimutkainen monireittinen hajoaminen.[4, 7, 22]

3.1 Reaktiokertaluvun mallit

Laajalti käytetty lähtökohta liuostilan hajoamiselle on integroitu ensimmäisen kertaluvun malli , joka esiintyy useissa mukana olevissa tutkimuksissa ensisijaisena sovituksena pitoisuus-aika-dataan kontrolloidussa pH:ssa ja lämpötilassa.[4, 11, 12]

NRCl-yhdisteen osalta puskuroiduissa vesiliuoksissa hajoamista kuvataan näennäiseksi ensimmäiseksi kertaluvuksi, ja tämä muoto oikeutetaan puskurijärjestelmillä, jotka pitävät OH⁻/H₃O⁺-pitoisuudet suurena ylimääränä ja likimäärin vakiona suhteessa NR-pitoisuuteen.[4, 23]

Fisetin- ja quercetin-yhdisteiden osalta fosfaattipuskurissa raportoidut tulokset esitetään ensimmäisen kertaluvun hajoamisnopeusvakioina k (h⁻¹), jotka kasvavat voimakkaasti pH:n ja lämpötilan myötä.[24]

Quercetin-yhdisteen osalta 90 °C:ssa lähellä neutraalia pH:ta (6.5–7.5) toteutettiin sigmoidi malli ja sitä verrattiin ensimmäisen kertaluvun malliin. Sigmoidi malli antoi 2.3–2.5 kertaa suurempia k-arvoja kuin ensimmäisen kertaluvun sovitukset ja erilaisen puoliintumisaikatulkinnan pH-arvossa 7.5.[22]

Sumukuivattujen kasviuutemarkkereiden osalta raportoitiin erilaisia näennäisiä reaktiokertalukuja riippuen apuainejärjestelmistä, mukaan lukien nollannen kertaluvun ja toisen kertaluvun mallit kaempferol-yhdisteelle (apuainebinääriseoksissa) ja toisen kertaluvun malli quercetin-yhdisteelle eri apuaineilla.[20]

3.2 Arrheniuksen ja Eyringin käsittelyt

Lämpötilariippuvuutta mallinnetaan usein Arrhenius-tyyppisillä yhtälöillä, , ja useat lähteet laskevat nimenomaisesti aktivoitumisenergiat parametrisoidakseen säilyvyysennusteita ja prosessin lämpöaltistusta.[4, 10, 12]

NRCl-hajoamiselle vesiliuoksessa Arrhenius-aktivoitumisenergioiksi raportoidaan 75.4 (±2.9) kJ·mol⁻¹ pH-arvossa 2.0, 76.9 (±1.1) kJ·mol⁻¹ pH-arvossa 5.0 ja 82.8 (±4.4) kJ·mol⁻¹ pH-arvossa 7.4.[4]

trans-resveratrol-yhdisteen osalta pH-arvossa 7.4 Arrhenius-analyysi raportoidaan muodossa log(k_obs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97), lasketun aktivoitumisenergian ollessa 84.7 kJ·mol⁻¹.[12]

Curcumin-yhdisteen osalta puskuri/metanoli-seoksessa pH-arvossa 8.0 Arrhenius-analyysi välillä 37–60 °C antaa (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹.[10]

Curcumin-yhdisteen osalta ruoansulatuskanavan kannalta olennaisissa vesiliuoksissa Arrhenius-kuvaajat osoittavat korkeaa lineaarisuutta välillä 37–80 °C (r²-arvoiksi raportoitu 0.9967, 0.9994, 0.9886 eri väliaineille), ja aktivoitumisenergioiksi raportoidaan 16.46, 12.32 ja 9.75 kcal·mol⁻¹ vastaavasti pH-arvoille 7.4, 6.8 ja 0.1 N HCl.[11]

Eyring-analyysi esiintyy myös curcumin-spiroboraattiesterin (CBS) hydrolyyttistä hajoamista käsittelevässä tutkimuksessa, jossa Eyring-kuvaajan raportoidaan osoittavan lineaarista suhdetta korrelaatiolla 0.9988.[21]

3.3 Isokonversio- ja mallivapaat menetelmät

Useat termistä hajoamista käsittelevät tutkimukset soveltavat isokonversiomenetelmiä (esim. KAS, FWO, Friedman) laskeakseen konversioasteesta riippuvia aktivoitumisenergioita ja tunnistaakseen siten monivaiheisen hajoamisen ja mekanismin muutokset.[8, 18, 25]

Rutin-yhdisteen ja rutin-rasvahappoestereiden osalta aktivoitumisenergiat vaihtelevat merkittävästi konversioasteen mukaan välillä 0.05 < (α) < 0.90, raportoitujen vaihteluvälien ollessa 65–246 kJ·mol⁻¹. Kirjoittajat tulkitsevat tämän osoitukseksi siitä, että terminen hajoaminen etenee ei-yksinkertaisen, monivaiheisen prosessin kautta.[8]

Resveratrol–β-syklodekstriini-klatraattien osalta aktivoitumisenergia kasvaa muutosasteen myötä, raportoitujen nousujen ollessa 110–130 kJ·mol⁻¹ (OFW-menetelmä) ja 120–170 kJ·mol⁻¹ (Friedman-menetelmä), mikä tulkitaan viitteeksi reaktiomekanismin muutoksesta hajoamisen edetessä.[25]

Curcumin-kuormitettujen polymeerijärjestelmien osalta typessä useilla lähestymistavoilla (Kissinger, KAS, Friedman ja mallin sovitus) johdetut aktivoitumisenergiat osoittavat laajalti yhdenmukaisia suuruusluokkia (esim. 71 ± 5 kJ·mol⁻¹ Kissingerin mukaan; 77 ± 2 KAS:n mukaan; 84 ± 3 Friedmanin mukaan), ja mallin valinta osoittaa F1-kineettistä mallia energioiden ollessa välillä 73–91 kJ·mol⁻¹.[18]

3.4 Kytkeytynyt lämpömekaaninen ja oksidatiivinen hajoaminen

Suuren leikkausvoiman valmistusprosessit voivat kytkeä mekaanisen energian häviämisen paikalliseen kuumenemiseen ja tehostettuun hapen siirtoon, mikä vahvistaa hapettumisvetoisia reittejä happiherkissä bioaktiivisissa aineissa.[13, 14, 17]

Juomajärjestelmän suuren leikkausvoiman homogenoinnissa ulostulolämpötila nousee huomattavasti pyörimisnopeuden myötä (esim. 4.1 ± 0.7 °C:sta 0 rpm:ssä 41 ± 1.2 °C:seen 20,000 rpm:ssä), ja korkeimmalla nopeudella ascorbic acid vähenee 42.6 %, mikä on yhdenmukaista sen kanssa, että korkea lämpötila ja hapettuminen edistävät hajoamista.[13]

Korkeapainehomogenoinnissa (HPH) prosessointimekanismi katsotaan nimenomaan venttiilin aukon leikkausjännitysjakaumasta johtuvaksi, jossa nesteen liike häiriintyy, sekä lisäilmiöistä, kuten kavitaatiosta, turbulenssista, törmäyksistä ja iskuista, jotka yhdessä luovat voimakasta mekaanista ja mahdollisesti oksidatiivista rasitusta.[14]

