Özet
Termolabil uzun ömür (longevity) ile ilişkili bileşikler ve polifenolik biyoaktifler, üretim sırasında (örneğin, yüksek kaymalı karıştırma (high-shear mixing), yüksek basınçlı homojenizasyon ve püskürtmeli kurutma (spray drying)) sıklıkla birleşik termal, oksidatif, pH ve mekanik streslere maruz kalır; bu durum kimyasal degradasyonu hızlandırabilir ve iletilen potansi düşürebilir. Bu nedenle, üretilebilir tasarım alanlarını tanımlamak ve koruyucu formülasyon stratejilerine rehberlik etmek için kantitatif, prosese uygun stabilite parametreleri gereklidir.[1–3]
Bu sentezdeki yöntemler; NAD+ öncüleri (NR/NRH/NMN), stilbenoidler (resveratrol ile ilişkili sistemler), flavonoidler (quercetin, fisetin, rutin/esterler) ve kurkuminoidler için (i) DSC/TGA ile rapor edilen termodinamik/termal geçişlerden (erime, bozunma başlangıcı, camsı geçişler ve kademeli kütle kaybı davranışı) ve (ii) degradasyon kinetiğinden (sözde birinci derece/birinci derece modeller, Arrhenius aktivasyon enerjileri, pH bağımlılıkları ve bozunmuş fraksiyon süresi ölçümleri) elde edilen kantitatif kanıtlara odaklanmaktadır.[4–11]
Sonuçlar, birkaç temsilci uzun ömür bileşiğinin belirli fiziksel durumlarda dar termal işleme pencerelerine sahip olduğunu göstermektedir. Nikotinamid ribozit klorür (NRCl), 120.7 ± 0.3 °C'de bir erime başlangıcı ve erime sonrası hızlı bozunma (örneğin, qNMR ile 130 °C'de %98 degradasyon) sergilerken, sulu degradasyon pH'a bağlı olarak 75.4–82.8 kJ·mol−1 aktivasyon enerjileri ile sözde birinci derece kinetik izler.[4]
trans-resveratrol için degradasyon kinetiği güçlü bir şekilde pH ve sıcaklığa bağlıdır (örneğin, yarı ömür pH 1.2'de 329 günden pH 10'da 3.3 dakikaya düşer) ve hızlandırılmış test ekstrapolasyonu tablet matrislerinde Arrhenius dışı (non-Arrhenius) olabilir.[7, 12]
Yüksek kaymalı ünite operasyonları, dönüş hızıyla birlikte çıkış sıcaklığını artıran ve 20,000 rpm'de %42.6 askorbik asit kaybıyla çakışan yüksek kaymalı homojenizasyonda ve >100 MPa'da valf kayması, kavitasyon ve türbülansı içeren yüksek basınçlı homojenizasyon mekanizmalarında gösterildiği gibi, yerel ısınmaya ve oksidatif ortamlara neden olabilir.[13, 14]
Sonuçlar, zaman-sıcaklık-kayma haritaları oluşturmak ve enkapsülasyon, amorf katı dispersiyonlar, siklodekstrin/nanosünger sistemleri, oksijen kontrolü ve kayma/sıcaklık minimizasyonu dahil olmak üzere azaltma stratejilerini rasyonel olarak seçmek için termodinamik geçiş verilerinin (DSC/TGA/Tg) kinetik modellerle (Arrhenius, Arrhenius dışı ve izokonversiyonel yöntemler) entegre edilmesini vurgulamaktadır.[15–18]
Anahtar Kelimeler: termolabil biyoaktifler; degradasyon kinetiği; Arrhenius; DSC; TGA; yüksek basınçlı homojenizasyon; püskürtmeli kurutma (spray drying); NAD+ öncüleri
1. Giriş
Uzun ömür (longevity) ile ilgili bileşikler giderek daha fazla nutrasötikler, fonksiyonel gıdalar ve gelişmiş iletim sistemleri olarak formüle edilmektedir; bu durum, aktif maddeleri ısıtma, oksijen teması, su aktivitesi, pH değişimleri ve yoğun mekanik enerji girişi dahil olmak üzere birleşik stres faktörlerine maruz bırakan üretim yollarını gerekli kılar.[3, 5, 14, 19]
NAD+ öncü kimyaları için sulu ve katı hal stabilitesi merkezidir; çünkü reaktivite, glikozidik veya fosfat bağlı motiflerin hidrolizi yoluyla meydana gelebilir ve işleme sıcaklıkları, hızlı bozunmadan önce gelen katı hal geçiş eşiklerini geçebilir.[4, 6]
Polifenoller ve ilgili botanik aktif maddeler için stabilite kısıtlamaları, işleme sırasında sıcaklık, pH, metal iyonları ve oksijen mevcudiyetine duyarlı olan otoksidasyon, epimerizasyon ve kinonlara enzimatik oksidasyonu içerir.[17]
Bunun pratik bir sonucu, üretim tasarımının yalnızca nominal yığın sıcaklığına güvenemeyeceğidir; bunun yerine, (i) camsı geçiş, erime ve bozunma başlangıcı gibi termodinamik göstergeleri ve (ii) degradasyonun zaman, sıcaklık, pH, oksijen ve (ölçülebildiği durumlarda) mekanik enerji girişine bağımlılığını yakalayan kinetik modelleri entegre etmelidir.[4, 9, 10, 14, 15]
Bu makale, dahil edilen kaynakların açık termodinamik geçişler ve/veya kinetik parametreler sağladığı temsilci uzun ömür bileşikleri ve ilgili biyoaktifler hakkındaki kantitatif kanıtları sentezlemekte ve bu verileri yüksek kaymalı karıştırma (high-shear mixing), yüksek basınçlı homojenizasyon/mikrofluidizasyon, mekanokimyasal öğütme ve püskürtmeli kurutma (spray drying) dahil olmak üzere yüksek kaymalı ünite operasyonlarının stres profilleriyle ilişkilendirmektedir.[1, 14, 15, 20]
2. Termodinamik çerçeve
Üretim bağlamlarında termodinamik stabilite, ölçülebilir termal olaylar (DSC/TGA) ve bir bileşiğin veya formülasyonun ne zaman daha yüksek moleküler hareketliliğe ve dolayısıyla daha yüksek reaksiyon hızlarına veya farklı mekanizmalara sahip durumlara geçtiğini gösteren durum tanımlayıcıları (örneğin, amorf ve kristal; camsı geçiş sıcaklığı) kullanılarak operasyonel olarak değerlendirilir.[4, 9, 15]
2.1 Gibbs serbest enerjisi ve faz stabilitesi
Dahil edilen birkaç kaynak, degradasyon süreçleri veya termal yıkım için Gibbs serbest enerjisi değişimlerini açıkça hesaplayarak belirli koşullar altında fizibiliteye dair termodinamik bir ölçü sağlamaktadır.[8, 19]
NR borat için, degradasyon kendiliğindenliği bir Gibbs serbest enerjisi hesaplamasıyla değerlendirilmiş ve (ΔG) 2.43 kcal·mol−1 olarak rapor edilmiştir.[19]
Pirolitik koşullar altındaki rutin ve yağ asidi rutin esterleri için, (ΔG) değerleri pozitif (84–245 kJ·mol−1) olup pozitif (ΔH) (60–242 kJ·mol−1) ile birliktedir; bu, rapor edilen analizde endotermik ve kendiliğinden gerçekleşmeyen (non-spontaneous) bir piroliz profilini göstermektedir.[8]
Kinetik formalizm terimleriyle, birkaç kaynak ayrıca bir kurkumin spiroborat kompleks sistemindeki hidroliz aktivasyonunu yorumlamak için gibi geçiş durumu ve serbest enerji ilişkilerini uygulamaktadır.[21]
2.2 Camsı geçiş, erime ve bozunma başlangıcı
