Termodinamička stabilnost termolabilnih spojeva za dugovječnost u procesima s visokim smicanjem

Termodinamička stabilnost i kinetika degradacije termolabilnih spojeva za dugovječnost pod stresom proizvodnje s visokim smicanjem

Abstract

Termolabilni spojevi povezani s dugovječnošću i polifenolni bioaktivni sastojci često su izloženi združenim toplinskim, oksidativnim, pH i mehaničkim stresovima tijekom proizvodnje (npr. miješanje s visokim smicanjem, visokotlačna homogenizacija i sušenje raspršivanjem), što može ubrzati kemijsku degradaciju i smanjiti isporučenu potentnost. Stoga su potrebni kvantitativni, procesno relevantni parametri stabilnosti kako bi se definirali proizvodni dizajnerski prostori i usmjerile strategije zaštitne formulacije. [1–3]

Metode u ovoj sintezi fokusiraju se na kvantitativne dokaze izvučene iz studija koje izvješćuju o:

• Termodinamičkim/toplinskim prijelazima procijenjenim pomoću DSC i TGA (taljenje, početak raspadanja, staklasti prijelazi i fazno ponašanje gubitka mase)
• Kinetici degradacije (modeli pseudo-prvog reda/prvog reda, Arrheniusove energije aktivacije, ovisnosti o pH i mjere vremena do razgradnje frakcije) za NAD⁺ prekursore (NR/NRH/NMN), stilbenoids (sustave povezane s resveratrol), flavonoids (quercetin, fisetin, rutin/esteri) i curcuminoids. [4–11]

Rezultati ukazuju na to da nekoliko reprezentativnih spojeva za dugovječnost pokazuje uske prozore toplinske obrade u specifičnim fizičkim stanjima. Nicotinamide riboside chloride (NRCl) pokazuje početak taljenja pri 120.7 ± 0.3 °C s brzom degradacijom nakon taljenja (npr. 98% degradacije pri 130 °C prema qNMR), dok vodena degradacija slijedi kinetiku pseudo-prvog reda s energijama aktivacije od 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ ovisno o pH. [4]

Za trans-resveratrol, kinetika degradacije snažno ovisi o pH i temperaturi (npr. poluvijek se smanjuje s 329 dana pri pH 1.2 na 3.3 minute pri pH 10), a ekstrapolacija ubrzanog ispitivanja može biti ne-Arrheniusova u matricama tableta. [7, 12]

Jedinične operacije s visokim smicanjem mogu inducirati lokalno zagrijavanje i oksidativna okruženja, kao što je pokazano homogenizacijom s visokim smicanjem koja povećava izlaznu temperaturu s brzinom rotacije i podudara se s gubitkom ascorbic-acid od 42.6% pri 20,000 rpm, te mehanizmima visokotlačne homogenizacije koji uključuju smicanje ventila, kavitaciju i turbulenciju pri >100 MPa. [13, 14]

Zaključci naglašavaju integraciju podataka o termodinamičkim prijelazima (DSC/TGA/Tg) s kinetičkim modelima (Arrhenius, ne-Arrhenius i izokonverzijske metode) kako bi se izradile karte vrijeme–temperatura–smicanje i racionalno odabrale strategije ublažavanja, uključujući enkapsulaciju, amorfne krute disperzije, ciklodekstrinske/nanospužvaste sustave, kontrolu kisika i minimizaciju smicanja/temperature. [15–18]

Keywords

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

1. Introduction

Spojevi relevantni za dugovječnost sve se više formuliraju kao nutraceutici, funkcionalna hrana i napredni sustavi dostave, što motivira proizvodne rute koje izlažu aktivne tvari kombiniranim stresorima uključujući zagrijavanje, kontakt s kisikom, aktivnost vode, promjene pH i intenzivan unos mehaničke energije. [3, 5, 14, 19]

Za kemije NAD⁺ prekursora, stabilnost u vodenom i krutom stanju je ključna jer se reaktivnost može dogoditi hidrolizom glikozidnih ili fosfatno vezanih motiva, te zato što procesne temperature mogu prijeći pragove prijelaza u krutom stanju koji prethode brzom raspadanju. [4, 6]

Za polifenole i srodne botaničke aktivne tvari, ograničenja stabilnosti uključuju autooksidaciju, epimerizaciju i enzimsku oksidaciju u quinones, koji su osjetljivi na temperaturu, pH, ione metala i dostupnost kisika tijekom obrade. [17]

