Úvod
Kyselina stearová je přirozeně se vyskytující nasycená mastná kyselina s dlouhým uhlíkovým řetězcem, která se vyskytuje jak v rostlinných olejích, tak v živočišných tucích. Je široce využívána v různých průmyslových odvětvích, včetně farmaceutického průmyslu, kosmetiky, potravinářství a výrobků pro domácnost, jako jsou svíčky a čisticí prostředky. Ve farmaceutických aplikacích však kyselina stearová farmaceutické kvality není jedinou, chemicky čistou látkou, ale směsí mastných kyselin, především kyseliny stearové a palmitové, jejichž relativní poměry se mohou v rámci definovaných specifikací lišit. Tato variabilita složení může ovlivnit klíčové vlastnosti, jako je chování při tání.
Kyselina stearová: struktura, vlastnosti a použití
Kyselina stearová (známá také jako kyselina oktadekanová) je tvrdá, bílá až mírně nažloutlá krystalická pevná látka a nasycená mastná kyselina s dlouhým řetězcem (C₁₈H₃₆O₂, obr. 1). Její struktura se skládá z lineárního uhlovodíkového řetězce se sedmnácti methylenovými skupinami zakončeného karboxylovou skupinou, což jí dodává amfifilní charakter, ačkoli je díky svému dlouhému nepolárnímu řetězci převážně hydrofobní. Absence dvojných vazeb jí propůjčuje vysokou chemickou stabilitu a odolnost vůči oxidaci. Je špatně rozpustná ve vodě, ale snadno rozpustná v organických rozpouštědlech, jako je benzen, tetrachlormethan, chloroform a ether, přičemž polární hlavová skupina umožňuje mezifázové interakce.
Kyselina stearová se snadno esterifikuje s alkoholy za vzniku esterů, které se používají jako změkčovadla a látky upravující konzistenci (např. oktylstearát, glycerylstearát). Tvoří také kovové soli, jako jsou stearáty hořečnaté, sodné a zinkové, které se široce používají jako lubrikanty, stabilizátory a odformovací prostředky.
Ve farmaceutických a kosmetických přípravcích funguje kyselina stearová jako emulgátor, zahušťovadlo, solubilizátor a změkčovadlo v přípravcích pro lokální použití a jako lubrikant, pojivo a látka upravující uvolňování v pevných lékových formách [2]. V potravinářském odvětví je uvedena pod označením E570 (EU) [3] a je uznána jako GRAS (Generally Recognized as Safe – obecně uznávaná jako bezpečná) americkým Úřadem pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) [4]. Slouží jako protispékavá látka, emulgátor a nosič chuti v produktech, jako jsou pečivo, zmrzlina, žvýkačky a cukrovinky.
Mastné kyseliny se liší délkou řetězce a nasyceností, což určuje jejich chování při tání a fyzikální skupenství. Kyseliny s krátkými a medium ovými řetězci (např. C8:0 – C12:0) mají nízké teploty tání (16 až 32 °C) a při pokojové teplotě jsou kapalné nebo polotuhé, zatímco delší nasycené řetězce (C14:0 – C18:0) vykazují vyšší teploty tání (44 až 70 °C) a jsou tuhé. Nenasytnost snižuje teplotu tání, jak je patrné u kyseliny olejové (C18:1, ~16 °C). Kyselina olejová má rovněž 18 uhlíkových atomů, ale obsahuje jednu dvojnou vazbu. Ve srovnání s kyselinou palmitovou (C₁₆H₃₂O₂, kyselina hexadekanová, obrázek 2) – další mastnou kyselinou, která se v přírodě vyskytuje velmi často – má kyselina stearová mírně vyšší teplotu tání a přispívá k pevnějším strukturám, zatímco kyselina olejová narušuje uspořádání molekul, což vede k měkčím systémům se zlepšenou roztíratelností, avšak nižší oxidační stabilitou.
Struktura mastných kyselin tedy určuje jejich fyzikálně-chemické vlastnosti a možnosti využití ve farmaceutickém, kosmetickém a potravinářském průmyslu (viz tabulka 1).