DSC ve TGA, proses riski için tamamlayıcı belirteçler sağlar: erime veya yumuşama olayları difüzyonu keskin bir şekilde artırabilir ve hızlı kimyasal dönüşümü mümkün kılabilir; TGA kütle kaybı başlangıcı ise bariz katı halde bile geri dönüşü olmayan bozunmanın başlangıcını gösterebilir.[4, 9, 15]
NRCl için DSC, 120.7 ± 0.3 °C'de bir erime başlangıcı ve 125.2 ± 0.2 °C'de bir erime zirvesi, ardından 130.8 ± 0.3 °C'de zirve yapan ani ve keskin bir ekzotermik olay göstermektedir.[4]
DSC olay dizisiyle tutarlı olarak, qNMR kantifikasyonu 115 °C'de sınırlı degradasyon (%2) ancak erime bölgesinde ve üzerinde hızlı kayıp göstermektedir (120 °C'de %7; 125 °C'de %55; 130 °C'de %98; 140 °C'de sadece %0.45 NR kalmaktadır).[4]
NMN için bir kaynak, bileşiğin net bir erime geçişi sergilemek yerine bozunduğunu, bozunmanın 160 °C'de başlayıp 165 °C'de tamamlandığını ve 162 °C'de 184 kJ·mol−1 bozunma entalpisi ile endotermik bir DSC zirvesi gösterdiğini bildirmektedir.[6]
Quercetin için, birleşik DSC/TGA yorumu, yoğun bir DSC endoterminin (maksimum 303 °C'de) genellikle yanlışlıkla erimeye atfedildiğini, TGA'nın ise bozunmanın 230 °C'de başladığını ve endotermin sürekli kütle kaybıyla çakıştığını gösterdiğini belirtmektedir; 303 °C zirvesi için rapor edilen "füzyon ısısı" 69–75 kJ·mol−1'dir.[9]
Fisetin için TGA, kristal numuneden suyun buharlaşmasına atfedilen küçük bir kütle kaybı (~%5) ve molekülün bozunmasına atfedilen 369.6 °C'de büyük bir kütle kaybı olayı (~%30.6) göstermektedir.[15]
İnert nitrojen altındaki curcumin için bir çalışma, ham curcumin'in 240 °C civarında başlayan (%5 kütle kaybı), 347 °C'de bir DTGA zirvesi yapan ve 600 °C'de %37 kalıntı bırakan (10 °C·min−1'de) karmaşık bir bozunma süreci sergilediğini rapor etmektedir.[18]
2.3 Amorf ve kristal stabilite
Amorf formülasyonlar çözünürlüğü ve biyoyararlanımı artırabilir ancak kristal formlara göre moleküler hareketliliği artırarak termal davranışı ve stabiliteyi değiştirebilir, bu da camsı geçiş sıcaklığını (Tg) kritik bir stabilite parametresi haline getirir.[15, 16]
Mekanokimyasal olarak hazırlanan fisetin amorf katı dispersiyonları (ASDs), ikinci ısıtma taramalarında ölçülebilir Tg değerleri sergilemekte ve karışabilirlik ile tutarlı Tg bileşimsel kaymaları göstermektedir: ham Eudragit® L100/EPO 147.1/55.4 °C Tg gösterirken, fisetin ASDs polimer ve ilaç yüklemesine bağlı olarak 144.2/71.8 °C ve 145.9/76.7 °C gibi Tg değerleri göstermektedir.[15]
Resveratrol ve oksiresveratrol nanosüngerleri için DSC, resveratrol'ün erime endoterminin (266.49 °C) nanosünger formülasyonlarında kaybolduğunu göstermektedir; yazarlar bunu enkapsülasyona ve ilaç moleküllerinin nanosünger matrisi içinde olası amorfizasyonuna atfetmektedir.[16]
Quercetin için, hidrojen bağının hem erime benzeri yumuşamayı kısıtladığı hem de bağ zayıflaması yoluyla bozunmayı kolaylaştırdığı öne sürülmektedir; birleşik DSC/TGA yorumu, quercetin'in basitçe erimediğini, ancak 150–350 °C aralığında örtüşen bozunma ve yapısal gevşeme/yumuşama geçirdiğini sonucuna varmaktadır.[9]
3. Degradasyon kinetiği modelleri ve parametreleri
Dahil edilen kaynaklar, genellikle pH bağımlılığı ve karmaşık çok yollu degradasyonun motive ettiği bir dizi kinetik model (birinci derece, sözde birinci derece, daha yüksek derece veya sigmoid formlar) ve sıcaklık bağımlılığı yaklaşımları (Arrhenius ve bazı durumlarda Arrhenius dışı davranış) kullanmaktadır.[4, 7, 22]
3.1 Reaksiyon derecesi modelleri
Çözelti fazı degradasyonu için yaygın olarak kullanılan bir temel, kontrollü pH ve sıcaklık altındaki konsantrasyon-zaman verilerine birincil uyum olarak dahil edilen birden fazla çalışmada görülen entegre birinci derece modeldir.[4, 11, 12]
Tamponlanmış sulu çözeltilerdeki NRCl için degradasyon sözde birinci derece olarak tanımlanmaktadır ve bu sözde birinci derece form, tampon sistemlerinin OH−/H3O+ konsantrasyonlarını NR konsantrasyonuna kıyasla çok fazla ve yaklaşık olarak sabit tutmasıyla gerekçelendirilmektedir.[4, 23]
Fosfat tamponundaki fisetin ve quercetin için, rapor edilen sonuçlar pH ve sıcaklıkla güçlü bir şekilde artan birinci derece degradasyon hızı sabitleri k (h−1) olarak sunulmaktadır.[24]
Nötr pH'a yakın (6.5–7.5) 90 °C'deki quercetin için bir sigmoid model uygulanmış ve birinci derece modelle karşılaştırılmıştır; sigmoid model, birinci derece uyumlardan 2.3–2.5 kat daha yüksek k değerleri ve pH 7.5'te farklı bir yarı ömür yorumu sağlamıştır.[22]
Püskürtmeli kurutulmuş (spray-dried) bitki özü belirteçleri için, kaempferol (eksiplan ikilileri genelinde) için sıfırıncı derece ve ikinci derece modeller ve quercetin için eksipiyanlar genelinde ikinci derece bir model dahil olmak üzere, eksipiyan sistemlerine bağlı olarak farklı görünür reaksiyon dereceleri bildirilmiştir.[20]
3.2 Arrhenius ve Eyring yaklaşımları
Sıcaklık bağımlılığı sıklıkla Arrhenius tipi ifadelerle modellenir ve birden fazla kaynak, raf ömrü tahminlerini ve proses termal maruziyetini parametreize etmek için aktivasyon enerjilerini açıkça hesaplamaktadır.[4, 10, 12]
Sulu çözeltideki NRCl degradasyonu için Arrhenius aktivasyon enerjileri pH 2.0'da 75.4 (±2.9) kJ·mol−1, pH 5.0'da 76.9 (±1.1) kJ·mol−1 ve pH 7.4'te 82.8 (±4.4) kJ·mol−1 olarak bildirilmiştir.[4]
pH 7.4'teki trans-resveratrol için Arrhenius analizi, hesaplanan aktivasyon enerjisi 84.7 kJ·mol−1 ile log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) olarak rapor edilmiştir.[12]
pH 8.0'daki tampon/metanol karışımındaki curcumin için 37–60 °C arasındaki Arrhenius analizi (Ea)=79.6±2.2 kJ·mol−1 sonucunu vermektedir.[10]
Gİ sistemi ile ilgili sulu ortamlardaki curcumin için, Arrhenius grafikleri 37–80 °C üzerinde yüksek doğrusallık göstermektedir (farklı ortamlar için r2 değerleri 0.9967, 0.9994, 0.9886 olarak rapor edilmiştir); aktivasyon enerjileri pH 7.4, pH 6.8 ve 0.1 N HCl için sırasıyla 16.46, 12.32 ve 9.75 kcal·mol−1 olarak bildirilmiştir.[11]
Eyring analizi ayrıca bir curcumin spiroborat esterin (CBS) hidrolitik bozunma çalışmasında da görülmektedir; burada bir Eyring grafiğinin 0.9988 korelasyon ile doğrusal bir ilişki gösterdiği rapor edilmiştir.[21]
