Termolabil élettartam-hosszabbító vegyületek termodinamikai stabilitása és bomláskinetikája nagy nyíróerejű gyártási stresszhatások mellett

Absztrakt

A termolabilis hosszú élettartammal összefüggő vegyületek és a polifenolos bioaktív anyagok a gyártás során (például nagy nyíróerejű keverés, nagynyomású homogenizálás és porlasztva szárítás közben) gyakran együttes termikus, oxidatív, pH- és mechanikai stressznek vannak kitéve, ami felgyorsíthatja a kémiai degradációt és csökkentheti a leadott potenciát. Ezért kvantitatív, folyamatreleváns stabilitási paraméterekre van szükség a gyártható tervezési terek (design space) meghatározásához és a védő formulációs stratégiák irányításához.[1–3]

A jelen szintézis módszerei olyan tanulmányokból kinyert kvantitatív bizonyítékokra összpontosítanak, amelyek (i) DSC/TGA segítségével vizsgált termodinamikai/termikus átalakulásokat (olvadás, bomlás kezdete, üvegesedési átalakulások és szakaszos tömegvesztési viselkedés) és (ii) degradációs kinetikát (pszeudo-elsőrendű/elsőrendű modellek, Arrhenius aktiválási energiák, pH-függőség és a degradált frakció idejének mérése) jelentenek NAD⁺ prekurzorok (NR/NRH/NMN), sztilbenoidok (resveratrol-kapcsolt rendszerek), flavonoidok (quercetin, fisetin, rutin/észterek) és kurkuminoidok esetében.[4–11]

Az eredmények azt mutatják, hogy számos reprezentatív longevity-vegyület szűk termikus feldolgozási ablakkal rendelkezik specifikus fizikai állapotokban. A Nicotinamide riboside chloride (NRCl) olvadása 120.7 ± 0.3 °C-on kezdődik, amelyet gyors olvadás utáni bomlás követ (például 98% degradáció 130 °C-on qNMR-rel mérve), míg a vizes fázisú degradáció pszeudo-elsőrendű kinetikát követ, a pH-tól függően 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ aktiválási energiával.[4]

A trans-resveratrol esetében a degradációs kinetika erősen pH- és hőmérsékletfüggő (például a felezési idő 329 napról pH 1.2-nél 3.3 percre csökken pH 10-nél), és a gyorsított stabilitási vizsgálatok extrapolációja nem-Arrhenius jellegű is lehet tabletta mátrixokban.[7, 12]

A nagy nyíróerejű egységműveletek helyi felmelegedést és oxidatív környezetet idézhetnek elő, amit igazol, hogy a nagy nyíróerejű homogenizálás a fordulatszámmal növeli a kilépő hőmérsékletet, és 20,000 rpm-nél 42.6% ascorbic-acid-veszteséggel jár együtt, valamint a nagynyomású homogenizálási mechanizmusok szelepnyírást, kavitációt és turbulenciát foglalnak magukban >100 MPa nyomáson.[13, 14]

A következtetések hangsúlyozzák a termodinamikai átalakulási adatok (DSC/TGA/Tg) integrálását kinetikai modellekkel (Arrhenius, nem-Arrhenius és izokonverziós módszerek) az idő–hőmérséklet–nyírás térképek létrehozásához, valamint a mérséklő stratégiák racionális kiválasztásához, beleértve az enkapszulációt, az amorf szilárd diszperziókat, a ciklodextrin/nanoszivacs rendszereket, az oxigénkontrollt és a nyírás/hőmérséklet minimalizálását.[15–18]

Kulcsszavak: termolabilis bioaktív anyagok; degradációs kinetika; Arrhenius; DSC; TGA; nagynyomású homogenizálás; porlasztva szárítás; NAD⁺ prekurzorok

1. Bevezetés

A hosszú élettartammal összefüggő vegyületeket egyre gyakrabban formulázzák nutraceutiákumként, funkcionális élelmiszerként és korszerű hatóanyag-leadó rendszerként, ami olyan gyártási útvonalakat igényel, amelyek során a hatóanyagok kombinált stresszhatásoknak vannak kitéve, beleértve a hevítést, az oxigénnel való érintkezést, a vízaktivitást, a pH-ingadozásokat és az intenzív mechanikai energiabevitelt.[3, 5, 14, 19]

A NAD⁺ prekurzor kémiák esetében a vizes és szilárd fázisú stabilitás központi jelentőségű, mivel a reaktivitás a glikozidos vagy foszfát-kapcsolt motívumok hidrolízisén keresztül léphet fel, és mivel a feldolgozási hőmérséklet átlépheti a gyors bomlást megelőző szilárd fázisú átalakulási küszöböket.[4, 6]

A polifenolok és a kapcsolódó botanikai hatóanyagok esetében a stabilitási korlátok közé tartozik az autooxidáció, az epimerizáció és a kinonokká történő enzimatikus oxidáció, amelyek érzékenyek a hőmérsékletre, a pH-ra, a fémionokra és az oxigén hozzáférhetőségére a feldolgozás során.[17]

Gyakorlati szempontból ez azt jelenti, hogy a gyártási tervezés nem támaszkodhat kizárólag a névleges ömlesztett hőmérsékletre; ehelyett integrálnia kell (i) a termodinamikai indikátorokat, mint például az üvegesedési átalakulást, az olvadást és a bomlás kezdetét, valamint (ii) azokat a kinetikai modelleket, amelyek rögzítik a degradáció függőségét az időtől, a hőmérséklettől, a pH-tól, az oxigéntől és (ahol mérhető) a mechanikai energiabeviteltől.[4, 9, 10, 14, 15]

Ez a tanulmány kvantitatív bizonyítékokat szintetizál reprezentatív longevity-vegyületekről és kapcsolódó bioaktív anyagokról, amelyekhez a források explicit termodinamikai átalakulásokat és/vagy kinetikai paramétereket szolgáltatnak, és ezeket az adatokat összekapcsolja a nagy nyíróerejű egységműveletek stresszprofiljaival, beleértve a nagy nyíróerejű keverést, a nagynyomású homogenizálást/mikrofluidizálást, a mechanokémiai őrlést és a porlasztva szárítást.[1, 14, 15, 20]

2. Termodinamikai keretrendszer

A gyártási kontextusban a termodinamikai stabilitást operatív módon mérhető termikus események (DSC/TGA) és állapotleírók (például amorf vs. kristályos; üvegesedési hőmérséklet) segítségével értékelik, amelyek jelzik, mikor alakul át egy vegyület vagy formuláció nagyobb molekuláris mobilitású, és ezáltal nagyobb reakciósebességű vagy eltérő mechanizmusú állapotokba.[4, 9, 15]

2.1 Gibbs-féle szabadenergia és fázisstabilitás

Számos forrás explicit módon számítja ki a Gibbs-féle szabadenergia-változásokat a degradációs folyamatokra vagy a termikus roncsolódásra vonatkozóan, termodinamikai mértéket adva a megvalósíthatósághoz meghatározott körülmények között.[8, 19]

Az NR borate esetében a degradáció spontaneitását Gibbs-féle szabadenergia-számítással értékelték, ahol a (ΔG) értéke 2.43 kcal·mol⁻¹ volt.[19]

A rutin és a zsírsavas rutin-észterek esetében pirolitikus körülmények között a (ΔG) értékek pozitívak voltak (84–245 kJ·mol⁻¹), a pozitív (ΔH) (60–242 kJ·mol⁻¹) mellett, ami endoterm és nem spontán pirolízis-profilt jelez a jelentett elemzésben.[8]

A kinetikai formalizmus tekintetében több forrás is alkalmazza az átmeneti állapot- és szabadenergia-összefüggéseket, például a használatát a hidrolízis aktiválásának értelmezésére egy curcumin spiroborate komplex rendszerben.[21]

