Abstract
Termolabilni spojevi povezani s dugovječnošću i polifenolne bioaktivne tvari često su izloženi kombiniranim toplinskim, oksidativnim, pH i mehaničkim stresovima tijekom proizvodnje (npr. miješanje s visokim smičnim silama, visokotlačna homogenizacija i sušenje raspršivanjem), što može ubrzati kemijsku degradaciju i smanjiti isporučenu potentnost. Stoga su potrebni kvantitativni parametri stabilnosti relevantni za proces kako bi se definirali proizvodni projektni prostori i usmjerile zaštitne formulacijske strategije.[1–3]
Metode u ovoj sintezi usredotočene su na kvantitativne dokaze izvučene iz studija koje izvještavaju o (i) termodinamičkim/toplinskim prijelazima pomoću DSC/TGA (talište, početak raspadanja, staklišta i ponašanje pri stupnjevitom gubitku mase) i (ii) kinetici razgradnje (modeli pseudo-prvog reda/prvog reda, Arrheniusove energije aktivacije, ovisnosti o pH i mjere vremena do razgradnje određene frakcije) za NAD+ prekursore (NR/NRH/NMN), stilbenoide (sustavi povezani s resveratrolom), flavonoide (kvercetin, fisetin, rutin/esteri) i kurkuminoide.[4–11]
Rezultati pokazuju da nekoliko reprezentativnih spojeva za dugovječnost ima uske prozore toplinske obrade u specifičnim fizičkim stanjima. Nikotinamid ribozid klorid (NRCl) pokazuje početak taljenja na 120.7 ± 0.3 °C uz brzu razgradnju nakon taljenja (npr. 98% degradacije na 130 °C prema qNMR), dok razgradnja u vodenom mediju slijedi kinetiku pseudo-prvog reda s energijama aktivacije od 75.4–82.8 kJ·mol−1 ovisno o pH.[4]
Za trans-resveratrol, kinetika razgradnje snažno ovisi o pH i temperaturi (npr. poluvrijeme razgradnje smanjuje se s 329 dana pri pH 1.2 na 3.3 minute pri pH 10), a ekstrapolacija testova ubrzanog starenja može biti ne-Arrheniusova u matricama tableta.[7, 12]
Jedinične operacije s visokim smičnim silama mogu inducirati lokalno zagrijavanje i oksidacijska okruženja, što je dokazano homogenizacijom s visokim smičnim silama koja povećava izlaznu temperaturu s brzinom rotacije i podudara se s gubitkom askorbinske kiseline od 42.6% pri 20,000 rpm, te mehanizmima visokotlačne homogenizacije koji uključuju smične sile na ventilu, kavitaciju i turbulenciju pri >100 MPa.[13, 14]
Zaključci naglašavaju integraciju podataka o termodinamičkim prijelazima (DSC/TGA/Tg) s kinetičkim modelima (Arrheniusove, ne-Arrheniusove i izokonverzijske metode) radi izrade karata vrijeme–temperatura–smicanje i racionalnog odabira strategija ublažavanja, uključujući enkapsulaciju, amorfne čvrste disperzije, ciklodekstrinske sustave/sustave nano-spužvi, kontrolu kisika te minimizaciju smicanja/temperature.[15–18]
Keywords: termolabilne bioaktivne tvari; kinetika razgradnje; Arrhenius; DSC; TGA; visokotlačna homogenizacija; sušenje raspršivanjem; NAD+ prekursori
1. Introduction
Spojevi relevantni za dugovječnost sve se više formuliraju kao nutraceutički proizvodi, funkcionalna hrana i napredni sustavi isporuke, što motivira proizvodne rute koje izlažu aktivne tvari kombiniranim stresorima uključujući zagrijavanje, kontakt s kisikom, aktivnost vode, varijacije pH vrijednosti i intenzivan unos mehaničke energije.[3, 5, 14, 19]
Za kemiju NAD+ prekursora, stabilnost u vodenom i čvrstom stanju je ključna jer se reaktivnost može pojaviti putem hidrolize glikozidnih ili fosfatnih motiva, te zato što procesne temperature mogu prijeći pragove prijelaza u čvrstom stanju koji prethode brzom raspadanju.[4, 6]
Za polifenole i srodne biljne aktivne tvari, ograničenja stabilnosti uključuju autooksidaciju, epimerizaciju i enzimsku oksidaciju u kinone, koji su osjetljivi na temperaturu, pH, ione metala i dostupnost kisika tijekom obrade.[17]
Praktična implikacija je da se dizajn proizvodnje ne može oslanjati isključivo na nominalnu temperaturu mase; umjesto toga, mora integrirati (i) termodinamičke indikatore kao što su staklište, talište i početak raspadanja te (ii) kinetičke modele koji obuhvaćaju ovisnost razgradnje 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 smičnim silama, uključujući miješanje s visokim smičnim silama, visokotlačnu homogenizaciju/mikrofluidizaciju, mehanokemijsko mljevenje i sušenje raspršivanjem.[1, 14, 15, 20]
2. Thermodynamic framework
Termodinamička stabilnost u kontekstu proizvodnje operativno se procjenjuje pomoću mjerljivih toplinskih događaja (DSC/TGA) i deskriptora stanja (npr. amorfno naspram kristalnog; temperatura staklišta) koji ukazuju na to kada spoj ili formulacija prelazi u stanja s većom molekularnom mobilnošću, a time i većim brzinama 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 razgradnje ili toplinskog uništavanja, pružajući termodinamičku mjeru izvedivosti pod specifičnim uvjetima.[8, 19]
Za NR borat, spontanost razgradnje procijenjena je izračunom Gibbsove slobodne energije, pri čemu je (ΔG) prijavljen kao 2.43 kcal·mol−1.[19]
Za rutin i rutin esteri masnih kiselina u pirolitičkim uvjetima, vrijednosti (ΔG) bile su pozitivne (84–245 kJ·mol−1) uz pozitivne (ΔH) (60–242 kJ·mol−1), što ukazuje na endoterman i nespontan profil pirolize u navedenoj analizi.[8]
U smislu kinetičkog formalizma, nekoliko izvora također primjenjuje relacije prijelaznog stanja i slobodne energije, kao što je korištenje za interpretaciju aktivacije hidrolize u sustavu kompleksa kurkumin spiroborata.[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 početak gubitka mase prema TGA može ukazivati na početak nepovratnog raspadanja čak i u prividno čvrstom stanju.[4, 9, 15]
Za NRCl, DSC ukazuje na početak taljenja na 120.7 ± 0.3 °C i vrhunac taljenja na 125.2 ± 0.2 °C, nakon čega slijedi neposredan oštar egzotermni događaj s vrhuncem na 130.8 ± 0.3 °C.[4]
