Stabilność termodynamiczna termolabilnych związków wspierających długowieczność w procesach o wysokim ścinaniu

Stabilność termodynamiczna i kinetyka degradacji termolabilnych związków długowieczności w warunkach stresu wytwórczego o wysokim ścinaniu

Autorzy i afiliacje

A. Researcher* (autor korespondujący), B. Engineer, C. Formulation Scientist

• Department of Pharmaceutical Sciences, Placeholder University
• Center for Process Engineering, Placeholder Institute
• Nutraceutical Manufacturing R&D, Placeholder Company

Streszczenie

Termolabilne związki związane z długowiecznością oraz polifenolowe substancje bioaktywne często podlegają sprzężonym stresom termicznym, oksydacyjnym, pH oraz mechanicznym podczas procesów wytwórczych (np. mieszanie o wysokim ścinaniu, homogenizacja wysokociśnieniowa i suszenie rozpyłowe), co może przyspieszać degradację chemiczną i zmniejszać dostarczaną moc działania. W związku z tym wymagane są ilościowe, istotne procesowo parametry stabilności w celu zdefiniowania wytwórczych przestrzeni projektowych oraz ukierunkowania strategii formulacji ochronnych. [1–3]

Metody w niniejszej syntezie koncentrują się na dowodach ilościowych wyekstrahowanych z badań raportujących:

• Przejścia termodynamiczne/termiczne oceniane za pomocą DSC i TGA (topnienie, początek rozkładu, przejścia szkliste i etapowe zachowanie utraty masy)
• Kinetykę degradacji (modele pseudo-pierwszego rzędu/pierwszego rzędu, energie aktywacji Arrheniusa, zależności od pH i miary czasu do rozkładu frakcji) dla prekursorów NAD⁺ (NR/NRH/NMN), stilbenoidów (układy związane z resweratrolem), flawonoidów (kwercetyna, fizetyna, rutyna/estry) i kurkuminoidów. [4–11]

Wyniki wskazują, że kilka reprezentatywnych związków długowieczności wykazuje wąskie okna przetwarzania termicznego w określonych stanach fizycznych. Chlorek rybozydu nikotynamidu (NRCl) wykazuje początek topnienia przy 120.7 ± 0.3 °C z gwałtownym rozkładem po stopieniu (np. 98% degradacji przy 130 °C według qNMR), podczas gdy degradacja wodna przebiega zgodnie z kinetyką pseudo-pierwszego rzędu z energiami aktywacji 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ w zależności od pH. [4]

W przypadku trans-resveratrol kinetyka degradacji jest silnie zależna od pH i temperatury (np. okres półtrwania spadający z 329 dni przy pH 1.2 do 3.3 minut przy pH 10), a ekstrapolacja testów przyspieszonych może mieć charakter nie-Arrheniusowski w matrycach tabletek. [7, 12]

Operacje jednostkowe o wysokim ścinaniu mogą indukować lokalne nagrzewanie i środowiska oksydacyjne, co wykazano w przypadku homogenizacji o wysokim ścinaniu, zwiększającej temperaturę na wylocie wraz z prędkością obrotową i zbiegającej się z 42.6% stratą kwasu askorbinowego przy 20,000 rpm, oraz w mechanizmach homogenizacji wysokociśnieniowej obejmujących ścinanie na zaworze, kawitację i turbulencje przy >100 MPa. [13, 14]

Wnioski podkreślają znaczenie integracji danych o przejściach termodynamicznych (DSC/TGA/Tg) z modelami kinetycznymi (metody Arrheniusa, nie-Arrheniusowskie i izokonwersyjne) w celu opracowania map czas–temperatura–ścinanie oraz racjonalnego wyboru strategii łagodzących, w tym enkapsulacji, amorficznych dyspersji stałych, układów cyklodekstrynowych/nanogąbek, kontroli tlenu oraz minimalizacji ścinania/temperatury. [15–18]

