Аннотация
Термолабильные соединения, ассоциированные с долголетием, и полифенольные биоактивные вещества часто подвергаются сочетанному воздействию термического, окислительного, pH-индуцированного и механического стресса в процессе производства (например, при смешивании с высоким сдвиговым усилием, гомогенизации высокого давления и распылительной сушке), что может ускорить химическую деградацию и снизить доставляемую эффективность. В связи с этим для определения технологических областей проектирования (design spaces) и разработки защитных стратегий формулирования необходимы количественные, релевантные для технологического процесса параметры стабильности.[1–3]
Методы, рассматриваемые в настоящем обзоре, сосредоточены на количественных данных, извлеченных из исследований, в которых сообщается о (i) термодинамических/термических переходах, определенных с помощью DSC/TGA (плавление, начало разложения, стеклование и стадийное поведение потери массы), и (ii) кинетике деградации (модели псевдопервого/первого порядка, энергии активации Arrhenius, pH-зависимости и показатели времени до разложения определенной фракции) для прекурсоров NAD⁺ (NR/NRH/NMN), stilbenoids (систем, связанных с resveratrol), flavonoids (quercetin, fisetin, rutin/esters) и curcuminoids.[4–11]
Результаты показывают, что некоторые репрезентативные соединения для продления жизни имеют узкие диапазоны температурной обработки в определенных физических состояниях. Nicotinamide riboside chloride (NRCl) демонстрирует начало плавления при 120.7 ± 0.3 °C с быстрым разложением после плавления (например, 98% деградация при 130 °C по данным qNMR), в то время как деградация в водном растворе подчиняется кинетике псевдопервого порядка с энергией активации 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ в зависимости от pH.[4]
Для trans-resveratrol кинетика деградации сильно зависит от pH и температуры (например, период полураспада снижается с 329 days при pH 1.2 до 3.3 minutes при pH 10), а экстраполяция результатов ускоренных испытаний в таблеточных матрицах может носить неаррениусовский характер.[7, 12]
Технологические операции с высоким сдвиговым усилием могут вызывать локальный нагрев и создавать окислительную среду, как это продемонстрировано на примере гомогенизации с высоким сдвиговым усилием, при которой температура на выходе увеличивается с ростом скорости вращения, что совпадает с потерей 42.6% ascorbic-acid при 20,000 rpm, а также на примере механизмов гомогенизации высокого давления, включающих сдвиг на клапане, кавитацию и турбулентность при >100 MPa.[13, 14]
В заключении подчеркивается необходимость интеграции данных о термодинамических переходах (DSC/TGA/Tg) с кинетическими моделями (моделями Arrhenius, non-Arrhenius и изоконверсионными методами) для построения карт «время–температура–сдвиг» и рационального выбора стратегий стабилизации, включая инкапсуляцию, аморфные твердые дисперсии, системы на основе циклодекстринов/наногубок, контроль содержания кислорода и минимизацию сдвига/температуры.[15–18]
Ключевые слова: термолабильные биоактивные соединения; кинетика деградации; Arrhenius; DSC; TGA; гомогенизация высокого давления; распылительная сушка; прекурсоры NAD⁺
1. Введение
Соединения, ассоциированные с долголетием, все чаще выпускаются в форме нутрицевтиков, функциональных продуктов питания и передовых систем доставки, что обуславливает использование технологических процессов, подвергающих активные вещества комбинированному воздействию стрессовых факторов, включая нагревание, контакт с кислородом, активность воды, колебания pH и интенсивный подвод механической энергии.[3, 5, 14, 19]
Для химических форм предшественников NAD⁺ ключевое значение имеет стабильность в водных растворах и твердом состоянии, поскольку деградация может происходить путем гидролиза гликозидных или связанных фосфатной связью фрагментов, а температуры технологической обработки могут превышать пороговые значения твердофазных переходов, предшествующих быстрому разложению.[4, 6]
Для полифенолов и родственных растительных активных веществ ограничения стабильности включают автоокисление, эпимеризацию и ферментативное окисление до хинонов, которые чувствительны к температуре, pH, ионам металлов и доступности кислорода в ходе технологического процесса.[17]
Практическое следствие заключается в том, что проектирование технологических процессов не может опираться исключительно на номинальную температуру массы сырья; напротив, оно должно объединять (i) термодинамические показатели, такие как температуры стеклования, плавления и начала разложения, и (ii) кинетические модели, отражающие зависимость деградации от времени, температуры, pH, кислорода и (при возможности измерения) подвода механической энергии.[4, 9, 10, 14, 15]
В настоящей статье обобщаются количественные данные по репрезентативным соединениям, ассоциированным с долголетием, и родственным биологически активным веществам, для которых в цитируемых источниках представлены явные термодинамические переходы и/или кинетические параметры, а также сопоставляются эти данные с профилями нагрузок при технологических операциях с высоким усилием сдвига, включая высокосдвиговое смешивание, гомогенизацию под высоким давлением/микрофлюидизацию, механохимический помол и распылительную сушку.[1, 14, 15, 20]
2. Термодинамические основы
Термодинамическая стабильность в контексте производства оценивается на практике с использованием измеряемых тепловых эффектов (DSC/TGA) и дескрипторов состояния (например, аморфное состояние в сопоставлении с кристаллическим; температура стеклования), которые указывают на то, когда соединение или рецептура переходит в состояния с более высокой молекулярной подвижностью и, следовательно, с более высокими скоростями реакций или иными механизмами.[4, 9, 15]
2.1 Свободная энергия Гиббса и фазовая стабильность
В нескольких включенных источниках непосредственно рассчитываются изменения свободной энергии Гиббса для процессов деструкции или термического разложения, что дает термодинамическую оценку возможности протекания процесса в конкретных условиях.[8, 19]
Для NR borate самопроизвольность деструкции оценивали путем расчета свободной энергии Гиббса, при этом зарегистрированное значение ΔG составило 2.43 kcal·mol⁻¹.[19]
Для rutin и fatty-acid rutin esters в условиях пиролиза значения ΔG были положительными (84–245 kJ·mol⁻¹) наряду с положительными значениями ΔH (60–242 kJ·mol⁻¹), что указывает на эндотермический и несамопроизвольный профиль пиролиза в представленном анализе.[8]
С точки зрения формальной кинетики в ряде источников также применяются соотношения переходного состояния и свободной энергии, например, используя для интерпретации активации гидролиза в curcumin spiroborate complex system.[21]
2.2 Стеклование, плавление и начало разложения
DSC и TGA обеспечивают взаимодополняющие маркеры технологических рисков: процессы плавления или размягчения могут резко повысить диффузию и сделать возможным быстрое химическое превращение, а начало потери массы по данным TGA может указывать на начало необратимого разложения даже в кажущемся твердом состоянии.[4, 9, 15]