U skladu sa slijedom DSC događaja, qNMR kvantifikacija pokazuje ograničenu razgradnju na 115 °C (2%), ali brz gubitak u području taljenja i iznad njega (7% na 120 °C; 55% na 125 °C; 98% na 130 °C; samo 0.45% preostalog NR na 140 °C).[4]
Za NMN, jedan izvor navodi da se spoj raspada umjesto da pokazuje jasan prijelaz taljenja, pri čemu raspadanje počinje na 160 °C i završava do 165 °C, uz endotermni DSC vrhunac na 162 °C s entalpijom raspadanja od 184 kJ·mol−1.[6]
Za kvercetin, kombinirana DSC/TGA interpretacija ukazuje na to da se intenzivan DSC endoterm (maksimum na 303 °C) često pogrešno pripisuje taljenju, dok TGA ukazuje da raspadanje započinje na 230 °C, a endoterm se podudara s kontinuiranim gubitkom mase; prijavljena "toplina fuzije" za vrhunac na 303 °C iznosi 69–75 kJ·mol−1.[9]
Za fisetin, TGA pokazuje manji gubitak mase (~5%) koji se pripisuje isparavanju vode iz kristalnog uzorka i značajan događaj gubitka mase (~30.6%) na 369.6 °C koji se pripisuje raspadu molekule.[15]
Za kurkumin pod inertnim dušikom, jedna studija navodi da sirovi kurkumin pokazuje složen proces raspadanja koji počinje oko 240 °C (5% gubitka mase) s DTGA vrhuncem na 347 °C i 37% preostalog ostatka na 600 °C (pri 10 °C·min−1).[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 staklišta (Tg) kritičnim parametrom stabilnosti.[15, 16]
Mehanokemijski pripremljene amorfne čvrste disperzije (ASD) fisetina pokazuju mjerljive Tg vrijednosti u drugim toplinskim ciklusima i pokazuju sastavne pomake u Tg u skladu s mješljivošću: sirovi Eudragit® L100/EPO pokazuju Tg 147.1/55.4 °C, dok ASD-ovi fisetina pokazuju Tg vrijednosti poput 144.2/71.8 °C i 145.9/76.7 °C ovisno o polimeru i udjelu djelatne tvari.[15]
Za nano-spužve resveratrola i oksiresveratrola, DSC pokazuje da endoterm taljenja resveratrola (266.49 °C) nestaje u formulacijama nano-spužvi, što autori pripisuju enkapsulaciji i mogućoj amorfizaciji molekula djelatne tvari unutar matrice nano-spužve.[16]
Za kvercetin, predlaže se da vodikove veze istovremeno ograničavaju omekšavanje slično taljenju i olakšavaju raspadanje kroz slabljenje veza, a kombinirana DSC/TGA interpretacija zaključuje da se kvercetin ne tali jednostavno, već podliježe preklapajućem raspadanju i strukturnoj relaksaciji/omekšavanju u rasponu od 150–350 °C.[9]
3. Degradation kinetics models and parameters
Uključeni izvori koriste niz kinetičkih modela (prvog reda, pseudo-prvog reda, višeg reda ili sigmoidalne oblike) i tretmane temperaturne ovisnosti (Arrheniusovo i, u nekim slučajevima, ne-Arrheniusovo ponašanje), često motivirane ovisnošću o pH i složenom razgradnjom kroz više putova.[4, 7, 22]
3.1 Reaction-order models
Široko korištena osnovna vrijednost za razgradnju u otopini je integrirani model prvog reda koji se pojavljuje u više uključenih studija kao primarno prilagođavanje podacima o koncentraciji u vremenu pri kontroliranom pH i temperaturi.[4, 11, 12]
Za NRCl u puferiranim vodenim otopinama, razgradnja je opisana kao pseudo-prvog reda, a ovaj oblik pseudo-prvog reda opravdan je puferiranim sustavima koji održavaju koncentracije OH−/H3O+ u velikom suvišku i približno konstantnima u odnosu na koncentraciju NR.[4, 23]
Za fisetin i kvercetin u fosfatnom puferu, prijavljeni rezultati prikazani su kao konstante brzine razgradnje prvog reda k (h−1) koje se snažno povećavaju s pH i temperaturom.[24]
Za kvercetin na 90 °C blizu neutralnog pH (6.5–7.5), implementiran je sigmoidalni model i uspoređen s modelom prvog reda, pri čemu je sigmoidalni model dao k vrijednosti 2.3–2.5× veće od onih dobivenih modelom prvog reda i drugačiju interpretaciju poluvremena razgradnje pri pH 7.5.[22]
Za markere biljnih ekstrakata sušenih raspršivanjem, prijavljeni su različiti prividni redovi reakcije ovisno o ekscipijentnim sustavima, uključujući modele nultog i drugog reda za kempferol (u binarnim smjesama s ekscipijentima) i model drugog reda za kvercetin u svim ekscipijentima.[20]
3.2 Arrhenius and Eyring treatments
Temperaturna ovisnost često se modelira izrazima Arrheniusovog tipa, a više izvora eksplicitno izračunava energije aktivacije za parametrizaciju predviđanja roka valjanosti i toplinske izloženosti procesa.[4, 10, 12]
Za razgradnju NRCl u vodenoj otopini, Arrheniusove energije aktivacije prijavljene su kao 75.4 (±2.9) kJ·mol−1 pri pH 2.0, 76.9 (±1.1) kJ·mol−1 pri pH 5.0 i 82.8 (±4.4) kJ·mol−1 pri pH 7.4.[4]
Za trans-resveratrol pri pH 7.4, Arrheniusova analiza prijavljena je kao log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) s izračunatom energijom aktivacije od 84.7 kJ·mol−1.[12]
Za kurkumin u smjesi pufera/metanola pri pH 8.0, Arrheniusova analiza između 37–60 °C daje (Ea)=79.6±2.2 kJ·mol−1.[10]
Za kurkumin u GI-relevantnim vodenim medijima, Arrheniusovi dijagrami pokazuju visoku linearnost u rasponu od 37–80 °C (vrijednosti r2 prijavljene su kao 0.9967, 0.9994, 0.9886 za različite medije), s energijama aktivacije prijavljenim kao 16.46, 12.32 i 9.75 kcal·mol−1 za pH 7.4, pH 6.8, odnosno 0.1 N HCl.[11]
Eyringova analiza također se pojavljuje u studiji hidrolitičkog raspada estera kurkumin spiroborata (CBS), gdje se za Eyringov dijagram navodi da pokazuje linearnu vezu s korelacijom 0.9988.[21]
3.3 Isoconversional and model-free methods
Nekoliko studija toplinske razgradnje primjenjuje izokonverzijske metode (npr. KAS, FWO, Friedman) za izračunavanje energija aktivacije ovisnih o konverziji i time identificiraju višestupanjsko raspadanje i promjene mehanizma.[8, 18, 25]
Za rutin i rutin esteri masnih kiselina, energije aktivacije značajno variraju s stupnjem konverzije u rasponu 0.05 < (α) < 0.90, s prijavljenim rasponima od 65 do 246 kJ·mol−1; autori to tumače kao dokaz da toplinska razgradnja teče kroz nesložen proces s više faza.[8]
