เสถียรภาพทางอุณหพลศาสตร์ของสารประกอบ Longevity ชนิดสลายตัวง่ายในกระบวนการผลิตที่มีแรงเฉือนสูง

เสถียรภาพทางอุณหพลศาสตร์และจลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพของสารประกอบเพื่ออายุยืนชนิดไวต่อความร้อนภายใต้แรงเค้นจากการผลิตแบบแรงเฉือนสูง

ผู้นิพนธ์และการสังกัด

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

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

บทคัดย่อ

สารประกอบที่เกี่ยวข้องกับอายุยืนชนิดไวต่อความร้อนและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพกลุ่ม polyphenolic มักเผชิญกับแรงเค้นร่วมกันทั้งทางความร้อน, ออกซิเดชัน, pH และเชิงกลในระหว่างกระบวนการผลิต (เช่น การผสมแบบแรงเฉือนสูง, การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูง และการอบแห้งแบบพ่นฝอย) ซึ่งสามารถเร่งการเสื่อมสภาพทางเคมีและลดความแรงของสารที่ส่งมอบได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีพารามิเตอร์ด้านเสถียรภาพเชิงปริมาณที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการ เพื่อกำหนดขอบเขตการออกแบบการผลิตและเพื่อเป็นแนวทางสำหรับกลยุทธ์การกำหนดสูตรเพื่อการปกป้องสารสำคัญ [1–3]

วิธีการในการสังเคราะห์ข้อมูลปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่หลักฐานเชิงปริมาณที่สกัดจากการศึกษาที่รายงานเกี่ยวกับ:

• การเปลี่ยนสถานะทางอุณหพลศาสตร์/ความร้อนที่ประเมินโดย DSC และ TGA (การหลอมละลาย, จุดเริ่มต้นการสลายตัว, การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว และพฤติกรรมการสูญเสียมวลเป็นระยะ)
• จลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพ (แบบจำลอง pseudo-first-order/first-order, พลังงานก่อกัมมันต์ของ Arrhenius, การพึ่งพา pH และการวัดเวลาที่สลายตัวเป็นสัดส่วน) สำหรับสารตั้งต้น NAD⁺ (NR/NRH/NMN), stilbenoids (ระบบที่เกี่ยวข้องกับ resveratrol), flavonoids (quercetin, fisetin, rutin/esters) และ curcuminoids [4–11]

ผลลัพธ์บ่งชี้ว่าสารประกอบเพื่ออายุยืนที่เป็นตัวแทนหลายชนิดแสดงช่วงอุณหภูมิที่แคบสำหรับการแปรรูปด้วยความร้อนในสถานะทางกายภาพเฉพาะ Nicotinamide riboside chloride (NRCl) แสดงจุดเริ่มต้นการหลอมละลายที่ 120.7 ± 0.3 °C พร้อมการสลายตัวอย่างรวดเร็วหลังการหลอมละลาย (เช่น การเสื่อมสภาพ 98% ที่ 130 °C โดย qNMR) ในขณะที่การเสื่อมสภาพในน้ำเป็นไปตามจลนพลศาสตร์แบบ pseudo-first-order โดยมีพลังงานก่อกัมมันต์ในช่วง 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ ขึ้นอยู่กับ pH [4]

สำหรับ trans-resveratrol จลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพขึ้นอยู่กับ pH และอุณหภูมิอย่างมาก (เช่น ค่าครึ่งชีวิตลดลงจาก 329 วันที่ pH 1.2 เป็น 3.3 นาทีที่ pH 10) และการอนุมานจากการทดสอบสภาวะเร่งอาจไม่เป็นไปตาม Arrhenius ในเมทริกซ์ของยาเม็ด [7, 12]

หน่วยปฏิบัติการแบบแรงเฉือนสูงสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดความร้อนเฉพาะจุดและสภาวะออกซิเดชัน ดังที่แสดงให้เห็นโดยการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยแรงเฉือนสูงซึ่งทำให้อุณหภูมิขาออกเพิ่มขึ้นตามความเร็วรอบ และสอดคล้องกับการสูญเสีย ascorbic-acid 42.6% ที่ 20,000 rpm และโดยกลไกการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูงที่เกี่ยวข้องกับแรงเฉือนของวาล์ว, การเกิดโพรงอากาศ (cavitation) และความปั่นป่วนที่ >100 MPa [13, 14]

ข้อสรุปเน้นย้ำถึงการบูรณาการข้อมูลการเปลี่ยนสถานะทางอุณหพลศาสตร์ (DSC/TGA/Tg) เข้ากับแบบจำลองจลนพลศาสตร์ (Arrhenius, non-Arrhenius และวิธี isoconversional) เพื่อสร้างแผนที่เวลา-อุณหภูมิ-แรงเฉือน และเพื่อเลือกกลยุทธ์การบรรเทาปัญหาอย่างสมเหตุสมผล ซึ่งรวมถึงการห่อหุ้ม (encapsulation), สารกระจายของแข็งอสัณฐาน (amorphous solid dispersions), ระบบ cyclodextrin/nanosponge, การควบคุมออกซิเจน และการลดแรงเฉือน/อุณหภูมิให้เหลือน้อยที่สุด [15–18]

คำสำคัญ

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

1. บทนำ

สารประกอบที่เกี่ยวข้องกับอายุยืนถูกนำมาพัฒนาเป็นผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร, อาหารฟังก์ชัน และระบบนำส่งสารขั้นสูงเพิ่มมากขึ้น ซึ่งกระตุ้นให้เกิดความต้องการเส้นทางการผลิตที่ทำให้สารออกฤทธิ์ต้องเผชิญกับปัจจัยกระตุ้นร่วมกัน ได้แก่ ความร้อน, การสัมผัสออกซิเจน, water activity, การเปลี่ยนแปลงของ pH และการใส่พลังงานเชิงกลที่รุนแรง [3, 5, 14, 19]