Для NRCl метод DSC показывает начало плавления при 120.7 ± 0.3 °C и пик плавления при 125.2 ± 0.2 °C, за которым сразу же следует резкий экзотермический эффект с пиком при 130.8 ± 0.3 °C.[4]
В соответствии с последовательностью тепловых эффектов DSC, количественный анализ методом qNMR показывает незначительную деструкцию при 115 °C (2%), но быструю потерю в области плавления и выше нее (7% при 120 °C; 55% при 125 °C; 98% при 130 °C; при 140 °C остается всего 0.45% NR).[4]
Для NMN в одном из источников сообщается, что соединение скорее разлагается, а не демонстрирует четкий переход плавления, при этом разложение начинается при 160 °C и завершается к 165 °C, а эндотермический пик DSC наблюдается при 162 °C с энтальпией разложения 184 kJ·mol⁻¹.[6]
Для quercetin совместная интерпретация данных DSC/TGA показывает, что интенсивный эндотермический эффект на кривой DSC (максимум при 303 °C) часто ошибочно принимают за плавление, в то время как по данным TGA разложение начинается при 230 °C, и этот эндотермический эффект перекрывается с непрерывной потерей массы; сообщаемая «теплота плавления» для пика при 303 °C составляет 69–75 kJ·mol⁻¹.[9]
Для fisetin метод TGA показывает незначительную потерю массы (~5%), обусловленную испарением воды из кристаллического образца, и основную потерю массы (~30.6%) при 369.6 °C, связанную с деструкцией молекулы.[15]
Для curcumin в среде инертного азота в одном исследовании сообщается, что исходный curcumin демонстрирует сложный процесс разложения, начинающийся около 240 °C (потеря массы 5%), с пиком на кривой DTGA при 347 °C и 37% остатка при 600 °C (при скорости нагрева 10 °C·min⁻¹).[18]
2.3 Стабильность аморфного и кристаллического состояний
Аморфные препаративные формы могут улучшать растворимость и биодоступность, но могут изменять термическое поведение и стабильность за счет повышения молекулярной подвижности по сравнению с кристаллическими формами, что делает температуру стеклования (Tg) критическим параметром стабильности.[15, 16]
Полученные механохимическим путем аморфные твердые дисперсии (ASDs) fisetin демонстрируют измеряемые значения Tg во вторых циклах нагрева и показывают зависящие от состава сдвиги Tg, согласующиеся с взаимной смешиваемостью: исходные Eudragit® L100/EPO имеют Tg 147.1/55.4 °C, в то время как fisetin ASDs демонстрируют такие значения Tg, как 144.2/71.8 °C и 145.9/76.7 °C, в зависимости от полимера и содержания активного вещества.[15]
Для наногубок на основе resveratrol и oxyresveratrol метод DSC показывает, что эндотермический эффект плавления resveratrol (266.49 °C) исчезает в препаративных формах наногубок, что авторы связывают с инкапсуляцией и возможной аморфизацией молекул лекарственного вещества внутри матрицы наногубок.[16]
Для quercetin предполагается, что образование водородных связей как сдерживает размягчение (подобное плавлению), так и способствует деструкции за счет ослабления связей, а на основании совместной интерпретации данных DSC/TGA делается вывод, что quercetin не просто плавится, а претерпевает одновременно протекающие процессы деструкции и структурной релаксации/размягчения в диапазоне 150–350 °C.[9]
3. Кинетические модели и параметры деградации
Включенные источники используют ряд кинетических моделей (первого, псевдопервого, высших порядков или сигмоидальные формы) и подходов к температурной зависимости (аррениусовское и, в некоторых случаях, неаррениусовское поведение), что часто обусловлено зависимостью от pH и сложным многопутевым характером деградации.[4, 7, 22]
3.1 Модели порядка реакции
Широко используемым базовым подходом для описания деградации в жидкой фазе является интегральная модель первого порядка, которая фигурирует во многих включенных исследованиях в качестве основного метода аппроксимации кинетических данных концентрация-время при контролируемых значениях pH и температуры.[4, 11, 12]
Для NRCl в буферных водных растворах деградация описывается как реакция псевдопервого порядка, и эта форма псевдопервого порядка обосновывается тем, что буферные системы поддерживают концентрации OH⁻/H₃O⁺ в значительном избытке и условно постоянными по отношению к концентрации NR.[4, 23]
Для fisetin и quercetin в фосфатном буфере представленные результаты выражены в виде констант скорости деградации первого порядка k (h⁻¹), которые резко возрастают с увеличением pH и температуры.[24]
Для quercetin при 90 °C и близком к нейтральному pH (6.5–7.5) была применена сигмоидальная модель в сравнении с моделью первого порядка, при этом сигмоидальная модель дала значения k в 2.3–2.5× выше по сравнению с аппроксимацией моделью первого порядка, а также иную интерпретацию периода полураспада при pH 7.5.[22]
Для маркеров растительных экстрактов, полученных распылительной сушкой, сообщалось о различных кажущихся порядках реакций в зависимости от систем вспомогательных веществ, включая модели нулевого и второго порядка для kaempferol (в бинарных смесях вспомогательных веществ) и модель второго порядка для quercetin в различных вспомогательных веществах.[20]
3.2 Подходы Аррениуса и Эйринга
Температурная зависимость часто моделируется с помощью уравнений аррениусовского типа, и во многих источниках явно рассчитываются энергии активации для параметризации прогнозов срока годности и теплового воздействия в технологическом процессе.[4, 10, 12]
Для деградации NRCl в водном растворе аррениусовские энергии активации составляют 75.4 (±2.9) kJ·mol⁻¹ при pH 2.0, 76.9 (±1.1) kJ·mol⁻¹ при pH 5.0 и 82.8 (±4.4) kJ·mol⁻¹ при pH 7.4.[4]
Для trans-resveratrol при pH 7.4 результаты аррениусовского анализа представлены в виде уравнения log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) с расчетной энергией активации 84.7 kJ·mol⁻¹.[12]
Для curcumin в смеси буфер/метанол при pH 8.0 аррениусовский анализ в диапазоне температур 37–60 °C дает Ea=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹.[10]
Для curcumin в водных средах, релевантных для ЖКТ, графики Аррениуса демонстрируют высокую линейность в диапазоне 37–80 °C (значения r² составляют 0.9967, 0.9994, 0.9886 для различных сред), а энергии активации составляют 16.46, 12.32 и 9.75 kcal·mol⁻¹ для pH 7.4, pH 6.8 и 0.1 N HCl соответственно.[11]
Анализ Эйринга также приводится в исследовании гидролитического разложения спироборатного эфира curcumin (CBS), где график Эйринга демонстрирует линейную зависимость с коэффициентом корреляции 0.9988.[21]
3.3 Изоконверсионные и безмодельные методы
В ряде исследований термической деградации применяются изоконверсионные методы (например, KAS, FWO, Friedman) для расчета энергии активации в зависимости от степени превращения, что позволяет выявить многостадийный характер разложения и изменения в механизме реакции.[8, 18, 25]
Для rutin и сложных эфиров rutin с жирными кислотами энергии активации существенно меняются в зависимости от степени превращения в диапазоне 0.05 < α < 0.90, при этом сообщаемый интервал значений составляет от 65 до 246 kJ·mol⁻¹; авторы интерпретируют это как свидетельство того, что термическая деградация протекает по сложному механизму с несколькими стадиями.[8]
