Özet
Termolabil uzun ömürle ilişkili bileşikler ve polifenolik biyoaktifler, üretim sırasında (örn. yüksek kesmeli karıştırma, yüksek basınçlı homojenizasyon ve püskürtmeli kurutma) sıklıkla eş zamanlı termal, oksidatif, pH ve mekanik streslere maruz kalır; bu durum kimyasal bozunmayı hızlandırabilir ve hedef etkinliği azaltabilir. Bu nedenle, üretilebilir tasarım alanlarını tanımlamak ve koruyucu formülasyon stratejilerine rehberlik etmek için kantitatif, süreçle ilgili stabilite parametreleri gereklidir.[1–3]
Bu sentez çalışmasındaki yöntemler; NAD⁺ öncülleri (NR/NRH/NMN), stilbenoidler (resveratrol ile ilişkili sistemler), flavonoidler (quercetin, fisetin, rutin/esterler) ve kurkuminoidler için (i) DSC/TGA ile termodinamik/termal geçişleri (erime, bozunma başlangıcı, camsı geçişler ve kademeli kütle kaybı davranışı) ve (ii) bozunma kinetiğini (yalancı birinci derece/birinci derece modeller, Arrhenius aktivasyon enerjileri, pH bağımlılıkları ve fraksiyonel bozunma süresi ölçümleri) bildiren çalışmalardan elde edilen kantitatif kanıtlara odaklanmaktadır.[4–11]
Sonuçlar, birkaç temsilci uzun ömür bileşiğinin belirli fiziksel durumlarda dar termal işleme pencerelerine sahip olduğunu göstermektedir. Nicotinamide riboside chloride (NRCl), 120.7 ± 0.3 °C'de bir erime başlangıcı ve ardından hızlı bir erime sonrası bozunma (örn. qNMR ile 130 °C'de %98 bozunma) sergilerken; sulu ortamdaki bozunması, pH'a bağlı olarak 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ aktivasyon enerjileri ile yalancı birinci derece kinetiği izlemektedir.[4]
trans-resveratrol için bozunma kinetiği güçlü bir şekilde pH ve sıcaklığa bağımlıdır (örn. yarı ömür pH 1.2'de 329 günden pH 10'da 3.3 dakikaya düşmektedir) ve tablet matrislerinde hızlandırılmış test ekstrapolasyonu non-Arrhenius davranış sergileyebilir.[7, 12]
Yüksek kesmeli birim işlemler, lokal ısınmaya ve oksidatif ortamlara yol açabilir; bu durum, yüksek kesmeli homojenizasyonun rotasyonel hızla birlikte çıkış sıcaklığını artırması ve 20,000 rpm'de %42.6 ascorbic-acid kaybına yol açması ile ve >100 MPa'da valf kesmesi, kavitasyon ve türbülans içeren yüksek basınçlı homojenizasyon mekanizmalarıyla ortaya konmuştur.[13, 14]
Varılan sonuçlar; zaman–sıcaklık–kesme haritaları oluşturmak ve enkapsülasyon, amorf katı dispersiyonlar, siklodekstrin/nanosünger sistemleri, oksijen kontrolü ile kesme/sıcaklık minimizasyonunu içeren hafifletme stratejilerini rasyonel biçimde seçmek için termodinamik geçiş verilerinin (DSC/TGA/Tg) kinetik modellerle (Arrhenius, non-Arrhenius ve izokonversiyonel yöntemler) entegre edilmesini vurgulamaktadır.[15–18]
Anahtar Kelimeler: termolabil biyoaktifler; bozunma kinetiği; Arrhenius; DSC; TGA; yüksek basınçlı homojenizasyon; püskürtmeli kurutma; NAD⁺ öncülleri
1. Giriş
Uzun ömürle ilişkili bileşikler, her geçen gün daha fazla nutrasötikler, fonksiyonel gıdalar ve gelişmiş taşıyıcı sistemler olarak formüle edilmekte; bu durum, aktif maddeleri ısıtma, oksijen teması, su aktivitesi, pH dalgalanmaları ve yoğun mekanik enerji girdisi dahil olmak üzere kombine stres faktörlerine maruz bırakan üretim süreçlerini gerekli kılmaktadır.[3, 5, 14, 19]
NAD⁺ öncül kimyaları için sulu ve katı hal stabilitesi merkezi bir öneme sahiptir; çünkü reaktivite, glikozidik veya fosfat bağlı motiflerin hidrolizi yoluyla meydana gelebilir ve proses sıcaklıkları, hızlı bozunma öncesindeki katı hal geçiş eşiklerini aşabilir.[4, 6]
Polifenoller ve ilgili botanik aktif maddeler için stabiliteyi sınırlayan faktörler arasında; proses sırasında sıcaklığa, pH'a, metal iyonlarına ve oksijen mevcudiyetine karşı hassas olan otoksidasyon, epimerizasyon ve kinonlara enzimatik oksidasyon yer almaktadır.[17]
Pratik bir çıkarım olarak, üretim tasarımı yalnızca nominal yığın sıcaklığına dayandırılamaz; bunun yerine, (i) camsı geçiş, erime ve bozunma başlangıcı gibi termodinamik göstergeleri ve (ii) bozunmanın zamana, sıcaklığa, pH'a, oksijene ve (ölçülebildiği durumlarda) mekanik enerji girdisine olan bağımlılığını ortaya koyan kinetik modelleri entegre etmelidir.[4, 9, 10, 14, 15]
Bu makale, dahil edilen kaynakların açık termodinamik geçişler ve/veya kinetik parametreler sağladığı temsili uzun ömür bileşikleri ve ilgili biyoaktif maddeler üzerindeki kantitatif kanıtları sentezlemekte ve bu verileri; yüksek kesmeli karıştırma, yüksek basınçlı homojenizasyon/mikroakışkanlaştırma, mekanokimyasal öğütme ve püskürtmeli kurutma dahil olmak üzere yüksek kesmeli birim işlemlerinin stres profilleriyle ilişkilendirmektedir.[1, 14, 15, 20]
2. Termodinamik çerçeve
Üretim bağlamında termodinamik kararlılık, bir bileşiğin veya formülasyonun ne zaman daha yüksek moleküler mobiliteye ve dolayısıyla daha yüksek reaksiyon hızlarına veya farklı mekanizmalara sahip durumlara geçiş yaptığını gösteren ölçülebilir termal olaylar (DSC/TGA) ve durum tanımlayıcıları (örn. amorf ve kristal karşılaştırması; camsı geçiş sıcaklığı) kullanılarak operasyonel olarak değerlendirilir.[4, 9, 15]
2.1 Gibbs serbest enerjisi ve faz kararlılığı
Dahil edilen birkaç kaynak, bozunma prosesleri veya termal yıkım için Gibbs serbest enerjisi değişimlerini açıkça hesaplayarak, belirli koşullar altında gerçekleşebilirliğin termodinamik bir ölçüsünü sağlamaktadır.[8, 19]
NR borat için, bozunmanın kendiliğindenliği bir Gibbs serbest enerjisi hesaplaması yoluyla değerlendirilmiş ve ΔG, 2.43 kcal·mol⁻¹ olarak rapor edilmiştir.[19]
Pirolitik koşullar altındaki rutin ve yağ asidi rutin esterleri için, pozitif ΔH (60–242 kJ·mol⁻¹) değerlerinin yanı sıra pozitif ΔG değerleri (84–245 kJ·mol⁻¹) elde edilmiş olup, bu durum rapor edilen analizde endotermik ve kendiliğinden gerçekleşmeyen bir piroliz profiline işaret etmektedir.[8]
Kinetik formalizm açısından, birkaç kaynak ayrıca geçiş durumu ve serbest enerji ilişkilerini uygulamaktadır; örneğin, bir kurkumin spiroborat kompleks sistemindeki hidroliz aktivasyonunu yorumlamak için kullanılması gibi.[21]
2.2 Camsı geçiş, erime ve bozunma başlangıcı
DSC ve TGA, proses riskinin tamamlayıcı göstergelerini sağlar: erime veya yumuşama olayları difüzyonu keskin bir şekilde artırabilir ve hızlı kimyasal dönüşüme olanak tanıyabilir; TGA kütle kaybı başlangıcı ise görünür katı halde bile geri dönüşsüz bozunmanın başladığını gösterebilir.[4, 9, 15]
NRCl için DSC, 120.7 ± 0.3 °C'de bir erime başlangıcına ve 125.2 ± 0.2 °C'de bir erime pikine işaret etmekte, bunu hemen ardından 130.8 ± 0.3 °C'de pik yapan keskin bir ekzotermik olay izlemektedir.[4]