Słowa kluczowe

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

1. Wprowadzenie

Związki istotne dla długowieczności są coraz częściej formułowane jako nutraceutyki, żywność funkcjonalna i zaawansowane systemy dostarczania, co wymusza ścieżki wytwarzania narażające substancje aktywne na połączone czynniki stresogenne, w tym ogrzewanie, kontakt z tlenem, aktywność wody, wahania pH i intensywny wkład energii mechanicznej. [3, 5, 14, 19]

W przypadku chemii prekursorów NAD⁺ stabilność w stanie wodnym i stałym ma kluczowe znaczenie, ponieważ reaktywność może zachodzić poprzez hydrolizę motywów glikozydowych lub związanych fosforanowo, a temperatury procesowe mogą przekraczać progi przejść w stanie stałym, które poprzedzają gwałtowny rozkład. [4, 6]

Dla polifenoli i powiązanych roślinnych substancji aktywnych ograniczenia stabilności obejmują autooksydację, epimeryzację i enzymatyczne utlenianie do chinonów, które są wrażliwe na temperaturę, pH, jony metali i dostępność tlenu podczas przetwarzania. [17]

Praktyczną implikacją jest to, że projektowanie procesów wytwórczych nie może opierać się wyłącznie na nominalnej temperaturze masowej; zamiast tego musi integrować:

• Wskaźniki termodynamiczne, takie jak przejście szkliste, topnienie i początek rozkładu
• Modele kinetyczne, które ujmują zależność degradacji od czasu, temperatury, pH, tlenu i (tam, gdzie jest to mierzalne) wkładu energii mechanicznej. [4, 9, 10, 14, 15]

Niniejsza praca syntetyzuje dowody ilościowe dotyczące reprezentatywnych związków długowieczności i powiązanych substancji bioaktywnych, dla których uwzględnione źródła dostarczają jawnych przejść termodynamicznych i/lub parametrów kinetycznych, oraz łączy te dane z profilami stresu operacji jednostkowych o wysokim ścinaniu, w tym mieszania o wysokim ścinaniu, homogenizacji wysokociśnieniowej/mikrofluidyzacji, mielenia mechanochemicznego i suszenia rozpyłowego. [1, 14, 15, 20]

2. Ramy termodynamiczne

Stabilność termodynamiczna w kontekście wytwórczym jest oceniana operacyjnie przy użyciu mierzalnych zdarzeń termicznych (DSC/TGA) i deskryptorów stanu (np. postać amorficzna vs krystaliczna; temperatura przejścia szklistego), które wskazują, kiedy związek lub formulacja przechodzi w stany o wyższej mobilności molekularnej, a tym samym wyższych szybkościach reakcji lub innych mechanizmach. [4, 9, 15]

2.1 Energia swobodna Gibbsa i stabilność fazowa

Kilka uwzględnionych źródeł jawnie oblicza zmiany energii swobodnej Gibbsa dla procesów degradacji lub destrukcji termicznej, dostarczając termodynamicznej miary wykonalności w określonych warunkach. [8, 19]

• W przypadku boranu NR spontaniczność degradacji oceniono poprzez obliczenie energii swobodnej Gibbsa, przy czym raportowana wartość ΔG wyniosła 2.43 kcal·mol⁻¹. [19]
• Dla rutyny i estrów rutyny z kwasami tłuszczowymi w warunkach pirolitycznych wartości ΔG były dodatnie (84–245 kJ·mol⁻¹) wraz z dodatnią ΔH (60–242 kJ·mol⁻¹), co wskazuje na endotermiczny i niespontaniczny profil pirolizy w raportowanej analizie. [8]

W kategoriach formalizmu kinetycznego kilka źródeł stosuje również relacje stanu przejściowego i energii swobodnej do interpretacji aktywacji hydrolizy w układach takich jak kompleks spiroboranu kurkuminy. [21]

2.2 Przejście szkliste, topnienie i początek rozkładu

DSC i TGA dostarczają uzupełniających się markerów ryzyka procesowego: zdarzenia topnienia lub mięknienia mogą gwałtownie zwiększyć dyfuzję i umożliwić szybką konwersję chemiczną, a początek utraty masy w TGA może wskazywać na rozpoczęcie nieodwracalnego rozkładu nawet w pozornym stanie stałym. [4, 9, 15]