3.3 İzokonversiyonel ve modelsiz yöntemler
Birkaç termal degradasyon çalışması, dönüşüme bağlı aktivasyon enerjilerini hesaplamak ve böylece çok adımlı bozunma ve mekanizma değişikliklerini belirlemek için izokonversiyonel yöntemleri (örneğin, KAS, FWO, Friedman) uygulamaktadır.[8, 18, 25]
Rutin ve rutin yağ asidi esterleri için, aktivasyon enerjileri 0.05 < (α) < 0.90 aralığındaki dönüşüm derecesine göre 65 ile 246 kJ·mol−1 arasında değişen rapor edilen aralıklarla önemli ölçüde farklılık göstermektedir; yazarlar bunu, termal degradasyonun birden fazla aşamaya sahip basit olmayan bir süreçle ilerlediğinin kanıtı olarak yorumlamaktadır.[8]
Resveratrol–β-siklodekstrin klatratları için aktivasyon enerjisi, 110'dan 130 kJ·mol−1'e (OFW yöntemi) ve 120'den 170 kJ·mol−1'e (Friedman yöntemi) yükselen rapor edilen artışlarla birlikte dönüşüm derecesiyle artmaktadır; bu, bozunma ilerledikçe reaksiyon mekanizmasında bir değişiklik olduğunu gösteren bir bulgu olarak yorumlanmaktadır.[25]
Nitrojen altındaki curcumin yüklü polimer sistemleri için, birden fazla yaklaşımla (Kissinger, KAS, Friedman ve model uydurma) elde edilen aktivasyon enerjileri genel olarak tutarlı büyüklükler göstermektedir (örneğin, Kissinger ile 71 ± 5 kJ·mol−1; KAS ile 77 ± 2; Friedman ile 84 ± 3) ve model seçimi 73–91 kJ·mol−1 aralığındaki enerjilerle bir F1 kinetik modeline işaret etmektedir.[18]
3.4 Birleşik termo-mekanik ve oksidatif degradasyon
Yüksek kaymalı üretim operasyonları, mekanik enerji dağılımını yerel ısınma ve gelişmiş oksijen transferiyle birleştirebilir, böylece oksijene duyarlı biyoaktiflerde oksidasyon güdümlü yolları güçlendirebilir.[13, 14, 17]
Bir içecek sisteminin yüksek kaymalı homojenizasyonunda, çıkış sıcaklığı dönüş hızıyla belirgin şekilde artar (örneğin, 0 rpm'de 4.1 ± 0.7 °C'den 20,000 rpm'de 41 ± 1.2 °C'ye) ve en yüksek hızda askorbik asit %42.6 oranında azalır; bu durum degradasyonun yüksek sıcaklık ve oksidasyon tarafından desteklenmesiyle tutarlıdır.[13]
Yüksek basınçlı homojenizasyonda (HPH), işleme mekanizması açıkça akış hareketinin kesintiye uğradığı valf orifisindeki kayma stresi dağılımına ve birlikte yoğun mekanik ve potansiyel olarak oksidatif stres yaratan kavitasyon, türbülans, çarpışma ve darbe gibi ek fenomenlere atfedilir.[14]
Oksidatif eşleşme, quercetin için termal oksidasyon deneylerinde de gösterilmiştir: 150 °C'de quercetin degradasyonu oksijen altında nitrojene göre daha hızlı ilerler (hız sabitleri 0.868 h−1'e karşı 0.253 h−1) ve kolesterol ile oksijen mevcut olduğunda güçlü bir şekilde hızlanır (hız sabiti 7.17 h−1); bu durum, kolesterol hidroperoksit oluşumu ile quercetin degradasyonu arasındaki radikal zincirleme eşleşmesiyle tutarlıdır.[26]
NRH için oksijen ve sıcaklık güçlü bir kontrol uygular: DI su içinde 25 °C'de rapor edilen degradasyon hızı hava altında 1.27×10−7 s−1 iken (yarı ömür 63 gün), N2 altında 5.90×10−8 s−1'dir (yarı ömür 136 gün); yazarlar NRH'nin oksijen varlığında oksitlenebildiğini ve asidik koşullarda hızla hidrolize olduğunu belirtmektedir.[5]
4. Bileşik sınıfı incelemesi
Aşağıdaki bileşik odaklı sentez; aktivasyon enerjileri, hız sabitleri, yarı ömürler, bozunma başlangıçları ve camsı geçiş veya erime ile ilgili kısıtlamalar dahil olmak üzere, üretim modellerinde doğrudan kullanılabilecek kantitatif kinetik ve termodinamik parametreleri vurgulamaktadır.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 NAD+ öncüleri
NAD+ öncü stabilitesi, hidroliz duyarlılığı ve belirli termal geçişlere (özellikle erime bölgesindeki NRCl için) ve oksijen kaynaklı oksidasyona (özellikle NRH gibi indirgenmiş formlar için) karşı düşük tolerans ile güçlü bir şekilde koşullanmıştır.[4, 5]
NRCl, sulu çözeltilerde sözde birinci derece degradasyon kinetiği gösterir ve pH ile değişen (75.4–82.8 kJ·mol−1) aktivasyon enerjileri sergiler; bu, baskın hidroliz yolunun hem termal hassasiyetini hem de pH bağımlılığını kantitatif olarak kodlar.[4]
Mekanistik bir temel olarak, NR azalırken nikotinamid (Nam) ve şekerin biriktiği baz katalizli hidroliz önerilmektedir ve degrade olan her NR molekülü için bir Nam ve bir şeker molekülünün oluştuğunu gösteren molar denge kanıtı sunulmaktadır.[4]
Fizyolojik sıcaklık ve ajitasyonda simüle edilmiş Gİ sıvılarında (75 rpm ve 37 °C'de USP II palet), NRCl nispeten sınırlı kısa vadeli kayıp gösterir (örneğin, mide ortamında 2 saat sonra kalan ~%97–99), ancak 24 saatlik bir simülasyonda ölçülebilir uzun vadeli bir azalma sergiler (24 saatte %79.18 ± 2.68 kalırken, 8 saatte %90.51 ± 0.82 kalır).[4]
Katı halde NRCl, erime başlangıcı ile hızlı bozunma arasında dar bir sıcaklık penceresi sergiler: DSC, 120.7 ± 0.3 °C'de erime başlangıcı ve ardından ~130.8 °C'de ekzotermik bir olay bildirirken, qNMR 115 °C'deki %2'den 130 °C'deki %98'e kadar degradasyonda dik bir artış miktarını belirlemektedir.[4]
Bir kaynak, bu verileri takviye üretimini aşamalar boyunca etkileyebilecek olan "NRCl'nin işlenmesi için açık bir üst sıcaklık sınırı" sağladığını açıkça belirtmekte ve ısıtmalı operasyonlarda sert kısıtlamalar olarak DSC/qNMR eşiklerinin önemini vurgulamaktadır.[4]
NR borat, NR reaktivitesinden kaynaklanan bir stabilizasyon stratejisi sunar: NR, pozitif yüklü bir piridinyum heterosiklik bileşiği bir karbonhidrata bağlayan özellikle dengesiz bir glikozidik bağa sahip olarak tanımlanır, bu da sentezlenmesini, depolanmasını ve taşınmasını zorlaştırır; borat stabilizasyonu ise termal ve kimyasal degradasyona karşı yüksek stabiliteye sahip olarak tanımlanır.[19]
Kantitatif olarak, NR borat çözünürlüğü güçlü bir şekilde pH'a bağlıdır (örneğin, pH 1.5'te 1972.7 ± 15.4 mg·mL−1; pH 7.4'te 926.0 ± 34.4 mg·mL−1) ve Arrhenius modelinin, HO− konsantrasyonunun etkisiyle uyumlu olarak pH 7.4'te pH 1.5 veya 5.0'a göre daha yüksek degradasyon hızları gösterdiği bildirilmiştir.[19]
