مقدمة
حمض الستياريك هو حمض دهني مشبع طبيعي ذو سلسلة كربونية طويلة، وهو موجود في كل من الزيوت النباتية والدهون الحيوانية. ويستخدم على نطاق واسع في مختلف الصناعات، بما في ذلك الصناعات الدوائية ومستحضرات التجميل والمنتجات الغذائية والسلع المنزلية مثل الشموع والمنظفات. ومع ذلك، في التطبيقات الصيدلانية، لا يُعد حمض الستياريك الصيدلاني مادة واحدة نقية كيميائيًا، بل هو خليط من الأحماض الدهنية، وفي المقام الأول حمض الستياريك وحمض البالمتيك، وقد تختلف نسبهما النسبية ضمن حدود مواصفات محددة. ويمكن أن يؤثر هذا التباين في التركيب على الخصائص الرئيسية مثل سلوك الذوبان.
حمض الستياريك: التركيب، والخصائص، والتطبيقات
حمض الستياريك (المعروف أيضًا باسم حمض الأوكتاديكانويك) هو مادة صلبة بلورية صلبة، يتراوح لونها بين الأبيض والأصفر الفاتح، وهو حمض دهني مشبع طويل السلسلة (C₁₈H₃₆O₂، الشكل 1). يتكون هيكله من سلسلة هيدروكربونية خطية مكونة من سبع عشرة مجموعة ميثيلين تنتهي بمجموعة حمض كربوكسيلي، مما يمنحه طابعًا أمفيفيلًا، على الرغم من أنه كاره للماء في الغالب بسبب ذيله الطويل غير القطبي. ويمنحه غياب الروابط المزدوجة استقرارًا كيميائيًا عاليًا ومقاومة للأكسدة. وهو ضعيف الذوبان في الماء، لكنه سريع الذوبان في المذيبات العضوية مثل البنزين ورابع كلوريد الكربون والكلوروفورم والإيثر، حيث تتيح المجموعة الرأسية القطبية التفاعلات بين الأسطح.
يخضع حمض الستياريك بسهولة لعملية الأسترة مع الكحولات لتكوين استرات، تُستخدم كمطريات ومعدِّلات للملمس (مثل ستيرات الأوكتيل، وستيرات الجلسرين). كما أنه يشكل أملاحًا معدنية مثل ستيرات المغنيسيوم والصوديوم والزنك التي تُستخدم على نطاق واسع كمواد تشحيم ومثبتات وعوامل إزالة القوالب.
في المستحضرات الصيدلانية ومستحضرات التجميل، يعمل حمض الستياريك كمستحلب ومكثف ومذيب ومطري في المنتجات الموضعية، وكمزلق ومواد رابطة وعامل معدل للفصل في أشكال الجرعات الصلبة [2]. في قطاع الأغذية، يُدرج تحت الرمز E570 (الاتحاد الأوروبي) [3]، وتعتبره إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) مادة معترف بها عمومًا على أنها آمنة (GRAS) [4]. ويُستخدم كعامل مضاد للتكتل، ومستحلب، وحامل للنكهة في منتجات مثل المخبوزات، والآيس كريم، والعلكة، والحلويات.
تختلف الأحماض الدهنية في طول السلسلة ودرجة التشبع، وهما العاملان اللذان يحددان سلوكها عند الذوبان وحالتها الفيزيائية. تتميز الأحماض ذات السلاسل القصيرة و medium(مثل C8:0 - C12:0) لها نقاط انصهار منخفضة (16 إلى 32 درجة مئوية) وتكون سائلة أو شبه صلبة في درجة حرارة الغرفة، في حين أن السلاسل المشبعة الأطول (C14:0 - C18:0) تتميز بنقاط انصهار أعلى (44 إلى 70 درجة مئوية) وتكون صلبة. يؤدي عدم التشبع إلى خفض درجة الانصهار، كما يتضح من حمض الأوليك (C18:1، ~16 درجة مئوية). يحتوي حمض الأوليك أيضًا على 18 ذرة كربون، لكنه يحتوي على رابطة مزدوجة واحدة. وبالمقارنة مع حمض البالمتيك (C₁6H₃2O₂، حمض الهكساديكانويك، الشكل 2) – وهو حمض دهني آخر شائع جدًّا في الطبيعة – فإن حمض الستياريك يوفر درجة انصهار أعلى قليلاً ويساهم في تكوين هياكل أكثر صلابة، بينما يعطل حمض الأوليك التراص، مما ينتج عنه أنظمة أكثر ليونة مع قابلية أفضل للانتشار، ولكن مع استقرار أكسدي أقل.