Za klatrate resveratrola i β-ciklodekstrina, energija aktivacije raste s stupnjem transformacije, s prijavljenim povećanjima od 110 na 130 kJ·mol−1 (OFW metoda) i od 120 na 170 kJ·mol−1 (Friedmanova metoda), što se tumači kao indikacija promjene reakcijskog mehanizma kako razgradnja napreduje.[25]
Za polimerne sustave s kurkuminom pod dušikom, energije aktivacije izvedene pomoću više pristupa (Kissinger, KAS, Friedman i prilagođavanje modelu) pokazuju općenito dosljedne veličine (npr. 71 ± 5 kJ·mol−1 prema Kissingeru; 77 ± 2 prema KAS-u; 84 ± 3 prema Friedmanu), a odabir modela ukazuje na F1 kinetički model s energijama u rasponu 73–91 kJ·mol−1.[18]
3.4 Coupled thermo-mechanical and oxidative degradation
Proizvodne operacije s visokim smičnim silama mogu povezati disipaciju mehaničke energije s lokalnim zagrijavanjem i pojačanim prijenosom kisika, čime se pojačavaju putovi potaknuti oksidacijom kod bioaktivnih tvari osjetljivih na kisik.[13, 14, 17]
U homogenizaciji s visokim smičnim silama sustava napitaka, izlazna temperatura značajno raste s brzinom rotacije (npr. s 4.1 ± 0.7 °C pri 0 rpm na 41 ± 1.2 °C pri 20,000 rpm), a pri najvećoj brzini askorbinska kiselina smanjena je za 42.6%, što je u skladu s pospješivanjem razgradnje visokom temperaturom i oksidacijom.[13]
U visokotlačnoj homogenizaciji (HPH), mehanizam obrade izričito se pripisuje distribuciji smičnog naprezanja na otvoru ventila, gdje je kretanje fluida poremećeno, te dodatnim fenomenima kao što su kavitacija, turbulencija, sudaranje i udaranje, koji zajedno stvaraju intenzivan mehanički i potencijalno oksidativni stres.[14]
Oksidativno spajanje također je dokazano u eksperimentima toplinske oksidacije za kvercetin: na 150 °C, razgradnja kvercetina teče brže pod kisikom nego pod dušikom (konstante brzine 0.868 h−1 naspram 0.253 h−1) i snažno je ubrzana u prisutnosti kolesterola i kisika (konstanta brzine 7.17 h−1), što je u skladu s radikalskim lančanim spajanjem između stvaranja kolesterol hidroperoksida i razgradnje kvercetina.[26]
Za NRH, kisik i temperatura imaju snažan utjecaj: na 25 °C u deioniziranoj vodi prijavljena brzina razgradnje je 1.27×10−7 s−1 na zraku (poluvrijeme 63 dana) u usporedbi s 5.90×10−8 s−1 pod N2 (poluvrijeme 136 dana), a autori navode da NRH može oksidirati u prisutnosti kisika i brzo hidrolizirati u kiselim uvjetima.[5]
4. Compound-class review
Sinteza usmjerena na spojeve u nastavku naglašava kvantificirane kinetičke i termodinamičke parametre koji se mogu izravno koristiti u proizvodnim modelima, uključujući energije aktivacije, konstante brzine, poluvremena razgradnje, početke raspadanja te ograničenja povezana sa staklištem ili taljenjem.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 NAD+ precursors
Stabilnost NAD+ prekursora snažno je uvjetovana osjetljivošću na hidrolizu i niskom tolerancijom na određene toplinske prijelaze (osobito za NRCl u području taljenja) te oksidacijom potaknutom kisikom (osobito za reducirane oblike poput NRH).[4, 5]
NRCl pokazuje kinetiku razgradnje pseudo-prvog reda u vodenim otopinama i iskazuje energije aktivacije koje variraju s pH (75.4–82.8 kJ·mol−1), što kvantitativno kodira i toplinsku osjetljivost i ovisnost dominantnog hidrolitičkog puta o pH vrijednosti.[4]
Mehanistička osnova predložena je kao bazno katalizirana hidroliza u kojoj se NR smanjuje dok se nikotinamid (Nam) i šećer nakupljaju, a predstavljeni su dokazi molne bilance koji ukazuju na to da se za svaku molekulu NR-a koja se razgradi, formira jedna molekula Nam-a i jedna molekula šećera.[4]
U simuliranim GI fluidima pri fiziološkoj temperaturi i miješanju (USP II lopatica na 75 rpm i 37 °C), NRCl pokazuje relativno ograničen kratkoročni gubitak (npr. ~97–99% preostalo nakon 2 h u želučanom mediju), ali mjerljivo dugoročno smanjenje u simulaciji od 24 h (79.18 ± 2.68% preostalo nakon 24 h, s 90.51 ± 0.82% preostalih nakon 8 h).[4]
U čvrstom stanju, NRCl pokazuje uzak temperaturni prozor između početka taljenja i brzog raspadanja: DSC izvještava o početku taljenja na 120.7 ± 0.3 °C i naknadnom egzotermnom događaju na ~130.8 °C, dok qNMR kvantificira nagli porast razgradnje s 2% na 115 °C na 98% na 130 °C.[4]
Jedan izvor eksplicitno uokviruje ove podatke kao pružanje "jasnog gornjeg temperaturnog ograničenja za obradu NRCl" koje može utjecati na proizvodnju dodataka prehrani u svim fazama, naglašavajući važnost DSC/qNMR pragova kao čvrstih ograničenja u zagrijanim operacijama.[4]
NR borat uvodi strategiju stabilizacije motiviranu reaktivnošću NR-a: NR se opisuje kao spoj s posebno nestabilnom glikozidnom vezom koja spaja pozitivno nabijeni piridinijev heterocikl s ugljikohidratom, što otežava njegovu sintezu, skladištenje i transport, a stabilizacija boratom opisuje se kao visoka stabilnost protiv toplinske i kemijske razgradnje.[19]
Kvantitativno, topljivost NR borata snažno ovisi o pH (npr. 1972.7 ± 15.4 mg·mL−1 pri pH 1.5; 926.0 ± 34.4 mg·mL−1 pri pH 7.4), a za Arrheniusov model prijavljeno je da pokazuje veće brzine razgradnje pri pH 7.4 nego pri pH 1.5 ili 5.0, što je u skladu s utjecajem koncentracije HO−.[19]
Isti pregled navodi Gibbsovu slobodnu energiju razgradnje NR borata od 2.43 kcal·mol−1 i napominje da povećanje od 10 °C približno udvostručuje brzinu razgradnje pod bilo kojim pH uvjetima, što odražava temperaturnu osjetljivost uočenu za NRCl.[4, 19]
NRH pokazuje izraženu osjetljivost na pH i kisik: prijavljena je potpuna razgradnja u manje od jednog dana pri pH 5, dok pri pH 9 uzorci pokazuju ~42–45% razgradnje nakon 60 dana, a na 25 °C u deioniziranoj vodi na zraku prijavljeno je ~50% razgradnje nakon 60 dana naspram ~27% pod N2.[5]