Oksidatiivinen kytkeytyminen osoitetaan myös quercetin-yhdisteen termisissä hapetuskokeissa: 150 °C:ssa quercetin-hajoaminen etenee nopeammin hapessa kuin typessä (nopeusvakiot 0.868 h⁻¹ vs. 0.253 h⁻¹) ja kiihtyy voimakkaasti, kun cholesterol ja happi ovat läsnä (nopeusvakio 7.17 h⁻¹), mikä on yhdenmukaista cholesterol-hydroperoksidin muodostumisen ja quercetin-hajoamisen välisen radikaaliketjukytkennän kanssa.[26]

NRH-yhdisteen osalta happi ja lämpötila hallitsevat prosessia voimakkaasti: 25 °C:ssa DI-vedessä raportoitu hajoamisnopeus on 1.27×10⁻⁷ s⁻¹ ilmassa (puoliintumisaika 63 päivää) verrattuna arvoon 5.90×10⁻⁸ s⁻¹ N₂-kehässä (puoliintumisaika 136 päivää), ja kirjoittajat toteavat, että NRH voi hapettua hapen läsnäollessa ja hydrolysoituu nopeasti happamissa olosuhteissa.[5]

4. Yhdisteluokkien tarkastelu

Alla oleva yhdistekeskeinen synteesi korostaa kvantifioituja kineettisiä ja termodynaamisia parametreja, joita voidaan käyttää suoraan valmistusmalleissa, mukaan lukien aktivoitumisenergiat, nopeusvakiot, puoliintumisajat, hajoamisen alkamiset sekä lasisiirtymään tai sulamiseen liittyvät rajoitteet.[4, 11, 12, 15, 24]

4.1 NAD⁺-prekursorit

NAD⁺-prekursorien stabiiliuteen vaikuttavat voimakkaasti hydrolyysiherkkyys sekä heikko sietokyky tietyille termisille transitioille (erityisesti NRCl-yhdisteelle sulamisalueella) ja happivetoiselle hapettumiselle (erityisesti pelkistetyille muodoille, kuten NRH).[4, 5]

NRCl osoittaa näennäisen ensimmäisen kertaluvun hajoamiskinetiikkaa vesiliuoksissa ja aktivoitumisenergioita, jotka vaihtelevat pH:n mukaan (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹), mikä koodaa kvantitatiivisesti sekä lämpöherkkyyden että vallitsevan hydrolyysireitin pH-riippuvuuden.[4]

Mekaaniseksi perustaksi ehdotetaan emäskatalysoitua hydrolyysia, jossa NR vähenee samalla kun nikotiiniamidi (Nam) ja sokeri kertyvät. Moolitaseen näyttö osoittaa, että jokaista hajoavaa NR-molekyyliä kohden muodostuu yksi Nam-molekyyli ja yksi sokerimolekyyli.[4]

Simuloiduissa ruoansulatuskanavan nesteissä fysiologisessa lämpötilassa ja agitaatiossa (USP II -lapa nopeudella 75 rpm ja 37 °C), NRCl osoittaa suhteellisen vähäistä lyhytaikaista hävikkiä (esim. ~97–99 % jäljellä 2 tunnin jälkeen vatsalaukun väliaineessa), mutta mitattavaa pitkäaikaisempaa vähenemistä 24 tunnin simulaatiossa (79.18 ± 2.68 % jäljellä 24 tunnissa, 90.51 ± 0.82 %:n ollessa jäljellä 8 tunnissa).[4]

Kiinteässä tilassa NRCl osoittaa kapean lämpötilaikkunan sulamisen alkamisen ja nopean hajoamisen välillä: DSC raportoi sulamisen alkamisen 120.7 ± 0.3 °C:ssa ja sitä seuraavan eksotermisen tapahtuman noin 130.8 °C:ssa, kun taas qNMR kvantifioi jyrkän hajoamisen nousun 2 %:sta 115 °C:ssa aina 98 %:iin 130 °C:ssa.[4]

Yksi lähde määrittelee nämä tiedot nimenomaan tarjoavan "selkeän ylärajälämpötilan NRCl:n prosessoinnille", mikä voi vaikuttaa ravintolisien tuotantoon kaikissa vaiheissa, korostaen DSC/qNMR-kynnysarvojen merkitystä ehdottomina rajoitteina lämmitetyissä toiminnoissa.[4]

NR-boraatti esittelee stabilointistrategian, jota motivoi NR:n reaktiivisuus: NR:llä kuvataan olevan erityisen epästabiili glykosidinen sidos, joka yhdistää positiivisesti varautuneen pyridinium-heterosyklin hiilihydraattiin, mikä tekee sen synteesistä, varastoinnista ja kuljetuksesta vaikeaa. Boraattistabiloinnin kuvataan tarjoavan korkean stabiiliuden termistä ja kemiallista hajoamista vastaan.[19]

Kvantitatiivisesti NR-boraatin liukoisuus on voimakkaasti pH-riippuvaista (esim. 1972.7 ± 15.4 mg·mL⁻¹ pH-arvossa 1.5; 926.0 ± 34.4 mg·mL⁻¹ pH-arvossa 7.4), ja Arrhenius-mallin raportoidaan osoittavan korkeampia hajoamisnopeuksia pH-arvossa 7.4 kuin pH-arvossa 1.5 tai 5.0, mikä on yhdenmukaista HO⁻-pitoisuuden vaikutuksen kanssa.[19]

Sama katsaus raportoi NR-boraatin hajoamisen Gibbsin vapaaksi energiaksi 2.43 kcal·mol⁻¹ ja toteaa, että 10 °C:n nousu suunnilleen kaksinkertaistaa hajoamisnopeuden kaikissa pH-olosuhteissa, heijastaen NRCl-yhdisteellä havaittua lämpötilaherkkyyttä.[4, 19]

NRH osoittaa huomattavaa herkkyyttä pH:lle ja hapelle: täydellinen hajoaminen alle yhdessä päivässä raportoidaan pH-arvossa 5, kun taas pH-arvossa 9 näytteet osoittavat ~42–45 % hajoamista 60 päivän jälkeen, ja 25 °C:ssa DI-vedessä ilmassa raportoidaan ~50 % hajoaminen 60 päivän jälkeen verrattuna ~27 %:iin N₂-kehässä.[5]

Tämä happiherkkyys katsotaan mekaanisesti hapen läsnäollessa tapahtuvan hapettumisen ja happamissa olosuhteissa kiihtyvän hydrolyysin syyksi, mikä on yhdenmukaista sen kanssa, että NRH:ta kuvataan epästabiiliksi molekyyliksi sen N-glykosidisen sidoksen vuoksi ja kykeneväksi hajoamiseen, hydrolyysiin ja hapettumiseen.[5]