2.2 Üvegesedési átalakulás, olvadás és a bomlás kezdete

A DSC és a TGA egymást kiegészítő markereket adnak a folyamatkockázatról: az olvadási vagy lágyulási események hirtelen növelhetik a diffúziót és lehetővé tehetik a gyors kémiai átalakulást, a TGA tömegvesztés kezdete pedig jelezheti a visszafordíthatatlan bomlás megindulását még a látszólagos szilárd állapotban is.[4, 9, 15]

Az NRCl esetében a DSC az olvadás kezdetét 120.7 ± 0.3 °C-on, az olvadási csúcsot pedig 125.2 ± 0.2 °C-on jelzi, amelyet egy azonnali, éles exoterm esemény követ, amelynek csúcsa 130.8 ± 0.3 °C-on van.[4]

A DSC eseménysorozattal összhangban a qNMR kvantifikálás korlátozott degradációt mutat 115 °C-on (2%), de gyors veszteséget az olvadási tartományban és felette (7% 120 °C-on; 55% 125 °C-on; 98% 130 °C-on; mindössze 0.45% NR marad 140 °C-on).[4]

Az NMN esetében egy forrás arról számol be, hogy a vegyület inkább lebomlik, semmint tiszta olvadási átalakulást mutatna; a bomlás 160 °C-on kezdődik és 165 °C-ra fejeződik be, 162 °C-os endoterm DSC-csúccsal és 184 kJ·mol⁻¹ bomlási entalpiával.[6]

A quercetin esetében a kombinált DSC/TGA interpretáció azt jelzi, hogy egy intenzív DSC endotermet (maximum 303 °C-on) gyakran tévesen az olvadásnak tulajdonítanak, miközben a TGA azt mutatja, hogy a bomlás 230 °C-on indul meg, és az endoterm átfedésben van a folyamatos tömegvesztéssel; a 303 °C-os csúcshoz tartozó jelentett "olvadáshő" 69–75 kJ·mol⁻¹.[9]

A fisetin esetében a TGA kismértékű tömegvesztést (~5%) mutat, amelyet a kristályos mintából történő víz elpárolgásának tulajdonítanak, és egy jelentős tömegvesztési eseményt (~30.6%) 369.6 °C-on, amelyet a molekula bomlásának tulajdonítanak.[15]

Inert nitrogén alatt a curcumin esetében egy tanulmány arról számol be, hogy a nyers curcumin összetett bomlási folyamatot mutat, amely 240 °C körül kezdődik (5% tömegvesztés), 347 °C-os DTGA csúccsal és 600 °C-on visszamaradó 37% maradékkal (10 °C·min⁻¹ sebességnél).[18]

2.3 Amorf és kristályos stabilitás

Az amorf formulációk javíthatják az oldhatóságot és a biohasznosulást, de megváltoztathatják a termikus viselkedést és a stabilitást a kristályos formákhoz képest megnövekedett molekuláris mobilitás révén, így az üvegesedési hőmérséklet (Tg) kritikus stabilitási paraméterré válik.[15, 16]

A mechanokémiai úton előállított fisetin amorf szilárd diszperziók (ASD-k) mérhető Tg-értékeket mutatnak a második fűtési ciklusban, és a miscibilitással összhangban lévő összetétel-függő Tg-eltolódásokat mutatnak: a nyers Eudragit® L100/EPO 147.1/55.4 °C Tg-t mutat, míg a fisetin ASD-k a polimertől és a gyógyszerterheléstől függően 144.2/71.8 °C és 145.9/76.7 °C közötti Tg-értékeket mutatnak.[15]

A resveratrol és oxyresveratrol nanoszivacsok esetében a DSC azt mutatja, hogy a resveratrol olvadási endotermje (266.49 °C) eltűnik a nanoszivacs formulációkban, amit a szerzők az enkapszulációnak és a gyógyszermolekulák lehetséges amorfizációjának tulajdonítanak a nanoszivacs mátrixon belül.[16]

A quercetin esetében feltételezik, hogy a hidrogénkötés egyszerre korlátozza az olvadásszerű lágyulást és segíti elő a bomlást a kötések gyengítésén keresztül, és a kombinált DSC/TGA interpretáció szerint a quercetin nem egyszerűen megolvad, hanem egymást átfedő bomláson és szerkezeti relaxáción/lágyuláson megy keresztül a 150–350 °C tartományban.[9]

3. Degradációs kinetikai modellek és paraméterek

A vizsgált források számos kinetikai modellt (elsőrendű, pszeudo-elsőrendű, magasabb rendű vagy szigmoid formák) és hőmérsékletfüggőségi kezelést (Arrhenius és egyes esetekben nem-Arrhenius viselkedés) alkalmaznak, amelyeket gyakran a pH-függőség és az összetett, több útvonalon zajló degradáció indokol.[4, 7, 22]

3.1 Reakciórend modellek

Az oldatfázisú degradáció széles körben használt alapmodellje az integrált elsőrendű modell , amely több tanulmányban is az elsődleges illesztésként szerepel a koncentráció-idő adatokra kontrollált pH és hőmérséklet mellett.[4, 11, 12]

A vizes pufferoldatokban lévő NRCl esetében a degradációt pszeudo-elsőrendűként írják le, és ezt a pszeudo-elsőrendű formát az indokolja, hogy a pufferrendszerek az OH⁻/H₃O⁺ koncentrációt nagy feleslegben és az NR koncentrációhoz képest megközelítőleg állandó szinten tartják.[4, 23]

A foszfátpufferben lévő fisetin és quercetin esetében a jelentett eredményeket elsőrendű degradációs sebességi konstansként k (h⁻¹) adják meg, amely a pH-val és a hőmérséklettel erősen növekszik.[24]

A 90 °C-on, semleges pH közelében (6.5–7.5) vizsgált quercetin esetében szigmoid modellt alkalmaztak és hasonlítottak össze az elsőrendű modellel; a szigmoid modell 2.3–2.5-szer magasabb k-értékeket adott, mint az elsőrendű illesztések, és eltérő felezési időt eredményezett pH 7.5-nél.[22]

A porlasztva szárított növényi kivonat markerek esetében a segédanyag-rendszerektől függően különböző látszólagos reakciórendekről számoltak be, beleértve a zérusrendű és másodrendű modelleket a kaempferol esetében (különböző segédanyag binárisokban) és egy másodrendű modellt a quercetin esetében a segédanyagok függvényében.[20]

3.2 Arrhenius és Eyring kezelések

A hőmérsékletfüggést gyakran Arrhenius-típusú kifejezésekkel modellezik, és több forrás explicit módon számítja ki az aktiválási energiákat az eltarthatósági előrejelzések és a technológiai hőterhelés paraméterezéséhez.[4, 10, 12]

Az NRCl vizes oldatban történő degradációjára vonatkozóan az Arrhenius aktiválási energiák pH 2.0-nál 75.4 (±2.9) kJ·mol⁻¹, pH 5.0-nál 76.9 (±1.1) kJ·mol⁻¹, pH 7.4-nél pedig 82.8 (±4.4) kJ·mol⁻¹ értéket mutatnak.[4]

A trans-resveratrol esetében pH 7.4-nél az Arrhenius-analízist log(k_obs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) formában jelentik, 84.7 kJ·mol⁻¹ számított aktiválási energiával.[12]

A puffer/metanol elegyben, pH 8.0-nál vizsgált curcumin Arrhenius-analízise 37–60 °C között (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹ értéket ad.[10]

A GI-releváns vizes közegekben lévő curcumin esetében az Arrhenius-diagramok nagy linearitást mutatnak 37–80 °C felett (r² értékek: 0.9967, 0.9994, 0.9886 a különböző közegeknél), a jelentett aktiválási energiák pedig 16.46, 12.32 és 9.75 kcal·mol⁻¹ pH 7.4, pH 6.8 és 0.1 N HCl esetén.[11]

Az Eyring-analízis szintén megjelenik egy curcumin spiroborate ester (CBS) hidrolitikus bomlási tanulmányában, ahol az Eyring-diagram lineáris összefüggést mutat 0.9988 korrelációval.[21]

