Въведение
Стеариновата киселина е естествено срещаща се наситена мастна киселина с дълга въглеродна верига, която се съдържа както в растителните масла, така и в животинските мазнини. Тя намира широко приложение в различни отрасли, включително фармацевтичната, козметичната, хранителната промишленост, както и в производството на стоки за бита, като свещи и почистващи препарати. При фармацевтичните приложения обаче стеариновата киселина с фармацевтично качество не е еднородно, химически чисто вещество, а смес от мастни киселини, предимно стеаринова и палмитинова киселина, чиито относителни съотношения могат да варират в рамките на определени спецификационни граници. Тази вариативност в състава може да повлияе на ключови свойства като поведението при топене.
Стеаринова киселина: структура, свойства и приложения
Стеариновата киселина (известна още като октадеканова киселина) е твърдо, кристално вещество с цвят от бял до леко жълтеникав и представлява наситена мастна киселина с дълга верига (C₁₈H₃₆O₂, фиг. 1). Нейната структура се състои от линейна въглеводородна верига от седемнадесет метиленови групи, завършваща с карбоксилна киселинна група, което ѝ придава амфифилен характер, въпреки че е предимно хидрофобна поради дългата си неполярна опашка. Липсата на двойни връзки ѝ придава висока химическа стабилност и устойчивост към окисляване. Тя е слабо разтворима във вода, но лесно се разтваря в органични разтворители като бензен, тетрахлорметан, хлороформ и етер, като полярната главична група позволява междуфазови взаимодействия.
Стеариновата киселина лесно претърпява естерификация с алкохоли, като образува естери, които се използват като омекотители и модификатори на текстурата (например октилстеарат, глицерилстеарат). Тя образува също метални соли, като магнезиев, натриев и цинков стеарати, които се използват широко като смазочни средства, стабилизатори и агенти за отделяне от форми.
В фармацевтичните и козметичните формули стеариновата киселина действа като емулгатор, сгъстител, разтворител и омекотител в продукти за локално приложение, както и като смазващо средство, свързващо вещество и агент, променящ отделянето, в твърди лекарствени форми [2]. В хранителния сектор тя е класифицирана като E570 (ЕС) [3] и е призната като GRAS (Общопризната за безопасна) от FDA [4]. Тя служи като средство против слепване, емулгатор и носител на аромат в продукти като хлебни изделия, сладолед, дъвка и сладкарски изделия.
Мастните киселини се различават по дължината на веригата и степента на наситеност, които определят поведението им при топене и физичното им състояние. Киселините с къси и medium-вериги (например C8:0 – C12:0) имат ниски точки на топене (16 до 32 °C) и са течни или полутвърди при стайна температура, докато по-дългите наситени вериги (C14:0 – C18:0) имат по-високи точки на топене (44 до 70 °C) и са твърди. Ненаситеността понижава точката на топене, както може да се види при олеиновата киселина (C18:1, ~16 °C). Олеиновата киселина също има 18 въглеродни атома, но съдържа една двойна връзка. В сравнение с палмитиновата киселина (C₁6H₃2O₂, хексадеканова киселина, фигура 2) – друга мастна киселина, която се среща много често в природата – стеариновата киселина осигурява малко по-висока температура на топене и допринася за по-твърди структури, докато олеиновата киселина нарушава уплътняването, което води до по-меки системи с подобрено размазване, но по-ниска окислителна стабилност.
Следователно структурата на мастните киселини определя техните физикохимични свойства и приложения във фармацевтичната, козметичната и хранителната промишленост (вж. таблица 1).
