Abstract
Compușii termolabili asociați cu longevitatea și bioactivele polifenolice sunt supuși frecvent unor stresuri termice, oxidative, de pH și mecanice cuplate în timpul procesului de fabricație (de exemplu, amestecarea cu forfecare înaltă, omogenizarea la presiune înaltă și uscarea prin pulverizare), ceea ce poate accelera degradarea chimică și reduce potența livrată. Prin urmare, sunt necesari parametri de stabilitate cantitativi, relevanți pentru proces, pentru a defini spațiile de design industrializabile și pentru a ghida strategiile de formulare protectoare.[1–3]
Metodele din prezenta sinteză se concentrează pe dovezi cantitative extrase din studii care raportează (i) tranziții termodinamice/termice prin DSC/TGA (topire, debutul descompunerii, tranziții vitroase și comportament de pierdere în masă în trepte) și (ii) cinetica de degradare (modele de pseudo-ordinul întâi/ordinul întâi, energii de activare Arrhenius, dependențe de pH și măsuri ale timpului până la fracția descompusă) pentru precursorii de NAD⁺ (NR/NRH/NMN), stilbenoids (sisteme corelate cu resveratrolul), flavonoids (quercetin, fisetin, rutin/esters) și curcuminoids.[4–11]
Rezultatele arată că mai mulți compuși reprezentativi de longevitate au ferestre înguste de procesare termică în stări fizice specifice. Nicotinamide riboside chloride (NRCl) prezintă un debut al topirii la 120.7 ± 0.3 °C cu o descompunere rapidă post-topire (de exemplu, o degradare de 98% la 130 °C determinată prin qNMR), în timp ce degradarea apoasă urmează o cinetică de pseudo-ordinul întâi, cu energii de activare de 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ în funcție de pH.[4]
Pentru trans-resveratrol, cinetica de degradare este puternic dependentă de pH și de temperatură (de exemplu, timpul de înjumătățire scăzând de la 329 days la pH 1.2 la 3.3 minutes la pH 10), iar extrapolarea testelor accelerate poate fi non-Arrhenius în matricele de comprimate.[7, 12]
Operațiile unitare cu forfecare înaltă pot induce încălzire locală și medii oxidative, așa cum demonstrează omogenizarea cu forfecare înaltă, care crește temperatura de ieșire odată cu viteza de rotație și coincide cu o pierdere de 42.6% de ascorbic-acid la 20,000 rpm, precum și mecanismele de omogenizare la presiune înaltă care implică forfecarea la nivelul valvei, cavitația și turbulența la >100 MPa.[13, 14]
Concluziile subliniază integrarea datelor de tranziție termodinamică (DSC/TGA/Tg) cu modelele cinetice (metode Arrhenius, non-Arrhenius și izoconversionale) pentru a genera hărți timp-temperatură-forfecare și pentru a selecta în mod rațional strategii de atenuare, inclusiv încapsularea, dispersiile solide amorfe, sistemele ciclodextrină/nanosponge, controlul oxigenului și minimizarea forfecării/temperaturii.[15–18]
Keywords: bioactive termolabile; cinetica de degradare; Arrhenius; DSC; TGA; omogenizare la presiune înaltă; uscare prin pulverizare; precursori de NAD⁺
1. Introducere
Compușii relevanți pentru longevitate sunt tot mai des formulați ca nutraceutice, alimente funcționale și sisteme avansate de livrare, determinând adoptarea unor rute de fabricație care expun substanțele active la factori de stres combinați, inclusiv încălzirea, contactul cu oxigenul, activitatea apei, variațiile de pH și aportul intens de energie mecanică.[3, 5, 14, 19]
În cazul chimiei precursorilor de NAD⁺, stabilitatea în stare apoasă și în stare solidă este esențială, deoarece reactivitatea poate apărea prin hidroliza motivelor glicozidice sau a celor cu legătură fosfat și deoarece temperaturile de procesare pot depăși pragurile de tranziție în stare solidă care preced descompunerea rapidă.[4, 6]
În cazul polifenolilor și al substanțelor active botanice înrudite, constrângerile de stabilitate includ autooxidarea, epimerizarea și oxidarea enzimatică la chinone, care sunt sensibile la temperatură, pH, ioni metalici și disponibilitatea oxigenului în timpul procesării.[17]
O implicație practică este aceea că proiectarea procesului de fabricație nu se poate baza exclusiv pe temperatura nominală a masei de material; în schimb, aceasta trebuie să integreze (i) indicatori termodinamici, cum ar fi tranziția vitroasă, topirea și debutul descompunerii și (ii) modele cinetice care surprind dependența degradării de timp, temperatură, pH, oxigen și (acolo unde este măsurabil) aportul de energie mecanică.[4, 9, 10, 14, 15]
Lucrarea de față sintetizează dovezi cantitative privind compuși reprezentativi pentru longevitate și compuși bioactivi înrudenți, pentru care sursele incluse oferă tranziții termodinamice și/sau parametri cinetici expliciți, și corelează aceste date cu profilurile de stres ale operațiilor unitare cu forfecare înaltă, inclusiv amestecarea cu forfecare înaltă, omogenizarea/microfluidizarea la înaltă presiune, măcinarea mecanochimică și uscarea prin pulverizare.[1, 14, 15, 20]
2. Cadru termodinamic
Stabilitatea termodinamică în contextul producției este evaluată operațional utilizând evenimente termice măsurabile (DSC/TGA) și descriptori de stare (de exemplu, amorf vs. cristalin; temperatura de tranziție sticloasă) care indică momentul în care un compus sau o formulare trece în stări cu mobilitate moleculară mai mare și, prin urmare, cu rate de reacție mai mari sau mecanisme diferite.[4, 9, 15]
2.1 Energia liberă Gibbs și stabilitatea de fază
Mai multe surse incluse calculează explicit variațiile energiei libere Gibbs pentru procesele de degradare sau distrugere termică, oferind o măsură termodinamică a fezabilității în condiții specifice.[8, 19]
Pentru boratul de NR, spontaneitatea degradării a fost evaluată prin calculul energiei libere Gibbs, ΔG fiind raportată ca 2.43 kcal·mol⁻¹.[19]
Pentru rutină și esterii de rutină cu acizi grași în condiții pirolitice, valorile ΔG au fost pozitive (84–245 kJ·mol⁻¹), alături de valori pozitive ale ΔH (60–242 kJ·mol⁻¹), indicând un profil de piroliză endoterm și nespontan în analiza raportată.[8]
În termeni de formalism cinetic, mai multe surse aplică, de asemenea, relații de stare de tranziție și energie liberă, cum ar fi utilizarea pentru a interpreta activarea hidrolizei într-un sistem complex de spiroborat de curcumină.[21]
2.2 Tranziția sticloasă, topirea și debutul descompunerii
DSC și TGA oferă markeri complementari ai riscului de proces: evenimentele de topire sau înmuiere pot crește brusc difuzia și pot permite o conversie chimică rapidă, iar debutul pierderii de masă determinat prin TGA poate indica începutul descompunerii ireversibile chiar și în stare solidă aparentă.[4, 9, 15]
Pentru NRCl, DSC indică un debut al topirii la 120.7 ± 0.3 °C și un vârf de topire la 125.2 ± 0.2 °C, urmat imediat de un eveniment exoterm accentuat, cu un maxim la 130.8 ± 0.3 °C.[4]