DSC olay sırasıyla uyumlu olarak, qNMR miktar tayini 115 °C'de sınırlı bir bozunma (%2) göstermekte, ancak erime bölgesinde ve üzerinde hızlı bir kayıp ortaya koymaktadır (120 °C'de %7; 125 °C'de %55; 130 °C'de %98; 140 °C'de ise sadece %0.45 oranında NR kalmıştır).[4]
NMN için bir kaynak, bileşiğin net bir erime geçişi göstermek yerine bozunduğunu, bozunmanın 160 °C'de başlayıp 165 °C'ye kadar tamamlandığını ve bozunma entalpisi 184 kJ·mol⁻¹ olan 162 °C'de bir endotermik DSC piki bulunduğunu bildirmektedir.[6]
Quercetin için, birlikte yapılan DSC/TGA yorumlaması, şiddetli bir DSC endoterminin (303 °C'de maksimum) yaygın olarak yanlış bir şekilde erimeye atfedildiğini, buna karşın TGA'nın bozunmanın 230 °C'de başladığını ve endoterminin sürekli kütle kaybıyla çakıştığını gösterdiğini belirtmektedir; 303 °C piki için rapor edilen "erime ısısı" 69–75 kJ·mol⁻¹'dir.[9]
Fisetin için TGA, kristal numuneden suyun buharlaşmasına atfedilen küçük bir kütle kaybı (~%5) ve 369.6 °C'de molekülün bozunmasına atfedilen büyük bir kütle kaybı olayı (~%30.6) göstermektedir.[15]
İnert azot altındaki curcumin için bir çalışma, ham curcuminin 240 °C civarında başlayan karmaşık bir bozunma prosesi (%5 kütle kaybı) sergilediğini, 347 °C'de bir DTGA piki bulunduğunu ve 600 °C'de (10 °C·min⁻¹ hızında) %37 oranında kalıntı kaldığını bildirmektedir.[18]
2.3 Amorf ve kristal kararlılığı
Amorf formülasyonlar çözünürlüğü ve biyoyararlanımı artırabilir ancak kristal formlara kıyasla moleküler mobiliteyi artırarak termal davranışı ve kararlılığı değiştirebilir; bu da camsı geçiş sıcaklığını (Tg) kritik bir kararlılık parametresi haline getirir.[15, 16]
Mekanokimyasal olarak hazırlanan fisetin amorf katı dispersiyonları (ASDs), ikinci ısıtma taramalarında ölçülebilir Tg değerleri göstermekte ve karışabilirlikle uyumlu Tg bileşimsel kaymaları ortaya koymaktadır: ham Eudragit® L100/EPO, 147.1/55.4 °C Tg gösterirken, fisetin ASD'leri polimer ve etkin madde yüklemesine bağlı olarak 144.2/71.8 °C ve 145.9/76.7 °C gibi Tg değerleri sergilemektedir.[15]
Resveratrol ve oxyresveratrol nanosüngerleri için DSC, resveratrolün erime endoterminin (266.49 °C) nanosünger formülasyonlarında ortadan kaybolduğunu göstermektedir; yazarlar bu durumu nanosünger matrisi içindeki etkin madde moleküllerinin enkapsülasyonuna ve olası amorfizasyonuna atfetmektedir.[16]
Quercetin için, hidrojen bağının hem erime benzeri yumuşamayı kısıtladığı hem de bağ zayıflaması yoluyla bozunmayı kolaylaştırdığı öne sürülmektedir; birlikte yapılan DSC/TGA yorumlaması ise quercetinin yalnızca erimekle kalmayıp 150–350 °C aralığında birbiriyle çakışan bozunma ve yapısal gevşeme/yumuşama proseslerinden geçtiği sonucuna varmaktadır.[9]
3. Degradasyon kinetiği modelleri ve parametreleri
İncelenen kaynaklar, genellikle pH bağımlılığı ve karmaşık çok yollu degradasyondan kaynaklanan bir dizi kinetik model (birinci derece, yalancı birinci derece, yüksek derece veya sigmoidal formlar) ve sıcaklık bağımlılığı yaklaşımı (Arrhenius ve bazı durumlarda non-Arrhenius davranışı) kullanmaktadır.[4, 7, 22]
3.1 Reaksiyon derecesi modelleri
Çözelti fazı degradasyonu için yaygın olarak kullanılan bir temel, kontrol edilen pH ve sıcaklık altında konsantrasyon-zaman verilerine birincil uyum olarak dahil edilen birden fazla çalışmada yer alan integre birinci derece modeldir.[4, 11, 12]
Tamponlanmış sulu çözeltilerdeki NRCl için degradasyon yalancı birinci derece olarak tanımlanmaktadır ve bu yalancı birinci derece form, tampon sistemlerinin OH⁻/H₃O⁺ konsantrasyonlarını NR konsantrasyonuna kıyasla büyük bir fazlalıkta ve yaklaşık olarak sabit tutmasıyla gerekçelendirilmektedir.[4, 23]
Fosfat tamponundaki fisetin ve quercetin için bildirilen sonuçlar, pH ve sıcaklıkla güçlü bir şekilde artan birinci derece degradasyon hız sabitleri k (h⁻¹) olarak sunulmaktadır.[24]
90 °C'de nötre yakın pH (6.5–7.5) değerlerindeki quercetin için bir sigmoidal model uygulanmış ve birinci derece bir modelle karşılaştırılmıştır; sigmoidal model, birinci derece uyumlara göre 2.3–2.5× daha yüksek k değerleri ve pH 7.5'te farklı bir yarı ömür yorumu sağlamıştır.[22]
Püskürterek kurutulmuş bitki ekstraktı belirteçleri için, kaempferol için sıfırıncı derece ve ikinci derece modeller (yardımcı madde ikilileri genelinde) ve yardımcı maddeler genelinde quercetin için ikinci derece bir model dahil olmak üzere, yardımcı madde sistemlerine bağlı olarak farklı görünür reaksiyon dereceleri bildirilmiştir.[20]
3.2 Arrhenius ve Eyring yaklaşımları
Sıcaklık bağımlılığı sıklıkla Arrhenius tipi ifadelerle modellenmektedir ve birden fazla kaynak, raf ömrü tahminlerini ve proses termal maruziyetini parametrize etmek için aktivasyon enerjilerini açıkça hesaplamaktadır.[4, 10, 12]
Sulu çözeltideki NRCl degradasyonu için Arrhenius aktivasyon enerjileri pH 2.0'de 75.4 (±2.9) kJ·mol⁻¹, pH 5.0'de 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, log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) ve hesaplanan aktivasyon enerjisi 84.7 kJ·mol⁻¹ olarak bildirilmiştir.[12]
pH 8.0'deki tampon/metanol karışımında bulunan curcumin için 37–60 °C arasındaki Arrhenius analizi, Ea=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹ değerini vermektedir.[10]
GI-ilişkili sulu ortamlardaki curcumin için Arrhenius grafikleri, 37–80 °C arasında yüksek doğrusallık göstermektedir (farklı ortamlar için r² değerleri sırasıyla 0.9967, 0.9994, 0.9886 olarak bildirilmiştir); aktivasyon enerjileri ise sırasıyla pH 7.4, pH 6.8 ve 0.1 N HCl için 16.46, 12.32, ve 9.75 kcal·mol⁻¹ olarak rapor edilmiştir.[11]
Eyring analizi, bir curcumin spiroborat esterinin (CBS) hidrolitik bozunma çalışmasında da yer almakta olup, bir Eyring grafiğinin 0.9988 korelasyon ile doğrusal bir ilişki gösterdiği bildirilmiştir.[21]
3.3 Eşdönüşümlü ve modelden bağımsız yöntemler
Birçok termal degradasyon çalışması, dönüşüme bağlı aktivasyon enerjilerini hesaplamak ve böylece çok basamaklı bozunma ile mekanizma değişikliklerini belirlemek için eşdönüşümlü yöntemler (örneğin KAS, FWO, Friedman) uygulamaktadır.[8, 18, 25]
Rutin ve rutin yağ asidi esterleri için aktivasyon enerjileri, 0.05 < α < 0.90 aralığında dönüşüm derecesine bağlı olarak 65 ila 246 kJ·mol⁻¹ arasında değişen bildirilen değerlerle önemli ölçüde farklılık göstermektedir; yazarlar bunu, termal degradasyonun çok aşamalı, basit olmayan bir süreçle ilerlediğinin bir kanıtı olarak yorumlamaktadır.[8]
Resveratrol–β-cyclodextrin klatratları için aktivasyon enerjisi, dönüşüm derecesiyle birlikte artmaktadır; OFW yöntemiyle 110'dan 130 kJ·mol⁻¹'e ve Friedman yöntemiyle 120'den 170 kJ·mol⁻¹'e yükseldiği bildirilmiştir, bu durum bozunma ilerledikçe reaksiyon mekanizmasında bir değişiklik olduğunun göstergesi olarak yorumlanmaktadır.[25]