สำหรับเคมีของสารตั้งต้น NAD⁺ เสถียรภาพในสภาวะสารละลายและสถานะของแข็งเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านการไฮโดรไลซิสของพันธะไกลโคซิดิกหรือฟอสเฟต และเนื่องจากอุณหภูมิในการแปรรูปสามารถข้ามเกณฑ์การเปลี่ยนสถานะของแข็งที่นำไปสู่การสลายตัวอย่างรวดเร็ว [4, 6]

สำหรับ polyphenols และสารสกัดจากพฤกษชาติที่เกี่ยวข้อง ข้อจำกัดด้านเสถียรภาพรวมถึง autoxidation, epimerization และการเกิดออกซิเดชันโดยเอนไซม์ไปเป็น quinones ซึ่งไวต่ออุณหภูมิ, pH, ไอออนของโลหะ และการมีอยู่ของออกซิเจนในระหว่างการแปรรูป [17]

นัยในทางปฏิบัติคือการออกแบบการผลิตไม่สามารถพึ่งพาเพียงอุณหภูมิรวมที่กำหนดเท่านั้น แต่ต้องบูรณาการเข้ากับ:

• ตัวบ่งชี้ทางอุณหพลศาสตร์ เช่น การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว, การหลอมละลาย และจุดเริ่มต้นการสลายตัว
• แบบจำลองจลนพลศาสตร์ที่ครอบคลุมการพึ่งพาของการเสื่อมสภาพต่อเวลา, อุณหภูมิ, pH, ออกซิเจน และ (ในกรณีที่วัดได้) การใส่พลังงานเชิงกล [4, 9, 10, 14, 15]

บทความนี้รวบรวมหลักฐานเชิงปริมาณเกี่ยวกับสารประกอบเพื่ออายุยืนที่เป็นตัวแทนและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่เกี่ยวข้อง ซึ่งแหล่งข้อมูลที่รวมอยู่ได้ระบุการเปลี่ยนสถานะทางอุณหพลศาสตร์ และ/หรือ พารามิเตอร์ทางจลนพลศาสตร์ไว้อย่างชัดเจน และเชื่อมโยงข้อมูลเหล่านั้นกับโปรไฟล์แรงเค้นของหน่วยปฏิบัติการแบบแรงเฉือนสูง ซึ่งรวมถึงการผสมแบบแรงเฉือนสูง, การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูง/microfluidization, การบดทางเคมีเชิงกล (mechanochemical milling) และการอบแห้งแบบพ่นฝอย [1, 14, 15, 20]

2. กรอบงานทางอุณหพลศาสตร์

เสถียรภาพทางอุณหพลศาสตร์ในบริบทการผลิตถูกประเมินโดยใช้เหตุการณ์ทางความร้อนที่วัดได้ (DSC/TGA) และตัวอธิบายสถานะ (เช่น อสัณฐานเทียบกับผลึก; อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว) ที่บ่งชี้ว่าเมื่อใดที่สารประกอบหรือสูตรตำรับเปลี่ยนไปสู่สถานะที่มีการเคลื่อนที่ระดับโมเลกุลสูงขึ้น และส่งผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงขึ้นหรือมีกลไกที่แตกต่างไป [4, 9, 15]

2.1 พลังงานอิสระของกิบบ์สและเสถียรภาพของเฟส

แหล่งข้อมูลหลายแห่งที่รวมอยู่นี้มีการคำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระของกิบบ์สสำหรับกระบวนการเสื่อมสภาพหรือการทำลายด้วยความร้อนอย่างชัดเจน ซึ่งให้การวัดความเป็นไปได้ทางอุณหพลศาสตร์ภายใต้สภาวะเฉพาะ [8, 19]

• สำหรับ NR borate ความเป็นไปได้เองของการเสื่อมสภาพถูกประเมินผ่านการคำนวณพลังงานอิสระของกิบบ์ส โดยรายงานค่า ΔG เท่ากับ 2.43 kcal·mol⁻¹ [19]
• สำหรับ rutin และ fatty-acid rutin esters ภายใต้สภาวะไพโรไลติก ค่า ΔG เป็นบวก (84–245 kJ·mol⁻¹) พร้อมกับค่า ΔH ที่เป็นบวก (60–242 kJ·mol⁻¹) ซึ่งบ่งชี้ถึงโปรไฟล์การสลายตัวด้วยความร้อนแบบดูดความร้อนและไม่เกิดขึ้นเองในการวิเคราะห์ที่รายงาน [8]

ในแง่ของรูปแบบจลนพลศาสตร์ แหล่งข้อมูลหลายแห่งยังใช้ความสัมพันธ์ระหว่างสถานะทรานสิชันและพลังงานอิสระเพื่อตีความการกระตุ้นการไฮโดรไลซิสในระบบต่างๆ เช่น สารประกอบเชิงซ้อน curcumin spiroborate [21]

2.2 การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว, การหลอมละลาย และจุดเริ่มต้นการสลายตัว

DSC และ TGA ให้ตัวบ่งชี้ความเสี่ยงของกระบวนการที่เสริมกัน: เหตุการณ์การหลอมละลายหรือการอ่อนตัวสามารถเพิ่มการแพร่กระจายอย่างรวดเร็วและทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปทางเคมีอย่างรวดเร็ว และจุดเริ่มต้นการสูญเสียมวลจาก TGA สามารถบ่งชี้จุดเริ่มต้นของการสลายตัวที่ย้อนกลับไม่ได้แม้จะอยู่ในสถานะของแข็งที่เห็นได้ชัดเจนก็ตาม [4, 9, 15]

