เสถียรภาพทางอุณหพลศาสตร์และจลนศาสตร์การสลายตัวของสารประกอบชะลอวัยที่ไวต่อความร้อน ภายใต้สภาวะบีบคั้นของกระบวนการผลิตที่มีแรงเฉือนสูง

บทคัดย่อ

สารประกอบที่เกี่ยวข้องกับการชะลอวัยซึ่งสลายตัวได้ง่ายด้วยความร้อน (Thermolabile longevity-associated compounds) และสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพประเภทโพลีฟีนอลมักเผชิญกับความเค้นร่วมกันทั้งทางความร้อน, ออกซิเดชัน, ค่า pH และแรงกลในระหว่างกระบวนการผลิต (เช่น การผสมด้วยแรงเฉือนสูง, การโฮโมจีไนซ์ด้วยความดันสูง และการอบแห้งแบบพ่นฝอย) ซึ่งสามารถเร่งการสลายตัวทางเคมีและลดประสิทธิภาพความแรง (potency) ของผลิตภัณฑ์ที่ส่งมอบได้ ดังนั้น พารามิเตอร์ความเสถียรเชิงปริมาณที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งในการกำหนดพื้นที่การออกแบบ (design spaces) ที่สามารถผลิตได้จริง และเพื่อเป็นแนวทางสำหรับกลยุทธ์การตั้งตำรับเพื่อการปกป้องสารสำคัญ [1–3]

วิธีการในการสังเคราะห์ข้อมูลปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่หลักฐานเชิงปริมาณที่สกัดจากการศึกษาที่รายงานเกี่ยวกับ (i) การเปลี่ยนผ่านทางอุณหพลศาสตร์/ความร้อนโดย DSC/TGA (การหลอมเหลว, จุดเริ่มต้นการสลายตัว, การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว และพฤติกรรมการสูญเสียมวลเป็นระยะ) และ (ii) จลนพลศาสตร์ของการสลายตัว (แบบจำลอง pseudo-first-order/first-order, พลังงานกระตุ้นของ Arrhenius, การพึ่งพาค่า pH และการวัดระยะเวลาที่สารสลายตัวไปบางส่วน) สำหรับสารตั้งต้น NAD⁺ (NR/NRH/NMN), stilbenoids (ระบบที่เกี่ยวข้องกับ resveratrol), flavonoids (quercetin, fisetin, rutin/esters) และ curcuminoids [4–11]

ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าสารประกอบเพื่อการชะลอวัยที่เป็นตัวแทนหลายชนิดมีช่วงอุณหภูมิในการประมวลผลที่แคบในสถานะทางกายภาพเฉพาะ Nicotinamide riboside chloride (NRCl) แสดงจุดเริ่มต้นการหลอมเหลวที่ 120.7 ± 0.3 °C พร้อมการสลายตัวอย่างรวดเร็วหลังการหลอมเหลว (เช่น การสลายตัว 98% ที่ 130 °C โดย qNMR) ในขณะที่การสลายตัวในสารละลายเป็นไปตามจลนพลศาสตร์แบบ pseudo-first-order โดยมีพลังงานกระตุ้นอยู่ที่ 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ ขึ้นอยู่กับค่า pH [4]

สำหรับ trans-resveratrol จลนพลศาสตร์ของการสลายตัวขึ้นอยู่กับค่า pH และอุณหภูมิอย่างมาก (เช่น ครึ่งชีวิตลดลงจาก 329 วันที่ pH 1.2 เป็น 3.3 นาทีที่ pH 10) และการอนุมานจากการทดสอบแบบเร่งสภาวะอาจไม่เป็นไปตามแบบจำลอง Arrhenius ในเมทริกซ์ของยาเม็ด [7, 12]

กระบวนการที่ใช้แรงเฉือนสูงสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดความร้อนเฉพาะจุดและสภาวะออกซิเดชัน ดังที่แสดงให้เห็นโดยการโฮโมจีไนซ์ด้วยแรงเฉือนสูงซึ่งเพิ่มอุณหภูมิขาออกตามความเร็วรอบการหมุน และสอดคล้องกับการสูญเสีย ascorbic-acid 42.6% ที่ 20,000 rpm และโดยกลไกการโฮโมจีไนซ์ด้วยความดันสูงซึ่งเกี่ยวข้องกับแรงเฉือนที่วาล์ว, การเกิดโพรงอากาศ (cavitation) และความปั่นป่วนที่ >100 MPa [13, 14]

ข้อสรุปเน้นย้ำถึงการบูรณาการข้อมูลการเปลี่ยนผ่านทางอุณหพลศาสตร์ (DSC/TGA/Tg) เข้ากับแบบจำลองจลนพลศาสตร์ (แบบจำลอง Arrhenius, non-Arrhenius และวิธี isoconversional) เพื่อสร้างแผนที่เวลา–อุณหภูมิ–แรงเฉือน (time–temperature–shear maps) และเพื่อเลือกกลยุทธ์การลดผลกระทบอย่างสมเหตุสมผล รวมถึงการกักเก็บ (encapsulation), การกระจายตัวของของแข็งอสัณฐาน (amorphous solid dispersions), ระบบ cyclodextrin/nanosponge, การควบคุมออกซิเจน และการลดแรงเฉือน/อุณหภูมิให้เหลือน้อยที่สุด [15–18]

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

1. บทนำ

สารประกอบที่เกี่ยวข้องกับการชะลอวัยถูกนำมาตั้งตำรับเป็นผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร, อาหารฟังก์ชัน และระบบการนำส่งขั้นสูงเพิ่มมากขึ้น ซึ่งกระตุ้นให้เกิดเส้นทางการผลิตที่ทำให้สารออกฤทธิ์สัมผัสกับปัจจัยความเค้นร่วมกัน รวมถึงความร้อน, การสัมผัสออกซิเจน, กิจกรรมของน้ำ (water activity), การเปลี่ยนแปลงค่า pH และการป้อนพลังงานกลที่รุนแรง [3, 5, 14, 19]

สำหรับเคมีของสารตั้งต้น NAD⁺ ความเสถียรในสภาวะสารละลายและสภาวะของแข็งเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านการไฮโดรไลซิสของโครงสร้าง glycosidic หรือโครงสร้างที่เชื่อมด้วยฟอสเฟต และเนื่องจากอุณหภูมิในการประมวลผลสามารถข้ามเกณฑ์การเปลี่ยนผ่านสถานะของแข็งที่เกิดขึ้นก่อนการสลายตัวอย่างรวดเร็ว [4, 6]

สำหรับโพลีฟีนอลและสารออกฤทธิ์จากพฤกษชาติที่เกี่ยวข้อง ข้อจำกัดด้านความเสถียร ได้แก่ autoxidation, epimerization และการออกซิเดชันโดยเอนไซม์ไปเป็น quinones ซึ่งไวต่ออุณหภูมิ, ค่า pH, ไอออนของโลหะ และการมีอยู่ของออกซิเจนในระหว่างกระบวนการผลิต [17]

นัยสำคัญในทางปฏิบัติคือ การออกแบบการผลิตไม่สามารถพึ่งพาเพียงอุณหภูมิรวมในนาม (nominal bulk temperature) เท่านั้น แต่ต้องบูรณาการ (i) ตัวบ่งชี้ทางอุณหพลศาสตร์ เช่น การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว, การหลอมเหลว และจุดเริ่มต้นการสลายตัว และ (ii) แบบจำลองจลนพลศาสตร์ที่จับความสัมพันธ์ของการสลายตัวกับเวลา, อุณหภูมิ, ค่า pH, ออกซิเจน และ (ในกรณีที่วัดได้) การป้อนพลังงานกล [4, 9, 10, 14, 15]

บทความนี้สังเคราะห์หลักฐานเชิงปริมาณเกี่ยวกับสารประกอบเพื่อการชะลอวัยที่เป็นตัวแทนและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่เกี่ยวข้อง ซึ่งแหล่งข้อมูลที่รวมไว้ให้ข้อมูลการเปลี่ยนผ่านทางอุณหพลศาสตร์และ/หรือพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์ที่ชัดเจน และเชื่อมโยงข้อมูลเหล่านั้นกับโปรไฟล์ความเค้นของหน่วยการผลิตที่มีแรงเฉือนสูง รวมถึงการผสมด้วยแรงเฉือนสูง, การโฮโมจีไนซ์ด้วยความดันสูง/microfluidization, การบดทางเคมีไฟฟ้า (mechanochemical milling) และการอบแห้งแบบพ่นฝอย [1, 14, 15, 20]

2. กรอบแนวคิดทางอุณหพลศาสตร์

ความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ในบริบทการผลิตได้รับการประเมินในทางปฏิบัติโดยใช้เหตุการณ์ทางความร้อนที่วัดได้ (DSC/TGA) และตัวบ่งชี้สถานะ (เช่น อสัณฐานเทียบกับผลึก; อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว) ซึ่งระบุว่าเมื่อใดที่สารประกอบหรือตำรับเปลี่ยนผ่านไปสู่สถานะที่มีการเคลื่อนที่ของโมเลกุลสูงขึ้น และส่งผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงขึ้นหรือมีกลไกที่แตกต่างออกไป [4, 9, 15]

2.1 พลังงานอิสระของกิ๊บส์และความเสถียรของเฟส

แหล่งข้อมูลหลายแห่งที่รวมไว้ระบุการคำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระของกิ๊บส์สำหรับกระบวนการสลายตัวหรือการทำลายด้วยความร้อนอย่างชัดเจน ซึ่งให้การวัดความเป็นไปได้ทางอุณหพลศาสตร์ภายใต้สภาวะเฉพาะ [8, 19]

สำหรับ NR borate ความเป็นไปได้เองของการสลายตัวได้รับการประเมินผ่านการคำนวณพลังงานอิสระของกิ๊บส์ โดยมีรายงานค่า (ΔG) อยู่ที่ 2.43 kcal·mol⁻¹ [19]

สำหรับ rutin และกรดไขมัน rutin esters ภายใต้สภาวะไพโรไลติก ค่า (ΔG) เป็นบวก (84–245 kJ·mol⁻¹) พร้อมกับค่า (ΔH) ที่เป็นบวก (60–242 kJ·mol⁻¹) ซึ่งบ่งชี้ถึงโปรไฟล์ไพโรไลซิสแบบดูดความร้อนและไม่สามารถเกิดขึ้นได้เองในการวิเคราะห์ที่รายงาน [8]

ในแง่ของรูปแบบจลนพลศาสตร์ แหล่งข้อมูลหลายแห่งยังใช้ความสัมพันธ์ระหว่างสถานะการเปลี่ยนผ่านและพลังงานอิสระ เช่น การใช้ เพื่อตีความการกระตุ้นการไฮโดรไลซิสในระบบคอมเพล็กซ์ curcumin spiroborate [21]

2.2 การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว การหลอมเหลว และจุดเริ่มต้นการสลายตัว