Ova osjetljivost na kisik mehanistički se pripisuje oksidaciji u prisutnosti kisika i hidrolizi ubrzanoj u kiselim uvjetima, što je u skladu s opisom NRH kao nestabilne molekule zbog njezine N-glikozidne veze koja je podložna razgradnji, hidrolizi i oksidaciji.[5]
Za NMN, kvantitativni termodinamički markeri u čvrstom stanju uključuju prijavljeni početak raspadanja na 160 °C koji završava do 165 °C (uz endotermni DSC vrhunac na 162 °C i entalpiju raspadanja od 184 kJ·mol−1), te podatke o ubrzanoj stabilnosti koji izvještavaju o brzini raspadanja od 0.8% mjesečno na 40 °C i 75% RH.[6]
U vodenoj otopini, razgradnja NMN-a prijavljena je kao prividni prvi red na sobnoj temperaturi s kinetičkom jednadžbom lg(Ct)=0.0057t+4.8172 i prijavljenim vremenima t0.9=95.58 h i t1/2=860.26 h, a studija navodi da na brzinu razgradnje prvenstveno utječu visoka temperatura i pH.[27]
Kako bi se podržala praktična ograničenja formulacije, jedan izvor usmjeren na proizvod preporučuje inkorporaciju ispod 45 °C kako bi se spriječila toplinska razgradnja fosfodiesterske veze i izvještava o manje od 5% razgradnje u testiranju ubrzanog starenja na 40 °C/75% RH tijekom 3 mjeseca za ispravno formulirane sustave s niskim udjelom vode.[28]
Primarni put razgradnje NMN-a opisan je kao hidroliza fosfodiesterske veze pri čemu nastaju nikotinamid i riboza-5-fosfat, uz ovisnosti o pH opisane kao kiselinski katalizirana hidroliza ispod pH 4.5 i cijepanje posredovano bazom iznad pH 7.5.[28]
4.2 Stilbenoids
Stilbenoidi uključuju resveratrol i srodne spojeve koji pokazuju snažnu razgradnju ovisnu o pH i kisiku, a njihova stabilnost u stvarnim formulacijama može odstupati od jednostavne Arrheniusove ekstrapolacije zbog učinaka matrice i višestrukih putova razgradnje.[7, 12, 29]
U vodenim sustavima, za trans-resveratrol je prijavljeno da je stabilan u kiselom pH, dok se razgradnja eksponencijalno povećava iznad pH 6.8, a poluvrijeme razgradnje smanjuje se s 329 dana pri pH 1.2 na 3.3 minute pri pH 10.[12]
Pri pH 7.4, kinetika razgradnje trans-resveratrola slijedi kinetiku prvog reda na svim istraživanim temperaturama, a energija aktivacije prijavljena je kao 84.7 kJ·mol−1.[12]
Navedeno je mehanističko obrazloženje da su u kiselom pH hidroksilne skupine zaštićene od radikalske oksidacije pozitivno nabijenim H₃O⁺ ionima, dok u alkalnim uvjetima fenatni ioni povećavaju osjetljivost na oksidaciju i stvaranje fenoksi radikala, a kisik u mediju pospješuje radikalske reakcije koje vode do razgradnje.[12]
Nezavisni eksperimenti toplinske stabilnosti u vodenoj otopini (19 mg·L−1) ne pokazuju značajne spektralne promjene nakon 30 min do 70 °C, dok povišene temperature dovode do općeg smanjenja apsorbancije na 304 nm i smanjene apsorbancije u rasponu 270–350 nm, što ukazuje na toplinski inducirano uništavanje pod hidrotermalnim uvjetima.[30]
Mehanistička interpretacija tih hidrotermalnih eksperimenata predlaže oksidativno cijepanje dvostruke veze i stvaranje razgradnih produkata koji sadrže fenol, kao što su hidroksi aldehidi, alkoholi i hidroksi kiseline, a FTIR vrpce tumače se kao sukladne stvaranju aldehida i karboksilnih kiselina na 100–120 °C.[30]
U matricama tableta, za razgradnju resveratrola navodi se da slijedi monoeksponencijalnu kinetiku prvog reda s k vrijednostima od 0.07140, 0.1937 i 0.231 mjeseci−1 na 25, 30, odnosno 40 °C, ali odnos ln(k) naspram 1/T je nelinearan i klasificiran kao super-Arrheniusov, pri čemu autori predlažu moguće sekundarne reakcije, višestruke reakcijske putove ili učinke matrice na višim temperaturama.[7]
Isti rad naglašava da Arrheniusova ekstrapolacija ne omogućuje uvijek određivanje kinetike razgradnje resveratrola u dodacima prehrani te da testovi ubrzanog starenja mogu dovesti do netočnih procjena, uključujući precjenjivanje razgradnje.[7]
Za stilbenoidne fenolne tvari u suhim sustavima, toplinski tretmani poput sterilizacije parom na 121 °C tijekom 20 min proizvode mjerljive gubitke (npr. pinosilvin se smanjio za 20.98% prema površini pika), a sušenje u sušioniku tijekom 24 h na 105 °C proizvodi >50% smanjenja površine pika za nekoliko fenolnih tvari, dok TGA ukazuje na početne temperature raspadanja iznad ~200 °C za sustave s pinosilvinom.[31]
4.3 Flavonoids
Flavonoidi pokazuju osjetljivost na razgradnju kroz više putova na koju utječu pH, temperatura, kisik i interakcije unutar formulacije poput vezanja za proteine, a njihovo toplinsko ponašanje u DSC/TGA može uključivati preklapanje raspadanja i omekšavanja umjesto jednostavnog taljenja.[9, 22, 24]
U puferiranim otopinama, povećanje pH medija sa 6.0 na 7.5 povećava konstante brzine razgradnje fisetina i kvercetina za 24, odnosno 12 puta (npr. k za fisetin s 8.30×10−3 na 0.202 h−1; k za kvercetin s 2.81×10−2 na 0.375 h−1), a podizanje temperature iznad 37 °C značajno povećava k (npr. k za fisetin na 0.490 h−1 pri 65 °C; k za kvercetin na 1.42 h−1 pri 65 °C).[24]
Proteinski sastojci mogu ublažiti razgradnju: dodatkom proteina mjerene k vrijednosti se smanjuju, uključujući smanjenje k za fisetin s .58×10−2 na raspon do 1.76×10−2 h−1 te smanjenje k za kvercetin s 7.99×10−2 na raspon do 3.80×10−2 h−1.[24]
Mehanistički, kemijska nestabilnost flavonoida pripisuje se hidroksilnim skupinama i nestabilnoj pironovoj strukturi, a stabilizacija proteinima pripisuje se uglavnom hidrofobnim interakcijama (pri čemu SDS narušava stabilizaciju), dok se doprinosi vodikovih veza ističu kao tema koja zahtijeva buduće kvantitativne testove.[24]