3.3 Izokonverziós és modellmentes módszerek

Számos termikus degradációs tanulmány alkalmaz izokonverziós módszereket (pl. KAS, FWO, Friedman) a konverziófüggő aktiválási energiák kiszámításához, ezáltal azonosítva a többlépcsős bomlást és a mechanizmusváltozásokat.[8, 18, 25]

A rutin és a rutin zsírsav-észterek esetében az aktiválási energiák jelentősen változnak a konverzió mértékével 0.05 < (α) < 0.90 tartományban, 65 és 246 kJ·mol⁻¹ közötti tartományban; a szerzők ezt bizonyítékként értelmezik arra, hogy a termikus degradáció nem egyszerű, hanem több szakaszból álló folyamat.[8]

A resveratrol–β-cyclodextrin klatrátok esetében az aktiválási energia a transzformáció mértékével növekszik: 110-ről 130 kJ·mol⁻¹-ra (OFW módszer) és 120-ról 170 kJ·mol⁻¹-ra (Friedman módszer), ami a bomlás előrehaladtával a reakciómechanizmus megváltozását jelzi.[25]

A nitrogén alatt vizsgált curcumin-tartalmú polimer rendszerek esetében a többféle megközelítéssel (Kissinger, KAS, Friedman és modellillesztés) származtatott aktiválási energiák nagyságrendileg megegyeznek (pl. 71 ± 5 kJ·mol⁻¹ Kissinger-rel; 77 ± 2 KAS-szal; 84 ± 3 Friedman-nel), és a modellválasztás F1 kinetikai modellt jelez 73–91 kJ·mol⁻¹ energiatartományban.[18]

3.4 Kapcsolt termo-mechanikai és oxidatív degradáció

A nagy nyíróerejű gyártási műveletek a mechanikai energiadisszipációt helyi felmelegedéssel és fokozott oxigénátadással kapcsolhatják össze, ezáltal felerősítve az oxidáció-vezérelt útvonalakat az oxigénérzékeny bioaktív anyagokban.[13, 14, 17]

Egy italszállító rendszer nagy nyíróerejű homogenizálása során a kilépő hőmérséklet jelentősen emelkedik a fordulatszámmal (pl. 4.1 ± 0.7 °C-ról 0 rpm-nél 41 ± 1.2 °C-ra 20,000 rpm-nél), és a legmagasabb sebességnél az ascorbic acid mennyisége 42.6%-kal csökken, ami összhangban van a magas hőmérséklet és az oxidáció által elősegített degradációval.[13]

A nagynyomású homogenizálás (HPH) során a feldolgozási mechanizmust kifejezetten a szelepfuratnál fellépő nyírófeszültség-eloszlásnak tulajdonítják, ahol a folyadékmozgás megszakad, valamint további jelenségeknek, mint a kavitáció, a turbulencia, az ütközés és a becsapódás, amelyek együttesen intenzív mechanikai és potenciálisan oxidatív stresszt hoznak létre.[14]

Az oxidatív kapcsolódást quercetin termikus oxidációs kísérletei is igazolják: 150 °C-on a quercetin degradációja gyorsabb oxigén alatt, mint nitrogén alatt (0.868 h⁻¹ vs. 0.253 h⁻¹ sebességi konstansok), és erősen felgyorsul cholesterol és oxigén jelenlétében (7.17 h⁻¹ sebességi konstans), ami összhangban van a cholesterol hydroperoxide képződése és a quercetin degradációja közötti gyökös lánckapcsolódással.[26]

Az NRH esetében az oxigén és a hőmérséklet erős kontrollt gyakorol: 25 °C-on DI vízben a jelentett degradációs sebesség 1.27×10⁻⁷ s⁻¹ levegő alatt (63 nap felezési idő), összehasonlítva az N₂ alatti 5.90×10⁻⁸ s⁻¹ értékkel (136 nap felezési idő), és a szerzők kijelentik, hogy az NRH oxigén jelenlétében oxidálódhat, savas körülmények között pedig gyorsan hidrolizál.[5]

4. Vegyületcsoport-áttekintés

Az alábbi vegyületközpontú szintézis a kvantifikált kinetikai és termodinamikai paraméterekre összpontosít, amelyek közvetlenül felhasználhatók a gyártási modellekben, beleértve az aktiválási energiákat, a sebességi konstansokat, a felezési időket, a bomlás kezdetét, valamint az üvegesedéssel vagy olvadással kapcsolatos korlátokat.[4, 11, 12, 15, 24]

4.1 NAD⁺ prekurzorok

A NAD⁺ prekurzorok stabilitását erősen meghatározza a hidrolízisre való hajlam, valamint bizonyos termikus átalakulásokkal (különösen az NRCl esetében az olvadási tartományban) és az oxigén-vezérelt oxidációval (különösen a redukált formák, például az NRH esetében) szembeni alacsony tolerancia.[4, 5]

Az NRCl pszeudo-elsőrendű degradációs kinetikát mutat vizes oldatokban, és a pH-val változó aktiválási energiákkal rendelkezik (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹), ami kvantitatívan kódolja mind a termikus érzékenységet, mind a domináns hidrolízisútvonal pH-függőségét.[4]

A mechanisztikus alapként bázis-katalizált hidrolízist javasolnak, amelyben az NR csökken, miközben nicotinamide (Nam) és cukor halmozódik fel; a moláris mérlegre vonatkozó bizonyítékok azt mutatják, hogy minden lebomló NR molekula után egy Nam molekula és egy cukormolekula képződik.[4]

Szimulált GI folyadékokban, fiziológiás hőmérsékleten és keverés mellett (USP II lapát 75 rpm-nél és 37 °C-on), az NRCl viszonylag korlátozott rövid távú veszteséget mutat (pl. ~97–99% maradék 2 óra után gyomorközegben), de mérhető hosszabb távú csökkenést egy 24 órás szimulációban (79.18 ± 2.68% maradék 24 óra után, 90.51 ± 0.82% maradék 8 óra után).[4]

Szilárd állapotban az NRCl szűk hőmérsékleti ablakot mutat az olvadás kezdete és a gyors bomlás között: a DSC az olvadás kezdetét 120.7 ± 0.3 °C-on, egy későbbi exoterm eseményt pedig ~130.8 °C-on jelez, míg a qNMR a degradáció meredek emelkedését számszerűsíti a 115 °C-on mért 2%-ról a 130 °C-on mért 98%-ra.[4]

Egy forrás ezeket az adatokat kifejezetten úgy keretezi, mint amelyek "egyértelmű felső hőmérsékleti határt szabnak az NRCl feldolgozásához", ami a kiegészítők gyártásának minden szakaszát érintheti, hangsúlyozva a DSC/qNMR küszöbértékek relevanciáját, mint kemény korlátokat a fűtött műveletekben.[4]

Az NR borate egy olyan stabilizációs stratégiát vezet be, amelyet az NR reaktivitása indokol: az NR-t úgy írják le, mint amely különösen instabil glikozidos kötéssel rendelkezik, amely egy pozitív töltésű pyridinium heterociklust kapcsol egy szénhidráthoz, ami megnehezíti a szintézist, a tárolást és a szállítást; a borát stabilizációt pedig a termikus és kémiai degradációval szembeni nagy stabilitásként jellemzik.[19]

Kvantitatívan az NR borate oldhatósága erősen pH-függő (pl. 1972.7 ± 15.4 mg·mL⁻¹ pH 1.5-nél; 926.0 ± 34.4 mg·mL⁻¹ pH 7.4-nél), és az Arrhenius-modell magasabb degradációs sebességet mutat pH 7.4-nél, mint pH 1.5 vagy 5.0 esetén, ami összhangban van a HO⁻ koncentráció hatásával.[19]