DSC และ TGA ให้ตัวบ่งชี้เสริมความเสี่ยงของกระบวนการ: เหตุการณ์การหลอมเหลวหรือการอ่อนตัวสามารถเพิ่มการแพร่กระจายและทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปทางเคมีอย่างรวดเร็ว และจุดเริ่มต้นของการสูญเสียมวลจาก TGA สามารถบ่งชี้ถึงจุดเริ่มต้นของการสลายตัวที่ย้อนกลับไม่ได้ แม้ในสภาวะที่ดูเหมือนจะเป็นของแข็งก็ตาม [4, 9, 15]

สำหรับ NRCl ผล DSC บ่งชี้จุดเริ่มต้นการหลอมเหลวที่ 120.7 ± 0.3 °C และพีคการหลอมเหลวที่ 125.2 ± 0.2 °C ตามด้วยเหตุการณ์คายความร้อนที่รุนแรงทันทีโดยมีพีคอยู่ที่ 130.8 ± 0.3 °C [4]

สอดคล้องกับลำดับเหตุการณ์ของ DSC การหาปริมาณด้วย qNMR แสดงให้เห็นการสลายตัวที่จำกัดที่ 115 °C (2%) แต่มีการสูญเสียอย่างรวดเร็วที่บริเวณใกล้เคียงและเหนือการหลอมเหลว (7% ที่ 120 °C; 55% ที่ 125 °C; 98% ที่ 130 °C; เหลือ NR เพียง 0.45% ที่ 140 °C) [4]

สำหรับ NMN แหล่งข้อมูลหนึ่งรายงานว่าสารประกอบเกิดการสลายตัวแทนที่จะแสดงการเปลี่ยนผ่านการหลอมเหลวที่ชัดเจน โดยการสลายตัวเริ่มที่ 160 °C และเสร็จสิ้นภายใน 165 °C และมีพีค DSC แบบดูดความร้อนที่ 162 °C พร้อมเอนทาลปีของการสลายตัว 184 kJ·mol⁻¹ [6]

สำหรับ quercetin การตีความ DSC/TGA ร่วมกันบ่งชี้ว่าพีคดูดความร้อน DSC ที่รุนแรง (สูงสุดที่ 303 °C) มักถูกเข้าใจผิดว่าเป็นการหลอมเหลว ในขณะที่ TGA บ่งชี้ว่าการสลายตัวเริ่มต้นที่ 230 °C และพีคดูดความร้อนทับซ้อนกับการสูญเสียมวลอย่างต่อเนื่อง "ความร้อนของการหลอมละลาย" ที่รายงานสำหรับพีคที่ 303 °C คือ 69–75 kJ·mol⁻¹ [9]

สำหรับ fisetin ผล TGA แสดงการสูญเสียมวลเล็กน้อย (~5%) ซึ่งเกิดจากการระเหยของน้ำจากตัวอย่างผลึก และเหตุการณ์สูญเสียมวลหลัก (~30.6%) ที่ 369.6 °C ซึ่งเกิดจากการสลายตัวของโมเลกุล [15]

สำหรับ curcumin ภายใต้ไนโตรเจนเฉื่อย การศึกษาหนึ่งรายงานว่า curcumin ดิบแสดงกระบวนการสลายตัวที่ซับซ้อนโดยเริ่มที่ประมาณ 240 °C (สูญเสียมวล 5%) โดยมีพีค DTGA ที่ 347 °C และมีสารตกค้างเหลืออยู่ 37% ที่ 600 °C (ที่อัตรา 10 °C·min⁻¹) [18]

2.3 ความเสถียรของสถานะอสัณฐานและผลึก

ตำรับอสัณฐานอาจช่วยเพิ่มการละลายและการดูดซึมทางชีวภาพ แต่อาจเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมทางความร้อนและความเสถียรโดยการเพิ่มการเคลื่อนที่ของโมเลกุลเมื่อเทียบกับรูปแบบผลึก ทำให้อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) เป็นพารามิเตอร์ความเสถียรที่สำคัญ [15, 16]

การกระจายตัวของของแข็งอสัณฐาน (ASDs) ของ fisetin ที่เตรียมด้วยวิธีทางเคมีไฟฟ้า แสดงค่า Tg ที่วัดได้ในการสแกนความร้อนครั้งที่สอง และแสดงการเปลี่ยนแปลงของค่า Tg ตามสัดส่วนของส่วนประกอบที่สอดคล้องกับการเข้ากันได้ (miscibility): Eudragit® L100/EPO ดิบแสดง Tg ที่ 147.1/55.4 °C ในขณะที่ fisetin ASDs แสดงค่า Tg เช่น 144.2/71.8 °C และ 145.9/76.7 °C ขึ้นอยู่กับพอลิเมอร์และปริมาณยา [15]

สำหรับ resveratrol และ oxyresveratrol nanosponges ผล DSC แสดงให้เห็นว่าพีคดูดความร้อนการหลอมเหลวของ resveratrol (266.49 °C) หายไปในตำรับ nanosponge ซึ่งผู้เขียนระบุว่าเป็นเพราะการกักเก็บและความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนเป็นสถานะอสัณฐานของโมเลกุลยาภายในเมทริกซ์ nanosponge [16]

สำหรับ quercetin พันธะไฮโดรเจนถูกเสนอว่าช่วยทั้งจำกัดการอ่อนตัวที่คล้ายกับการหลอมเหลวและอำนวยความสะดวกในการสลายตัวผ่านการทำให้อ่อนตัวของพันธะ และการตีความ DSC/TGA ร่วมกันสรุปว่า quercetin ไม่ได้เพียงแค่หลอมเหลว แต่เกิดการสลายตัวและการผ่อนคลาย/การอ่อนตัวของโครงสร้างที่ทับซ้อนกันในช่วง 150–350 °C [9]

3. แบบจำลองและพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์ของการสลายตัว

แหล่งข้อมูลที่รวมไว้ใช้แบบจำลองจลนพลศาสตร์ที่หลากหลาย (อันดับหนึ่ง, อันดับหนึ่งเทียม, อันดับที่สูงกว่า หรือรูปแบบซิกมอยด์) และการจัดการกับการพึ่งพาอุณหภูมิ (พฤติกรรมแบบ Arrhenius และในบางกรณี แบบ non-Arrhenius) ซึ่งมักถูกกระตุ้นโดยการพึ่งพาค่า pH และการสลายตัวที่ซับซ้อนหลายเส้นทาง [4, 7, 22]

3.1 แบบจำลองลำดับปฏิกิริยา

เกณฑ์มาตรฐานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการสลายตัวในสถานะสารละลายคือ แบบจำลองอันดับหนึ่งแบบบูรณาการ (integrated first-order model) ซึ่งปรากฏในการศึกษาหลายแห่งที่รวมไว้ในฐานะการฟิตข้อมูลความเข้มข้น-เวลาหลักภายใต้การควบคุมค่า pH และอุณหภูมิ [4, 11, 12]

สำหรับ NRCl ในสารละลายบัฟเฟอร์ การสลายตัวถูกอธิบายว่าเป็นแบบ pseudo-first-order และรูปแบบนี้มีความสมเหตุสมผลเนื่องจากระบบบัฟเฟอร์รักษาความเข้มข้นของ OH⁻/H₃O⁺ ให้เกินพอมากและคงที่โดยประมาณเมื่อเทียบกับความเข้มข้นของ NR [4, 23]

สำหรับ fisetin และ quercetin ในฟอสเฟตบัฟเฟอร์ ผลลัพธ์ที่รายงานถูกนำเสนอในรูปแบบค่าคงที่อัตราการสลายตัวอันดับหนึ่ง k (h⁻¹) ซึ่งเพิ่มขึ้นอย่างมากตามค่า pH และอุณหภูมิ [24]

สำหรับ quercetin ที่ 90 °C ใกล้ค่า pH เป็นกลาง (6.5–7.5) มีการใช้แบบจำลองซิกมอยด์และเปรียบเทียบกับแบบจำลองอันดับหนึ่ง โดยแบบจำลองซิกมอยด์ให้ค่า k สูงกว่าการฟิตแบบอันดับหนึ่ง 2.3–2.5 เท่า และมีการตีความครึ่งชีวิตที่แตกต่างกันที่ pH 7.5 [22]

สำหรับสารบ่งชี้ในสารสกัดจากพืชที่ผ่านการอบแห้งแบบพ่นฝอย มีรายงานลำดับปฏิกิริยาที่ปรากฏแตกต่างกันขึ้นอยู่กับระบบของสารช่วย (excipient) รวมถึงแบบจำลองอันดับศูนย์และอันดับสองสำหรับ kaempferol (ในสารช่วยแบบผสม) และแบบจำลองอันดับสองสำหรับ quercetin ในสารช่วยต่างๆ [20]

3.2 การจัดการแบบ Arrhenius และ Eyring

การพึ่งพาอุณหภูมิมักถูกสร้างแบบจำลองโดยนิพจน์ประเภท Arrhenius และแหล่งข้อมูลหลายแห่งคำนวณพลังงานกระตุ้นอย่างชัดเจนเพื่อกำหนดพารามิเตอร์สำหรับการทำนายอายุการเก็บรักษาและการสัมผัสความร้อนในกระบวนการ [4, 10, 12]

สำหรับการสลายตัวของ NRCl ในสารละลาย มีรายงานพลังงานกระตุ้นของ Arrhenius อยู่ที่ 75.4 (±2.9) kJ·mol⁻¹ ที่ pH 2.0, 76.9 (±1.1) kJ·mol⁻¹ ที่ pH 5.0 และ 82.8 (±4.4) kJ·mol⁻¹ ที่ pH 7.4 [4]

สำหรับ trans-resveratrol ที่ pH 7.4 การวิเคราะห์แบบ Arrhenius มีรายงานเป็น log(k_obs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) โดยมีพลังงานกระตุ้นที่คำนวณได้ 84.7 kJ·mol⁻¹ [12]

สำหรับ curcumin ในส่วนผสมบัฟเฟอร์/เมทานอลที่ pH 8.0 การวิเคราะห์แบบ Arrhenius ระหว่าง 37–60 °C ให้ค่า (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹ [10]

สำหรับ curcumin ในอาหารเลี้ยงเชื้อเหลวที่เกี่ยวข้องกับระบบทางเดินอาหาร กราฟ Arrhenius แสดงความเป็นเส้นตรงสูงในช่วง 37–80 °C (รายงานค่า r² เป็น 0.9967, 0.9994, 0.9886 สำหรับอาหารเลี้ยงเชื้อที่แตกต่างกัน) โดยมีพลังงานกระตุ้นรายงานเป็น 16.46, 12.32 และ 9.75 kcal·mol⁻¹ สำหรับ pH 7.4, pH 6.8 และ 0.1 N HCl ตามลำดับ [11]

การวิเคราะห์แบบ Eyring ยังปรากฏในการศึกษาการสลายตัวด้วยไฮโดรไลซิสของ curcumin spiroborate ester (CBS) โดยรายงานว่ากราฟ Eyring แสดงความสัมพันธ์เชิงเส้นด้วยความสัมพันธ์ 0.9988 [21]