وبالتالي، فإن تركيب الأحماض الدهنية هو الذي يحدد خصائصها الفيزيائية والكيميائية واستخداماتها في المجالات الصيدلانية والتجميلية والغذائية (انظر الجدول 1).
الجدول 1: العلاقة بين التركيب والخصائص والتطبيقات للأحماض الدهنية الشائعة
| الحمض الدهني | طول السلسلة الكربونية | نوع السلسلة | نقطة الانصهار (درجة مئوية) [5] | التطبيقات النموذجية (الصناعات الدوائية ومستحضرات التجميل والأغذية) |
|---|---|---|---|---|
| حمض الكابريليك | C8:0 | مشبع medium | 16.5 | عامل مضاد للميكروبات، مادة وسيطة في صناعة الأدوية؛ تثبيت البروتينات؛ مادة مساعدة في تصنيع المستحضرات الصيدلانية الحيوية [6] |
| حمض الكابريك | C10:0 | مشبع medium | 31.6 | عامل منكه ومذيب في المستحضرات الصيدلانية، يضفي نكهة تشبه نكهة الحمضيات؛ عامل استحلاب [2] |
| حمض اللوريك | C12:0 | مشبع medium | 43.8 | عامل استحلاب وحل؛ مادة مضافة غذائية؛ مادة تشحيم؛ مادة خافضة للتوتر السطحي [2] |
| حمض الميريستيك | C14:0 | مشبع طويل السلسلة | 53.9 | عامل استحلاب وتذويب؛ مادة تخترق الجلد؛ مادة تشحيم للأقراص والكبسولات [2] |
| حمض البالمتيك | C16:0 | مشبع طويل السلسلة | 62.5 | عامل استحلاب وتذويب؛ مادة تخترق الجلد؛ مادة تشحيم للأقراص والكبسولات [2] |
| حمض الستياريك | C18:0 | مشبع طويل السلسلة | 69.3 | عامل استحلاب وتذويب؛ مادة تشحيم للأقراص والكبسولات [2] |
| حمض الأوليك | C18:1 | أحادي التشيبع | 16.3 | عامل استحلاب؛ مادة تخترق الجلد [2] |
تأثير تركيبة حمض الستياريك وحمض البالمتيك على السلوك الحراري
وفقًا لمعايير دستور الأدوية (USP–NF)، يُعرَّف حمض الستياريك بأنه خليط من حمض الستياريك (C18:0) وحمض البالمتيك (C16:0)، يتألف من ما لا يقل عن 40% من حمض الستياريك، على أن يبلغ المحتوى الإجمالي لهذين الحمضين الدهنيين المشبعين 90% على الأقل (الشكل 2). وبالتالي، فإن الدرجات الصيدلانية المتاحة تجاريًا تُظهر تباينًا في نسبة حمض الستياريك إلى حمض البالمتيك، مما يؤثر بشكل مباشر على خصائصها الفيزيائية الحرارية. وبالنظر إلى أن طول سلسلة الأحماض الدهنية يحكم كلاً من تفاعلات فان دير فال بين الجزيئات وكفاءة التعبئة البلورية، فإن الاختلافات في التركيب تغير استقرار الشبكة البلورية وسلوك التعدد الشكلي، مما يؤدي إلى أنماط ذوبان مميزة. وعادةً ما تؤدي النسب الأعلى من حمض الستياريك إلى ارتفاع درجات حرارة الانصهار وتعزيز الترتيب البلوري، في حين أن المحتوى الأكبر من حمض البالمتيك قد يقلل قليلاً من هذه المعلمات بسبب قصر طول السلسلة. في هذا العمل، قمنا بتحليل عينتين مختلفتين من حمض الستياريك، بنسب مختلفة من حمض الستياريك إلى حمض البالمتيك.
تجريبي
تم تحليل عينتين من حمض الستياريك: إحداهما تحتوي على أكثر من 95% من حمض الستياريك، والأخرى تحتوي على 44% من حمض الستياريك؛ حيث تم تصنيع الأولى بواسطة شركة Sigma-Adrich، والثانية بواسطة شركة Caelo. وقد استُخدمت طريقة المسح الحراري التفاضلي (DSC) لتحديد خصائص الاختلافات في السلوك الحراري وتقييم تأثير التركيب على انتقالات الانصهار.
تم وضع العينات في بوتقات من الألومنيوم (Concavus®)، وأُغلقت بأغطية مثقوبة، ثم تم تسخينها من 20 درجة مئوية إلى 160 درجة مئوية بمعدل تسخين يبلغ 10 كلفن/دقيقة في جو منالنيتروجين (N2) بمعدل تدفق يبلغ 20 مل/دقيقة. تم قياس كل عينة ثلاث مرات، وسُجل متوسط الكتل المقاسة بـ 2.57 ± 0.05 ملغ لحمض الستياريك بنسبة 95٪ و2.46 ± 0.05 ملغ لحمض الستياريك بنسبة 44٪، انظر الجدول 2.