Tabulka 1: Vztah mezi strukturou, vlastnostmi a použitím běžných mastných kyselin
| Mastná kyselina | Délka uhlíkového řetězce | Typ řetězce | Teplota tání (°C) [5] | Typické použití (farmaceutický, kosmetický a potravinářský průmysl) |
|---|---|---|---|---|
| Kyselina kaprylová | C8:0 | Nasycená medium | 16,5 | Antimikrobiální látka, meziprodukt pro výrobu léčiv; stabilizace bílkovin; pomocná látka při výrobě biofarmaceutik [6] |
| Kyselina kaprinová | C10:0 | Nasycená medium | 31,6 | Aromatická a solubilizující látka ve farmaceutických přípravcích, dodávající citrusovou chuť; emulgátor [2] |
| Kyselina laurová | C12:0 | Nasycená medium | 43,8 | Emulgátor a solubilizátor; potravinářská přídatná látka; mazivo; povrchově aktivní látka [2] |
| Kyselina myristová | C14:0 | Nasycená dlouhá | 53,9 | Emulgátor a solubilizátor; látka pronikající do pokožky; lubrikant pro tablety a kapsle [2] |
| Kyselina palmitová | C16:0 | Nasycená dlouhá | 62,5 | Emulgátor a solubilizátor; látka usnadňující pronikání do pokožky; lubrikant pro tablety a kapsle [2] |
| Kyselina stearová | C18:0 | Nasycená dlouhá | 69,3 | Emulgátor a solubilizátor; lubrikant pro tablety a kapsle [2] |
| Kyselina olejová | C18:1 | Mononenasycená | 16,3 | Emulgátor; látka usnadňující pronikání do pokožky [2] |
Vliv složení stearové a palmitové kyseliny na tepelné chování
Podle farmakopejních definic (USP–NF) je kyselina stearová definována jako směs kyseliny stearové (C18:0) a kyseliny palmitové (C16:0), obsahující nejméně 40 % kyseliny stearové, přičemž celkový obsah těchto dvou nasycených mastných kyselin činí nejméně 90 % (obrázek 2). V důsledku toho se u komerčně dostupných farmaceutických špecifikací vyskytuje variabilita v poměru kyseliny stearové ke kyselině palmitové, což přímo ovlivňuje jejich termofyzikální vlastnosti. Vzhledem k tomu, že délka řetězce mastných kyselin určuje jak mezimolekulární van der Waalsovy interakce, tak účinnost krystalického uspořádání, rozdíly ve složení mění stabilitu mřížky a polymorfní chování, což vede k odlišným profilům tání. Vyšší podíl kyseliny stearové obvykle vede ke zvýšení teplot tání a zlepšení krystalické uspořádanosti, zatímco vyšší obsah kyseliny palmitové může tyto parametry mírně snížit kvůli kratší délce řetězce. V této práci jsme analyzovali dva různé vzorky kyseliny stearové s odlišným poměrem kyseliny stearové a palmitové.
Experimentální
Byly analyzovány dva vzorky kyseliny stearové: jeden obsahující více než 95 % kyseliny stearové a druhý obsahující 44 % kyseliny stearové; první byl vyroben společností Sigma-Adrich a druhý společností Caelo. K charakterizaci rozdílů v tepelném chování a k posouzení vlivu složení na přechody při tání byla použita diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC).
Vzorky byly vloženy do hliníkových kelímků (Concavus®), které byly uzavřeny víčky s otvory, a zahřívány z 20 °C na 160 °C rychlostí ohřevu 10 K/min vatmosféře N₂ s průtokem 20 ml/min. Každý vzorek byl měřen třikrát, přičemž průměrné naměřené hmotnosti činily 2,57 ± 0,05 mg pro kyselinu stearovou 95 % a 2,46 ± 0,05 mg pro kyselinu stearovou 44 %, viz tabulka 2.