Praktična implikacija je da se dizajn proizvodnje ne može osloniti isključivo na nominalnu temperaturu mase; umjesto toga, mora integrirati:

• Termodinamičke indikatore kao što su staklasti prijelaz, taljenje i početak raspadanja
• Kinetičke modele koji obuhvaćaju ovisnost degradacije o vremenu, temperaturi, pH, kisiku i (gdje je mjerljivo) unosu mehaničke energije. [4, 9, 10, 14, 15]

Ovaj rad sintetizira kvantitativne dokaze o reprezentativnim spojevima za dugovječnost i srodnim bioaktivnim tvarima za koje uključeni izvori pružaju eksplicitne termodinamičke prijelaze i/ili kinetičke parametre, te povezuje te podatke s profilima stresa jediničnih operacija s visokim smicanjem uključujući miješanje s visokim smicanjem, visokotlačnu homogenizaciju/mikrofluidizaciju, mehanokemijsko mljevenje i sušenje raspršivanjem. [1, 14, 15, 20]

2. Thermodynamic Framework

Termodinamička stabilnost u proizvodnim kontekstima operativno se procjenjuje korištenjem mjerljivih toplinskih događaja (DSC/TGA) i deskriptora stanja (npr. amorfno naspram kristalnog; temperatura staklastog prijelaza) koji ukazuju na to kada spoj ili formulacija prelazi u stanja s većom molekularnom mobilnošću, a time i višim stopama reakcije ili različitim mehanizmima. [4, 9, 15]

2.1 Gibbs Free Energy and Phase Stability

Nekoliko uključenih izvora eksplicitno izračunava promjene Gibbsove slobodne energije za procese degradacije ili toplinskog uništenja, pružajući termodinamičku mjeru izvedivosti pod specifičnim uvjetima. [8, 19]

• Za NR borate, spontanost degradacije procijenjena je izračunom Gibbsove slobodne energije, pri čemu je ΔG prijavljen kao 2.43 kcal·mol⁻¹. [19]
• Za rutin i estere rutin s masnim kiselinama u pirolitičkim uvjetima, vrijednosti ΔG bile su pozitivne (84–245 kJ·mol⁻¹) uz pozitivan ΔH (60–242 kJ·mol⁻¹), što ukazuje na endotermni i nespontani pirolitički profil u prijavljenoj analizi. [8]

U smislu kinetičkog formalizma, nekoliko izvora također primjenjuje relacije prijelaznog stanja i slobodne energije za interpretaciju aktivacije hidrolize u sustavima kao što je kompleks curcumin spiroborate. [21]

2.2 Glass Transition, Melting, and Decomposition Onset

DSC i TGA pružaju komplementarne markere procesnog rizika: događaji taljenja ili omekšavanja mogu naglo povećati difuziju i omogućiti brzu kemijsku pretvorbu, a TGA početak gubitka mase može ukazivati na početak ireverzibilnog raspadanja čak i u prividnom krutom stanju. [4, 9, 15]

• Za NRCl, DSC ukazuje na početak taljenja pri 120.7 ± 0.3 °C i vrhunac taljenja pri 125.2 ± 0.2 °C, nakon čega slijedi neposredni oštri egzotermni događaj s vrhuncem pri 130.8 ± 0.3 °C. [4]
• Za NMN, raspadanje počinje na 160 °C i završava do 165 °C, s endotermnim DSC vrhom na 162 °C i entalpijom raspadanja od 184 kJ·mol⁻¹. [6]
• Za quercetin, intenzivan DSC endoterm (maksimum na 303 °C) često se pogrešno pripisuje taljenju, dok TGA podaci ukazuju na raspadanje na 230 °C koje se preklapa s gubitkom mase. [9]
• Za curcumin pod dušikom, opaža se višestupanjsko raspadanje koje počinje na 240 °C, s 37% ostatka preostalog na 600 °C. [18]

2.3 Amorphous and Crystalline Stability

Amorfne formulacije mogu poboljšati topljivost i bioraspoloživost, ali mogu promijeniti toplinsko ponašanje i stabilnost povećanjem molekularne mobilnosti u usporedbi s kristalnim oblicima, čineći temperaturu staklastog prijelaza (Tg) kritičnim parametrom stabilnosti. [15, 16]