Для клатратов resveratrol–β-cyclodextrin энергия активации возрастает по мере увеличения степени превращения с 110 до 130 kJ·mol⁻¹ (метод OFW) и с 120 до 170 kJ·mol⁻¹ (метод Friedman), что интерпретируется как указание на изменение механизма реакции по мере протекания разложения.[25]
Для полимерных систем, нагруженных curcumin, в атмосфере азота энергии активации, полученные различными методами (Kissinger, KAS, Friedman и аппроксимации моделей), показывают в целом сопоставимые значения (например, 71 ± 5 kJ·mol⁻¹ по методу Kissinger; 77 ± 2 по KAS; 84 ± 3 по Friedman), а выбор модели указывает на кинетическую модель F1 с энергиями в диапазоне 73–91 kJ·mol⁻¹.[18]
3.4 Сопряженная термомеханическая и окислительная деградация
Технологические операции с высоким усилием сдвига могут сочетать диссипацию механической энергии с локальным нагревом и усиленным переносом кислорода, тем самым активизируя пути деградации, обусловленные окислением, в чувствительных к кислороду биологически активных веществах.[13, 14, 17]
При высокосдвиговой гомогенизации жидкой пищевой системы температура на выходе заметно увеличивается с ростом скорости вращения (например, с 4.1 ± 0.7 °C при 0 rpm до 41 ± 1.2 °C при 20,000 rpm), и при максимальной скорости содержание ascorbic acid снижается на 42.6%, что согласуется с ускорением деградации под воздействием высокой температуры и окисления.[13]
При гомогенизации высокого давления (HPH) механизм технологического процесса напрямую связывают с распределением напряжения сдвига в отверстии клапана, где нарушается движение жидкости, а также с дополнительными явлениями, такими как кавитация, турбулентность, столкновение частиц и ударное воздействие, которые в совокупности создают интенсивный механический и потенциально окислительный стресс.[14]
Окислительное сопряжение также продемонстрировано в экспериментах по термическому окислению quercetin: при 150 °C деградация quercetin в атмосфере кислорода протекает быстрее, чем в азоте (константы скорости 0.868 h⁻¹ против 0.253 h⁻¹), и резко ускоряется в присутствии cholesterol и кислорода (константа скорости 7.17 h⁻¹), что согласуется с радикально-цепным сопряжением между образованием гидропероксида cholesterol и деградацией quercetin.[26]
Для NRH кислород и температура оказывают сильное влияние: при 25 °C в DI water зарегистрированная скорость деградации составляет 1.27×10⁻⁷ s⁻¹ на воздухе (период полураспада 63 дня) по сравнению с 5.90×10⁻⁸ s⁻¹ под N₂ (период полураспада 136 дней), и авторы указывают, что NRH может окисляться в присутствии кислорода и быстро гидролизуется в кислых условиях.[5]
4. Обзор классов соединений
Приведенный ниже обобщенный анализ конкретных соединений акцентирует внимание на количественно определенных кинетических и термодинамических параметрах, которые могут быть непосредственно использованы в производственных моделях, включая энергии активации, константы скоростей реакций, периоды полупревращения, температуры начала разложения, а также ограничения, связанные со стеклованием или плавлением.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 Предшественники NAD⁺
Стабильность предшественников NAD⁺ в значительной степени определяется их восприимчивостью к гидролизу, а также низкой устойчивостью к определенным термическим переходам (особенно для NRCl в области расплава) и окислению под воздействием кислорода (в частности, для восстановленных форм, таких как NRH).[4, 5]
В водных растворах NRCl демонстрирует кинетику деградации псевдопервого порядка с энергиями активации, зависящими от pH (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹), что количественно отражает как температурную чувствительность, так и зависимость доминирующего пути гидролиза от pH.[4]
В качестве механистической основы предлагается катализируемый основаниями гидролиз, при котором концентрация NR снижается, а nicotinamide (Nam) и сахар накапливаются; при этом приводятся данные молярного баланса, указывающие на то, что на каждую деградировавшую молекулу NR образуются одна молекула nicotinamide и одна молекула сахара.[4]
В моделируемых средах ЖКТ при физиологической температуре и перемешивании (лопастная мешалка USP II при 75 rpm и 37 °C) NRCl демонстрирует относительно небольшие краткосрочные потери (например, остается ~97–99% после 2 h в желудочной среде), но измеримое снижение в долгосрочной перспективе при 24 h моделировании (остается 79.18 ± 2.68% через 24 h и 90.51 ± 0.82% через 8 h).[4]
В твердом состоянии NRCl характеризуется узким температурным интервалом между началом плавления и быстрым разложением: по данным DSC, начало плавления наблюдается при 120.7 ± 0.3 °C с последующим экзотермическим эффектом при ~130.8 °C, в то время как метод qNMR фиксирует резкий рост деградации с 2% при 115 °C до 98% при 130 °C.[4]
Один из источников прямо определяет эти данные как «четкий верхний температурный предел для переработки NRCl», который может влиять на этапы производства пищевых добавок, подчеркивая значимость пороговых значений DSC/qNMR в качестве жестких ограничений при проведении технологических процессов с нагревом.[4]
NR borate представляет собой стратегию стабилизации, обусловленную реакционной способностью NR: отмечается, что NR имеет особенно нестабильную гликозидную связь, соединяющую положительно заряженный пиридиниевый гетероцикл с углеводом, что затрудняет его синтез, хранение и транспортировку, в то время как стабилизация боратом обеспечивает высокую устойчивость к термической и химической деградации.[19]
С количественной точки зрения, растворимость NR borate сильно зависит от pH (например, 1972.7 ± 15.4 mg·mL⁻¹ при pH 1.5; 926.0 ± 34.4 mg·mL⁻¹ при pH 7.4), а модель Аррениуса указывает на более высокие скорости деградации при pH 7.4, чем при pH 1.5 или 5.0, что согласуется с влиянием концентрации ионов HO⁻.[19]
В том же обзоре приводится свободная энергия Гиббса для деградации NR borate, составляющая 2.43 kcal·mol⁻¹, и отмечается, что повышение температуры на 10 °C примерно удваивает скорость деградации при любых значениях pH, что перекликается с температурной чувствительностью, наблюдаемой для NRCl.[4, 19]
NRH проявляет выраженную чувствительность к pH и кислороду: сообщается о полной деградации менее чем за один день при pH 5, тогда как при pH 9 образцы демонстрируют ~42–45% деградации через 60 дней, а при 25 °C в DI воде на воздухе фиксируется ~50% деградации через 60 дней по сравнению с ~27% в среде N₂.[5]
Эта чувствительность к кислороду механистически объясняется окислением в присутствии кислорода и ускоренным гидролизом в кислых условиях, что согласуется с описанием NRH как нестабильной молекулы из-за ее N-гликозидной связи, подверженной деградации, гидролизу и окислению.[5]
Для NMN количественные термодинамические маркеры в твердом состоянии включают начало разложения при 160 °C и его завершение при 165 °C (с эндотермическим пиком DSC при 162 °C и энтальпией разложения 184 kJ·mol⁻¹), а также данные испытаний на ускоренную стабильность, согласно которым скорость разложения составляет 0.8% в месяц при 40 °C и 75% RH.[6]