Azot altında curcumin yüklü polimer sistemleri için, çoklu yaklaşımlarla (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 enerjilere sahip bir F1 kinetik modeline işaret etmektedir.[18]
3.4 Kenetlenmiş termo-mekanik ve oksidatif degradasyon
Yüksek makaslamalı üretim operasyonları, mekanik enerji dağılımını lokal ısınma ve artırılmış oksijen transferi ile kenetleyebilir, böylece oksijene duyarlı biyoaktiflerde oksidasyon odaklı yolları güçlendirebilir.[13, 14, 17]
Bir içecek sisteminin yüksek makaslamalı homojenizasyonunda, çıkış sıcaklığı rotasyonel hızla birlikte 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 ascorbic acid %42.6 oranında azalır; bu durum, degradasyonun yüksek sıcaklık ve oksidasyon ile teşvik edilmesiyle tutarlıdır.[13]
Yüksek basınçlı homojenizasyonda (HPH), proses mekanizması açıkça, sıvı hareketinin kesintiye uğradığı valf orifisindeki makaslama gerilimi dağılımına ve birlikte yoğun mekanik ve potansiyel olarak oksidatif stres yaratan kavitasyon, türbülans, çarpışma ve çarpma gibi ek fenomenlere atfedilmektedir.[14]
Oksidatif kenetlenme, quercetin için yapılan termal oksidasyon deneylerinde de gösterilmiştir: 150 °C'de quercetin degradasyonu oksijen altında azottan daha hızlı ilerler (hız sabitleri 0.868 h⁻¹'ye karşı 0.253 h⁻¹) ve cholesterol ve oksijen mevcut olduğunda güçlü bir şekilde hızlanır (hız sabiti 7.17 h⁻¹); bu durum, cholesterol hidroperoksit oluşumu ile quercetin degradasyonu arasındaki radikal zincir kenetlenmesi ile tutarlıdır.[26]
NRH için oksijen ve sıcaklık güçlü bir kontrol sağlar: DI su içinde 25 °C'de, bildirilen degradasyon hızı hava altında 1.27×10⁻⁷ s⁻¹ (yarı ömür 63 gün) iken N₂ altında 5.90×10⁻⁸ s⁻¹ (yarı ömür 136 gün) düzeyindedir ve yazarlar NRH'nin oksijen varlığında oksitlenebildiğini ve asidik koşullarda hızla hidroliz olduğunu belirtmektedir.[5]
4. Bileşik sınıfı incelemesi
Aşağıdaki bileşik odaklı sentez; aktivasyon enerjileri, hız sabitleri, yarı ömürler, bozunma başlangıçları ve camsı geçiş veya erimeyle ilgili kısıtlamalar dahil olmak üzere, üretim modellerinde doğrudan kullanılabilecek nicelleştirilmiş kinetik ve termodinamik parametreleri vurgulamaktadır.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 NAD⁺ öncülleri
NAD⁺ öncül 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 mertebeden bozunma kinetiği gösterir ve pH ile değişen aktivasyon enerjileri (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹) sergiler; bu da baskın hidroliz yolunun hem termal hassasiyetini hem de pH bağımlılığını niceliksel olarak kodlar.[4]
Mekanistik bir temel olarak, NR azalırken nikotinamid (Nam) ve şekerin biriktiği baz katalizli hidroliz önerilmekte ve bozunan her bir NR molekülü için bir Nam molekülü ile bir şeker molekülünün oluştuğunu gösteren molar denge kanıtları sunulmaktadır.[4]
Fizyolojik sıcaklık ve çalkalamadaki (75 rpm ve 37 °C'de USP II paleti) simüle edilmiş GI sıvılarında, NRCl nispeten sınırlı kısa vadeli kayıp gösterirken (örneğin, gastrik ortamda 2 saat sonra ~97–99% kalan), 24 saatlik bir simülasyonda ölçülebilir düzeyde daha uzun vadeli bir düşüş sergiler (24 saatte 79.18 ± 2.68% kalan, 8 saatte 90.51 ± 0.82% kalan).[4]
Katı halde NRCl, erime başlangıcı ile hızlı bozunma arasında dar bir sıcaklık penceresi sergiler: DSC, erime başlangıcını 120.7 ± 0.3 °C'de ve ardından gelen ekzotermik olayı ~130.8 °C'de rapor ederken, qNMR bozunmada 115 °C'de 2%'den 130 °C'de 98%'e dik bir artışı nicelleştirir.[4]
Bir kaynak, bu verileri aşamalar boyunca takviye üretimini etkileyebilecek "NRCl'nin işlenmesi için açık bir üst sıcaklık sınırı" sağladığı şeklinde açıkça çerçevelemekte 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 heterosiklisini bir karbonhidrata bağlayan ve sentezlenmesini, depolanmasını ve taşınmasını zorlaştıran özellikle kararsız bir glikozidik bağa sahip olarak tanımlanır; borat stabilizasyonunun ise termal ve kimyasal bozunmaya karşı yüksek stabiliteye sahip olduğu belirtilir.[19]
Niceliksel olarak, NR borat çözünürlüğü güçlü bir şekilde pH bağımlıdır (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 tutarlı olarak, pH 7.4'te pH 1.5 veya 5.0'a kıyasla daha yüksek bozunma oranları gösterdiği bildirilmiştir.[19]
Aynı derleme, NR borat bozunmasının Gibbs serbest enerjisini 2.43 kcal·mol⁻¹ olarak bildirmekte ve 10 °C'lik bir artışın, NRCl için gözlenen sıcaklık hassasiyetini yansıtacak şekilde, her türlü pH koşulu altında bozunma hızını yaklaşık iki katına çıkardığını belirtmektedir.[4, 19]
NRH, pH ve oksijene karşı belirgin bir hassasiyet sergiler: pH 5'te bir günden daha kısa sürede tam bozunma bildirilirken, pH 9'da numuneler 60 gün sonra ~42–45% bozunma gösterir ve 25 °C'de hava altındaki DI su içinde 60 gün sonra ~50% bozunmaya karşılık N₂ altında ~27% bozunma bildirilir.[5]
Bu oksijen hassasiyeti, mekanistik olarak oksijen varlığındaki oksidasyona ve asidik koşullarda hızlanan hidrolize atfedilir; bu durum, NRH'nin N-glikozidik bağı nedeniyle kararsız bir molekül olarak tanımlanması ve bozunma, hidroliz ve oksidasyona yatkın olmasıyla tutarlıdır.[5]
NMN için katı haldeki nicel termodinamik belirteçler arasında, 160 °C'de başlayıp 165 °C'de tamamlandığı bildirilen bozunma (162 °C'de endotermik bir DSC piki ve 184 kJ·mol⁻¹ bozunma entalpisi ile) ve 40 °C ve 75% RH'de ayda 0.8% bozunma hızı bildiren hızlandırılmış stabilite verileri yer almaktadır.[6]
Sulu çözeltide, NMN bozunmasının oda sıcaklığında lg(Ct)=0.0057t+4.8172 kinetik denklemi ile görünür birinci mertebeden olduğu ve bildirilen t0.9=95.58 h ve t1/2=860.26 h süreleri rapor edilmiştir; çalışma bozunma hızının temel olarak yüksek sıcaklık ve pH'tan etkilendiğini belirtmektedir.[27]
Pratik formülasyon kısıtlamalarını desteklemek amacıyla, ürün odaklı bir kaynak, fosfodiester bağının termal bozunmasını 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 yapılan hızlandırılmış testlerde 5%'ten daha az bozunma bildirmektedir.[28]
Birincil NMN bozunma yolu, nikotinamid ve ribose-5-phosphate üreten fosfodiester bağının hidrolizi olarak tanımlanır; 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, güçlü pH ve oksijen bağımlı bozunma gösteren resveratrol ve ilgili bileşikleri içerir ve gerçek formülasyonlardaki stabiliteleri, matris etkileri ve çoklu yolaklar nedeniyle basit Arrhenius ekstrapolasyonundan sapabilir.[7, 12, 29]
Sulu sistemlerde, trans-resveratrol'ün asidik pH'ta stabil olduğu, bozunmanın ise pH 6.8'in üzerinde eksponansiyel olarak arttığı ve yarı ömrün pH 1.2'de 329 günden pH 10'da 3.3 dakikaya düştüğü bildirilmektedir.[12]