• Mehanokemijski pripremljene amorfne krute disperzije (ASDs) fisetin pokazuju mjerljive Tg vrijednosti u drugim toplinskim skeniranjima i pokazuju sastavne pomake u Tg dosljedne s mješljivošću. [15]
• Za resveratrol i oxyresveratrol nanospužve, endoterm taljenja resveratrol nestaje u formulacijama nanospužvi, što se pripisuje enkapsulaciji i amorfizaciji. [16]
• Za quercetin, kombinirana interpretacija DSC/TGA sugerira raspadanje i strukturnu relaksaciju/omekšavanje u rasponu od 150–350 °C. [9]

3. Degradation Kinetics Models and Parameters

Uključeni izvori koriste različite kinetičke modele (npr. prvi red, pseudo-prvi red, sigmoidni) i tretmane temperaturne ovisnosti (npr. Arrheniusovo ponašanje) za karakterizaciju degradacije. [4, 7, 22]

3.1 Reaction-Order Models

Standardni pristup za degradaciju u otopini koristi integrirani model prvog reda. [4, 11, 12]

• Za degradaciju NRCl u vodenim otopinama, prijavljena je kinetika pseudo-prvog reda. [4, 23]
• Markeri biljnih ekstrakata sušenih raspršivanjem pokazuju različite redove reakcije, uključujući modele nultog i drugog reda za specifične spojeve. [20]

3.2 Arrhenius and Eyring Treatments

Temperaturne ovisnosti degradacije često se modeliraju korištenjem izraza Arrheniusovog tipa. [4, 10, 12]

• Za NRCl, energije aktivacije kreću se od 75.4 do 82.8 kJ·mol⁻¹, pri čemu pH utječe na ove vrijednosti. [4]
• Trans-resveratrol pokazuje energiju aktivacije od 84.7 kJ·mol⁻¹ pri pH 7.4. [12]
• Curcumin u različitim medijima pokazuje energije aktivacije između 9.75–16.46 kcal·mol⁻¹. [11]

3.3 Isoconversional and Model-Free Methods

Izokonverzijske metode (npr. KAS, FWO, Friedman) koriste se za identifikaciju višestupanjskog raspadanja i promjena mehanizma. [8, 18, 25]

• Za rutin i estere rutin s masnim kiselinama, energije aktivacije variraju sa stupnjem konverzije. [8]
• Klatrati resveratrol–β-cyclodextrin pokazuju povećanje energije aktivacije sa stupnjem transformacije. [25]

3.4 Coupled Thermo-Mechanical and Oxidative Degradation

Proizvodni procesi s visokim smicanjem združuju mehanički stres s lokalnim zagrijavanjem i oksidacijom, potičući putove degradacije. [13, 14, 17]

• Homogenizacija s visokim smicanjem značajno povećava izlazne temperature s brzinom rotacije i uzrokuje tešku degradaciju ascorbic acid zbog povišene temperature i oksidacije. [13]
• Mehanizmi visokotlačne homogenizacije—kao što su smicanje ventila, kavitacija i turbulencija—induciraju oksidativni i mehanički stres. [14]
• Oksidativno kuplanje ubrzava degradaciju quercetin u okruženjima s visokom temperaturom i visokim sadržajem kisika. [26]

4. Compound-Class Review

Sljedeća sinteza naglašava ključne kinetičke i termodinamičke parametre relevantne za proizvodne modele, kao što su energije aktivacije, konstante brzine, poluvijekovi, počeci raspadanja te ograničenja povezana sa staklastim prijelazom ili taljenjem. [4, 11, 12, 15, 24]

4.1 NAD⁺ Precursors

• Stabilnost NAD⁺ prekursora značajno je pod utjecajem podložnosti hidrolizi, osjetljivosti na toplinske prijelaze i oksidacije potaknute kisikom. [4, 5]
• Kinetika degradacije NRCl pokazuje ponašanje pseudo-prvog reda, s energijama aktivacije u rasponu od 75.4 do 82.8 kJ·mol⁻¹, pod snažnim utjecajem pH. [4]
• U krutom stanju, NRCl ima uzak prozor toplinske obrade, s brzom degradacijom koja se događa iznad njegove točke taljenja od 120.7 ± 0.3 °C. [4]
• NRH pokazuje brzu degradaciju u kiselim uvjetima i u prisutnosti kisika, naglašavajući njegovu nestabilnost zbog njegove N-glycosidic veze. [5]
• NMN se raspada na temperaturama iznad 160 °C i pokazuje obrasce degradacije osjetljive na pH i temperaturu u vodenim otopinama. [6, 27, 28]