3.3 วิธี Isoconversional และ Model-free

การศึกษาการสลายตัวด้วยความร้อนหลายฉบับใช้วิธี isoconversional (เช่น KAS, FWO, Friedman) เพื่อคำนวณพลังงานกระตุ้นที่ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนรูป (conversion-dependent activation energies) และระบุการสลายตัวหลายขั้นตอนและการเปลี่ยนแปลงกลไก [8, 18, 25]

สำหรับ rutin และ rutin fatty-acid esters พลังงานกระตุ้นจะแปรผันอย่างมากตามระดับการเปลี่ยนรูปในช่วง 0.05 < (α) < 0.90 โดยมีช่วงที่มีรายงานตั้งแต่ 65 ถึง 246 kJ·mol⁻¹ ซึ่งผู้เขียนตีความว่าเป็นหลักฐานว่าการสลายตัวด้วยความร้อนดำเนินไปผ่านกระบวนการที่ไม่เรียบง่ายและมีหลายขั้นตอน [8]

สำหรับ resveratrol–β-cyclodextrin clathrates พลังงานกระตุ้นเพิ่มขึ้นตามระดับการเปลี่ยนแปลง โดยมีรายงานการเพิ่มขึ้นจาก 110 เป็น 130 kJ·mol⁻¹ (วิธี OFW) และจาก 120 เป็น 170 kJ·mol⁻¹ (วิธี Friedman) ซึ่งถูกตีความว่าบ่งชี้ถึงการเปลี่ยนแปลงในกลไกของปฏิกิริยาเมื่อการสลายตัวดำเนินไป [25]

สำหรับระบบพอลิเมอร์ที่โหลด curcumin ภายใต้ไนโตรเจน พลังงานกระตุ้นที่ได้จากหลายวิธี (Kissinger, KAS, Friedman และ model-fitting) แสดงขนาดที่สอดคล้องกันอย่างกว้างขวาง (เช่น 71 ± 5 kJ·mol⁻¹ โดย Kissinger; 77 ± 2 โดย KAS; 84 ± 3 โดย Friedman) และการเลือกแบบจำลองบ่งชี้ถึงแบบจำลองจลนพลศาสตร์ F1 โดยมีพลังงานในช่วง 73–91 kJ·mol⁻¹ [18]

3.4 การสลายตัวด้วยความร้อน แรงกล และออกซิเดชันร่วมกัน

การปฏิบัติการผลิตที่มีแรงเฉือนสูงสามารถเชื่อมโยงการกระจายพลังงานกลเข้ากับความร้อนเฉพาะจุดและการถ่ายเทออกซิเจนที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะช่วยขยายเส้นทางการสลายตัวที่ขับเคลื่อนด้วยออกซิเดชันในสารออกฤทธิ์ที่ไวต่อออกซิเจน [13, 14, 17]

ในการโฮโมจีไนซ์ด้วยแรงเฉือนสูงของระบบเครื่องดื่ม อุณหภูมิขาออกเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดตามความเร็วรอบการหมุน (เช่น จาก 4.1 ± 0.7 °C ที่ 0 rpm เป็น 41 ± 1.2 °C ที่ 20,000 rpm) และที่ความเร็วสูงสุด ascorbic acid จะลดลง 42.6% ซึ่งสอดคล้องกับการสลายตัวที่ถูกส่งเสริมโดยอุณหภูมิสูงและออกซิเดชัน [13]

ในการโฮโมจีไนซ์ด้วยความดันสูง (HPH) กลไกการประมวลผลถูกระบุอย่างชัดเจนว่าเกิดจากการกระจายความเค้นเฉือนที่ช่องวาล์ว (valve orifice) ซึ่งการเคลื่อนที่ของของเหลวถูกรบกวน และเกิดจากปรากฏการณ์เพิ่มเติม เช่น การเกิดโพรงอากาศ, ความปั่นป่วน, การชน และการปะทะ ซึ่งรวมกันสร้างความเค้นทางกลและออกซิเดชันที่รุนแรง [14]

การเชื่อมโยงกับออกซิเดชันยังได้รับการสาธิตในการทดลองการออกซิเดชันด้วยความร้อนสำหรับ quercetin: ที่ 150 °C การสลายตัวของ quercetin ดำเนินไปเร็วกว่าภายใต้ออกซิเจนเมื่อเทียบกับไนโตรเจน (ค่าคงที่อัตรา 0.868 h⁻¹ เทียบกับ 0.253 h⁻¹) และถูกเร่งอย่างรุนแรงเมื่อมี cholesterol และออกซิเจนอยู่ด้วย (ค่าคงที่อัตรา 7.17 h⁻¹) ซึ่งสอดคล้องกับการเชื่อมโยงแบบลูกโซ่ของอนุมูลอิสระระหว่างการก่อตัวของ cholesterol hydroperoxide และการสลายตัวของ quercetin [26]

สำหรับ NRH ออกซิเจนและอุณหภูมิมีอิทธิพลในการควบคุมอย่างมาก: ที่อุณหภูมิ 25 °C ในน้ำ DI อัตราการสลายตัวที่รายงานคือ 1.27×10⁻⁷ s⁻¹ ภายใต้สภาวะอากาศ (ครึ่งชีวิต 63 วัน) เมื่อเทียบกับ 5.90×10⁻⁸ s⁻¹ ภายใต้ N₂ (ครึ่งชีวิต 136 วัน) และผู้เขียนระบุว่า NRH สามารถถูกออกซิไดซ์ได้เมื่อมีออกซิเจนและเกิดการไฮโดรไลซิสอย่างรวดเร็วในสภาวะกรด [5]

4. บทวิจารณ์กลุ่มสารประกอบ

การสังเคราะห์ข้อมูลที่มุ่งเน้นไปที่สารประกอบด้านล่างนี้เน้นย้ำถึงพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์และอุณหพลศาสตร์เชิงปริมาณที่สามารถนำไปใช้ในแบบจำลองการผลิตได้โดยตรง รวมถึงพลังงานกระตุ้น, ค่าคงที่อัตรา, ครึ่งชีวิต, จุดเริ่มต้นการสลายตัว และข้อจำกัดที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วหรือการหลอมเหลว [4, 11, 12, 15, 24]

4.1 สารตั้งต้น NAD⁺

ความเสถียรของสารตั้งต้น NAD⁺ ถูกกำหนดอย่างมากโดยความไวต่อการไฮโดรไลซิสและความทนทานต่ำต่อการเปลี่ยนผ่านทางความร้อนบางอย่าง (โดยเฉพาะสำหรับ NRCl ในบริเวณการหลอมเหลว) และการออกซิเดชันที่ขับเคลื่อนด้วยออกซิเจน (โดยเฉพาะสำหรับรูปแบบรีดิวซ์ เช่น NRH) [4, 5]

NRCl แสดงจลนพลศาสตร์ของการสลายตัวแบบ pseudo-first-order ในสารละลาย และแสดงพลังงานกระตุ้นที่แปรผันตามค่า pH (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹) ซึ่งระบุค่าทั้งความไวต่อความร้อนและการพึ่งพาค่า pH ของเส้นทางไฮโดรไลซิสหลักเชิงปริมาณ [4]

พื้นฐานทางกลไกถูกเสนอว่าเป็นการไฮโดรไลซิสที่เร่งปฏิกิริยาด้วยเบส ซึ่ง NR จะลดลงในขณะที่ nicotinamide (Nam) และน้ำตาลสะสมตัว และมีการนำเสนอหลักฐานสมดุลโมล (molar-balance) ที่บ่งชี้ว่าสำหรับทุกโมเลกุลของ NR ที่สลายตัว จะเกิด Nam หนึ่งโมเลกุลและน้ำตาลหนึ่งโมเลกุล [4]

ในของเหลวจำลองระบบทางเดินอาหารที่อุณหภูมิทางสรีรวิทยาและการกวน (USP II paddle ที่ 75 rpm และ 37 °C) NRCl แสดงการสูญเสียระยะสั้นที่ค่อนข้างจำกัด (เช่น เหลือประมาณ ~97–99% หลังจาก 2 ชม. ในตัวกลางในกระเพาะอาหาร) แต่มีการลดลงในระยะยาวที่วัดได้ในการจำลอง 24 ชม. (เหลือ 79.18 ± 2.68% ที่ 24 ชม. และเหลือ 90.51 ± 0.82% ที่ 8 ชม.) [4]

ในสภาวะของแข็ง NRCl แสดงช่วงอุณหภูมิที่แคบระหว่างจุดเริ่มต้นการหลอมเหลวและการสลายตัวอย่างรวดเร็ว: DSC รายงานจุดเริ่มต้นการหลอมเหลวที่ 120.7 ± 0.3 °C และเหตุการณ์คายความร้อนตามมาที่ประมาณ ~130.8 °C ในขณะที่ qNMR หาปริมาณการสลายตัวที่พุ่งสูงขึ้นจาก 2% ที่ 115 °C เป็น 98% ที่ 130 °C [4]

แหล่งข้อมูลหนึ่งระบุข้อมูลเหล่านี้อย่างชัดเจนว่าเป็นการให้ "ขีดจำกัดอุณหภูมิสูงสุดที่ชัดเจนสำหรับการประมวลผล NRCl" ซึ่งอาจส่งผลต่อการผลิตผลิตภัณฑ์เสริมอาหารในขั้นตอนต่างๆ โดยเน้นย้ำถึงความเกี่ยวข้องของเกณฑ์ DSC/qNMR ในฐานะข้อจำกัดที่เข้มงวดในการดำเนินงานที่ใช้ความร้อน [4]

NR borate นำเสนอกลยุทธ์การทำให้เสถียรที่ได้รับแรงบันดาลใจจากความว่องไวของ NR: NR ถูกอธิบายว่ามีพันธะ glycosidic ที่ไม่เสถียรเป็นพิเศษซึ่งเชื่อมต่อ pyridinium heterocycle ที่มีประจุบวกเข้ากับคาร์โบไฮเดรต ทำให้ยากต่อการสังเคราะห์, เก็บรักษา และขนส่ง และการทำให้เสถียรด้วย borate ถูกอธิบายว่ามีความเสถียรสูงต่อการสลายตัวทางความร้อนและทางเคมี [19]

เชิงปริมาณ การละลายของ NR borate ขึ้นอยู่กับค่า pH อย่างมาก (เช่น 1972.7 ± 15.4 mg·mL⁻¹ ที่ pH 1.5; 926.0 ± 34.4 mg·mL⁻¹ ที่ pH 7.4) และมีการรายงานว่าแบบจำลอง Arrhenius แสดงอัตราการสลายตัวที่ pH 7.4 สูงกว่าที่ pH 1.5 หรือ 5.0 ซึ่งสอดคล้องกับอิทธิพลของความเข้มข้นของ HO⁻ [19]

บทวิจารณ์เดียวกันรายงานพลังงานอิสระของกิ๊บส์ของการสลายตัวของ NR borate อยู่ที่ 2.43 kcal·mol⁻¹ และระบุว่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10 °C จะเพิ่มอัตราการสลายตัวประมาณสองเท่าภายใต้สภาวะ pH ใดๆ ซึ่งสะท้อนถึงความไวต่ออุณหภูมิที่สังเกตได้สำหรับ NRCl [4, 19]