NMN-yhdisteen osalta kvantitatiivisia kiinteän tilan termodynaamisia merkkiaineita ovat raportoitu hajoamisen alkaminen 160 °C:ssa ja päättyminen 165 °C:ssa (endoterminen DSC-piikki 162 °C:ssa ja hajoamisentalpia 184 kJ·mol⁻¹) sekä nopeutetun stabiiliuden tiedot, jotka raportoivat hajoamisnopeudeksi 0.8 % kuukaudessa 40 °C:ssa ja 75 % suhteellisessa kosteudessa.[6]

Vesiliuoksessa NMN-hajoaminen raportoidaan näennäiseksi ensimmäiseksi kertaluvuksi huoneenlämmössä kineettisellä yhtälöllä lg(C_t)=0.0057t+4.8172 ja raportoiduilla ajoilla t_0.9=95.58 h ja t_1/2=860.26 h, ja tutkimus toteaa, että hajoamisnopeuteen vaikuttavat ensisijaisesti korkea lämpötila ja pH.[27]

Käytännön formulointirajoitusten tukemiseksi yksi tuotekeskeinen lähde suosittelee aineen lisäämistä alle 45 °C:ssa fosfodiesterisidoksen termisen hajoamisen estämiseksi ja raportoi alle 5 % hajoamisen nopeutetussa testauksessa 40 °C/75 % RH 3 kuukauden aikana asianmukaisesti formuloiduissa vähävetisissä järjestelmissä.[28]

NMN:n ensisijaisen hajoamisreitin kuvataan olevan fosfodiesterisidoksen hydrolyysi, joka tuottaa nikotiiniamidia ja riboosi-5-fosfaattia, ja pH-riippuvuuksien kuvataan olevan happokatalysoitua hydrolyysia alle pH 4.5:n ja emäsavusteista pilkkoutumista yli pH 7.5:n.[28]

4.2 Stilbenoidit

Stilbenoideihin kuuluu resveratrol ja siihen liittyvät yhdisteet, jotka osoittavat voimakasta pH- ja happiriippuvaista hajoamista, ja niiden stabiilius todellisissa formulaatioissa voi poiketa yksinkertaisesta Arrhenius-ekstrapolaatiosta matriisivaikutusten ja useiden reittien vuoksi.[7, 12, 29]

Vesijärjestelmissä trans-resveratrol-yhdisteen raportoidaan olevan stabiili happamassa pH:ssa, kun taas hajoaminen kasvaa eksponentiaalisesti yli pH 6.8:n ja puoliintumisaika lyhenee 329 päivästä pH-arvossa 1.2 aina 3.3 minuuttiin pH-arvossa 10.[12]

pH-arvossa 7.4 trans-resveratrol-hajoamisen kinetiikka noudattaa ensimmäisen kertaluvun kinetiikkaa tutkituissa lämpötiloissa, ja aktivoitumisenergiaksi raportoidaan 84.7 kJ·mol⁻¹.[12]

Mekaanisena perusteluna esitetään, että happamassa pH:ssa hydroksyyliryhmät ovat suojassa radikaalihapetukselta positiivisesti varautuneen H₃O⁺-ionin ansiosta, kun taas emäksisissä olosuhteissa fenaatti-ionit lisäävät alttiutta hapettumiselle ja fenoksiradikaalien muodostumiselle, ja väliaineen happi edistää hajoamiseen johtavia radikaalireaktioita.[12]

Riippumattomat termisen stabiiliuden kokeet vesiliuoksessa (19 mg·L⁻¹) raportoivat, ettei merkittäviä spektraalimuutoksia tapahdu 30 minuutin aikana aina 70 °C:seen asti, kun taas korkeammat lämpötilat johtavat absorbanssin yleiseen pienenemiseen 304 nm:ssä ja pienempään absorbanssiin välillä 270–350 nm, mikä osoittaa termisesti indusoitua tuhoutumista hydrotermisissä olosuhteissa.[30]

Näiden hydrotermisten kokeiden mekaaninen tulkinta ehdottaa kaksoissidoksen oksidatiivista halkeamista ja fenolipitoisten hajoamistuotteiden, kuten hydroksyaldehydien, alkoholien ja hydroksihappojen, muodostumista. FTIR-vöiden tulkitaan olevan yhdenmukaisia aldehydien ja karboksyylihappojen muodostumisen kanssa 100–120 °C:ssa.[30]

Tablettimatriiseissa resveratrol-hajoamisen raportoidaan noudattavan ensimmäisen kertaluvun monoeksponentiaalista kinetiikkaa k-arvoilla 0.07140, 0.1937 ja 0.231 kuukautta⁻¹ vastaavasti 25, 30 ja 40 °C:ssa, mutta ln(k) vs. 1/T -suhde on epälineaarinen ja luokiteltu super-Arrhenius-tyyppiseksi. Kirjoittajat ehdottavat mahdollisia toissajaisia reaktioita, useita reaktioreittejä tai matriisivaikutuksia korkeammissa lämpötiloissa.[7]

Sama työ korostaa, ettei Arrhenius-ekstrapolaatio aina salli resveratrol-hajoamiskinetiikan määrittämistä ravintolisissä ja että nopeutetut testit voivat johtaa virheellisiin arvioihin, mukaan lukien hajoamisen yliarviointiin.[7]

Stilbeenin kaltaisten fenolisten yhdisteiden osalta kuivissa järjestelmissä termiset käsittelyt, kuten höyrysterilointi 121 °C:ssa 20 minuutin ajan, aiheuttavat mitattavia hävikkejä (esim. pinosylvin väheni 20.98 % piikin pinta-alasta), ja 24 tunnin uunikuivaus 105 °C:ssa aiheuttaa yli 50 % laskun useiden fenolisten yhdisteiden piikin pinta-alassa, kun taas TGA osoittaa hajoamisen alkamislämpötiloiksi yli ~200 °C pinosylvin-järjestelmille.[31]

4.3 Flavonoidit

Flavonoidit osoittavat monireittistä hajoamisalttiutta, johon vaikuttavat pH, lämpötila, happi ja formulaatiovuorovaikutukset, kuten proteiinisitoutuminen. Niiden termiseen käyttäytymiseen DSC/TGA-analyyseissä voi liittyä päällekkäistä hajoamista ja pehmenemistä yksinkertaisen sulamisen sijaan.[9, 22, 24]

Puskuroiduissa liuoksissa väliaineen pH:n nostaminen 6.0:sta 7.5:een kasvattaa fisetin- ja quercetin-hajoamisen nopeusvakioita vastaavasti 24-kertaisesti ja 12-kertaisesti (esim. fisetin k nousee arvosta 8.30×10⁻³ arvoon 0.202 h⁻¹; quercetin k arvosta 2.81×10⁻² arvoon 0.375 h⁻¹), ja lämpötilan nostaminen yli 37 °C:n kasvattaa k-arvoa huomattavasti (esim. fisetin k arvoon 0.490 h⁻¹ 65 °C:ssa; quercetin k arvoon 1.42 h⁻¹ 65 °C:ssa).[24]

Proteiiniainesosat voivat lieventää hajoamista: proteiinin lisäyksellä mitatut k-arvot pienenevät, mukaan lukien fisetin k:n lasku arvosta 3.58×10⁻² tasolle 1.76×10⁻² h⁻¹ ja quercetin k:n lasku arvosta 7.99×10⁻² tasolle 3.80×10⁻² h⁻¹.[24]