pH 7.4'te, trans-resveratrol bozunmasının kinetiği incelenen sıcaklıklar genelinde birinci derece kinetiği takip etmektedir ve aktivasyon enerjisi 84.7 kJ·mol−1 olarak bildirilmiştir.[12]
Mekanistik bir gerekçe olarak, asidik pH'ta hidroksil gruplarının pozitif yüklü H₃O⁺ tarafından radikalik oksidasyondan korunduğu, buna karşın alkali koşullarda fenat iyonlarının oksidasyona ve fenoksi radikali oluşumuna karşı hassasiyeti artırdığı ve ortamdaki oksijenin bozunmaya yol açan radikal reaksiyonlarını teşvik ettiği belirtilmektedir.[12]
Sulu çözeltideki (19 mg·L−1) bağımsız termal stabilite deneyleri, 70 °C'ye kadar 30 dakika sonra önemli bir spektral değişim bildirmemektedir; daha yüksek sıcaklıklar ise 304 nm'deki absorbansın genel olarak azalmasına ve 270–350 nm genelinde absorbansın düşmesine yol açarak hidrotermal koşullar altında termal kaynaklı bir yıkıma işaret etmektedir.[30]
Bu hidrotermal deneylerin mekanistik yorumu, çift bağın oksidatif olarak bölünmesini ve hidroksi aldehitler, alkoller ve hidroksi asitler gibi fenol içeren bozunma ürünlerinin oluşumunu önermekte olup, FTIR bantları 100–120 °C'de aldehit ve karboksilik asit oluşumuyla uyumlu olarak yorumlanmaktadır.[30]
Tablet matrislerinde, resveratrol bozunmasının sırasıyla 25, 30 ve 40 °C'de sırasıyla 0.07140, 0.1937 ve 0.231 months−1 k değerleriyle birinci derece monoeksponansiyel kinetiği takip ettiği bildirilmektedir, ancak ln(k) ve 1/T ilişkisi doğrusal olmayıp süper-Arrhenius olarak sınıflandırılmıştır; yazarlar daha yüksek sıcaklıklarda olası ikincil reaksiyonlar, çoklu reaksiyon yolakları veya matris etkileri önermektedir.[7]
Aynı çalışma, Arrhenius ekstrapolasyonunun takviyelerdeki resveratrol için bozunma kinetiğinin belirlenmesine her zaman izin vermediğini ve hızlandırılmış testlerin, bozunmanın aşırı tahmin edilmesi dahil olmak üzere yanlış tahminlere yol açabileceğini vurgulamaktadır.[7]
Kuru sistemlerdeki stilben benzeri fenolikler için, 121 °C'de 20 dakika buhar sterilizasyonu gibi termal işlemler ölçülebilir kayıplara neden olmakta (örn. pinosylvin pik alanına göre %20.98 azalmıştır) ve 105 °C'de 24 saat fırında kurutma, birkaç fenolik için pik alanında >%50 düşüşe yol açmaktadır; öte yandan TGA, pinosylvin sistemleri için ~200 °C'nin üzerinde bozunma başlangıç sıcaklıklarına işaret etmektedir.[31]
4.3 Flavonoids
Flavonoids; pH, sıcaklık, oxygen ve protein bağlanması gibi formülasyon etkileşimlerinden etkilenen çok yollu bir bozunma duyarlılığı gösterir ve bunların DSC/TGA'daki termal davranışları, basit bir erimeden ziyade birbiriyle örtüşen bozunma ve yumuşama süreçlerini içerebilir.[9, 22, 24]
Tamponlanmış çözeltilerde, ortam pH'ının 6.0'dan 7.5'e yükseltilmesi, fisetin ve quercetin bozunma hızı sabitlerini sırasıyla 24-fold ve 12-fold artırır (örn. fisetin k değeri 8.30×10−3'ten 0.202 h−1'e; quercetin k değeri 2.81×10−2'den 0.375 h−1'e); sıcaklığın 37 °C'nin üzerine çıkarılması ise k değerini önemli ölçüde artırır (örn. 65 °C'de fisetin k değeri 0.490 h−1'e; 65 °C'de quercetin k değeri 1.42 h−1'e).[24]
Protein yardımcı bileşenleri bozunmayı hafifletebilir: protein ilavesiyle, ölçülen k değerleri düşer; buna fisetin k değerinin 3.58×10−2'den 1.76×10−2 h−1'e kadar gerilemesi ve quercetin k değerinin 7.99×10−2'den 3.80×10−2 h−1'e kadar gerilemesi dahildir.[24]
Mekanistik olarak, flavonoid kimyasal instabilitesi hidroksil gruplarına ve stabil olmayan bir pyrone yapısına atfedilir; proteinler tarafından stabilizasyon ise temel olarak hidrofobik etkileşimlere bağlanırken (SDS stabilizasyonu bozmaktadır), hidrojen bağı katkılarının gelecekte kantitatif tayinler gerektirdiği vurgulanmaktadır.[24]
Nötrlüğe yakın koşullarda 90 °C'deki quercetin için bozunma kinetiği güçlü pH etkileri gösterir: k değeri pH 6.5'ten 7.5'e yaklaşık five-fold artar ve quercetin quinone gibi oksidasyon ara ürünleri tespit edilir; tipik nihai ürünler arasında protocatechuic acid (PCA) ve phloroglucinol carboxylic acid (PGCA) yer alır.[22]
Mekanistik açıklama, 370 nm'deki ilk ölçülebilir kaybı quercetin'in quinone formuna dönüşümüne bağlamakta ve quinone iskeletinin yarılmasının sınırlı absorbansa sahip daha basit fenolik bileşikler ürettiğini öne sürmektedir; alkali deprotonasyon ise C-halkası ve B-halkası o-diphenol yapısını etkileyen oksidasyonu hızlandırmaktadır.[22]
Yüksek sıcaklıklı sistemlerde (150 °C), quercetin bozunması ve oksidasyonu hızla ilerler; nitrogen ortamında 0.253 h−1 ve oxygen ortamında 0.868 h−1 bildirilen hız sabitleri ve oxygen artı cholesterol varlığında güçlü bir hızlanma (7.17 h−1) söz konusudur; deneysel olarak, quercetin kaybı 10 min (N₂)'de 7.9%'dan, 10 min (O₂)'de 20.4%'e yükselirken, cholesterol + oxygen sisteminde quercetin miktarı 10 min sonra kalan miktar olarak 10.9%'a düşmektedir.[26]
Termal analiz ayrıca quercetin'in 90–135 °C aralığında, küçük bir kütle kaybı (0.86 ± 0.33 wt.%) ile ilişkili küçük bir endotermik pik gösterdiğini, bozunmanın 230 °C'de başladığını ve 303 °C'deki belirgin bir DSC endoterminin bozunma ile çakıştığını göstermektedir; hidrojen bağının hem erime benzeri davranışı sınırladığı hem de kimyasal bağları zayıflatarak bozunmayı kolaylaştırdığı öne sürülmektedir.[9]
Rutin (bir quercetin glycoside) ve bunun fatty-acid esterleri için TGA, rutin'in 240 °C'ye kadar termal olarak stabil olduğunu gösterirken; esterler daha düşük başlangıç bozunma sıcaklıkları (217–220 °C) ve majör bir aşamada daha yüksek kütle kaybı sergilemekte, aktivasyon enerjileri ise dönüşüm derecesine bağlı olarak 65 ila 246 kJ·mol−1 arasında değişmektedir.[8]
4.4 Curcuminoids
Curcumin degradasyonu güçlü bir şekilde pH'a bağımlıdır ve birçok sulu koşul altında oksidatif yolakları içerir; termal bozunma ve formülasyon etkileşimleri ise degradasyon başlangıçlarını ve görünür kinetik parametreleri kaydırabilir.[10, 18, 32]
37 °C'deki tampon/metanol karışımlarında, curcumin degradasyonunun, pH arttıkça k_obs'nin dramatik bir şekilde artmasıyla (örn. pH 7.0'de 3.2×10−3 h−1'e karşılık pH 12.0'de 693×10−3 h−1) birinci derece kinetiği izlediği bildirilirken, pH 5.0'de curcumin'in bildirilen deneylerde stabil olduğu belirtilmiştir.[10]
pH 8.0'de, Arrhenius analizi (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 değerini vermektedir ve sulu tampona ekstrapolasyon, oksitleyici koşullar altında hızlı bir kayba (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h) işaret etmektedir.[10, 32]