• Dla NRCl badanie DSC wskazuje na początek topnienia przy 120.7 ± 0.3 °C i pik topnienia przy 125.2 ± 0.2 °C, po którym następuje natychmiastowe gwałtowne zdarzenie egzotermiczne z pikiem przy 130.8 ± 0.3 °C. [4]
• Dla NMN rozkład rozpoczyna się przy 160 °C i kończy przy 165 °C, z endotermicznym pikiem DSC przy 162 °C i entalpią rozkładu 184 kJ·mol⁻¹. [6]
• W przypadku kwercetyny intensywny endoterm DSC (maksimum przy 303 °C) jest często błędnie przypisywany topnieniu, podczas gdy dane TGA wskazują na rozkład przy 230 °C nakładający się na utratę masy. [9]
• Dla kurkuminy w atmosferze azotu obserwuje się wieloetapowy rozkład rozpoczynający się przy 240 °C, z 37% pozostałością przy 600 °C. [18]

2.3 Stabilność postaci amorficznej i krystalicznej

Formulacje amorficzne mogą poprawiać rozpuszczalność i biodostępność, ale mogą zmieniać zachowanie termiczne i stabilność poprzez zwiększenie mobilności molekularnej względem form krystalicznych, co czyni temperaturę przejścia szklistego (Tg) krytycznym parametrem stabilności. [15, 16]

• Przygotowane mechanochemicznie amorficzne dyspersje stałe (ASDs) fizetyny wykazują mierzalne wartości Tg w drugich skanach grzewczych i demonstrują przesunięcia kompozycyjne Tg zgodne z mieszalnością. [15]
• W przypadku nanogąbek resweratrolu i oksyresweratrolu endoterm topnienia resweratrolu znika w formulacjach nanogąbek, co przypisuje się enkapsulacji i amorfizacji. [16]
• Dla kwercetyny połączona interpretacja DSC/TGA sugeruje rozkład oraz relaksację strukturalną/mięknienie w zakresie 150–350 °C. [9]

3. Modele i parametry kinetyki degradacji

Uwzględnione źródła wykorzystują różne modele kinetyczne (np. pierwszego rzędu, pseudo-pierwszego rzędu, sigmoidalne) oraz podejścia do zależności od temperatury (np. zachowanie Arrheniusa) w celu scharakteryzowania degradacji. [4, 7, 22]

3.1 Modele rzędu reakcji

Standardowe podejście do degradacji w fazie roztworu wykorzystuje zintegrowany model pierwszego rzędu. [4, 11, 12]

• W przypadku degradacji NRCl w roztworach wodnych raportowana jest kinetyka pseudo-pierwszego rzędu. [4, 23]
• Markery ekstraktów roślinnych suszonych rozpyłowo wykazują zmienne rzędy reakcji, w tym modele rzędu zerowego i drugiego dla określonych związków. [20]

3.2 Podejścia Arrheniusa i Eyringa

Zależności degradacji od temperatury są często modelowane za pomocą równań typu Arrheniusa. [4, 10, 12]

• Dla NRCl energie aktywacji mieszczą się w zakresie od 75.4 do 82.8 kJ·mol⁻¹, przy czym pH wpływa na te wartości. [4]
• Trans-resveratrol wykazuje energię aktywacji 84.7 kJ·mol⁻¹ przy pH 7.4. [12]
• Kurkumina w różnych mediach wykazuje energie aktywacji między 9.75–16.46 kcal·mol⁻¹. [11]

3.3 Metody izokonwersyjne i wolne od modeli

Metody izokonwersyjne (np. KAS, FWO, Friedman) są stosowane do identyfikacji wieloetapowego rozkładu i zmian mechanizmu. [8, 18, 25]

• Dla rutyny i estrów rutyny z kwasami tłuszczowymi energie aktywacji zmieniają się wraz ze stopniem konwersji. [8]
• Klatraty resweratrol–β-cyklodekstryna wykazują wzrost energii aktywacji wraz ze stopniem transformacji. [25]

3.4 Sprzężona degradacja termo-mechaniczna i oksydacyjna

Procesy wytwórcze o wysokim ścinaniu łączą stres mechaniczny z lokalnym nagrzewaniem i utlenianiem, promując ścieżki degradacji. [13, 14, 17]

