Absztrakt
A termolábilis longevity-asszociált vegyületek és polifenolos bioaktív anyagok a gyártás során (pl. nagy nyírású keverés, nagynyomású homogenizálás és porlasztva szárítás közben) gyakran vannak kitéve kapcsolt termikus, oxidatív, pH- és mechanikai stresszhatásoknak, amelyek felgyorsíthatják a kémiai degradációt és csökkenthetik a leadott potenciát. Ezért kvantitatív, folyamatreleváns stabilitási paraméterek szükségesek a gyártható tervezési terek meghatározásához és a védő formulálási stratégiák irányításához.[1–3]
A jelen szintézisben alkalmazott módszerek olyan tanulmányokból kinyert kvantitatív bizonyítékokra fókuszálnak, amelyek beszámolnak (i) DSC/TGA segítségével meghatározott termodinamikai/termikus átmenetekről (olvadás, bomlás kezdete, üvegesedési átmenetek és többlépcsős tömegvesztési viselkedés) és (ii) degradációs kinetikáról (pszeudo-elsőrendű/elsőrendű modellek, Arrhenius-aktiválási energiák, pH-függőségek és az adott frakció lebomlásáig eltelt idő értékei) a NAD⁺ precursors (NR/NRH/NMN), stilbenoids (resveratrol-related systems), flavonoids (quercetin, fisetin, rutin/esters) és curcuminoids 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) 120.7 ± 0.3 °C-on mutat olvadáskezdetet, amelyet gyors olvadás utáni bomlás követ (pl. qNMR-rel mérve 98% degradáció 130 °C-on), miközben a vizes közegű 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 (pl. a felezési idő a pH 1.2-nél mért 329 napról pH 10-nél 3.3 percre csökken), és a gyorsított vizsgálatokból származó extrapoláció nem-Arrhenius típusú lehet tablettamátrixokban.[7, 12]
A nagy nyírású műveletek lokális felmelegedést és oxidatív környezetet idézhetnek elő, amint azt a nagy nyírású homogenizálás is példázza, amelynél a kilépő hőmérséklet a forgási sebességgel együtt növekszik, és 20,000 rpm-nél 42.6% ascorbic-acid veszteséggel párosul, valamint a nagynyomású homogenizációs mechanizmusok, amelyek szeleppyírást, kavitációt és turbulenciát foglalnak magukban >100 MPa nyomáson.[13, 14]
A következtetések hangsúlyozzák a termodinamikai átmeneti adatok (DSC/TGA/Tg) és a kinetikai modellek (Arrhenius, nem-Arrhenius és izokonverziós módszerek) integrálását az idő–hőmérséklet–nyírás térképek elkészítéséhez, valamint a hatásmérséklő stratégiák racionális kiválasztásához, beleértve a kapszulázást, az amorf szilárd diszperziókat, a ciklodextrin/nanoszivacs rendszereket, az oxigénkontrollt, valamint a nyírás/hőmérséklet minimalizálását.[15–18]
Kulcsszavak: termolábilis bioaktív anyagok; degradációs kinetika; Arrhenius; DSC; TGA; nagynyomású homogenizálás; porlasztva szárítás; NAD⁺ precursors
1. Bevezetés
A hosszú élettartam szempontjából releváns vegyületeket egyre gyakrabban formulázzák neutraceutikumként, funkcionális élelmiszerként és fejlett hordozórendszerként, ami olyan gyártási eljárásokat tesz szükségessé, amelyek a hatóanyagokat kombinált stresszhatásoknak teszik ki, beleértve a hevítést, az oxigénnel való érintkezést, a vízaktivitást, a pH-ingadozásokat és az intenzív mechanikai energiabevitelt.[3, 5, 14, 19]
A NAD⁺-prekurzor vegyületek esetében a vizes és szilárd fázisú stabilitás kulcsfontosságú, mivel a reakciókészség a glikozidos vagy foszfátkötésű motívumok hidrolízisén keresztül is megnyilvánulhat, valamint mert a feldolgozási hőmérsékletek átléphetik a gyors bomlást megelőző szilárd fázisú átmeneti küszöbértékeket.[4, 6]
A polifenolok és a kapcsolódó növényi hatóanyagok esetében a stabilitási korlátok közé tartozik az autoxidáció, az epimerizáció és a kinonokká történő enzimatikus oxidáció, amelyek a feldolgozás során érzékenyek a hőmérsékletre, a pH-ra, a fémionokra és az oxigén hozzáférhetőségére.[17]
Ennek gyakorlati következménye, hogy a gyártási tervezés nem hagyatkozhat kizárólag a névleges anyaghőmérsékletre; ehelyett integrálnia kell (i) az olyan termodinamikai indikátorokat, mint az üvegesedési átmenet, az olvadás és a bomlás kezdete, valamint (ii) azokat a kinetikai modelleket, amelyek leírják a bomlás időtől, hőmérséklettől, pH-tól, oxigéntől és (ahol mérhető) a mechanikai energiabeviteltől való függőségét.[4, 9, 10, 14, 15]
Ez a tanulmány számszerű bizonyítékokat rendszerez a reprezentatív, hosszú élettartammal kapcsolatos vegyületekre és a kapcsolódó bioaktív anyagokra vonatkozóan, amelyekre a bemutatott források explicit termodinamikai átmeneteket és/vagy kinetikai paramétereket biztosítanak, és összekapcsolja ezeket az adatokat a nagy nyíróerejű alapműveletek – többek között a nagy nyíróerejű keverés, a nagynyomású homogenizálás/mikrofluidizálás, a mechanokémiai őrlés és a porlasztva szárítás – stresszprofiljaival.[1, 14, 15, 20]
2. Termodinamikai keretrendszer
A gyártási környezetben a termodinamikai stabilitást operatívan mérhető termikus események (DSC/TGA) és olyan állapotleírók (pl. amorf vs. kristályos; üvegesedési hőmérséklet) segítségével értékelik, amelyek jelzik, ha egy vegyület vagy készítmény nagyobb molekuláris mobilitású – és ezáltal nagyobb reakciósebességű vagy eltérő mechanizmusú – állapotokba megy át.[4, 9, 15]
2.1 Gibbs-féle szabadenergia és fázisstabilitás
Számos vizsgált forrás explicit módon számítja ki a degradációs folyamatok vagy a termikus bomlás Gibbs-féle szabadenergia-változásait, termodinamikai mértéket biztosítva a folyamatok meghatározott körülmények közötti végbemenetelére.[8, 19]
Az NR borate esetében a degradáció spontaneitását Gibbs-féle szabadenergia-számítással értékelték, a jelentett ΔG érték 2.43 kcal·mol⁻¹ volt.[19]
A rutin és fatty-acid rutin esters esetében pirolitikus körülmények között a ΔG értékek pozitívak voltak (84–245 kJ·mol⁻¹) a pozitív ΔH értékek (60–242 kJ·mol⁻¹) mellett, ami endoterm és nem spontán pirolízisprofilt jelez a bemutatott elemzésben.[8]
A kinetikai formalizmus szempontjából számos forrás alkalmaz átmenetiállapot- és szabadenergia-összefüggéseket is, mint például a használatát a hidrolízis aktivációjának értelmezésére egy curcumin spiroborate komplex rendszerben.[21]
2.2 Üvegesedési átmenet, olvadás és a bomlás kezdete
A DSC és a TGA egymást kiegészítő markereket szolgáltatnak a folyamatkockázatok értékeléséhez: az olvadási vagy lágyulási események hirtelen fokozhatják a diffúziót, és gyors kémiai átalakulást tehetnek lehetővé, a TGA tömegveszteség kezdete pedig az irreverzibilis bomlás kezdetét jelezheti még a látszólagos szilárd állapotban is.[4, 9, 15]
Az NRCl esetében a DSC az olvadás kezdetét 120.7 ± 0.3 °C-nál, az olvadási csúcsot pedig 125.2 ± 0.2 °C-nál mutatja, 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 a felett (7% 120 °C-on; 55% 125 °C-on; 98% 130 °C-on; mindössze 0.45% NR maradékkal 140 °C-on).[4]
Az NMN esetében egy forrás arról számol be, hogy a vegyület tiszta olvadási átmenet mutatása helyett inkább bomlik; a bomlás 160 °C-on kezdődik és 165 °C-ra fejeződik be, egy 162 °C-os endoterm DSC-csúccsal és 184 kJ·mol⁻¹ bomlási entalpiával.[6]