NRH แสดงความไวต่อค่า pH และออกซิเจนอย่างชัดเจน: มีรายงานการสลายตัวอย่างสมบูรณ์ในเวลาน้อยกว่าหนึ่งวันที่ pH 5 ในขณะที่ที่ pH 9 ตัวอย่างแสดงการสลายตัวประมาณ ~42–45% หลังจาก 60 วัน และที่อุณหภูมิ 25 °C ในน้ำ DI ภายใต้สภาวะอากาศ มีรายงานการสลายตัวประมาณ ~50% หลังจาก 60 วัน เทียบกับ ~27% ภายใต้ N₂ [5]

ความไวต่อออกซิเจนนี้เกิดจากกลไกการออกซิเดชันเมื่อมีออกซิเจนอยู่ด้วยและการไฮโดรไลซิสที่ถูกเร่งในสภาวะกรด สอดคล้องกับที่ NRH ถูกอธิบายว่าเป็นโมเลกุลที่ไม่เสถียรเนื่องจากพันธะ N-glycosidic และความสามารถในการสลายตัว, ไฮโดรไลซิส และออกซิเดชัน [5]

สำหรับ NMN ตัวบ่งชี้ทางอุณหพลศาสตร์ในสภาวะของแข็งเชิงปริมาณ ได้แก่ การเริ่มสลายตัวที่รายงานที่ 160 °C และเสร็จสิ้นภายใน 165 °C (โดยมีพีค DSC แบบดูดความร้อนที่ 162 °C และเอนทาลปีของการสลายตัว 184 kJ·mol⁻¹) และข้อมูลความเสถียรแบบเร่งรายงานอัตราการสลายตัว 0.8% ต่อเดือนที่ 40 °C และ 75% RH [6]

ในสารละลาย การสลายตัวของ NMN มีรายงานว่าเป็นแบบอันดับหนึ่งที่ปรากฏที่อุณหภูมิห้อง โดยมีสมการจลนพลศาสตร์ lg(C_t)=0.0057t+4.8172 และระยะเวลาที่รายงาน t_0.9=95.58 ชม. และ t_1/2=860.26 ชม. และการศึกษาระบุว่าอัตราการสลายตัวได้รับอิทธิพลหลักจากอุณหภูมิสูงและค่า pH [27]

เพื่อสนับสนุนข้อจำกัดในการตั้งตำรับในทางปฏิบัติ แหล่งข้อมูลที่มุ่งเน้นผลิตภัณฑ์หนึ่งแนะนำให้ผสมที่อุณหภูมิต่ำกว่า 45 °C เพื่อป้องกันการสลายตัวทางความร้อนของพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ และรายงานการสลายตัวน้อยกว่า 5% ในการทดสอบแบบเร่งที่ 40 °C/75% RH เป็นเวลา 3 เดือน สำหรับระบบที่มีน้ำต่ำซึ่งมีการตั้งตำรับอย่างเหมาะสม [28]

เส้นทางการสลายตัวหลักของ NMN ถูกอธิบายว่าเป็นการไฮโดรไลซิสของพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์เพื่อให้ได้ nicotinamide และ ribose-5-phosphate โดยมีการพึ่งพาค่า pH ที่อธิบายว่าเป็นการไฮโดรไลซิสที่เร่งปฏิกิริยาด้วยกรดที่ต่ำกว่า pH 4.5 และการแตกตัวที่อาศัยเบสที่สูงกว่า pH 7.5 [28]

4.2 Stilbenoids

Stilbenoids รวมถึง resveratrol และสารประกอบที่เกี่ยวข้องซึ่งแสดงการสลายตัวที่ขึ้นอยู่กับค่า pH และออกซิเจนอย่างมาก และความเสถียรในตำรับจริงอาจเบี่ยงเบนไปจากการอนุมานแบบ Arrhenius อย่างง่ายเนื่องจากผลของเมทริกซ์และหลายเส้นทางปฏิกิริยา [7, 12, 29]

ในระบบสารละลาย มีรายงานว่า trans-resveratrol มีความเสถียรใน pH กรด ในขณะที่การสลายตัวเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณเมื่อสูงกว่า pH 6.8 และครึ่งชีวิตลดลงจาก 329 วันที่ pH 1.2 เป็น 3.3 นาทีที่ pH 10 [12]

ที่ pH 7.4 จลนพลศาสตร์ของการสลายตัวของ trans-resveratrol เป็นไปตามจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่งในทุกช่วงอุณหภูมิที่ตรวจสอบ และรายงานพลังงานกระตุ้นอยู่ที่ 84.7 kJ·mol⁻¹ [12]

มีการให้เหตุผลเชิงกลไกว่าใน pH กรด กลุ่มไฮดรอกซิลจะได้รับการปกป้องจากการออกซิเดชันด้วยอนุมูลอิสระโดย H₃O⁺ ที่มีประจุบวก ในขณะที่ในสภาวะด่าง ไอออนของ phenate จะเพิ่มความไวต่อการออกซิเดชันและการก่อตัวของอนุมูลอิสระ phenoxy และออกซิเจนในตัวกลางจะส่งเสริมปฏิกิริยาอนุมูลอิสระที่นำไปสู่การสลายตัว [12]

การทดลองความเสถียรทางความร้อนที่เป็นอิสระในสารละลาย (19 mg·L⁻¹) รายงานว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงสเปกตรัมที่มีนัยสำคัญหลังจาก 30 นาทีที่อุณหภูมิสูงสุด 70 °C ในขณะที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นนำไปสู่การลดลงทั่วไปของค่าการดูดกลืนแสงที่ 304 nm และค่าการดูดกลืนแสงที่ลดลงในช่วง 270–350 nm ซึ่งบ่งบอกถึงการทำลายที่เกิดจากความร้อนภายใต้สภาวะไฮโดรเทอร์มอล [30]

การตีความเชิงกลไกของการทดลองไฮโดรเทอร์มอลเหล่านั้นเสนอการแตกแยกแบบออกซิเดชันของพันธะคู่และการก่อตัวของผลิตภัณฑ์สลายตัวที่มีฟีนอล เช่น อัลดีไฮด์ไฮดรอกซิล, แอลกอฮอล์ และกรดไฮดรอกซิล และแถบสเปกตรัม FTIR ถูกตีความว่าสอดคล้องกับการก่อตัวของอัลดีไฮด์และกรดคาร์บอกซิลิกที่ 100–120 °C [30]

ในเมทริกซ์ของยาเม็ด การสลายตัวของ resveratrol มีรายงานว่าเป็นไปตามจลนพลศาสตร์ monoexponential อันดับหนึ่ง โดยมีค่า k เท่ากับ 0.07140, 0.1937 และ 0.231 ต่อเดือนที่อุณหภูมิ 25, 30 และ 40 °C ตามลำดับ แต่ความสัมพันธ์ระหว่าง ln(k) และ 1/T ไม่เป็นเส้นตรงและจัดอยู่ในประเภท super-Arrhenius โดยผู้เขียนเสนอความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาที่สอง, เส้นทางปฏิกิริยาที่หลากหลาย หรือผลของเมทริกซ์ที่อุณหภูมิสูงขึ้น [7]

งานวิจัยชิ้นเดียวกันเน้นย้ำว่าการอนุมานแบบ Arrhenius ไม่สามารถใช้กำหนดจลนพลศาสตร์ของการสลายตัวสำหรับ resveratrol ในผลิตภัณฑ์เสริมอาหารได้เสมอไป และการทดสอบแบบเร่งอาจนำไปสู่การประมาณการที่คลาดเคลื่อน รวมถึงการประมาณการสลายตัวที่สูงเกินจริง [7]

สำหรับสารกลุ่มฟีนอลิกที่คล้าย stilbene ในระบบแห้ง การบำบัดด้วยความร้อน เช่น การนึ่งฆ่าเชื้อที่ 121 °C เป็นเวลา 20 นาที ทำให้เกิดการสูญเสียที่วัดได้ (เช่น pinosylvin ลดลง 20.98% ตามพื้นที่พีค) และการอบแห้งในตู้อบที่ 105 °C เป็นเวลา 24 ชม. ทำให้พื้นที่พีคลดลง >50% สำหรับสารฟีนอลิกหลายชนิด ในขณะที่ TGA บ่งชี้อุณหภูมิเริ่มต้นการสลายตัวสูงกว่า ~200 °C สำหรับระบบ pinosylvin [31]

4.3 Flavonoids

Flavonoids แสดงความไวต่อการสลายตัวหลายเส้นทางซึ่งได้รับอิทธิพลจากค่า pH, อุณหภูมิ, ออกซิเจน และปฏิกิริยาในตำรับ เช่น การจับกับโปรตีน และพฤติกรรมทางความร้อนใน DSC/TGA อาจเกี่ยวข้องกับการสลายตัวและการอ่อนตัวที่ทับซ้อนกันแทนที่จะเป็นการหลอมเหลวอย่างง่าย [9, 22, 24]

ในสารละลายบัฟเฟอร์ การเพิ่มค่า pH ของตัวกลางจาก 6.0 เป็น 7.5 จะเพิ่มค่าคงที่อัตราการสลายตัวของ fisetin และ quercetin 24 เท่า และ 12 เท่า ตามลำดับ (เช่น ค่า k ของ fisetin จาก 8.30×10⁻³ เป็น 0.202 h⁻¹; ค่า k ของ quercetin จาก 2.81×10⁻² เป็น 0.375 h⁻¹) และการเพิ่มอุณหภูมิให้สูงกว่า 37 °C จะเพิ่มค่า k อย่างมาก (เช่น ค่า k ของ fisetin เป็น 0.490 h⁻¹ ที่ 65 °C; ค่า k ของ quercetin เป็น 1.42 h⁻¹ ที่ 65 °C) [24]

ส่วนผสมรองที่เป็นโปรตีนสามารถลดการสลายตัวได้: เมื่อมีการเติมโปรตีน ค่า k ที่วัดได้จะลดลง รวมถึงค่า k ของ fisetin ลดลงจาก 3.58×10⁻² เหลือช่วงที่ต่ำถึง 1.76×10⁻² h⁻¹ และค่า k ของ quercetin ลดลงจาก 7.99×10⁻² เหลือช่วงที่ต่ำถึง 3.80×10⁻² h⁻¹ [24]

ในเชิงกลไก ความไม่เสถียรทางเคมีของ flavonoid เกิดจากกลุ่มไฮดรอกซิลและโครงสร้าง pyrone ที่ไม่เสถียร และการทำให้เสถียรโดยโปรตีนมีสาเหตุหลักมาจากอันตรกิริยาที่ไม่ชอบน้ำ (hydrophobic interactions) (โดย SDS จะรบกวนการทำให้เสถียรนี้) พร้อมกับการเน้นย้ำว่าการมีส่วนร่วมของพันธะไฮโดรเจนยังต้องการการวิเคราะห์เชิงปริมาณในอนาคต [24]