Miseler nanoformülasyonlar degradasyonu dramatik bir şekilde yavaşlatmaktadır: pH 8.0 ve 37 °C'de polimerik misellerde ve Triton X-100 misellerinde, bildirilen k_obs değerleri 0.9×10−3 ve 0.6×10−3 h−1'e düşmekte olup; 777 ± 87 h ve 1100 ± 95 h olan yarı ömürlerin, sulu tampon içerisindeki serbest curcumin'e kıyasla ~300–500 kat daha yüksek olduğu belirtilmektedir.[10]
Mekanistik olarak, dahil edilen çalışma, curcumin degradasyonunun hidrolitik zincir kırılması yoluyla değil, nihai ürün olarak bir bisiklopentadion üreten oksidasyon yoluyla gerçekleştiğini; 1 mol curcumin degradasyonunun 1 mol O₂ tüketimi ile ilişkili olduğunu ve pH 7.0'nin üzerinde ilk basamağın hidroksil gruplarının deprotonasyonu olduğunu savunmaktadır.[10]
GI ile ilgili ayrı bir stabilite çalışması, yüksek doğrusallığa (r² > 0.95) sahip görünür birinci derece kinetik bildirmekte ve ortama göre değişen (pH 7.4'te 0.1 N HCl'ye kıyasla daha yüksek) aktivasyon enerjileri (kcal·mol−1 cinsinden) sunmaktadır; ayrıca 37 °C'de 12 h sonra, 0.1 N HCl içinde %80'in üzerinde curcumin kaldığını, ancak pH 6.8 ve 7.4 fosfat tamponlarında sırasıyla yalnızca %57 ve %47 oranında kaldığını bildirmektedir.[11]
Yüksek sıcaklıklarda (180 °C), kavurma deneyleri aşırı termolabilite göstermektedir; 5 dakika sonra başlangıçtaki curcumin'in yalnızca %30'u kalmaktadır ve mekanistik yorumlama, oksidatif kırılmayı ferulic acid ara ürün oluşumuna ve havaya maruz kalma ile daha yüksek sıcaklıklar tarafından hızlandırılan bir dekarboksilasyon basamağına bağlamaktadır.[33]
Azot altında curcumin ve curcumin içeren polimer sistemlerinin termal bozunma çalışmaları karmaşık bir davranış göstermektedir: ham curcumin bozunması 240 °C civarında başlarken, curcumin'in PGA/PCL karışımlarına dahil edilmesi PGA degradasyon maksimumunu daha düşük sıcaklıklara kaydırmaktadır (örn. saf karışım için 372 °C'den %5 curcumin'de 327 °C'ye); bu da curcumin ilavesinin matris termal stabilitesini azaltabileceğini göstermektedir.[18]
Aynı polimer odaklı çalışma, eriyik fazda işlemenin hem polimer matrisinin kimyasal stabilitesinin hem de dahil edilen ilaçların biyolojik aktivitesinin garanti edilmesini gerektirdiğini ve PGA degradasyonunu önlemek için curcumin içeren PGA veya PGA/PCL karışımlarının işlenmesinin mümkün olduğunca düşük bir sıcaklıkta gerçekleştirilmesi gerektiğini belirterek bu sonuçları üretimle ilişkilendirmektedir.[18]
Yüksek kesmeli emülsifikasyon altında curcumin stabilizasyonu, 22,000 rpm'de 2 min boyunca yüksek kesmeli bir karıştırıcı kullanılarak hazırlanan Pickering emülsiyonlarında da nicelendirilmiştir: karanlıkta 20 °C'de depolama, kapsüllenmemiş bir curcumin-yağ karışımında curcumin'in yaklaşık yarısının 6 gün sonra degrade olduğunu ve 16 gün sonra yalnızca %20'sinin kaldığını göstermektedir; buna karşın bir Pickering emülsiyon sistemi 16 gün sonra ~%50'sini korumakta ve yarı ömrü 13 günden 28 güne uzatmaktadır.[1]
UV maruziyeti altında (6 W, 365 nm), aynı sistem yağ karışımı için 9 h sonra ~%50 degradasyon ve 24 h sonra yalnızca %20 kalıntı gösterirken, Pickering emülsiyonu 9 h sonra ~%70'ini ve 24 h sonra ~%45'ini korumakta ve %50 kayıp için yarı ömrü ~13 h'den ~27 h'ye uzatmaktadır.[1]
4.5 Özet tablosu
Aşağıdaki tablo, proses modellemesi için en doğrudan kullanılabilecek değerleri vurgulayarak, bileşik sınıfları genelinde rapor edilen temsili kinetik ve termodinamik parametreleri bir araya getirmektedir.
| Bileşik veya sistem | Koşul | Kinetik veya termodinamik parametre | Proses modelleri için notlar |
|---|---|---|---|
| NRCl | Sulu tamponlar (pH 2.0, 5.0, 7.4), Arrhenius modeli | (E_a)=75.4±2.9 (pH 2.0), 76.9±1.1 (pH 5.0), 82.8±4.4 kJ·mol−1 (pH 7.4)[4] | Sıcaklık hızlandırma modellemesini ve pH'a bağlı tasarım alanını destekler[4] |
| NRCl | DSC ve qNMR (kuru ısıtma) | DSC erime başlangıcı 120.7 ± 0.3 °C; bozunma ekzoterm piki 130.8 ± 0.3 °C[4]; 125 °C'de %55 ve 130 °C'de %98 degradasyon[4] | Erime noktası yakınındaki ısıtmalı katı hal operasyonları için dar bir güvenli aralığa işaret eder[4] |
| NRH | 25 °C'de DI su, hava vs N₂ | k=1.27×10−7 s−1 (hava; t_(1/2)=63 d) vs 5.90×10−8 s−1 (N₂; t_(1/2)=136 d)[5] | Oksijen kontrolü, test edilen koşullar altında yarı ömrü yaklaşık iki katına çıkarabilir[5] |
| NMN | Sulu çözelti, oda sıcaklığı | Görünür birinci derece: lg(C_t)=0.0057t+4.8172; t_(0.9)=95.58 h; t_(1/2)=860.26 h[27] | Sulu bekletme adımları sırasında potans kaybının tahmin edilmesini sağlar[27] |
| trans-Resveratrol | pH bağımlılığı | pH 1.2'de yarı ömür 329 d vs pH 10'da 3.3 min[12] | Sulu proses ve çözünme testleri sırasında güçlü bir pH kontrolü gereklidir[12] |
| trans-Resveratrol | pH 7.4 Arrhenius | (E_a)=84.7 kJ·mol−1[12] | Ilımlı sıcaklık modellemesi için kullanılır; matrislerde Arrhenius dışı davranışların meydana geldiği durumlarda dikkatli olunmalıdır[7, 12] |
| Resveratrol tablets | 25–40 °C, 60–75% RH | k=0.07140, 0.1937, 0.231 months−1 (25, 30, 40 °C)[7] | Arrhenius modelinden sapma gösterir (süper-Arrhenius), bu da hızlandırılmış test ekstrapolasyonunu sınırlandırır[7] |
| Fisetin, quercetin | Fosfat tamponu | pH'ın 6.0→7.5'e yükselmesi k değerini 24× (fisetin) ve 12× (quercetin) artırır[24] | Sulu birim operasyonlar sırasındaki pH hassasiyetini vurgular[24] |
| Curcumin | pH 8.0, Arrhenius | (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1[10] | Nötr-bazik ortamlarda sıcaklık hassasiyetini tahmin etmek için yararlıdır[10] |
| Curcumin in micelles | pH 8.0, 37 °C | t_(1/2)=777±87 h ve 1100±95 h (miseller) vs 2.5 h (serbest sulu tampon)[10] | Bekletme/proses adımları için formülasyon bazlı stabilizasyon derecesini gösterir[10] |
5. Yüksek kesmeli üretim birim operasyonları
Yüksek kesmeli 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 durumunda işleme, polimer-ilaç sistemlerinde hem polimer stabilitesinin hem de ilaç aktivitesinin korunması gereken bir senaryo olarak öne çıkarılmaktadır ve eriyik durumunda işlemenin, polimer matrisinin kimyasal stabilitesinin ve dahil edilen ilaçların biyolojik aktivitesinin garanti edilmesi gerektiği anlamına geldiği açıkça belirtilmektedir.[18]
PGA/PCL–curcumin sisteminde, curcumin ilavesi PGA termal stabilitesini olumsuz etkilemektedir ve yazarlar, PGA degradasyonunu önlemek için mümkün olan en düşük sıcaklıkta işlem yapılmasını önererek termal stabilite karakterizasyonunu proses tasarımına bağlamaktadır.[18]
5.2 Yüksek basınçlı homojenizasyon ve mikroakışkanlaştırma
Yüksek basınçlı homojenizasyon, akışkanlar dar aralıklı bir valften akarken onları yüksek mekanik strese maruz bırakır; orifiste, akışkan kesme etkisine maruz kalır ve kavitasyon, türbülans, çarpışma ve çarpma gibi ek olgular kesme etkilerine katkıda bulunur.[14]