A quercetin esetében a kombinált DSC/TGA értelmezés azt mutatja, hogy egy intenzív DSC endoterm csúcsot (maximuma 303 °C-on) gyakran tévesen az olvadásnak tulajdonítanak, miközben a TGA jelzi, hogy a bomlás 230 °C-on kezdődik, és az endoterm csúcs átfedésben van a folyamatos tömegveszteséggel; a 303 °C-os csúcshoz jelentett „olvadáshő” 69–75 kJ·mol⁻¹.[9]
A fisetin esetében a TGA egy csekély tömegveszteséget (~5%) mutat, amelyet a kristályos mintából származó víz elpárolgásának tulajdonítanak, valamint egy jelentős tömegveszteségi eseményt (~30.6%) 369.6 °C-on, amelyet a molekula bomlásának tulajdonítanak.[15]
Inert nitrogénatmoszférában a curcumin esetében egy tanulmány arról számol be, hogy a nyers curcumin komplex bomlási folyamatot mutat, amely 240 °C körül kezdődik (5%-os tömegveszteség), 347 °C-os DTGA-csúccsal és 600 °C-on 37% visszamaradó anyaggal (10 °C·min⁻¹ sebesség mellett).[18]
2.3 Amorf és kristályos stabilitás
Az amorf készítmények javíthatják az oldhatóságot és a biohasznosulást, de a kristályos formákhoz képest növelve a molekuláris mobilitást, módosíthatják a termikus viselkedést és stabilitást, kritikus stabilitási paraméterré téve az üvegesedési hőmérsékletet (Tg) mint stabilitási paramétert.[15, 16]
A mechanokémiailag előállított fisetin amorf szilárd diszperziók (ASDs) mérhető Tg-értékeket mutatnak a második fűtési ciklus során, és a keverhetőséggel összhangban lévő összetétel-függő Tg-eltolódásokat jeleznek: a nyers Eudragit® L100/EPO Tg-értéke 147.1/55.4 °C, míg a fisetin ASDs olyan Tg-értékeket mutatnak, mint a 144.2/71.8 °C és a 145.9/76.7 °C, a polimertől és a hatóanyag-tartalomtól függően.[15]
A resveratrol és oxyresveratrol nanoszivacsok esetében a DSC azt mutatja, hogy a resveratrol olvadási endoterm csúcsa (266.49 °C) eltűnik a nanoszivacs készítményekben, amit a szerzők a hatóanyag-molekulák nanoszivacs-mátrixon belüli kapszulázásának és esetleges amorfizációjának tulajdonítanak.[16]
A quercetin esetében a feltételezések szerint a hidrogénkötés egyszerre gátolja az olvadásszerű lágyulást és elősegíti a bomlást a kötések gyengítésén keresztül, a kombinált DSC/TGA értelmezés pedig arra a következtetésre jut, hogy 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 bevont források különféle kinetikai modelleket (elsőrendű, pszeudo-elsőrendű, magasabb rendű vagy szigmoid formákat) és hőmérséklet-függési megközelítéseket (Arrhenius-féle és esetenként nem-Arrhenius-féle viselkedést) alkalmaznak, amelyeket gyakran a pH-függés és a komplex, többútvonalas degradáció indokol.[4, 7, 22]
3.1 Reakciórend-modellek
Az oldatfázisú degradáció széles körben alkalmazott bázisvonala az integrált elsőrendű modell, amely több bevont tanulmányban is a koncentráció-idő adatok elsődleges illesztéseként jelenik meg kontrollált pH és hőmérséklet mellett.[4, 11, 12]
Az NRCl esetében pufferelt vizes oldatokban 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 k (h⁻¹) elsőrendű degradációs sebességi állandókként mutatják be, amelyek a pH-val és a hőmérséklettellel erősen növekednek.[24]
A 90 °C-on, közel semleges pH-n (6.5–7.5) lévő quercetin esetében egy szigmoid modellt alkalmaztak és hasonlítottak össze egy elsőrendű modellel, ahol a szigmoid modell 2.3–2.5× magasabb k-értékeket eredményezett, mint az elsőrendű illesztések, valamint eltérő felezésiidő-értelmezést pH 7.5-nél.[22]
A porlasztva szárított növényikivonat-markerek esetében a segédanyag-rendszerektől függően különböző látszólagos reakciórendekről számoltak be, beleértve a kaempferol nulladrendű és másodrendű modelljeit (segédanyag-binárisok mentén), valamint a quercetin másodrendű modelljét a segédanyagok függvényében.[20]
3.2 Arrhenius- és Eyring-féle megközelítések
A hőmérséklet-függést gyakran Arrhenius-típusú kifejezésekkel modellezik, és több forrás kifejezetten aktiválási energiákat számít ki az eltarthatósági előrejelzések és a folyamat során fellépő hőexpozíció paraméterezésére.[4, 10, 12]
Az NRCl vizes oldatban történő degradációjára vonatkozóan az Arrhenius-féle aktiválási energiákat 75.4 (±2.9) kJ·mol⁻¹ értéknek jelentették pH 2.0-nál, 76.9 (±1.1) kJ·mol⁻¹ értéknek pH 5.0-nál, és 82.8 (±4.4) kJ·mol⁻¹ értéknek pH 7.4-nél.[4]
A trans-resveratrol esetében pH 7.4-nél az Arrhenius-elemzést log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) formában adták meg, 84.7 kJ·mol⁻¹ számított aktiválási energiával.[12]
A curcumin esetében puffer/metanol elegyben, pH 8.0-nál az Arrhenius-elemzés 37–60 °C között Ea=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹ értéket eredményez.[10]
A curcumin esetében gasztrointesztinálisan releváns vizes közegekben az Arrhenius-ábrák nagy linearitást mutatnak 37–80 °C között (az r² értékek a különböző közegekre vonatkozóan 0.9967, 0.9994, 0.9886), az aktiválási energiákat pedig 16.46, 12.32 és 9.75 kcal·mol⁻¹ értékként adták meg pH 7.4, pH 6.8, illetve 0.1 N HCl esetében.[11]
Az Eyring-elemzés egy curcumin spiroborate ester (CBS) hidrolitikus bomlási vizsgálatában is megjelenik, ahol a beszámolók szerint az Eyring-ábra lineáris kapcsolatot mutat 0.9988 korrelációval.[21]
3.3 Izokonverziós és modellmentes módszerek
Számos termikus degradációs vizsgálat alkalmaz izokonverziós módszereket (pl. KAS, FWO, Friedman) a konverziófüggő aktiválási energiák kiszámítására, és ezáltal a többlépcsős bomlás és a mechanizmusbeli változások azonosítására.[8, 18, 25]
A rutin és rutin fatty-acid esters esetében az aktiválási energiák jelentősen változnak a konverziós fokkal a 0.05 < α < 0.90 tartományban, a jelentett értékek 65 és 246 kJ·mol⁻¹ között mozognak; a szerzők ezt bizonyítéknak tekintik arra, hogy a termikus degradáció egy nem egyszerű, több szakaszból álló folyamaton keresztül megy végbe.[8]
A resveratrol–β-cyclodextrin clathrates esetében az aktiválási energia növekszik az átalakulási fokkal, a jelentett növekedés 110-ről 130 kJ·mol⁻¹-ra (OFW módszer) és 120-ról 170 kJ·mol⁻¹-ra (Friedman módszer) tehető, amit úgy értelmeznek, mint ami a reakciómechanizmus változását jelzi a bomlás előrehaladtával.[25]
Nitrogén atmoszférában lévő curcumin-loaded polimer rendszerek esetében a többféle megközelítéssel (Kissinger, KAS, Friedman és modellillesztés) származtatott aktiválási energiák nagyságrendileg nagymértékben megegyeznek (pl. 71 ± 5 kJ·mol⁻¹ a Kissinger; 77 ± 2 a KAS; 84 ± 3 a Friedman módszerrel), és a modellválasztás egy F1 kinetikai modellt jelez 73–91 kJ·mol⁻¹ tartományba eső energiákkal.[18]
3.4 Csatolt termo-mechanikai és oxidatív degradáció
A nagy nyíróerejű gyártási műveletek a mechanikai energiadisszipációt lokális felmelegedéssel és fokozott oxigénbevitellel kapcsolhatják össze, ezáltal felerősítve az oxidáció-vezérelt útvonalakat az oxigénérzékeny bioaktív anyagokban.[13, 14, 17]