• Homogenizacja o wysokim ścinaniu znacząco podnosi temperatury na wylocie wraz z prędkością obrotową i powoduje silną degradację kwasu askorbinowego ze względu na podwyższoną temperaturę i utlenianie. [13]
• Mechanizmy homogenizacji wysokociśnieniowej – takie jak ścinanie na zaworze, kawitacja i turbulencje – indukują stres oksydacyjny i mechaniczny. [14]
• Sprzęganie oksydacyjne przyspiesza degradację kwercetyny w środowiskach o wysokiej temperaturze i wysokiej zawartości tlenu. [26]

4. Przegląd klas związków

Poniższa synteza kładzie nacisk na kluczowe parametry kinetyczne i termodynamiczne istotne dla modeli wytwórczych, takie jak energie aktywacji, stałe szybkości, okresy półtrwania, punkty początku rozkładu oraz ograniczenia związane z przejściem szklistym lub topnieniem. [4, 11, 12, 15, 24]

4.1 Prekursory NAD⁺

• Na stabilność prekursorów NAD⁺ istotnie wpływa podatność na hydrolizę, wrażliwość na przejścia termiczne oraz utlenianie stymulowane tlenem. [4, 5]
• Kinetyka degradacji NRCl wykazuje zachowanie pseudo-pierwszego rzędu, z energiami aktywacji w zakresie od 75.4 do 82.8 kJ·mol⁻¹, pod silnym wpływem pH. [4]
• W stanie stałym NRCl posiada wąskie okno przetwarzania termicznego, z gwałtowną degradacją zachodzącą powyżej temperatury topnienia 120.7 ± 0.3 °C. [4]
• NRH wykazuje szybką degradację w warunkach kwaśnych oraz w obecności tlenu, co podkreśla jego niestabilność wynikającą z wiązania N-glikozydowego. [5]
• NMN ulega rozkładowi w temperaturach powyżej 160 °C i wykazuje wzorce degradacji wrażliwe na pH i temperaturę w roztworach wodnych. [6, 27, 28]

Ścieżka degradacji NMN

Podstawowa ścieżka degradacji NMN jest opisywana jako hydroliza wiązania fosfodiestrowego prowadząca do powstania nikotynamidu i rybozo-5-fosforanu, z zależnościami od pH opisanymi jako hydroliza katalizowana kwasowo poniżej pH 4.5 i rozszczepienie za pośrednictwem zasad powyżej pH 7.5. [28]

Stilbenoidy

Stilbenoidy obejmują resweratrol i powiązane związki, które wykazują silną degradację zależną od pH i tlenu. Ich stabilność w rzeczywistych formulacjach może odbiegać od ekstrapolacji Arrheniusa ze względu na efekty matrycowe i wielorakie ścieżki. [7, 12, 29]

W układach wodnych raportuje się, że trans-resveratrol jest stabilny przy kwaśnym pH, ale jego degradacja wzrasta wykładniczo powyżej pH 6.8. Okres półtrwania skraca się z 329 dni przy pH 1.2 do 3.3 minut przy pH 10. [12]

Przy pH 7.4 degradacja trans-resveratrol przebiega zgodnie z kinetyką pierwszego rzędu w badanych temperaturach, z energią aktywacji 84.7 kJ·mol^-1. [12]

Mechanizmy degradacji zmieniają się wraz z pH. W warunkach kwaśnych grupy hydroksylowe są chronione przed utlenianiem rodnikowym przez H₃O⁺, podczas gdy w środowiskach zasadowych jony fenolanowe zwiększają podatność na utlenianie, promując tworzenie rodników fenoksylowych. Dodatkowo tlen w medium przyspiesza reakcje rodnikowe prowadzące do degradacji. [12]

Eksperymenty stabilności termicznej w roztworze wodnym (19 mg·L^-1) nie wykazują znaczących zmian spektralnych po 30 minutach w temperaturach do 70 °C. Jednak podwyższone temperatury skutkują spadkiem absorbancji przy 304 nm oraz w całym zakresie 270–350 nm, co wskazuje na degradację indukowaną termicznie. [30]