Mekaanisesti flavonoidien kemiallinen epästabiilius katsotaan hydroksyyliryhmien ja epästabiilin pyronirakenteen syyksi. Proteiinien tarjoama stabilointi katsotaan pääasiassa hydrofobisten vuorovaikutusten ansioksi (SDS:n häiritessä stabilointia), ja vetysidosten osuuden korostetaan vaativan tulevaisuudessa kvantitatiivisia määrityksiä.[24]

Quercetin-yhdisteen osalta 90 °C:ssa lähellä neutraalia pH:ta hajoamiskinetiikka osoittaa voimakkaita pH-vaikutuksia: k kasvaa noin viisinkertaiseksi pH-arvosta 6.5 pH-arvoon 7.5, ja hapetusvälituotteita, kuten quercetin-kinonia, havaitaan, tyypillisten lopputuotteiden ollessa protokatekiinihappo (PCA) ja floroglusinolikarboksyylihappo (PGCA).[22]

Mekaaninen kuvaus osoittaa ensimmäisen mitattavan hävikin 370 nm:ssä johtuvan quercetin-yhdisteen muuttumisesta kinoniksi ja viittaa siihen, että kinonirungon halkeaminen tuottaa yksinkertaisempia fenolisia yhdisteitä, joilla on rajallinen absorbanssi, kun taas emäksinen deprotonaatio nopeuttaa hapettumista vaikuttaen C-renkaaseen ja B-renkaan o-difenolirakenteeseen.[22]

Korkean lämpötilan järjestelmissä (150 °C) quercetin-hajoaminen ja hapettuminen etenevät nopeasti; raportoidut nopeusvakiot ovat 0.253 h⁻¹ typessä ja 0.868 h⁻¹ hapessa, ja voimakas kiihtyminen (7.17 h⁻¹) havaitaan hapessa ja cholesterol-läsnäollessa. Kokeellisesti quercetin-hävikki kasvaa 7.9 %:sta 10 minuutissa (N₂) 20.4 %:iin 10 minuutissa (O₂), kun taas cholesterol + happi -seoksessa quercetin vähenee siten, että 10 minuutin jälkeen on jäljellä vain 10.9 %.[26]

Terminen analyysi osoittaa lisäksi, että quercetin näyttää pienen endotermisen piikin 90–135 °C:n alueella, mikä liittyy pieneen massahäviöön (0.86 ± 0.33 paino-%). Hajoaminen alkaa 230 °C:ssa, ja näkyvä DSC-endotermi 303 °C:ssa on päällekkäinen hajoamisen kanssa. Vetysidosten väitetään sekä rajoittavan sulamisen kaltaista käyttäytymistä että helpottavan hajoamista heikentämällä kemiallisia sidoksia.[9]

Rutin-yhdisteen (quercetin-glykosidi) ja sen rasvahappoestereiden osalta TGA osoittaa, että rutin on termisesti stabiili aina 240 °C:seen asti, kun taas estereillä on alhaisemmat alkuperäiset hajoamislämpötilat (217–220 °C) ja suurempi massahäviö päävaiheessa. Aktivoitumisenergiat vaihtelevat konversioasteen mukaan välillä 65–246 kJ·mol⁻¹.[8]

4.4 Kurkuminoidit

Curcumin-hajoaminen on voimakkaasti pH-riippuvaista ja siihen liittyy oksidatiivisia reittejä monissa vesiliuoksissa, kun taas terminen hajoaminen ja formulaatiovuorovaikutukset voivat siirtää hajoamisen alkamista ja näennäisiä kineettisiä parametreja.[10, 18, 32]

Puskuri/metanoli-seoksissa 37 °C:ssa curcumin-hajoamisen raportoidaan noudattavan ensimmäisen kertaluvun kinetiikkaa, jossa k_obs kasvaa dramaattisesti pH:n noustessa (esim. 3.2×10⁻³ h⁻¹ pH-arvossa 7.0 vs. 693×10⁻³ h⁻¹ pH-arvossa 12.0), kun taas pH-arvossa 5.0 curcumin on stabiili raportoiduissa kokeissa.[10]

pH-arvossa 8.0 Arrhenius-analyysi antaa (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹, ja ekstrapolaatio vesipuskuriin viittaa nopeaan hävikkiin hapettavissa olosuhteissa (k_obs 280×10⁻³ h⁻¹, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]

Miselliset nanoformulaatiot hidastavat hajoamista dramaattisesti: polymeerimiselleissä ja Triton X-100 -miselleissä pH-arvossa 8.0 ja 37 °C:ssa raportoidut k_obs-arvot laskevat tasolle 0.9×10⁻³ ja 0.6×10⁻³ h⁻¹, puoliintumisaikojen ollessa 777 ± 87 h ja 1100 ± 95 h, joiden todetaan olevan ~300–500 kertaa korkeampia kuin vapaalla curcumin-yhdisteellä vesipuskurissa.[10]

Mekaanisesti mukana oleva työ väittää, ettei curcumin-hajoaminen tapahdu hydrolyyttisen ketjun halkeamisen kautta, vaan hapettumisen kautta tuottaen bisyklopentadionia lopputuotteena. 1 moolin curcumin-hajoamisen todetaan liittyvän 1 moolin O₂ kulutukseen, ja ensimmäinen vaihe on hydroksyyliryhmien deprotonaatio pH-arvossa yli 7.0.[10]

Erillinen ruoansulatuskanavan kannalta olennainen stabiiliustutkimus raportoi näennäisen ensimmäisen kertaluvun kinetiikkaa korkealla lineaarisuudella (r² > 0.95) ja antaa aktivoitumisenergiat (yksikössä kcal·mol⁻¹), jotka vaihtelevat väliaineen mukaan (korkeampi pH-arvossa 7.4 kuin 0.1 N HCl:ssa). Tutkimus raportoi, että 12 tunnin jälkeen 37 °C:ssa yli 80 % oli jäljellä 0.1 N HCl:ssa, mutta vain 57 % ja 47 % oli jäljellä pH 6.8 ja 7.4 fosfaattipuskureissa.[11]

Korkeissa lämpötiloissa (180 °C) paahtokokeet osoittavat äärimmäistä lämpöherkkyyttä: vain 30 % alkuperäisestä curcumin-määrästä on jäljellä 5 minuutin jälkeen. Mekaaninen tulkinta yhdistää oksidatiivisen halkeamisen ferulic-acid-välituotteeseen ja dekarboksylaatiovaiheeseen, jota ilma-altistus ja korkeammat lämpötilat nopeuttavat.[33]

Curcumin-yhdisteen ja curcumin-pitoisten polymeerijärjestelmien termisen hajoamisen tutkimukset typessä osoittavat monimutkaista käyttäytymistä: raaka curcumin -hajoaminen alkaa noin 240 °C:ssa, kun taas curcumin-yhdisteen lisääminen PGA/PCL-seoksiin siirtää PGA-hajoamisen maksimin alhaisempiin lämpötiloihin (esim. 372 °C:sta puhtaalla seoksella tasolle 327 °C 5 % curcumin-pitoisuudella), mikä tarkoittaa, että curcumin voi heikentää matriisin termistä stabiiliutta.[18]