Egy italrendszer nagy nyíróerejű homogenizálása során a kilépő hőmérséklet jelentősen növekszik a fordulatszámmal (pl. 4.1 ± 0.7 °C-ról 0 rpm-nél 41 ± 1.2 °C-ra 20,000 rpm-nél), és a legnagyobb sebességnél az ascorbic acid tartalom 42.6%-kal csökken, ami összhangban van azzal, hogy a degradációt a magas hőmérséklet és az oxidáció elősegíti.[13]
A nagy nyomású homogenizálás (HPH) során a feldolgozási mechanizmust kifejezetten a szelepnyílásnál fellépő nyírófeszültség-eloszlásnak tulajdonítják, ahol a folyadékáramlás megszakad, valamint olyan 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 kapcsolást a quercetin termikus oxidációs kísérletei is demonstrálják: 150 °C-on a quercetin degradációja gyorsabban megy végbe oxigén, mint nitrogén jelenlétében (0.868 h⁻¹ vs 0.253 h⁻¹ sebességi állandók), és erősen felgyorsul cholesterol és oxigén jelenlétében (7.17 h⁻¹ sebességi állandó), ami összhangban van a cholesterol hydroperoxide képződés és a quercetin degradáció közötti gyöklánc-kapcsolódással.[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 jelenlétében (63 napos felezési idő), összehasonlítva a 5.90×10⁻⁸ s⁻¹ értékkel N₂ alatt (136 napos felezési idő), és a szerzők megállapítják, hogy az NRH oxigén jelenlétében oxidálódhat, savas körülmények között pedig gyorsan hidrolizál.[5]
4. Vegyületcsoportok áttekintése
Az alábbi, vegyületközpontú összegzés olyan kvantifikált kinetikai és termodinamikai paramétereket hangsúlyoz, amelyek közvetlenül felhasználhatók a gyártási modellekben, beleértve az aktiválási energiákat, sebességi állandókat, felezési időket, bomláskezdeteket, valamint az üvegesedési átmenettel vagy olvadással kapcsolatos korlátozásokat.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 NAD⁺-prekurzorok
A NAD⁺-prekurzorok stabilitását erősen meghatározza a hidrolízisre való érzékenység, valamint a bizonyos termikus átmenetekkel szembeni alacsony tolerancia (különösen az NRCl esetében az olvadéktartományban) és az oxigénvezérelt oxidáció (különösen a redukált formák, mint például az NRH esetében).[4, 5]
Az NRCl pszeudo-elsőrendű bomlási kinetikát mutat vizes oldatokban, és a pH függvényében változó aktiválási energiákat (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹) mutat, ami kvantitatívan kifejezi mind a hőérzékenységet, mint a domináns hidrolízis-útvonal pH-függőségét.[4]
Mechanisztikus alapként egy báziskatalizált hidrolízist javasolnak, amelyben az NR mennyisége csökken, miközben nikotinamid (Nam) és cukor halmozódik fel, és olyan anyagmérleg-alapú bizonyítékot mutatnak be, amely szerint minden egyes lebomló NR-molekula után egy Nam-molekula és egy cukormolekula keletkezik.[4]
Szimulált GI-folyadékokban, fiziológiás hőmérsékleten és keverés mellett (USP II lapátos módszer, 75 rpm és 37 °C) az NRCl relatíve csekély rövid távú veszteséget mutat (pl. ~97–99% marad meg 2 óra után gyomorközegben), de mérhető hosszabb távú csökkenést mutat egy 24 órás szimuláció során (79.18 ± 2.68% marad meg 24 óra elteltével, míg 8 óránál 90.51 ± 0.82% a megmaradó arány).[4]
Szilárd fázisban az NRCl szűk hőmérsékleti ablakot mutat az olvadás kezdete és a gyors bomlás között: a DSC az olvadás kezdetét 120.7 ± 0.3 °C-nál mutatja, amelyet egy ezt követő exoterm esemény követ ~130.8 °C-on, míg a qNMR a bomlás 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 értelmezi, mint amelyek meghatározzák az „NRCl feldolgozásának kifejezett felső hőmérsékleti korlátját”, ami a gyártás különböző szakaszaiban befolyásolhatja az étrend-kiegészítők előállítását, aláhúzva a DSC/qNMR küszöbértékek mint szigorú korlátok relevanciáját a melegítéssel járó műveletek során.[4]
Az NR-borát az NR reaktivitása által indokolt stabilizálási stratégiát vezet be: az NR-ről leírják, hogy különösen instabil glikozidos kötéssel rendelkezik, amely egy pozitívan töltött piridínium-heterociklust kapcsol egy szénhidráthoz, ami megnehezíti a szintézisét, tárolását és szállítását, a boráttal történő stabilizálásról pedig leírják, hogy nagyfokú stabilitást biztosít a termikus és kémiai bomlással szemben.[19]
Számszerűsítve az NR-borát oldhatósága erősen pH-függő (pl. 1972.7 ± 15.4 mg·mL⁻¹ pH 1.5 értéknél; 926.0 ± 34.4 mg·mL⁻¹ pH 7.4 értéknél), és az Arrhenius-modell alapján a bomlási sebesség magasabb pH 7.4-nél, mint pH 1.5 vagy 5.0 mellett, ami összhangban van a HO⁻-koncentráció hatásával.[19]
Ugyanez az áttekintés az NR-borát bomlásának Gibbs-féle szabadenergiáját 2.43 kcal·mol⁻¹ értékben határozza meg, és megjegyzi, hogy a hőmérséklet 10 °C-os emelkedése bármely pH-viszony mellett megközelítőleg megduplázza a bomlási sebességet, tükrözve az NRCl-nél megfigyelt hőmérséklet-érzékenységet.[4, 19]
Az NRH kifejezett érzékenységet mutat a pH-ra és az oxigénre: pH 5 mellett kevesebb mint egy nap alatt teljes bomlást jelentettek, míg pH 9-nél a minták ~42–45% bomlást mutatnak 60 nap után, 25 °C-on, levegőn lévő DI-vízben pedig ~50% bomlást mértek 60 nap után, szemben az N₂ alatti ~27%-kal.[5]
Ez az oxigénérzékenység mechanisztikusan az oxigén jelenlétében zajló oxidációnak és a savas körülmények között felgyorsuló hidrolízisnek tulajdonítható, összhangban azzal, hogy az NRH-t az N-glikozidos kötése miatt instabil molekulaként írják le, amely hajlamos a lebomlásra, hidrolízisre és oxidációra.[5]
Az NMN esetében a kvantitatív szilárd fázisú termodinamikai markerek közé tartozik a jelentések szerint 160 °C-on kezdődő és 165 °C-ra befejeződő bomlás (162 °C-on jelentkező endoterm DSC-csúccsal és 184 kJ·mol⁻¹ bomlási entalpiával), valamint a gyorsított stabilitási adatok, amelyek szerint a bomlási sebesség 0.8% havonta 40 °C-on és 75% RH mellett.[6]
Vizes oldatban az NMN bomlása szobahőmérsékleten látszólagos elsőrendű folyamatként jellemezhető, lg(Ct)=0.0057t+4.8172 kinetikai egyenlettel, valamint t0.9=95.58 h és t1/2=860.26 h értékekkel, és a tanulmány megállapítja, hogy a bomlási sebességet elsősorban a magas hőmérséklet és a pH befolyásolja.[27]
A gyakorlati formulázási korlátok támogatására egy termékközpontú forrás a 45 °C alatti bekeverést javasolja a foszfodiészter-kötés termikus bomlásának megelőzése érdekében, és 5%-nál kisebb mértékű bomlást jelent a 3 hónapos, 40 °C/75% RH melletti gyorsított vizsgálatok során, megfelelően formulázott, alacsony víztartalmú rendszerek esetében.[28]
Az NMN elsődleges bomlási útvonala a foszfodiészter-kötés hidrolízise, amely nikotinamidot és ribóz-5-foszfátot eredményez, a pH-függést pedig pH 4.5 alatt savas katalízisű hidrolízisként, pH 7.5 felett pedig bázis által közvetített hasításként határozzák meg.[28]4.2 Stilbenoids
A Stilbenoids csoportba tartozik a resveratrol és a rokon vegyületek, amelyek erős pH- és oxigénfüggő degradációt mutatnak, és valós formulációkban mutatott stabilitásuk a mátrixhatások és a többszörös reakcióutak miatt eltérhet az egyszerű Arrhenius-extrapolációtól.[7, 12, 29]