Ugyanez az áttekintés 2.43 kcal·mol⁻¹ Gibbs-féle szabadenergiát jelent az NR borate degradációjára, és megjegyzi, hogy a 10 °C-os emelkedés megközelítőleg megduplázza a degradációs sebességet bármely pH-körülmény között, visszhangozva az NRCl-nél megfigyelt hőmérsékleti érzékenységet.[4, 19]

Az NRH kifejezett érzékenységet mutat a pH-ra és az oxigénre: pH 5-nél kevesebb mint egy nap alatt teljes degradációról számoltak be, míg pH 9-nél a minták ~42–45% degradációt mutatnak 60 nap után, 25 °C-on DI vízben levegő alatt pedig ~50% degradációt jelentettek 60 nap után, szemben az N₂ alatti ~27%-kal.[5]

Ezt az oxigénérzékenységet mechanisztikusan az oxigén jelenlétében történő oxidációnak és a savas körülmények között felgyorsuló hidrolízisnek tulajdonítják, összhangban azzal, hogy az NRH-t instabil molekulaként írják le az N-glikozidos kötése miatt, amely hajlamos a degradációra, hidrolízisre és oxidációra.[5]

Az NMN esetében a kvantitatív szilárd fázisú termodinamikai markerek közé tartozik a 160 °C-on kezdődő és 165 °C-ra befejeződő bomlás (162 °C-os endoterm DSC-csúccsal és 184 kJ·mol⁻¹ bomlási entalpiával), valamint a gyorsított stabilitási adatok, amelyek havonta 0.8% bomlási sebességet jeleznek 40 °C-on és 75% RH mellett.[6]

Vizes oldatban az NMN degradációja látszólag elsőrendű szobahőmérsékleten, a kinetikai egyenlete lg(C_t)=0.0057t+4.8172, a jelentett idők pedig t_0.9=95.58 h és t_1/2=860.26 h; a tanulmány megállapítja, hogy a degradációs sebességet elsősorban a magas hőmérséklet és a pH befolyásolja.[27]

A gyakorlati formulációs korlátok támogatására egy termékközpontú forrás a 45 °C alatti beépítést javasolja a foszfodiészter kötés termikus degradációjának megelőzése érdekében, és kevesebb mint 5% degradációról számol be a 40 °C/75% RH melletti 3 hónapos gyorsított vizsgálat során a megfelelően formulált, alacsony víztartalmú rendszereknél.[28]

Az elsődleges NMN degradációs útvonalat a foszfodiészter kötés hidrolíziseként írják le, amely nicotinamide-ot és ribose-5-phosphate-ot eredményez; a pH-függőséget sav-katalizált hidrolízisként jellemzik pH 4.5 alatt, és bázis-közvetített hasításként pH 7.5 felett.[28]

4.2 Sztilbenoidok

A sztilbenoidok közé tartozik a resveratrol és a kapcsolódó vegyületek, amelyek erős pH- és oxigénfüggő degradációt mutatnak, és a valódi formulációkban mutatott stabilitásuk a mátrixhatások és a többszörös útvonalak miatt eltérhet az egyszerű Arrhenius-extrapolációtól.[7, 12, 29]

Vizes rendszerekben a trans-resveratrol savas pH-n stabilnak bizonyult, míg a degradáció pH 6.8 felett exponenciálisan nő, a felezési idő pedig 329 napról (pH 1.2) 3.3 percre (pH 10) csökken.[12]

pH 7.4-nél a trans-resveratrol degradációja elsőrendű kinetikát követ a vizsgált hőmérsékleteken, az aktiválási energiát pedig 84.7 kJ·mol⁻¹ értéken jelentik.[12]

A mechanisztikus indoklás szerint savas pH-n a hidroxilcsoportokat a pozitív töltésű H₃O⁺ védi a gyökös oxidációtól, míg lúgos körülmények között a fenolát ionok növelik az oxidációra és a fenoxi gyök képződésre való hajlamot, a közegben lévő oxigén pedig elősegíti a degradációhoz vezető gyökös reakciókat.[12]

Független termikus stabilitási kísérletek vizes oldatban (19 mg·L⁻¹) nem mutatnak jelentős spektrális változásokat 30 perc után 70 °C-ig, míg a magasabb hőmérsékletek az abszorbancia általános csökkenéséhez vezetnek 304 nm-en és a 270–350 nm tartományban, ami termikusan indukált roncsolódást jelez hidrotermális körülmények között.[30]

Ezen hidrotermális kísérletek mechanisztikus értelmezése a kettős kötés oxidatív felhasadását és fenol-tartalmú degradációs termékek, például hidroxi-aldehidek, alkoholok és hidroxisavak képződését feltételezi; az FTIR sávokat pedig az aldehid- és karbonsavképződéssel összhangban lévőnek értelmezik 100–120 °C-on.[30]

Tabletta mátrixokban a resveratrol degradációja elsőrendű monoexponenciális kinetikát követ, k-értékei 0.07140, 0.1937 és 0.231 hónap⁻¹ 25, 30 és 40 °C-on, de az ln(k) vs. 1/T összefüggés nemlineáris és super-Arrhenius kategóriába sorolható; a szerzők lehetséges másodlagos reakciókat, többszörös reakcióutakat vagy magasabb hőmérsékleten fellépő mátrixhatásokat feltételeznek.[7]

Ugyanez a munka hangsúlyozza, hogy az Arrhenius-extrapoláció nem mindig teszi lehetővé a resveratrol degradációs kinetikájának meghatározását étrend-kiegészítőkben, és hogy a gyorsított vizsgálatok hibás becslésekhez, többek között a degradáció túlbecsüléséhez vezethetnek.[7]

Száraz rendszerekben lévő sztilbénszerű fenolos vegyületek esetében a termikus kezelések, mint például a gőzsterilizálás 121 °C-on 20 percig, mérhető veszteségeket okoznak (pl. a pinosylvin csúcsterülete 20.98%-kal csökkent), a 105 °C-os, 24 órás kemencés szárítás pedig >50%-os csökkenést eredményez több fenolos vegyület csúcsterületében, miközben a TGA ~200 °C feletti bomláskezdő hőmérsékletet jelez a pinosylvin rendszereknél.[31]

4.3 Flavonoidok

A flavonoidok több útvonalon zajló degradációs érzékenységet mutatnak, amelyet a pH, a hőmérséklet, az oxigén és a formulációs kölcsönhatások, például a fehérjekötődés befolyásolnak; DSC/TGA termikus viselkedésük pedig az egyszerű olvadás helyett egymást átfedő bomlást és lágyulást foglalhat magában.[9, 22, 24]

Pufferoldatokban a közeg pH-jának 6.0-ról 7.5-re történő emelése a fisetin és a quercetin degradációs sebességi konstansait 24-szeresére, illetve 12-szeresére növeli (pl. fisetin k 8.30×10⁻³-ról 0.202 h⁻¹-ra; quercetin k 2.81×10⁻²-ről 0.375 h⁻¹-ra), a hőmérséklet 37 °C fölé emelése pedig jelentősen növeli a k-t (pl. fisetin k 0.490 h⁻¹ 65 °C-on; quercetin k 1.42 h⁻¹ 65 °C-on).[24]

A fehérje társösszetevők mérsékelhetik a degradációt: fehérje hozzáadásával a mért k-értékek csökkennek, beleértve a fisetin k csökkenését 3.58×10⁻²-ről egészen 1.76×10⁻² h⁻¹-ig, és a quercetin k csökkenését 7.99×10⁻²-ről egészen 3.80×10⁻² h⁻¹-ig.[24]

Mechanisztikusan a flavonoidok kémiai instabilitását a hidroxilcsoportoknak és az instabil piron szerkezetnek tulajdonítják; a fehérjék általi stabilizációt pedig főként hidrofób kölcsönhatásoknak tulajdonítják (az SDS megzavarja a stabilizációt), hangsúlyozva, hogy a hidrogénkötés-hozzájárulások jövőbeni kvantitatív vizsgálatokat igényelnek.[24]