NMN Degradation Pathway

Primarni put degradacije NMN opisan je kao hidroliza phosphodiester veze koja daje nicotinamide i ribose-5-phosphate, s ovisnostima o pH opisanima kao kiselinsko-katalizirana hidroliza ispod pH 4.5 i bazno-posredovano cijepanje iznad pH 7.5. [28]

Stilbenoids

Stilbenoids uključuju resveratrol i srodne spojeve koji pokazuju snažnu ovisnost degradacije o pH i kisiku. Njihova stabilnost u stvarnim formulacijama može odstupati od Arrheniusove ekstrapolacije zbog učinaka matrice i višestrukih putova. [7, 12, 29]

U vodenim sustavima, izviješteno je da je trans-resveratrol stabilan pri kiselom pH, ali se njegova degradacija eksponencijalno povećava iznad pH 6.8. Poluvijek se smanjuje s 329 dana pri pH 1.2 na 3.3 minute pri pH 10. [12]

Pri pH 7.4, degradacija trans-resveratrol slijedi kinetiku prvog reda kroz istraživane temperature, s energijom aktivacije od 84.7 kJ·mol^-1. [12]

Mehanizmi degradacije variraju s pH. U kiselim uvjetima, hydroxyl skupine su zaštićene od radikalne oksidacije pomoću H₃O⁺, dok u alkalnim okruženjima phenate ioni povećavaju podložnost oksidaciji, promičući stvaranje phenoxy radikala. Dodatno, kisik u mediju ubrzava radikalne reakcije koje vode do degradacije. [12]

Eksperimenti toplinske stabilnosti u vodenoj otopini (19 mg·L^-1) ne pokazuju značajne spektralne promjene nakon 30 minuta na temperaturama do 70 °C. Međutim, povišene temperature rezultiraju smanjenjem apsorbancije na 304 nm i u rasponu od 270–350 nm, što ukazuje na toplinski induciranu degradaciju. [30]

Mehanistička interpretacija hidrotermalnih eksperimenata predlaže oksidativno cijepanje dvostruke veze i stvaranje proizvoda degradacije, uključujući hydroxy aldehydes, alkohole i hydroxy kiseline. FTIR analiza otkrila je trake dosljedne stvaranju aldehyde i carboxylic acid na 100–120 °C. [30]

U matricama tableta, degradacija resveratrol slijedi monoeksponencijalnu kinetiku prvog reda s k vrijednostima od 0.07140, 0.1937 i 0.231 mjeseci^-1 na 25, 30 i 40 °C, redom. Međutim, odnos ln(k) vs 1/T je nelinearan i klasificiran kao super-Arrheniusov, što sugerira dodatne reakcije, višestruke putove ili učinke matrice na višim temperaturama. [7]

Istraživanja ukazuju na to da ubrzano ispitivanje može precijeniti degradaciju, pri čemu autori preporučuju alternativne metode za određivanje kinetike degradacije. [7]

Za stilbene-like phenolics u suhim sustavima, toplinski tretmani kao što je sterilizacija parom na 121 °C tijekom 20 minuta uzrokuju mjerljive gubitke (npr. smanjenje pinosylvin od 20.98% prema površini vrha), a sušenje u pećnici na 105 °C tijekom 24 sata dovodi do smanjenja od više od 50% za nekoliko phenolics. Međutim, TGA ukazuje na temperature početka raspadanja iznad ~200 °C za sustave pinosylvin. [31]

Flavonoids

Flavonoids pokazuju višestruke putove degradacije koji su osjetljivi na pH, temperaturu, kisik i interakcije formulacije kao što je vezanje proteina. Njihovo toplinsko ponašanje u DSC/TGA može uključivati preklapanje raspadanja i omekšavanja. [9, 22, 24]

Studije pokazuju da povećanje pH medija sa 6.0 na 7.5 ubrzava degradaciju, pri čemu fisetin i quercetin doživljavaju 24-struko i 12-struko povećanje odgovarajućih konstanti brzine degradacije. Štoviše, podizanje temperature iznad 37 °C dodatno povećava konstante brzine. [24]