สำหรับ quercetin ที่ 90 °C ใกล้สภาวะเป็นกลาง จลนพลศาสตร์ของการสลายตัวแสดงผลของค่า pH ที่รุนแรง: ค่า k เพิ่มขึ้นประมาณห้าเท่าจาก pH 6.5 เป็น 7.5 และมีการตรวจพบสารมัธยันตร์ของการออกซิเดชัน เช่น quercetin quinone โดยผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายทั่วไป ได้แก่ protocatechuic acid (PCA) และ phloroglucinol carboxylic acid (PGCA) [22]

คำอธิบายเชิงกลไกระบุว่าการสูญเสียที่วัดได้ครั้งแรกที่ 370 nm เกิดจากการเปลี่ยนรูปของ quercetin เป็น quinone และเสนอว่าการแตกตัวของโครงสร้าง quinone ให้สารฟีนอลิกที่เรียบง่ายกว่าซึ่งมีการดูดกลืนแสงจำกัด ในขณะที่การสูญเสียโปรตอนในสภาวะด่างจะเร่งการออกซิเดชันที่ส่งผลกระทบต่อวงแหวน C และโครงสร้าง o-diphenol ของวงแหวน B [22]

ในระบบอุณหภูมิสูง (150 °C) การสลายตัวและการออกซิเดชันของ quercetin ดำเนินไปอย่างรวดเร็ว โดยมีรายงานค่าคงที่อัตรา 0.253 h⁻¹ ในไนโตรเจน และ 0.868 h⁻¹ ในออกซิเจน และมีการเร่งความเร็วอย่างรุนแรง (7.17 h⁻¹) ในออกซิเจนบวกกับ cholesterol จากการทดลอง การสูญเสีย quercetin เพิ่มขึ้นจาก 7.9% ที่ 10 นาที (N₂) เป็น 20.4% ที่ 10 นาที (O₂) ในขณะที่ใน cholesterol + ออกซิเจน quercetin จะลดลงจนเหลือ 10.9% หลังจาก 10 นาที [26]

การวิเคราะห์ทางความร้อนระบุเพิ่มเติมว่า quercetin แสดงพีคดูดความร้อนขนาดเล็กในช่วง 90–135 °C ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสูญเสียมวลเล็กน้อย (0.86 ± 0.33 wt.%) การสลายตัวเริ่มต้นที่ 230 °C และพีคดูดความร้อน DSC ที่โดดเด่นที่ 303 °C จะทับซ้อนกับการสลายตัว มีการให้เหตุผลว่าพันธะไฮโดรเจนช่วยทั้งจำกัดพฤติกรรมคล้ายการหลอมเหลวและอำนวยความสะดวกในการสลายตัวโดยการทำให้พันธะทางเคมีอ่อนแอลง [9]

สำหรับ rutin (ไกลโคไซด์ของ quercetin) และกรดไขมันเอสเทอร์ของมัน TGA บ่งชี้ว่า rutin มีความเสถียรทางความร้อนสูงถึง 240 °C ในขณะที่เอสเทอร์แสดงอุณหภูมิการสลายตัวเริ่มต้นที่ต่ำกว่า (217–220 °C) และการสูญเสียมวลที่สูงกว่าในขั้นตอนหลัก และพลังงานกระตุ้นแปรผันตามระดับการเปลี่ยนรูปตั้งแต่ 65 ถึง 246 kJ·mol⁻¹ [8]

4.4 Curcuminoids

การสลายตัวของ curcumin ขึ้นอยู่กับค่า pH อย่างมาก และเกี่ยวข้องกับเส้นทางออกซิเดชันภายใต้สภาวะสารละลายหลายประเภท ในขณะที่การสลายตัวทางความร้อนและอันตรกิริยาในตำรับสามารถเลื่อนจุดเริ่มต้นการสลายตัวและพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์ที่ปรากฏได้ [10, 18, 32]

ในส่วนผสมบัฟเฟอร์/เมทานอลที่ 37 °C มีรายงานว่าการสลายตัวของ curcumin เป็นไปตามจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่ง โดยค่า k_obs เพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อค่า pH เพิ่มขึ้น (เช่น 3.2×10⁻³ h⁻¹ ที่ pH 7.0 เทียบกับ 693×10⁻³ h⁻¹ ที่ pH 12.0) ในขณะที่ที่ pH 5.0 curcumin มีความเสถียรในการทดลองที่รายงาน [10]

ที่ pH 8.0 การวิเคราะห์แบบ Arrhenius ให้ค่า (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹ และการอนุมานไปยังสารละลายบัฟเฟอร์บ่งชี้ถึงการสูญเสียอย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะออกซิไดซ์ (k_obs 280×10⁻³ h⁻¹, t_(1/2)=2.5 ชม.) [10, 32]

นาโนตำรับแบบไมเซลล์ช่วยชะลอการสลายตัวได้อย่างมาก: ในพอลิเมอร์ไมเซลล์และไมเซลล์ Triton X-100 ที่ pH 8.0 และ 37 °C ค่า k_obs ที่รายงานลดลงเหลือ 0.9×10⁻³ และ 0.6×10⁻³ h⁻¹ โดยมีครึ่งชีวิต 777 ± 87 ชม. และ 1100 ± 95 ชม. ซึ่งระบุว่าสูงกว่า curcumin อิสระในสารละลายบัฟเฟอร์ประมาณ ~300–500 เท่า [10]

ในเชิงกลไก งานวิจัยที่รวมไว้ให้เหตุผลว่าการสลายตัวของ curcumin ไม่ได้ดำเนินไปผ่านการแตกของสายโซ่ด้วยการไฮโดรไลซิส (hydrolytic chain scission) แต่ผ่านการออกซิเดชันที่ได้ bicyclopentadione เป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย โดยการสลายตัวของ curcumin 1 โมลสัมพันธ์กับการบริโภค O₂ 1 โมล และขั้นตอนแรกคือการสูญเสียโปรตอนของกลุ่มไฮดรอกซิลที่ pH สูงกว่า 7.0 [10]

การศึกษาความเสถียรที่เกี่ยวข้องกับระบบทางเดินอาหารอีกฉบับรายงานจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่งที่ปรากฏซึ่งมีความเป็นเส้นตรงสูง (r² > 0.95) และระบุพลังงานกระตุ้น (เป็น kcal·mol⁻¹) ที่แปรผันตามตัวกลาง (สูงกว่าที่ pH 7.4 เมื่อเทียบกับใน 0.1 N HCl) และรายงานว่าหลังจาก 12 ชม. ที่ 37 °C ยังคงเหลืออยู่มากกว่า 80% ใน 0.1 N HCl แต่เหลือเพียง 57% และ 47% ในฟอสเฟตบัฟเฟอร์ pH 6.8 และ 7.4 ตามลำดับ [11]

ที่อุณหภูมิสูง (180 °C) การทดลองคั่วแสดงให้เห็นถึงการสลายตัวด้วยความร้อนที่รุนแรง โดยเหลือ curcumin เริ่มต้นเพียง 30% หลังจาก 5 นาที และการตีความเชิงกลไกเชื่อมโยงการแตกแยกแบบออกซิเดชันกับสารมัธยันตร์ ferulic acid และขั้นตอนการดึงหมู่คาร์บอกซิล (decarboxylation) ที่ถูกเร่งโดยการสัมผัสอากาศและอุณหภูมิที่สูงขึ้น [33]

การศึกษาการสลายตัวทางความร้อนของ curcumin และระบบพอลิเมอร์ที่มี curcumin ภายใต้ไนโตรเจนแสดงพฤติกรรมที่ซับซ้อน: การสลายตัวของ curcumin ดิบเริ่มขึ้นที่ประมาณ 240 °C ในขณะที่การรวม curcumin เข้ากับส่วนผสม PGA/PCL จะเลื่อนจุดสลายตัวสูงสุดของ PGA ไปยังอุณหภูมิที่ต่ำกว่า (เช่น จาก 372 °C สำหรับส่วนผสมบริสุทธิ์เป็น 327 °C ที่ curcumin 5%) ซึ่งหมายความว่าการรวม curcumin สามารถลดความเสถียรทางความร้อนของเมทริกซ์ได้ [18]

การศึกษาที่เน้นพอลิเมอร์เดียวกันนี้เชื่อมโยงผลลัพธ์เหล่านี้กับความเกี่ยวข้องในการผลิตโดยระบุว่า การประมวลผลในสถานะหลอมละลายต้องการการรับประกันทั้งความเสถียรทางเคมีของเมทริกซ์พอลิเมอร์และกิจกรรมทางชีวภาพของยาที่รวมอยู่ และการประมวลผล PGA หรือส่วนผสม PGA/PCL ร่วมกับ curcumin ควรดำเนินการที่อุณหภูมิต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อป้องกันการสลายตัวของ PGA [18]

การทำให้ curcumin เสถียรภายใต้การทำอิมัลชันด้วยแรงเฉือนสูงยังได้รับการหาปริมาณใน Pickering emulsions ที่เตรียมโดยใช้เครื่องผสมแรงเฉือนสูงที่ 22,000 rpm เป็นเวลา 2 นาที: การเก็บรักษาที่ 20 °C ในที่มืดแสดงให้เห็นว่าในของผสมน้ำมัน-curcumin ที่ไม่ได้กักเก็บ curcumin ประมาณครึ่งหนึ่งจะสลายตัวหลังจาก 6 วัน และเหลือเพียง 20% หลังจาก 16 วัน ในขณะที่ระบบ Pickering emulsion ยังคงเหลืออยู่ ~50% หลังจาก 16 วัน และขยายครึ่งชีวิตจาก 13 วันเป็น 28 วัน [1]

ภายใต้การสัมผัส UV (6 W, 365 nm) ระบบเดียวกันแสดงการสลายตัว ~50% หลังจาก 9 ชม. และเหลือเพียง 20% หลังจาก 24 ชม. สำหรับของผสมน้ำมัน ในขณะที่ Pickering emulsion ยังคงเหลืออยู่ ~70% หลังจาก 9 ชม. และ ~45% หลังจาก 24 ชม. และขยายครึ่งชีวิตจาก ~13 ชม. เป็น ~27 ชม. สำหรับการสูญเสีย 50% [1]

4.5 ตารางสรุป

ตารางด้านล่างรวบรวมพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์และอุณหพลศาสตร์ที่เป็นตัวแทนซึ่งรายงานในแต่ละกลุ่มสารประกอบ โดยเน้นค่าที่สามารถนำไปใช้ในการสร้างแบบจำลองกระบวนการได้โดยตรงมากที่สุด

5. หน่วยการผลิตที่มีแรงเฉือนสูง

การผลิตที่ใช้แรงเฉือนสูงทำให้สารประกอบที่สลายตัวด้วยความร้อนได้ง่ายสัมผัสกับสนามความเค้นเชิงกลที่สามารถเพิ่มอุณหภูมิ, การถ่ายเทออกซิเจน และพื้นที่ผิวสัมผัส ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อทั้งจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาและกลไกหลัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่ไวต่อออกซิเจนและค่า pH [13, 14, 17]