В водном растворе деградация NMN при комнатной температуре протекает по механизму кажущегося первого порядка с кинетическим уравнением lg(Ct)=0.0057t+4.8172 и зарегистрированным временем t0.9=95.58 h и t1/2=860.26 h; при этом в исследовании утверждается, что на скорость деградации в первую очередь влияют высокая температура и pH.[27]
Для обоснования практических технологических ограничений при рецептурировании источник, ориентированный на готовый продукт, рекомендует осуществлять введение при температуре ниже 45 °C для предотвращения термической деградации фосфодиэфирной связи и сообщает о деградации менее 5% при ускоренных испытаниях при 40 °C/75% RH в течение 3 месяцев для правильно разработанных систем с низким содержанием воды.[28]
Основной путь деградации NMN описывается как гидролиз фосфодиэфирной связи с образованием nicotinamide и ribose-5-phosphate, причем зависимость от pH характеризуется как кислотно-катализируемый гидролиз при pH ниже 4.5 и расщепление под действием оснований при pH выше 7.5.[28]
4.2 Стильбеноиды
Стильбеноиды включают resveratrol и родственные соединения, которые демонстрируют выраженную зависимую от pH и кислорода деградацию, а их стабильность в реальных рецептурах может отклоняться от простой экстраполяции Аррениуса из-за матричных эффектов и множественных путей распада.[7, 12, 29]
Сообщается, что в водных системах trans-resveratrol стабилен при кислых значениях pH, в то время как деградация экспоненциально возрастает при pH выше 6.8, а период полураспада сокращается с 329 дней при pH 1.2 до 3.3 минут при pH 10.[12]
При pH 7.4 кинетика деградации trans-resveratrol соответствует кинетике первого порядка во всем исследованном диапазоне температур, а энергия активации составляет 84.7 kJ·mol−1.[12]
Механистическое обоснование заключается в том, что при кислых значениях pH гидроксильные группы защищены от радикального окисления положительно заряженными ионами H₃O⁺, тогда как в щелочных условиях фенат-ионы повышают восприимчивость к окислению и образованию феноксильных радикалов, а кислород в среде способствует протеканию радикальных реакций, приводящих к деградации.[12]
Независимые эксперименты по изучению термической стабильности в водном растворе (19 mg·L−1) не выявили существенных изменений спектра после 30 min при температуре до 70 °C, в то время как более высокие температуры приводят к общему снижению оптической плотности при 304 nm и уменьшению поглощения в диапазоне 270–350 nm, что указывает на термически индуцированную деструкцию в гидротермальных условиях.[30]
Механистическая интерпретация этих гидротермальных экспериментов предполагает окислительное расщепление двойной связи и образование фенолсодержащих продуктов деградации, таких как гидроксиальдегиды, спирты и гидроксикислоты, а полосы FTIR интерпретируются как соответствующие образованию альдегидов и карбоновых кислот при 100–120 °C.[30]
Сообщается, что в матрицах таблеток деградация resveratrol подчиняется моноэкспоненциальной кинетике первого порядка со значениями k, равными 0.07140, 0.1937 и 0.231 months−1 при 25, 30 и 40 °C соответственно, однако зависимость ln(k) от 1/T является нелинейной и классифицируется как super-Arrhenius, при этом авторы предполагают возможные вторичные реакции, множественные пути реакций или матричные эффекты при более высоких температурах.[7]
В той же работе подчеркивается, что экстраполяция Аррениуса не всегда позволяет определить кинетику деградации resveratrol в биологически активных добавках и что ускоренные испытания могут привести к неверным оценкам, включая завышение степени деградации.[7]
Для стильбеноподобных фенольных соединений в сухих системах термическая обработка, такая как стерилизация паром при 121 °C в течение 20 min, приводит к заметным потерям (например, содержание pinosylvin снизилось на 20.98% по площади пика), а сушка в сушильном шкафу в течение 24 h при 105 °C вызывает снижение площади пиков более чем на 50% для нескольких фенольных соединений, в то время как TGA указывает на температуру начала разложения выше ~200 °C для систем, содержащих pinosylvin.[31]
4.3 Flavonoids
Flavonoids демонстрируют чувствительность к многопутевой деградации, на которую влияют pH, температура, oxygen и взаимодействие компонентов рецептуры, такое как связывание с белками, а их термическое поведение при DSC/TGA может характеризоваться наложением процессов разложения и размягчения, а не простым плавлением.[9, 22, 24]
В буферных растворах увеличение pH среды с 6.0 до 7.5 увеличивает константы скорости деградации fisetin и quercetin в 24 и 12 раз соответственно (например, k для fisetin возрастает с 8.30×10−3 до 0.202 h−1; k для quercetin — с 2.81×10−2 до 0.375 h−1), а повышение температуры выше 37 °C существенно увеличивает k (например, k для fisetin до 0.490 h−1 при 65 °C; k для quercetin до 1.42 h−1 при 65 °C).[24]
Белковые сопутствующие ингредиенты могут замедлять деградацию: при добавлении белка измеренные значения k снижаются, включая снижение k для fisetin с 3.58×10−2 до значений вплоть до 1.76×10−2 h−1 и снижение k для quercetin с 7.99×10−2 до значений вплоть до 3.80×10−2 h−1.[24]
С точки зрения механизма, химическая нестабильность flavonoid обусловлена гидроксильными группами и нестабильной структурой пирона, а стабилизация белками объясняется главным образом гидрофобными взаимодействиями (при этом SDS нарушает стабилизацию); при этом вклад водородных связей выделяется как требующий дальнейших количественных исследований.[24]
Для quercetin при 90 °C в условиях, близких к нейтральным, кинетика деградации демонстрирует сильную зависимость от pH: k увеличивается примерно в пять раз при изменении pH с 6.5 до 7.5, при этом обнаруживаются промежуточные продукты окисления, такие как quercetin quinone, а типичные конечные продукты включают protocatechuic acid (PCA) и phloroglucinol carboxylic acid (PGCA).[22]
Описание механизма связывает первую измеримую потерю при 370 nm с превращением quercetin в quinone и предполагает, что расщепление скелета quinone дает более простые фенольные соединения с ограниченным поглощением, в то время как щелочное депротонирование ускоряет окисление, затрагивающее структуру C-ring и B-ring o-diphenol.[22]
В высокотемпературных системах (150 °C) деградация и окисление quercetin протекают быстро, при этом зарегистрированные константы скорости составляют 0.253 h−1 в nitrogen и 0.868 h−1 в oxygen, а также наблюдается сильное ускорение (7.17 h−1) в среде oxygen в сочетании с cholesterol; экспериментально потеря quercetin увеличивается с 7.9% через 10 min (N₂) до 20.4% через 10 min (O₂), тогда как в среде cholesterol + oxygen количество оставшегося quercetin снижается до 10.9% через 10 min.[26]
Термический анализ также показывает, что quercetin обнаруживает небольшой эндотермический пик в диапазоне 90–135 °C, связанный с незначительной потерей массы (0.86 ± 0.33 wt.%), разложение начинается при 230 °C, а выраженный эндотермический эффект на кривой DSC при 303 °C перекрывается с разложением; утверждается, что водородные связи как сдерживают поведение, подобное плавлению, так и способствуют разложению за счет ослабления химических связей.[9]