Mechanistyczna interpretacja eksperymentów hydrotermalnych sugeruje oksydacyjne rozszczepienie podwójnego wiązania i tworzenie produktów degradacji, w tym hydroksyaldehydów, alkoholi i hydroksykwasów. Analiza FTIR ujawniła pasma zgodne z tworzeniem aldehydów i kwasów karboksylowych w temperaturze 100–120 °C. [30]

W matrycach tabletek degradacja resweratrolu przebiega zgodnie z kinetyką pierwszego rzędu monoeksponencjalną z wartościami k wynoszącymi odpowiednio 0.07140, 0.1937 i 0.231 miesięcy^-1 przy 25, 30 i 40 °C. Jednak relacja ln(k) vs 1/T jest nieliniowa i klasyfikowana jako super-Arrheniusowska, co sugeruje dodatkowe reakcje, wielorakie ścieżki lub efekty matrycowe w wyższych temperaturach. [7]

Badania wskazują, że testy przyspieszone mogą przeszacowywać degradację, przy czym autorzy zalecają alternatywne metody wyznaczania kinetyki degradacji. [7]

Dla fenoli o strukturze stilbenu w układach suchych obróbka termiczna, taka jak sterylizacja parowa w 121 °C przez 20 minut, powoduje mierzalne straty (np. 20.98% spadek pinosylwiny według powierzchni piku), a suszenie w suszarce w 105 °C przez 24 godziny prowadzi do spadków przekraczających 50% dla kilku fenoli. Jednakże TGA wskazuje na temperatury początku rozkładu powyżej ~200 °C dla układów pinosylwiny. [31]

Flawonoidy

Flawonoidy wykazują wielościeżkową degradację wrażliwą na pH, temperaturę, tlen i interakcje w formulacji, takie jak wiązanie z białkami. Ich zachowanie termiczne w DSC/TGA może obejmować nakładający się rozkład i mięknienie. [9, 22, 24]

Badania pokazują, że zwiększenie pH medium z 6.0 do 7.5 przyspiesza degradację, przy czym fizetyna i kwercetyna wykazują odpowiednio 24-krotny i 12-krotny wzrost stałych szybkości degradacji. Co więcej, podniesienie temperatury powyżej 37 °C dodatkowo zwiększa stałe szybkości. [24]

• Dla fizetyny: k wzrosło z 8.30×10^-3 do 0.202 h^-1 wraz ze wzrostem pH oraz do 0.490 h^-1 przy 65 °C.
• Dla kwercetyny: k wzrosło z 2.81×10^-2 do 0.375 h^-1 wraz z pH i wzrosło do 1.42 h^-1 przy 65 °C. [24]

Współskładniki białkowe mogą ograniczać degradację, co wskazują zmniejszone wartości k w ich obecności. Na przykład k fizetyny spadło z 3.58×10^-2 do 1.76×10^-2 h^-1, a k kwercetyny spadło z 7.99×10^-2 do 3.80×10^-2 h^-1. Stabilizację przypisuje się oddziaływaniom hydrofobowym i wiązaniom wodorowym, przy czym SDS powoduje destabilizację. Potrzebne są dalsze badania w celu ilościowego określenia wkładu wiązań wodorowych. [24]

Dla kwercetyny w 90 °C blisko neutralności obserwuje się silne efekty pH. Stała szybkości degradacji wzrasta około pięciokrotnie od pH 6.5 do 7.5, dając pośrednie produkty utleniania, takie jak chinon kwercetyny, z kwasem protokatechowym (PCA) i kwasem floroglucynokarboksylowym (PGCA) jako produktami końcowymi. [22]

Układy wysokotemperaturowe (150 °C) przyspieszają degradację, przy czym raportowane stałe szybkości wynoszą 0.253 h^-1 w atmosferze azotu, 0.868 h^-1 w tlenie i 7.17 h^-1 w tlenie z cholesterolem. Strata kwercetyny wzrasta z 7.9% po 10 minutach w azocie do 20.4% w tlenie i spada do 10.9% pozostałości w układzie cholesterol plus tlen. [26]