În concordanță cu secvența evenimentelor DSC, cuantificarea prin qNMR arată o degradare limitată la 115 °C (2%) dar o pierdere rapidă în și peste regiunea de topire (7% la 120 °C; 55% la 125 °C; 98% la 130 °C; doar 0.45% NR rămas la 140 °C).[4]
Pentru NMN, o sursă raportează că acest compus se descompune în loc să prezinte o tranziție clară de topire, descompunerea începând la 160 °C și finalizându-se la 165 °C, cu un vârf endoterm DSC la 162 °C și o entalpie de descompunere de 184 kJ·mol⁻¹.[6]
Pentru quercetină, interpretarea combinată DSC/TGA indică faptul că un efect endoterm DSC intens (maxim la 303 °C) este adesea atribuit în mod eronat topirii, în timp ce TGA indică faptul că descompunerea începe la 230 °C, iar efectul endoterm se suprapune cu o pierdere continuă de masă; „căldura de fuziune” raportată pentru vârful de la 303 °C este de 69–75 kJ·mol⁻¹.[9]
Pentru fisetină, TGA arată o pierdere minoră de masă (~5%) atribuită evaporării apei din proba cristalină și un eveniment major de pierdere de masă (~30.6%) la 369.6 °C atribuit descompunerii moleculei.[15]
Pentru curcumină sub azot inert, un studiu raportează că curcumina brută prezintă un proces complex de descompunere care începe în jurul valorii de 240 °C (5% pierdere de masă), cu un vârf DTGA la 347 °C și 37% reziduu rămas la 600 °C (la 10 °C·min⁻¹).[18]
2.3 Stabilitatea amorfă și cristalină
Formulările amorfe pot îmbunătăți solubilitatea și biodisponibilitatea, dar pot modifica comportamentul termic și stabilitatea prin creșterea mobilității moleculare în raport cu formele cristaline, făcând din temperatura de tranziție sticloasă (Tg) un parametru critic de stabilitate.[15, 16]
Dispersiile solide amorfe (ASDs) de fisetină preparate mecanochimic prezintă valori Tg măsurabile în a doua scanare de încălzire și demonstrează deplasări compoziționale ale Tg în concordanță cu miscibilitatea: Eudragit® L100/EPO brut prezintă Tg de 147.1/55.4 °C, în timp ce ASDs de fisetină prezintă valori Tg cum ar fi 144.2/71.8 °C și 145.9/76.7 °C în funcție de polimer și de încărcarea cu substanță activă.[15]
Pentru nanobureții de resveratrol și oxiresveratrol, DSC arată că endotermul de topire al resveratrolului (266.49 °C) dispare în formulările de nanobureți, ceea ce autorii atribuie încapsulării și posibilei amorfizări a moleculelor de medicament în matricea nanobureților.[16]
Pentru quercetină, se propune ca legăturile de hidrogen atât să limiteze înmuierea asemănătoare topirii, cât și să faciliteze descompunerea prin slăbirea legăturilor, iar interpretarea combinată DSC/TGA concluzionează că quercetina nu se topește pur și simplu, ci suferă un proces suprapus de descompunere și relaxare structurală/înmuiere în intervalul 150–350 °C.[9]
3. Modele și parametri ai cineticii de degradare
Sursele incluse utilizează o gamă de modele cinetice (de ordinul întâi, pseudo-ordinul întâi, de ordin superior sau forme sigmoidale) și tratamente ale dependenței de temperatură (comportament Arrhenius și, în unele cazuri, non-Arrhenius), adesea motivate de dependența de pH și de degradarea complexă pe căi multiple.[4, 7, 22]
3.1 Modele de ordin de reacție
O referință utilizată pe scară largă pentru degradarea în soluție este modelul integrat de ordinul întâi, care apare în mai multe studii incluse ca o potrivire primară pentru datele concentrație-timp în condiții controlate de pH și temperatură.[4, 11, 12]
Pentru NRCl în soluții apoase tamponate, degradarea este descrisă ca fiind de pseudo-ordinul întâi, iar această formă de pseudo-ordin întâi este justificată de sistemele tampon care mențin concentrațiile de OH⁻/H₃O⁺ într-un exces mare și aproximativ constante în raport cu concentrația de NR.[4, 23]
Pentru fisetin și quercetin în tampon fosfat, rezultatele raportate sunt prezentate ca constante ale ratei de degradare de ordinul întâi k (h⁻¹) care cresc puternic cu pH-ul și temperatura.[24]
Pentru quercetin la 90 °C în apropierea pH-ului neutru (6.5–7.5), a fost implementat și comparat un model sigmoidal cu un model de ordinul întâi, modelul sigmoidal oferind valori k de 2.3–2.5× mai mari decât potrivirile de ordinul întâi și o interpretare diferită a timpului de înjumătățire la pH 7.5.[22]
Pentru markerii de extracte vegetale uscate prin pulverizare, au fost raportate diferite ordine de reacție aparente în funcție de sistemele de excipienți, inclusiv modele de ordinul zero și de ordinul doi pentru kaempferol (în cadrul sistemelor binare de excipienți) și un model de ordinul doi pentru quercetin în prezența diferiților excipienți.[20]
3.2 Tratamente Arrhenius și Eyring
Dependența de temperatură este frecvent modelată prin expresii de tip Arrhenius, iar mai multe surse calculează explicit energiile de activare pentru a parametriza predicțiile privind perioada de valabilitate și expunerea termică din timpul procesului.[4, 10, 12]
Pentru degradarea NRCl în soluție apoasă, energiile de activare Arrhenius raportate sunt de 75.4 (±2.9) kJ·mol⁻¹ la pH 2.0, 76.9 (±1.1) kJ·mol⁻¹ la pH 5.0 și 82.8 (±4.4) kJ·mol⁻¹ la pH 7.4.[4]
Pentru trans-resveratrol la pH 7.4, analiza Arrhenius este raportată ca log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) cu o energie de activare calculată de 84.7 kJ·mol⁻¹.[12]
Pentru curcumin în amestec tampon/metanol la pH 8.0, analiza Arrhenius între 37–60 °C oferă Ea=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹.[10]
Pentru curcumin în medii apoase relevante pentru GI, reprezentările grafice Arrhenius arată o liniaritate ridicată în intervalul 37–80 °C (valorile r² fiind raportate ca fiind 0.9967, 0.9994, 0.9886 pentru diferite medii), cu energii de activare raportate ca fiind 16.46, 12.32 și, respectiv, 9.75 kcal·mol⁻¹ pentru pH 7.4, pH 6.8 și 0.1 N HCl.[11]
Analiza Eyring apare, de asemenea, în studiul de descompunere hidrolitică a unui curcumin spiroborate ester (CBS), unde se raportează că o reprezentare grafică Eyring arată o relație liniară cu o corelație de 0.9988.[21]
3.3 Metode izoconversionale și independente de model
Mai multe studii de degradare termică aplică metode izoconversionale (de exemplu, KAS, FWO, Friedman) pentru a calcula energiile de activare dependente de conversie și, astfel, pentru a identifica descompunerea în mai multe etape și modificările de mecanism.[8, 18, 25]
Pentru rutin și rutin fatty-acid esters, energiile de activare variază substanțial cu gradul de conversie în intervalul 0.05 < α < 0.90, cu intervale raportate de la 65 la 246 kJ·mol⁻¹; autorii interpretează acest lucru ca o dovadă a faptului că degradarea termică decurge printr-un proces complex, cu etape multiple.[8]