Vizes rendszerekben a trans-resveratrol a beszámolók szerint savas pH-n stabil, míg a degradáció pH 6.8 felett exponenciálisan növekszik, és a felezési idő a pH 1.2-nél mért 329 napról pH 10-nél 3.3 percre csökken.[12]
pH 7.4-nél a trans-resveratrol degradációjának kinetikája elsőrendű kinetikát követ a vizsgált hőmérsékleteken, az aktiválási energia pedig a jelentések szerint 84.7 kJ·mol−1.[12]
A mechanisztikus magyarázat szerint savas pH-n a hidroxilcsoportokat a pozitív töltésű H₃O⁺ védi a gyökös oxidációtól, míg lúgos körülmények között a fenolátionok növelik az oxidációra és a fenoxigyök-képződésre való hajlamot, a közegben lévő oxigén pedig elősegíti a degradációhoz vezető gyökös reakciókat.[12]
Független, vizes oldatban (19 mg·L−1) végzett termikus stabilitási kísérletek nem mutatnak jelentős spektrális változásokat 30 min után egészen 70 °C-ig, míg a magasabb hőmérsékletek az abszorbancia általános csökkenéséhez vezetnek 304 nm-nél, valamint csökkent abszorbanciát eredményeznek a 270–350 nm tartományban, ami termikusan indukált bomlásra utal hidrotermális körülmények között.[30]
Ezen hidrotermális kísérletek mechanisztikus értelmezése a kettős kötés oxidatív hasadását és fenoltartalmú degradációs termékek – például hidroxi-aldehidek, alkoholok és hidroxisavak – képződését feltételezi, az FTIR sávok pedig összhangban vannak a 100–120 °C-on történő aldehid- és karbonsavképződéssel.[30]
Tablettamátrixokban a resveratrol degradációja a beszámolók szerint elsőrendű monoexponenciális kinetikát követ 0.07140, 0.1937 és 0.231 months−1 k-értékekkel rendre 25, 30 és 40 °C-on, de az ln(k) vs 1/T összefüggés nemlineáris, és szuper-Arrhenius kategóriába sorolható, a szerzők pedig 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 vezethetnek, beleértve a degradáció túlbecsülését is.[7]
A stilbene-szerű fenolos vegyületek esetében száraz rendszerekben az olyan termikus kezelések, mint a gőzsterilizálás 121 °C-on 20 min-ig, mérhető veszteségeket okoznak (például a pinosylvin mennyisége 20.98%-kal csökkent a csúcsterület alapján), és a 105 °C-on végzett 24 h-s kemencében történő szárítás >50%-os csökkenést eredményez a csúcsterületben számos fenolos vegyület esetében, miközben a TGA a pinosylvin-rendszerek esetében ~200 °C feletti bomláskezdeti hőmérsékletet jelez.[31]
4.3 Flavonoids
A Flavonoids többútvonalas degradációs érzékenységet mutatnak, amelyet a pH, a hőmérséklet, az oxygen, valamint az olyan formulációs kölcsönhatások befolyásolnak, mint a fehérjekötődés, és DSC/TGA vizsgálatok során mutatott termikus viselkedésük az egyszerű olvadás helyett egymást átfedő bomlást és lágyulást foglalhat magában.[9, 22, 24]
Pufferelt oldatokban a közeg pH-értékének 6.0-ról 7.5-re történő növelése a fisetin és a quercetin degradációs sebességi állandóit rendre 24-szeresére, illetve 12-szeresére növeli (pl. a fisetin k értéke 8.30×10−3-ról 0.202 h−1-ra; a quercetin k értéke 2.81×10−2-ról 0.375 h−1-ra nő), és a hőmérséklet 37 °C fölé emelése jelentősen növeli a k értékét (pl. a fisetin k értéke 0.490 h−1-ra 65 °C-on; a quercetin k értéke 1.42 h−1-ra 65 °C-on).[24]
A fehérje társ-összetevők mérsékelhetik a degradációt: fehérje hozzáadásával a mért k értékek csökkennek, beleértve a fisetin k értékének csökkenését 3.58×10−2-ról egészen az 1.76×10−2 h−1-os tartományig, valamint a quercetin k értékének csökkenését 7.99×10−2-ról egészen a 3.80×10−2 h−1-os tartományig.[24]
A mechanizmust tekintve a flavonoid kémiai instabilitása a hidroxilcsoportoknak és az instabil pyrone szerkezetnek tulajdonítható, a fehérjék által biztosított stabilizálás pedig főként hidrofób kölcsönhatásoknak köszönhető (ahol az SDS felbontja a stabilizációt), míg a hidrogénkötések hozzájárulásának igazolása a jövőben további kvantitatív vizsgálatokat igényel.[24]
A quercetin esetében 90 °C-on, semlegesség közeli tartományban a degradációs kinetika kifejezett pH-hatást mutat: a k érték megközelítőleg ötszörösére nő pH 6.5-ről 7.5-re, és olyan oxidációs intermedierek mutathatók ki, mint a quercetin quinone, miközben a tipikus végtermékek közé tartozik a protocatechuic acid (PCA) és a phloroglucinol carboxylic acid (PGCA).[22]
A mechanisztikus leírás a 370 nm-nél tapasztalt első mérhető veszteséget a quercetin quinone-ná történő átalakulásának tulajdonítja, és azt sugallja, hogy a quinone váz hasadása egyszerűbb, korlátozott abszorbanciájú fenolos vegyületeket eredményez, míg a lúgos deprotonálódás felgyorsítja a C-ring és B-ring o-diphenol szerkezetet érintő oxidációt.[22]
Magas hőmérsékletű rendszerekben (150 °C) a quercetin degradációja és oxidációja gyorsan végbemegy; a közölt sebességi állandók nitrogen közegben 0.253 h−1, oxygen közegben pedig 0.868 h−1, és kifejezett gyorsulás (7.17 h−1) mérhető oxygen plus cholesterol jelenlétében. Kísérletileg a quercetin veszteség a 10 min-nél mért 7.9%-ról (N₂) 20.4%-ra nő 10 min-nél (O₂), míg cholesterol + oxygen közegben a quercetin maradék aránya 10.9%-ra csökken 10 min után.[26]
A termikus analízis továbbá azt mutatja, hogy a quercetin egy kisebb endoterm csúcsot mutat a 90–135 °C tartományban, amely csekély tömegveszteséggel (0.86 ± 0.33 wt.%) párosul, a bomlás 230 °C-on kezdődik, és egy markáns, 303 °C-on jelentkező DSC endoterm csúcs átfedést mutat a bomlással; az érvelés szerint a hidrogénkötés egyaránt korlátozza az olvadásszerű viselkedést és elősegíti a bomlást a kémiai kötések gyengítése révén.[9]
A rutin (egy quercetin glycoside) és zsírsav-észterei esetében a TGA azt mutatja, hogy a rutin 240 °C-ig termikusan stabil, miközben az észterek alacsonyabb kezdeti degradációs hőmérsékletet (217–220 °C) és nagyobb tömegveszteséget mutatnak a fő bomlási szakaszban, az aktiválási energiák pedig a konverziós fok függvényében 65 és 246 kJ·mol−1 között változnak.[8]
4.4 Kurkuminoidok
A kurkumin lebomlása erősen pH-függő, és számos vizes körülmény között oxidatív útvonalakon keresztül megy végbe, míg a termikus bomlás és a formulációs kölcsönhatások eltolhatják a bomlás kezdetét és a látszólagos kinetikai paramétereket.[10, 18, 32]
Puffer/metanol elegyekben 37 °C-on a kurkumin lebomlása a beszámolók szerint elsőrendű kinetikát követ, ahol a k_obs drasztikusan növekszik a pH emelkedésével (pl. 3.2×10−3 h−1 pH 7.0-nél, szemben a 693×10−3 h−1 értékkel pH 12.0-nél), míg pH 5.0-nél a kurkumin stabil a bemutatott kísérletekben.[10]
pH 8.0-nál az Arrhenius-analízis (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 értéket ad, és a vizes pufferre történő extrapoláció gyors lebomlást valószínűsít oxidáló körülmények között (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]
A micellás nanoformulációk drámaian lelassítják a lebomlást: polimer micellákban és Triton X-100 micellákban pH 8.0-nál és 37 °C-on a közölt k_obs értékek 0.9×10−3 és 0.6×10−3 h−1 értékre csökkennek, 777 ± 87 h és 1100 ± 95 h felezési időkkel, amelyek a megállapítások szerint mintegy ~300–500-szor magasabbak, mint a szabad kurkuminé vizes pufferben.[10]