A 90 °C-on, semlegesség közeli állapotban lévő quercetin esetében a degradációs kinetika erős pH-hatást mutat: a k megközelítőleg ötszörösére nő pH 6.5-ről 7.5-re, és oxidációs köztestermékek, például quercetin quinone mutathatók ki; a tipikus végtermékek közé tartozik a protocatechuic acid (PCA) és a phloroglucinol carboxylic acid (PGCA).[22]

A mechanisztikus leírás az első mérhető veszteséget 370 nm-en a quercetin quinone-ná történő átalakulásának tulajdonítja, és azt sugallja, hogy a kinonváz felhasadása egyszerűbb, korlátozott abszorbanciájú fenolos vegyületeket eredményez, miközben a lúgos deprotonáció felgyorsítja a C-gyűrűt és a B-gyűrű o-difenol szerkezetét érintő oxidációt.[22]

Magas hőmérsékletű rendszerekben (150 °C) a quercetin degradációja és oxidációja gyorsan halad előre: a jelentett sebességi konstansok 0.253 h⁻¹ nitrogénben és 0.868 h⁻¹ oxigénben, valamint erős gyorsulás (7.17 h⁻¹) tapasztalható oxigén és cholesterol együttes jelenlétében; kísérletileg a quercetin vesztesége a 10. percben 7.9%-ról (N₂) 20.4%-ra (O₂) nő, míg cholesterol + oxigén jelenlétében a quercetin maradéka 10.9%-ra csökken 10 perc után.[26]

A termikus elemzés továbbá jelzi, hogy a quercetin egy kis endoterm csúcsot mutat a 90–135 °C tartományban, ami kismértékű tömegvesztéssel jár (0.86 ± 0.33 tömeg%), a bomlás 230 °C-on indul meg, és egy prominens DSC endoterm 303 °C-on átfedi a bomlást; érvelésük szerint a hidrogénkötés egyszerre gátolja az olvadásszerű viselkedést és segíti elő a bomlást a kémiai kötések gyengítésével.[9]

A rutin (egy quercetin glikozid) és zsírsav-észterei esetében a TGA azt jelzi, hogy a rutin 240 °C-ig termikusan stabil, míg az észterek alacsonyabb kezdeti degradációs hőmérsékletet (217–220 °C) és nagyobb tömegvesztést mutatnak egy fő szakaszban; az aktiválási energiák pedig a konverzió mértékével 65 és 246 kJ·mol⁻¹ között változnak.[8]

4.4 Kurkuminoidok

A curcumin degradációja erősen pH-függő, és számos vizes körülmény között oxidatív útvonalakat foglal magában, miközben a termikus bomlás és a formulációs kölcsönhatások eltolhatják a degradáció kezdetét és a látszólagos kinetikai paramétereket.[10, 18, 32]

Puffer/metanol elegyekben 37 °C-on a curcumin degradációja az adatok szerint elsőrendű kinetikát követ, a k_obs drasztikusan nő a pH emelkedésével (pl. 3.2×10⁻³ h⁻¹ pH 7.0-nél vs. 693×10⁻³ h⁻¹ pH 12.0-nél), miközben pH 5.0-nél a curcumin stabilnak bizonyult a jelentett kísérletekben.[10]

pH 8.0-nál az Arrhenius-analízis (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹ értéket ad, a vizes pufferre való extrapoláció pedig gyors veszteséget sugall oxidáló körülmények között (k_obs 280×10⁻³ h⁻¹, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]

A micellás nanoformulációk drasztikusan lassítják a degradációt: polimer micellákban és Triton X-100 micellákban pH 8.0-nál és 37 °C-on a jelentett k_obs értékek 0.9×10⁻³ és 0.6×10⁻³ h⁻¹-ra csökkennek, 777 ± 87 h és 1100 ± 95 h felezési időkkel, amelyek a kijelentés szerint ~300–500-szor magasabbak, mint a szabad curcuminé vizes pufferben.[10]

Mechanisztikusan a vizsgált munka azzal érvel, hogy a curcumin degradációja nem hidrolitikus lánchasadáson keresztül megy végbe, hanem oxidáció útján, amelynek végterméke egy bicyclopentadione; 1 mol curcumin degradációja 1 mol O₂ fogyasztásával jár, az első lépés pedig a hidroxilcsoportok deprotonálódása pH 7.0 felett.[10]

Egy különálló GI-releváns stabilitási tanulmány látszólagos elsőrendű kinetikáról számol be nagy linearitással (r² > 0.95), és aktiválási energiákat (kcal·mol⁻¹-ban) ad meg, amelyek a közeggel változnak (magasabb pH 7.4-nél, mint 0.1 N HCl-ben), és arról számol be, hogy 12 óra után 37 °C-on több mint 80% maradt 0.1 N HCl-ben, de csak 57% és 47% maradt pH 6.8, illetve 7.4 foszfátpufferben.[11]

Magas hőmérsékleten (180 °C) a pörkölési kísérletek extrém termolabilitást mutatnak: a kezdeti curcumin mindössze 30%-a marad meg 5 perc után; a mechanisztikus interpretáció pedig az oxidatív hasadást ferulic acid köztestermék képződéséhez és egy dekarboxilezési lépéshez köti, amelyet a levegővel való érintkezés és a magasabb hőmérséklet felgyorsít.[33]

A curcumin és curcumin-tartalmú polimer rendszerek nitrogén alatti termikus bomlási tanulmányai összetett viselkedést mutatnak: a nyers curcumin bomlása 240 °C körül kezdődik, míg a curcumin beépítése PGA/PCL keverékekbe a PGA degradációs maximumát alacsonyabb hőmérsékletre tolja el (pl. 372 °C-ról a tiszta keverék esetében 327 °C-ra 5% curcumin mellett), ami azt jelenti, hogy a curcumin beépítése csökkentheti a mátrix termikus stabilitását.[18]

Ugyanez a polimer-központú tanulmány ezeket az eredményeket a gyártási relevanciával kapcsolja össze, kijelentve, hogy az olvadékállapotú feldolgozás során garantálni kell mind a polimer mátrix kémiai stabilitását, mind a beépített gyógyszerek biológiai aktivitását, és a curcuminnal készült PGA vagy PGA/PCL keverékek feldolgozását a lehető legalacsonyabb hőmérsékleten kell végezni a PGA degradációjának megelőzése érdekében.[18]

A curcumin stabilizálását nagy nyíróerejű emulgeálás során szintén kvantifikálták Pickering emulziókban, amelyeket nagy nyíróerejű keverővel készítettek 22,000 rpm-nél 2 percig: a sötétben, 20 °C-on történő tárolás azt mutatja, hogy egy nem enkapszulált curcumin-olaj keverékben a curcumin megközelítőleg fele lebomlik 6 nap után, és csak 20% marad 16 nap után, míg egy Pickering emulziós rendszer ~50%-ot őriz meg 16 nap után, és a felezési időt 13 napról 28 napra növeli.[1]

UV sugárzás alatt (6 W, 365 nm) ugyanez a rendszer ~50% degradációt mutat 9 óra után, és mindössze 20% marad 24 óra után az olajkeverék esetében, míg a Pickering emulzió ~70%-ot őriz meg 9 óra után és ~45%-ot 24 óra után, a felezési időt pedig ~13 óráról ~27 órára növeli az 50%-os veszteséghez.[1]

4.5 Összefoglaló táblázat

Az alábbi táblázat összefoglalja a különböző vegyületcsoportoknál jelentett reprezentatív kinetikai és termodinamikai paramétereket, hangsúlyozva a folyamatmodellezéshez legközvetlenebbül felhasználható értékeket.