Pentru resveratrol–β-cyclodextrin clathrates, energia de activare crește cu gradul de transformare, fiind raportate creșteri de la 110 la 130 kJ·mol⁻¹ (metoda OFW) și de la 120 la 170 kJ·mol⁻¹ (metoda Friedman), ceea ce este interpretat ca indicând o schimbare în mecanismul de reacție pe măsură ce descompunerea progresează.[25]
Pentru sisteme polimerice încărcate cu curcumin sub azot, energiile de activare derivate prin abordări multiple (Kissinger, KAS, Friedman și potrivirea modelelor) arată magnitudini în linii mari consistente (de exemplu, 71 ± 5 kJ·mol⁻¹ prin Kissinger; 77 ± 2 prin KAS; 84 ± 3 prin Friedman), iar selecția modelului indică un model cinetic F1 cu energii în intervalul 73–91 kJ·mol⁻¹.[18]
3.4 Degradare cuplată termo-mecanică și oxidativă
Operațiunile de producție cu forfecare înaltă pot cupla disiparea energiei mecanice cu încălzirea locală și transferul intensificat de oxigen, amplificând astfel căile determinate de oxidare în bioactivele sensibile la oxigen.[13, 14, 17]
În omogenizarea cu forfecare ridicată a unui sistem de băutură, temperatura de ieșire crește semnificativ odată cu viteza de rotație (de exemplu, de la 4.1 ± 0.7 °C la 0 rpm la 41 ± 1.2 °C la 20,000 rpm), iar la cea mai mare viteză ascorbic acid este redus cu 42.6%, ceea ce este în concordanță cu faptul că degradarea este favorizată de temperatura ridicată și de oxidare.[13]
În omogenizarea la înaltă presiune (HPH), mecanismul de procesare este atribuit în mod explicit distribuției efortului de forfecare la orificiul supapei, unde mișcarea fluidului este perturbată, și unor fenomene suplimentare, cum ar fi cavitația, turbulența, coliziunea și impactul, care împreună creează un stres mecanic intens și potențial oxidativ.[14]
Cuplajul oxidativ este demonstrat, de asemenea, în experimente de oxidare termică pentru quercetin: la 150 °C, degradarea quercetin se desfășoară mai rapid sub oxigen decât sub azot (constantele de viteză fiind de 0.868 h⁻¹ vs 0.253 h⁻¹) și este puternic accelerată atunci când cholesterol și oxigenul sunt prezente (constanta de viteză fiind de 7.17 h⁻¹), în concordanță cu cuplajul în lanț radicalic între formarea de cholesterol hydroperoxide și degradarea quercetin.[26]
Pentru NRH, oxigenul și temperatura exercită un control puternic: la 25 °C în DI water rata de degradare raportată este de 1.27×10⁻⁷ s⁻¹ sub aer (timp de înjumătățire de 63 zile) comparativ cu 5.90×10⁻⁸ s⁻¹ sub N₂ (timp de înjumătățire de 136 zile), iar autorii afirmă că NRH poate fi oxidat în prezența oxigenului și hidrolizează rapid în condiții acide.[5]
4. Evaluarea claselor de compuși
Sinteza axată pe compuși de mai jos evidențiază parametrii cinetici și termodinamici cuantificați care pot fi utilizați direct în modelele de fabricație, inclusiv energiile de activare, constantele de viteză, timpii de înjumătățire, temperaturile de debut ale descompunerii și constrângerile legate de tranziția vitroasă sau topire.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 Precursori NAD⁺
Stabilitatea precursorilor NAD⁺ este puternic condiționată de susceptibilitatea la hidroliză și de toleranța scăzută la anumite tranziții termice (în special pentru NRCl în regiunea de topire) și la oxidarea indusă de oxigen (în special pentru formele reduse, cum ar fi NRH).[4, 5]
NRCl prezintă o cinetică de degradare de pseudo-ordinul întâi în soluții apoase și manifestă energii de activare care variază în funcție de pH (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹), ceea ce codifică cantitativ atât sensibilitatea termică, cât și dependența de pH a căii dominante de hidroliză.[4]
O bază mecanicistă este propusă ca fiind hidroliza catalizată de baze, în care NR scade în timp ce nicotinamide (Nam) și zaharurile se acumulează, și sunt prezentate dovezi de bilanț molar care indică faptul că pentru fiecare moleculă de NR care se degradează, se formează o moleculă de nicotinamide și una de zahăr.[4]
În fluidele GI simulate la temperatură fiziologică și agitare (paletă USP II la 75 rpm și 37 °C), NRCl prezintă o pierdere relativ limitată pe termen scurt (de exemplu, ~97–99% rămas după 2 h în mediu gastric), dar o scădere măsurabilă pe termen mai lung într-o simulare de 24 h (79.18 ± 2.68% rămas la 24 h, cu 90.51 ± 0.82% rămas la 8 h).[4]
În stare solidă, NRCl prezintă un interval îngust de temperatură între debutul topirii și descompunerea rapidă: DSC raportează debutul topirii la 120.7 ± 0.3 °C și un eveniment exoterm ulterior la ~130.8 °C, în timp ce qNMR cuantifică o creștere bruscă a degradării de la 2% la 115 °C la 98% la 130 °C.[4]
O sursă încadrează în mod explicit aceste date ca oferind o „limită superioară explicită de temperatură pentru procesarea NRCl” care poate afecta producția de suplimente în toate etapele, subliniind relevanța pragurilor DSC/qNMR drept constrângeri stricte în operațiunile la cald.[4]
NR borate introduce o strategie de stabilizare motivată de reactivitatea NR: NR este descris ca având o legătură glicozidică deosebit de instabilă care unește un heterociclu de piridiniu încărcat pozitiv cu un carbohidrat, ceea ce îl face dificil de sintetizat, depozitat și transportat, iar stabilizarea cu borat este descrisă ca având o stabilitate ridicată împotriva degradării termice și chimice.[19]
Din punct de vedere cantitativ, solubilitatea NR borate este puternic dependentă de pH (de exemplu, 1972.7 ± 15.4 mg·mL⁻¹ la pH 1.5; 926.0 ± 34.4 mg·mL⁻¹ la pH 7.4), iar modelul Arrhenius este raportat ca prezentând rate de degradare mai mari la pH 7.4 decât la pH 1.5 sau 5.0, în concordanță cu influența concentrației de HO⁻.[19]
Aceeași analiză raportează o energie liberă Gibbs de degradare a NR borate de 2.43 kcal·mol⁻¹ și notează că o creștere cu 10 °C dublează aproximativ rata de degradare în orice condiții de pH, reflectând o sensibilitate la temperatură observată și pentru NRCl.[4, 19]
NRH prezintă o sensibilitate pronunțată la pH și oxigen: este raportată o degradare completă în mai puțin de o zi la pH 5, în timp ce la pH 9 probele prezintă o degradare de ~42–45% după 60 zile, iar la 25 °C în DI water sub aer este raportată o degradare de ~50% după 60 zile, comparativ cu ~27% sub N₂.[5]
Această sensibilitate la oxigen este atribuită din punct de vedere mecanicist oxidării în prezența oxigenului și hidrolizei accelerate în condiții acide, în concordanță cu descrierea NRH ca fiind o moleculă instabilă din cauza legăturii sale N-glicozidice și capabilă de degradare, hidroliză și oxidare.[5]
Pentru NMN, markerii termodinamici cantitativi în stare solidă includ debutul raportat al descompunerii la 160 °C și finalizarea acesteia la 165 °C (cu un vârf endoterm DSC la 162 °C și o entalpie de descompunere de 184 kJ·mol⁻¹) și date de stabilitate accelerată care raportează o rată de descompunere de 0.8% pe lună la 40 °C și 75% RH.[6]