Aynı inceleme, NR borat degradasyonunun Gibbs serbest enerjisini 2.43 kcal·mol−1 olarak rapor etmekte ve 10 °C'lik bir artışın herhangi bir pH koşulu altında degradasyon hızını yaklaşık iki katına çıkardığını not ederek, NRCl için gözlemlenen bir sıcaklık hassasiyetini yankılamaktadır.[4, 19]
NRH, pH ve oksijene karşı belirgin bir hassasiyet sergiler: pH 5'te bir günden kısa sürede tam degradasyon rapor edilirken, pH 9'da numuneler 60 gün sonra ~%42–45 degradasyon göstermektedir ve 25 °C'de DI su içinde hava altında 60 gün sonra ~%50 degradasyon rapor edilirken N2 altında ~%27 degradasyon rapor edilmektedir.[5]
Bu oksijen hassasiyeti mekanistik olarak oksijen varlığında oksidasyona ve asidik koşullarda hızlanan hidrolize atfedilmektedir; bu, NRH'nin N-glikozidik bağı nedeniyle dengesiz bir molekül olarak tanımlanması ve degradasyon, hidroliz ve oksidasyona yatkın olmasıyla tutarlıdır.[5]
NMN için kantitatif katı hal termodinamik belirteçleri arasında 160 °C'de başlayan ve 165 °C'de tamamlanan bozunma (162 °C'de bir endotermik DSC zirvesi ve 184 kJ·mol−1 bozunma entalpisi ile) ve 40 °C ile %75 RH'de ayda %0.8 bozunma hızı bildiren hızlandırılmış stabilite verileri yer almaktadır.[6]
Sulu çözeltide, NMN degradasyonu oda sıcaklığında lg(Ct)=0.0057t+4.8172 kinetik denklemi ile bariz birinci derece olarak rapor edilmiştir ve t0.9=95.58 h ve t1/2=860.26 h süreleri bildirilmiştir; çalışma, degradasyon hızının öncelikle yüksek sıcaklık ve pH'dan etkilendiğini belirtmektedir.[27]
Pratik formülasyon kısıtlamalarını desteklemek için, ürün odaklı bir kaynak, fosfodiester bağının termal degradasyonunu önlemek için 45 °C'nin altında dahil edilmesini önermekte ve uygun şekilde formüle edilmiş düşük sulu sistemler için 3 ay boyunca 40 °C/%75 RH'de hızlandırılmış testlerde %5'ten az degradasyon bildirmektedir.[28]
Birincil NMN degradasyon yolu, nikotinamid ve riboz-5-fosfat veren fosfodiester bağının hidrolizi olarak tanımlanmakta, pH bağımlılıkları ise pH 4.5'in altında asit katalizli hidroliz ve pH 7.5'in üzerinde baz aracılı bölünme olarak tanımlanmaktadır.[28]
4.2 Stilbenoidler
Stilbenoidler, resveratrol ve güçlü pH ve oksijen bağımlı degradasyon gösteren ilgili bileşikleri içerir; gerçek formülasyonlardaki stabiliteleri, matris etkileri ve çoklu yollar nedeniyle basit Arrhenius ekstrapolasyonundan sapabilir.[7, 12, 29]
Sulu sistemlerde, trans-resveratrol'ün asidik pH'da stabil olduğu rapor edilirken, degradasyon pH 6.8'in üzerinde katlanarak artar ve yarı ömür pH 1.2'de 329 günden pH 10'da 3.3 dakikaya düşer.[12]
pH 7.4'te, trans-resveratrol degradasyon kinetiği incelenen sıcaklıklar boyunca birinci derece kinetiği izler ve aktivasyon enerjisi 84.7 kJ·mol−1 olarak rapor edilir.[12]
Mekanistik bir gerekçe olarak, asidik pH'da hidroksil gruplarının pozitif yüklü H₃O⁺ tarafından radikal oksidasyondan korunduğu, oysa alkali koşullarda fenat iyonlarının oksidasyona ve fenoksi radikali oluşumuna duyarlılığı artırdığı ve ortamdaki oksijenin degradasyona yol açan radikal reaksiyonları teşvik ettiği belirtilmektedir.[12]
Sulu çözeltideki (19 mg·L−1) bağımsız termal stabilite deneyleri, 70 °C'ye kadar 30 dakika sonra önemli spektral değişiklikler bildirmezken, daha yüksek sıcaklıklar 304 nm'de absorbansın genel bir azalmasına ve 270–350 nm genelinde absorbansın azalmasına yol açarak hidrotermal koşullar altında termal olarak indüklenen yıkımı göstermektedir.[30]
Bu hidrotermal deneylerin mekanistik yorumu, çift bağın oksidatif bölünmesini ve hidroksi aldehitler, alkoller ve hidroksi asitler gibi fenol içeren degradasyon ürünlerinin oluşumunu önermektedir; FTIR bantları 100–120 °C'de aldehit ve karboksilik asit oluşumu ile tutarlı olarak yorumlanmaktadır.[30]
Tablet matrislerinde, resveratrol degradasyonunun 25, 30 ve 40 °C'de sırasıyla 0.07140, 0.1937 ve 0.231 ay−1 k değerleri ile birinci derece monoeksponansiyel kinetiği izlediği rapor edilmiştir; ancak ln(k) - 1/T ilişkisi doğrusal değildir ve süper-Arrhenius olarak sınıflandırılmıştır; yazarlar yüksek sıcaklıklarda olası ikincil reaksiyonlar, çoklu reaksiyon yolları veya matris etkileri önermektedir.[7]
Aynı çalışma, Arrhenius ekstrapolasyonunun takviyelerdeki resveratrol için degradasyon kinetiğinin belirlenmesine her zaman izin vermediğini ve hızlandırılmış testlerin degradasyonun aşırı tahmin edilmesi dahil olmak üzere yanlış tahminlere yol açabileceğini vurgulamaktadır.[7]
Kuru sistemlerdeki stilben benzeri fenolikler için, 121 °C'de 20 dakika boyunca buhar sterilizasyonu gibi termal işlemler ölçülebilir kayıplar (örneğin pinosilvin pik alanına göre %20.98 azaldı) üretir ve 105 °C'de 24 saat fırında kurutma, birkaç fenolik için pik alanında %50'den fazla azalma üretirken, TGA pinosilvin sistemleri için ~200 °C'nin üzerinde bozunma başlangıç sıcaklıklarını göstermektedir.[31]
4.3 Flavonoidler
Flavonoidler; pH, sıcaklık, oksijen ve protein bağlanması gibi formülasyon etkileşimlerinden etkilenen çok yollu degradasyon hassasiyeti gösterirler; DSC/TGA'daki termal davranışları basit erimeden ziyade örtüşen bozunma ve yumuşamayı içerebilir.[9, 22, 24]
Tamponlanmış çözeltilerde, ortam pH'ının 6.0'dan 7.5'e çıkarılması fisetin ve quercetin degradasyon hızı sabitlerini sırasıyla 24 kat ve 12 kat artırır (örneğin, fisetin k 8.30×10−3'ten 0.202 h−1'e; quercetin k 2.81×10−2'den 0.375 h−1'e); sıcaklığın 37 °C'nin üzerine çıkarılması k değerini önemli ölçüde artırır (örneğin, fisetin k 65 °C'de 0.490 h−1'e; quercetin k 65 °C'de 1.42 h−1'e).[24]
Protein yardımcı bileşenleri degradasyonu azaltabilir: protein ilavesiyle, ölçülen k değerleri azalır; buna fisetin k'nın 3.58×10−2'den 1.76×10−2 h−1 aralıklarına düşmesi ve quercetin k'nın 7.99×10−2'den 3.80×10−2 h−1 aralıklarına düşmesi dahildir.[24]
Mekanistik olarak, flavonoid kimyasal kararsızlığı hidroksil gruplarına ve kararsız bir piron yapısına atfedilir; proteinler tarafından stabilizasyon ise esas olarak hidrofobik etkileşimlere (SDS stabilizasyonu bozar) atfedilir ve hidrojen bağı katkılarının gelecekteki kantitatif tahliller gerektirdiği vurgulanır.[24]