Analiza termiczna pokazuje, że kwercetyna posiada mały pik endotermiczny przy 90–135 °C (związany z niewielką utratą masy) i zaczyna rozkładać się przy 230 °C. Wyraźny endoterm DSC przy 303 °C nakłada się na rozkład, przy czym wiązania wodorowe zarówno ograniczają zachowanie przypominające topnienie, jak i ułatwiają rozkład. [9]

Dla rutyny (glikozydu kwercetyny) i jej estrów z kwasami tłuszczowymi TGA wskazuje, że rutyna jest stabilna termicznie do 240 °C, podczas gdy estry wykazują niższe początkowe temperatury degradacji i wyższą utratę masy podczas głównych etapów degradacji. Energie aktywacji wahają się od 65 do 246 kJ·mol^-1 w zależności od stopnia konwersji. [8]

Systemy nośnikowe pochodne cyklodekstryn

Systemy nośnikowe pochodne cyklodekstryn stanowią kolejną strategię: klatraty resweratrol–β-cyklodekstryna wykazują zdarzenia termiczne, w tym uwalnianie wody blisko 50 °C i zdarzenia degradacji w wyższych temperaturach, a energie swobodne wiązania (np. −86 kJ·mol⁻¹ wg MM/PBSA) kwantyfikują silne oddziaływania inkluzyjne. [25]

Enkapsulacja w nanogąbkach

Enkapsulacja resweratrolu w nanogąbkach eliminuje jego endoterm topnienia DSC i zapewnia fotoochronę: wolny resweratrol wykazuje 59.7% degradacji w ciągu 15 minut pod wpływem promieniowania UV, podczas gdy nanogąbki resweratrolu zapewniają około dwukrotną ochronę, co jest zgodne z enkapsulacją zapobiegającą bezpośredniej ekspozycji na UV. [16]

Amorficzne dyspersje stałe

Amorficzne dyspersje stałe mogą być projektowane poprzez mielenie mechanochemiczne, a wiązania wodorowe między fizetyną a grupami estrowymi Eudragit® zostały jawnie zidentyfikowane, co stanowi mechanistyczną podstawę mieszalności i zmienionej Tg, która może stabilizować przed zmianami zachowania podczas rozpuszczania zależnymi od krystalizacji. [15]

Dobór substancji pomocniczych i nośników

Dobór substancji pomocniczych może zmieniać mechanizmy kinetyczne i wyniki stabilności, co raportowano w układach ekstraktów roślinnych suszonych rozpyłowo, gdzie rzędy reakcji i czasy rozkładu frakcji różnią się w zależności od mieszanek substancji pomocniczych, wskazując na zależną od nich kinetykę degradacji. [20]

Współskładniki białkowe mogą stabilizować flawonoidy poprzez oddziaływania hydrofobowe, obniżając wartości k dla fizetyny i kwercetyny, a zakłócenie tych oddziaływań przez SDS wspiera interpretację, że wiązanie hydrofobowe jest kluczowym mechanizmem stabilizującym. [24]

Kontrola inżynierii procesowej

Kontrola procesów redukująca ekspozycję termiczną i kontakt z tlenem jest bezpośrednio wspierana przez liczne zbiory danych. [5, 18]

Dla NRCl dowody DSC/qNMR wskazują, że przekroczenie regionu początku topnienia (~120–130 °C) może wywołać niezwykle szybką degradację, co wspiera rygorystyczne górne granice temperatury i czasu przebywania w operacjach na ciele stałym prowadzonych na gorąco. [4]

W przypadku NRH różnica między okresem półtrwania w powietrzu a w N₂ przy 25 °C sugeruje, że inertyzacja i wykluczenie tlenu mogą być istotne; autorzy raportują, że próbki pod poduszką N₂ przy 4 °C nie wykazują wykrywalnej degradacji po 60 dniach, podczas gdy próbki przy 4 °C w powietrzu wykazują ~10% degradacji. [5]