5. Nagy nyíróerejű gyártási egységműveletek

A nagy nyíróerejű gyártás a termolabilis vegyületeket olyan mechanikai stresszhatásoknak teszi ki, amelyek növelhetik a hőmérsékletet, az oxigénátadást és a határfelületi területet, ezáltal befolyásolva mind a reakciókinetikát, mind a domináns mechanizmusokat, különösen az oxigén- és pH-érzékeny bioaktív anyagok esetében.[13, 14, 17]

5.1 Olvadékfeldolgozás

Az olvadékállapotú feldolgozást a polimer-gyógyszer rendszereknél olyan forgatókönyvként emelik ki, ahol mind a polimer stabilitását, mind a gyógyszer aktivitását meg kell őrizni, és kifejezetten kijelentik, hogy az olvadékállapotú feldolgozás feltételezi, hogy a polimer mátrix kémiai stabilitása és a beépített gyógyszerek biológiai aktivitása garantált legyen.[18]

A PGA/PCL–curcumin rendszerben a curcumin beépítése hátrányosan befolyásolja a PGA termikus stabilitását, és a szerzők javasolják a feldolgozást a lehető legalacsonyabb hőmérsékleten a PGA degradációjának megelőzése érdekében, összekapcsolva a termikus stabilitás jellemzését a folyamattervezéssel.[18]

5.2 Nagynyomású homogenizálás és mikrofluidizálás

A nagynyomású homogenizálás a folyadékokat nagy mechanikai stressznek teszi ki, amikor azok egy szűk szeleprésen áramlanak keresztül; a furatnál a folyadék nyíróhatásnak van kitéve, és további jelenségek, mint a kavitáció, a turbulencia, az ütközés és a becsapódás járulnak hozzá a nyíróhatásokhoz.[14]

A HPH több mint 100 MPa emelt nyomáson működik, és akár 400 MPa nyomást is generálhat; az alkalmazott nyomást, a ciklusok/menetek számát és a belépő hőmérsékletet kulcsfontosságú tényezőként írják le, amelyek befolyásolják a fitokemikáliák kinyerhetőségét és stabilitását.[14]

Kvantitatívan a HPH-áttekintés példákat mutat be az összetétel változásaira, mint például az L-ascorbic acid fokozatos csökkenése (1.7%, 4.6%, 10.7%) 100, 200, 300 MPa nyomáson, valamint a polifenol-csökkenés (pl. 10.6%, 6.0%, 1.4%) almalében 100, 200, 300 MPa-nál, illusztrálva, hogy a nyomásszint korrelálhat az oxidáció-érzékeny vegyületek veszteségével a mátrixtól és az enzimaktivitástól függően.[14]

A formulációs skálán a mikrofluidizálás stabil emulziókat eredményezhet a fenolos vegyületek számszerűsített megőrzésével: W/O/W emulziók esetében az optimális mikrofluidizáló körülményeket 148 MPa-ban és hét ciklusban határozták meg, ami 105.3 ± 3.2 nm-es cseppeket és 0.233 ± 0.020 PDI-t eredményezett, és 35 nap után a fenolos vegyületek megőrzése 68.6% volt, az antioxidáns aktivitás megőrzése pedig 89.5%.[2]

Egy különálló enkapszulációs tanulmány kombinált nagy nyíróerejű és mikrofluidizálási megközelítésről számol be: a liposzómás diszperziókat 9500 rpm-nél homogenizálták 10 percig, majd ötször engedték át egy mikrofluidizálón 25,000 psi nyomáson a porlasztva szárítás előtt, bizonyítva, hogy az iparilag reális sorozatok kombinálhatják a nyírást és a későbbi termikus szárítást.[3]

Az ultra-nagynyomású homogenizálási (UHPH) áttekintések a szelepen belüli extrém nyírást és hatásokat hangsúlyozzák, olyan jelentett körülményekkel, mint a több mint 200 MPa-val (jellemzően 300 MPa) pumpált folyadékok és a kevesebb mint 0.2 s tartózkodási idő a szelepnél Mach 3 sebességgel, mikroorganizmusok, kolloidok és biopolimerek 100–500 nm-es nanofragmentációjával.[34]

5.3 Nagy nyíróerejű keverés

A nagy nyíróerejű keverést gyakran előemulgeálási vagy diszpergálási lépésként használják, és maga is jelentős hőmérséklet-emelkedést és oxidatív környezetet generálhat, ezáltal befolyásolva a degradációt már a downstream műveletek előtt.[13]

Egy italszimulációban a 10 perces nagy nyíróerejű homogenizálás növekvő fordulatszámon megemelte a kilépő hőmérsékletet (4.1 ± 0.7 °C-ról 0 rpm-nél 41 ± 1.2 °C-ra 20,000 rpm-nél), és jelentős ascorbic-acid-veszteséggel (42.6%-os csökkenés 20,000 rpm-nél) járt együtt.[13]

Egy curcumin Pickering emulziós rendszerben 22,000 rpm-nél végzett 2 perces nagy nyíróerejű keverést alkalmaztak az emulziók kialakításához, ami után a stabilitás javulását lassabb degradációval és meghosszabbított felezési idővel kvantifikálták mind tárolási, mind UV-stressz alatt, összekapcsolva a nagy nyíróerejű határfelületi strukturálást a kémiai stabilitási eredményekkel.[1]

5.4 Mechanokémiai őrlés

A mechanokémiai feldolgozás (pl. golyós őrlés) amorf szilárd diszperziókat hozhat létre, és megváltoztathatja a stabilitást a szilárd fázisú forma módosításával, molekuláris szintű keveréssel és erős intermolekuláris kölcsönhatások, például hidrogénkötések kialakításával.[15]

A fisetin ASD-k és inklúziók esetében az őrlést szobahőmérsékleten, 30 Hz frekvencián és 20 percig végezték, majd ezt követően TG/DSC elemzést végeztek nitrogén alatt a termikus stabilitás és a Tg viselkedés számszerűsítésére.[15]

5.5 Porlasztva szárítás

A porlasztva szárítást a szárított növényi kivonatok előállításának egyik leggyakrabban használt technikájaként írják le, és megállapítják, hogy a porlasztva szárítás során fellépő magas hőmérséklet potenciálisan káros hatással lehet a termolabilis (poli)fenolokra.[3, 20]

Egy polifenol enkapszulációs tanulmányban a porlasztva szárítást 150 ± 5 °C-os belépő levegőhőmérséklettel és 90 ± 5 °C-os kilépő hőmérséklettel végezték; a szerzők szerint a (poli)fenolok mennyisége csökkent a porlasztva szárítás során tapasztalt oxigén- és hőexpozíció miatt, ami az enkapszulációt indokolja a funkcionális tulajdonságok megőrzése érdekében.[3]

Egy kivonat-preformulációs tanulmányban a porlasztva szárító folyamatparamétereit (belépő hőmérséklet, tápanyag-áramlási sebesség, kolloid szilícium-dioxid arány) értékelték, és Arrhenius-módszereket alkalmaztak a bomlás kinetikai paramétereinek meghatározására, beleértve a reakciórendet, a lebomlott frakció idejét és a sebességi konstanst.[20]

5.6 Összefoglaló táblázat

Az alábbi táblázat összefoglalja a nagy nyírást és/vagy intenzív hőexpozíciót alkalmazó egységműveleteknél jelentett stresszprofilokat és példaként szolgáló kvantitatív hatásokat.