الجدول 2: الشروط التجريبية
| المعلمة | الشرط |
|---|---|
| الجهاز | DSC 300 Caliris® Supreme ، H-Module |
| كتلة العينة | من 2.41 إلى 2.61 ملغ |
| نوع العينة | حمض الستياريك (SA 44٪، SA 95٪) |
| البوتقة | بوتقة من الألومنيوم، بغطاء مثقوب |
| البيئة | N2 |
| معدل تدفق الغاز | 20 مل/دقيقة (غاز التطهير) |
| نطاق درجة الحرارة | من 20 درجة مئوية إلى 160 درجة مئوية |
| معدلات التسخين والتبريد | 10 كلفن/دقيقة |
| البرنامج | NETZSCH Proteus® Protect الإصدار 9 |
نتائج القياس
تُظهر منحنيات DSC لحمض الستياريك بنسبة 44% (SA 44٪) وحمض الستياريك 95٪ (SA 95٪)، الموضحة في الشكل 3، تظهر قمم انصهار خلال كل من دورتي التسخين الأولى والثانية، بالإضافة إلى إعادة التبلور أثناء التبريد مع قابلية تكرار ممتازة (الشكل 3A و3B، على التوالي). واستنادًا إلى درجات حرارة بداية الانصهار (Tm) المستنتجة، يذوب حمض الستياريك بنسبة 44% عند حوالي 54 إلى 55 درجة مئوية، بينما يذوب حمض الستياريك بنسبة 95% عند حوالي 69 إلى 70 درجة مئوية.
يُظهر SA 44% انخفاضًا طفيفًا فيدرجة حرارة الانصهار (Tm) بين دورتي التسخين الأولى والثانية. وبالمثل، بالنسبة لـ SA 95%، تُظهر دورة التسخين الثانية درجةحرارة انصهار (Tm) أقل بحوالي 1 درجة مئوية عن تلك التي لوحظت خلال دورة التسخين الأولى (انظر الجدول 3). ويمكن أن تُعزى هذه التغيرات إلى عدة عوامل، منها عدم تجانس العينة أثناء التحضير، والتاريخ الحراري، والتعدد البوليمورفي، أو الاختلافات في سلوك إعادة التبلور في ظل ظروف التبريد المطبقة.
الجدول 3: نتائج تحليل DSC لحمض الستياريك بنسبة 44٪ وحمض الستياريك بنسبة 95٪
| ذروة مركبة | حمض الستياريك بنسبة 44% التسخينالأول | حمض الستياريك 44% التسخينالثاني | حمض الستياريك 95% التسخينالأول | حمض الستياريك 95% التسخينالثاني |
|---|---|---|---|---|
| درجة حرارة انطلاقTm المستنتجة (درجة مئوية) | 54.5 ± 3 0.1 | 54.0 ± 0.1 | 69.6 ± 0.2 | 68.7 ± 0.1 |
| الذروة القصوى (درجة مئوية) | 57.9 ± 0.2 | 57.5 ± 0.1 | 73.2 ± 0.2 | 72.8 ± 0.0 |
| الإنثالبي (جول/جرام) | 188.0 ± 1.8 | 177.4 ± 2.1 | 215.2 ± 1.3 | 213.4 ± 0.9 |
عرض الذروة (درجة مئوية عند 37.0٪) | 4.0 ± 0.2 | 5.0 ± 0.2 | 4.6 ± 0.1 | 4.9 ± 0.1 |
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تسهم الجوانب العملية المتعلقة بإعداد العينة والقياس في هذا التأثير. خلال دورة التسخين الأولى، تُدخل العينة في البداية في صورة مادة صلبة، مع احتمال أن يكون تلامسها مع قاع البوت محدودًا وغير متجانس. وعند الانصهار، تتوزع المادة من جديد وتشكل طبقة تتمتع بتلامس أفضل مع البوت أثناء عملية التبريد اللاحقة. وفي دورة التسخين الثانية، يُسهّل هذا التلامس الحراري المحسّن والانتشار المحتمل للعينة على مساحة سطح أكبر انتقال الحرارة بشكل أكثر كفاءة. ونتيجة لذلك، يُلاحظ عادةً حدوث تحول نحو درجات حرارة انصهار أقل قليلاً في دورة التسخين الثانية.