HPH, 100 MPa üzerindeki yüksek basınçlarda çalışır ve 400 MPa'a 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 derlemesi, 100, 200, 300 MPa'da L-ascorbic acid seviyesindeki kademeli düşüşler (%1.7, %4.6, %10.7) ve 100, 200, 300 MPa'da elma suyundaki polyphenol düşüşleri (örneğin, %10.6, %6.0, %1.4) gibi örnek kompozisyon değişikliklerini rapor etmekte ve basınç seviyesinin, matris ve enzim aktivitesine bağlı olarak oksidasyona duyarlı bileşiklerdeki kayıplarla ilişkili olabileceğini göstermektedir.[14]
Formülasyon ölçeğinde, mikroakışkanlaştırma, kantitatif olarak belirlenmiş phenolics korunumu ile stabil emülsiyonlar üretebilir: W/O/W emülsiyonları için optimum mikroakışkanlaştırıcı koşulları, 105.3 ± 3.2 nm damlacıklar ve 0.233 ± 0.020 PDI sağlayan 148 MPa ve yedi döngü olarak bildirilmiştir ve 35 gün sonra phenolics korunumu %68.6, antioksidan aktivite korunumu ise %89.5 olmuştur.[2]
Ayrı bir enkapsülasyon çalışması, kombine bir yüksek kesme ve mikroakışkanlaştırma yaklaşımı bildirmektedir: lipozomal dispersiyonlar püskürtmeli kurutma öncesinde 10 min boyunca 9500 rpm hızda homojenize edilmiş ve ardından 25,000 psi basınçta bir microfluidizer'dan beş kez geçirilmiştir; bu da endüstriyel olarak gerçekçi sekansların kesme ve ardından gelen termal kurutmayı birleştirebileceğini göstermektedir.[3]
Ultra yüksek basınçlı homojenizasyon (UHPH) derlemeleri, akışkanların 200 MPa'dan (tipik olarak 300 MPa) daha yüksek basınçta pompalanması ve Mach 3 hızında valfte 0.2 s'den daha az kalış süresi gibi bildirilen koşullarla, valf içindeki aşırı kesme ve darbeleri ve mikroorganizmaların, kolloidlerin ve biyopolimerlerin 100–500 nm'ye nanofragmentasyonunu vurgulamaktadır.[34]
5.3 Yüksek kesmeli karıştırma
Yüksek kesmeli karıştırma genellikle bir ön emülsiyonlaştırma veya dispersiyon adımı olarak kullanılır ve kendisi de önemli sıcaklık artışları ve oksidatif ortamlar üretebilir, böylece downstream operasyonlardan önce bile degradasyonu etkileyebilir.[13]
Bir içecek modelinde, artan rotasyonel hızlarda 10 min boyunca yüksek kesmeli homojenizasyon, çıkış sıcaklığını artırmış (0 rpm'de 4.1 ± 0.7 °C'den 20,000 rpm'de 41 ± 1.2 °C'ye) ve önemli miktarda ascorbic acid kaybı (20,000 rpm'de %42.6 azalma) ile ilişkilendirilmiştir.[13]
Bir curcumin Pickering emülsiyon sisteminde, emülsiyonlar oluşturmak için 2 min boyunca 22,000 rpm'de yüksek kesmeli karıştırma kullanılmış; ardından hem depolama hem de UV stresi altında daha yavaş degradasyon ve uzatılmış yarı ömür yoluyla stabilite iyileşmeleri kantitatif olarak belirlenmiş ve yüksek kesmeli arayüzeyel yapılanma kimyasal stabilite sonuçlarıyla ilişkilendirilmiştir.[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 ASDs ve inklüzyonları için öğütme, oda sıcaklığında 30 Hz frekans ve 20 min süreyle gerçekleştirilmiş ve ardından termal stabiliteyi ve Tg davranışını kantitatif olarak belirlemek için azot altında TG/DSC analizi yapılmıştır.[15]
5.5 Püskürtmeli kurutma
Püskürtmeli kurutma, kurutulmuş bitkisel ekstraktların üretilmesi için en yaygın kullanılan tekniklerden biri olarak tanımlanma ve püskürtmeli kurutma sırasındaki yüksek sıcaklıkların termolabil (poly)phenols üzerinde potansiyel olarak zararlı etkilere sahip olduğu belirtilmektedir.[3, 20]
Bir polyphenol enkapsülasyon çalışmasında, püskürtmeli kurutma 150 ± 5 °C giriş hava sıcaklığı ve 90 ± 5 °C çıkış sıcaklığı ile gerçekleştirilmiş; yazarlar, püskürtmeli kurutma sırasında oksijen ve ısıya maruz kalma nedeniyle (poly)phenols miktarının azaldığını belirterek, fonksiyonel özellikleri korumak için enkapsülasyonun önemini vurgulamışlardır.[3]
Bir ekstrakt ön-formülasyon çalışmasında, püskürtmeli kurutucu proses koşullarının (giriş sıcaklığı, besleme akış hızı, colloidal silicon dioxide oranı) yanıtlar üzerindeki etkileri değerlendirilmiş ve reaksiyon derecesi, bozunan fraksiyon süresi ve hız sabiti dahil olmak üzere bozunma kinetiği parametrelerini belirlemek için Arrhenius yöntemleri kullanılmıştır.[20]
5.6 Özet tablo
Aşağıdaki tablo, yüksek kesme ve/veya yoğun termal maruziyet uygulayan birim operasyonları için bildirilen stres profillerini ve örnek kantitatif etkileri özetlemektedir.
| Birim operasyon | Bildirilen stres tanımlayıcıları | Dahil edilen kaynaklardaki kantitatif örnekler | Termolabil aktif maddeler için çıkarımlar |
|---|---|---|---|
| Yüksek kesmeli karıştırma | Rotasyonel hız; hızla birlikte sıcaklık artışı[13] | Çıkış sıcaklığı 20,000 rpm'de (10 min) 41 ± 1.2 °C'ye yükselir[13]; ascorbic acid 20,000 rpm'de %42.6 azalır[13] | Kesme kaynaklı ısınma, harici ısıtma olmasa bile oksidasyonu ve termal degradasyonu birlikte tetikleyebilir[13] |
| Yüksek basınçlı homojenizasyon | Basınç >100 MPa; valf kesmesi; kavitasyon/türbülans[14] | Meyve sularında 100–300 MPa altında bildirilen polyphenol düşüşleri (örneğin, elma suyunda 100 MPa'da %10.6)[14] | Oksidasyon kaynaklı kaybı sınırlamak için giriş sıcaklığının, geçişlerin, oksijenin ve enzim aktivitesinin kontrol edilmesini gerektirir[14] |
| Mikroakışkanlaştırma | Basınç ve döngü sayısı[2] | 148 MPa ve yedi döngü ~105 nm damlacıklar sağlar; 35 d depolamadan sonra phenolics korunumu %68.6'dır[2] | Depolama ve muhtemelen downstream işleme sırasında phenolics bileşiklerini koruyabilen küçük damlacıklı enkapsülasyon sistemleri sağlar[2] |
| UHPH | >200 MPa (tipik 300 MPa); aşırı kesme/darbeler; <0.2 s valf kalış süresi; lokal valf sıcaklığı genellikle >75 °C[34] | 100–500 nm'ye nanofragmentasyon belirtilmiştir[34] | Son derece kısa kalış süresi, lokal ısıtmaya rağmen küçük moleküllerin termal degradasyonunu sınırlayabilir, ancak kesme/oksidasyon etkileri bileşik başına doğrulanmalıdır[34] |
| Mekanokimyasal öğütme | Frekans ve süre; amorfizasyon ve etkileşim oluşumu[15] | 20 min boyunca 30 Hz, ölçülebilir Tg değerlerine ve hidrojen bağı kanıtlarına sahip fisetin ASDs üretmiştir[15] | Stabiliteyi değiştiren amorf durumlar oluşturabilir; Tg depolama/işleme için temel bir kontrol parametresi haline gelir[15] |
| Püskürtmeli kurutma | Giriş/çıkış sıcaklıkları; oksijen/ısı maruziyeti[3] | Enkapsüle edilmiş ekstrakt tozları için 150 ± 5 °C giriş ve 90 ± 5 °C çıkış kullanılmıştır[3] | Termal ve oksidatif maruziyet (poly)phenols miktarını azaltabilir; koruyucu enkapsülasyon korunumu ve biyoerişilebilirliği artırabilir[3] |
6. Entegre stabilite–proses modelleri
İncelenen kaynaklar, termodinamik geçiş eşiklerine sadık kalırken, stabilite sonuçlarının birim işlem termal geçmişlerinden ve fizikokimyasal mikroçevrelerden (pH, oksijen, su aktivitesi) hesaplandığı entegre bir öngörücü çerçeve için yapı taşları sağlamaktadır.[4, 14]