În soluție apoasă, degradarea NMN este raportată ca fiind de prim ordin aparent la temperatura camerei, cu o ecuație cinetică lg(Ct)=0.0057t+4.8172 și timpi raportați t0.9=95.58 h și t1/2=860.26 h, iar studiul precizează că rata de degradare este influențată în principal de temperatura ridicată și de pH.[27]
Pentru a susține constrângerile practice de formulare, o sursă axată pe produs recomandă încorporarea sub 45 °C pentru a preveni degradarea termică a legăturii fosfodiesterice și raportează o degradare mai mică de 5% în testele de stabilitate accelerată la 40 °C/75% RH timp de 3 luni pentru sisteme cu conținut scăzut de apă formate corespunzător.[28]
Calea principală de degradare a NMN este descrisă ca fiind hidroliza legăturii fosfodiesterice, rezultând nicotinamide și ribose-5-phosphate, cu dependențe de pH descrise ca hidroliză catalizată de acizi sub pH 4.5 și scindare mediată de baze peste pH 7.5.[28]
4.2 Stilbenoide
Stilbenoidele includ resveratrolul și compușii înrudiți care prezintă o degradare puternic dependentă de pH și oxigen, iar stabilitatea acestora în formulările reale poate devia de la simpla extrapolare Arrhenius din cauza efectelor de matrice și a căilor multiple.[7, 12, 29]
În sistemele apoase, se raportează că trans-resveratrol este stabil la pH acid, în timp ce degradarea crește exponențial peste pH 6.8, iar timpul de înjumătățire scade de la 329 days la pH 1.2 la 3.3 minutes la pH 10.[12]
La pH 7.4, cinetica degradării trans-resveratrol urmează o cinetică de ordinul întâi pe întregul interval de temperaturi investigate, iar energia de activare este raportată ca fiind 84.7 kJ·mol−1.[12]
Se oferă o explicație mecanicistă conform căreia, la pH acid, grupările hidroxil sunt protejate de oxidarea radicalică de către ionii H₃O⁺ încărcați pozitiv, în timp ce în condiții alcaline ionii fenat cresc susceptibilitatea la oxidare și la formarea de radicali fenoxi, iar oxigenul din mediu promovează reacțiile radicalice care duc la degradare.[12]
Experimente independente de stabilitate termică în soluție apoasă (19 mg·L−1) nu raportează modificări spectrale semnificative după 30 min până la 70 °C, în timp ce temperaturile mai ridicate duc la o scădere generală a absorbanței la 304 nm și la o absorbanță scăzută în intervalul 270–350 nm, indicând o distrugere indusă termic în condiții hidrotermale.[30]
Interpretarea mecanicistă a acelor experimente hidrotermale propune scindarea oxidativă a legăturii duble și formarea de produși de degradare care conțin fenol, cum ar fi hidroxialdehide, alcooli și hidroxiacizi, iar benzile FTIR sunt interpretate ca fiind în concordanță cu formarea de aldehide și acizi carboxilici la 100–120 °C.[30]
În matricele de comprimate, se raportează că degradarea resveratrolului urmează o cinetică monoexponențială de ordinul întâi, cu valori k de 0.07140, 0.1937 și 0.231 months−1 la 25, 30 și, respectiv, 40 °C, însă relația ln(k) vs 1/T este neliniară și clasificată ca super-Arrhenius, autorii propunând posibile reacții secundare, căi de reacție multiple sau efecte de matrice la temperaturi mai ridicate.[7]
Aceeași lucrare subliniază că extrapolarea Arrhenius nu permite întotdeauna determinarea cineticii de degradare pentru resveratrol în suplimente și că testele accelerate pot duce la estimări incorecte, inclusiv la supraestimarea degradării.[7]
Pentru compușii fenolici de tip stilbenic în sisteme uscate, tratamentele termice, cum ar fi sterilizarea cu abur la 121 °C timp de 20 min, produc pierderi măsurabile (de exemplu, pinosylvin a scăzut cu 20.98% raportat la aria picului), iar uscarea în cuptor timp de 24 h la 105 °C produce scăderi de >50% ale ariei picului pentru mai mulți compuși fenolici, în timp ce TGA indică temperaturi de debut ale descompunerii de peste ~200 °C pentru sistemele cu pinosylvin.[31]
4.3 Flavonoids
Flavonoidele prezintă o sensibilitate la degradare pe căi multiple, influențată de pH, temperatură, oxygen și interacțiunile din formulare, cum ar fi legarea de proteine, iar comportamentul lor termic în DSC/TGA poate implica descompunere și înmuiere suprapuse, mai degrabă decât o simplă topire.[9, 22, 24]
În soluții tamponate, creșterea pH-ului mediului de la 6.0 la 7.5 mărește constantele vitezei de degradare pentru fisetin și quercetin de 24 de ori, respectiv de 12 ori (de exemplu, k pentru fisetin de la 8.30×10−3 la 0.202 h−1; k pentru quercetin de la 2.81×10−2 la 0.375 h−1), iar creșterea temperaturii peste 37 °C mărește substanțial k (de exemplu, k pentru fisetin la 0.490 h−1 la 65 °C; k pentru quercetin la 1.42 h−1 la 65 °C).[24]
Co-ingredientele proteice pot atenua degradarea: odată cu adăugarea de proteine, valorile măsurate ale k scad, inclusiv k pentru fisetin, care scade de la 3.58×10−2 la intervale ce ajung până la 1.76×10−2 h−1, și k pentru quercetin, care scade de la 7.99×10−2 la intervale ce ajung până la 3.80×10−2 h−1.[24]
Din punct de vedere mecanicist, instabilitatea chimică a flavonoidelor este atribuită grupărilor hidroxil și unei structuri pironice instabile, iar stabilizarea prin proteine este atribuită în principal interacțiunilor hidrofobe (SDS perturbând stabilizarea), contribuțiile legăturilor de hidrogen fiind evidențiate ca necesitând analize cantitative viitoare.[24]
Pentru quercetin la 90 °C în condiții apropiate de neutralitate, cinetica de degradare prezintă efecte puternice ale pH-ului: k crește de aproximativ cinci ori de la pH 6.5 la 7.5, fiind detectați intermediari de oxidare cum ar fi quercetin quinone, cu produși finali tipici ce includ protocatechuic acid (PCA) și phloroglucinol carboxylic acid (PGCA).[22]
Descrierea mecanicistă atribuie prima pierdere măsurabilă la 370 nm conversiei quercetin în quinone și sugerează că clivarea scheletului de quinone generează compuși fenolici mai simpli cu absorbanță limitată, în timp ce deprotonarea alcalină accelerează oxidarea, afectând structura o-difenolică a inelului C și a inelului B.[22]
În sistemele la temperatură înaltă (150 °C), degradarea și oxidarea quercetin se desfășoară rapid, cu constante de viteză raportate de 0.253 h−1 în nitrogen și 0.868 h−1 în oxygen și o accelerare puternică (7.17 h−1) în oxygen plus cholesterol; experimental, pierderea de quercetin crește de la 7.9% la 10 min (N₂) la 20.4% la 10 min (O₂), în timp ce în cholesterol + oxygen, quercetin scade la 10.9% din cantitatea rămasă după 10 min.[26]
Analiza termică indică, de asemenea, că quercetin prezintă un mic pic endoterm în intervalul 90–135 °C, asociat cu o pierdere mică de masă (0.86 ± 0.33 wt.%), descompunerea inițiindu-se la 230 °C, iar un semnal endoterm DSC proeminent la 303 °C se suprapune cu descompunerea; se susține că legăturile de hidrogen constrâng comportamentul asemănător topirii și, în același timp, facilitează descompunerea prin slăbirea legăturilor chimice.[9]