6. Integrált stabilitás–folyamat modellek

A vizsgált források építőköveket szolgáltatnak egy integrált prediktív keretrendszerhez, amelyben a stabilitási eredményeket az egységműveleti termikus előzményekből és a fizikai-kémiai mikrokörnyezetekből (pH, oxigén, vízaktivitás) számítják ki, tiszteletben tartva a termodinamikai átalakulási küszöböket.[4, 14]

6.1 Idő–hőmérséklet–nyírás feltérképezés

Egy gyakorlati feltérképezési megközelítés alkalmazhatja a kinetikát (k, (E_a), felezési idő) a mért vagy következtetett egységműveleti idő-hőmérséklet profilokkal együtt a várható konverzió kiszámításához, miközben az állapotátmeneti küszöböket (Tg, olvadás kezdete, bomlás kezdete) olyan határokként használja, amelyek megváltoztathatják a mechanizmusokat vagy növelhetik a sebességeket.[4, 15]

Például az NRCl-re vonatkozó pszeudo-elsőrendű oldatfázisú modell paraméterezhető az Arrhenius aktiválási energiákkal (75.4–82.8 kJ·mol−1) és azon megfigyeléssel, hogy a 10 °C-os emelkedés megközelítőleg megduplázza a k_obs értéket, lehetővé téve a validált pufferkísérletekből való átültetést a gyártás során fellépő rövid termikus kilengésekre.[4]

A curcumin esetében a hőmérsékleti érzékenység paraméterezhető az (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 értékkel pH 8.0-nál, valamint a k_obs pH-tól való erős függésével, amelyek együttesen lehetővé teszik a veszteségek előrejelzését a vizes várakozási idők vagy a melegített emulgeálási lépések során, ahol a helyi pH semleges-bázikus.[10]

A trans-resveratrol esetében a pH-vezérelt felezési idő összeomlása (több száz napról percekre a pH emelkedésével) azt jelenti, hogy a feldolgozás során a stabilitási eredményeket inkább a mikrokörnyezeti pH, semmint az ömlesztett hőmérséklet uralhatja, és a pH 7.4-nél végzett Arrhenius-modellezés használható a mérsékelt hőmérsékletű expozíciókhoz (E_a)=84.7 kJ·mol−1 mellett.[12]

6.2 QbD és tervezési tér

A Quality-by-Design értelmezést olyan tanulmányok támogatják, amelyek explicit módon értékelik, hogyan változtatják meg a folyamatparaméterek és a formulációs mátrixok a degradációs mechanizmusokat, beleértve azokat a megállapításokat, miszerint a gyorsított vizsgálatok nem képesek megjósolni az eltarthatóságot nem-Arrhenius viselkedés vagy mátrixhatások fellépése esetén.[7, 29]

A resveratrol tabletták esetében az a következtetés, miszerint az Arrhenius-megközelítések túlbecsülhetik a degradációt a gyorsított vizsgálatokban, arra sarkall, hogy a tervezési tereket mechanisztikus megértés és többhőmérsékletű adatok alapján határozzák meg, ne pedig egyetlen gyorsított körülmény alapján.[7, 29]

A porlasztva szárított flavonoid marker rendszerek esetében kifejezetten jelentették, hogy a segédanyagok befolyásolják a kinetikai rendet és a lebomlott frakció idejét, jelezve, hogy a formuláció összetétele a stabilitási tervezési tér része, nem pedig fix háttér.[20]

6.3 PAT és analitikai specificitás

A pontos folyamatmonitorozáshoz analitikai specificitásra van szükség, mivel a degradációs termékek megzavarhatják az egyszerűbb spektroszkópiai vizsgálatokat, különösen a polifenolok esetében.[12]

A trans-resveratrol esetében a HPLC és UPLC specificitását megerősítettnek jelentették, miközben az UV/VIS spektroszkópia hamisabb, magasabb trans-resveratrol koncentrációkat eredményezett olyan körülmények között, ahol az nem volt stabil (lúgos pH, fény, emelt hőmérséklet), hangsúlyozva a stabilitást jelző módszerek szükségességét a folyamatanalitikában (PAT).[12]

7. Mérséklő stratégiák

A vizsgált forrásokban szereplő mérséklő megközelítések hangsúlyozzák az ismert gyorsító tényezőknek (hő, oxigén, magas pH, UV) való kitettség korlátozását, valamint olyan formulációs architektúrák alkalmazását, amelyek csökkentik a molekuláris mobilitást, védik a határfelületeket, vagy a hatóanyagot kevésbé reaktív mikrokörnyezetbe helyezik.[10, 13, 17]

7.1 Enkapszuláció és diszperziók

A micellás vagy részecskés rendszerekben történő enkapszuláció jelentősen stabilizálhatja a termolabilis vegyületeket azáltal, hogy korlátozza a vízzel, oxigénnel és reaktív részecskékkel való érintkezést, valamint megváltoztatja a kulcsfontosságú funkciós csoportok sav-bázis hozzáférhetőségét.[1, 10]

A curcumin esetében a micellás szolubilizálás a k_obs értéket 0.6–0.9×10−3 h−1-ra csökkenti, a felezési időt pedig 777–1100 órára növeli; ezt a stabilizálást a hidroxilcsoportok deprotonálódásának megakadályozásának tulajdonítják a hidrofób micellamagban, amelyet a degradáció első lépéseként írnak le.[10]

A Pickering emulziók fizikai gátat képeznek: a határfelületen lévő sűrű fizikai gát jelenléte gátolja a curcumin degradációját, és kvantitatívan a gátképző rendszer a tárolási felezési időt 13 napról 28 napra, az UV felezési időt pedig ~13 óráról ~27 órára növeli.[1]

A ciklodextrin-alapú hordozórendszerek egy másik stratégiát kínálnak: a resveratrol–β-cyclodextrin klatrátok termikus eseményeket mutatnak, beleértve az 50 °C körüli vízkilépést és a magasabb hőmérsékletű degradációs eseményeket, a kötési szabadenergiák pedig (pl. −86 kJ·mol−1 MM/PBSA módszerrel) erős inklúziós kölcsönhatásokat számszerűsítenek.[25]

A resveratrol nanoszivacs-enkapszulációja megszünteti annak DSC olvadási endotermjét és fényvédelmet biztosít: a szabad resveratrol 15 percen belül 59.7% degradációt mutat UV-expozíció alatt, míg a resveratrol nanoszivacsok megközelítőleg kétszeres védelmet nyújtanak, összhangban azzal, hogy az enkapszuláció megakadályozza a közvetlen UV-expozíciót.[16]

Az amorf szilárd diszperziók mechanokémiai őrléssel alakíthatók ki; a fisetin és az Eudragit® észtercsoportok közötti hidrogénkötést kifejezetten azonosították, mechanisztikus alapot szolgáltatva a miscibilitáshoz és a módosult Tg-hez, ami stabilizálhat a kioldódási viselkedés kristályosodásfüggő változásaival szemben.[15]

Segédanyag- és hordozóválasztás

A segédanyagok megválasztása megváltoztathatja a kinetikai mechanizmusokat és a stabilitási eredményeket, amint azt a porlasztva szárított növényi kivonat rendszereknél jelentették, ahol a reakciórend és a lebomlott frakció ideje segédanyag-keverékenként eltér, jelezve a segédanyag-függő degradációs kinetikát.[20]

A fehérje társösszetevők hidrofób kölcsönhatások révén stabilizálhatják a flavonoidokat, csökkentve a fisetin és a quercetin k-értékeit; ezen kölcsönhatások SDS általi megzavarása pedig alátámasztja azt az értelmezést, miszerint a hidrofób kötődés kulcsfontosságú stabilizáló mechanizmus.[24]

Folyamatmérnöki szabályozás

A hőexpozíciót és az oxigénnel való érintkezést csökkentő folyamatszabályozást több adatsor is közvetlenül támogatja.[5, 18]

Az NRCl esetében a DSC/qNMR bizonyítékok azt mutatják, hogy az olvadáskezdeti tartomány (~120–130 °C) túllépése rendkívül gyors degradációt eredményezhet, alátámasztva a hőmérsékletre és a tartózkodási időre vonatkozó szigorú felső korlátokat a fűtött szilárd fázisú műveletekben.[4]

Az NRH esetében a levegő és az N₂ alatti 25 °C-os felezési idő közötti különbség azt jelenti, hogy az inertizálás és az oxigén kizárása jelentős lehet; a szerzők arról számoltak be, hogy az N₂ takaró alatt 4 °C-on tartott minták 60 nap után nem mutatnak kimutatható degradációt, míg a levegőn 4 °C-on tartott minták ~10% degradációt mutatnak.[5]