6.1 Zaman–sıcaklık–kayma haritalama
Pratik bir haritalama yaklaşımı, mekanizmaları değiştirebilecek veya hızları artırabilecek sınırlar olarak faz geçiş eşiklerini (Tg, erime başlangıcı, bozunma başlangıcı) kullanırken, beklenen dönüşümü hesaplamak için ölçülen veya tahmin edilen birim işlem zaman–sıcaklık profilleriyle birlikte kinetiği (k, (E_a), yarı ömür) kullanabilir.[4, 15]
Örneğin, NRCl için yalancı birinci dereceden bir çözeti fazı modeli, Arrhenius aktivasyon enerjileri (75.4–82.8 kJ·mol−1) ve 10 °C'lik bir artışın k_obs değerini yaklaşık iki katına çıkardığı gözlemi kullanılarak parametrize edilebilir; bu da valide edilmiş tampon deneylerinden üretimdeki kısa süreli termal sapmalara geçiş yapılmasını sağlar.[4]
Curcumin için sıcaklık hassasiyeti, pH 8.0'de (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 kullanılarak ve k_obs'un pH'a bildirilen güçlü bağımlılığı ile parametrize edilebilir; bu ikisi birlikte, lokal pH'ın nötr-bazik olduğu sulu bekletmeler veya ısıtılmış emülsiyonlaştırma adımları sırasındaki kayıpların öngörülmesini sağlar.[10]
trans-resveratrol için, pH kaynaklı yarı ömür çöküşü (pH arttıkça yüzlerce günden dakikalara düşüş), proses sırasındaki stabilite sonuçlarının yığın sıcaklığından ziyade mikroçevresel pH tarafından domine edilebileceğini ima eder ve pH 7.4'teki Arrhenius modellemesi, (E_a)=84.7 kJ·mol−1 ile ılımlı sıcaklık maruziyetleri için kullanılabilir.[12]
6.2 QbD ve tasarım alanı
Tasarım yoluyla kalite (QbD) yorumu, proses parametrelerinin ve formülasyon matrislerinin bozunma mekanizmalarını nasıl değiştirdiğini açıkça değerlendiren çalışmalarla desteklenmektedir; buna Arrhenius dışı davranış veya matris etkileri meydana geldiğinde hızlandırılmış testlerin raf ömrünü tahmin etmede yetersiz kalabileceğine dair bulgular da dahildir.[7, 29]
Resveratrol tabletleri için, Arrhenius yaklaşımlarının hızlandırılmış testlerdeki bozunmayı 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]
Püskürterek kurutulmuş flavonoid belirteç sistemleri için, eksipiyanların kinetik dereceyi ve bozunma oranına ulaşma süresi değerlerini etkilediği açıkça bildirilmiştir; bu durum, formülasyon bileşiminin sabit bir arka plan olmaktan ziyade stabilite tasarım alanının bir parçası olduğunu göstermektedir.[20]
6.3 PAT ve analitik spesifiklik
Doğru proses izleme analitik spesifiklik gerektirir, çünkü özellikle polifenoller için bozunma ürünleri daha basit spektroskopik miktar tayinlerini karıştırabilir.[12]
trans-resveratrol için, HPLC ve UPLC spesifikliğinin doğrulandığı bildirilirken, UV/VIS spektroskopisi stabil olmadığı koşullarda (alkalin pH, ışık, artan sıcaklık) hatalı şekilde daha yüksek trans-resveratrol konsantrasyonları ile sonuçlanmıştır; bu durum, proses analitiğinde stabiliteyi gösteren yöntemlere duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır.[12]
7. Mitigasyon stratejileri
İncelenen kaynaklardaki mitigasyon yaklaşımları; bilinen hızlandırıcılara (ısı, oksijen, yüksek pH, UV) maruziyetin sınırlandırılmasını ve moleküler mobiliteyi azaltan, arayüzeyleri perdeleyen veya etkin maddeyi daha az reaktif mikroçevrelerde konumlandıran formülasyon mimarilerinin kullanılmasını vurgulamaktadır.[10, 13, 17]
7.1 Enkapsülasyon ve dispersiyonlar
Miseler veya partiküler sistemler içinde enkapsülasyon; su, oksijen ve reaktif türlerle teması sınırlayarak ve temel fonksiyonel grupların asit-baz erişilebilirliğini değiştirerek termolabil bileşikleri önemli ölçüde stabilize edebilir.[1, 10]
For curcumin, miseler çözündürme k_obs değerini 0.6–0.9×10−3 h−1 seviyesine düşürür ve yarı ömrü 777–1100 h değerine uzatır; bu stabilizasyon, bozunmanın ilk adımı olarak tanımlanan, hidrofobik bir misel çekirdeği içindeki hidroksil deprotonasyonunun önlenmesine atfedilmektedir.[10]
Pickering emülsiyonları fiziksel bir bariyer sağlar: arayüzeyde yoğun bir fiziksel bariyerin bulunmasının curcumin bozunmasını engellediği belirtilmektedir ve kantitatif olarak bariyer oluşturan sistem, depolama yarı ömrünü 13 days'den 28 days'e ve UV yarı ömrünü ~13 h'den ~27 h'ye uzatmaktadır.[1]
Siklodekstrin türevli taşıyıcı sistemler başka bir strateji sunar: resveratrol–β-cyclodextrin klatratları, 50 °C civarında su salınımı ve daha yüksek sıcaklıktaki bozunma olayları dahil olmak üzere termal süreçler gösterir; bağlanma serbest enerjileri (örneğin, MM/PBSA ile −86 kJ·mol−1) ise güçlü inklüzyon etkileşimlerini kantitatif olarak doğrulamaktadır.[25]
resveratrol'ün nanosünger enkapsülasyonu, DSC erime endotermini ortadan kaldırır ve fotokoruma sağlar: serbest resveratrol, UV maruziyeti altında 15 min içinde %59.7 oranında bozunma gösterirken, resveratrol nanosüngerleri yaklaşık iki kat koruma sağlar; bu durum, enkapsülasyonun doğrudan UV maruziyetini önlemesiyle tutarlıdır.[16]
Amorf katı dispersiyonlar mekanokimyasal öğütme yoluyla tasarlanabilir; fisetin ve Eudragit® ester grupları arasındaki hidrojen bağının açıkça tanımlanması, karışabilirlik ve değişen Tg için mekanistik bir temel sağlayarak çözünme davranışındaki kristalleşmeye bağlı değişikliklere karşı stabilizasyon sağlayabilir.[15]
7.2 Yardımcı madde ve taşıyıcı seçimi
Yardımcı madde seçimi, kinetik mekanizmaları ve stabilite sonuçlarını değiştirebilir; nitekim püskürtülerek kurutulmuş bitki özütü sistemlerinde reaksiyon derecesinin ve bozunan fraksiyon sürelerinin yardımcı madde karışımlarına göre farklılık gösterdiği bildirilmiş olup, bu durum yardımcı maddeye bağlı bozunma kinetiğine işaret etmektedir.[20]
Protein ko-bileşenleri, hidrofobik etkileşimler yoluyla flavonoidleri stabilize ederek fisetin ve quercetin için k değerlerini düşürebilir; bu etkileşimlerin SDS ile bozulması ise hidrofobik bağlanmanın temel bir stabilizasyon mekanizması olduğu yorumunu desteklemektedir.[24]
7.3 Proses mühendisliği kontrolleri
Termal maruziyeti ve oksijen temasını azaltan proses kontrolleri, birden fazla veri setiyle doğrudan desteklenmektedir.[5, 18]
For NRCl için DSC/qNMR kanıtları, erime başlangıç bölgesinin (~120–130 °C) aşılmasının son derece hızlı bir bozunmaya yol açabileceğini göstermekte ve ısıtmalı katı hal operasyonlarında sıcaklık ve kalış süresi üzerinde kesin üst sınırların uygulanmasını desteklemektedir.[4]
For NRH için 25 °C'de hava ve N2 ortamlarındaki yarı ömür farkı, inertleştirme ve oksijen uzaklaştırmanın kritik olabileceğini göstermektedir; nitekim yazarlar, 4 °C'de N2 örtüsü altındaki numunelerin 60 days sonra tespit edilebilir bir bozunma göstermediğini, buna karşın 4 °C'de hava ortamındaki numunelerin ~10% bozunma sergilediğini bildirmektedir.[5]