Za kvercetin na 90 °C blizu neutralnosti, kinetika razgradnje pokazuje snažne učinke pH: k se povećava približno pet puta s pH 6.5 na 7.5, a detektirani su oksidacijski intermedijeri poput kvercetin kinona, uz tipične krajnje produkte uključujući protokatehuinsku kiselinu (PCA) i floroglucinol karboksilnu kiselinu (PGCA).[22]
Mehanistički narativ pripisuje prvi mjerljivi gubitak na 370 nm pretvorbi kvercetina u kinon i sugerira da cijepanje kostura kinona daje jednostavnije fenolne tvari s ograničenom apsorbancijom, dok alkalna deprotonacija ubrzava oksidaciju koja utječe na C-prsten i o-difenolnu strukturu B-prstena.[22]
U sustavima s visokom temperaturom (150 °C), razgradnja i oksidacija kvercetina teku brzo, s prijavljenim konstantama brzine od 0.253 h−1 u dušiku i 0.868 h−1 u kisiku te snažnim ubrzanjem (7.17 h−1) u kombinaciji kisika i kolesterola; eksperimentalno, gubitak kvercetina raste s 7.9% nakon 10 min (N₂) na 20.4% nakon 10 min (O₂), dok se u kombinaciji kolesterola i kisika kvercetin smanjuje na 10.9% preostale količine nakon 10 min.[26]
Toplinska analiza dodatno ukazuje da kvercetin pokazuje mali endotermni pik u rasponu 90–135 °C povezan s malim gubitkom mase (0.86 ± 0.33 tež.%), raspadanje započinje na 230 °C, a istaknuti DSC endoterm na 303 °C preklapa se s raspadanjem; tvrdi se da vodikove veze istovremeno ograničavaju ponašanje slično taljenju i olakšavaju raspadanje slabljenjem kemijskih veza.[9]
Za rutin (glikozid kvercetina) i njegove estere masnih kiselina, TGA ukazuje da je rutin toplinski stabilan do 240 °C, dok esteri pokazuju niže početne temperature razgradnje (217–220 °C) i veći gubitak mase u glavnoj fazi, a energije aktivacije variraju s stupnjem konverzije od 65 do 246 kJ·mol−1.[8]
4.4 Curcuminoids
Razgradnja kurkumina snažno ovisi o pH i uključuje oksidativne putove u mnogim vodenim uvjetima, dok toplinsko raspadanje i interakcije unutar formulacije mogu pomaknuti početak razgradnje i prividne kinetičke parametre.[10, 18, 32]
U smjesama pufera/metanola na 37 °C, za razgradnju kurkumina navodi se da slijedi kinetiku prvog reda s k_obs koji se dramatično povećava s porastom pH (npr. 3.2×10−3 h−1 pri pH 7.0 naspram 693×10−3 h−1 pri pH 12.0), dok je pri pH 5.0 kurkumin stabilan u prijavljenim eksperimentima.[10]
Pri pH 8.0, Arrheniusova analiza daje (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1, a ekstrapolacija na vodeni pufer sugerira brz gubitak u oksidacijskim uvjetima (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]
Micelarne nanoformulacije dramatično usporavaju razgradnju: u polimernim micelama i Triton X-100 micelama pri pH 8.0 i 37 °C, prijavljene k_obs vrijednosti smanjuju se na 0.9×10−3 i 0.6×10−3 h−1, s poluvremenima razgradnje od 777 ± 87 h i 1100 ± 95 h, za koja se navodi da su ~300–500 puta veća nego kod slobodnog kurkumina u vodenom puferu.[10]
Mehanistički, uključeni rad tvrdi da razgradnja kurkumina ne teče putem hidrolitičkog cijepanja lanca, već putem oksidacije koja daje biciklopentadion kao konačni produkt, pri čemu je razgradnja 1 mola kurkumina povezana s potrošnjom 1 mola O₂, a prvi korak je deprotonacija hidroksilnih skupina pri pH iznad 7.0.[10]
Zasebna studija stabilnosti relevantna za GI trakt izvještava o prividnoj kinetici prvog reda s visokom linearnošću (r² > 0.95) i pruža energije aktivacije (u kcal·mol−1) koje variraju s medijem (veće pri pH 7.4 nego u 0.1 N HCl), te navodi da je nakon 12 h na 37 °C preostalo preko 80% u 0.1 N HCl, ali samo 57% i 47% u fosfatnim puferima pH 6.8, odnosno 7.4.[11]
Na visokim temperaturama (180 °C), eksperimenti prženja pokazuju ekstremnu termolabilnost, pri čemu ostaje samo 30% početnog kurkumina nakon 5 minuta, a mehanistička interpretacija povezuje oksidativno cijepanje s intermedijerom ferulične kiseline i korakom dekarboksilacije koji je ubrzan izlaganjem zraku i višim temperaturama.[33]
Studije toplinske razgradnje kurkumina i polimernih sustava koji sadrže kurkumin pod dušikom pokazuju složeno ponašanje: raspadanje sirovog kurkumina počinje oko 240 °C, dok ugradnja kurkumina u PGA/PCL smjese pomiče maksimum razgradnje PGA na niže temperature (npr. s 372 °C za čistu smjesu na 327 °C pri 5% kurkumina), što implicira da ugradnja kurkumina može smanjiti toplinsku stabilnost matrice.[18]
Ista studija usmjerena na polimere povezuje ove rezultate s važnošću za proizvodnju navodeći da prerada u rastaljenom stanju zahtijeva zajamčenu i kemijsku stabilnost polimerne matrice i biološku aktivnost ugrađenih lijekova te da bi se prerada PGA ili PGA/PCL smjesa s kurkuminom trebala provoditi na što nižoj temperaturi kako bi se spriječila razgradnja PGA.[18]
Stabilizacija kurkumina pod emulgiranjem s visokim smičnim silama također je kvantificirana u Pickeringovim emulzijama pripremljenim pomoću miješalice s visokim smičnim silama na 22,000 rpm tijekom 2 min: skladištenje na 20 °C u mraku pokazuje da se u neenkapsuliranoj smjesi kurkumin-ulje približno polovica kurkumina razgradi nakon 6 dana i samo 20% preostaje nakon 16 dana, dok sustav Pickeringove emulzije zadržava ~50% nakon 16 dana i produljuje poluvrijeme razgradnje s 13 dana na 28 dana.[1]
Pod UV izlaganjem (6 W, 365 nm), isti sustav pokazuje ~50% razgradnje nakon 9 h i samo 20% preostalog kurkumina nakon 24 h za smjesu s uljem, dok Pickeringova emulzija zadržava ~70% nakon 9 h i ~45% nakon 24 h te produljuje poluvrijeme razgradnje s ~13 h na ~27 h za 50% gubitka.[1]
4.5 Summary table
Tablica u nastavku objedinjuje reprezentativne kinetičke i termodinamičke parametre prijavljene za različite klase spojeva, naglašavajući vrijednosti koje su najizravnije upotrebljive za modeliranje procesa.