Для rutin (гликозида quercetin) и его эфиров жирных кислот TGA указывает на то, что rutin термически стабилен при температурах до 240 °C, тогда как эфиры демонстрируют более низкие начальные температуры деградации (217–220 °C) и более высокую потерю массы на основной стадии, а энергии активации варьируются в зависимости от степени конверсии от 65 до 246 kJ·mol−1.[8]
4.4 Curcuminoids
Деградация curcumin сильно зависит от уровня pH и протекает по окислительным путям во многих водных средах, в то время как термическое разложение и межкомпонентные взаимодействия в препаративной форме могут смещать начало деградации и кажущиеся кинетические параметры.[10, 18, 32]
В буферно-метанольных смесях при 37 °C, согласно опубликованным данным, деградация curcumin подчиняется кинетике первого порядка с резким увеличением k_obs по мере повышения pH (например, 3.2×10−3 h−1 при pH 7.0 против 693×10−3 h−1 при pH 12.0), в то время как при pH 5.0 в описанных экспериментах curcumin стабилен.[10]
При pH 8.0 анализ по уравнению Аррениуса дает значение (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1, а экстраполяция на водный буфер указывает на быструю потерю вещества в окислительных условиях (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]
Мицеллярные наноформуляции значительно замедляют деградацию: в полимерных мицеллах и мицеллах Triton X-100 при pH 8.0 и 37 °C зарегистрированные значения k_obs снижаются до 0.9×10−3 и 0.6×10−3 h−1 с периодами полураспада 777 ± 87 h и 1100 ± 95 h, что, как утверждается, примерно в 300–500 раз выше показателей свободного curcumin в водном буфере.[10]
С точки зрения механизма реакций, в рассматриваемой работе утверждается, что деградация curcumin происходит не путем гидролитического разрыва цепи, а путем окисления с образованием bicyclopentadione в качестве конечного продукта, причем деградация 1 mol curcumin сопровождается потреблением 1 mol O₂, а первой стадией является депротонирование гидроксильных групп при pH выше 7.0.[10]
В отдельном исследовании стабильности, релевантном для желудочно-кишечного тракта, сообщается о кажущейся кинетике первого порядка с высокой линейностью (r² > 0.95) и приводятся значения энергии активации (в kcal·mol−1), варьирующие в зависимости от среды (более высокая при pH 7.4, чем в 0.1 N HCl); также указывается, что после 12 h при 37 °C более 80% вещества сохранялось в 0.1 N HCl, в то время как в фосфатных буферах с pH 6.8 и 7.4 оставалось лишь 57% и 47% соответственно.[11]
При высоких температурах (180 °C) эксперименты по нагреванию демонстрируют экстремальную термолабильность: уже через 5 minutes сохраняется лишь 30% исходного curcumin, а интерпретация механизма связывает окислительное расщепление с промежуточным образованием ferulic acid и стадией декарбоксилирования, которая ускоряется при контакте с воздухом и повышении температуры.[33]
Исследования термического разложения curcumin и содержащих curcumin полимерных систем в среде азота демонстрируют сложное поведение: разложение исходного curcumin начинается около 240 °C, в то время как введение curcumin в смеси PGA/PCL смещает максимум деградации PGA в сторону более низких температур (например, с 372 °C для чистой смеси до 327 °C при содержании curcumin 5%), что указывает на то, что введение curcumin может снижать термическую стабильность матрицы.[18]
Это же исследование, ориентированное на полимеры, связывает полученные результаты с технологической значимостью для производства, заявляя, что переработка в расплаве требует гарантированного сохранения как химической стабильности полимерной матрицы, так и биологической активности вводимых лекарственных веществ, а также что переработку PGA или смесей PGA/PCL с curcumin следует проводить при минимально возможной температуре для предотвращения деградации PGA.[18]
Стабилизация curcumin в условиях высокосдвигового эмульгирования также количественно оценена в эмульсиях Пикеринга, полученных с использованием высокосдвигового смесителя при 22,000 rpm в течение 2 min: хранение при 20 °C в темноте показывает, что в неинкапсулированной масляной смеси с curcumin примерно половина curcumin деградирует через 6 days и только 20% сохраняется через 16 days, в то время как система эмульсии Пикеринга удерживает ~50% через 16 days и увеличивает период полураспада с 13 days до 28 days.[1]
При УФ-облучении (6 W, 365 nm) та же система демонстрирует около 50% деградации через 9 h и сохранение лишь 20% вещества через 24 h для масляной смеси, тогда как эмульсия Пикеринга сохраняет ~70% через 9 h и ~45% через 24 h, увеличивая период полураспада (до потери 50% вещества) с ~13 h до ~27 h.[1]
4.5 Summary table
В приведенной ниже таблице обобщены репрезентативные кинетические и термодинамические параметры, зарегистрированные для различных классов соединений, с упором на значения, наиболее непосредственно применимые для моделирования процессов.
| Соединение или система | Условия | Кинетический или термодинамический параметр | Примечания для технологического моделирования |
|---|---|---|---|
| NRCl | Водные буферные растворы (pH 2.0, 5.0, 7.4), модель Аррениуса | (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] | Обеспечивает возможность моделирования температурного ускорения и определения pH-зависимой области проектных параметров[4] |
| NRCl | DSC и qNMR (сухой нагрев) | DSC melt onset 120.7 ± 0.3 °C; decomposition exotherm peak 130.8 ± 0.3 °C[4]; degradation 55% at 125 °C and 98% at 130 °C[4] | Указывает на узкое безопасное технологическое окно для операций в твердом состоянии с нагревом вблизи точки плавления[4] |
| NRH | DI water при 25 °C, воздух в сравнении с N₂ | k=1.27×10−7 s−1 (воздух; t_(1/2)=63 d) в сравнении с 5.90×10−8 s−1 (N₂; t_(1/2)=136 d)[5] | Контроль содержания кислорода позволяет примерно вдвое увеличить период полураспада в исследованных условиях[5] |
| NMN | Водный раствор, комнатная температура | Apparent first-order: lg(C_t)=0.0057t+4.8172; t_(0.9)=95.58 h; t_(1/2)=860.26 h[27] | Позволяет оценить потерю активности на этапах выдерживания в водной среде[27] |
| trans-Resveratrol | Зависимость от pH | Half-life 329 d при pH 1.2 в сравнении с 3.3 min при pH 10[12] | Требуется строгий контроль pH в ходе технологической обработки в водной среде и проведения испытаний на растворение[12] |
| trans-Resveratrol | pH 7.4, модель Аррениуса | (E_a)=84.7 kJ·mol−1[12] | Используется для моделирования при умеренных температурах; требуется осторожность при возникновении неаррениусовского поведения в матрицах[7, 12] |
| Таблетки Resveratrol | 25–40 °C, 60–75% RH | k=0.07140, 0.1937, 0.231 months−1 (25, 30, 40 °C)[7] | Отклоняется от модели Аррениуса (супер-аррениусовская зависимость), что ограничивает экстраполяцию результатов ускоренных испытаний[7] |
| Fisetin, quercetin | Фосфатный буферный раствор | pH increase 6.0→7.5 increases k 24× (fisetin) и 12× (quercetin)[24] | Подчеркивает чувствительность к pH в ходе технологических операций в водной среде[24] |