A nagy nyíróerejű homogenizálásnál az a közvetlen megfigyelés, hogy az rpm növelése növeli a kilépő hőmérsékletet és az oxidáció-érzékeny ascorbic acid magasabb veszteségével jár együtt, támogatja azokat a mérnöki intézkedéseket, amelyek korlátozzák a nyírás által kiváltott felmelegedést (pl. hűtőköpenyek, rövidebb keverési idők, szakaszos adagolás).[13]

A porlasztva szárításnál az az állítás, miszerint az oxigén- és hőexpozíció csökkenti a (poli)fenolokat, és a magas hőmérséklet káros lehet a termolabilis fenolokra, alátámasztja az olyan döntéseket, mint a kilépő hőmérséklet csökkentése, ahol lehetséges, valamint az enkapszuláció alkalmazása az oxidáció és a hőérzékenység csökkentésére.[3]

Antioxidánsok és oxigénkezelés

Az antioxidáns és oxigénkezelési stratégiákat mechanisztikusan alátámasztják a polifenol adatsorok.[12, 22]

A 90 °C-on vizsgált quercetin esetében az antioxidánsok, mint például a cysteine, csökkentik a k-t; 200 μmol·L−1 cysteine a kontrollhoz képest ~43%-os k-csökkenést eredményez, a mechanisztikus interpretáció pedig a quercetin quinone stabilizálását és a gyökfogó hatásokat veszi figyelembe.[22]

A trans-resveratrol esetében kifejezetten jelentették, hogy az oxigén elősegíti a degradációhoz vezető gyökös reakciókat, alátámasztva az inert feldolgozási atmoszférákat vagy az oxigéngátakat, ahol ez megvalósítható a lúgos/semleges vizes feldolgozás során.[12]

A liposzómás rendszerekben a resveratrol a jelentések szerint korlátozza a stigmasterol oxidációját a szabad gyökök semlegesítésével, és beépül a lipid kettősrétegekbe, növelve a merevséget és csökkentve az oxigénnel és az oxidálószerekkel szembeni permeabilitást, ezáltal fokozva a rendszer termikus és oxidatív stabilitását.[35]

Diszkusszió

Az itt szintetizált bizonyítékbázisban a legerősebb kvantitatív minta az, hogy a kémiai mikrokörnyezet (pH, oxigén, víz jelenléte) még mérsékelt hőmérsékleten is uralhatja a stabilitási eredményeket, és hogy több bioaktív anyag éles stabilitási diskontinuitást mutat specifikus termikus átalakulási küszöböknél.[4, 5, 12]

A NAD⁺ prekurzorok esetében az NRCl adatsor kettős rezsimet emel ki: vizes oldatban a pszeudo-elsőrendű hidrolízis Arrhenius aktiválási energiákkal és 10 °C-onként körülbelül kétszeres sebességnövekedéssel modellezhető, míg szilárd állapotban a 120–130 °C körüli szűk tartomány az olvadásnak felel meg, amelyet azonnal gyors bomlás követ.[4]

A resveratrol esetében a domináns folyamatkockázat a pH-érzékenységből adódik: a felezési idő a savas pH-n mért hosszú időtartamokról percekre omlik össze magas pH-n, miközben az oxigén elősegíti a gyökös reakciókat, jelezve, hogy az oxigénátadást és a helyi lúgosságot növelő nagy nyíróerejű műveletek aránytalanul károsak lehetnek még akkor is, ha az ömlesztett hőmérséklet mérsékelt marad.[12]

A flavonoidok esetében a kinon köztestermékeken keresztüli oxidáció és a pH-függő deprotonációs mechanizmusok (quercetin) kombinálódnak a magas hőmérsékletű oxidációval és a gyökös lánckapcsolódással (pl. oxigén plusz cholesterol), ami azt sugallja, hogy a lipid-tartalmú formulációk és az oxigénexpozíció erősen felerősítheti az oxidatív veszteségi útvonalakat.[22, 26]

A curcumin esetében mechanisztikus feszültség feszül a hidrolízis-vezérelt leírások (egyes GI-puffer munkákban) és az autooxidáció-vezérelt leírások (micella-fókuszú munkákban) között, de mindkettő megegyezik az erős pH-hatásban, valamint a hidrofób mikrokörnyezetek és az oxigénkorlátozás védő szerepében.[11, 32]

Az egységműveleti szinten a nagy nyíróerejű folyamatok elsősorban közvetett gyorsítóként hathatnak a hőtermelés és az oxidatív hajlam növelése révén; ez közvetlenül bebizonyosodott a nagy nyíróerejű homogenizálásnál, ahol a fordulatszám növeli a kilépő hőmérsékletet és egybeesik az ascorbic acid oxidatív veszteségével.[13]

A HPH/UHPH további összetettséget hoz be, mivel a szeleptartomány extrém nyírást, kavitációt és turbulenciát okoz, és magas helyi hőmérsékleteket generálhat, bár a tartózkodási idők nagyon rövidek lehetnek (pl. <0.2 s az UHPH leírásokban), ami azt jelenti, hogy a kémiai eredmények attól függhetnek, hogy a degradációt gyors gyökös folyamatok, diffúzió-korlátozott lépések vagy lassabb termikus aktiválási lépések vezérlik-e.[14, 34]

Végül több forrás kiemeli, hogy a stabilitásmodellezést mechanisztikusan validálni kell a releváns mátrixban: a resveratrol tabletta adatai nem-Arrhenius viselkedést és mátrixhatásokat mutatnak, amelyek korlátozzák az általános Arrhenius-extrapolációt a gyorsított vizsgálatokból, a porlasztva szárított növényi kivonat markerek pedig segédanyag-függő kinetikai rendet és lebomlott frakció időket mutatnak.[7, 20]

Következtetések

A kvantitatív termodinamikai átalakulási markerek (DSC/TGA) és a degradációs kinetika (k, t_(1/2), (E_a), konverziófüggő aktiválási energiák) folyamatreleváns alapot szolgáltatnak a termolabilis longevity-vegyületek és a kapcsolódó bioaktív anyagok potenciáját megőrző gyártási körülmények tervezéséhez.[4, 8, 9]

A NAD⁺ prekurzorok esetében az NRCl szűk termikus feldolgozási ablakot mutat az olvadás közelében, amit gyors bomlás követ, míg a vizes kinetika pH-függő pszeudo-elsőrendű viselkedést mutat 75–83 kJ·mol−1 aktiválási energiával, ami paraméterezheti a termikus expozíciós modelleket.[4]

A resveratrol esetében a pH és az oxigén a meghatározó változók; a felezési idő a savas pH-n mért több száz napról percekre omlik össze magas pH-n, és a formulációs mátrixok nem-Arrhenius viselkedést produkálhatnak, ami megnehezíti a gyorsított vizsgálatok extrapolációját.[7, 12]

A flavonoidok és kurkuminoidok esetében az oxidációs útvonalak (kinon köztestermékek a quercetin-nél; autooxidáció a curcumin-nál) oxigénkontrollt és hidrofób enkapszulációs stratégiákat indokolnak, amelyekről kvantitatívan kimutatták, hogy a micellás rendszerekben nagyságrendekkel, a nagy nyíróerejű keveréssel előállított Pickering emulziókban pedig jelentősen meghosszabbítják a felezési időt.[1, 10, 22, 32]

A nagy nyíróerejű egységműveletek esetében a rendelkezésre álló bizonyítékok azt mutatják, hogy a nyírás megemelheti a hőmérsékletet és elősegítheti az oxidációt (nagy nyíróerejű keverés), a szelep-alapú nagynyomású folyamatok pedig extrém nyírást és kavitációt generálnak, ahol a nyomás, a menetszám és a belépő hőmérséklet a kulcsfontosságú stresszváltozók; ezek a felismerések támogatják az idő–hőmérséklet–nyírás feltérképezés és a stabilitást jelző analitikát használó PAT alkalmazását.[12–14]

Összeférhetetlenség

A szerzők kijelentik, hogy nem áll fenn összeférhetetlenség.[20]