Yüksek kesmeli homojenizasyon için, rpm değerinin artmasının çıkış sıcaklığını yükselttiği ve bunun oksidasyona duyarlı ascorbic acid maddesinin daha fazla kaybıyla ilişkili olduğu yönündeki doğrudan gözlem; kesme kaynaklı ısınmayı sınırlayan mühendislik önlemlerini (örn. soğutma ceketleri, daha kısa karıştırma süreleri, kademeli ekleme) desteklemektedir.[13]
Püskürtülerek kurutma için, oksijen ve ısı maruziyetinin (poly)phenols miktarını azalttığı ve yüksek sıcaklıkların termolabil fenolikler için zararlı olabileceği yönündeki bulgular; mümkün olduğunda çıkış sıcaklığının düşürülmesi ve oksidasyon ile ısı hassasiyetini azaltmak için enkapsülasyon kullanılması gibi tercihleri desteklemektedir.[3]
7.4 Antioksidanlar ve oksijen yönetimi
Antioksidan ve oksijen yönetimi stratejileri, polifenol veri setleri genelinde mekanistik olarak desteklenmektedir.[12, 22]
90 °C'deki quercetin için, cysteine gibi antioksidanlar k değerini düşürür; 200 µmol·L−1 cysteine kullanımı, kontrole kıyasla k değerinde ~43% oranında bir azalma sağlar ve mekanistik yorumlamalar quercetin quinone stabilizasyonunu ve radikal sönümleme etkilerini işaret etmektedir.[22]
For trans-resveratrol için, oksijenin bozunmaya yol açan radikal reaksiyonları teşvik ettiği açıkça bildirilmiş olup, bu durum alkali/nötr sulu prosesler için uygulanabilir olduğunda inert proses atmosferlerinin veya oksijen bariyerlerinin kullanılmasını desteklemektedir.[12]
Lipozomal sistemlerde, resveratrol'ün serbest radikalleri nötralize ederek stigmasterol oksidasyonunu sınırladığı ve lipid çift tabakalarına entegre olarak rijitliği artırdığı, oksijene ve oksitleyici ajanlara karşı geçirgenliği azalttığı, böylece sistemin termal ve oksidatif stabilitesini geliştirdiği bildirilmektedir.[35]
8. Discussion
Burada sentezlenen kanıt tabanı genelinde, en güçlü kantitatif örüntü, kimyasal mikroçevrenin (pH, oksijen, su varlığı) ılımlı sıcaklıklarda bile stabilite sonuçlarını domine edebilmesi ve birkaç biyoaktif bileşiğin belirli termal geçiş eşiklerinde keskin stabilite süreksizlikleri sergilemesidir.[4, 5, 12]
NAD+ öncülleri için, NRCl veri seti ikili bir rejimi öne çıkarmaktadır: sulu çözeltide, yalancı birinci derece hidroliz, Arrhenius aktivasyon enerjileri ve 10 °C başına yaklaşık iki kat hız artışı ile modellenebilirken; katı halde, 120–130 °C civarındaki dar bir bölge, erime ve hemen ardından gerçekleşen hızlı bozunmaya karşılık gelir.[4]
Resveratrol için, baskın bir proses riski pH duyarlılığından kaynaklanmaktadır: yarı ömür, asidik pH'taki uzun sürelerden yüksek pH'taki dakikalara kadar çökerken; oksijen radikal reaksiyonlarını teşvik eder. Bu durum, oksijen transferini ve lokal alkaliniteyi artıran yüksek kesmeli işlemlerin, yığın sıcaklığı ılımlı kalsa bile orantısız derecede zarar verici olabileceğini göstermektedir.[12]
Flavonoidler için, kinon ara ürünleri aracılığıyla oksidasyon ve pH'a bağlı deprotonasyon mekanizmaları (quercetin), yüksek sıcaklık oksidasyonu ve radikal zincir kenetlenmesiyle (örneğin, oksijen artı kolesterol) birleşerek, lipid içeren formülasyonların ve oksijen maruziyetinin oksidatif kayıp yollarını güçlü bir şekilde artırabileceğini düşündürmektedir.[22, 26]
Curcumin için, hidroliz odaklı açıklamalar (bazı GI tampon çalışmalarında) ile otooksidasyon odaklı açıklamalar (misel odaklı çalışmalarda) arasında mekanistik bir gerilim mevcuttur; ancak her ikisi de güçlü bir pH etkisi ile hidrofobik mikroçevrelerin koruyucu rolü ve oksijen kısıtlaması üzerinde birleşmektedir.[11, 32]
Temel işlem seviyesinde, yüksek kesmeli prosesler, ısı üreterek ve oksidatif duyarlılığı artırarak öncelikle dolaylı hızlandırıcılar olarak rol oynayabilir; bu durum, dönüş hızının çıkış sıcaklığını artırdığı ve askorbik asidin oksidatif kaybı ile örtüştüğü yüksek kesmeli homojenizasyonda doğrudan gösterilmiştir.[13]
HPH/UHPH ek bir karmaşıklık getirmektedir; çünkü valf bölgesi aşırı kesme, kavitasyon ve türbülansa neden olur ve yüksek lokal sıcaklıklar üretebilir. Her ne kadar kalış süreleri çok kısa olabilse de (örneğin, UHPH tanımlarında <0.2 s), bu durum kimyasal sonuçların, bozunmanın hızlı radikal prosesleri, difüzyon sınırlı adımlar veya daha yavaş termal aktivasyon adımları tarafından kontrol edilip edilmediğine bağlı olabileceğini ima eder.[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 göstermektedir; püskürterek kurutulmuş bitki özü markerları ise yardımcı maddeye bağlı kinetik dereceler ve bozunan fraksiyon süreleri sergilemektedir.[7, 20]
9. Sonuçlar
Kantitatif termodinamik geçiş belirteçleri (DSC/TGA) ve bozunma kinetiği (k, t_(1/2), (E_a), dönüşüme bağlı aktivasyon enerjileri), termolabil uzun ömür bileşiklerinin ve ilgili biyoaktiflerin potensini koruyan üretim koşullarının tasarlanması için prosesle ilişkili bir temel sağlar.[4, 8, 9]
NAD+ öncülleri için NRCl, erime noktasına yakın dar bir termal işleme penceresi ve ardından hızlı bir bozunma sergilerken; sulu kinetikler, termal maruziyet modellerini parametrize edebilen 75–83 kJ·mol−1 aktivasyon enerjilerine sahip, pH'a bağlı yalancı birinci derece davranış gösterir.[4]
Resveratrol için, asidik pH'taki yüzlerce günlük yarı ömrün yüksek pH'ta dakikalara inmesiyle pH ve oksijen baskın değişkenler olarak öne çıkar; formülasyon matrisleri ise hızlandırılmış test ekstrapolasyonunu karmaşıklaştıran Arrhenius dışı (non-Arrhenius) davranışlar sergileyebilir.[7, 12]
Flavonoidler ve kurkuminoidler için oksidasyon yolları (kuersetin için kinon ara ürünleri; kurkumin için otoksidasyon), oksijen kontrolü ve hidrofobik enkapsülasyon stratejilerini gerekli kılmaktadır; bu stratejilerin, misel sistemlerinde yarı ömrü büyüklük mertebeleri düzeyinde, yüksek kesmeli karıştırma (high-shear mixing) altında üretilen Pickering emülsiyonlarında ise önemli ölçüde uzattığı kantitatif olarak gösterilmiştir.[1, 10, 22, 32]
Yüksek kesmeli birim işlemler için mevcut kanıtlar, kesme kuvvetinin sıcaklığı yükseltebileceğini ve oksidasyonu teşvik edebileceğini (yüksek kesmeli karıştırma); vana tabanlı yüksek basınçlı proseslerin ise basınç, geçiş sayısı ve giriş sıcaklığı temel stres değişkenleri olmak üzere aşırı kesme kuvveti ve kavitasyon oluşturduğunu göstermektedir. Bu içgörüler, stabilite göstergesi analitikler kullanılarak zaman-sıcaklık-kesme haritalamasının ve PAT uygulamalarının hayata geçirilmesini desteklemektedir.[12–14]
Çıkar çatışması
Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması beyan etmemiştir.[20]