• สำหรับ NRCl เครื่อง DSC บ่งชี้จุดเริ่มต้นการหลอมละลายที่ 120.7 ± 0.3 °C และพีคการหลอมละลายที่ 125.2 ± 0.2 °C ตามด้วยเหตุการณ์คายความร้อนที่รุนแรงทันทีโดยมีพีคที่ 130.8 ± 0.3 °C [4]
• สำหรับ NMN การสลายตัวเริ่มต้นที่ 160 °C และเสร็จสิ้นภายใน 165 °C โดยมีพีค DSC แบบดูดความร้อนที่ 162 °C และเอนทาลปีของการสลายตัว 184 kJ·mol⁻¹ [6]
• สำหรับ quercetin พีคดูดความร้อน DSC ที่รุนแรง (สูงสุดที่ 303 °C) มักถูกระบุผิดว่าเป็นการหลอมละลาย ในขณะที่ข้อมูล TGA บ่งชี้ถึงการสลายตัวที่ 230 °C ซึ่งทับซ้อนกับการสูญเสียมวล [9]
• สำหรับ curcumin ภายใต้ไนโตรเจน สังเกตเห็นการสลายตัวแบบหลายขั้นตอนเริ่มที่ 240 °C โดยเหลือสารตกค้าง 37% ที่ 600 °C [18]

2.3 เสถียรภาพของสถานะอสัณฐานและผลึก

สูตรตำรับอสัณฐานอาจช่วยเพิ่มการละลายและการดูดซึม แต่สามารถเปลี่ยนพฤติกรรมทางความร้อนและเสถียรภาพได้โดยการเพิ่มการเคลื่อนที่ระดับโมเลกุลเมื่อเทียบกับรูปแบบผลึก ทำให้อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) เป็นพารามิเตอร์ด้านเสถียรภาพที่สำคัญ [15, 16]

• fisetin amorphous solid dispersions (ASDs) ที่เตรียมด้วยวิธีเคมีเชิงกล แสดงค่า Tg ที่วัดได้ในการสแกนความร้อนครั้งที่สอง และแสดงการเปลี่ยนแปลงทางองค์ประกอบใน Tg ที่สอดคล้องกับความสามารถในการผสมกัน [15]
• สำหรับ resveratrol และ oxyresveratrol nanosponges พีคการหลอมละลายแบบดูดความร้อนของ resveratrol จะหายไปในสูตรตำรับ nanosponge ซึ่งอธิบายได้จากการห่อหุ้มและการทำให้เป็นอสัณฐาน [16]
• สำหรับ quercetin การตีความ DSC/TGA ร่วมกันบ่งชี้ถึงการสลายตัวและการคลายโครงสร้าง/การอ่อนตัวในช่วง 150–350 °C [9]

3. แบบจำลองและพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพ

แหล่งข้อมูลที่รวมอยู่ใช้แบบจำลองจลนพลศาสตร์ที่หลากหลาย (เช่น first-order, pseudo-first-order, sigmoidal) และการจัดการกับการพึ่งพาอุณหภูมิ (เช่น พฤติกรรมแบบ Arrhenius) เพื่อระบุลักษณะการเสื่อมสภาพ [4, 7, 22]

3.1 แบบจำลองลำดับของปฏิกิริยา

แนวทางมาตรฐานสำหรับการเสื่อมสภาพในสถานะสารละลายใช้แบบจำลอง integrated first-order [4, 11, 12]

• สำหรับการเสื่อมสภาพของ NRCl ในสารละลายน้ำ มีรายงานจลนพลศาสตร์แบบ pseudo-first-order [4, 23]
• ตัวบ่งชี้สารสกัดจากพืชที่ผ่านการอบแห้งแบบพ่นฝอยแสดงลำดับปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน รวมถึงแบบจำลอง zero-order และ second-order สำหรับสารประกอบเฉพาะ [20]

3.2 การจัดการแบบ Arrhenius และ Eyring

การพึ่งพาอุณหภูมิของการเสื่อมสภาพมักถูกจำลองโดยใช้สมการประเภท Arrhenius [4, 10, 12]

• สำหรับ NRCl พลังงานก่อกัมมันต์อยู่ในช่วง 75.4 ถึง 82.8 kJ·mol⁻¹ โดยมี pH เป็นปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อค่าเหล่านี้ [4]
• trans-resveratrol แสดงพลังงานก่อกัมมันต์ที่ 84.7 kJ·mol⁻¹ ที่ pH 7.4 [12]
• curcumin ในตัวกลางที่แตกต่างกันแสดงพลังงานก่อกัมมันต์ระหว่าง 9.75–16.46 kcal·mol⁻¹ [11]

3.3 วิธี Isoconversional และ Model-Free

วิธี Isoconversional (เช่น KAS, FWO, Friedman) ถูกนำมาใช้เพื่อระบุการสลายตัวแบบหลายขั้นตอนและการเปลี่ยนแปลงกลไก [8, 18, 25]

• สำหรับ rutin และ fatty-acid rutin esters พลังงานก่อกัมมันต์จะแปรผันตามระดับการเปลี่ยนรูป [8]
• resveratrol–β-cyclodextrin clathrates แสดงพลังงานก่อกัมมันต์ที่เพิ่มขึ้นตามระดับการเปลี่ยนรูป [25]

3.4 การเสื่อมสภาพร่วมกันทางความร้อน-เชิงกล และออกซิเดชัน

กระบวนการผลิตแบบแรงเฉือนสูงรวมแรงเค้นเชิงกลเข้ากับความร้อนเฉพาะจุดและออกซิเดชัน ซึ่งส่งเสริมเส้นทางการเสื่อมสภาพ [13, 14, 17]

• การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยแรงเฉือนสูงเพิ่มอุณหภูมิขาออกอย่างมีนัยสำคัญตามความเร็วรอบ และเป็นสาเหตุของการเสื่อมสภาพของ ascorbic acid อย่างรุนแรงเนื่องจากอุณหภูมิที่สูงขึ้นและออกซิเดชัน [13]
• กลไกการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูง—เช่น แรงเฉือนของวาล์ว, การเกิดโพรงอากาศ และความปั่นป่วน—เหนี่ยวนำให้เกิดแรงเค้นทางออกซิเดชันและเชิงกล [14]
• Oxidative coupling เร่งการเสื่อมสภาพของ quercetin ในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงและออกซิเจนสูง [26]

4. การทบทวนตามกลุ่มสารประกอบ

การสังเคราะห์ข้อมูลต่อไปนี้เน้นย้ำถึงพารามิเตอร์ทางจลนพลศาสตร์และอุณหพลศาสตร์ที่สำคัญซึ่งเกี่ยวข้องกับแบบจำลองการผลิต เช่น พลังงานก่อกัมมันต์, ค่าคงที่อัตรา, ค่าครึ่งชีวิต, จุดเริ่มต้นการสลายตัว และข้อจำกัดที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วหรือการหลอมละลาย [4, 11, 12, 15, 24]

4.1 สารตั้งต้น NAD⁺

• เสถียรภาพของสารตั้งต้น NAD⁺ ได้รับผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญจากความไวต่อการไฮโดรไลซิส, ความไวต่อการเปลี่ยนสถานะทางความร้อน และออกซิเดชันที่ขับเคลื่อนด้วยออกซิเจน [4, 5]
• จลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพของ NRCl แสดงพฤติกรรมแบบ pseudo-first-order โดยมีพลังงานก่อกัมมันต์อยู่ในช่วง 75.4 ถึง 82.8 kJ·mol⁻¹ ซึ่งได้รับอิทธิพลอย่างมากจาก pH [4]
• ในสถานะของแข็ง NRCl มีช่วงอุณหภูมิการแปรรูปทางความร้อนที่แคบ โดยเกิดการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วเหนือจุดหลอมละลายที่ 120.7 ± 0.3 °C [4]
• NRH แสดงการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะที่เป็นกรดและในที่ที่มีออกซิเจน ซึ่งตอกย้ำถึงความไม่เสถียรเนื่องจากพันธะ N-glycosidic [5]
• NMN สลายตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า 160 °C และแสดงรูปแบบการเสื่อมสภาพที่ไวต่อ pH และอุณหภูมิในสารละลายน้ำ [6, 27, 28]

เส้นทางการเสื่อมสภาพของ NMN

เส้นทางการเสื่อมสภาพหลักของ NMN ถูกอธิบายว่าเป็นการไฮโดรไลซิสของพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ ซึ่งได้ nicotinamide และ ribose-5-phosphate โดยมีการพึ่งพา pH ที่อธิบายว่าเป็นการไฮโดรไลซิสที่เร่งปฏิกิริยาด้วยกรดที่ pH ต่ำกว่า 4.5 และการแตกตัวที่อาศัยเบสที่ pH สูงกว่า 7.5 [28]

Stilbenoids

Stilbenoids รวมถึง resveratrol และสารประกอบที่เกี่ยวข้อง แสดงการเสื่อมสภาพที่ขึ้นอยู่กับ pH และออกซิเจนอย่างมาก เสถียรภาพในสูตรตำรับจริงอาจเบี่ยงเบนไปจากการอนุมานของ Arrhenius เนื่องจากผลกระทบของเมทริกซ์และเส้นทางปฏิกิริยาที่หลากหลาย [7, 12, 29]

ในระบบสารละลาย มีรายงานว่า trans-resveratrol มีเสถียรภาพที่ pH เป็นกรด แต่การเสื่อมสภาพจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณที่ pH สูงกว่า 6.8 ค่าครึ่งชีวิตลดลงจาก 329 วันที่ pH 1.2 เป็น 3.3 นาทีที่ pH 10 [12]

ที่ pH 7.4 การเสื่อมสภาพของ trans-resveratrol เป็นไปตามจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่งในทุกอุณหภูมิที่ทำการศึกษา โดยมีพลังงานก่อกัมมันต์ 84.7 kJ·mol^-1 [12]

กลไกการเสื่อมสภาพจะแปรผันตาม pH ในสภาวะที่เป็นกรด หมู่ไฮดรอกซิลจะได้รับการปกป้องจากการออกซิเดชันโดยอนุมูลอิสระด้วย H₃O⁺ ในขณะที่ในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง phenate ions จะเพิ่มความไวต่อการเกิดออกซิเดชัน ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของ phenoxy radical นอกจากนี้ ออกซิเจนในตัวกลางยังช่วยเร่งปฏิกิริยาอนุมูลอิสระที่นำไปสู่การเสื่อมสภาพ [12]

การทดลองเสถียรภาพทางความร้อนในสารละลายน้ำ (19 mg·L^-1) แสดงให้เห็นว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางสเปกตรัมที่สำคัญหลังจาก 30 นาทีที่อุณหภูมิสูงถึง 70 °C อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่สูงขึ้นส่งผลให้การดูดกลืนแสงที่ 304 nm และในช่วง 270–350 nm ลดลง ซึ่งบ่งชี้ถึงการเสื่อมสภาพที่เหนี่ยวนำด้วยความร้อน [30]

การตีความเชิงกลไกของการทดลองไฮโดรเทอร์มอลเสนอการแตกพันธะคู่ด้วยออกซิเดชันและการก่อตัวของผลิตภัณฑ์เสื่อมสภาพ ซึ่งรวมถึง hydroxy aldehydes, alcohols, และ hydroxy acids การวิเคราะห์ FTIR เผยให้เห็นแถบการดูดกลืนแสงที่สอดคล้องกับการก่อตัวของ aldehyde และ carboxylic acid ที่อุณหภูมิ 100–120 °C [30]