Mechanizmusát tekintve a hivatkozott munka kifejti, hogy a kurkumin lebomlása nem hidrolitikus lánchasadás útján, hanem oxidáció révén megy végbe, amely végső termékként biciklopentadiont eredményez, ahol 1 mol kurkumin lebomlása 1 mol O₂ elfogyasztásával jár együtt, és az első lépés a hidroxilcsoportok deprotonálódása 7.0 feletti pH-n.[10]
Egy különálló, GI-releváns stabilitási vizsgálat magas linearitású (r² > 0.95) látszólagos elsőrendű kinetikáról számol be, és megadja a közegtől függően változó (pH 7.4-nél magasabb, mint 0.1 N HCl-ben) aktiválási energiákat (kcal·mol−1-ben), valamint leírja, hogy 12 h elteltével 37 °C-on több mint 80% maradt meg 0.1 N HCl-ben, de csak 57% és 47% maradt meg pH 6.8, illetve pH 7.4 foszfátpufferekben.[11]
Magas hőmérsékleten (180 °C) a pörkölési kísérletek extrém termolabilitást mutatnak, ahol az eredeti kurkumin mindössze 30%-a marad meg 5 perc után, és a mechanisztikus értelmezés az oxidatív hasadást a ferulasav intermedier képződéséhez és egy olyan dekarboxilezési lépéshez köti, amelyet a levegőnek való kitettség és a magasabb hőmérséklet felgyorsít.[33]
A kurkumin és a kurkumintartalmú polimer rendszerek nitrogén atmoszférában végzett termikus bomlási vizsgálatai komplex viselkedést mutatnak: a nyers kurkumin bomlása 240 °C körül kezdődik, míg a kurkumin beépítése PGA/PCL keverékekbe a PGA bomlási maximumát alacsonyabb hőmérsékletre tolja el (pl. a tiszta keverékre jellemző 372 °C-ról 327 °C-ra 5% kurkumin jelenlétében), ami arra utal, hogy a kurkumin beépítése csökkentheti a mátrix termikus stabilitását.[18]
Ugyanez a polimer-fókuszú tanulmány ezeket az eredményeket a gyártási relevanciával köti össze, kijelentve, hogy az ömledékállapotú feldolgozás során mind a polimer mátrix kémiai stabilitását, mind a beépített gyógyszerek biológiai aktivitását garantálni kell, és a PGA vagy PGA/PCL keverékek kurkuminnal történő feldolgozását a lehető legalacsonyabb hőmérsékleten kell végezni a PGA lebomlásának megelőzése érdekében.[18]
A kurkumin stabilizálását nagy nyírású emulgeálás során szintén számszerűsítették nagy nyírású keverővel, 22,000 rpm-en, 2 min-ig készített Pickering-emulziókban: a sötétben, 20 °C-on történő tárolás azt mutatja, hogy egy nem kapszulázott kurkumin-olaj keverékben a kurkumin körülbelül fele lebomlik 6 nap után, és mindössze 20% marad meg 16 nap után, míg egy Pickering-emulziós rendszer ~50%-ot megőriz 16 nap után, és a felezési időt 13 napról 28 napra hosszabbítja meg.[1]
UV-expozíció alatt (6 W, 365 nm) ugyanez a rendszer az olajkeverék esetében ~50%-os lebomlást mutat 9 h után, és mindössze 20% megmaradást 24 h után, míg a Pickering-emulzió ~70%-ot őriz meg 9 h után és ~45%-ot 24 h után, és az 50%-os veszteséghez tartozó felezési időt ~13 h-ról ~27 h-ra hosszabbítja meg.[1]4.5 Összefoglaló táblázat
Az alábbi táblázat az egyes vegyületosztályokra vonatkozóan leírt reprezentatív kinetikai és termodinamikai paramétereket foglalja össze, kiemelve a folyamatmodellezéshez legközvetlenebbül használható értékeket.
| Vegyület vagy rendszer | Körülmény | Kinetikai vagy termodinamikai paraméter | Megjegyzések a folyamatmodellezéshez |
|---|---|---|---|
| NRCl | Vizes pufferek (pH 2.0, 5.0, 7.4), Arrhenius-modell | (E_a)=75.4±2.9 (pH 2.0), 76.9±1.1 (pH 5.0), 82.8±4.4 kJ·mol−1 (pH 7.4)[4] | Támogatja a hőmérséklet-gyorsított modellezést és a pH-függő tervezési teret[4] |
| NRCl | DSC és qNMR (száraz hevítés) | DSC olvadás kezdete 120.7 ± 0.3 °C; bomlási exoterm csúcs 130.8 ± 0.3 °C[4]; degradáció 55% 125 °C-on és 98% 130 °C-on[4] | Szűk biztonsági ablakot jelez a fűtött, szilárd fázisú műveletekhez az olvadáspont közelében[4] |
| NRH | DI víz 25 °C-on, levegő vs N₂ | k=1.27×10−7 s−1 (levegő; t_(1/2)=63 d) vs 5.90×10−8 s−1 (N₂; t_(1/2)=136 d)[5] | Az oxigénkontroll megközelítőleg megduplázhatja a felezési időt a vizsgált körülmények között[5] |
| NMN | Vizes oldat, szobahőmérséklet | Látszólagos elsőrendű: lg(C_t)=0.0057t+4.8172; t_(0.9)=95.58 h; t_(1/2)=860.26 h[27] | Lehetővé teszi a hatóanyagtartalom-csökkenés becslését a vizes várakoztatási lépések során[27] |
| trans-Resveratrol | pH-függőség | Felezési idő 329 d pH 1.2-nél vs 3.3 min pH 10-nél[12] | Szigorú pH-kontroll szükséges a vizes feldolgozás és a kioldódás-vizsgálat során[12] |
| trans-Resveratrol | pH 7.4 Arrhenius | (E_a)=84.7 kJ·mol−1[12] | Mérsékelt hőmérsékletű modellezéshez használható; óvatosság javasolt ott, ahol nem-Arrhenius viselkedés lép fel a mátrixokban[7, 12] |
| Resveratrol tabletták | 25–40 °C, 60–75% RH | k=0.07140, 0.1937, 0.231 months−1 (25, 30, 40 °C)[7] | Eltér az Arrhenius-modelltől (szuper-Arrhenius), ami korlátozza a gyorsított vizsgálati extrapolációt[7] |
| Fisetin, quercetin | Foszfát puffer | pH-növekedés 6.0→7.5 növeli k-t 24× (fisetin) és 12× (quercetin)[24] | Rávilágít a pH-érzékenységre a vizes egységműveletek során[24] |
| Curcumin | pH 8.0, Arrhenius | (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1[10] | Hasznos a hőmérséklet-érzékenység előrejelzéséhez semleges-lúgos közegben[10] |
| Curcumin micellákban | pH 8.0, 37 °C | t_(1/2)=777±87 h és 1100±95 h (micellák) vs 2.5 h (szabad vizes puffer)[10] | Szemlélteti a formuláción alapuló stabilizáció mértékét a várakoztatási/feldolgozási lépések során[10] |
5. Nagy nyíróerejű gyártási műveletek
A nagy nyíróerejű gyártás olyan mechanikai feszültségtereknek teszi ki a hőérzékeny vegyületeket, amelyek növelhetik a hőmérsékletet, az oxigéntranszfert és a fázishatár-felületet, ezáltal befolyásolva mind a reakciókinetikát, mind a domináns mechanizmusokat, különösen az oxigén- és pH-érzékeny bioaktív anyagok esetében.[13, 14, 17]
5.1 Olvadékfázisú feldolgozás
Az olvadékfázisú feldolgozást a polimer-hatóanyag rendszerekben olyan forgatókönyvként emelik ki, amelynél mind a polimer stabilitását, mind a hatóanyag aktivitását meg kell őrizni, és kifejezetten rögzítik, hogy az olvadékfázisú feldolgozás feltételezi, hogy a polimermátrix kémiai stabilitását és a beépített hatóanyagok biológiai aktivitását garantálni kell.[18]
A PGA/PCL–curcumin rendszerben a curcumin beépülése hátrányosan befolyásolja a PGA termikus stabilitását, és a szerzők a lehető legalacsonyabb hőmérsékleten történő feldolgozást javasolják a PGA degradációjának megelőzése érdekében, összekapcsolva a termikus stabilitás jellemzését a folyamattervezéssel.[18]
5.2 Nagynyomású homogenizálás és mikrofluidizáció
A nagynyomású homogenizálás nagy mechanikai stressznek teszi ki a folyadékokat, amikor azok egy szűk résű szelepen áramlanak át; a nyílásnál a folyadék nyíróhatásnak van kitéve, és az olyan további jelenségek, mint a kavitáció, a turbulencia, az ütközés és a becsapódás hozzájárulnak a nyíróhatásokhoz.[14]