5. High-shear manufacturing unit operations
Proizvodnja s visokim smičnim silama izlaže termolabilne spojeve mehaničkim stresnim poljima koja mogu povećati temperaturu, prijenos kisika i međufaznu površinu, čime utječu i na kinetiku reakcije i na dominantne mehanizme, osobito kod bioaktivnih tvari osjetljivih na kisik i pH.[13, 14, 17]
5.1 Melt processing
Prerada u rastaljenom stanju ističe se u sustavima polimer-lijek kao scenarij u kojem se moraju očuvati i stabilnost polimera i aktivnost lijeka, te se izričito navodi da prerada u rastaljenom stanju podrazumijeva jamčenje kemijske stabilnosti polimerne matrice i biološke aktivnosti ugrađenih lijekova.[18]
U sustavu PGA/PCL–kurkumin, ugradnja kurkumina negativno utječe na toplinsku stabilnost PGA, a autori preporučuju preradu na što nižoj temperaturi kako bi se spriječila razgradnja PGA, povezujući karakterizaciju toplinske stabilnosti s dizajnom procesa.[18]
5.2 High-pressure homogenization and microfluidization
Visokotlačna homogenizacija podvrgava fluide visokom mehaničkom stresu pri prolasku kroz ventil s uskim rasporom; na otvoru je fluid izložen smičnom djelovanju, a dodatni fenomeni poput kavitacije, turbulencije, sudaranja i udaranja doprinose smičnim učincima.[14]
HPH radi na povišenim tlakovima većim od 100 MPa i može generirati tlakove do 400 MPa, a primijenjeni tlak, broj ciklusa/prolaza i ulazna temperatura opisani su kao ključni čimbenici koji utječu na ekstraktibilnost i stabilnost fitokemikalija.[14]
Kvantitativno, pregled HPH-a navodi primjere promjena u sastavu poput postupnog smanjenja L-askorbinske kiseline (1.7%, 4.6%, 10.7%) na 100, 200, 300 MPa i smanjenja polifenola (npr. 10.6%, 6.0%, 1.4%) u soku od jabuke na 100, 200, 300 MPa, ilustrirajući da razina tlaka može korelirati s gubicima kod spojeva osjetljivih na oksidaciju ovisno o matrici i enzimskoj aktivnosti.[14]
Na razini formulacije, mikrofluidizacija može proizvesti stabilne emulzije s kvantificiranim zadržavanjem fenolnih tvari: za W/O/W emulzije, optimalni uvjeti mikrofluidizatora prijavljeni su kao 148 MPa i sedam ciklusa, što daje kapi od 105.3 ± 3.2 nm i PDI 0.233 ± 0.020, pri čemu je nakon 35 dana zadržavanje fenolnih tvari bilo 68.6% uz zadržavanje antioksidativne aktivnosti od 89.5%.[2]
Zasebna studija enkapsulacije navodi kombinirani pristup visokog smicanja i mikrofluidizacije: liposomske disperzije homogenizirane su na 9500 rpm tijekom 10 min, a zatim propuštene pet puta kroz mikrofluidizator na 25,000 psi prije sušenja raspršivanjem, pokazujući da industrijski realistični nizovi mogu kombinirati smicanje i naknadno toplinsko sušenje.[3]
Pregledi ultra-visokotlačne homogenizacije (UHPH) naglašavaju ekstremno smicanje i udarce unutar ventila, s prijavljenim uvjetima poput pumpanja fluida pri više od 200 MPa (obično 300 MPa) i vremenom zadržavanja u ventilu manjim od 0.2 s pri brzini od Mach 3, uz nanofragmentaciju mikroorganizama, koloida i biopolimera na 100–500 nm.[34]
5.3 High-shear mixing
Miješanje s visokim smičnim silama često se koristi kao korak pre-emulgiranja ili dispergiranja i može samo po sebi generirati značajne poraste temperature i oksidacijska okruženja, čime utječe na razgradnju čak i prije nizvodnih operacija.[13]
U modelu napitka, homogenizacija s visokim smičnim silama tijekom 10 min pri rastućim brzinama rotacije povećala je izlaznu temperaturu (s 4.1 ± 0.7 °C pri 0 rpm na 41 ± 1.2 °C pri 20,000 rpm) i bila je povezana sa značajnim gubitkom askorbinske kiseline (smanjenje od 42.6% pri 20,000 rpm).[13]
In a curcumin Pickering emulsion system, high-shear mixing at 22,000 rpm for 2 min was used to form emulsions, after which stability improvements were quantified via slower degradation and extended half-life under both storage and UV stress, linking high-shear interfacial structuring to chemical stability outcomes.[1]
5.4 Mechanochemical milling
Mehanokemijska obrada (npr. mljevenje u kugličnom mlinu) može proizvesti amorfne čvrste disperzije i promijeniti stabilnost promjenom oblika u čvrstom stanju, miješanjem na molekularnoj razini i omogućavanjem snažnih intermolekularnih interakcija poput vodikovih veza.[15]
Za ASD-ove i inkluzije fisetina, mljevenje je izvedeno na sobnoj temperaturi s frekvencijom od 30 Hz i trajanjem od 20 min, a naknadna TG/DSC analiza provedena je pod dušikom radi kvantifikacije toplinske stabilnosti i ponašanja Tg.[15]
5.5 Spray drying
Sušenje raspršivanjem opisuje se kao jedna od najčešće korištenih tehnika za proizvodnju sušenih biljnih ekstrakata, a navodi se da visoke temperature tijekom sušenja raspršivanjem mogu imati štetne učinke na termolabilne (poli)fenole.[3, 20]
U jednoj studiji enkapsulacije polifenola, sušenje raspršivanjem provedeno je s ulaznom temperaturom zraka od 150 ± 5 °C i izlaznom temperaturom od 90 ± 5 °C, pri čemu autori navode da se količina (poli)fenola smanjila zbog izlaganja kisiku i toplini tijekom sušenja, što motivira enkapsulaciju radi očuvanja funkcionalnih svojstava.[3]
U studiji preformulacije ekstrakta, procesni uvjeti sušionika s raspršivanjem (ulazna temperatura, brzina protoka napajanja, omjer koloidnog silicijevog dioksida) procijenjeni su s obzirom na njihov učinak na odgovore, a Arrheniusove metode korištene su za određivanje kinetičkih parametara raspadanja uključujući red reakcije, vrijeme razgradnje određene frakcije i konstantu brzine.[20]
5.6 Summary table
Tablica u nastavku sažima profile stresa i primjere kvantitativnih učinaka prijavljenih za jedinične operacije koje nameću visoko smicanje i/ili intenzivnu toplinsku izloženost.