Nötrlüğe yakın 90 °C'deki quercetin için degradasyon kinetiği güçlü pH etkileri gösterir: k, pH 6.5'ten 7.5'e yaklaşık beş kat artar ve tipik son ürünler protokateşuik asit (PCA) ve floroglusinol karboksilik asit (PGCA) olmak üzere quercetin kinon gibi oksidasyon ara ürünleri tespit edilir.[22]
Mekanistik anlatı, 370 nm'deki ilk ölçülebilir kaybı quercetin'in kinona dönüşümüne bağlar ve kinon iskeletinin bölünmesinin sınırlı absorbansa sahip daha basit fenolikler verdiğini, alkali deprotonasyonun ise C-halkasını ve B-halkası o-difenol yapısını etkileyen oksidasyonu hızlandırdığını öne sürer.[22]
Yüksek sıcaklıklı sistemlerde (150 °C), quercetin degradasyonu ve oksidasyonu hızla ilerler; nitrojende 0.253 h−1 ve oksijende 0.868 h−1 hız sabitleri ve oksijen artı kolesterolde güçlü bir hızlanma (7.17 h−1) rapor edilmiştir; deneysel olarak quercetin kaybı 10 dakikada %7.9'dan (N₂) %20.4'e (O₂) çıkarken, kolesterol + oksijende quercetin 10 dakika sonra %10.9 kalana kadar azalır.[26]
Termal analiz ayrıca quercetin'in 90–135 °C aralığında küçük bir kütle kaybıyla (%0.86 ± 0.33 ağırlık) ilişkili küçük bir endotermik pik gösterdiğini, bozunmanın 230 °C'de başladığını ve 303 °C'deki belirgin bir DSC endoterminin bozunma ile örtüştüğünü göstermektedir; hidrojen bağının hem erime benzeri davranışı kısıtladığı hem de kimyasal bağları zayıflatarak bozunmayı kolaylaştırdığı savunulmaktadır.[9]
Rutin (bir quercetin glikozidi) ve yağ asidi esterleri için TGA, rutinin 240 °C'ye kadar termal olarak stabil olduğunu, esterlerin ise daha düşük başlangıç degradasyon sıcaklıkları (217–220 °C) ve büyük bir aşamada daha yüksek kütle kaybı sergilediğini, aktivasyon enerjilerinin ise dönüşüm derecesine göre 65 ile 246 kJ·mol−1 arasında değiştiğini göstermektedir.[8]
4.4 Kurkuminoidler
Curcumin degradasyonu güçlü bir şekilde pH'a bağlıdır ve birçok sulu koşul altında oksidatif yolları içerir; termal bozunma ve formülasyon etkileşimleri degradasyon başlangıçlarını ve görünür kinetik parametreleri kaydırabilir.[10, 18, 32]
37 °C'deki tampon/metanol karışımlarında, curcumin degradasyonunun birinci derece kinetiği izlediği ve k_obs değerinin pH arttıkça dramatik bir şekilde arttığı (örneğin, pH 7.0'da 3.2×10−3 h−1'e karşı pH 12.0'da 693×10−3 h−1), pH 5.0'da ise curcumin'in rapor edilen deneylerde stabil olduğu bildirilmiştir.[10]
pH 8.0'da Arrhenius analizi (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 değerini verir ve sulu tampona ekstrapolasyon oksitleyici koşullar altında hızlı kayıp önerir (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]
Miseller nanoformülasyonlar degradasyonu dramatik bir şekilde yavaşlatır: pH 8.0 ve 37 °C'deki polimerik misellerde ve Triton X-100 misellerinde, rapor edilen k_obs değerleri 0.9×10−3 ve 0.6×10−3 h−1'e düşer; yarı ömürler 777 ± 87 saat ve 1100 ± 95 saattir ve bunların sulu tampondaki serbest curcumin'den ~300–500 kat daha yüksek olduğu belirtilmektedir.[10]
Mekanistik olarak, dahil edilen çalışma curcumin degradasyonunun hidrolitik zincir bölünmesi yoluyla değil, nihai ürün olarak bir bisiklopentadion veren oksidasyon yoluyla ilerlediğini, 1 mol curcumin degradasyonunun 1 mol O₂ tüketimi ile ilişkili olduğunu ve ilk adımın pH 7.0'ın üzerinde hidroksil gruplarının deprotonasyonu olduğunu savunmaktadır.[10]
Ayrı bir Gİ ile ilgili stabilite çalışması, yüksek doğrusallıkla (r² > 0.95) görünür birinci derece kinetiği rapor eder ve ortama göre değişen (0.1 N HCl'den ziyade pH 7.4'te daha yüksek) aktivasyon enerjileri (kcal·mol−1 cinsinden) sağlar; 37 °C'de 12 saat sonra 0.1 N HCl'de %80'den fazlasının kaldığını, ancak pH 6.8 ve 7.4 fosfat tamponlarında sırasıyla sadece %57 ve %47'sinin kaldığını bildirir.[11]
Yüksek sıcaklıklarda (180 °C), kavurma deneyleri aşırı termolabilite gösterir; 5 dakika sonra başlangıç curcumin'inin sadece %30'u kalır ve mekanistik yorum, oksidatif bölünmeyi ferulik asit ara maddesine ve hava maruziyeti ve daha yüksek sıcaklıklarla hızlanan bir dekarboksilasyon adımına bağlar.[33]
Nitrojen altında curcumin ve curcumin içeren polimer sistemlerinin termal bozunma çalışmaları karmaşık davranışlar sergiler: ham curcumin bozunması 240 °C civarında başlarken, curcumin'in PGA/PCL karışımlarına dahil edilmesi PGA bozunma maksimumunu daha düşük sıcaklıklara kaydırır (örneğin, saf karışım için 372 °C'den %5 curcumin'de 327 °C'ye); bu durum curcumin ilavesinin matris termal stabilitesini azaltabileceği anlamına gelir.[18]
Aynı polimer odaklı çalışma, bu sonuçları üretimle ilişkilendirerek, eriyik hal işlemenin hem polimer matrisinin kimyasal stabilitesinin hem de dahil edilen ilaçların biyolojik aktivitesinin garanti edilmesini gerektirdiğini ve PGA veya PGA/PCL karışımlarının curcumin ile işlenmesinin PGA degradasyonunu önlemek için mümkün olan en düşük sıcaklıkta yapılması gerektiğini belirtmektedir.[18]
Yüksek kaymalı emülsifikasyon altında curcumin stabilizasyonu, 22,000 rpm'de 2 dakika boyunca yüksek kaymalı bir karıştırıcı kullanılarak hazırlanan Pickering emülsiyonlarında da kantitatif olarak belirlenmiştir: karanlıkta 20 °C'de depolama, enkapsüle edilmemiş bir curcumin-yağ karışımında curcumin'in yaklaşık yarısının 6 gün sonra degrade olduğunu ve 16 gün sonra sadece %20'sinin kaldığını, oysa bir Pickering emülsiyon sisteminin 16 gün sonra ~%50'sini koruduğunu ve yarı ömrü 13 günden 28 güne uzattığını göstermektedir.[1]
UV maruziyeti altında (6 W, 365 nm), aynı sistem yağ karışımı için 9 saat sonra ~%50 degradasyon ve 24 saat sonra sadece %20 kalıntı gösterirken, Pickering emülsiyonu 9 saat sonra ~%70 ve 24 saat sonra ~%45 oranında koruma sağlar ve %50 kayıp için yarı ömrü ~13 saatten ~27 saate uzatır.[1]
4.5 Özet tablo
Aşağıdaki tablo, bileşik sınıfları genelinde rapor edilen temsilci kinetik ve termodinamik parametreleri bir araya getirerek proses modelleme için en doğrudan kullanılabilir değerleri vurgulamaktadır.