Sama polymeerikeskeinen tutkimus yhdistää nämä tulokset valmistuksen kannalta olennaisiin seikkoihin toteamalla, että sulatilan prosessointi edellyttää sekä polymeerimatriisin kemiallisen stabiiliuden että lisättyjen lääkeaineiden biologisen aktiivisuuden takaamista, ja että PGA:n tai PGA/PCL-seosten prosessointi curcumin-yhdisteen kanssa tulisi suorittaa mahdollisimman alhaisessa lämpötilassa PGA-hajoamisen estämiseksi.[18]

Curcumin-stabilointi suuren leikkausvoiman emulgoinnissa on myös kvantifioitu Pickering-emulsioissa, jotka on valmistettu käyttämällä suuren leikkausvoiman sekoitinta nopeudella 22,000 rpm 2 minuutin ajan: varastointi 20 °C:ssa pimeässä osoittaa, että kapseloimattomassa curcumin-öljyseoksessa noin puolet curcumin-määrästä on hajonnut 6 päivän jälkeen ja vain 20 % on jäljellä 16 päivän jälkeen, kun taas Pickering-emulsiojärjestelmä säilyttää ~50 % 16 päivän jälkeen ja pidentää puoliintumisaikaa 13 päivästä 28 päivään.[1]

UV-altistuksessa (6 W, 365 nm) sama järjestelmä osoittaa öljyseokselle ~50 % hajoamista 9 tunnin jälkeen ja vain 20 % on jäljellä 24 tunnin jälkeen, kun taas Pickering-emulsio säilyttää ~70 % 9 tunnin jälkeen ja ~45 % 24 tunnin jälkeen, pidentäen 50 % hävikin puoliintumisaikaa noin 13 tunnista noin 27 tuntiin.[1]

4.5 Yhteenvetotaulukko

Alla oleva taulukko yhdistää edustavat kineettiset ja termodynaamiset parametrit eri yhdisteluokista korostaen arvoja, joita voidaan suoraan hyödyntää prosessimallinnuksessa.

5. Suuren leikkausvoiman valmistusyksikköprosessit

Suuren leikkausvoiman valmistus altistaa lämpöherkät yhdisteet mekaanisille rasituskentille, jotka voivat nostaa lämpötilaa, lisätä hapen siirtoa ja rajapinta-alaa, vaikuttaen siten sekä reaktiokinetiikkaan että vallitseviin mekanismeihin, erityisesti happi- ja pH-herkkien bioaktiivisten aineiden kohdalla.[13, 14, 17]

5.1 Sulaprosessointi

Sulatilan prosessointi korostuu polymeeri-lääkeaine-järjestelmissä skenaariona, jossa on säilytettävä sekä polymeerin stabiilius että lääkeaineen aktiivisuus. On nimenomaisesti todettu, että sulatilan prosessointi edellyttää polymeerimatriisin kemiallisen stabiiliuden ja lisättyjen lääkeaineiden biologisen aktiivisuuden takaamista.[18]

PGA/PCL–curcumin-järjestelmässä curcumin-yhdisteen lisääminen vaikuttaa haitallisesti PGA:n termiseen stabiiliuteen, ja kirjoittajat suosittelevat prosessointia mahdollisimman alhaisessa lämpötilassa PGA-hajoamisen estämiseksi, yhdistäen termisen stabiiliuden karakterisoinnin prosessisuunnitteluun.[18]

5.2 Korkeapainehomogenointi ja mikrofluidisointi

Korkeapainehomogenointi altistaa nesteet korkealle mekaaniselle rasitukselle niiden virratessa kapean venttiiliaukon läpi; aukossa nesteeseen kohdistuu leikkausvoimaa, ja lisäilmiöt, kuten kavitaatio, turbulenssi, törmäykset ja iskut, edistävät leikkausvaikutuksia.[14]

HPH toimii kohotetuissa paineissa, jotka ovat yli 100 MPa ja voivat nousta jopa 400 MPa:iin. Käytetty paine, syklien/ajokertojen määrä ja sisääntulolämpötila kuvataan keskeisiksi tekijöiksi, jotka vaikuttavat fytokemikaalien uuttuvuuteen ja stabiiliuteen.[14]

Kvantitatiivisesti HPH-katsaus raportoi esimerkkejä koostumusmuutoksista, kuten L-ascorbic acid -pitoisuuden asteittaisesta laskusta (1.7 %, 4.6 %, 10.7 %) paineilla 100, 200, 300 MPa ja polyfenolien vähenemisestä (esim. 10.6 %, 6.0 %, 1.4 %) omenamehussa vastaavilla paineilla. Tämä havainnollistaa, että painetaso voi korreloida hävikkien kanssa hapetusherkissä yhdisteissä matriisista ja entsyymiaktiivisuudesta riippuen.[14]

Formulaatiomittakaavassa mikrofluidisointi voi tuottaa stabiileja emulsioita, joissa fenolisten yhdisteiden säilyminen on kvantifioitu: W/O/W-emulsioille optimaalisiksi mikrofluidisointiolosuhteiksi raportoitiin 148 MPa ja seitsemän sykliä, mikä tuotti 105.3 ± 3.2 nm pisaroita (PDI 0.233 ± 0.020). 35 päivän jälkeen fenolisten yhdisteiden säilyminen oli 68.6 % ja antioksidanttiaktiivisuuden säilyminen 89.5 %.[2]

Erillinen kapselointitutkimus raportoi yhdistetyn suuren leikkausvoiman ja mikrofluidisoinnin lähestymistavan: liposomidispersiot homogenoitiin nopeudella 9500 rpm 10 minuutin ajan ja ajettiin sitten viisi kertaa mikrofluidisaattorin läpi paineella 25,000 psi ennen sumukuivausta. Tämä osoittaa, että teollisesti realistiset sekvenssit voivat yhdistää leikkausvoiman ja sitä seuraavan termisen kuivauksen.[3]

Ultrakorkeapainehomogenoinnin (UHPH) katsaukset korostavat äärimmäistä leikkausvoimaa ja iskuja venttiilin sisällä. Raportoituja olosuhteita ovat nesteiden pumppaaminen yli 200 MPa:n (tyypillisesti 300 MPa) paineella ja alle 0.2 sekunnin viipymäaika venttiilissä Mach 3 -nopeudella, mikro-organismien, kolloidien ja biopolymeerien nanofragmentoituessa 100–500 nm:n kokoon.[34]

5.3 Suuren leikkausvoiman sekoitus

Suuren leikkausvoiman sekoitusta käytetään usein esiemulgoinnissa tai dispergoinnissa, ja se voi itsessään aiheuttaa merkittävää lämpötilan nousua ja oksidatiivisia ympäristöjä, vaikuttaen hajoamiseen jo ennen jatkoprosesseja.[13]

Juomamallissa 10 minuutin suuren leikkausvoiman homogenointi kasvavilla pyörimisnopeuksilla nosti ulostulolämpötilaa (4.1 ± 0.7 °C:sta 0 rpm:ssä 41 ± 1.2 °C:seen 20,000 rpm:ssä) ja liittyi huomattavaan ascorbic-acid-hävikkiin (42.6 % vähenemä 20,000 rpm:ssä).[13]