6. Integrated stability–process models
Uključeni izvori pružaju gradivne elemente za integrirani prediktivni okvir u kojem se rezultati stabilnosti izračunavaju iz toplinske povijesti jediničnih operacija i fizikalno-kemijskih mikrookruženja (pH, kisik, aktivnost vode) uz poštivanje pragova termodinamičkih prijelaza.[4, 14]
6.1 Time–temperature–shear mapping
Praktični pristup mapiranju može koristiti kinetiku (k, (E_a), poluvrijeme razgradnje) zajedno s mjerenim ili izvedenim profilima vrijeme–temperatura jediničnih operacija za izračun očekivane konverzije, koristeći pragove prijelaza stanja (Tg, početak taljenja, početak raspadanja) kao granice koje mogu promijeniti mehanizme ili povećati brzine.[4, 15]
Na primjer, model otopine pseudo-prvog reda za NRCl može se parametrizirati pomoću Arrheniusovih energija aktivacije (75.4–82.8 kJ·mol−1) i opažanja da povećanje od 10 °C približno udvostručuje k_obs, što omogućuje prijenos iz validiranih eksperimenata s puferom na kratke toplinske ekskurzije u proizvodnji.[4]
Za kurkumin, temperaturna osjetljivost može se parametrizirati pomoću (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 pri pH 8.0 i prijavljene snažne ovisnosti k_obs o pH, što zajedno omogućuje predviđanje gubitaka tijekom držanja u vodenom mediju ili koraka emulgiranja uz zagrijavanje gdje je lokalni pH neutralno-bazni.[10]
Za trans-resveratrol, drastičan pad poluvremena razgradnje uzrokovan pH-om (sa stotina dana na minute s porastom pH) implicira da rezultatima stabilnosti tijekom obrade može dominirati pH mikrookruženja, a ne temperatura mase, te se Arrheniusovo modeliranje pri pH 7.4 može koristiti za izloženosti umjerenim temperaturama uz (E_a)=84.7 kJ·mol−1.[12]
6.2 QbD and design space
Interpretacija kvalitete prema dizajnu (QbD) podržana je studijama koje eksplicitno procjenjuju kako procesni parametri i matrice formulacija mijenjaju mehanizme razgradnje, uključujući nalaze da ubrzano testiranje možda neće uspjeti predvidjeti rok valjanosti kada se pojavi ne-Arrheniusovo ponašanje ili učinci matrice.[7, 29]
Za tablete resveratrola, zaključak da Arrheniusovi pristupi mogu precijeniti razgradnju u testovima ubrzanog starenja motivira definiranje projektnih prostora koristeći i mehanističko razumijevanje i podatke pri više temperatura umjesto jednog ubrzanog uvjeta.[7, 29]
Za sustave markera flavonoida sušenih raspršivanjem, izričito je prijavljeno da ekscipijenti utječu na kinetički red i vrijednosti vremena do razgradnje određene frakcije, što ukazuje na to da je sastav formulacije dio projektnog prostora stabilnosti, a ne fiksna pozadina.[20]
6.3 PAT and analytical specificity
Točno praćenje procesa zahtijeva analitičku specifičnost jer produkti razgradnje mogu ometati jednostavnije spektroskopske testove, osobito kod polifenola.[12]
Za trans-resveratrol, prijavljeno je da je specifičnost HPLC-a i UPLC-a potvrđena, dok je UV/VIS spektroskopija rezultirala lažno višim koncentracijama trans-resveratrola u uvjetima u kojima nije bio stabilan (alkalni pH, svjetlo, povišena temperatura), naglašavajući potrebu za metodama koje ukazuju na stabilnost u procesnoj analitici.[12]
7. Mitigation strategies
Strategije ublažavanja u uključenim izvorima naglašavaju ograničavanje izloženosti poznatim akceleratorima (toplina, kisik, visoki pH, UV) i korištenje arhitektura formulacija koje smanjuju molekularnu mobilnost, štite međufazne površine ili postavljaju aktivnu tvar u manje reaktivna mikrookruženja.[10, 13, 17]
7.1 Encapsulation and dispersions
Enkapsulacija u micelarnim sustavima ili sustavima čestica može značajno stabilizirati termolabilne spojeve ograničavanjem kontakta s vodom, kisikom i reaktivnim vrstama te izmjenom kiselo-bazne dostupnosti ključnih funkcionalnih skupina.[1, 10]
Za kurkumin, micelarna solubilizacija smanjuje k_obs na 0.6–0.9×10−3 h−1 i produljuje poluvrijeme razgradnje na 777–1100 h, a ova se stabilizacija pripisuje sprječavanju deprotonacije hidroksila unutar hidrofobne jezgre micele, što je opisano kao prvi korak razgradnje.[10]
Pickeringove emulzije pružaju fizičku barijeru: navodi se da prisutnost guste fizičke barijere na međufaznoj površini sprječava razgradnju kurkumina, a kvantitativno sustav koji stvara barijeru produljuje poluvrijeme skladištenja s 13 dana na 28 dana, a UV poluvrijeme s ~13 h na ~27 h.[1]
Transportni sustavi izvedeni iz ciklodekstrina pružaju još jednu strategiju: klatrati resveratrola i β-ciklodekstrina pokazuju toplinske događaje uključujući oslobađanje vode blizu 50 °C i događaje razgradnje na višim temperaturama, a slobodne energije vezanja (npr. −86 kJ·mol−1 prema MM/PBSA) kvantificiraju snažne inkluzijske interakcije.[25]
Enkapsulacija resveratrola u nano-spužve uklanja njegov DSC endoterm taljenja i pruža fotozaštitu: slobodni resveratrol pokazuje 59.7% razgradnje unutar 15 min pod UV izlaganjem, dok nano-spužve resveratrola pružaju približno dvostruku zaštitu, što je u skladu s enkapsulacijom koja sprječava izravno UV izlaganje.[16]
Amorfne čvrste disperzije mogu se projektirati putem mehanokemijskog mljevenja, a vodikove veze između fisetina i esterskih skupina Eudragit®-a eksplicitno su identificirane, 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 ekscipijenta može promijeniti kinetičke mehanizme i ishode stabilnosti, kao što je prijavljeno u sustavima biljnih ekstrakata sušenih raspršivanjem gdje se red reakcije i vremena razgradnje određene frakcije razlikuju ovisno o smjesama ekscipijenata, što ukazuje na kinetiku razgradnje ovisnu o ekscipijentu.[20]
Proteinski sastojci mogu stabilizirati flavonoide putem hidrofobnih interakcija, snižavajući k vrijednosti za fisetin i kvercetin, a narušavanje tih interakcija pomoću SDS-a podupire 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 brojnim podacima.[5, 18]
Za NRCl, dokazi DSC/qNMR ukazuju da prekoračenje područja početka taljenja (~120–130 °C) može dovesti do izuzetno brze razgradnje, što podupire stroge gornje granice temperature i vremena zadržavanja u zagrijanim operacijama s čvrstim tvarima.[4]