5.1 การประมวลผลแบบหลอมละลาย

การประมวลผลในสถานะหลอมละลายได้รับการเน้นย้ำในระบบพอลิเมอร์–ยา ว่าเป็นสถานการณ์ที่ต้องรักษาทั้งความเสถียรของพอลิเมอร์และกิจกรรมของยาไว้ และมีการระบุอย่างชัดเจนว่าการประมวลผลในสถานะหลอมละลายหมายความว่าต้องมีการรับประกันความเสถียรทางเคมีของเมทริกซ์พอลิเมอร์และกิจกรรมทางชีวภาพของยาที่รวมอยู่ [18]

ในระบบ PGA/PCL–curcumin การรวม curcumin ส่งผลเสียต่อความเสถียรทางความร้อนของ PGA และผู้เขียนแนะนำให้ประมวลผลที่อุณหภูมิต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อป้องกันการสลายตัวของ PGA ซึ่งเชื่อมโยงคุณลักษณะความเสถียรทางความร้อนกับการออกแบบกระบวนการ [18]

5.2 การโฮโมจีไนซ์ด้วยความดันสูงและ Microfluidization

การโฮโมจีไนซ์ด้วยความดันสูงทำให้ของเหลวได้รับความเค้นเชิงกลสูงเมื่อไหลผ่านวาล์วที่มีช่องว่างแคบ; ที่ช่องวาล์ว ของเหลวจะได้รับแรงเฉือนและปรากฏการณ์เพิ่มเติม เช่น การเกิดโพรงอากาศ, ความปั่นป่วน, การชน และการปะทะ ซึ่งล้วนส่งผลต่อผลลัพธ์ของแรงเฉือน [14]

HPH ทำงานที่ความดันสูงกว่า 100 MPa และสามารถสร้างความดันได้สูงถึง 400 MPa โดยความดันที่ใช้, จำนวนรอบ/การผ่าน และอุณหภูมิขาเข้าถูกอธิบายว่าเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความสามารถในการสกัดและความเสถียรของสารพฤกษเคมี [14]

เชิงปริมาณ บทวิจารณ์ HPH รายงานตัวอย่างการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบ เช่น การลดลงทีละน้อยของ L-ascorbic acid (1.7%, 4.6%, 10.7%) ที่ 100, 200, 300 MPa และการลดลงของโพลีฟีนอล (เช่น 10.6%, 6.0%, 1.4%) ในน้ำแอปเปิ้ลที่ 100, 200, 300 MPa ซึ่งแสดงให้เห็นว่าระดับความดันสามารถสัมพันธ์กับการสูญเสียในสารประกอบที่ไวต่อออกซิเดชัน ขึ้นอยู่กับเมทริกซ์และกิจกรรมของเอนไซม์ [14]

ในระดับการตั้งตำรับ microfluidization สามารถผลิตอิมัลชันที่เสถียรพร้อมการกักเก็บสารฟีนอลิกที่หาปริมาณได้: สำหรับอิมัลชัน W/O/W สภาวะ microfluidizer ที่เหมาะสมที่สุดคือ 148 MPa และเจ็ดรอบ ซึ่งจะได้หยดไขมันขนาด 105.3 ± 3.2 nm และ PDI 0.233 ± 0.020 และหลังจาก 35 วัน การกักเก็บสารฟีนอลิกอยู่ที่ 68.6% พร้อมการกักเก็บกิจกรรมต้านอนุมูลอิสระ 89.5% [2]

การศึกษาการกักเก็บอีกฉบับรายงานการใช้แนวทางแรงเฉือนสูงร่วมกับ microfluidization: การกระจายตัวของไลโปโซมถูกทำให้เป็นเนื้อเดียวกันที่ 9500 rpm เป็นเวลา 10 นาที แล้วผ่าน microfluidizer ห้าครั้งที่ความดัน 25,000 psi ก่อนการอบแห้งแบบพ่นฝอย ซึ่งแสดงให้เห็นว่าลำดับการผลิตจริงในอุตสาหกรรมอาจรวมทั้งแรงเฉือนและการอบแห้งด้วยความร้อนตามมา [3]

บทวิจารณ์การโฮโมจีไนซ์ด้วยความดันสูงพิเศษ (UHPH) เน้นย้ำถึงแรงเฉือนและการปะทะที่รุนแรงภายในวาล์ว โดยมีสภาวะที่รายงาน เช่น ของเหลวที่ถูกสูบที่ความดันมากกว่า 200 MPa (ปกติคือ 300 MPa) และใช้เวลาพักอาศัยน้อยกว่า 0.2 วินาทีในวาล์วที่ความเร็ว Mach 3 พร้อมการแตกตัวในระดับนาโนของจุลินทรีย์, คอลลอยด์ และไบโอพอลิเมอร์ให้เหลือ 100–500 nm [34]

5.3 การผสมด้วยแรงเฉือนสูง

การผสมด้วยแรงเฉือนสูงมักใช้เป็นขั้นตอนก่อนการทำอิมัลชันหรือการกระจายตัว และสามารถสร้างอุณหภูมิที่สูงขึ้นและสภาวะออกซิเดชันได้อย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลต่อการสลายตัวแม้กระทั่งก่อนกระบวนการถัดไป [13]

ในแบบจำลองเครื่องดื่ม การโฮโมจีไนซ์ด้วยแรงเฉือนสูงเป็นเวลา 10 นาทีที่ความเร็วรอบการหมุนที่เพิ่มขึ้น ทำให้อุณหภูมิขาออกเพิ่มขึ้น (จาก 4.1 ± 0.7 °C ที่ 0 rpm เป็น 41 ± 1.2 °C ที่ 20,000 rpm) และสัมพันธ์กับการสูญเสีย ascorbic-acid อย่างมาก (ลดลง 42.6% ที่ 20,000 rpm) [13]

ในระบบ curcumin Pickering emulsion การผสมด้วยแรงเฉือนสูงที่ 22,000 rpm เป็นเวลา 2 นาที ถูกใช้เพื่อสร้างอิมัลชัน ซึ่งหลังจากนั้นมีการหาปริมาณการปรับปรุงความเสถียรผ่านการสลายตัวที่ช้าลงและครึ่งชีวิตที่ยาวนานขึ้นภายใต้ทั้งการเก็บรักษาและความเค้นจาก UV ซึ่งเชื่อมโยงโครงสร้างพื้นผิวสัมผัสจากแรงเฉือนสูงกับผลลัพธ์ความเสถียรทางเคมี [1]

5.4 การบดทางเคมีไฟฟ้า

กระบวนการทางเคมีไฟฟ้า (เช่น การบดด้วยลูกบด) สามารถผลิตการกระจายตัวของของแข็งอสัณฐาน และเปลี่ยนแปลงความเสถียรโดยการเปลี่ยนรูปแบบสภาวะของแข็ง, การผสมในระดับโมเลกุล และการทำให้เกิดอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลที่รุนแรง เช่น พันธะไฮโดรเจน [15]

สำหรับ fisetin ASDs และ inclusions การบดถูกดำเนินการที่อุณหภูมิห้องด้วยความถี่ 30 Hz เป็นเวลา 20 นาที และการวิเคราะห์ TG/DSC ตามมาดำเนินการภายใต้ไนโตรเจนเพื่อหาปริมาณความเสถียรทางความร้อนและพฤติกรรม Tg [15]

5.5 การอบแห้งแบบพ่นฝอย

การอบแห้งแบบพ่นฝอยถูกอธิบายว่าเป็นหนึ่งในเทคนิคที่ใช้กันบ่อยที่สุดในการผลิตสารสกัดจากผักแบบแห้ง และระบุว่าอุณหภูมิสูงในระหว่างการอบแห้งแบบพ่นฝอยอาจมีผลเสียต่อโพลีฟีนอลที่สลายตัวด้วยความร้อนได้ง่าย [3, 20]

ในการศึกษาการกักเก็บโพลีฟีนอลฉบับหนึ่ง การอบแห้งแบบพ่นฝอยถูกดำเนินการด้วยอุณหภูมิอากาศขาเข้า 150 ± 5 °C และอุณหภูมิขาออก 90 ± 5 °C ขณะที่ผู้เขียนระบุว่าปริมาณของโพลีฟีนอลลดลงเนื่องจากการสัมผัสกับออกซิเจนและความร้อนในระหว่างการอบแห้งแบบพ่นฝอย ซึ่งเป็นแรงจูงใจในการใช้การกักเก็บเพื่อรักษาคุณสมบัติหน้าที่ไว้ [3]

ในการศึกษาก่อนการตั้งตำรับสารสกัด สภาวะกระบวนการเครื่องอบแห้งแบบพ่นฝอย (อุณหภูมิขาเข้า, อัตราการป้อน, สัดส่วนของคอลลอยด์ซิลิคอนไดออกไซด์) ได้รับการประเมินผลกระทบ และใช้วิธี Arrhenius เพื่อกำหนดพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์ของการสลายตัว รวมถึงลำดับปฏิกิริยา, ระยะเวลาที่สลายตัวบางส่วน และค่าคงที่อัตรา [20]

5.6 ตารางสรุป

ตารางด้านล่างสรุปโปรไฟล์ความเค้นและตัวอย่างผลกระทบเชิงปริมาณที่มีรายงานสำหรับหน่วยการผลิตที่ใช้แรงเฉือนสูง และ/หรือการสัมผัสความร้อนที่รุนแรง

6. แบบจำลองความเสถียร–กระบวนการแบบบูรณาการ

แหล่งข้อมูลที่รวมไว้ให้ส่วนประกอบพื้นฐานสำหรับกรอบการทำนายแบบบูรณาการ ซึ่งผลลัพธ์ความเสถียรจะถูกคำนวณจากประวัติอุณหภูมิของหน่วยการผลิตและสภาพแวดล้อมจุลภาคทางกายภาพและเคมี (pH, ออกซิเจน, กิจกรรมของน้ำ) ในขณะที่เคารพเกณฑ์การเปลี่ยนผ่านทางอุณหพลศาสตร์ [4, 14]

6.1 การทำแผนที่เวลา–อุณหภูมิ–แรงเฉือน

แนวทางการทำแผนที่ในทางปฏิบัติสามารถใช้จลนพลศาสตร์ (k, (E_a), ครึ่งชีวิต) ร่วมกับโปรไฟล์เวลา–อุณหภูมิของหน่วยการผลิตที่วัดได้หรืออนุมานได้ เพื่อคำนวณการเปลี่ยนรูป (conversion) ที่คาดหวัง ในขณะที่ใช้เกณฑ์การเปลี่ยนสถานะ (Tg, จุดเริ่มต้นการหลอมเหลว, จุดเริ่มต้นการสลายตัว) เป็นขอบเขตที่อาจเปลี่ยนกลไกหรือเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา [4, 15]

ตัวอย่างเช่น แบบจำลองสถานะสารละลายแบบ pseudo-first-order สำหรับ NRCl สามารถกำหนดพารามิเตอร์โดยใช้พลังงานกระตุ้นของ Arrhenius (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹) และการสังเกตว่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10 °C จะเพิ่มค่า k_obs ประมาณสองเท่า ช่วยให้สามารถแปลผลจากการทดลองในบัฟเฟอร์ที่ผ่านการตรวจสอบแล้วไปสู่การเปลี่ยนแปลงความร้อนในช่วงสั้นๆ ในกระบวนการผลิตได้ [4]