Curcumin-Pickering-emulsiojärjestelmässä suuren leikkausvoiman sekoitusta (22,000 rpm 2 min) käytettiin emulsioiden muodostamiseen, minkä jälkeen stabiiliuden paraneminen kvantifioitiin hitaampana hajoamisena ja pidentyneenä puoliintumisaikana sekä varastoinnissa että UV-rasituksessa, yhdistäen suuren leikkausvoiman rajapintarakenteen kemialliseen stabiiliuteen.[1]

5.4 Mekaanis-kemiallinen jauhaminen

Mekaanis-kemiallinen prosessointi (esim. kuulamyllyjauhatus) voi tuottaa amorfisia kiinteitä dispersioita ja muuttaa stabiiliutta muuttamalla kiinteän tilan muotoa, sekoittamalla molekyylitasolla ja mahdollistamalla voimakkaat molekyylien väliset vuorovaikutukset, kuten vetysidokset.[15]

Fisetin-ASD-yhdisteiden ja inkluusioiden jauhatus suoritettiin huoneenlämmössä taajuudella 30 Hz ja ajalla 20 min, ja myöhempi TG/DSC-analyysi tehtiin typessä termisen stabiiliuden ja Tg-käyttäytymisen kvantifioimiseksi.[15]

5.5 Sumukuivaus

Sumukuivausta kuvataan yhdeksi yleisimmin käytetyistä tekniikoista kuivien kasvinuutteiden valmistuksessa, ja sumukuivauksen korkeiden lämpötilojen todetaan olevan mahdollisesti haitallisia lämpöherkille (poly)fenoleille.[3, 20]

Eräässä polyfenolien kapselointitutkimuksessa sumukuivaus suoritettiin sisääntuloilman lämpötilalla 150 ± 5 °C ja ulostulolämpötilalla 90 ± 5 °C. Kirjoittajat toteavat (poly)fenolimäärän vähentyneen happi- ja lämpöaltistuksen vuoksi sumukuivauksen aikana, mikä motivoi kapselointia funktionaalisten ominaisuuksien säilyttämiseksi.[3]

Uutteen esiformulointitutkimuksessa sumukuivaimen prosessiolosuhteiden (sisääntulolämpötila, syöttönopeus, kolloidisen piidioksidin suhde) vaikutuksia vasteisiin arvioitiin, ja Arrhenius-menetelmiä käytettiin hajoamiskinetiikan parametrien määrittämiseen, mukaan lukien reaktiokertaluku, hajoamisosuusaika ja nopeusvakio.[20]

5.6 Yhteenvetotaulukko

Alla oleva taulukko tiivistää rasitusprofiilit ja esimerkkejä kvantitatiivisista vaikutuksista yksikköprosesseissa, jotka aiheuttavat suurta leikkausvoimaa ja/tai voimakasta termistä altistusta.

6. Integroidut stabiilius- ja prosessimallit

Mukana olevat lähteet tarjoavat rakennuspalikoita integroidulle ennustavalle viitekehykselle, jossa stabiiliustulokset lasketaan yksikköprosessien termisistä historioista ja fysikaalis-kemiallisista mikroympäristöistä (pH, happi, vesiaktiivisuus) noudattaen samalla termodynaamisia transitiokynnyksiä.[4, 14]

6.1 Aika–lämpötila–leikkausvoima-kartoitus

Käytännön kartoitusmenetelmässä voidaan käyttää kinetiikkaa (k, (E_a), puoliintumisaika) yhdessä mitattujen tai johdettujen yksikköprosessin aika-lämpötila-profiilien kanssa odotetun konversion laskemiseksi, käyttäen samalla tilansiirtymäkynnyksiä (Tg, sulamisen alkaminen, hajoamisen alkaminen) rajoina, jotka voivat muuttaa mekanismeja tai nostaa nopeuksia.[4, 15]

Esimerkiksi NRCl-yhdisteen näennäinen ensimmäisen kertaluvun liuostilan malli voidaan parametrisoida Arrhenius-aktivoitumisenergioilla (75.4–82.8 kJ·mol−1) ja havainnolla, että 10 °C:n nousu suunnilleen kaksinkertaistaa k_obs-arvon, mikä mahdollistaa validoitujen puskurikokeiden kääntämisen lyhyiksi termisiksi piikeiksi valmistuksessa.[4]

Curcumin-yhdisteen osalta lämpötilaherkkyys voidaan parametrisoida käyttämällä arvoa (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 pH-arvossa 8.0 sekä raportoitua k_obs-arvon voimakasta pH-riippuvuutta, jotka yhdessä mahdollistavat hävikkien ennustamisen vesipohjaisten pitoaikojen tai lämmitettyjen emulgointivaiheiden aikana, joissa paikallinen pH on neutraali tai emäksinen.[10]

trans-resveratrol-yhdisteen osalta pH-vetoinen puoliintumisajan romahdus (sadoista päivistä minuutteihin pH:n noustessa) tarkoittaa, että prosessoinnin aikaisia stabiiliustuloksia saattaa hallita mikroympäristön pH massalämpötilan sijaan, ja Arrhenius-mallinnusta pH-arvossa 7.4 voidaan käyttää kohtuullisen lämpötilan altistuksille arvolla (E_a)=84.7 kJ·mol−1.[12]

6.2 QbD ja suunnittelualue

Quality-by-design-tulkintaa tukevat tutkimukset, jotka arvioivat nimenomaisesti, miten prosessiparametrit ja formulaatiomatriisit muuttavat hajoamismekanismeja. Näihin kuuluvat havainnot, joiden mukaan nopeutettu testaus saattaa epäonnistua säilyvyysajan ennustamisessa, kun esiintyy ei-Arrhenius-käyttäytymistä tai matriisivaikutuksia.[7, 29]

Resveratrol-tablettien osalta johtopäätös, jonka mukaan Arrhenius-lähestymistavat voivat yliarvioida hajoamista nopeutetuissa testeissä, motivoi suunnittelualueiden määrittämistä käyttämällä sekä mekaanista ymmärrystä että monilämpötila-aineistoa yhden nopeutetun olosuhteen sijaan.[7, 29]

Sumukuivattujen flavonoidimarkkerijärjestelmien osalta apuaineiden raportoidaan nimenomaisesti vaikuttavan kineettiseen kertalukuun ja hajoamisosuusaikoihin, mikä osoittaa, että formulaation koostumus on osa stabiiliuden suunnittelualuetta eikä vain kiinteä taustatekijä.[20]

6.3 PAT ja analyyttinen spesifisyys

Tarkka prosessin seuranta vaatii analyyttistä spesifisyyttä, koska hajoamistuotteet voivat sekoittaa yksinkertaisempia spektroskooppisia määrityksiä, erityisesti polyfenolien kohdalla.[12]

trans-resveratrol-yhdisteen osalta HPLC- ja UPLC-spesifisyyden raportoidaan olevan vahvistettu, kun taas UV/VIS-spektroskopia johti virheellisesti korkeampiin trans-resveratrol-pitoisuuksiin olosuhteissa, joissa se ei ollut stabiili (emäksinen pH, valo, kohonnut lämpötila). Tämä korostaa stabiiliutta osoittavien menetelmien tarvetta prosessianalytiikassa.[12]