Таблица 1: Връзка между структурата, свойствата и приложението на често срещаните мастни киселини
| Мастна киселина | Дължина на въглеродната верига | Тип на веригата | Точка на топене (°C) [5] | Типични приложения (фармацевтична, козметична и хранителна промишленост) |
|---|---|---|---|---|
| Каприлова киселина | C8:0 | Наситена medium | 16,5 | Антимикробно средство, междинен продукт за лекарства; стабилизатор на протеини; помощно средство при производството на биофармацевтични продукти [6] |
| Капринова киселина | C10:0 | Наситена medium | 31,6 | Ароматизиращ и разтворител в фармацевтични препарати, придаващ цитрусов аромат; емулгатор [2] |
| Лауринова киселина | C12:0 | Наситена medium | 43,8 | Емулгатор и разтворител; хранителна добавка; смазващо средство; повърхностноактивно вещество [2] |
| Миристинова киселина | C14:0 | Наситена, дълга верига | 53,9 | Емулгиращ и разтворителен агент; проникващ в кожата агент; смазващо средство за таблетки и капсули [2] |
| Палмитинова киселина | C16:0 | Наситена с дълги вериги | 62,5 | Емулгиращ и разтворим агент; проникващ в кожата; смазващо средство за таблетки и капсули [2] |
| Стеаринова киселина | C18:0 | Наситена с дълги вериги | 69,3 | Емулгиращ и разтворим агент; смазващо средство за таблетки и капсули [2] |
| Олеинова киселина | C18:1 | Мононенаситена | 16,3 | Емулгиращ агент; проникващ в кожата [2] |
Влияние на състава от стеаринова и палмитинова киселина върху термичното поведение
Според фармакопеята (USP–NF), стеариновата киселина се дефинира като смес от стеаринова (C18:0) и палмитинова (C16:0) киселини, съдържаща не по-малко от 40% стеаринова киселина, като общото съдържание на тези две наситени мастни киселини е най-малко 90% (Фигура 2). Следователно, предлаганите на пазара фармацевтични сортове се различават по съотношението между стеариновата и палмитиновата киселина, което пряко влияе върху техните термофизични свойства. Тъй като дължината на веригата на мастните киселини определя както междумолекулярните ван дер Ваалсови взаимодействия, така и ефективността на кристалното опаковане, разликите в състава променят стабилността на решетката и полиморфното поведение, което води до различни профили на топене. По-високите съотношения на стеаринова киселина обикновено водят до по-високи температури на топене и по-добре организирана кристална решетка, докато по-голямото съдържание на палмитинова киселина може леко да намали тези параметри поради по-късата дължина на веригата. В настоящата работа анализирахме две различни проби от стеаринова киселина с различни съотношения на стеаринова към палмитинова киселина.
Експериментален
Бяха анализирани две проби от стеаринова киселина: едната съдържаща над 95 % стеаринова киселина, а втората – 44 % стеаринова киселина; първата е произведена от Sigma-Adrich, а втората – от Caelo. За характеризиране на разликите в термичното поведение и за оценка на влиянието на състава върху преходите при топене беше използвана диференциална сканираща калориметрия (DSC).
Пробите бяха поставени в алуминиеви тигли (Concavus®), които бяха затворени с перфорирани капаци, и бяха нагрявани от 20 °C до 160 °C със скорост на нагряване 10 K/min в среда отN2 с дебит 20 ml/min. Всяка проба беше измерена в три повторения, като средните измерени маси бяха 2,57 ± 0,05 mg за стеаринова киселина 95% и 2,46 ± 0,05 mg за стеаринова киселина 44%, виж Таблица 2.
Таблица 2: Експериментални условия
| Параметър | Условие |
|---|---|
| Уред | DSC 300 Caliris® Supreme , H-Module |
| Маса на пробата | 2,41 до 2,61 mg |
| Тип проба | Стеаринова киселина (SA 44%, SA 95%) |
| Тигел | Алуминиев тигел с перфориран капак |
| Атмосфера | N2 |
| Дебит на газа | 20 мл/мин (газ за прочистване) |
| Температурен диапазон | от 20 °C до 160 °C |
| Скорост на нагряване и охлаждане | 10 K/min |
| Софтуер | NETZSCH Proteus® Protect версия 9 |
Резултати от измерванията
DSC кривите на стеариновата киселина 44% (SA 44%) и стеариновата киселина 95% (SA 95%), изобразени на фигура 3, показват пикове на топене както по време на първия, така и на втория цикъл на нагряване, както и рекристализация по време на охлаждане с отлична възпроизводимост (съответно фигура 3А и 3Б). Въз основа на екстраполираните начални температури на топене (Tm) SA 44% се топи при приблизително 54 до 55 °C, докато SA 95% се топи при около 69 до 70 °C.
При SA 44% се наблюдава леко понижение наTm между първия и втория цикъл на нагряване. По същия начин при SA 95% при второто нагряванеTm е с приблизително 1 °C по-ниска от тази, наблюдавана при първото нагряване (вж. таблица 3). Тези промени могат да се дължат на няколко фактора, включително нехомогенност на пробата по време на подготовката, термична история, полиморфизъм или вариации в поведението при рекристализация при приложените условия на охлаждане.