สำหรับ curcumin ความไวต่ออุณหภูมิสามารถกำหนดพารามิเตอร์โดยใช้ (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹ ที่ pH 8.0 และการพึ่งพาค่า pH ของ k_obs ที่รายงานอย่างรุนแรง ซึ่งทั้งสองปัจจัยรวมกันช่วยให้สามารถทำนายการสูญเสียในระหว่างการพักรอในรูปสารละลาย หรือขั้นตอนการทำอิมัลชันที่ใช้ความร้อนซึ่งมีค่า pH เฉพาะจุดเป็นกลางถึงเบส [10]

สำหรับ trans-resveratrol การลดลงของครึ่งชีวิตที่ขับเคลื่อนด้วยค่า pH (จากหลายร้อยวันเป็นไม่กี่นาทีเมื่อค่า pH เพิ่มขึ้น) หมายความว่าผลลัพธ์ความเสถียรในระหว่างกระบวนการอาจถูกกำหนดโดยค่า pH ของสภาพแวดล้อมจุลภาคมากกว่าอุณหภูมิรวม และสามารถใช้การสร้างแบบจำลอง Arrhenius ที่ pH 7.4 สำหรับการสัมผัสอุณหภูมิปานกลางโดยมี (E_a)=84.7 kJ·mol⁻¹ [12]

6.2 QbD และพื้นที่การออกแบบ

การตีความคุณภาพโดยการออกแบบ (Quality-by-design หรือ QbD) ได้รับการสนับสนุนโดยการศึกษาที่ประเมินอย่างชัดเจนว่าพารามิเตอร์กระบวนการและเมทริกซ์ของตำรับเปลี่ยนแปลงกลไกการสลายตัวอย่างไร รวมถึงการพบว่าการทดสอบแบบเร่งอาจล้มเหลวในการทำนายอายุการเก็บรักษาเมื่อเกิดพฤติกรรมแบบ non-Arrhenius หรือผลจากเมทริกซ์ [7, 29]

สำหรับยาเม็ด resveratrol ข้อสรุปที่ว่าแนวทางแบบ Arrhenius สามารถประเมินการสลายตัวสูงเกินไปในการทดสอบแบบเร่งสภาวะ เป็นแรงจูงใจในการกำหนดพื้นที่การออกแบบโดยใช้ทั้งความเข้าใจเชิงกลไกและข้อมูลจากหลายอุณหภูมิ แทนที่จะใช้สภาวะเร่งเพียงสภาวะเดียว [7, 29]

สำหรับระบบสารบ่งชี้ flavonoid ในรูปแห้งที่ผ่านการพ่นฝอย มีรายงานอย่างชัดเจนว่าสารช่วยมีอิทธิพลต่อลำดับจลนพลศาสตร์และค่าระยะเวลาที่สลายตัวบางส่วน ซึ่งบ่งชี้ว่าองค์ประกอบของตำรับเป็นส่วนหนึ่งของพื้นที่การออกแบบเพื่อความเสถียรมากกว่าจะเป็นเพียงพื้นหลังที่คงที่ [20]

6.3 PAT และความจำเพาะทางการวิเคราะห์

การติดตามกระบวนการที่แม่นยำต้องการความจำเพาะทางการวิเคราะห์ (analytical specificity) เนื่องจากผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวสามารถรบกวนการทดสอบทางสเปกโทรสโกปีที่เรียบง่ายกว่าได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโพลีฟีนอล [12]

สำหรับ trans-resveratrol มีรายงานว่าความจำเพาะของ HPLC และ UPLC ได้รับการยืนยันแล้ว ในขณะที่ UV/VIS spectroscopy ส่งผลให้ค่าความเข้มข้นของ trans-resveratrol สูงเกินจริงภายใต้สภาวะที่สารไม่เสถียร (pH ด่าง, แสง, อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น) ซึ่งเน้นย้ำถึงความจำเป็นในวิธีการวิเคราะห์ที่สามารถบ่งชี้ความเสถียร (stability-indicating methods) ในการวิเคราะห์ระหว่างกระบวนการ (PAT) [12]

7. กลยุทธ์การลดผลกระทบ

แนวทางการลดผลกระทบในแหล่งข้อมูลที่รวมไว้เน้นที่การจำกัดการสัมผัสกับปัจจัยเร่งที่เป็นที่รู้จัก (ความร้อน, ออกซิเจน, pH สูง, UV) และการใช้โครงสร้างตำรับที่ลดการเคลื่อนที่ของโมเลกุล, ปกป้องพื้นผิวสัมผัส หรือวางสารออกฤทธิ์ไว้ในสภาพแวดล้อมจุลภาคที่มีความว่องไวต่ำกว่า [10, 13, 17]

7.1 การกักเก็บและการกระจายตัว

การกักเก็บในระบบไมเซลล์หรือระบบอนุภาคสามารถทำให้สารประกอบที่สลายตัวด้วยความร้อนเสถียรขึ้นได้อย่างมาก โดยการจำกัดการสัมผัสกับน้ำ, ออกซิเจน และสารที่มีความว่องไวสูง และโดยการเปลี่ยนความสามารถในการเข้าถึงกรด-เบสของหมู่ฟังก์ชันที่สำคัญ [1, 10]

สำหรับ curcumin การทำให้ละลายในไมเซลล์ช่วยลด k_obs เหลือ 0.6–0.9×10⁻³ h⁻¹ และขยายครึ่งชีวิตเป็น 777–1100 ชม. และการทำให้เสถียรนี้เกิดจากการป้องกันการสูญเสียโปรตอนของหมู่ไฮดรอกซิลภายในแกนไมเซลล์ที่ไม่ชอบน้ำ ซึ่งอธิบายว่าเป็นขั้นตอนแรกของการสลายตัว [10]

Pickering emulsions ให้ปราการทางกายภาพ: การมีปราการทางกายภาพที่หนาแน่นที่พื้นผิวสัมผัสถูกระบุว่าช่วยขัดขวางการสลายตัวของ curcumin และในเชิงปริมาณ ระบบที่สร้างปราการนี้ช่วยขยายครึ่งชีวิตในการเก็บรักษาจาก 13 วันเป็น 28 วัน และครึ่งชีวิตภายใต้ UV จาก ~13 ชม. เป็น ~27 ชม. [1]

ระบบนำส่งที่ได้จาก cyclodextrin เป็นอีกหนึ่งกลยุทธ์: resveratrol–β-cyclodextrin clathrates แสดงเหตุการณ์ทางความร้อนรวมถึงการคายน้ำที่อุณหภูมิใกล้ 50 °C และเหตุการณ์การสลายตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า และพลังงานอิสระในการจับ (เช่น −86 kJ·mol⁻¹ โดยวิธี MM/PBSA) ช่วยหาปริมาณอันตรกิริยาของการกักเก็บที่รุนแรง [25]

การกักเก็บ resveratrol ใน nanosponge ช่วยกำจัดพีคดูดความร้อนการหลอมเหลวใน DSC และให้การปกป้องจากแสง: resveratrol อิสระแสดงการสลายตัว 59.7% ภายใน 15 นาทีภายใต้การสัมผัส UV ในขณะที่ resveratrol nanosponges ให้การปกป้องประมาณสองเท่า ซึ่งสอดคล้องกับการกักเก็บที่ช่วยป้องกันการสัมผัส UV โดยตรง [16]

การกระจายตัวของของแข็งอสัณฐานสามารถออกแบบได้ผ่านการบดทางเคมีไฟฟ้า และมีการระบุพันธะไฮโดรเจนระหว่าง fisetin และหมู่เอสเทอร์ของ Eudragit® อย่างชัดเจน ซึ่งเป็นพื้นฐานเชิงกลไกสำหรับการเข้ากันได้และ Tg ที่เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งสามารถรักษาความเสถียรต่อการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการละลายที่ขึ้นอยู่กับการตกผลึก [15]

การเลือกสารช่วยและตัวพา

การเลือกสารช่วยสามารถเปลี่ยนแปลงกลไกจลนพลศาสตร์และผลลัพธ์ความเสถียร ดังที่มีรายงานในระบบสารสกัดจากพืชที่ผ่านการอบแห้งแบบพ่นฝอย ซึ่งลำดับปฏิกิริยาและระยะเวลาที่สลายตัวบางส่วนแตกต่างกันตามส่วนผสมของสารช่วย ซึ่งบ่งชี้ถึงจลนพลศาสตร์ของการสลายตัวที่ขึ้นอยู่กับสารช่วย [20]

ส่วนผสมรองที่เป็นโปรตีนสามารถทำให้ flavonoid เสถียรผ่านอันตรกิริยาที่ไม่ชอบน้ำ ช่วยลดค่า k สำหรับ fisetin และ quercetin และการที่ SDS รบกวนอันตรกิริยาเหล่านี้สนับสนุนการตีความว่าการจับแบบไม่ชอบน้ำเป็นกลไกสำคัญในการทำให้เสถียร [24]

การควบคุมทางวิศวกรรมกระบวนการ

การควบคุมกระบวนการที่ลดการสัมผัสความร้อนและการสัมผัสออกซิเจนได้รับการสนับสนุนโดยตรงจากชุดข้อมูลหลายชุด [5, 18]

สำหรับ NRCl หลักฐานจาก DSC/qNMR บ่งชี้ว่าการใช้อุณหภูมิเกินกว่าบริเวณจุดเริ่มต้นการหลอมเหลว (~120–130 °C) สามารถทำให้เกิดการสลายตัวที่รวดเร็วอย่างยิ่ง ซึ่งสนับสนุนการกำหนดเกณฑ์สูงสุดที่เข้มงวดสำหรับอุณหภูมิและเวลาพักอาศัยในการดำเนินการสภาวะของแข็งที่ใช้ความร้อน [4]

สำหรับ NRH ความแตกต่างระหว่างครึ่งชีวิตในสภาวะอากาศและ N₂ ที่ 25 °C บ่งบอกว่าการใช้ก๊าซเฉื่อยและการไล่ออกซิเจนเป็นสิ่งสำคัญ และผู้เขียนรายงานว่าตัวอย่างภายใต้บรรยากาศ N₂ ที่ 4 °C ไม่พบการสลายตัวที่ตรวจพบได้หลังจาก 60 วัน ในขณะที่ตัวอย่างที่ 4 °C ในสภาวะอากาศแสดงการสลายตัว ~10% [5]

สำหรับการโฮโมจีไนซ์ด้วยแรงเฉือนสูง การสังเกตโดยตรงว่าการเพิ่ม rpm จะเพิ่มอุณหภูมิขาออกและสัมพันธ์กับการสูญเสีย ascorbic acid ที่ไวต่อออกซิเดชันมากขึ้น สนับสนุนมาตรการทางวิศวกรรมที่จำกัดความร้อนจากแรงเฉือน (เช่น เสื้อหล่อเย็น (cooling jackets), เวลาในการผสมที่สั้นลง, การเติมสารเป็นระยะ) [13]