| Curcumin | pH 8.0, модель Аррениуса | (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1[10] | Полезно для прогнозирования температурной чувствительности в нейтрально-щелочных средах[10] |
| Curcumin в мицеллах | pH 8.0, 37 °C | t_(1/2)=777±87 h и 1100±95 h (мицеллы) в сравнении с 2.5 h (свободный водный буферный раствор)[10] | Демонстрирует степень стабилизации за счет препаративной формы на этапах выдерживания и технологической обработки[10] |
5. Технологические операции с высоким сдвиговым усилием
Производство с высоким сдвиговым усилием подвергает термолабильные соединения воздействию полей механического напряжения, которые могут увеличивать температуру, перенос кислорода и площадь межфазной поверхности, тем самым влияя как на кинетику реакций, так и на доминирующие механизмы, особенно для чувствительных к кислороду и уровню pH биологически активных веществ.[13, 14, 17]
5.1 Переработка в расплаве
Переработка в состоянии расплава выделяется в системах полимер–лекарственное вещество как сценарий, при котором должны быть сохранены как стабильность полимера, так и активность лекарственного вещества, и эксплицитно утверждается, что переработка в состоянии расплава подразумевает обязательное гарантирование химической стабильности полимерной матрицы и биологической активности вводимых лекарственных веществ.[18]
В системе PGA/PCL–curcumin введение curcumin неблагоприятно влияет на термическую стабильность PGA, и авторы рекомендуют проводить переработку при как можно более низкой температуре для предотвращения деградации PGA, связывая определение характеристик термической стабильности с проектированием технологического процесса.[18]
5.2 Гомогенизация высокого давления и микрофлюидизация
Гомогенизация высокого давления подвергает жидкости высокому механическому напряжению при их прохождении через клапан с узким зазором; в отверстии жидкость подвергается сдвиговому воздействию, а дополнительные явления, такие как кавитация, турбулентность, столкновение и соударение, вносят вклад в сдвиговые эффекты.[14]
HPH работает при повышенных давлениях более 100 MPa и может создавать давление до 400 MPa, а применяемое давление, количество циклов/проходов и начальная температура описываются как ключевые факторы, влияющие на экстрагируемость и стабильность фитохимических веществ.[14]
В количественном отношении в обзоре HPH сообщается о таких примерах изменения состава, как постепенное снижение содержания L-ascorbic acid (1.7%, 4.6%, 10.7%) при 100, 200, 300 MPa и снижение содержания полифенолов (например, 10.6%, 6.0%, 1.4%) в яблочном соке при 100, 200, 300 MPa, демонстрируя, что уровень давления может коррелировать с потерями чувствительных к окислению соединений в зависимости от матрицы и ферментативной активности.[14]
В масштабе разработки рецептур микрофлюидизация позволяет получать стабильные эмульсии с количественно определенным сохранением фенольных соединений: для эмульсий W/O/W оптимальными условиями микрофлюидизатора были названы 148 MPa и семь циклов, что позволило получить капли размером 105.3 ± 3.2 nm и PDI 0.233 ± 0.020, а через 35 дней сохранение фенольных соединений составило 68.6% при сохранении антиоксидантной активности на уровне 89.5%.[2]
В отдельном исследовании по инкапсуляции сообщается о комбинированном подходе с использованием высокого сдвигового усилия и микрофлюидизации: липосомальные дисперсии гомогенизировали при 9500 rpm в течение 10 min, а затем пропускали пять раз через микрофлюидизатор при 25,000 psi перед распылительной сушкой, демонстрируя, что промышленно применимые последовательности операций могут сочетать сдвиг и последующую термическую сушку.[3]
Обзоры по ультравысоконапорной гомогенизации (UHPH) подчеркивают экстремальный сдвиг и удары внутри клапана, при этом сообщается о таких условиях, как перекачивание жидкостей при давлении более 200 MPa (обычно 300 MPa) и времени пребывания в клапане менее 0.2 s при скорости Mach 3, а также о нанофрагментации микроорганизмов, коллоидов и биополимеров до 100–500 nm.[34]
5.3 Смешивание с высоким сдвиговым усилием
Смешивание с высоким сдвиговым усилием часто используется в качестве стадии предварительного эмульгирования или диспергирования и само по себе может вызывать значительное повышение температуры и создавать окислительную среду, тем самым влияя на деградацию еще до проведения последующих технологических операций.[13]
В модели напитка гомогенизация с высоким сдвиговым усилием в течение 10 min при возрастающих скоростях вращения приводила к увеличению температуры на выходе (с 4.1 ± 0.7 °C при 0 rpm до 41 ± 1.2 °C при 20,000 rpm) и сопровождалась существенной потерей ascorbic-acid (снижение на 42.6% при 20,000 rpm).[13]
В эмульсионной системе Пикеринга с curcumin для получения эмульсий использовали смешивание с высоким сдвиговым усилием при 22,000 rpm в течение 2 min, после чего улучшение стабильности было количественно оценено по более медленной деградации и увеличению периода полураспада как при хранении, так и под воздействием УФ-излучения, связывая межфазное структурирование при высоком сдвиговом усилием с результатами химической стабильности.[1]
5.4 Механохимическое измельчение
Механохимическая обработка (например, шаровой помол) может приводить к получению аморфных твердых дисперсий и изменять стабильность за счет изменения твердофазной формы, смешивания на молекулярном уровне и обеспечения сильных межмолекулярных взаимодействий, таких как водородные связи.[15]
Для ASD и включений fisetin измельчение проводили при комнатной температуре с частотой 30 Hz в течение 20 min, а последующий TG/DSC-анализ проводили в атмосфере азота для количественной оценки термической стабильности и поведения Tg.[15]
5.5 Распылительная сушка
Распылительная сушка описывается как один из наиболее часто используемых методов получения сухих растительных экстрактов, и утверждается, что высокие температуры во время распылительной сушки могут оказывать пагубное воздействие на термолабильные (poly)phenols.[3, 20]
В одном исследовании по инкапсуляции polyphenol распылительную сушку проводили при температуре входящего воздуха 150 ± 5 °C и температуре на выходе 90 ± 5 °C, при этом авторы отмечают, что количество (poly)phenols снизилось из-за воздействия кислорода и тепла во время распылительной сушки, что послужило мотивом для проведения инкапсуляции с целью сохранения функциональных свойств.[3]
В исследовании по преформуляции экстракта технологические параметры распылительной сушки (температура на входе, скорость подачи сырья, соотношение коллоидного диоксида кремния) оценивали на предмет их влияния на показатели отклика, а для определения кинетических параметров разложения, включая порядок реакции, время разложения фракции и константу скорости, использовали методы Аррениуса.[20]
5.6 Сводная таблица
В таблице ниже обобщены профили напряжений и примеры количественного воздействия, зарегистрированные для технологических операций, связанных с высоким сдвиговым усилием и/или интенсивным термическим воздействием.