Dla homogenizacji o wysokim ścinaniu bezpośrednia obserwacja, że wzrost rpm zwiększa temperaturę na wylocie i wiąże się z wyższą stratą wrażliwego na utlenianie kwasu askorbinowego, wspiera środki inżynieryjne ograniczające nagrzewanie wywołane ścinaniem (np. płaszcze chłodzące, krótsze czasy mieszania, dozowanie etapowe). [13]

W przypadku suszenia rozpyłowego twierdzenie, że ekspozycja na tlen i ciepło zmniejsza zawartość (poli)fenoli, a wysokie temperatury mogą być szkodliwe dla termolabilnych związków fenolowych, wspiera decyzje takie jak obniżenie temperatury na wylocie, gdy jest to wykonalne, oraz stosowanie enkapsulacji w celu zmniejszenia wrażliwości na utlenianie i ciepło. [3]

Antyoksydanty i zarządzanie tlenem

Strategie antyoksydacyjne i zarządzania tlenem są mechanistycznie uzasadnione w zbiorach danych dotyczących polifenoli. [12, 22]

Dla kwercetyny w 90 °C antyoksydanty takie jak cysteina redukują k, przy czym 200 μmol·L⁻¹ cysteiny daje redukcję k o ~43% w porównaniu do kontroli, a interpretacja mechanistyczna uwzględnia stabilizację chinonu kwercetyny i efekty wygaszania rodników. [22]

Dla trans-resweratrolu jawnie raportuje się, że tlen promuje reakcje rodnikowe prowadzące do degradacji, co wspiera stosowanie obojętnych atmosfer procesowych lub barier tlenowych, tam gdzie jest to możliwe w alkalicznym/neutralnym przetwarzaniu wodnym. [12]

W układach liposomalnych odnotowano, że resweratrol ogranicza utlenianie stygmasterolu poprzez neutralizację wolnych rodników i integruje się z dwuwarstwami lipidowymi, zwiększając ich sztywność i zmniejszając przepuszczalność dla tlenu i czynników utleniających, wzmacniając tym samym stabilność termiczną i oksydacyjną układu. [35]

Dyskusja

W oparciu o zsyntetyzowaną tutaj bazę dowodową najsilniejszym wzorcem ilościowym jest to, że mikrośrodowisko chemiczne (pH, tlen, obecność wody) może dominować nad wynikami stabilności nawet w umiarkowanych temperaturach oraz że kilka substancji bioaktywnych wykazuje gwałtowne dyskontynuacje stabilności przy określonych progach przejść termicznych. [4, 5, 12]

W przypadku prekursorów NAD⁺ zbiór danych NRCl podkreśla podwójny reżim: w roztworze wodnym hydrolizę pseudo-pierwszego rzędu można modelować za pomocą energii aktywacji Arrheniusa i z grubsza dwukrotnego wzrostu szybkości na każde 10 °C, podczas gdy w stanie stałym wąski region wokół 120–130 °C odpowiada topnieniu, po którym następuje natychmiastowy szybki rozkład. [4]

Dla resweratrolu dominujące ryzyko procesowe wynika z wrażliwości na pH: okres półtrwania drastycznie spada z długich okresów przy kwaśnym pH do minut przy wysokim pH, podczas gdy tlen promuje reakcje rodnikowe, co wskazuje, że operacje o wysokim ścinaniu, które zwiększają transfer tlenu i lokalną alkaliczność, mogą być nieproporcjonalnie szkodliwe, nawet jeśli temperatura masowa pozostaje umiarkowana. [12]

W przypadku flawonoidów utlenianie przez produkty pośrednie chinonów i mechanizmy deprotonacji zależne od pH (kwercetyna) łączą się z utlenianiem wysokotemperaturowym i rodnikowym sprzęganiem łańcuchowym (np. tlen plus cholesterol), sugerując, że formulacje zawierające lipidy i ekspozycja na tlen mogą silnie potęgować ścieżki strat oksydacyjnych. [22, 26]

Dla kurkuminy istnieje mechanistyczne napięcie między narracjami opartymi na hydrolizie (w niektórych badaniach nad buforami żołądkowo-jelitowymi) a narracjami opartymi na autooksydacji (w badaniach skoncentrowanych na micelach), ale obie zbiegają się w punkcie silnego efektu pH oraz ochronnej roli hydrofobowych mikrośrodowisk i ograniczenia dostępu tlenu. [11, 32]