ในเมทริกซ์ของยาเม็ด การเสื่อมสภาพของ resveratrol เป็นไปตามจลนพลศาสตร์แบบ first-order monoexponential โดยมีค่า k เท่ากับ 0.07140, 0.1937, และ 0.231 months^-1 ที่ 25, 30, และ 40 °C ตามลำดับ อย่างไรก็ตาม ความสัมพันธ์ระหว่าง ln(k) เทียบกับ 1/T ไม่เป็นเส้นตรงและจัดอยู่ในประเภท super-Arrhenius ซึ่งบ่งชี้ถึงปฏิกิริยาเพิ่มเติม, เส้นทางปฏิกิริยาที่หลากหลาย หรือผลกระทบจากเมทริกซ์ที่อุณหภูมิสูงขึ้น [7]

งานวิจัยบ่งชี้ว่าการทดสอบสภาวะเร่งอาจประเมินการเสื่อมสภาพสูงเกินจริง โดยผู้นิพนธ์แนะนำวิธีทางเลือกในการกำหนดจลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพ [7]

สำหรับ phenolics ที่มีโครงสร้างคล้าย stilbene ในระบบแห้ง การบำบัดด้วยความร้อน เช่น การนึ่งฆ่าเชื้อ (steam sterilization) ที่ 121 °C เป็นเวลา 20 นาที ทำให้เกิดการสูญเสียที่วัดได้ (เช่น pinosylvin ลดลง 20.98% ตามพื้นที่พีค) และการอบในตู้อบที่ 105 °C เป็นเวลา 24 ชั่วโมง นำไปสู่การลดลงมากกว่า 50% สำหรับสารกลุ่ม phenolic หลายชนิด อย่างไรก็ตาม TGA บ่งชี้ถึงอุณหภูมิเริ่มต้นการสลายตัวสูงกว่า ~200 °C สำหรับระบบ pinosylvin [31]

Flavonoids

Flavonoids แสดงการเสื่อมสภาพแบบหลายเส้นทางที่ไวต่อ pH, อุณหภูมิ, ออกซิเจน และปฏิสัมพันธ์ในสูตรตำรับ เช่น การจับกับโปรตีน พฤติกรรมทางความร้อนใน DSC/TGA อาจเกี่ยวข้องกับการสลายตัวและการอ่อนตัวที่ซ้อนทับกัน [9, 22, 24]

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการเพิ่ม pH ของตัวกลางจาก 6.0 เป็น 7.5 จะเร่งการเสื่อมสภาพ โดย fisetin และ quercetin มีค่าคงที่อัตราการเสื่อมสภาพเพิ่มขึ้น 24 เท่า และ 12 เท่า ตามลำดับ นอกจากนี้ การเพิ่มอุณหภูมิสูงกว่า 37 °C ยังช่วยเพิ่มค่าคงที่อัตราให้สูงขึ้นไปอีก [24]

• สำหรับ fisetin: ค่า k เพิ่มขึ้นจาก 8.30×10^-3 เป็น 0.202 h^-1 เมื่อเพิ่ม pH และเพิ่มเป็น 0.490 h^-1 ที่ 65 °C
• สำหรับ quercetin: ค่า k เพิ่มขึ้นจาก 2.81×10^-2 เป็น 0.375 h^-1 ตาม pH และเพิ่มเป็น 1.42 h^-1 ที่ 65 °C [24]

ส่วนผสมร่วมที่เป็นโปรตีนสามารถบรรเทาการเสื่อมสภาพได้ ดังที่ระบุโดยค่า k ที่ลดลงเมื่อมีโปรตีนอยู่ด้วย ตัวอย่างเช่น ค่า k ของ fisetin ลดลงจาก 3.58×10^-2 เป็น 1.76×10^-2 h^-1 และค่า k ของ quercetin ลดลงจาก 7.99×10^-2 เป็น 3.80×10^-2 h^-1 การรักษาเสถียรภาพนี้อธิบายได้จากปฏิสัมพันธ์แบบไม่ชอบน้ำ (hydrophobic interactions) และพันธะไฮโดรเจน โดยที่ SDS ทำให้เกิดความไม่เสถียร การศึกษาเพิ่มเติมเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อระบุสัดส่วนของพันธะไฮโดรเจนที่มีต่อเสถียรภาพ [24]

สำหรับ quercetin ที่ 90 °C ในสภาวะใกล้เป็นกลาง สังเกตเห็นผลกระทบของ pH ที่รุนแรง ค่าคงที่อัตราการเสื่อมสภาพเพิ่มขึ้นประมาณห้าเท่าจาก pH 6.5 เป็น 7.5 ให้ผลิตภัณฑ์ออกซิเดชันระหว่างกลาง เช่น quercetin quinone โดยมี protocatechuic acid (PCA) และ phloroglucinol carboxylic acid (PGCA) เป็นผลิตภัณฑ์สุดท้าย [22]

ระบบอุณหภูมิสูง (150 °C) จะเร่งการเสื่อมสภาพ โดยมีรายงานค่าคงที่อัตราเท่ากับ 0.253 h^-1 ภายใต้ไนโตรเจน, 0.868 h^-1 ในออกซิเจน และ 7.17 h^-1 ในออกซิเจนร่วมกับ cholesterol การสูญเสีย quercetin เพิ่มขึ้นจาก 7.9% ที่ 10 นาทีในไนโตรเจน เป็น 20.4% ในออกซิเจน และลดลงเหลือ 10.9% เมื่อมี cholesterol ร่วมกับออกซิเจน [26]

การวิเคราะห์ทางความร้อนแสดงให้เห็นว่า quercetin มีพีคดูดความร้อนขนาดเล็กที่ 90–135 °C (สัมพันธ์กับการสูญเสียมวลเล็กน้อย) และเริ่มสลายตัวที่ 230 °C พีค DSC แบบดูดความร้อนที่โดดเด่นที่ 303 °C ทับซ้อนกับการสลายตัว โดยมีพันธะไฮโดรเจนที่ช่วยยับยั้งพฤติกรรมคล้ายการหลอมละลายและอำนวยความสะดวกในการสลายตัว [9]