A HPH emelt, több mint 100 MPa nyomáson működik, és akár 400 MPa nyomást is generálhat, és az alkalmazott nyomást, a ciklusok/menetek számát, valamint a bemeneti hőmérsékletet a fitokemikáliák kinyerhetőségét és stabilitását befolyásoló kulcsfontosságú tényezőkként írják le.[14]
Kvantitatív szempontból a HPH áttekintés olyan példaértékű összetételbeli változásokról számol be, mint az L-ascorbic acid fokozatos csökkenése (1.7%, 4.6%, 10.7%) 100, 200, 300 MPa nyomáson, valamint a polyphenol szintjének csökkenése (pl. 10.6%, 6.0%, 1.4%) almalében 100, 200, 300 MPa nyomáson, bemutatva, hogy a nyomásszint korrelálhat az oxidációra érzékeny vegyületek veszteségével, a mátrixtól és az enzimaktivitástól függően.[14]
Formulálási léptékben a mikrofluidizáció stabil emulziókat eredményezhet a fenolos vegyületek számszerűsített megőrzésével: W/O/W emulziók esetében az optimális mikrofluidizációs körülményekként 148 MPa és hét ciklust adtak meg, ami 105.3 ± 3.2 nm méretű cseppeket és 0.233 ± 0.020 PDI értéket eredményezett, és 35 days után a fenolos vegyületek megőrzése 68.6%-os, míg az antioxidáns aktivitás megőrzése 89.5%-os volt.[2]
Egy különálló kapszulázási tanulmány egy kombinált nagy nyíróerejű és mikrofluidizációs megközelítésről számol be: a liposzómális diszperziókat 9500 rpm fordulatszámon homogenizálták 10 min ideig, majd ötször átengedték egy mikrofluidizátoron 25,000 psi nyomáson a porlasztva szárítás előtt, bemutatva, hogy az iparilag reális folyamatsorok kombinálhatják a nyírást és az azt követő termikus szárítást.[3]
Az ultra-nagy nyomású homogenizálással (UHPH) foglalkozó áttekintések a szelepen belüli extrém nyírást és ütközéseket hangsúlyozzák, olyan jelentett körülményekkel, mint a több mint 200 MPa (jellemzően 300 MPa) nyomással pumpált folyadékok és a kevesebb mint 0.2 s tartózkodási idő a szelepben Mach 3 sebesség mellett, valamint a mikroorganizmusok, kolloidok és biopolimerek 100–500 nm méretű nanofragmentációjával.[34]
5.3 Nagy nyíróerejű keverés
A nagy nyíróerejű keverést gyakran alkalmazzák előemulgeálási vagy diszpergálási lépésként, és önmagában is jelentős hőmérséklet-emelkedést és oxidatív környezetet generálhat, ezáltal befolyásolva a degradációt már a továbbfeldolgozási műveletek előtt.[13]
Egy italmodellben a növekvő fordulatszámon 10 min-ig végzett nagy nyíróerejű homogenizálás növelte a kilépő hőmérsékletet (a 0 rpm melletti 4.1 ± 0.7 °C-ról 41 ± 1.2 °C-ra 20,000 rpm mellett), és jelentős ascorbic-acid veszteséggel járt együtt (42.6%-os csökkenés 20,000 rpm fordulatszámon).[13]
Egy curcumin Pickering-emulziós rendszerben 22,000 rpm fordulatszámon végzett 2 min idejű nagy nyíróerejű keverést alkalmaztak az emulziók előállítására, ami után a stabilitás javulását a lassabb degradáció és a hosszabb felezési idő révén számszerűsítették mind a tárolás, mind az UV-stressz során, összekapcsolva a nagy nyíróerejű fázishatár-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, a molekuláris szintű keveréssel, valamint olyan erős intermolekuláris kölcsönhatások lehetővé tételével, mint a hidrogénkötés.[15]
A fisetin ASD-k és inklúziók esetében az őrlést szobahőmérsékleten végezték 30 Hz frekvenciával és 20 min ideig, és a későbbi TG/DSC elemzést nitrogén alatt végezték a termikus stabilitás és a Tg viselkedés számszerűsítésére.[15]
5.5 Porlasztva szárítás
A porlasztva szárítást a szárított növényi kivonatok előállítására leggyakrabban alkalmazott technikák egyikeként írják le, és megállapítják, hogy a porlasztva szárítás során fellépő magas hőmérséklet potenciálisan káros hatással lehet a hőérzékeny (poly)phenolokra.[3, 20]
Egy polyphenol-kapszulázási tanulmányban a porlasztva szárítást 150 ± 5 °C bemeneti levegő-hőmérséklettel és 90 ± 5 °C kilépő hőmérséklettel végezték, miközben a szerzők megállapítják, hogy a (poly)phenolok mennyisége csökkent a porlasztva szárítás során fellépő oxigén- és hőexpozíció miatt, ami a funkcionális tulajdonságok megőrzése érdekében a kapszulázásra ösztönöz.[3]
Egy kivonat-preformulálási tanulmányban értékelték a porlasztva szárító folyamati körülményeinek (bemeneti hőmérséklet, betáplálási áramlási sebesség, kolloid szilícium-dioxid arány) a válaszokra gyakorolt hatását, és Arrhenius-módszereket alkalmaztak a bomlási kinetikai paraméterek – köztük a reakciórend, a bomlási frakcióidő és a sebességi állandó – meghatározására.[20]
5.6 Összefoglaló táblázat
Az alábbi táblázat összefoglalja a nagy nyíróhatást és/vagy intenzív hőexpozíciót kifejtő műveletek esetében jelentett stresszprofilokat és példaként szolgáló kvantitatív hatásokat.
| Művelet | Jelentett stressz-deskriptorok | Kvantitatív példák a bevont forrásokban | Következmények a hőérzékeny hatóanyagokra nézve |
|---|---|---|---|
| Nagy nyíróerejű keverés | Fordulatszám; hőmérséklet-emelkedés a sebességgel[13] | A kilépő hőmérséklet 41 ± 1.2 °C-ra emelkedik 20,000 rpm mellett (10 min)[13]; az ascorbic acid 42.6%-kal csökken 20,000 rpm mellett[13] | A nyírás által indukált felmelegedés külső fűtés nélkül is elősegítheti az oxidációt és a termikus degradációt[13] |
| Nagynyomású homogenizálás | Nyomás >100 MPa; szeleppel járó nyírás; kavitáció/turbulencia[14] | Jelentett polyphenol-csökkenés 100–300 MPa nyomáson gyümölcslevekben (pl. 10.6% 100 MPa nyomáson almalében)[14] | Megköveteli a bemeneti hőmérséklet, a menetek számának, az oxigénnek és az enzimaktivitásnak a szabályozását az oxidáció okozta veszteségek korlátozása érdekében[14] |
| Mikrofluidizáció | Nyomás és ciklusszám[2] | 148 MPa és hét ciklus ~105 nm méretű cseppeket eredményez; a fenolos vegyületek megőrzése 68.6% 35 d tárolás után[2] | Lehetővé teszi olyan kiscseppes kapszulázó rendszerek kialakítását, amelyek megőrzik a fenolos vegyületeket a tárolás és esetleg a továbbfeldolgozási műveletek során[2] |
| UHPH | >200 MPa (jellemzően 300 MPa); extrém nyírás/ütközések; <0.2 s tartózkodási idő a szelepben; a helyi szelephőmérséklet gyakran >75 °C[34] | Meghatározott nanofragmentáció 100–500 nm méretre[34] | A rendkívül rövid tartózkodási idő a helyi felmelegedés ellenére korlátozhatja a kis molekulák termikus degradációját, de a nyíró-/oxidációs hatásokat vegyületenként validálni kell[34] |
| Mechanokémiai őrlés | Frekvencia és idő; amorfizáció és kölcsönhatások kialakulása[15] | 30 Hz frekvencia 20 min-ig mérhető Tg értékekkel és hidrogénkötések bizonyítékával rendelkező fisetin ASD-ket eredményezett[15] | Amorf állapotokat hozhat létre, amelyek megváltoztatják a stabilitást; a Tg kulcsfontosságú szabályozási paraméterré válik a tárolás/feldolgozás során[15] |
| Porlasztva szárítás | Bemeneti/kilépő hőmérsékletek; oxigén-/hőexpozíció[3] | Kapszulázott kivonatporokhoz használt 150 ± 5 °C bemeneti és 90 ± 5 °C kilépő hőmérséklet[3] | A termikus és oxidatív expozíció csökkentheti a (poly)phenolokat; a védő kapszulázás javíthatja a megőrzést és a biohozzáférhetőséget[3] |
6. Integrált stabilitás–folyamat modellek