Pentru rutin (un quercetin glycoside) și esterii săi de acizi grași, TGA indică faptul că rutin este stabil termic până la 240 °C, în timp ce esterii prezintă temperaturi inițiale de degradare mai scăzute (217–220 °C) și o pierdere de masă mai mare într-o etapă majoră, iar energiile de activare variază în funcție de gradul de conversie de la 65 la 246 kJ·mol−1.[8]
4.4 Curcuminoide
Degradarea curcuminului este puternic dependentă de pH și implică căi oxidative în numeroase condiții apoase, în timp ce descompunerea termică și interacțiunile de formulare pot modifica debutul degradării și parametrii cinetici aparenți.[10, 18, 32]
În amestecuri tampon/metanol la 37 °C, se raportează că degradarea curcuminului urmează o cinetică de ordinul întâi, k_obs crescând dramatic pe măsură ce pH-ul crește (de exemplu, 3.2×10−3 h−1 la pH 7.0 față de 693×10−3 h−1 la pH 12.0), în timp ce la pH 5.0 curcuminul este stabil în experimentele raportate.[10]
La pH 8.0, analiza Arrhenius indică (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1, iar extrapolarea la un tampon apos sugerează o pierdere rapidă în condiții oxidante (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]
Nanoformulările micelare încetinesc dramatic degradarea: în micelele polimerice și micelele Triton X-100 la pH 8.0 și 37 °C, valorile k_obs raportate scad la 0.9×10−3 și 0.6×10−3 h−1, cu timpi de înjumătățire de 777 ± 87 h și 1100 ± 95 h, despre care se afirmă că sunt de ~300–500 de ori mai mari decât în cazul curcuminului liber în tampon apos.[10]
Din punct de vedere mecanic, lucrarea inclusă susține că degradarea curcuminului nu se produce prin scindare hidrolitică a lanțului, ci prin oxidare, rezultând o bicyclopentadione ca produs final, degradarea a 1 mol de curcumin fiind asociată cu consumul a 1 mol de O₂ și având ca primă etapă deprotonarea grupărilor hidroxil la un pH de peste 7.0.[10]
Un studiu separat de stabilitate relevant pentru GI raportează o cinetică aparentă de ordinul întâi cu liniaritate ridicată (r² > 0.95) și oferă energii de activare (în kcal·mol−1) care variază în funcție de mediu (mai mari la pH 7.4 decât în 0.1 N HCl), raportând că, după 12 h la 37 °C, peste 80% a rămas în 0.1 N HCl, dar numai 57% și, respectiv, 47% au rămas în tampoane fosfat cu pH 6.8 și 7.4.[11]
La temperaturi ridicate (180 °C), experimentele de prăjire indică o termolabilitate extremă, doar 30% din curcuminul inițial rămânând după 5 minute, iar interpretarea mecanică corelează scindarea oxidativă cu statutul de intermediar al ferulic acid și cu o etapă de decarboxilare accelerată de expunerea la aer și de temperaturile mai ridicate.[33]
Studiile de descompunere termică ale curcuminului și ale sistemelor polimerice care conțin curcumin sub azot prezintă un comportament complex: descompunerea curcuminului brut începe în jurul valorii de 240 °C, în timp ce încorporarea curcuminului în amestecuri de PGA/PCL deplasează maximul de degradare al PGA către temperaturi mai scăzute (de exemplu, de la 372 °C pentru amestecul pur la 327 °C la 5% curcumin), ceea ce sugerează că încorporarea curcuminului poate reduce stabilitatea termică a matricei.[18]
Același studiu axat pe polimeri corelează aceste rezultate cu relevanța pentru procesul de fabricație, afirmând că procesarea în stare topită necesită garantarea atât a stabilității chimice a matricei polimerice, cât și a activității biologice a medicamentelor încorporate și că procesarea amestecurilor de PGA sau PGA/PCL cu curcumin ar trebui realizată la o temperatură cât mai scăzută posibil pentru a preveni degradarea PGA.[18]
Stabilizarea curcuminului în condiții de emulsionare cu forfecare înaltă este, de asemenea, cuantificată în emulsii Pickering preparate cu ajutorul unui mixer cu forfecare înaltă la 22,000 rpm timp de 2 min: depozitarea la 20 °C la întuneric arată că, într-un amestec curcumin-ulei neîncapsulat, aproximativ jumătate din curcumin este degradat după 6 zile și doar 20% mai rămâne după 16 zile, în timp ce un sistem de emulsie Pickering păstrează ~50% după 16 zile și prelungește timpul de înjumătățire de la 13 zile la 28 de zile.[1]
Sub expunere la UV (6 W, 365 nm), același sistem prezintă o degradare de ~50% după 9 h și doar 20% rămase după 24 h pentru amestecul de ulei, în timp ce emulsia Pickering păstrează ~70% după 9 h și ~45% după 24 h și prelungește timpul de înjumătățire de la ~13 h la ~27 h pentru o pierdere de 50%.[1]
4.5 Tabel centralizator
Tabelul de mai jos centralizează parametri cinetici și termodinamici reprezentativi raportați pentru diverse clase de compuși, punând accent pe valorile direct utilizabile pentru modelarea proceselor.
| Compound or system | Condition | Kinetic or thermodynamic parameter | Notes for processing models |
|---|---|---|---|
| NRCl | Tampoane apoase (pH 2.0, 5.0, 7.4), modelul Arrhenius | (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] | Susține modelarea accelerării prin temperatură și spațiul de proiectare dependent de pH[4] |
| NRCl | DSC și qNMR (încălzire uscată) | Temperatură de debut a topirii prin DSC 120.7 ± 0.3 °C; vârf exoterm de descompunere 130.8 ± 0.3 °C[4]; degradare 55% la 125 °C și 98% la 130 °C[4] | Indică o fereastră îngustă de siguranță pentru operațiunile în stare solidă cu încălzire, în apropierea punctului de topire[4] |
| NRH | Apă DI la 25 °C, aer vs N₂ | k=1.27×10−7 s−1 (aer; t_(1/2)=63 d) vs 5.90×10−8 s−1 (N₂; t_(1/2)=136 d)[5] | Controlul oxigenului poate dubla cu aproximație timpul de înjumătățire în condițiile testate[5] |
| NMN | Soluție apoasă, temperatura camerei | Ordinul întâi aparent: lg(C_t)=0.0057t+4.8172; t_(0.9)=95.58 h; t_(1/2)=860.26 h[27] | Permite estimarea pierderii de potență pe parcursul etapelor de menținere în mediu apos[27] |
| trans-Resveratrol | Dependență de pH | Timp de înjumătățire 329 d la pH 1.2 vs 3.3 min la pH 10[12] | Este necesar un control riguros al pH-ului în timpul procesării în mediu apos și al testării dizolvării[12] |
| trans-Resveratrol | Arrhenius la pH 7.4 | (E_a)=84.7 kJ·mol−1[12] | Utilizat pentru modelarea la temperaturi moderate; se recomandă prudență în cazurile în care se manifestă un comportament non-Arrhenius în matrice[7, 12] |
| Resveratrol tablets | 25–40 °C, 60–75% RH | k=0.07140, 0.1937, 0.231 months−1 (25, 30, 40 °C)[7] | Deviază de la modelul Arrhenius (super-Arrhenius), limitând extrapolarea testelor accelerate[7] |
| Fisetin, quercetin | Tampon fosfat | Creșterea pH-ului de la 6.0→7.5 mărește k de 24× (fisetin) și de 12× (quercetin)[24] | Evidențiază sensibilitatea la pH în timpul operațiilor unitare în mediu apos[24] |