| Технологическая операция | Зарегистрированные показатели напряжения | Количественные примеры в исследованных источниках | Значение для термолабильных активных веществ |
|---|---|---|---|
| Смешивание с высоким сдвиговым усилием | Скорость вращения; повышение температуры с ростом скорости[13] | Температура на выходе увеличивается до 41 ± 1.2 °C при 20,000 rpm (10 min)[13]; содержание ascorbic-acid снижается на 42.6% при 20,000 rpm[13] | Нагрев, вызванный сдвигом, может способствовать окислению и термической деградации даже без внешнего нагрева[13] |
| Гомогенизация высокого давления | Давление >100 MPa; сдвиг в клапане; кавитация/турбулентность[14] | Сообщается о снижении содержания polyphenol при давлении 100–300 MPa в соках (например, 10.6% при 100 MPa в яблочном соке)[14] | Требуется контроль начальной температуры, количества проходов, кислорода и ферментативной активности для ограничения потерь, вызванных окислением[14] |
| Микрофлюидизация | Давление и количество циклов[2] | 148 MPa и семь циклов позволяют получить капли размером ~105 nm; сохранение фенольных соединений составляет 68.6% после 35 d хранения[2] | Позволяет создавать системы инкапсуляции с мелкими каплями, которые могут сохранять фенольные соединения при хранении и, возможно, при последующей переработке[2] |
| UHPH | >200 MPa (обычно 300 MPa); экстремальный сдвиг/удары; время пребывания в клапане <0.2 s; локальная температура в клапане часто >75 °C[34] | Указывается нанофрагментация до 100–500 nm[34] | Экстремально короткое время пребывания может ограничивать термическую деградацию малых молекул, несмотря на локальный нагрев, однако эффекты сдвига/окисления должны быть подтверждены для каждого конкретного соединения[34] |
| Механохимическое измельчение | Частота и время; аморфизация и формирование взаимодействий[15] | Обработка при 30 Hz в течение 20 min позволила получить ASD fisetin с измеримыми значениями Tg и доказательствами образования водородных связей[15] | Может создавать аморфные состояния, изменяющие стабильность; Tg становится ключевым контролируемым параметром при хранении/переработке[15] |
| Распылительная сушка | Температуры на входе/выходе; воздействие кислорода/тепла[3] | Для инкапсулированных порошков экстрактов использовались температура на входе 150 ± 5 °C и на выходе 90 ± 5 °C[3] | Термическое и окислительное воздействие может снижать содержание (poly)phenols; защитное инкапсулирование может повысить степень сохранения и биодоступность[3] |
6. Интегрированные модели «стабильность–технологический процесс»
Рассматриваемые источники предоставляют основу для создания интегрированной прогностической модели, в которой показатели стабильности рассчитываются на основе температурной предыстории единичных технологических операций и физико-химического микроокружения (pH, кислород, активность воды) с учетом термодинамических порогов перехода.[4, 14]
6.1 Картирование «время–температура–сдвиг»
Практический подход к картированию может использовать кинетические параметры (k, (E_a), период полупревращения) совместно с измеренными или расчетными температурно-временными профилями единичных технологических операций для расчета ожидаемой степени превращения, при этом пороги фазовых переходов (Tg, температура начала плавления, температура начала деструкции) используются в качестве граничных условий, которые могут изменять механизмы реакций или увеличивать их скорость.[4, 15]
Например, модель псевдопервого порядка в жидкой фазе для NRCl может быть параметризована с использованием аррениусовских энергий активации (75.4–82.8 kJ·mol−1) и наблюдения, что повышение температуры на 10 °C примерно удваивает k_obs, что позволяет переносить результаты валидированных экспериментов в буферных растворах на кратковременные температурные отклонения в процессе производства.[4]
Для curcumin температурная чувствительность может быть параметризована с использованием (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 при pH 8.0 и известной сильной зависимости k_obs от pH, что в совокупности позволяет прогнозировать потери во время технологических выдержек в водных средах или на этапах эмульгирования при повышенной температуре, где локальный pH является нейтрально-щелочным.[10]
Для trans-resveratrol резкое сокращение периода полупревращения под влиянием pH (от сотен дней до минут по мере увеличения pH) означает, что на показатели стабильности в ходе технологического процесса может влиять в первую очередь pH микроокружения, а не общая температура среды, и для умеренно-температурных воздействий может применяться аррениусовское моделирование при pH 7.4 с (E_a)=84.7 kJ·mol−1.[12]
6.2 QbD и пространство параметров
Интерпретация в рамках концепции Quality-by-Design поддерживается исследованиями, непосредственно оценивающими влияние параметров процесса и рецептурных матриц на механизмы деструкции, включая выводы о том, что ускоренные испытания могут не спрогнозировать срок годности при наличии неаррениусовского поведения или матричных эффектов.[7, 29]
Для таблеток resveratrol вывод о том, что аррениусовские подходы могут приводить к завышенной оценке степени деструкции при ускоренных испытаниях, обосновывает необходимость определения пространства проектных параметров с использованием как понимания механизмов процесса, так и данных, полученных при различных температурах, а не при одном фиксированном ускоренном режиме.[7, 29]
Для полученных методом распылительной сушки маркерных систем flavonoid напрямую показано влияние вспомогательных веществ на порядок кинетики и время достижения заданной степени деструкции, что указывает на то, что состав рецептуры является частью пространства проектных параметров стабильности, а не просто фиксированным фоном.[20]
6.3 PAT и аналитическая специфичность
Точный мониторинг процесса требует аналитической специфичности, поскольку продукты деструкции могут искажать результаты более простых спектроскопических анализов, особенно в случае polyphenols.[12]
Для trans-resveratrol специфичность методов HPLC и UPLC характеризуется как подтвержденная, тогда как спектроскопия UV/VIS приводила к ложнозавышенным концентрациям trans-resveratrol в условиях, когда он не был стабилен (щелочной pH, свет, повышенная температура), что подчеркивает необходимость использования методик, указывающих на стабильность, в анализе технологических процессов.[12]
7. Стратегии снижения рисков
Подходы к снижению рисков деградации в рассмотренных источниках делают особый упор на ограничение воздействия известных факторов, ускоряющих реакцию (тепла, кислорода, высокого уровня pH, УФ-излучения), и на использование архитектур лекарственных форм, снижающих молекулярную подвижность, экранирующих границы раздела фаз или помещающих активную субстанцию в менее реакционноспособные микроокружения.[10, 13, 17]
7.1 Инкапсулирование и дисперсии
Инкапсулирование в мицеллярные или высокодисперсные системы может существенно стабилизировать термолабильные соединения за счет ограничения их контакта с водой, кислородом и реакционноспособными формами веществ, а также путем изменения кислотно-основной доступности ключевых функциональных групп.[1, 10]
Для curcumin мицеллярная солюбилизация снижает k_obs до 0.6–0.9×10−3 h−1 и увеличивает период полураспада до 777–1100 h; данная стабилизация обусловлена предотвращением депротонирования гидроксильных групп внутри гидрофобного ядра мицеллы, что описывается как первая стадия деградации.[10]
Эмульсии Пикеринга обеспечивают физический барьер: утверждается, что наличие плотного физического барьера на границе раздела фаз препятствует деградации curcumin, а в количественном отношении барьерная система увеличивает период полураспада при хранении с 13 days до 28 days, а период полураспада под воздействием УФ-излучения — с ~13 h до ~27 h.[1]
Системы-носители на основе производных циклодекстрина представляют собой еще одну стратегию: клатраты resveratrol–β-cyclodextrin демонстрируют тепловые эффекты, включая высвобождение воды при температуре около 50 °C и процессы деградации при более высоких температурах, а свободная энергия связывания (например, −86 kJ·mol−1 по данным MM/PBSA) количественно подтверждает прочные взаимодействия включения.[25]
Инкапсулирование resveratrol в наногубки устраняет его эндотермический эффект плавления при DSC-анализе и обеспечивает фотопротекцию: свободный resveratrol демонстрирует деградацию на 59.7% в течение 15 min УФ-облучения, в то время как наногубки с resveratrol обеспечивают примерно двукратную защиту, что согласуется с концепцией предотвращения прямого УФ-воздействия за счет инкапсулирования.[16]
Аморфные твердые дисперсии могут быть получены путем механохимического измельчения; при этом было четко идентифицировано образование водородных связей между fisetin и сложногоэфирными группами Eudragit®, что обеспечивает механистическую основу для их смешиваемости и изменения Tg, способных стабилизировать систему против изменений профиля растворения, обусловленных кристаллизацией.[15]