5. Yüksek kaymalı üretim ünite operasyonları
Yüksek kaymalı üretim, termolabil bileşikleri sıcaklığı, oksijen transferini ve arayüzey alanını artırabilen mekanik stres alanlarına maruz bırakır; bu durum, özellikle oksijene ve pH'a duyarlı biyoaktifler için hem reaksiyon kinetiğini hem de baskın mekanizmaları etkiler.[13, 14, 17]
5.1 Eriyik işleme
Eriyik hal işleme, hem polimer stabilitesinin hem de ilaç aktivitesinin korunması gereken bir senaryo olarak polimer-ilaç sistemlerinde vurgulanmaktadır ve eriyik hal işlemenin, polimer matrisinin kimyasal stabilitesinin ve dahil edilen ilaçların biyolojik aktivitesinin garanti edilmesini gerektirdiği açıkça belirtilmektedir.[18]
PGA/PCL–curcumin sisteminde, curcumin ilavesi PGA termal stabilitesini olumsuz etkiler ve yazarlar, termal stabilite karakterizasyonunu proses tasarımıyla ilişkilendirerek, PGA degradasyonunu önlemek için mümkün olan en düşük sıcaklıkta işlemeyi önermektedir.[18]
5.2 Yüksek basınçlı homojenizasyon ve mikrofluidizasyon
Yüksek basınçlı homojenizasyon, sıvıları dar bir boşluk valfinden akarken yüksek mekanik strese maruz bırakır; orifiste, bir sıvı kayma etkisine maruz kalır ve kavitasyon, türbülans, çarpışma ve darbe gibi ek fenomenler kayma etkilerine katkıda bulunur.[14]
HPH, 100 MPa'dan fazla yüksek basınçlarda çalışır ve 400 MPa'ya kadar basınç üretebilir; uygulanan basınç, döngü/geçiş sayısı ve giriş sıcaklığı, fitokimyasalların ekstrakte edilebilirliğini ve stabilitesini etkileyen temel faktörler olarak tanımlanmaktadır.[14]
Kantitatif olarak, HPH incelemesi, 100, 200, 300 MPa'da L-askorbik asitteki kademeli azalmalar (%1.7, %4.6, %10.7) ve elma suyunda 100, 200, 300 MPa'daki polifenol azalmaları (örneğin %10.6, %6.0, %1.4) gibi örnek bileşimsel değişiklikleri rapor ederek, basınç seviyesinin matris ve enzim aktivitesine bağlı olarak oksidasyona duyarlı bileşiklerdeki kayıplarla korele olabileceğini örneklemektedir.[14]
Formülasyon ölçeğinde, mikrofluidizasyon fenoliklerin kantitatif koruması ile stabil emülsiyonlar üretebilir: W/O/W emülsiyonları için optimum mikrofluidizör koşulları 148 MPa ve 105.3 ± 3.2 nm damlacıklar ve 0.233 ± 0.020 PDI sağlayan yedi döngü olarak rapor edilmiştir ve 35 gün sonra fenolik koruması %68.6, antioksidan aktivite koruması ise %89.5 olmuştur.[2]
Ayrı bir enkapsülasyon çalışması, birleşik bir yüksek kaymalı ve mikrofluidizasyon yaklaşımı bildirmektedir: lipozomal dispersiyonlar püskürtmeli kurutmadan (spray drying) önce 10 dakika boyunca 9500 rpm'de homojenize edilmiş ve ardından 25,000 psi'de bir mikrofluidizörden beş kez geçirilmiştir; bu, endüstriyel olarak gerçekçi dizilerin kayma ve ardından termal kurutmayı birleştirebileceğini göstermektedir.[3]
Ultra yüksek basınçlı homojenizasyon (UHPH) incelemeleri, valf içindeki aşırı kayma ve darbelere vurgu yapmakta; sıvıların 200 MPa'dan fazla (tipik olarak 300 MPa) basınçla pompalanması, valf içinde Mach 3 hızında 0.2 saniyeden kısa kalış süresi ve mikroorganizmaların, kolloidlerin ve biyopolimerlerin 100–500 nm'ye nanofragmantasyonu gibi rapor edilen koşulları içermektedir.[34]
5.3 Yüksek kaymalı karıştırma
Yüksek kaymalı karıştırma sıklıkla bir ön emülsifikasyon veya dispersiyon adımı olarak kullanılır ve kendisi önemli sıcaklık artışları ve oksidatif ortamlar yaratarak, sonraki operasyonlardan önce bile degradasyonu etkileyebilir.[13]
Bir içecek modelinde, artan dönüş hızlarında 10 dakika boyunca yüksek kaymalı homojenizasyon çıkış sıcaklığını artırmış (0 rpm'de 4.1 ± 0.7 °C'den 20,000 rpm'de 41 ± 1.2 °C'ye) ve önemli askorbik asit kaybı (20,000 rpm'de %42.6 azalma) ile ilişkilendirilmiştir.[13]
Bir curcumin Pickering emülsiyon sisteminde, emülsiyonları oluşturmak için 2 dakikada 22,000 rpm'de yüksek kaymalı karıştırma kullanılmış; ardından hem depolama hem de UV stresi altında daha yavaş degradasyon ve uzatılmış yarı ömür yoluyla stabilite iyileştirmeleri kantitatif olarak belirlenmiş, yüksek kaymalı arayüzey yapılanması kimyasal stabilite sonuçlarına bağlanmıştır.[1]
5.4 Mekanokimyasal öğütme
Mekanokimyasal işleme (örneğin bilyalı öğütme), amorf katı dispersiyonlar üretebilir ve katı hal formunu değiştirerek, moleküler düzeyde karıştırarak ve hidrojen bağı gibi güçlü moleküller arası etkileşimleri mümkün kılarak stabiliteyi değiştirebilir.[15]
Fisetin ASD'leri ve inklüzyonları için öğütme, oda sıcaklığında 30 Hz frekans ve 20 dakika süre ile gerçekleştirilmiş; ardından termal stabiliteyi ve Tg davranışını kantitatif olarak belirlemek için nitrojen altında TG/DSC analizi yapılmıştır.[15]
5.5 Püskürtmeli kurutma (spray drying)
Püskürtmeli kurutma, kurutulmuş sebze özleri üretmek için en yaygın kullanılan tekniklerden biri olarak tanımlanmakta ve püskürtmeli kurutma sırasındaki yüksek sıcaklıkların termolabil (poli)fenoller üzerinde potansiyel olarak zararlı etkilere sahip olduğu belirtilmektedir.[3, 20]
Bir polifenol enkapsülasyon çalışmasında, püskürtmeli kurutma 150 ± 5 °C giriş hava sıcaklığı ve 90 ± 5 °C çıkış sıcaklığı ile gerçekleştirilmiştir; yazarlar, püskürtmeli kurutma sırasında oksijen ve ısıya maruz kalma nedeniyle (poli)fenol miktarının azaldığını belirterek fonksiyonel özellikleri korumak için enkapsülasyonu teşvik etmektedir.[3]
Bir özüt ön formülasyon çalışmasında, püskürtmeli kurutucu proses koşulları (giriş sıcaklığı, besleme akış hızı, kolloidal silikon dioksit oranı) yanıtlar üzerindeki etkileri açısından değerlendirilmiş ve reaksiyon derecesi, bozunmuş fraksiyon süresi ve hız sabiti dahil olmak üzere bozunma kinetik parametrelerini belirlemek için Arrhenius yöntemleri kullanılmıştır.[20]
5.6 Özet tablo
Aşağıdaki tablo, yüksek kayma ve/veya yoğun termal maruziyet uygulayan ünite operasyonları için rapor edilen stres profillerini ve örnek kantitatif etkileri özetlemektedir.