| Curcumin | pH 8.0, Arrhenius | (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1[10] | Util pentru prezicerea sensibilității la temperatură în medii neutre-bazice[10] |
| Curcumin in micelles | pH 8.0, 37 °C | t_(1/2)=777±87 h și 1100±95 h (micele) vs 2.5 h (tampon apos liber)[10] | Demonstrează amploarea stabilizării bazate pe formulare pentru etapele de menținere/procesare[10] |
5. Operațiuni unitare de fabricare prin forfecare înaltă
Fabricarea prin forfecare înaltă expune compușii termolabili la câmpuri de stres mecanic care pot crește temperatura, transferul de oxigen și aria interfacială, afectând astfel atât cinetica de reacție, cât și mecanismele dominante, în special pentru bioactivele sensibile la oxigen și pH.[13, 14, 17]
5.1 Procesarea în stare topită
Procesarea în stare topită este evidențiată în sistemele polimer–medicament ca un scenariu în care trebuie conservate atât stabilitatea polimerului, cât și activitatea medicamentului, și se specifică în mod explicit că procesarea în stare topită implică garantarea stabilității chimice a matricei polimerice și a activității biologice a medicamentelor încorporate.[18]
În sistemul PGA/PCL–curcumin, încorporarea curcuminului afectează negativ stabilitatea termică a PGA, iar autorii recomandă procesarea la o temperatură cât mai scăzută posibil pentru a preveni degradarea PGA, corelând caracterizarea stabilității termice cu proiectarea procesului.[18]
5.2 Omogenizarea la înaltă presiune și microfluidizarea
Omogenizarea la înaltă presiune supune fluidele la un stres mecanic ridicat atunci când acestea curg printr-o supapă cu fantă îngustă; la nivelul orificiului, fluidul este supus unei acțiuni de forfecare, iar fenomene suplimentare precum cavitația, turbulența, coliziunea și impactul contribuie la efectele de forfecare.[14]
HPH funcționează la presiuni ridicate de peste 100 MPa și poate genera presiuni de până la 400 MPa, iar presiunea aplicată, numărul de cicluri/treceri și temperatura de admisie sunt descrise ca factori-cheie care afectează extractibilitatea și stabilitatea fitochimicelor.[14]
Din punct de vedere cantitativ, analiza HPH raportează exemple de modificări compoziționale, cum ar fi scăderile treptate ale acidului L-ascorbic (1.7%, 4.6%, 10.7%) la 100, 200, 300 MPa și scăderile polifenolilor (de exemplu, 10.6%, 6.0%, 1.4%) în sucul de mere la 100, 200, 300 MPa, ilustrând faptul că nivelul de presiune se poate corela cu pierderile de compuși sensibili la oxidare, în funcție de matrice și de activitatea enzimatică.[14]
La scară de formulare, microfluidizarea poate produce emulsii stabile cu o retenție cuantificată a compușilor fenolici: pentru emulsiile W/O/W, condițiile optime ale microfluidizorului au fost raportate ca fiind 148 MPa și șapte cicluri, rezultând picături de 105.3 ± 3.2 nm și PDI 0.233 ± 0.020, iar după 35 de zile retenția compușilor fenolici a fost de 68.6% cu o retenție a activității antioxidante de 89.5%.[2]
Un studiu separat de încapsulare raportează o abordare combinată de forfecare înaltă și microfluidizare: dispersiile lipozomale au fost omogenizate la 9500 rpm timp de 10 min și apoi trecute de cinci ori printr-un microfluidizor la 25,000 psi înainte de uscarea prin pulverizare, demonstrând că secvențele realiste din punct de vedere industrial pot combina forfecarea și uscarea termică ulterioară.[3]
Analizele privind omogenizarea la presiune ultra-înaltă (UHPH) subliniază forfecarea extremă și impacturile din interiorul supapei, fiind raportate condiții cum ar fi pomparea fluidelor la peste 200 MPa (de obicei 300 MPa) și un timp de rezidență în supapă mai mic de 0.2 s la Mach 3, cu nanofragmentarea microorganismelor, coloizilor și biopolimerilor la 100–500 nm.[34]
5.3 Amestecarea prin forfecare înaltă
Amestecarea prin forfecare înaltă este adesea utilizată ca etapă de pre-emulsionare sau dispersie și poate genera ea însăși creșteri semnificative de temperatură și medii oxidative, influențând astfel degradarea chiar înainte de operațiunile din aval.[13]
Într-un model de băutură, omogenizarea prin forfecare înaltă timp de 10 min la viteze de rotație în creștere a mărit temperatura de ieșire (de la 4.1 ± 0.7 °C la 0 rpm la 41 ± 1.2 °C la 20,000 rpm) și a fost asociată cu o pierdere substanțială de acid ascorbic (reducere de 42.6% la 20,000 rpm).[13]
Într-un sistem de emulsie Pickering cu curcumin, s-a utilizat amestecarea prin forfecare înaltă la 22,000 rpm timp de 2 min pentru a forma emulsii, după care îmbunătățirile stabilității au fost cuantificate prin degradare mai lentă și timp de înjumătățire prelungit atât în condiții de depozitare, cât și sub stres UV, corelând structurarea interfacială prin forfecare înaltă cu rezultatele stabilității chimice.[1]
5.4 Măcinarea mecanochimică
Procesarea mecanochimică (de exemplu, măcinarea cu bile) poate produce dispersii solide amorfe și poate altera stabilitatea prin modificarea formei în stare solidă, amestecarea la nivel molecular și facilitarea unor interacțiuni intermoleculare puternice, cum ar fi legăturile de hidrogen.[15]
Pentru ASDs și incluziunile de fisetin, măcinarea a fost efectuată la temperatura camerei cu o frecvență de 30 Hz și un timp de 20 min, iar analiza ulterioară TG/DSC a fost efectuată sub azot pentru a cuantifica stabilitatea termică și comportamentul Tg.[15]
5.5 Uscarea prin pulverizare
Uscarea prin pulverizare este descrisă ca fiind una dintre cele mai frecvent utilizate tehnici pentru producerea de extracte vegetale uscate, iar temperaturile ridicate din timpul uscării prin pulverizare sunt menționate ca având potențiale efecte dăunătoare asupra (poli)fenolilor termolabili.[3, 20]
Într-un studiu de încapsulare a polifenolilor, uscarea prin pulverizare a fost efectuată cu o temperatură a aerului de admisie de 150 ± 5 °C și o temperatură de ieșire de 90 ± 5 °C, în timp ce autorii afirmă că cantitatea de (poli)fenoli a scăzut din cauza expunerii la oxigen și căldură în timpul uscării prin pulverizare, motivând încapsularea pentru a conserva proprietățile funcționale.[3]
Într-un studiu de preformulare a extractului, condițiile de proces ale uscătorului prin pulverizare (temperatura de admisie, debitul de alimentare, proporția de dioxid de siliciu coloidal) au fost evaluate pentru efectele lor asupra răspunsurilor, iar metodele Arrhenius au fost utilizate pentru a determina parametrii cinetici de descompunere, inclusiv ordinul de reacție, timpul fracției descompuse și constanta de viteză.[20]
5.6 Tabel rezumat
Tabelul de mai jos rezumă profilurile de stres și exemplele de impact cantitativ raportate pentru operațiunile unitare care impun o forfecare înaltă și/sau o expunere termică intensă.