Na poziomie operacji jednostkowych procesy o wysokim ścinaniu mogą działać przede wszystkim jako pośrednie akceleranty poprzez generowanie ciepła i zwiększanie podatności oksydacyjnej; zostało to bezpośrednio wykazane w homogenizacji o wysokim ścinaniu, gdzie prędkość obrotowa zwiększa temperaturę na wylocie i zbiega się z oksydacyjną stratą kwasu askorbinowego. [13]

HPH/UHPH wprowadzają dodatkową złożoność, ponieważ region zaworu narzuca ekstremalne ścinanie, kawitację i turbulencje oraz może generować wysokie temperatury lokalne, choć czasy przebywania mogą być bardzo krótkie (np. <0.2 s w opisach UHPH), co sugeruje, że wyniki chemiczne mogą zależeć od tego, czy degradacja jest kontrolowana przez szybkie procesy rodnikowe, etapy limitowane dyfuzją, czy wolniejsze etapy aktywacji termicznej. [14, 34]

Wreszcie, kilka źródeł podkreśla, że modelowanie stabilności musi zostać mechanistycznie zweryfikowane w odpowiedniej matrycy: dane dla tabletek resweratrolu wykazują zachowanie nie-Arrheniusowskie i efekty matrycowe, które ograniczają ogólną ekstrapolację Arrheniusa z testów przyspieszonych, a markery ekstraktów roślinnych suszonych rozpyłowo wykazują rzędy kinetyki i czasy rozkładu frakcji zależne od substancji pomocniczych. [7, 20]

Wnioski

Ilościowe markery przejść termodynamicznych (DSC/TGA) i kinetyka degradacji (k, t_1/2, E_a, energie aktywacji zależne od konwersji) stanowią istotną procesowo podstawę do projektowania warunków wytwarzania zachowujących moc działania termolabilnych związków długowieczności i powiązanych substancji bioaktywnych. [4, 8, 9]

Dla prekursorów NAD⁺ NRCl wykazuje wąskie okno przetwarzania termicznego w pobliżu topnienia, po którym następuje szybki rozkład, podczas gdy kinetyka wodna wykazuje zależne od pH zachowanie pseudo-pierwszego rzędu z energiami aktywacji 75–83 kJ·mol⁻¹, które mogą parametryzować modele ekspozycji termicznej. [4]

W przypadku resweratrolu pH i tlen są dominującymi zmiennymi, przy czym okres półtrwania drastycznie spada z setek dni przy kwaśnym pH do minut przy wysokim pH, a matryce formulacji mogą wywoływać zachowanie nie-Arrheniusowskie, co komplikuje ekstrapolację testów przyspieszonych. [7, 12]

Dla flawonoidów i kurkuminoidów ścieżki utleniania (produkty pośrednie chinonów dla kwercetyny; autooksydacja dla kurkuminy) uzasadniają stosowanie kontroli tlenu i strategii hydrofobowej enkapsulacji, które – jak wykazano ilościowo – wydłużają okres półtrwania o rzędy wielkości w układach micelarnych oraz w istotnym stopniu w emulsjach Pickeringa wytwarzanych w warunkach mieszania o wysokim ścinaniu. [1, 10, 22, 32]

Dla operacji jednostkowych o wysokim ścinaniu dostępne dowody pokazują, że ścinanie może podnosić temperaturę i promować utlenianie (mieszanie o wysokim ścinaniu), a procesy wysokociśnieniowe oparte na zaworach generują ekstremalne ścinanie i kawitację, gdzie ciśnienie, liczba przejść i temperatura wlotowa są kluczowymi zmiennymi stresu; te spostrzeżenia wspierają wdrażanie mapowania czas–temperatura–ścinanie oraz PAT przy użyciu analityki wskazującej na stabilność. [12–14]

Podziękowania

Autorzy dziękują Placeholder Laboratory za wewnętrzne dyskusje na temat analityki wskazującej na stabilność oraz mapowania procesów. [12]

Konflikt interesów

Autorzy deklarują brak konfliktu interesów. [20]