• Za fisetin: k se povećao s 8.30×10^-3 na 0.202 h^-1 kako je pH rastao, te na 0.490 h^-1 pri 65 °C.
• Za quercetin: k se povećao s 2.81×10^-2 na 0.375 h^-1 s pH te je porastao na 1.42 h^-1 pri 65 °C. [24]

Proteinski sastojci mogu ublažiti degradaciju, kao što je naznačeno smanjenim k vrijednostima u njihovoj prisutnosti. Na primjer, k za fisetin se smanjio s 3.58×10^-2 na 1.76×10^-2 h^-1, a k za quercetin se smanjio s 7.99×10^-2 na 3.80×10^-2 h^-1. Stabilizacija se pripisuje hidrofobnim interakcijama i vodikovim vezama, dok SDS uzrokuje destabilizaciju. Potrebne su daljnje studije kako bi se kvantificirao doprinos vodikovih veza. [24]

Za quercetin na 90 °C blizu neutralnosti, opažaju se snažni učinci pH. Konstanta brzine degradacije povećava se približno pet puta s pH 6.5 na 7.5, dajući intermedijarne proizvode oksidacije kao što je quercetin quinone, s protocatechuic acid (PCA) i phloroglucinol carboxylic acid (PGCA) kao krajnjim proizvodima. [22]

Visokotemperaturni sustavi (150 °C) ubrzavaju degradaciju, s konstantama brzine prijavljenim kao 0.253 h^-1 pod dušikom, 0.868 h^-1 u kisiku i 7.17 h^-1 u kisiku s kolesterolom. Gubitak quercetin raste sa 7.9% pri 10 minuta u dušiku na 20.4% u kisiku, te se dalje smanjuje na 10.9% preostalih s kolesterolom plus kisikom. [26]

Toplinska analiza pokazuje da quercetin ima mali endotermni vrh na 90–135 °C (povezan s manjim gubitkom mase) i počinje se raspadati na 230 °C. Istaknuti DSC endoterm na 303 °C preklapa se s raspadanjem, pri čemu vodikove veze istovremeno ograničavaju ponašanje slično taljenju i olakšavaju raspadanje. [9]

Za rutin (glikozid quercetin) i njegove estere masnih kiselina, TGA ukazuje na to da je rutin toplinski stabilan do 240 °C, dok esteri pokazuju niže početne temperature degradacije i veći gubitak mase tijekom glavnih faza degradacije. Energije aktivacije kreću se od 65 do 246 kJ·mol^-1 ovisno o stupnju konverzije. [8]

Cyclodextrin-Derived Carrier Systems

Nosivi sustavi derivirani iz ciklodekstrina pružaju još jednu strategiju: klatrati resveratrol–β-cyclodextrin pokazuju toplinske događaje uključujući otpuštanje vode blizu 50 °C i događaje degradacije na višim temperaturama, a slobodne energije vezanja (npr. −86 kJ·mol⁻¹ prema MM/PBSA) kvantificiraju snažne inkluzijske interakcije. [25]

Nanosponge Encapsulation

Enkapsulacija resveratrol u nanospužve eliminira njegov DSC endoterm taljenja i pruža fotozaštitu: slobodni resveratrol pokazuje 59.7% degradacije unutar 15 min pod UV izlaganjem, dok resveratrol nanospužve pružaju približno dvostruku zaštitu, što je u skladu s enkapsulacijom koja sprječava izravno UV izlaganje. [16]

Amorphous Solid Dispersions

Amorfne krute disperzije mogu se projektirati putem mehanokemijskog mljevenja, a vodikova veza između fisetin i Eudragit® esterskih skupina je eksplicitno identificirana, pružajući mehanističku osnovu za mješljivost i izmijenjeni Tg koji može stabilizirati protiv promjena u ponašanju otapanja ovisnih o kristalizaciji. [15]

Excipient and Carrier Selection

Odabir ekscipijenata može promijeniti kinetičke mehanizme i ishode stabilnosti, kao što je prijavljeno u sustavima biljnih ekstrakata sušenih raspršivanjem gdje se red reakcije i vremena razgradnje frakcije razlikuju prema smjesama ekscipijenata, što ukazuje na kinetiku degradacije ovisnu o ekscipijentu. [20]