| Operațiune unitară | Descriptori de stres raportați | Exemple cantitative în sursele incluse | Implicații pentru substanțele active termolabile |
|---|---|---|---|
| Amestecarea prin forfecare înaltă | Viteza de rotație; creșterea temperaturii odată cu viteza[13] | Temperatura de ieșire crește la 41 ± 1.2 °C la 20,000 rpm (10 min)[13]; acidul ascorbic redus cu 42.6% la 20,000 rpm[13] | Încălzirea indusă de forfecare poate co-determina oxidarea și degradarea termică chiar și în absența încălzirii externe[13] |
| Omogenizarea la înaltă presiune | Presiune >100 MPa; forfecarea la nivelul supapei; cavitație/turbulență[14] | Scăderi ale polifenolilor raportate sub 100–300 MPa în sucuri (de exemplu, 10.6% la 100 MPa in sucul de mere)[14] | Necesită controlul temperaturii de admisie, al trecerilor, al oxigenului și al activității enzimatice pentru a limita pierderile determinate de oxidare[14] |
| Microfluidizarea | Presiunea și numărul de cicluri[2] | 148 MPa și șapte cicluri rezultă în picături de ~105 nm; retenția compușilor fenolici de 68.6% după 35 d de depozitare[2] | Permite sisteme de încapsulare cu picături mici care pot conserva compușii fenolici în timpul depozitării și, eventual, al procesării în aval[2] |
| UHPH | >200 MPa (de obicei 300 MPa); forfecare/impacturi extreme; timp de rezidență în supapă <0.2 s; temperatura locală a supapei adesea >75 °C[34] | Nanofragmentare la 100–500 nm specificată[34] | Timpul de rezidență extrem de scurt poate limita degradarea termică a moleculelor mici în ciuda încălzirii locale, însă efectele de forfecare/oxidare trebuie validate pentru fiecare compus în parte[34] |
| Măcinarea mecanochimică | Frecvența și timpul; amorfizarea și formarea de interacțiuni[15] | 30 Hz timp de 20 min a produs ASDs de fisetin cu valori Tg măsurabile și dovezi ale legăturilor de hidrogen[15] | Poate crea stări amorfe care modifică stabilitatea; Tg devine un parametru-cheie de control pentru depozitare/procesare[15] |
| Uscarea prin pulverizare | Temperaturile de admisie/ieșire; expunerea la oxigen/căldură[3] | Admisie de 150 ± 5 °C și ieșire de 90 ± 5 °C utilizate pentru pulberi de extract încapsulate[3] | Expunerea termică și oxidativă poate reduce (poly)fenolii; încapsularea protectoare poate îmbunătăți retenția și bioaccesibilitatea[3] |
6. Modele integrate stabilitate–proces
Sursele incluse oferă elemente fundamentale pentru un cadru predictiv integrat în care rezultatele privind stabilitatea sunt calculate pe baza istoricului termic al operațiilor unitare și a micromediilor fizico-chimice (pH, oxigen, activitatea apei), respectând în același timp pragurile de tranziție termodinamică.[4, 14]
6.1 Cartografierea timp–temperatură–forfecare
O abordare practică de cartografiere poate utiliza parametrii cinetici (k, (E_a), timp de înjumătățire) împreună cu profilurile de timp–temperatură măsurate sau deduse ale operațiilor unitare pentru a calcula conversia preconizată, utilizând în același timp pragurile de tranziție de stare (Tg, debutul topirii, debutul descompunerii) ca limite care pot modifica mecanismele sau pot crește vitezele.[4, 15]
De exemplu, un model în fază de soluție de pseudo-ordinul întâi pentru NRCl poate fi parametrizat utilizând energiile de activare Arrhenius (75.4–82.8 kJ·mol−1) și observația că o creștere cu 10 °C dublează cu aproximație k_obs, permițând transpunerea de la experimentele validate în soluții tampon la excursiile termice scurte din procesul de fabricare.[4]
Pentru curcumin, sensibilitatea la temperatură poate fi parametrizată utilizând (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 la pH 8.0 și dependența puternică raportată a k_obs de pH, care împreună permit estimarea pierderilor în timpul fazelor de stocare în mediu apos sau al etapelor de emulsionare la cald, unde pH-ul local este neutru-bazic.[10]
Pentru trans-resveratrol, prăbușirea timpului de înjumătățire determinată de pH (de la sute de zile la câteva minute pe măsură ce pH-ul crește) implică faptul că rezultatele privind stabilitatea în timpul procesării pot fi dominate de pH-ul micromediului mai degrabă decât de temperatura generală, iar modelarea Arrhenius la pH 7.4 poate fi utilizată pentru expuneri la temperaturi moderate cu (E_a)=84.7 kJ·mol−1.[12]
6.2 QbD și spațiul de proiectare
Interpretarea Quality-by-Design este susținută de studii care evaluează în mod explicit modul în care parametrii de proces și matricele de formulare modifică mecanismele de degradare, inclusiv de constatările conform cărora testarea accelerată poate eșua în estimarea termenului de valabilitate atunci când apar un comportament non-Arrhenius sau efecte de matrice.[7, 29]
Pentru comprimatele de resveratrol, concluzia că abordările Arrhenius pot supraestima degradarea în testele accelerate justifică definirea spațiilor de proiectare pe baza atât a înțelegerii mecaniciste, cât și a datelor obținute la temperaturi multiple, mai degrabă decât pe o singură condiție accelerată.[7, 29]
Pentru sistemele de markeri flavonoizi uscați prin pulverizare, se raportează în mod explicit că excipienții influențează ordinul cinetic și valorile timpului până la descompunerea unei fracții, indicând faptul că compoziția formulării face parte din spațiul de proiectare al stabilității, mai degrabă decât să reprezinte un fundal fix.[20]
6.3 PAT și specificitatea analitică
Monitorizarea precisă a procesului necesită specificitate analitică, deoarece produșii de degradare pot perturba analizele spectroscopice mai simple, în special în cazul polifenolilor.[12]
Pentru trans-resveratrol, specificitatea HPLC și UPLC este raportată ca fiind confirmată, în timp ce spectroscopia UV/VIS a generat concentrații fals crescute de trans-resveratrol în condiții în care acesta nu a fost stabil (pH alcalin, lumină, temperatură crescută), subliniind necesitatea unor metode indicatoare de stabilitate în analiza proceselor.[12]
7. Strategii de atenuare
Abordările de atenuare din sursele incluse pun accentul pe restricționarea expunerii la acceleratori cunoscuți (căldură, oxigen, pH ridicat, UV) și pe utilizarea unor arhitecturi de formulare care reduc mobilitatea moleculară, protejează interfețele sau plasează substanța activă în micromedii mai puțin reactive.[10, 13, 17]
7.1 Încapsulare și dispersii
Încapsularea în sisteme micelare sau particulare poate stabiliza substanțial compușii termolabili prin limitarea contactului cu apa, oxigenul și speciile reactive și prin modificarea accesibilității acid-bază a grupărilor funcționale cheie.[1, 10]
Pentru curcumin, solubilizarea micelară reduce k_obs la 0.6–0.9×10−3 h−1 și prelungește timpul de înjumătățire la 777–1100 h, iar această stabilizare este atribuită prevenirii deprotonării hidroxilului în interiorul unui nucleu micelar hidrofob, care este descrisă ca prima etapă a degradării.[10]
Emulsiile Pickering oferă o barieră fizică: prezența unei bariere fizice dense la interfață este descrisă ca împiedicând degradarea curcumin, iar din punct de vedere cantitativ, sistemul care formează bariera prelungește timpul de înjumătățire la depozitare de la 13 zile la 28 zile și timpul de înjumătățire sub acțiunea UV de la ~13 h la ~27 h.[1]
Sistemele purtătoare derivate din cyclodextrin oferă o altă strategie: clatrații de resveratrol–β-cyclodextrin prezintă evenimente termice, inclusiv eliberarea de apă în apropiere de 50 °C și evenimente de degradare la temperaturi mai ridicate, iar energiile libere de legare (de exemplu, −86 kJ·mol−1 prin MM/PBSA) cuantifică interacțiunile puternice de incluziune.[25]
Încapsularea în nanosponges a resveratrol elimină endotermul de topire DSC al acestuia și oferă fotoprotecție: resveratrol liber prezintă o degradare de 59.7% în decurs de 15 min sub expunerea la UV, în timp ce nanosponges cu resveratrol oferă o protecție de aproximativ două ori mai mare, în concordanță cu faptul că încapsularea previne expunerea directă la UV.[16]
Dispersiile solide amorfe pot fi proiectate prin măcinare mecanochimică, iar legăturile de hidrogen dintre fisetin și grupările esterice ale Eudragit® sunt identificate în mod explicit, oferind o bază mecanică pentru miscibilitate și o valoare Tg modificată, care pot stabiliza împotriva modificărilor dependente de cristalizare în comportamentul de dizolvare.[15]
7.2 Selecția excipienților și a purtătorilor