7. Hallintakeinot

Mukana olevien lähteiden hallintakeinot korostavat altistumisen rajoittamista tunnetuille kiihdyttimille (lämpö, happi, korkea pH, UV) sekä sellaisten formulaatioarkkitehtuurien käyttöä, jotka vähentävät molekulaarista mobiliteettia, suojaavat rajapintoja tai asettavat aktiiviaineen vähemmän reaktiivisiin mikroympäristöihin.[10, 13, 17]

7.1 Kapselointi ja dispersiot

Kapselointi misellisiin tai hiukkasjärjestelmiin voi merkittävästi stabiloida lämpöherkkiä yhdisteitä rajoittamalla kosketusta veden, hapen ja reaktiivisten lajien kanssa sekä muuttamalla keskeisten funktionaalisten ryhmien happo-emäs-saatavuutta.[1, 10]

Curcumin-yhdisteen osalta misellinen liukoisuuden parantaminen laskee k_obs-arvon tasolle 0.6–0.9×10−3 h−1 ja pidentää puoliintumisaikaa välille 777–1100 h. Tämä stabilointi katsotaan hydrofobisen miselliytimen sisällä tapahtuvan hydroksyylideprotonaation estämisen ansioksi, jota kuvataan hajoamisen ensimmäiseksi vaiheeksi.[10]

Pickering-emulsiot tarjoavat fyysisen esteen: tiheän fyysisen esteen läsnäolon rajapinnalla todetaan estävän curcumin-hajoamista, ja kvantitatiivisesti estettä muodostava järjestelmä pidentää varastoinnin puoliintumisaikaa 13 päivästä 28 päivään ja UV-puoliintumisaikaa noin 13 tunnista noin 27 tuntiin.[1]

Syklodekstriinipohjaiset kantajajärjestelmät tarjoavat toisen strategian: resveratrol–β-syklodekstriini-klatraatit osoittavat termisiä tapahtumia, kuten veden vapautumista lähellä 50 °C:ta ja korkeamman lämpötilan hajoamistapahtumia. Sitoutumisen vapaat energiat (esim. −86 kJ·mol−1 MM/PBSA-menetelmällä) kvantifioivat voimakkaat inkluusiovuorovaikutukset.[25]

Resveratrol-yhdisteen nanosienikapselointi poistaa sen DSC-sulamisendotermin ja tarjoaa valosuojan: vapaa resveratrol osoittaa 59.7 % hajoamisen 15 minuutin kuluessa UV-altistuksessa, kun taas resveratrol-nanosienet tarjoavat noin kaksinkertaisen suojan, mikä on yhdenmukaista sen kanssa, että kapselointi estää suoran UV-altistuksen.[16]

Amorfisia kiinteitä dispersioita voidaan kehittää mekaanis-kemiallisen jauhatuksen avulla, ja fisetin-yhdisteen ja Eudragit®-esteriryhmien välinen vetysidos on nimenomaisesti tunnistettu. Tämä tarjoaa mekaanisen perustan sekoittuvuudelle ja muuttuneelle Tg:lle, joka voi stabiloida kiteytymisestä riippuvia muutoksia liukenemiskäyttäytymisessä.[15]

Apuaineiden ja kantajien valinta

Apuaineiden valinta voi muuttaa kineettisiä mekanismeja ja stabiiliustuloksia, kuten sumukuivatuissa kasvinuutejärjestelmissä on raportoitu: reaktiokertaluku ja hajoamisosuusajat eroavat apuaineseosten mukaan, mikä osoittaa apuaineesta riippuvaista hajoamiskinetiikkaa.[20]

Proteiiniainesosat voivat stabiloida flavonoideja hydrofobisten vuorovaikutusten kautta, laskien fisetin- ja quercetin-yhdisteiden k-arvoja. SDS-molekyylien aiheuttama näiden vuorovaikutusten häiriintyminen tukee tulkintaa, jonka mukaan hydrofobinen sitoutuminen on keskeinen stabilointimekanismi.[24]

Prosessitekniikan hallintakeinot

Prosessinhallintakeinot, jotka vähentävät termistä altistusta ja happikosketusta, saavat suoraa tukea useista tietoaineistoista.[5, 18]

NRCl-yhdisteen osalta DSC/qNMR-näyttö osoittaa, että sulamisen alkamisalueen (~120–130 °C) ylittäminen voi aiheuttaa erittäin nopeaa hajoamista, mikä tukee ehdottomia ylärajoja lämpötilalle ja viipymäajalle lämmitetyissä kiinteän tilan toiminnoissa.[4]

NRH-yhdisteen osalta ilman ja N₂-kehän puoliintumisajan ero 25 °C:ssa tarkoittaa, että inertisointi ja hapen poistaminen voivat olla merkittäviä. Kirjoittajat raportoivat, ettei N₂-suojassa 4 °C:ssa säilytetyissä näytteissä havaita hajoamista 60 päivän jälkeen, kun taas näytteet ilmassa 4 °C:ssa osoittavat ~10 % hajoamisen.[5]

Suuren leikkausvoiman homogenoinnissa suora havainto siitä, että pyörimisnopeuden lisääminen nostaa ulostulolämpötilaa ja liittyy hapetusherkän ascorbic acid -yhdisteen suurempaan hävikkiin, tukee teknisiä toimenpiteitä, jotka rajoittavat leikkausvoiman aiheuttamaa kuumenemista (esim. jäähdytysvaipat, lyhyemmät sekoitusajat, vaiheittainen lisäys).[13]

Sumukuivauksessa väite, jonka mukaan happi- ja lämpöaltistus vähentävät (poly)fenoleja ja että korkeat lämpötilat voivat olla haitallisia lämpöherkille fenoleille, tukee valintoja, kuten ulostulolämpötilan laskemista mahdollisuuksien mukaan ja kapseloinnin käyttöä hapettumisen ja lämpöherkkyyden vähentämiseksi.[3]

Antioksidantit ja hapen hallinta

Antioksidantti- ja hapen hallintastrategiat saavat mekaanista tukea polyfenoliaineistoista.[12, 22]

Quercetin-yhdisteen osalta 90 °C:ssa antioksidantit, kuten cysteine, pienentävät k-arvoa; 200 μmol·L−1 cysteine-pitoisuus aiheuttaa k-arvon laskun noin 43 % kontrolliin verrattuna. Mekaaninen tulkinta huomioi quercetin-kinonin stabiloinnin ja radikaalien sammuttamisen vaikutukset.[22]

trans-resveratrol-yhdisteen osalta hapen raportoidaan nimenomaisesti edistävän hajoamiseen johtavia radikaalireaktioita, mikä tukee inerttejä prosessointiolosuhteita tai happisulkuja emäksisessä/neutraalissa vesiprosessoinnissa.[12]