7.2 Выбор вспомогательных веществ и носителей
Выбор вспомогательных веществ может изменять кинетические механизмы и показатели стабильности, как сообщается для высушенных распылением систем растительных экстрактов, где порядок реакции и время разложения фракций различаются в зависимости от смесей вспомогательных веществ, что указывает на зависимость кинетики деградации от природы вспомогательного вещества.[20]
Белковые со-компоненты могут стабилизировать flavonoids посредством гидрофобных изменений, снижая значения k для fisetin и quercetin, а разрушение этих взаимодействий под действием SDS подтверждает вывод о том, что гидрофобное связывание является ключевым механизмом стабилизации.[24]
7.3 Технологические методы контроля
Методы контроля технологического процесса, снижающие тепловое воздействие и контакт с кислородом, напрямую подтверждаются многочисленными массивами данных.[5, 18]
Для NRCl данные DSC/qNMR указывают на то, что превышение диапазона начала плавления (~120–130 °C) может приводить к чрезвычайно быстрой деградации, что обосновывает жесткие верхние ограничения по температуре и времени пребывания в технологических процессах с нагревом твердых фаз.[4]
Для NRH разница между периодом полураспада на воздухе и в среде N2 при 25 °C указывает на то, что создание инертной среды и вытеснение кислорода могут иметь существенное значение; авторы сообщают, что образцы под «подушкой» N2 при 4 °C не показывают признаков деградации через 60 days, в то время как образцы при 4 °C на воздухе демонстрируют деградацию на уровне ~10%.[5]
Для высокосдвиговой гомогенизации непосредственное наблюдение того, что увеличение rpm повышает температуру на выходе и ассоциируется с более высокой потерей чувствительной к окислению ascorbic acid, обосновывает инженерно-технические меры, ограничивающие нагрев под действием сдвиговых деформаций (например, охлаждающие рубашки, сокращение времени смешивания, порционное добавление).[13]
Для распылительной сушки утверждение о том, что воздействие кислорода и тепла снижает содержание (poly)phenols, а высокие температуры могут оказывать разрушительное действие на термолабильные phenolics, обосновывает такие подходы, как снижение температуры на выходе при наличии технологической возможности и использование инкапсулирования для снижения чувствительности к окислению и нагреву.[3]
7.4 Применение антиоксидантов и контроль содержания кислорода
Стратегии применения антиоксидантов и контроля содержания кислорода механистически обоснованы в массивах данных, полученных для polyphenol.[12, 22]
Для quercetin при 90 °C такие антиоксиданты, как cysteine, снижают значение k, при этом применение 200 µmol·L−1 cysteine приводит к снижению k примерно на ~43% по сравнению с контролем, а механистическая интерпретация учитывает стабилизацию quercetin quinone и эффекты гашения радикалов.[22]
Для trans-resveratrol прямо сообщается, что кислород способствует протеканию радикальных реакций, приводящих к деградации, что обосновывает создание инертной технологической атмосферы или использование кислородных барьеров (где это применимо) при обработке в щелочных/нейтральных водных средах.[12]
Сообщается, что в липосомальных системах resveratrol ограничивает окисление stigmasterol за счет нейтрализации свободных радикалов и встраивается в липидные бислои, повышая их жесткость и снижая проницаемость для кислорода и окислителей, тем самым увеличивая термическую и окислительную стабильность системы.[35]
8. Обсуждение
В рамках обобщенной здесь доказательной базы наиболее выраженная количественная закономерность заключается в том, что химическое микроокружение (pH, кислород, присутствие воды) может определять профиль стабильности даже при умеренных температурах, а также в том, что для ряда биологически активных веществ характерны резкие скачки стабильности при достижении специфических порогов термического перехода.[4, 5, 12]
Для предшественников NAD+ массив данных NRCl указывает на двойственный режим: в водном растворе гидролиз псевдопервого порядка может быть смоделирован с использованием энергий активации Аррениуса и примерно двукратного увеличения скорости на каждые 10 °C, в то время как в твердом состоянии узкий интервал в районе 120–130 °C соответствует плавлению с последующим немедленным быстрым разложением.[4]
Для resveratrol доминирующий технологический риск связан с чувствительностью к pH: период полураспада сокращается от длительного времени при кислых значениях pH до считанных минут при высоких pH, в то время как кислород инициирует радикальные реакции. Это указывает на то, что процессы с высоким сдвиговым усилием, увеличивающие перенос кислорода и локальную щелочность, могут оказывать непропорционально разрушительное воздействие даже при умеренной температуре в объеме.[12]
Для флавоноидов окисление через хиноновые промежуточные соединения и pH-зависимые механизмы депротонирования (quercetin) сочетаются с высокотемпературным окислением и радикально-цепным сопряжением (например, кислород плюс cholesterol), что свидетельствует о том, что липидосодержащие рецептуры и воздействие кислорода могут значительно интенсифицировать пути окислительной деградации.[22, 26]
Для curcumin существует механистическое противоречие между гипотезами, основанными на гидролизе (в ряде работ по GI-буферам), и гипотезами, основанными на автоокислении (в работах, посвященных мицеллам), однако оба подхода сходятся в признании сильного влияния pH, а также защитной роли гидрофобного микроокружения и ограничения доступа кислорода.[11, 32]
На уровне отдельных технологических процессов высокосдвиговые процессы могут выступать в основном в качестве косвенных ускорителей деградации, генерируя тепло и повышая восприимчивость к окислению; это наглядно демонстрируется при высокосдвиговой гомогенизации, где скорость вращения увеличивает температуру на выходе и совпадает по времени с окислительной деструкцией ascorbic acid.[13]
HPH/UHPH вносят дополнительную сложность, поскольку в зоне клапана возникают экстремальные сдвиговые нагрузки, кавитация и турбулентность, а также могут генерироваться высокие локальные температуры, хотя время пребывания может быть очень коротким (например, <0.2 s в описаниях UHPH). Это означает, что химические результаты могут зависеть от того, контролируется ли деградация быстрыми радикальными процессами, стадиями, лимитируемыми диффузией, или более медленными стадиями термической активации.[14, 34]
Наконец, ряд источников подчеркивает, что моделирование стабильности должно быть механистически валидировано в соответствующей матрице: данные по таблетированным формам resveratrol демонстрируют неаррениусовское поведение и матричные эффекты, которые ограничивают возможность общей аррениусовской экстраполяции по результатам ускоренных испытаний, а маркеры высушенных распылением растительных экстрактов демонстрируют зависимые от вспомогательных веществ кинетические порядки и время разложения до заданной степени.[7, 20]
9. Выводы
Количественные маркеры термодинамических переходов (DSC/TGA) и кинетика деградации (k, t_(1/2), (E_a), зависимые от степени превращения энергии активации) обеспечивают технологически значимую основу для разработки условий производства, сохраняющих активность термолабильных соединений для продления жизни и родственных биоактивных веществ.[4, 8, 9]
Для предшественников NAD+ вещество NRCl демонстрирует узкое температурное окно переработки вблизи точки плавления, за которым следует быстрое разложение, тогда как кинетика в водных средах демонстрирует pH-зависимый характер псевдопервого порядка с энергиями активации 75–83 kJ·mol−1, что позволяет параметризовать модели термического воздействия.[4]
Для ресвератрола pH и кислород являются доминирующими переменными: период полураспада сокращается с сотен дней при кислых значениях pH до минут при высоких значениях pH, а рецептурные матрицы могут вызывать неаррениусовское поведение, что усложняет экстраполяцию результатов ускоренных испытаний.[7, 12]
Для флавоноидов и куркуминоидов пути окисления (хиноновые интермедиаты для кверцетина; автоокисление для куркумина) обусловливают необходимость контроля содержания кислорода и применения стратегий гидрофобного инкапсулирования, которые, как количественно показано, увеличивают период полураспада на порядки в мицеллярных системах и существенно — в эмульсиях Пикеринга, получаемых в условиях высокосдвигового смешивания.[1, 10, 22, 32]
Для технологических операций с высоким усилием сдвига имеющиеся данные показывают, что сдвиг может повышать температуру и способствовать окислению (высокосдвиговое смешивание), а клапанные процессы высокого давления создают экстремальный сдвиг и кавитацию, где давление, количество проходов и температура на входе выступают ключевыми стресс-переменными; эти выводы обосновывают внедрение картирования «время–температура–сдвиг» и PAT с использованием аналитических методов, указывающих на стабильность.[12–14]
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.[20]