สำหรับ rutin (ไกลโคไซด์ของ quercetin) และ fatty acid esters ของมัน TGA บ่งชี้ว่า rutin มีเสถียรภาพทางความร้อนสูงถึง 240 °C ในขณะที่ esters แสดงอุณหภูมิเริ่มต้นการเสื่อมสภาพที่ต่ำกว่าและมีการสูญเสียมวลสูงกว่าในช่วงการเสื่อมสภาพหลัก พลังงานก่อกัมมันต์อยู่ในช่วง 65 ถึง 246 kJ·mol^-1 ขึ้นอยู่กับระดับการเปลี่ยนรูป [8]

ระบบนำส่งสารที่ได้จาก Cyclodextrin

ระบบนำส่งสารที่ได้จาก Cyclodextrin เป็นอีกกลยุทธ์หนึ่ง: resveratrol–β-cyclodextrin clathrates แสดงเหตุการณ์ทางความร้อนซึ่งรวมถึงการปล่อยน้ำที่ใกล้ 50 °C และเหตุการณ์การเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิสูงขึ้น และพลังงานอิสระในการพันธะ (เช่น −86 kJ·mol⁻¹ โดย MM/PBSA) ช่วยยืนยันถึงปฏิสัมพันธ์ในการรวมตัวที่แข็งแกร่ง [25]

การห่อหุ้มด้วย Nanosponge

การห่อหุ้ม resveratrol ด้วย Nanosponge ช่วยกำจัดพีคการหลอมละลายแบบดูดความร้อนใน DSC และให้การปกป้องจากแสง: resveratrol รูปแบบอิสระแสดงการเสื่อมสภาพ 59.7% ภายใน 15 นาทีภายใต้การสัมผัส UV ในขณะที่ resveratrol nanosponges ให้การปกป้องเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่า ซึ่งสอดคล้องกับการห่อหุ้มที่ช่วยป้องกันการสัมผัส UV โดยตรง [16]

สารกระจายของแข็งอสัณฐาน (Amorphous Solid Dispersions)

สารกระจายของแข็งอสัณฐานสามารถสร้างขึ้นได้ผ่านการบดทางเคมีเชิงกล และมีการระบุพันธะไฮโดรเจนระหว่าง fisetin และหมู่เอสเทอร์ของ Eudragit® ไว้อย่างชัดเจน ซึ่งเป็นพื้นฐานเชิงกลไกสำหรับความสามารถในการผสมและการเปลี่ยนค่า Tg ที่สามารถรักษาเสถียรภาพจากการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการละลายที่ขึ้นอยู่กับการตกผลึก [15]

การเลือกสารช่วยและตัวพา

การเลือกสารช่วย (excipient) สามารถเปลี่ยนกลไกจลนพลศาสตร์และผลลัพธ์ด้านเสถียรภาพ ดังที่มีรายงานในระบบสารสกัดจากพืชที่อบแห้งแบบพ่นฝอย ซึ่งลำดับของปฏิกิริยาและเวลาสลายตัวเป็นสัดส่วนจะแตกต่างกันไปตามส่วนผสมของสารช่วย ซึ่งบ่งชี้ถึงจลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพที่ขึ้นอยู่กับสารช่วย [20]

ส่วนผสมร่วมที่เป็นโปรตีนสามารถรักษาเสถียรภาพของ flavonoids ผ่านปฏิสัมพันธ์แบบไม่ชอบน้ำ ซึ่งช่วยลดค่า k สำหรับ fisetin และ quercetin และการที่ SDS ทำลายปฏิสัมพันธ์เหล่านี้สนับสนุนการตีความว่าการจับแบบไม่ชอบน้ำเป็นกลไกการรักษาเสถียรภาพที่สำคัญ [24]

การควบคุมทางวิศวกรรมกระบวนการ

การควบคุมกระบวนการที่ลดการสัมผัสความร้อนและออกซิเจนได้รับการสนับสนุนโดยตรงจากข้อมูลหลายชุด [5, 18]

สำหรับ NRCl หลักฐานจาก DSC/qNMR บ่งชี้ว่าการใช้อุณหภูมิเกินช่วงเริ่มต้นการหลอมละลาย (~120–130 °C) สามารถทำให้เกิดการเสื่อมสภาพที่รวดเร็วมาก ซึ่งสนับสนุนการกำหนดขีดจำกัดสูงสุดของอุณหภูมิและระยะเวลาในการดำเนินการในสถานะของแข็งที่ใช้ความร้อน [4]

สำหรับ NRH ความแตกต่างระหว่างค่าครึ่งชีวิตในอากาศและ N₂ ที่ 25 °C บ่งบอกว่าการใช้ก๊าซเฉื่อยและการกำจัดออกซิเจนมีความสำคัญ โดยผู้นิพนธ์รายงานว่าตัวอย่างที่อยู่ภายใต้ก๊าซ N₂ ที่ 4 °C ไม่แสดงการเสื่อมสภาพที่ตรวจพบได้หลังจาก 60 วัน ในขณะที่ตัวอย่างที่ 4 °C ในอากาศแสดงการเสื่อมสภาพประมาณ 10% [5]

สำหรับการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยแรงเฉือนสูง การสังเกตโดยตรงว่าการเพิ่ม rpm จะเพิ่มอุณหภูมิขาออกและสัมพันธ์กับการสูญเสีย ascorbic acid ที่ไวต่อออกซิเดชันสูงขึ้น สนับสนุนมาตรการทางวิศวกรรมที่จำกัดความร้อนจากการเฉือน (เช่น เสื้อน้ำหล่อเย็น, ระยะเวลาการผสมที่สั้นลง, การแบ่งขั้นตอนการเติมสาร) [13]