Liposomijärjestelmissä resveratrol-yhdisteen raportoidaan rajoittavan stigmasterol-hapettumista neutraloimalla vapaita radikaaleja ja integroituvan lipidikaksoiskerroksiin lisäten jäykkyyttä ja vähentäen läpäisevyyttä hapelle ja hapettaville aineille, parantaen siten järjestelmän termistä ja oksidatiivista stabiiliutta.[35]

Pohdinta

Tässä syntetisoidun näyttöpohjan vahvin kvantitatiivinen malli on, että kemiallinen mikroympäristö (pH, happi, veden läsnäolo) voi hallita stabiiliustuloksia jopa kohtuullisissa lämpötiloissa, ja että useat bioaktiiviset aineet osoittavat jyrkkiä stabiiliuden epäjatkuvuuskohtia tietyissä termisissä transitiokynnyksissä.[4, 5, 12]

NAD⁺-prekursorien osalta NRCl-aineisto korostaa kahta osa-aluetta: vesiliuoksessa näennäisen ensimmäisen kertaluvun hydrolyysia voidaan mallintaa Arrhenius-aktivoitumisenergioilla ja k_obs-arvon suunnilleen kaksinkertaisella kasvulla 10 °C:ta kohden, kun taas kiinteässä tilassa kapea alue 120–130 °C:n välillä vastaa sulamista, jota seuraa välittömästi nopea hajoaminen.[4]

Resveratrol-yhdisteen kohdalla hallitseva prosessiriski nousee pH-herkkyydestä: puoliintumisaika romahtaa happaman pH:n pitkistä kestoista minuutteihin korkeassa pH-arvossa samalla kun happi edistää radikaalireaktioita. Tämä osoittaa, että suuren leikkausvoiman toiminnot, jotka lisäävät hapen siirtoa ja paikallista emäksisyyttä, voivat olla suhteettoman vahingollisia, vaikka massalämpötila pysyisikin kohtuullisena.[12]

Flavonoidien kohdalla hapettuminen kinonivälituotteiden kautta ja pH-riippuvaiset deprotonaatiomekanismit (quercetin) yhdistyvät korkean lämpötilan hapettumiseen ja radikaaliketjukytkentään (esim. happi plus cholesterol). Tämä viittaa siihen, että lipidejä sisältävät formulaatiot ja happialtistus voivat voimakkaasti vahvistaa oksidatiivisia hävikkireittejä.[22, 26]

Curcumin-yhdisteen kohdalla on mekaanista ristivetoa hydrolyysivetoisten kuvausten (joissakin GI-puskuritöissä) ja autoksidaatiovetoisten kuvausten (misellitöissä) välillä, mutta molemmat konvergoituvat voimakkaaseen pH-vaikutukseen sekä hydrofobisten mikroympäristöjen ja hapen rajoittamisen suojaavaan rooliin.[11, 32]

Yksikköprosessien tasolla suuren leikkausvoiman prosessit voivat toimia ensisijaisesti epäsuorina kiihdyttiminä tuottamalla lämpöä ja lisäämällä oksidatiivista alttiutta; tämä osoitetaan suoraan suuren leikkausvoiman homogenoinnissa, jossa pyörimisnopeus nostaa ulostulolämpötilaa ja on yhteydessä ascorbic acid -yhdisteen oksidatiiviseen hävikkiin.[13]

HPH/UHPH tuovat lisämonimutkaisuutta, koska venttiilialue aiheuttaa äärimmäistä leikkausvoimaa, kavitaatiota ja turbulenssia ja saattaa generoida korkeita paikallisia lämpötiloja, vaikka viipymäajat voivat olla hyvin lyhyitä (esim. <0.2 s UHPH-kuvauksissa). Tämä tarkoittaa, että kemialliset tulokset voivat riippua siitä, hallitsevatko hajoamista nopeat radikaaliprosessit, diffuusiovaralliset vaiheet vai hitaammat termiset aktivoitumisvaiheet.[14, 34]

Lopuksi useat lähteet korostavat, että stabiiliuden mallinnus on validoitava mekaanisesti asianmukaisessa matriisissa: resveratrol-tablettitiedot osoittavat ei-Arrhenius-käyttäytymistä ja matriisivaikutuksia, jotka rajoittavat yleistä Arrhenius-ekstrapolaatiota nopeutetuista testeistä, ja sumukuivatut kasviuutemarkkerit osoittavat apuaineesta riippuvaisia kineettisiä kertalukuja ja hajoamisosuusaikoja.[7, 20]

Johtopäätökset

Kvantitatiiviset termodynaamiset transitiomerkkiaineet (DSC/TGA) ja hajoamiskinetiikka (k, t_(1/2), (E_a), konversioasteesta riippuvat aktivoitumisenergiat) tarjoavat prosessin kannalta olennaisen perusteen sellaisten valmistusolosuhteiden suunnittelulle, jotka säilyttävät lämpöherkkien pitkäikäisyysyhdisteiden ja niihin liittyvien bioaktiivisten aineiden tehon.[4, 8, 9]

NAD⁺-prekursorien osalta NRCl osoittaa kapean termisen prosessointi-ikkunan lähellä sulamista, mitä seuraa nopea hajoaminen, kun taas vesiliuosten kinetiikka osoittaa pH-riippuvaista näennäisen ensimmäisen kertaluvun käyttäytymistä aktivoitumisenergioilla 75–83 kJ·mol−1, joita voidaan käyttää termisen altistuksen mallien parametrisointiin.[4]

Resveratrol-yhdisteen kohdalla pH ja happi ovat hallitsevia muuttujia: puoliintumisaika romahtaa sadoista päivistä happamassa pH:ssa minuutteihin korkeassa pH-arvossa, ja formulaatiomatriisit voivat aiheuttaa ei-Arrhenius-käyttäytymistä, mikä vaikeuttaa nopeutettujen testien ekstrapolaatiota.[7, 12]

Flavonoidien ja kurkuminoidien kohdalla hapetusreitit (quercetin-yhdisteellä kinonivälituotteet; curcumin-yhdisteellä autoksidaatio) motivoivat hapen hallintaa ja hydrofobisia kapselointistrategioita, joiden on kvantitatiivisesti osoitettu pidentävän puoliintumisaikaa kertaluokilla misellijärjestelmissä ja merkittävästi suuren leikkausvoiman sekoituksella tuotetuissa Pickering-emulsioissa.[1, 10, 22, 32]

Suuren leikkausvoiman yksikköprosessien osalta saatavilla oleva näyttö osoittaa, että leikkausvoima voi nostaa lämpötilaa ja edistää hapettumista (suuren leikkausvoiman sekoitus) ja että venttiilipohjaiset korkeapaineprosessit tuottavat äärimmäistä leikkausvoimaa ja kavitaatiota, jolloin paine, ajokertojen määrä ja sisääntulolämpötila ovat keskeisiä rasitusmuuttujia. Nämä oivallukset tukevat aika–lämpötila–leikkausvoima-kartoituksen ja PAT-menetelmien käyttöönottoa hyödyntäen stabiiliutta osoittavaa analytiikkaa.[12–14]

Eturistiriidat

Kirjoittajat ilmoittavat, ettei heillä ole eturistiriitoja.[20]