Selecția excipienților poate modifica mecanismele cinetice și rezultatele privind stabilitatea, așa cum s-a raportat în sistemele de extracte de plante uscate prin pulverizare, unde ordinul de reacție și timpii fracției descompuse diferă în funcție de amestecurile de excipienți, indicând o cinetică de degradare dependentă de excipient.[20]
Co-ingredientele proteice pot stabiliza flavonoidele prin interacțiuni hidrofobe, scăzând valorile k pentru fisetin și quercetin, iar perturbarea acestor interacțiuni de către SDS susține interpretarea conform căreia legarea hidrofobă este un mecanism cheie de stabilizare.[24]
7.3 Controale de inginerie a proceselor
Controalele de proces care reduc expunerea termică și contactul cu oxigenul sunt susținute direct de seturi de date multiple.[5, 18]
Pentru NRCl, dovezile DSC/qNMR indică faptul că depășirea regiunii de debut a topirii (~120–130 °C) poate produce o degradare extrem de rapidă, susținând limite superioare stricte pentru temperatură și timpul de rezidență în operațiunile în stare solidă încălzită.[4]
Pentru NRH, diferența dintre timpul de înjumătățire în aer și în N2 la 25 °C implică faptul că inertizarea și excluderea oxigenului pot fi semnificative, iar autorii raportează că probele sub o pernă de N2 la 4 °C nu prezintă nicio degradare detectabilă după 60 de zile, în timp ce probele la 4 °C în aer prezintă o degradare de ~10%.[5]
Pentru omogenizarea cu forfecare înaltă, observarea directă a faptului că creșterea rpm crește temperatura de evacuare și este asociată cu o pierdere mai mare de ascorbic acid sensibil la oxidare susține măsurile de inginerie care limitează încălzirea indusă de forfecare (de exemplu, mantale de răcire, timpi de amestecare mai scurți, adăugare în etape).[13]
Pentru uscarea prin pulverizare, afirmația că expunerea la oxigen și căldură reduce (poli)fenolii și că temperaturile ridicate pot fi dăunătoare pentru compușii fenolici termolabili susține opțiuni precum reducerea temperaturii de evacuare atunci când este fezabil și utilizarea încapsulării pentru a reduce sensibilitatea la oxidare și căldură.[3]
7.4 Antioxidanți și gestionarea oxigenului
Strategiile antioxidante și de gestionare a oxigenului sunt susținute mecanic în seturile de date privind polifenolii.[12, 22]
Pentru quercetin la 90 °C, antioxidanții cum ar fi cysteine reduc k, o concentrație de 200 µmol·L−1 cysteine producând o reducere a k de ~43% comparativ cu martorul, iar interpretarea mecanicistă are în vedere stabilizarea quercetin quinone și efectele de captare a radicalilor.[22]
Pentru trans-resveratrol, se raportează în mod explicit că oxigenul promovează reacțiile radicalice care duc la degradare, susținând utilizarea atmosferelor de procesare inerte sau a barierelor de oxigen, acolo unde este fezabil, pentru procesarea apoasă alcalină/neutră.[12]
În sistemele lipozomale, se raportează că resveratrol limitează oxidarea stigmasterol prin neutralizarea radicalilor liberi și se integrează în straturile duble lipidice crescând rigiditatea, reducând permeabilitatea la oxigen și agenți oxidanți, îmbunătățind astfel stabilitatea termică și oxidativă a sistemului.[35]
8. Discuție
În ansamblul bazei de dovezi sintetizate aici, cel mai puternic tipar cantitativ este acela că micromediul chimic (pH, oxigen, prezența apei) poate domina rezultatele privind stabilitatea chiar și la temperaturi modeste și că mai mulți compuși bioactivi prezintă discontinuități pronunțate ale stabilității la praguri specifice de tranziție termică.[4, 5, 12]
Pentru precursorii NAD+, setul de date NRCl evidențiază un regim dual: în soluție apoasă, hidroliza de pseudo-prim ordin poate fi modelată cu energii de activare Arrhenius și o creștere de aproximativ două ori a ratei per 10 °C, în timp ce în stare solidă o regiune îngustă în jurul a 120–130 °C corespunde topirii urmate imediat de o descompunere rapidă.[4]
Pentru resveratrol, un risc major de proces decurge din sensibilitatea la pH: timpul de înjumătățire scade dramatic de la durate lungi la pH acid la câteva minute la pH ridicat, în timp ce oxigenul favorizează reacțiile radicalice, ceea ce indică faptul că operațiunile cu forfecare mare care cresc transferul de oxigen și alcalinitatea locală ar putea fi disproporționat de dăunătoare chiar dacă temperatura globală rămâne moderată.[12]
Pentru flavonoide, oxidarea prin intermediari chinonici și mecanismele de deprotonare dependente de pH (quercetin) se combină cu oxidarea la temperaturi înalte și cuplarea în lanț radicalic (de exemplu, oxigen plus cholesterol), sugerând că formulările care conțin lipide și expunerea la oxigen pot amplifica puternic căile de pierdere oxidativă.[22, 26]
Pentru curcumin, există o discrepanță de ordin mecanicist între teoriile bazate pe hidroliză (în unele lucrări privind GI-buffer) și cele bazate pe autooxidare (în lucrările axate pe micele), însă ambele converg spre un efect puternic al pH-ului și spre rolul protector al micromediilor hidrofobe și al limitării oxigenului.[11, 32]
La nivel de operație unitară, procesele cu forfecare mare pot acționa în primul rând ca acceleratori indirecți prin generarea de căldură și creșterea susceptibilității oxidative; acest lucru este demonstrat direct în omogenizarea prin forfecare mare, unde viteza de rotație crește temperatura de ieșire și coincide cu pierderea oxidativă a ascorbic acid.[13]
HPH/UHPH introduc o complexitate suplimentară deoarece zona supapei impune forfecare extremă, cavitație și turbulență și poate genera temperaturi locale ridicate, deși timpii de rezidență pot fi foarte scurți (de exemplu, <0.2 s în descrierile UHPH), ceea ce implică faptul că rezultatele chimice pot depinde de măsura în care degradarea este controlată de procese radicalice rapide, de etape limitate de difuzie sau de etape mai lente de activare termică.[14, 34]
În cele din urmă, mai multe surse subliniază că modelarea stabilității trebuie validată din punct de vedere mecanicist în matricea relevantă: datele pentru tabletele de resveratrol arată un comportament non-Arrhenius și efecte de matrice care limitează extrapolarea Arrhenius generală din testele accelerate, iar markerii din extractele de plante uscate prin atomizare prezintă ordine cinetice dependente de excipienți și timpi de fracție descompusă.[7, 20]
9. Concluzii
Markerii cantitativi de tranziție termodinamică (DSC/TGA) și cinetica de degradare (k, t_(1/2), (E_a), energiile de activare dependente de conversie) oferă o bază relevantă pentru proces în vederea proiectării condițiilor de fabricație care conservă potența compușilor termolabili de longevitate și a bioactivelor asociate.[4, 8, 9]
Pentru precursorii NAD+, NRCl prezintă o fereastră îngustă de procesare termică în apropierea punctului de topire, urmată de o descompunere rapidă, în timp ce cinetica în mediu apos indică un comportament de pseudo-ordinul întâi dependent de pH, cu energii de activare de 75–83 kJ·mol−1 ce pot parametriza modelele de expunere termică.[4]
Pentru resveratrol, pH-ul și oxigenul sunt variabilele dominante, timpul de înjumătățire scăzând de la sute de zile la pH acid la doar câteva minute la pH ridicat, iar matricele de formulare pot genera un comportament non-Arrhenius care complică extrapolarea testelor accelerate.[7, 12]
Pentru flavonoide și curcuminoide, căile de oxidare (intermediari chinonici pentru quercetin; autooxidarea pentru curcumin) justifică controlul oxigenului și strategiile de încapsulare hidrofobă, despre care s-a demonstrat cantitativ că prelungesc timpul de înjumătățire cu ordine de mărime în sistemele micelare și în mod semnificativ în emulsiile Pickering produse prin amestecare sub forfecare înaltă.[1, 10, 22, 32]
Pentru operațiile unitare sub forfecare înaltă, dovezile disponibile arată că forfecarea poate crește temperatura și poate promova oxidarea (amestecare sub forfecare înaltă) și că procesele la înaltă presiune pe bază de valve generează forfecare extremă și cavitație, având presiunea, numărul de treceri și temperatura de admisie drept variabile cheie de stres; aceste date susțin implementarea cartografierii timp–temperatură–forfecare și a PAT utilizând metode analitice indicatoare de stabilitate.[12–14]
Conflict de interese
Autorii declară că nu există niciun conflict de interese.[20]