A bevont források alapul szolgálnak egy olyan integrált prediktív keretrendszerhez, amelyben a stabilitási eredményeket a műveleti egységek hőtörténete és a fizikokémiai mikrokörnyezet (pH, oxigén, vízaktivitás) alapján számítják ki, miközben figyelembe veszik a termodinamikai átmeneti küszöbértékeket.[4, 14]
6.1 Idő–hőmérséklet–nyírás leképezés
Egy praktikus leképezési megközelítés alkalmazhatja a kinetikát (k, (E_a), felezési idő) a műveleti egységek mért vagy következtetett idő–hőmérséklet profiljaival együtt a várható konverzió kiszámítására, miközben az állapotátmeneti küszöbértékeket (Tg, olvadás kezdete, bomlás kezdete) olyan határokként kezeli, amelyek megváltoztathatják a mechanizmusokat vagy növelhetik a reakciósebességet.[4, 15]
Például az NRCl esetében egy pszeudo-elsőrendű, oldatfázisú modell paraméterezhető az Arrhenius-aktiválási energiák (75.4–82.8 kJ·mol−1), valamint azon megfigyelés alapján, hogy a 10 °C-os hőmérséklet-emelkedés megközelítőleg megduplázza a k_obs értékét, lehetővé téve a validált pufferkísérletekből származó adatok átültetését a gyártás során fellépő rövid távú hőmérsékleti kitérésekre.[4]
A curcumin esetében a hőmérséklet-érzékenység paraméterezhető az (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 értékkel pH 8.0 mellett, valamint a k_obs pH-tól való jelentős függésével, amelyek együttesen lehetővé teszik a veszteségek előrejelzését a vizes fázisú tartási vagy a melegített emulgeálási lépések során, ahol a helyi pH semleges-lúgos.[10]
A trans-resveratrol esetében a pH-vezérelt felezésiidő-csökkenés (amely a pH növekedésével több száz napról percekre esik vissza) azt jelzi, hogy a feldolgozás során a stabilitási eredményeket inkább a mikrokörnyezeti pH, mintsem az elegyhőmérséklet határozhatja meg, és a pH 7.4 melletti Arrhenius-modellezés mérsékelt hőmérsékletű expozíciók esetén alkalmazható (E_a)=84.7 kJ·mol−1 értékkel.[12]
6.2 QbD és tervezési tartomány
A Quality-by-design alapú értelmezést olyan tanulmányok támogatják, amelyek kifejezetten értékelik, hogyan módosítják a folyamatparaméterek és a formulációs mátrixok a bomlási mechanizmusokat, beleértve azokat a megállapításokat, amelyek szerint a gyorsított vizsgálatok nem feltétlenül jelzik előre pontosan az eltarthatóságot nem-Arrhenius viselkedés vagy mátrixhatások fellépése esetén.[7, 29]
A resveratrol tabletták esetében az a következtetés, miszerint az Arrhenius-megközelítések túlbecsülhetik a bomlást a gyorsított vizsgálatok során, arra ösztönöz, hogy a tervezési tartományokat mind a mechanisztikus megértés, mind a több hőmérsékleten kapott adatok alapján határozzák meg, nem pedig egyetlen gyorsított körülményre támaszkodva.[7, 29]
A porlasztva szárított flavonoid markerrendszerek esetében a leírások szerint a segédanyagok kifejezetten befolyásolják a kinetikai rendet és a meghatározott mértékű bomláshoz szükséges időértékeket, ami azt jelzi, hogy a formuláció összetétele a stabilitási tervezési tartomány része, nem pedig egy fix háttértényező.[20]
6.3 PAT és analitikai specifitás
A pontos folyamatkövetés megköveteli az analitikai specifitást, mivel a bomlástermékek megzavarhatják az egyszerűbb spektroszkópiai méréseket, különösen a polifenolok esetében.[12]
A trans-resveratrol esetében a HPLC- és UPLC-specifitás igazoltnak tekinthető, miközben az UV/VIS spektroszkópia tévesen magasabb trans-resveratrol koncentrációkat eredményezett olyan körülmények között, ahol a vegyület nem volt stabil (lúgos pH, fény, emelt hőmérséklet), ami hangsúlyozza a stabilitásjelző módszerek alkalmazásának szükségességét a folyamatanalitikában.[12]
7. Mitigációs stratégiák
A bevont forrásokban ismertetett mitigációs megközelítések az ismert akcelerátoroknak (hő, oxigén, magas pH, UV) való expozíció korlátozását, valamint olyan formulációs architektúrák alkalmazását helyezik előtérbe, 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 rendszerekbe történő enkapszuláció jelentősen stabilizálhatja a termolabilis vegyületeket azáltal, hogy korlátozza a vízzel, oxigénnel és reaktív részecskékkel való érintkezést, valamint módosítja a kulcsfontosságú funkciós csoportok sav-bázis hozzáférhetőségét.[1, 10]
A curcumin esetében a micellás szolubilizáció 0.6–0.9×10−3 h−1 értékre csökkenti a k_obs értékét, és 777–1100 h-ra növeli a felezési időt; ezt a stabilizációt a hidroxil-deprotonálódás megakadályozásának tulajdonítják a hidrofób micellamagon belül, amelyet a degradáció első lépéseként írnak le.[10]
A Pickering-emulziók fizikai gátat biztosítanak: a határfelületen jelen lévő sűrű fizikai gát gátolja a curcumin degradációját, és számszerűsítve a gátképző rendszer a tárolási felezési időt 13 days-ről 28 days-re, az UV-felezési időt pedig ~13 h-ról ~27 h-ra növeli.[1]
A ciklodextrin-alapú hordozórendszerek egy másik stratégiát jelentenek: a resveratrol–β-cyclodextrin klatrátok termikus folyamatokat mutatnak, beleértve a 50 °C közelében történő vízleadást és a magasabb hőmérsékleten végbemenő degradációs folyamatokat, a kötési szabadenergiák (pl. −86 kJ·mol−1 MM/PBSA módszerrel) pedig számszerűsítik az erős inklúziós kölcsönhatásokat.[25]
A resveratrol nanoszivacs-alapú enkapszulációja megszünteti annak DSC olvadási endotermjét, és fényvédelmet biztosít: míg a szabad resveratrol 59.7% degradációt mutat 15 min alatt UV-expozíció mellett, addig a resveratrol nanoszivacsok megközelítőleg kétszeres védelmet nyújtanak, ami összhangban van azzal, hogy az enkapszuláció megakadályozza a közvetlen UV-expozíciót.[16]
Az amorf szilárd diszperziók mechanokémiai őrléssel tervezhetők meg, és a fisetin és az Eudragit® észtercsoportjai közötti hidrogénkötés egyértelműen azonosított, ami mechanisztikus alapot biztosít az elegyíthetőségre és a módosult Tg értékre, amely stabilizálhat a kioldódási viselkedés kristályosodás-függő változásaival szemben.[15]
7.2 Segédanyag- és hordozóválasztás
A segédanyag-választás megváltoztathatja a kinetikai mechanizmusokat és a stabilitási kimeneteleket, amint arról beszámoltak a porlasztva szárított növényikivonat-rendszerek esetében, ahol a reakciórend és a lebomlott frakció ideje a segédanyag-keverékek függvényében eltér, ami segédanyag-függő degradációs kinetikára utal.[20]
A fehérje társ-összetevők hidrofób kölcsönhatások révén stabilizálhatják a flavonoidokat, csökkentve a fisetin és a quercetin k-értékeit, és ezen kölcsönhatások SDS általi felbontása alátámasztja azt az értelmezést, hogy a hidrofób kötődés kulcsfontosságú stabilizációs mechanizmus.[24]
7.3 Technológiai folyamatkontrollok
A termikus expozíciót és az oxigénnel való érintkezést csökkentő folyamatkontrollokat közvetlenül alátámasztják a különböző adatkészletek.[5, 18]
Az NRCl esetében a DSC/qNMR bizonyítékok azt mutatják, hogy az olvadáskezdeti tartomány (~120–130 °C) túllépése rendkívül gyors degradációt idézhet elő, ami alátámasztja a fűtött, szilárd fázisú műveletek hőmérsékletének és tartózkodási idejének szigorú felső korlátait.[4]