สำหรับการอบแห้งแบบพ่นฝอย การยืนยันว่าการสัมผัสออกซิเจนและความร้อนช่วยลดปริมาณโพลีฟีนอล และอุณหภูมิที่สูงอาจเป็นผลเสียต่อสารกลุ่มฟีนอลิกที่สลายตัวด้วยความร้อนได้ง่าย สนับสนุนทางเลือกต่างๆ เช่น การลดอุณหภูมิขาออกเมื่อเป็นไปได้ และการใช้การกักเก็บเพื่อลดความไวต่อออกซิเดชันและความร้อน [3]

สารต้านอนุมูลอิสระและการจัดการออกซิเจน

กลยุทธ์สารต้านอนุมูลอิสระและการจัดการออกซิเจนได้รับการสนับสนุนเชิงกลไกผ่านชุดข้อมูลโพลีฟีนอล [12, 22]

สำหรับ quercetin ที่ 90 °C สารต้านอนุมูลอิสระเช่น cysteine จะช่วยลดค่า k โดย cysteine ที่ความเข้มข้น 200 μmol·L⁻¹ ทำให้ค่า k ลดลงประมาณ ~43% เมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุม และการตีความเชิงกลไกพิจารณาถึงการทำให้เสถียรของ quercetin quinone และผลของการกำจัดอนุมูลอิสระ [22]

สำหรับ trans-resveratrol มีรายงานอย่างชัดเจนว่าออกซิเจนส่งเสริมปฏิกิริยาอนุมูลอิสระที่นำไปสู่การสลายตัว ซึ่งสนับสนุนการใช้บรรยากาศที่เป็นก๊าซเฉื่อยในกระบวนการผลิตหรือการใช้ตัวกั้นออกซิเจนในกรณีที่สามารถทำได้สำหรับการประมวลผลในสภาวะสารละลายที่เป็นด่าง/กลาง [12]

ในระบบไลโปโซม มีรายงานว่า resveratrol ช่วยจำกัดการออกซิเดชันของ stigmasterol โดยการทำให้อนุมูลอิสระเป็นกลาง และการรวมตัวเข้ากับ lipid bilayers จะช่วยเพิ่มความแข็งแรง (rigidity), ลดการซึมผ่านของออกซิเจนและสารออกซิไดซ์ ซึ่งจะช่วยเพิ่มความเสถียรทางความร้อนและออกซิเดชันของระบบ [35]

อภิปราย

จากหลักฐานที่สังเคราะห์ไว้ที่นี่ รูปแบบเชิงปริมาณที่ชัดเจนที่สุดคือ สภาพแวดล้อมจุลภาคทางเคมี (pH, ออกซิเจน, การมีอยู่ของน้ำ) สามารถครอบงำผลลัพธ์ความเสถียรได้แม้ในอุณหภูมิที่ปานกลาง และสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพหลายชนิดแสดงความไม่ต่อเนื่องของความเสถียรอย่างรุนแรงที่เกณฑ์การเปลี่ยนผ่านทางความร้อนเฉพาะ [4, 5, 12]

สำหรับสารตั้งต้น NAD⁺ ชุดข้อมูล NRCl เน้นย้ำถึงโหมดคู่ (dual regime): ในสารละลาย การไฮโดรไลซิสแบบ pseudo-first-order สามารถสร้างแบบจำลองได้ด้วยพลังงานกระตุ้นของ Arrhenius และอัตราที่เพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าต่ออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 10 °C ในขณะที่ในสถานะของแข็ง บริเวณที่แคบในช่วง 120–130 °C จะสอดคล้องกับการหลอมเหลวซึ่งตามมาด้วยการสลายตัวอย่างรวดเร็วทันที [4]

สำหรับ resveratrol ความเสี่ยงหลักของกระบวนการเกิดจากความไวต่อค่า pH: ครึ่งชีวิตลดลงฮวบฮาบจากระยะเวลานานที่ pH กรดเหลือเพียงไม่กี่นาทีที่ pH สูง ในขณะที่ออกซิเจนส่งเสริมปฏิกิริยาอนุมูลอิสระ บ่งชี้ว่าการปฏิบัติการด้วยแรงเฉือนสูงที่เพิ่มการถ่ายเทออกซิเจนและความเป็นด่างเฉพาะจุดอาจสร้างความเสียหายได้มากกว่าปกติ แม้ว่าอุณหภูมิรวมจะยังคงอยู่ในระดับปานกลางก็ตาม [12]

สำหรับ flavonoids การออกซิเดชันผ่านสารมัธยันตร์ quinone และกลไกการสูญเสียโปรตอนที่ขึ้นอยู่กับค่า pH (quercetin) รวมกับการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงและการเชื่อมโยงแบบลูกโซ่ของอนุมูลอิสระ (เช่น ออกซิเจนบวกกับ cholesterol) บ่งชี้ว่าตำรับที่มีไขมันเป็นส่วนประกอบและการสัมผัสออกซิเจนสามารถขยายเส้นทางการสูญเสียจากการออกซิเดชันได้อย่างรุนแรง [22, 26]

สำหรับ curcumin มีความขัดแย้งในเชิงกลไกระหว่างคำอธิบายที่ขับเคลื่อนด้วยการไฮโดรไลซิส (ในงานวิจัยเกี่ยวกับบัฟเฟอร์ระบบทางเดินอาหารบางชิ้น) และคำอธิบายที่ขับเคลื่อนด้วย autoxidation (ในงานวิจัยที่เน้นไมเซลล์) แต่ทั้งสองอย่างมีความเห็นตรงกันในเรื่องผลกระทบของค่า pH ที่รุนแรง และบทบาทในการปกป้องของสภาพแวดล้อมจุลภาคที่ไม่ชอบน้ำและการจำกัดออกซิเจน [11, 32]

ในระดับหน่วยการผลิต กระบวนการที่ใช้แรงเฉือนสูงทำหน้าที่หลักเป็นปัจจัยเร่งทางอ้อมโดยการสร้างความร้อนและเพิ่มความไวต่อการออกซิเดชัน; สิ่งนี้ได้รับการสาธิตโดยตรงในการโฮโมจีไนซ์ด้วยแรงเฉือนสูง ซึ่งความเร็วรอบการหมุนจะเพิ่มอุณหภูมิขาออกและสอดคล้องกับการสูญเสียจากการออกซิเดชันของ ascorbic acid [13]

HPH/UHPH เพิ่มความซับซ้อนเนื่องจากบริเวณวาล์วจะสร้างแรงเฉือน, การเกิดโพรงอากาศ และความปั่นป่วนที่รุนแรง และอาจสร้างอุณหภูมิเฉพาะจุดที่สูง แม้ว่าเวลาพักอาศัยอาจสั้นมาก (เช่น <0.2 วินาที ในคำอธิบายของ UHPH) ซึ่งหมายความว่าผลลัพธ์ทางเคมีอาจขึ้นอยู่กับว่าการสลายตัวถูกควบคุมโดยกระบวนการอนุมูลอิสระที่รวดเร็ว, ขั้นตอนที่จำกัดด้วยการแพร่กระจาย หรือขั้นตอนการกระตุ้นด้วยความร้อนที่ช้ากว่า [14, 34]

สุดท้าย แหล่งข้อมูลหลายแห่งเน้นย้ำว่าการสร้างแบบจำลองความเสถียรต้องได้รับการตรวจสอบความถูกต้องเชิงกลไกในเมทริกซ์ที่เกี่ยวข้อง: ข้อมูลยาเม็ด resveratrol แสดงพฤติกรรมแบบ non-Arrhenius และผลจากเมทริกซ์ที่จำกัดการอนุมานแบบ Arrhenius ทั่วไปจากการทดสอบแบบเร่ง และสารบ่งชี้ในสารสกัดจากพืชที่อบแห้งแบบพ่นฝอยแสดงลำดับจลนพลศาสตร์และระยะเวลาที่สลายตัวบางส่วนที่ขึ้นอยู่กับสารช่วย [7, 20]

สรุปผล

ตัวบ่งชี้การเปลี่ยนผ่านทางอุณหพลศาสตร์เชิงปริมาณ (DSC/TGA) และจลนพลศาสตร์ของการสลายตัว (k, t_(1/2), (E_a), พลังงานกระตุ้นที่ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนรูป) ให้พื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสำหรับการออกแบบสภาวะการผลิตที่รักษาประสิทธิภาพของสารประกอบเพื่อการชะลอวัยที่สลายตัวได้ง่ายด้วยความร้อนและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่เกี่ยวข้อง [4, 8, 9]

สำหรับสารตั้งต้น NAD⁺ NRCl แสดงช่วงอุณหภูมิการประมวลผลที่แคบใกล้จุดหลอมเหลวตามด้วยการสลายตัวอย่างรวดเร็ว ในขณะที่จลนพลศาสตร์ในสารละลายแสดงพฤติกรรมแบบ pseudo-first-order ที่ขึ้นอยู่กับค่า pH โดยมีพลังงานกระตุ้น 75–83 kJ·mol⁻¹ ซึ่งสามารถกำหนดพารามิเตอร์ให้กับแบบจำลองการสัมผัสความร้อนได้ [4]

สำหรับ resveratrol ค่า pH และออกซิเจนเป็นตัวแปรหลัก โดยครึ่งชีวิตจะลดลงฮวบฮาบจากหลายร้อยวันใน pH กรดเหลือเพียงไม่กี่นาทีใน pH สูง และเมทริกซ์ของตำรับสามารถสร้างพฤติกรรมแบบ non-Arrhenius ที่ทำให้การอนุมานจากการทดสอบแบบเร่งสภาวะมีความซับซ้อน [7, 12]

สำหรับ flavonoids และ curcuminoids เส้นทางการออกซิเดชัน (สารมัธยันตร์ quinone สำหรับ quercetin; autoxidation สำหรับ curcumin) เป็นแรงจูงใจให้ใช้กลยุทธ์การควบคุมออกซิเจนและการกักเก็บแบบไม่ชอบน้ำ ซึ่งแสดงให้เห็นเชิงปริมาณว่าสามารถขยายครึ่งชีวิตได้หลายเท่าตัวในระบบไมเซลล์ และเห็นผลอย่างมีนัยสำคัญใน Pickering emulsions ที่ผลิตภายใต้การผสมด้วยแรงเฉือนสูง [1, 10, 22, 32]

สำหรับหน่วยการผลิตที่มีแรงเฉือนสูง หลักฐานที่มีอยู่แสดงให้เห็นว่าแรงเฉือนสามารถยกระดับอุณหภูมิและส่งเสริมออกซิเดชัน (การผสมด้วยแรงเฉือนสูง) และกระบวนการความดันสูงที่ใช้วาล์วจะสร้างแรงเฉือนและการเกิดโพรงอากาศที่รุนแรง โดยมีความดัน, จำนวนรอบ และอุณหภูมิขาเข้าเป็นตัวแปรความเค้นที่สำคัญ ข้อมูลเชิงลึกเหล่านี้สนับสนุนการนำการทำแผนที่เวลา–อุณหภูมิ–แรงเฉือน และ PAT มาใช้โดยใช้การวิเคราะห์ที่สามารถบ่งชี้ความเสถียรได้ [12–14]

ผลประโยชน์ทับซ้อน

ผู้เขียนขอประกาศว่าไม่มีผลประโยชน์ทับซ้อน [20]