สำหรับการอบแห้งแบบพ่นฝอย ข้อยืนยันที่ว่าการสัมผัสออกซิเจนและความร้อนจะช่วยลดปริมาณ (poly)phenols และอุณหภูมิที่สูงอาจเป็นผลเสียต่อ thermolabile phenolics สนับสนุนทางเลือกต่างๆ เช่น การลดอุณหภูมิขาออกเมื่อเป็นไปได้ และการใช้การห่อหุ้มเพื่อลดความไวต่อออกซิเดชันและความร้อน [3]

สารต้านอนุมูลอิสระและการจัดการออกซิเจน

กลยุทธ์ด้านสารต้านอนุมูลอิสระและการจัดการออกซิเจนได้รับการสนับสนุนเชิงกลไกในชุดข้อมูล polyphenol ต่างๆ [12, 22]

สำหรับ quercetin ที่ 90 °C สารต้านอนุมูลอิสระเช่น cysteine ช่วยลดค่า k โดยที่ cysteine ปริมาณ 200 μmol·L⁻¹ ทำให้ค่า k ลดลงประมาณ 43% เมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุม และการตีความเชิงกลไกพิจารณาถึงการรักษาเสถียรภาพของ quercetin quinone และผลของการกำจัดอนุมูลอิสระ [22]

สำหรับ trans-resveratrol มีรายงานอย่างชัดเจนว่าออกซิเจนช่วยเร่งปฏิกิริยาอนุมูลอิสระที่นำไปสู่การเสื่อมสภาพ ซึ่งสนับสนุนการใช้บรรยากาศการแปรรูปแบบเฉื่อยหรือชั้นป้องกันออกซิเจนเมื่อทำได้ สำหรับการแปรรูปในน้ำที่เป็นด่าง/กลาง [12]

ในระบบไลโปโซม มีรายงานว่า resveratrol ช่วยจำกัดการเกิดออกซิเดชันของ stigmasterol โดยการสะเทินอนุมูลอิสระและแทรกตัวเข้าไปในชั้นไขมัน ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรง ลดการซึมผ่านของออกซิเจนและสารออกซิไดซ์ ส่งผลให้เสถียรภาพทางความร้อนและออกซิเดชันของระบบเพิ่มขึ้น [35]

บทวิจารณ์

จากฐานข้อมูลหลักฐานที่รวบรวมไว้ที่นี่ รูปแบบเชิงปริมาณที่ชัดเจนที่สุดคือ สภาพแวดล้อมทางเคมีระดับจุลภาค (pH, ออกซิเจน, การมีน้ำ) สามารถครอบงำผลลัพธ์ของเสถียรภาพได้แม้ที่อุณหภูมิไม่สูงมาก และสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพหลายชนิดแสดงความไม่ต่อเนื่องของเสถียรภาพที่รุนแรง ณ เกณฑ์การเปลี่ยนสถานะทางความร้อนเฉพาะ [4, 5, 12]

สำหรับสารตั้งต้น NAD⁺ ชุดข้อมูล NRCl เน้นย้ำถึงรูปแบบสองระบบ: ในสารละลายน้ำ การไฮโดรไลซิสแบบ pseudo-first-order สามารถจำลองได้ด้วยพลังงานก่อกัมมันต์ของ Arrhenius และอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าต่ออุณหภูมิทุกๆ 10 °C ในขณะที่ในสถานะของแข็ง ช่วงแคบๆ ประมาณ 120–130 °C จะสอดคล้องกับการหลอมละลายตามด้วยการสลายตัวอย่างรวดเร็วทันที [4]

สำหรับ resveratrol ความเสี่ยงหลักของกระบวนการเกิดจากความไวต่อ pH: ค่าครึ่งชีวิตลดลงจากระยะเวลาที่ยาวนานที่ pH เป็นกรดเหลือเพียงไม่กี่นาทีที่ pH สูง ในขณะที่ออกซิเจนช่วยเร่งปฏิกิริยาอนุมูลอิสระ บ่งชี้ว่าการปฏิบัติการแบบแรงเฉือนสูงที่เพิ่มการถ่ายเทออกซิเจนและความเป็นด่างเฉพาะจุดอาจสร้างความเสียหายได้มากกว่าปกติ แม้ว่าอุณหภูมิโดยรวมจะยังอยู่ในระดับปานกลางก็ตาม [12]

สำหรับ flavonoids การเกิดออกซิเดชันผ่านตัวกลาง quinone และกลไกการดึงโปรตอนที่ขึ้นอยู่กับ pH (quercetin) รวมกับการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงและการจับตัวกันของอนุมูลอิสระ (เช่น ออกซิเจนร่วมกับ cholesterol) บ่งชี้ว่าสูตรตำรับที่มีไขมันและการสัมผัสออกซิเจนสามารถขยายเส้นทางการสูญเสียจากการออกซิเดชันได้อย่างรุนแรง [22, 26]

สำหรับ curcumin มีความขัดแย้งเชิงกลไกระหว่างแนวทางที่ขับเคลื่อนด้วยการไฮโดรไลซิส (ในงานวิจัยเกี่ยวกับบัฟเฟอร์ทางเดินอาหาร) และแนวทางที่ขับเคลื่อนด้วย autoxidation (ในงานวิจัยเกี่ยวกับไมเซลล์) แต่ทั้งสองแนวทางบรรจบกันที่ผลกระทบของ pH ที่รุนแรงและบทบาทการป้องกันของสภาพแวดล้อมจุลภาคที่ไม่ชอบน้ำและการจำกัดออกซิเจน [11, 32]