6. Entegre stabilite–proses modelleri
Dahil edilen kaynaklar, stabilite sonuçlarının ünite operasyonu termal geçmişlerinden ve fizikokimyasal mikro ortamlardan (pH, oksijen, su aktivitesi) hesaplandığı ve termodinamik geçiş eşiklerine uyulduğu entegre bir tahmin çerçevesi için yapı taşları sağlamaktadır.[4, 14]
6.1 Zaman–sıcaklık–kayma haritalama
Pratik bir haritalama yaklaşımı, beklenen dönüşümü hesaplamak için kinetiği (k, (E_a), yarı ömür) ölçülen veya çıkarılan ünite operasyonu zaman-sıcaklık profilleriyle birlikte kullanabilir; durum geçiş eşikleri (Tg, erime başlangıcı, bozunma başlangıcı) ise mekanizmaları değiştirebilen veya hızları artırabilen sınırlar olarak kullanılabilir.[4, 15]
Örneğin, NRCl için sözde birinci derece çözelti fazı modeli, Arrhenius aktivasyon enerjileri (75.4–82.8 kJ·mol−1) ve 10 °C'lik bir artışın k_obs'u yaklaşık iki katına çıkardığı gözlemi kullanılarak parametreize edilebilir; bu, doğrulanmış tampon deneylerinden üretimdeki kısa termal dalgalanmalara aktarımı mümkün kılar.[4]
Curcumin için sıcaklık hassasiyeti, pH 8.0'daki (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 ve k_obs'un pH'a olan rapor edilen güçlü bağımlılığı kullanılarak parametreize edilebilir; bunlar birlikte, yerel pH'ın nötr-bazik olduğu sulu bekletmeler veya ısıtılmış emülsifikasyon adımları sırasındaki kayıpların tahmin edilmesini sağlar.[10]
trans-resveratrol için, pH kaynaklı yarı ömür çöküşü (pH arttıkça yüzlerce günden dakikalara), işleme sırasındaki stabilite sonuçlarının yığın sıcaklıktan ziyade mikro çevresel pH tarafından domine edilebileceği anlamına gelir ve pH 7.4'teki Arrhenius modelleme (E_a)=84.7 kJ·mol−1 ile orta sıcaklıklı maruziyetler için kullanılabilir.[12]
6.2 QbD ve tasarım alanı
Tasarımla Kalite (QbD) yorumu, proses parametrelerinin ve formülasyon matrislerinin degradasyon mekanizmalarını nasıl değiştirdiğini açıkça değerlendiren çalışmalarla desteklenmektedir; buna, Arrhenius dışı davranış veya matris etkileri oluştuğunda hızlandırılmış testlerin raf ömrünü tahmin etmede başarısız olabileceğine dair bulgular dahildir.[7, 29]
Resveratrol tabletleri için, Arrhenius yaklaşımlarının hızlandırılmış testlerde degradasyonu aşırı tahmin edebileceği sonucu, tasarım alanlarının tek bir hızlandırılmış koşul yerine hem mekanistik anlayış hem de çoklu sıcaklık verileri kullanılarak tanımlanmasını teşvik etmektedir.[7, 29]
Püskürtmeli kurutulmuş flavonoid belirteç sistemleri için, eksipiyanların kinetik dereceyi ve bozunmuş fraksiyon süresi değerlerini etkilediği açıkça rapor edilmiştir; bu da formülasyon bileşiminin sabit bir arka plan değil, stabilite tasarım alanının bir parçası olduğunu göstermektedir.[20]
6.3 PAT ve analitik özgüllük
Doğru proses izleme, analitik özgüllük gerektirir; çünkü degradasyon ürünleri, özellikle polifenoller için daha basit spektroskopik tahlilleri yanıltabilir.[12]
trans-resveratrol için HPLC ve UPLC özgüllüğünün doğrulandığı rapor edilirken, UV/VIS spektroskopisi, stabil olmadığı koşullar altında (alkali pH, ışık, artan sıcaklık) yanlış bir şekilde daha yüksek trans-resveratrol konsantrasyonları ile sonuçlanmıştır; bu durum, proses analitiğinde stabiliteyi gösteren yöntemlere duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır.[12]
7. Azaltma stratejileri
Dahil edilen kaynaklardaki azaltma yaklaşımları, bilinen hızlandırıcılara (ısı, oksijen, yüksek pH, UV) maruz kalmanın kısıtlanmasını ve moleküler hareketliliği azaltan, arayüzeyleri koruyan veya aktifi daha az reaktif mikro ortamlara yerleştiren formülasyon mimarilerinin kullanılmasını vurgulamaktadır.[10, 13, 17]
7.1 Enkapsülasyon ve dispersiyonlar
Miseller veya partikül sistemlerinde enkapsülasyon, su, oksijen ve reaktif türlerle teması sınırlayarak ve temel fonksiyonel grupların asit-baz erişilebilirliğini değiştirerek termolabil bileşikleri önemli ölçüde stabilize edebilir.[1, 10]
Curcumin için, miseller çözündürme k_obs'u 0.6–0.9×10−3 h−1'e düşürür ve yarı ömrü 777–1100 saate uzatır; bu stabilizasyon, degradasyonun ilk adımı olarak tanımlanan hidrofobik bir misel çekirdeği içinde hidroksil deprotonasyonunun önlenmesine atfedilir.[10]
Pickering emülsiyonları fiziksel bir bariyer sağlar: arayüzeyde yoğun bir fiziksel bariyerin bulunmasının curcumin degradasyonunu engellediği belirtilmekte ve kantitatif olarak bariyer oluşturan sistem, depolama yarı ömrünü 13 günden 28 güne ve UV yarı ömrünü ~13 saatten ~27 saate uzatmaktadır.[1]
Siklodekstrin türevli taşıyıcı sistemler başka bir strateji sunar: resveratrol–β-siklodekstrin klatratları, 50 °C civarında su salınımı ve daha yüksek sıcaklıklı bozunma olayları dahil olmak üzere termal olaylar gösterir ve bağlanma serbest enerjileri (örneğin MM/PBSA ile −86 kJ·mol−1) güçlü inklüzyon etkileşimlerini kantitatif olarak belirler.[25]
Resveratrol'ün nanosünger enkapsülasyonu, DSC erime endotermini ortadan kaldırır ve fotokoruma sağlar: serbest resveratrol UV maruziyeti altında 15 dakika içinde %59.7 degradasyon gösterirken, resveratrol nanosüngerleri yaklaşık iki kat koruma sağlar; bu durum enkapsülasyonun doğrudan UV maruziyetini önlemesiyle tutarlıdır.[16]
Amorf katı dispersiyonlar mekanokimyasal öğütme yoluyla tasarlanabilir ve fisetin ile Eudragit® ester grupları arasındaki hidrojen bağı açıkça tanımlanmıştır; bu, çözünme davranışındaki kristalizasyona bağlı değişikliklere karşı stabilize edebilen karışabilirlik ve değişen Tg için mekanistik bir temel sağlar.[15]
Eksipiyan ve taşıyıcı seçimi
Püskürtmeli kurutulmuş bitki özü sistemlerinde rapor edildiği gibi, eksipiyan seçimi kinetik mekanizmaları ve stabilite sonuçlarını değiştirebilir; burada reaksiyon derecesi ve bozunmuş fraksiyon süreleri eksipiyan karışımlarına göre farklılık göstererek eksipiyan bağımlı degradasyon kinetiğine işaret etmektedir.[20]
Protein yardımcı bileşenleri, hidrofobik etkileşimler yoluyla flavonoidleri stabilize edebilir, fisetin ve quercetin için k değerlerini düşürebilir ve SDS'nin bu etkileşimleri bozması, hidrofobik bağlanmanın temel bir stabilize edici mekanizma olduğu yorumunu destekler.[24]
Proses mühendisliği kontrolleri
Termal maruziyeti ve oksijen temasını azaltan proses kontrolleri birden fazla veri seti ile doğrudan desteklenmektedir.[5, 18]
NRCl için DSC/qNMR kanıtları, erime başlangıcı bölgesinin (~120–130 °C) aşılmasının son derece hızlı degradasyona yol açabileceğini göstererek, ısıtmalı katı hal operasyonlarında sıcaklık ve kalış süresi üzerinde kesin üst sınırlara destek vermektedir.[4]