Proteinski sastojci mogu stabilizirati flavonoids putem hidrofobnih interakcija, snižavajući k vrijednosti za fisetin i quercetin, a narušavanje tih interakcija pomoću SDS podržava interpretaciju da je hidrofobno vezanje ključni stabilizirajući mehanizam. [24]

Process Engineering Controls

Kontrole procesa koje smanjuju toplinsku izloženost i kontakt s kisikom izravno su podržane višestrukim skupovima podataka. [5, 18]

Za NRCl, dokazi DSC/qNMR ukazuju na to da prekoračenje područja početka taljenja (~120–130 °C) može proizvesti iznimno brzu degradaciju, podržavajući stroge gornje granice temperature i vremena zadržavanja u zagrijanim operacijama u krutom stanju. [4]

Za NRH, razlika između poluvijeka u zraku i N₂ na 25 °C implicira da inertizacija i isključenje kisika mogu biti značajni, a autori izvještavaju da uzorci pod pokrivačem N₂ na 4 °C ne pokazuju detektabilnu degradaciju nakon 60 dana, dok uzorci na 4 °C na zraku pokazuju ~10% degradacije. [5]

Za homogenizaciju s visokim smicanjem, izravno opažanje da povećanje rpm povećava izlaznu temperaturu i povezano je s većim gubitkom askorbinske kiseline osjetljive na oksidaciju podržava inženjerske mjere koje ograničavaju zagrijavanje uzrokovano smicanjem (npr. rashladni plaštevi, kraća vremena miješanja, fazno dodavanje). [13]

Za sušenje raspršivanjem, tvrdnja da izloženost kisiku i toplini smanjuje (poly)phenols i da visoke temperature mogu biti štetne za termolabilne phenolics podržava izbore kao što su snižavanje izlazne temperature kada je to izvedivo i korištenje enkapsulacije za smanjenje osjetljivosti na oksidaciju i toplinu. [3]

Antioxidants and Oxygen Management

Strategije upravljanja antioksidansima i kisikom mehanistički su podržane kroz skupove podataka o polifenolima. [12, 22]

Za quercetin na 90 °C, antioksidansi poput cisteina smanjuju k, pri čemu 200 μmol·L⁻¹ cisteina proizvodi smanjenje k od ~43% u usporedbi s kontrolom, a mehanistička interpretacija razmatra stabilizaciju quercetin quinone i učinke gašenja radikala. [22]

Za trans-resveratrol, kisik je eksplicitno prijavljen da promiče radikalne reakcije koje vode do degradacije, podržavajući inertne atmosfere obrade ili barijere za kisik gdje je to izvedivo za alkalnu/neutralnu vodenu obradu. [12]

U liposomskim sustavima, izviješteno je da resveratrol ograničava oksidaciju stigmasterola neutralizacijom slobodnih radikala i integracijom u lipidne dvosloje povećavajući krutost, smanjujući propusnost za kisik i oksidirajuća sredstva, čime se poboljšava toplinska i oksidativna stabilnost sustava. [35]

Discussion

Kroz ovdje sintetiziranu bazu dokaza, najsnažniji kvantitativni obrazac je da kemijsko mikrookruženje (pH, kisik, prisutnost vode) može dominirati ishodima stabilnosti čak i pri skromnim temperaturama, te da nekoliko bioaktivnih tvari pokazuje oštre diskontinuitete stabilnosti pri specifičnim pragovima toplinskih prijelaza. [4, 5, 12]

Za NAD⁺ prekursore, skup podataka za NRCl naglašava dvostruki režim: u vodenoj otopini, hidroliza pseudo-prvog reda može se modelirati s Arrheniusovim energijama aktivacije i otprilike dvostrukim povećanjem brzine po 10 °C, dok u krutom stanju usko područje oko 120–130 °C odgovara taljenju praćenom odmah brzim raspadanjem. [4]

Za resveratrol, dominantni procesni rizik proizlazi iz osjetljivosti na pH: poluvijek se urušava s dugih trajanja pri kiselom pH na minute pri visokom pH, dok kisik potiče radikalne reakcije, što ukazuje na to da bi operacije s visokim smicanjem koje povećavaju prijenos kisika i lokalnu alkalnost mogle biti nerazmjerno štetne čak i ako temperatura mase ostane umjerena. [12]