ومن الملاحظات الأخرى زيادة عرض الذروة لـ SA 44% بعد التسخين الأول من 4.0 ± 0.2 درجة مئوية إلى 5.0 ± 0.2 درجة مئوية. في المقابل، لا يُظهر SA 95% سوى زيادة طفيفة تبلغ حوالي 0.3 درجة مئوية في متوسط عرض الذروة (الجدول 3). وفي حين أن عرض الذروة يُعد مؤشراً على التغيرات في سلوك الانصهار، فإن تطور إنثالبي الانصهار (ΔH) يُعتبر أكثر أهمية. بالنسبة لـ SA 44٪، لوحظ انخفاض واضح في الإنثالبي، من 188.0 ± 1.8 جول/جرام في عملية التسخين الأولى إلى 177.4 ± 2.1 جول/جرام في عملية التسخين الثانية. في المقابل، لا تُظهر عينة SA 95% ذات النقاء الأعلى سوى تغير طفيف في ΔH، من 215.2 ± 1.3 جول/جرام إلى 213.4 ± 0.9 جول/جرام (انظر الجدول 3). يشير هذا السلوك إلى أن المحتوى الأعلى من حمض البالمتيك في عينة SA 44% يؤثر على التراص الجزيئي وإعادة التبلور، مما يؤدي ليس فقط إلى انتقالات ذوبان أوسع نطاقًا، بل أيضًا إلى تغيرات قابلة للقياس في الخصائص الطاقية لانتقال الطور، في حين تظل عينة SA 95% الأكثر تجانسًا غير متأثرة إلى حد كبير.
من المهم ملاحظة أن كلاً من حمض الستياريك وحمض البالمتيك يمكن أن يتواجدا في أشكال متعددة البوليمورفية أو يعيدان التبلور من الطور المنصهر. وعادةً ما تكون نقاط انصهار هذه الأشكال قريبة جدًا من بعضها البعض؛ ومع ذلك، يمكن أن تؤثر هذه الأشكال المتعددة البوليمورفية المختلفة على منحنى DSC.
بالإضافة إلى ذلك، يشير وجود أحداث حرارية متعددة أثناء التسخين الثاني لـ SA 44% إلى ظهور «كتف» مميز في إشارة المشتقة الأولى (DDSC) (الشكل 4A)، وهو ما لا يُلاحظ في حالة SA 95%. ويمكن تقييم هذه الميزة بشكل أوضح استنادًا إلى منحنى DDSC، حيث يصبح المنحنى الجانبي أكثر وضوحًا. وهذا يدعم بشكل أكبر وجود تباين في التركيب وسلوك تبلور أكثر تعقيدًا في العينة ذات النقاء الأقل.
وعندما تُعرض منحنيات التسخين الأولى لكلتا العينتين في رسم بياني واحد، يصبح الفارق بين أوقات انصهارهما واضحًا بشكل خاص. يُظهر الشكل 5 منحنيات التسخين الأولى لكل من SA 44% و SA 95%، حيث تظهر قمم ضيقة ومحددة بوضوح مع دقة ممتازة. ويعكس الاختلاف الواضح في موضع القمم التباين في التركيب الكيميائي والنقاء، فضلاً عن الاختلافات في البنية البلورية.
الخلاصة
بشكل عام، تُظهر هذه النتائج أن جهاز DSC 300 Caliris® يوفر بيانات حرارية عالية القابلية للتكرار وذات دقة عالية، مما يتيح التمييز بوضوح بين العينات ذات التركيبات والنقاوات المختلفة. وحساسيته للتغيرات في درجة حرارة الانصهار وشكل الذروة وسلوك إعادة التبلور تجعله أداة قوية وفعالة في مجالي البحث والصناعة.
في التطبيقات الصيدلانية والتجميلية والغذائية، حيث يُعد اتساق المواد الخام ونقاوتها أمرًا بالغ الأهمية، يتيح جهاز DSC 300 Caliris® التحديد السريع للاختلافات في المواد، والكشف عن الشوائب، والتحقق من اتساق الدُفعات، مما يدعم كل من تطوير المنتجات وضمان الجودة الروتيني.
وقد أظهرت هذه الدراسة أن حمض الستياريك الصيدلاني قد لا يفي دائمًا بالتركيب المتوقع لحمض الستياريك النقي، على الرغم من أن المادة تتوافق مع متطلبات دليل دستور الأدوية. وتعتمد خصائصه، مثل سلوك الذوبان، بشكل كبير على تركيبته. ولذلك يُوصى بتحديد خصائص المادة بشكل صحيح قبل أي استخدام صناعي.
شكر وتقدير
نتوجه بخالص الشكر إلى غابرييل كايزر والدكتور ستيفان شمولزر على مساهماتهما القيمة في التقييم الفني وتفسير النتائج.