Az NRH esetében a levegőben és N2-ben, 25 °C-on mért felezési idők közötti különbség arra utal, hogy az inertizálás és az oxigénkizárás kulcsfontosságú lehet, és a szerzők beszámolója szerint az N2-atmoszféra alatt, 4 °C-on tárolt minták nem mutatnak detektálható degradációt 60 days után, míg a levegőn, 4 °C-on tartott minták ~10% degradációt mutatnak.[5]
Nagy nyírású homogenizálás esetén az a közvetlen megfigyelés, hogy a növekvő rpm növeli a kilépő hőmérsékletet, és az oxidációra érzékeny ascorbic acid nagyobb veszteségével társul, alátámasztja a nyírás által kiváltott melegedést korlátozó technológiai intézkedéseket (pl. hűtőköpenyek, rövidebb keverési idők, szakaszos adagolás).[13]
A porlasztva szárítás esetében az az állítás, hogy az oxigén- és hőexpozíció csökkenti a (poli)fenolokat, és a magas hőmérséklet káros lehet a termolabilis fenolos vegyületekre, alátámasztja az olyan döntéseket, mint a kilépő hőmérséklet csökkentése, amikor az megvalósítható, valamint az enkapszuláció alkalmazása az oxidáció- és hőérzékenység csökkentésére.[3]
7.4 Antioxidánsok és oxigénmenedzsment
A quercetin esetében 90 °C-on az olyan antioxidánsok, mint a cysteine, csökkentik a k-t, ahol 200 µmol·L−1 cysteine ~43% k-csökkenést eredményez a kontrollhoz képest, és a mechanisztikus értelmezés a quercetin-kinon stabilizálását és a gyökfogó hatásokat veszi figyelembe.[22]
A trans-resveratrol esetében kifejezetten leírják, hogy az oxigén elősegíti a degradációhoz vezető gyökös reakciókat, ami alátámasztja az inert feldolgozási atmoszférák vagy oxigéngátak alkalmazását, ahol ez megvalósítható a lúgos/semleges vizes feldolgozás során.[12]
Liposzómás rendszerekben a beszámolók szerint a resveratrol korlátozza a stigmasterol oxidációját a szabad gyökök semlegesítésével, és beépül a lipid kettős rétegekbe, növelve a merevséget, csökkentve az oxigénnel és oxidálószerekkel szembeni permeabilitást, ezáltal fokozva a rendszer termikus és oxidatív stabilitását.[35]
8. Diszkusszió
Az itt szintetizált bizonyítékbázis alapján a legerősebb kvantitatív mintázat az, hogy a kémiai mikrokörnyezet (pH, oxigén, víz jelenléte) még mérsékelt hőmérsékleten is dominálhatja a stabilitási eredményeket, valamint hogy számos bioaktív vegyület éles stabilitási diskontinuitást mutat specifikus termikus átmeneti küszöbértékeken.[4, 5, 12]
A NAD+ prekurzorok esetében az NRCl adatkészlet kettős rezsimet tár fel: vizes oldatban a pszeudo-elsőrendű hidrolízis Arrhenius-féle aktiválási energiákkal és 10 °C-onként nagyjából kétszeres sebességnövekedéssel modellezhető, míg szilárd halmazállapotban egy szűk, 120–130 °C körüli tartomány az olvadásnak felel meg, amelyet azonnal gyors bomlás követ.[4]
A resveratrol esetében egy domináns folyamatkockázat a pH-érzékenységből adódik: a felezési idő a savas pH-n tapasztalható hosszú időtartamokról magas pH-n percekre csökken, miközben az oxigén elősegíti a gyökös reakciókat, ami azt jelzi, hogy az oxigéntranszfert és a lokális lúgosságot növelő nagy nyíróerejű műveletek aránytalanul károsak lehetnek még akkor is, ha a bulk hőmérséklet mérsékelt marad.[12]
A flavonoidok esetében a quinone intermediereken keresztüli oxidáció és a pH-függő deprotonálódási mechanizmusok (quercetin) kombinálódnak a magas hőmérsékletű oxidációval és a gyöklánc-kapcsolódással (pl. oxigén plusz cholesterol), azt sugallva, hogy a lipidtartalmú készítmények és az oxigénexpozíció erősen felerősíthetik az oxidatív veszteségi útvonalakat.[22, 26]
A curcumin esetében mechanisztikus ellentmondás feszül a hidrolízis-vezérelt narratívák (egyes GI-buffer vizsgálatokban) és az autoxidáció-vezérelt narratívák között (a micella-fókuszú munkákban), de mindkettő megegyezik az erős pH-hatásban, valamint a hidrofób mikrokörnyezet és az oxigénkorlátozás védő szerepében.[11, 32]
Az alapműveletek szintjén a nagy nyíróerejű folyamatok elsősorban közvetett gyorsítóként működhetnek a hőtermelés és az oxidatív érzékenység növelése révén; ez közvetlenül megmutatkozik a nagy nyíróerejű homogenizálásnál, ahol a forgási sebesség növeli a kilépő hőmérsékletet, ami egybeesik az ascorbic acid oxidatív veszteségével.[13]
A HPH/UHPH további összetettséget jelent, mivel a szeleptartomány extrém nyíróerőt, kavitációt és turbulenciát fejt ki, és magas lokális hőmérsékletet generálhat, bár a tartózkodási idő nagyon rövid lehet (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 aktivációs lépések kontrollálják-e.[14, 34]
Végezetül több forrás is rávilágít arra, hogy a stabilitásmodellezést mechanisztikusan validálni kell a releváns mátrixban: a resveratrol tablettaadatok nem-Arrhenius viselkedést és olyan mátrixhatásokat mutatnak, amelyek korlátozzák a gyorsított vizsgálatokból történő általános Arrhenius-extrapolációt, a porlasztva szárított növényi kivonatok markerei pedig segédanyag-függő kinetikai rendet és frakcionális bomlási időket mutatnak.[7, 20]
9. Következtetések
A kvantitatív termodinamikai átmeneti markerek (DSC/TGA) és a degradációs kinetika (k, t_(1/2), (E_a), konverziófüggő aktiválási energiák) folyamatreleváns alapot biztosítanak olyan gyártási körülmények tervezéséhez, amelyek megőrzik a termolabilis longevity vegyületek és a kapcsolódó bioaktív anyagok hatásosságát.[4, 8, 9]
A NAD+ prekurzorok esetében az NRCl az olvadáspont közelében szűk termikus feldolgozási tartományt mutat, amelyet gyors bomlás követ, míg a vizes kinetika pH-függő, pszeudo-elsőrendű viselkedést mutat 75–83 kJ·mol−1 aktiválási energiával, amely alkalmas a termikus expozíciós modellek paraméterezésére.[4]
A resveratrol esetében a pH és az oxigén a domináns változók, a felezési idő a savas pH-n mért több száz napról magas pH-n percekre csökken, a formulációs mátrixok pedig olyan nem-Arrhenius-típusú viselkedést eredményezhetnek, amely megnehezíti a gyorsított stabilitásvizsgálatok extrapolációját.[7, 12]
A flavonoidok és curcuminoidok esetében az oxidációs útvonalak (kinon intermedierek a quercetin esetében; autoxidáció a curcumin esetében) oxigénkontrollt és hidrofób enkapszulációs stratégiákat tesznek szükségessé, amelyekről kvantitatívan kimutatták, hogy nagyságrendekkel meghosszabbítják a felezési időt micellás rendszerekben, és jelentős mértékben a nagy nyírású keveréssel előállított Pickering-emulziókban.[1, 10, 22, 32]
A nagy nyírású alapműveletek esetében a rendelkezésre álló bizonyítékok azt mutatják, hogy a nyírás növelheti a hőmérsékletet és elősegítheti az oxidációt (nagy nyírású keverés), valamint hogy a szelepes nagynyomású folyamatok extrém nyírást és kavitációt generálnak, ahol a nyomás, az áthaladások száma és a belépő hőmérséklet a kulcsfontosságú stresszváltozók; ezen ismeretek alátámasztják az idő–hőmérséklet–nyírás leképezés és a PAT bevezetését stabilitásjelző analitika alkalmazásával.[12–14]
Érdekütközés
A szerzők kijelentik, hogy nem áll fenn érdekütközés.[20]