Za flavonoids, oksidacija putem quinone intermedijera i mehanizmi deprotonacije ovisni o pH (quercetin) kombiniraju se s visokotemperaturnom oksidacijom i kuplanjem radikalnih lanaca (npr. kisik plus kolesterol), sugerirajući da formulacije koje sadrže lipide i izloženost kisiku mogu snažno pojačati putove oksidativnog gubitka. [22, 26]

Za curcumin, postoji mehanistička napetost između narativa potaknutih hidrolizom (u nekim radovima o GI-puferima) i narativa potaknutih autooksidacijom (u radovima usmjerenim na micele), ali oba se podudaraju u snažnom učinku pH i zaštitnoj ulozi hidrofobnih mikrookruženja i ograničenja kisika. [11, 32]

Na razini jediničnih operacija, procesi s visokim smicanjem mogu djelovati prvenstveno kao neizravni akceleratori generiranjem topline i povećanjem oksidativne osjetljivosti; to je izravno pokazano u homogenizaciji s visokim smicanjem gdje brzina rotacije povećava izlaznu temperaturu i podudara se s oksidativnim gubitkom askorbinske kiseline. [13]

HPH/UHPH uvode dodatnu složenost jer područje ventila nameće ekstremno smicanje, kavitaciju i turbulenciju, te može generirati visoke lokalne temperature, iako vremena zadržavanja mogu biti vrlo kratka (npr. <0.2 s u opisima UHPH), što implicira da kemijski ishodi mogu ovisiti o tome kontrolira li se degradacija brzim radikalnim procesima, koracima ograničenim difuzijom ili sporijim koracima toplinske aktivacije. [14, 34]

Konačno, nekoliko izvora naglašava da modeliranje stabilnosti mora biti mehanistički potvrđeno u relevantnoj matrici: podaci o tabletama resveratrol pokazuju ne-Arrheniusovo ponašanje i učinke matrice koji ograničavaju opću Arrheniusovu ekstrapolaciju iz ubrzanih ispitivanja, a markeri biljnih ekstrakata sušenih raspršivanjem pokazuju kinetičke redove i vremena razgradnje frakcije ovisna o ekscipijentu. [7, 20]

Conclusions

Kvantitativni markeri termodinamičkih prijelaza (DSC/TGA) i kinetika degradacije (k, t_1/2, E_a, energije aktivacije ovisne o konverziji) pružaju procesno relevantnu osnovu za projektiranje proizvodnih uvjeta koji čuvaju potentnost termolabilnih spojeva za dugovječnost i srodnih bioaktivnih tvari. [4, 8, 9]

Za NAD⁺ prekursore, NRCl pokazuje uzak prozor toplinske obrade blizu taljenja nakon čega slijedi brzo raspadanje, dok vodena kinetika pokazuje ponašanje pseudo-prvog reda ovisno o pH s energijama aktivacije od 75–83 kJ·mol⁻¹ koje mogu parametrizirati modele toplinske izloženosti. [4]

Za resveratrol, pH i kisik su dominantne varijable, s poluvijekom koji se urušava sa stotina dana pri kiselom pH na minute pri visokom pH, a matrice formulacije mogu proizvesti ne-Arrheniusovo ponašanje koje komplicira ekstrapolaciju ubrzanog ispitivanja. [7, 12]

Za flavonoids i curcuminoids, oksidacijski putovi (quinone intermedijeri za quercetin; autooksidacija za curcumin) motiviraju strategije kontrole kisika i hidrofobne enkapsulacije, za koje je kvantitativno pokazano da produžuju poluvijek za redove veličine u micelarnim sustavima i značajno u Pickering emulzijama proizvedenim pod miješanjem s visokim smicanjem. [1, 10, 22, 32]

Za jedinične operacije s visokim smicanjem, dostupni dokazi pokazuju da smicanje može povisiti temperaturu i potaknuti oksidaciju (miješanje s visokim smicanjem) te da visokotlačni procesi temeljeni na ventilu generiraju ekstremno smicanje i kavitaciju s tlakom, brojem prolaza i ulaznom temperaturom kao ključnim varijablama stresa; ovi uvidi podržavaju implementaciju mapiranja vrijeme–temperatura–smicanje i PAT koristeći analitiku koja ukazuje na stabilnost. [12–14]

Conflict of Interest

Autori izjavljuju da nema sukoba interesa. [20]