ในระดับหน่วยปฏิบัติการ กระบวนการแบบแรงเฉือนสูงสามารถทำหน้าที่หลักเป็นตัวเร่งโดยอ้อมโดยการสร้างความร้อนและเพิ่มความไวต่อออกซิเดชัน ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนในการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยแรงเฉือนสูงที่ความเร็วรอบเพิ่มอุณหภูมิขาออกและสอดคล้องกับการสูญเสียจากการออกซิเดชันของ ascorbic acid [13]

HPH/UHPH เพิ่มความซับซ้อนขึ้นเนื่องจากบริเวณวาล์วทำให้เกิดแรงเฉือนรุนแรง, การเกิดโพรงอากาศ และความปั่นป่วน และอาจสร้างอุณหภูมิเฉพาะจุดที่สูง แม้ว่าระยะเวลาพำนัก (residence time) จะสั้นมาก (เช่น <0.2 วินาทีในคำอธิบายของ UHPH) ซึ่งหมายความว่าผลลัพธ์ทางเคมีอาจขึ้นอยู่กับว่าการเสื่อมสภาพนั้นถูกควบคุมโดยกระบวนการอนุมูลอิสระที่รวดเร็ว, ขั้นตอนที่จำกัดด้วยการแพร่กระจาย หรือขั้นตอนการกระตุ้นด้วยความร้อนที่ช้ากว่า [14, 34]

ท้ายที่สุด แหล่งข้อมูลหลายแห่งเน้นย้ำว่าการจำลองเสถียรภาพต้องได้รับการตรวจสอบเชิงกลไกในเมทริกซ์ที่เกี่ยวข้อง: ข้อมูลยาเม็ด resveratrol แสดงพฤติกรรมแบบ non-Arrhenius และผลกระทบของเมทริกซ์ที่จำกัดการอนุมาน Arrhenius ทั่วไปจากการทดสอบสภาวะเร่ง และตัวบ่งชี้สารสกัดจากพืชที่ผ่านการอบแห้งแบบพ่นฝอยแสดงลำดับจลนพลศาสตร์และเวลาสลายตัวเป็นสัดส่วนที่ขึ้นอยู่กับสารช่วย [7, 20]

บทสรุป

ตัวบ่งชี้การเปลี่ยนสถานะทางอุณหพลศาสตร์เชิงปริมาณ (DSC/TGA) และจลนพลศาสตร์การเสื่อมสภาพ (k, t_1/2, E_a, พลังงานก่อกัมมันต์ที่ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนรูป) เป็นพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสำหรับการออกแบบสภาวะการผลิตที่รักษาความแรงของสารประกอบเพื่ออายุยืนชนิดไวต่อความร้อนและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่เกี่ยวข้อง [4, 8, 9]

สำหรับสารตั้งต้น NAD⁺ สาร NRCl แสดงช่วงอุณหภูมิการแปรรูปทางความร้อนที่แคบใกล้จุดหลอมละลายตามด้วยการสลายตัวอย่างรวดเร็ว ในขณะที่จลนพลศาสตร์ในน้ำแสดงพฤติกรรมแบบ pseudo-first-order ที่ขึ้นอยู่กับ pH โดยมีพลังงานก่อกัมมันต์ 75–83 kJ·mol⁻¹ ซึ่งสามารถกำหนดพารามิเตอร์ให้กับแบบจำลองการสัมผัสความร้อนได้ [4]

สำหรับ resveratrol ค่า pH และออกซิเจนเป็นตัวแปรหลัก โดยค่าครึ่งชีวิตลดลงจากหลายร้อยวันในช่วง pH เป็นกรดเหลือเพียงไม่กี่นาทีในช่วง pH สูง และเมทริกซ์ของสูตรตำรับสามารถทำให้เกิดพฤติกรรมแบบ non-Arrhenius ที่เพิ่มความซับซ้อนในการอนุมานจากการทดสอบสภาวะเร่ง [7, 12]

สำหรับ flavonoids และ curcuminoids เส้นทางการเกิดออกซิเดชัน (ตัวกลาง quinone สำหรับ quercetin; autoxidation สำหรับ curcumin) กระตุ้นให้เกิดกลไกการควบคุมออกซิเจนและกลยุทธ์การห่อหุ้มแบบไม่ชอบน้ำ ซึ่งแสดงให้เห็นเชิงปริมาณว่าสามารถขยายค่าครึ่งชีวิตได้หลายเท่าในระบบไมเซลล์ และอย่างมีนัยสำคัญใน Pickering emulsions ที่ผลิตภายใต้การผสมแบบแรงเฉือนสูง [1, 10, 22, 32]

สำหรับหน่วยปฏิบัติการแบบแรงเฉือนสูง หลักฐานที่มีอยู่แสดงให้เห็นว่าแรงเฉือนสามารถเพิ่มอุณหภูมิและส่งเสริมออกซิเดชัน (การผสมแบบแรงเฉือนสูง) และกระบวนการความดันสูงที่ใช้วาล์วจะสร้างแรงเฉือนที่รุนแรงและการเกิดโพรงอากาศ โดยมีแรงดัน, จำนวนรอบ และอุณหภูมิขาเข้าเป็นตัวแปรแรงเค้นที่สำคัญ ข้อมูลเชิงลึกเหล่านี้สนับสนุนการนำการทำแผนที่เวลา-อุณหภูมิ-แรงเฉือน และ PAT มาใช้โดยใช้การวิเคราะห์ที่บ่งชี้เสถียรภาพ [12–14]

กิตติกรรมประกาศ

ผู้นิพนธ์ขอขอบคุณ Placeholder Laboratory สำหรับการอภิปรายภายในเกี่ยวกับการวิเคราะห์ที่บ่งชี้เสถียรภาพและการทำแผนที่กระบวนการ [12]

ผลประโยชน์ทับซ้อน

ผู้นิพนธ์ประกาศว่าไม่มีผลประโยชน์ทับซ้อน [20]