Za NRH, razlika između poluvremena razgradnje na zraku i u N₂ na 25 °C implicira da inertizacija i uklanjanje kisika mogu biti od presudne važnosti, a autori navode da uzorci pod N₂ atmosferom na 4 °C ne pokazuju detektabilnu razgradnju nakon 60 dana, dok uzorci na 4 °C na zraku pokazuju ~10% razgradnje.[5]
Za homogenizaciju s visokim smičnim silama, izravno opažanje da povećanje broja okretaja povećava izlaznu temperaturu i da je povezano s većim gubitkom askorbinske kiseline osjetljive na oksidaciju podupire inženjerske mjere koje ograničavaju zagrijavanje uzrokovano smicanjem (npr. rashladni plaštevi, kraće vrijeme miješanja, stupnjevito dodavanje).[13]
Za sušenje raspršivanjem, tvrdnja da izloženost kisiku i toplini smanjuje (poli)fenole te da visoke temperature mogu biti štetne za termolabilne fenole podupire izbore poput snižavanja 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 u skupovima podataka o polifenolima.[12, 22]
Za kvercetin 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 kvercetin kinona i učinke gašenja radikala.[22]
Za trans-resveratrol, izričito je prijavljeno da kisik pospješuje radikalske reakcije koje vode do razgradnje, što podupire inertne procesne atmosfere ili barijere za kisik gdje god je to moguće za alkalnu/neutralnu vodenu preradu.[12]
U liposomskim sustavima, za resveratrol se navodi da ograničava oksidaciju stigmasterola neutralizacijom slobodnih radikala i da se integrira u lipidne dvoslojeve povećavajući krutost i smanjujući propusnost za kisik i oksidacijske agense, čime poboljšava toplinsku i oksidacijsku stabilnost sustava.[35]
Discussion
U cijeloj bazi dokaza sintetiziranoj ovdje, najsnažniji kvantitativni obrazac je da kemijsko mikrookruženje (pH, kisik, prisutnost vode) može dominirati ishodima stabilnosti čak i na umjerenim 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 ističe dvostruki režim: u vodenoj otopini, hidroliza pseudo-prvog reda može se modelirati pomoću Arrheniusovih energija aktivacije i približno dvostrukim povećanjem brzine svakih 10 °C, dok u čvrstom stanju usko područje oko 120–130 °C odgovara taljenju nakon kojeg odmah slijedi brza razgradnja.[4]
Za resveratrol, dominantni procesni rizik proizlazi iz osjetljivosti na pH: poluvrijeme razgradnje drastično pada s dugih razdoblja pri kiselom pH na minute pri visokom pH, dok kisik pospješuje radikalske reakcije, ukazujući na to da operacije s visokim smičnim silama koje povećavaju prijenos kisika i lokalnu lužnatost mogu biti nesrazmjerno štetne čak i ako temperatura mase ostane umjerena.[12]
Za flavonoide, oksidacija putem kinonskih intermedijera i pH-ovisni mehanizmi deprotonacije (kvercetin) kombiniraju se s visokotemperaturnom oksidacijom i radikalskim lančanim spajanjem (npr. kisik plus kolesterol), sugerirajući da formulacije koje sadrže lipide i izloženost kisiku mogu snažno pojačati oksidativne putove gubitka.[22, 26]
Za kurkumin postoji mehanistička napetost između narativa vođenih hidrolizom (u nekim radovima s GI-puferom) i onih vođenih autooksidacijom (u radovima usmjerenim na micele), ali oba konvergiraju na snažan učinak pH i na zaštitnu ulogu hidrofobnih mikrookruženja i ograničavanja kisika.[11, 32]
Na razini jediničnih operacija, procesi s visokim smičnim silama mogu djelovati prvenstveno kao neizravni akceleratori generiranjem topline i povećanjem oksidativne osjetljivosti; to je izravno pokazano u homogenizaciji s visokim smičnim silama 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), implicirajući da kemijski ishodi mogu ovisiti o tome kontrolira li razgradnju brzi radikalski procesi, koraci ograničeni difuzijom ili sporiji koraci toplinske aktivacije.[14, 34]
Konačno, nekoliko izvora naglašava da modeliranje stabilnosti mora biti mehanistički validirano u relevantnoj matrici: podaci o tabletama resveratrola pokazuju ne-Arrheniusovo ponašanje i učinke matrice koji ograničavaju opću Arrheniusovu ekstrapolaciju iz testova ubrzanog starenja, a markeri biljnih ekstrakata sušenih raspršivanjem pokazuju kinetičke redove i vremena razgradnje određene frakcije ovisne o ekscipijentu.[7, 20]
Conclusions
Kvantitativni termodinamički markeri prijelaza (DSC/TGA) i kinetika razgradnje (k, t_(1/2), (E_a), energije aktivacije ovisne o konverziji) pružaju procesno relevantnu osnovu za dizajniranje 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 kojeg slijedi brza razgradnja, dok kinetika u vodenom mediju pokazuje pH-ovisno ponašanje pseudo-prvog reda s energijama aktivacije od 75–83 kJ·mol−1 koje mogu parametrizirati modele toplinske izloženosti.[4]
Za resveratrol, pH i kisik su dominantne varijable, pri čemu poluvrijeme razgradnje drastično pada sa stotina dana pri kiselom pH na minute pri visokom pH, a formulacijske matrice mogu proizvesti ne-Arrheniusovo ponašanje koje otežava ekstrapolaciju testova ubrzanog starenja.[7, 12]
Za flavonoide i kurkuminoide, oksidacijski putovi (kinonski intermedijeri za kvercetin; autooksidacija za kurkumin) motiviraju strategije kontrole kisika i hidrofobne enkapsulacije, za koje je kvantitativno pokazano da produljuju poluvrijeme razgradnje za redove veličine u micelarnim sustavima i značajno u Pickeringovim emulzijama proizvedenim miješanjem s visokim smičnim silama.[1, 10, 22, 32]
Za jedinične operacije s visokim smičnim silama, dostupni dokazi pokazuju da smicanje može povisiti temperaturu i pospješiti oksidaciju (miješanje s visokim smičnim silama) te da visokotlačni procesi temeljeni na ventilu generiraju ekstremno smicanje i kavitaciju, pri čemu su tlak, broj prolaza i ulazna temperatura ključne varijable stresa; ovi uvidi podupiru implementaciju mapiranja vrijeme–temperatura–smicanje i PAT koristeći analitiku koja ukazuje na stabilnost.[12–14]
Conflict of interest
Autori izjavljuju da ne postoji sukob interesa.[20]