NRH için, 25 °C'deki hava ve N₂ yarı ömrü arasındaki fark, inertleme ve oksijen hariç tutmanın önemli olabileceği anlamına gelir; yazarlar 4 °C'de N₂ örtüsü altındaki numunelerin 60 gün sonra tespit edilebilir bir degradasyon göstermediğini, oysa hava altında 4 °C'deki numunelerin ~%10 degradasyon gösterdiğini bildirmektedir.[5]
Yüksek kaymalı homojenizasyon için, rpm artışının çıkış sıcaklığını artırdığı ve oksidasyona duyarlı askorbik asit kaybının daha yüksek olmasıyla ilişkili olduğu yönündeki doğrudan gözlem, kayma kaynaklı ısınmayı sınırlayan mühendislik önlemlerini (örneğin soğutma ceketleri, daha kısa karıştırma süreleri, aşamalı ekleme) desteklemektedir.[13]
Püskürtmeli kurutma için, oksijen ve ısıya maruz kalmanın (poli)fenolleri azalttığı ve yüksek sıcaklıkların termolabil fenolikler üzerinde zararlı olabileceği iddiası, mümkün olduğunda çıkış sıcaklığının düşürülmesi ve oksidasyon ile ısı hassasiyetini azaltmak için enkapsülasyon kullanılması gibi seçimleri desteklemektedir.[3]
Antioksidanlar ve oksijen yönetimi
Antioksidan ve oksijen yönetimi stratejileri polifenol veri setleri genelinde mekanistik olarak desteklenmektedir.[12, 22]
90 °C'deki quercetin için, sistein gibi antioksidanlar k değerini düşürür; 200 μmol·L−1 sistein, kontrole kıyasla ~%43 oranında bir k azalması sağlar ve mekanistik yorum, quercetin kinonun stabilizasyonunu ve radikal söndürme etkilerini dikkate alır.[22]
trans-resveratrol için oksijenin degradasyona yol açan radikal reaksiyonları teşvik ettiği açıkça bildirilmekte, bu da alkali/nötr sulu işleme için mümkün olduğunda inert işleme atmosferlerini veya oksijen bariyerlerini desteklemektedir.[12]
Lipozomal sistemlerde, resveratrol'ün serbest radikalleri nötralize ederek stigmasterol oksidasyonunu sınırladığı ve lipid çift katmanlarına entegre olarak sertliği artırdığı, oksijene ve oksitleyici ajanlara karşı geçirgenliği azalttığı, böylece sistemin termal ve oksidatif stabilitesini artırdığı rapor edilmiştir.[35]
Tartışma
Burada sentezlenen kanıt tabanı genelinde en güçlü kantitatif model, kimyasal mikro çevrenin (pH, oksijen, su varlığı) ılımlı sıcaklıklarda bile stabilite sonuçlarını domine edebileceği ve birkaç biyoaktifin belirli termal geçiş eşiklerinde keskin stabilite süreksizlikleri sergilediğidir.[4, 5, 12]
NAD⁺ öncüleri için NRCl veri seti ikili bir rejimi vurgulamaktadır: sulu çözeltide sözde birinci derece hidroliz, Arrhenius aktivasyon enerjileri ve her 10 °C için yaklaşık iki kat hız artışı ile modellenebilirken; katı halde 120–130 °C civarındaki dar bir bölge, erimeyi ve hemen ardından gelen hızlı bozunmayı karşılamaktadır.[4]
Resveratrol için, pH duyarlılığından baskın bir proses riski ortaya çıkmaktadır: yarı ömür, asidik pH'daki uzun sürelerden yüksek pH'daki dakikalara çökerken, oksijen radikal reaksiyonları teşvik eder; bu da oksijen transferini ve yerel alkaliniteyi artıran yüksek kaymalı operasyonların, yığın sıcaklığı orta düzeyde kalsa bile orantısız şekilde zarar verici olabileceğini göstermektedir.[12]
Flavonoidler için, kinon ara maddeleri yoluyla oksidasyon ve pH bağımlı deprotonasyon mekanizmaları (quercetin), yüksek sıcaklık oksidasyonu ve radikal zincirleme eşleşmesi (örneğin oksijen artı kolesterol) ile birleşerek lipid içeren formülasyonların ve oksijen maruziyetinin oksidatif kayıp yollarını güçlü bir şekilde artırabileceğini düşündürmektedir.[22, 26]
Curcumin için, hidroliz kaynaklı anlatımlar (bazı Gİ tampon çalışmalarında) ve otoksidasyon kaynaklı anlatımlar (misel odaklı çalışmalarda) arasında mekanistik bir gerilim vardır, ancak her ikisi de güçlü bir pH etkisi ve hidrofobik mikro ortamların ve oksijen sınırlamasının koruyucu rolü üzerinde birleşmektedir.[11, 32]
Ünite operasyonu düzeyinde, yüksek kaymalı prosesler öncelikle ısı üreterek ve oksidatif duyarlılığı artırarak dolaylı hızlandırıcılar olarak hareket edebilir; bu durum, dönüş hızının çıkış sıcaklığını artırdığı ve askorbik asidin oksidatif kaybıyla çakıştığı yüksek kaymalı homojenizasyonda doğrudan gösterilmiştir.[13]
HPH/UHPH ek karmaşıklık getirir; çünkü valf bölgesi aşırı kayma, kavitasyon ve türbülans uygular ve yüksek yerel sıcaklıklar üretebilir; her ne kadar kalış süreleri çok kısa olsa da (örneğin UHPH tanımlarında <0.2 s), bu durum kimyasal sonuçların degradasyonun hızlı radikal süreçler, difüzyon sınırlı adımlar veya daha yavaş termal aktivasyon adımları tarafından kontrol edilip edilmediğine bağlı olabileceği anlamına gelir.[14, 34]
Son olarak, birkaç kaynak stabilite modellemesinin ilgili matriste mekanistik olarak doğrulanması gerektiğini vurgulamaktadır: resveratrol tablet verileri, hızlandırılmış testlerden genel Arrhenius ekstrapolasyonunu sınırlayan Arrhenius dışı davranış ve matris etkileri göstermekte, püskürtmeli kurutulmuş bitki özü belirteçleri ise eksipiyan bağımlı kinetik dereceler ve bozunmuş fraksiyon süreleri sergilemektedir.[7, 20]
Sonuçlar
Kantitatif termodinamik geçiş belirteçleri (DSC/TGA) ve degradasyon kinetiği (k, t_(1/2), (E_a), dönüşüme bağlı aktivasyon enerjileri), termolabil uzun ömür bileşiklerinin ve ilgili biyoaktiflerin potansini koruyan üretim koşullarının tasarlanması için prosese uygun bir temel sağlar.[4, 8, 9]
NAD⁺ öncüleri için NRCl, erimeyi takip eden hızlı bozunma yakınında dar bir termal işleme penceresi sergilerken, sulu kinetik, termal maruziyet modellerini parametreize edebilen 75–83 kJ·mol−1 aktivasyon enerjileri ile pH bağımlı sözde birinci derece davranış gösterir.[4]
Resveratrol için pH ve oksijen baskın değişkenlerdir; yarı ömür asidik pH'daki yüzlerce günden yüksek pH'daki dakikalara çöker ve formülasyon matrisleri hızlandırılmış test ekstrapolasyonunu zorlaştıran Arrhenius dışı davranışlar üretebilir.[7, 12]
Flavonoidler ve kurkuminoidler için oksidasyon yolları (quercetin için kinon ara maddeleri; curcumin için otoksidasyon), oksijen kontrolü ve hidrofobik enkapsülasyon stratejilerini teşvik eder; bunların misel sistemlerinde yarı ömrü büyüklük sıralamasına göre ve yüksek kaymalı karıştırma altında üretilen Pickering emülsiyonlarında materyal olarak uzattığı kantitatif olarak gösterilmiştir.[1, 10, 22, 32]
Yüksek kaymalı ünite operasyonları için mevcut kanıtlar, kaymanın sıcaklığı yükseltebileceğini ve oksidasyonu teşvik edebileceğini (yüksek kaymalı karıştırma) ve valf bazlı yüksek basınçlı proseslerin, basınç, geçiş sayısı ve giriş sıcaklığı temel stres değişkenleri olacak şekilde aşırı kayma ve kavitasyon oluşturduğunu göstermektedir; bu içgörüler, zaman-sıcaklık-kayma haritalamasının uygulanmasını ve stabiliteyi gösteren analitikler kullanarak PAT uygulanmasını desteklemektedir.[12–14]
Çıkar çatışması
Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması beyan etmemektedir.[20]