Таблица 3: Резултати от ДСК за стеаринова киселина 44% и стеаринова киселина 95%
| Комплексен пик | Стеаринова киселина 44% 1-во нагряване | Стеаринова киселина 44% Второ нагряване | Стеаринова киселина 95% 1-во нагряване | Стеаринова киселина 95% Второ нагряване |
|---|---|---|---|---|
| Екстраполирана началнаTm (°C) | 54,5 ± 3 0,1 | 54,0 ± 0,1 | 69,6 ± 0,2 | 68,7 ± 0,1 |
| Максимална стойност (°C) | 57,9 ± 0,2 | 57,5 ± 0,1 | 73,2 ± 0,2 | 72,8 ± 0,0 |
| Енталпия (J/g) | 188,0 ± 1,8 | 177,4 ± 2,1 | 215,2 ± 1,3 | 213,4 ± 0,9 |
Ширина на пика (°C при 37,0 %) | 4,0 ± 0,2 | 5,0 ± 0,2 | 4,6 ± 0,1 | 4,9 ± 0,1 |
Освен това към този ефект могат да допринесат и свързаните с практиката аспекти на подготовката на пробата и измерването. По време на първия цикъл на нагряване пробата първоначално се поставя в твърдо състояние, като контактът ѝ с дъното на тигела е потенциално ограничен и неравномерен. При топене материалът се преразпределя и образува слой с по-добър контакт с тигела по време на последващото охлаждане. През втория цикъл на нагряване този подобрен топлинен контакт и евентуалното разпространение на пробата върху по-голяма повърхност улесняват по-ефективния топлообмен. В резултат на това често се наблюдава отклонение към малко по-ниски температури на топене през втория цикъл на нагряване.
Друго наблюдение е увеличението на ширината на пика за SA 44% след първото нагряване от 4,0 ± 0,2 °C до 5,0 ± 0,2 °C. За разлика от това, SA 95% показва само леко увеличение от приблизително 0,3 °C в средната ширина на пика (Таблица 3). Макар ширината на пика да дава индикация за промени в поведението при топене, еволюцията на енталпията на топене (ΔH) се счита за по-значима. При SA 44% се наблюдава ясно намаление на енталпията – от 188,0 ± 1,8 J/g при първото нагряване до 177,4 ± 2,1 J/g при второто нагряване. За разлика от това пробата SA 95% с по-висока чистота показва само незначителна промяна в ΔH – от 215,2 ± 1,3 J/g до 213,4 ± 0,9 J/g (вж. Таблица 3). Това поведение подсказва, че по-високото съдържание на палмитинова киселина в SA 44% влияе върху молекулното опаковане и рекристализацията, което води не само до по-широки преходи на топене, но и до измерими промени в енергийните характеристики на фазовия преход, докато по-хомогенната проба SA 95% остава до голяма степен незасегната.
Важно е да се отбележи, че както стеариновата, така и палмитиновата киселина могат да съществуват в различни полиморфни форми или да рекристализират от разтопената фаза. Точките на топене на тези форми обикновено са много близки една до друга; въпреки това тези различни полиморфни форми могат да повлияят на DSC кривата.
Освен това, наличието на множество термични събития по време на второто нагряване на SA 44% се посочва от ясно изразено рамо в сигнала на първата производна (DDSC) (Фигура 4A), което не се наблюдава при SA 95%. Тази характеристика може да бъде оценена по-ясно въз основа на кривата DDSC, където рамото става по-изразено. Това допълнително подкрепя наличието на хетерогенност в състава и по-сложно кристализационно поведение в пробата с по-ниска чистота.
Когато първите криви на нагряване на двете проби се представят на една графика, разликата между моментите на тяхното топене става особено очевидна. Фигура 5 показва кривите на първоначалното нагряване на SA 44% и SA 95%, като разкрива тесни и ясно очертани пикове с отлична разделителна способност. Ясната разлика в позицията на пиковете отразява различията в химичния състав и чистотата, както и разликите в кристалната структура.
Заключение
Като цяло тези резултати показват, че DSC 300 Caliris® предоставя термични данни с висока възпроизводимост и добра разделителна способност, което позволява ясно разграничаване на проби с различен състав и степен на чистота. Чувствителността му към промени в температурата на топене, формата на пиковете и поведението при рекристализация го превръща в мощен и ефективен инструмент за научни изследвания и промишлеността.
В фармацевтичните, козметичните и хранителните приложения, където последователността и чистотата на суровините са от решаващо значение, DSC 300 Caliris® позволява бърза идентификация на разликите в материалите, откриване на примеси и проверка на последователността между партидите, подпомагайки както разработването на продукти, така и рутинното осигуряване на качеството.
Настоящото проучване показа, че стеариновата киселина с фармацевтично качество може да не отговаря винаги на очаквания състав на чистата стеаринова киселина, въпреки че материалът отговаря на изискванията на монографията във фармакопеята. Нейните свойства, като например поведението при топене, зависят в голяма степен от състава ѝ. Поради това се препоръчва веществото да бъде подложено на подходяща характеристика преди всякаква промишлена употреба.
Благодарност
Изказваме голяма благодарност на Габриеле Кайзер и д-р Стефан Шмьолцер за ценния им принос към техническата оценка и интерпретацията на резултатите.