Tabulka 2: Experimentální podmínky
| Parametr | Podmínka |
|---|---|
| Přístroj | DSC 300 Caliris® Supreme , H-Module |
| Hmotnost vzorku | 2,41 až 2,61 mg |
| Typ vzorku | Kyselina stearová (SA 44 %, SA 95 %) |
| Tavicí kelímek | Hliníkový kelímek s děrovaným víkem |
| Atmosféra | N2 |
| Průtok plynu | 20 ml/min (proplachovací plyn) |
| Teplotní rozsah | 20 °C až 160 °C |
| Rychlost ohřevu a ochlazování | 10 K/min |
| Software | NETZSCH Proteus® Protect verze 9 |
Výsledky měření
Křivky DSC kyseliny stearové 44 % (SA 44 %) a kyseliny stearové 95 % (SA 95 %), znázorněné na obrázku 3, vykazují vrcholy tání jak během prvního, tak druhého cyklu ohřevu, stejně jako rekrystalizaci během ochlazování s vynikající reprodukovatelností (obrázek 3A, resp. 3B). Na základě extrapolovaných počátečních teplot tání (Tm) se SA 44 % taví při teplotě přibližně 54 až 55 °C, zatímco SA 95 % se taví při teplotě přibližně 69 až 70 °C.
U SA 44 % dochází k mírnému poklesuTm mezi prvním a druhým ohřívacím cyklem. Podobně i u SA 95 % vykazuje druhé ohřívání hodnotuTm, která je přibližně o 1 °C nižší než hodnota naměřená při prvním ohřívání (viz tabulka 3). Tyto posuny lze připsat několika faktorům, včetně nehomogenity vzorku během přípravy, tepelné historie, polymorfismu nebo odchylek v chování při rekrystalizaci za daných podmínek ochlazování.
Tabulka 3: Výsledky DSC pro kyselinu stearovou 44 % a kyselinu stearovou 95 %
| Komplexní píky | Kyselina stearová 44 % 1. zahřívání | Kyselina stearová 44 % 2. zahřívání | Kyselina stearová 95 % 1. zahřívání | Kyselina stearová 95 % 2. zahřívání |
|---|---|---|---|---|
| Extrapolovaná počáteční hodnotaTm (°C) | 54,5 ± 3 0,1 | 54,0 ± 0,1 | 69,6 ± 0,2 | 68,7 ± 0,1 |
| Maximální hodnota (°C) | 57,9 ± 0,2 | 57,5 ± 0,1 | 73,2 ± 0,2 | 72,8 ± 0,0 |
| Entalpie (J/g) | 188,0 ± 1,8 | 177,4 ± 2,1 | 215,2 ± 1,3 | 213,4 ± 0,9 |
Šířka píku (°C při 37,0 %) | 4,0 ± 0,2 | 5,0 ± 0,2 | 4,6 ± 0,1 | 4,9 ± 0,1 |
K tomuto jevu mohou přispívat také praktické aspekty přípravy vzorku a měření. Během prvního cyklu ohřevu je vzorek zpočátku vložen v pevném stavu, přičemž jeho kontakt se dnem kelímku může být omezený a nerovnoměrný. Po roztavení se materiál přerozdělí a během následného ochlazování vytvoří vrstvu s lepším kontaktem s kelímkem. Ve druhém cyklu ohřevu tento lepší tepelný kontakt a možné rozprostření vzorku po větší ploše usnadňují účinnější přenos tepla. V důsledku toho se ve druhém cyklu ohřevu běžně pozoruje posun k mírně nižším teplotám tání.
Dalším zjištěním je nárůst šířky píku u SA 44 % po prvním zahřátí z 4,0 ± 0,2 °C na 5,0 ± 0,2 °C. Naproti tomu u SA 95 % dochází pouze k mírnému nárůstu průměrné šířky píku o přibližně 0,3 °C (tabulka 3). Zatímco šířka píku poskytuje indikaci změn v chování při tavení, za významnější se považuje vývoj entalpie tavení (ΔH). U vzorku SA 44 % je pozorován zřetelný pokles entalpie, a to z 188,0 ± 1,8 J/g při prvním zahřátí na 177,4 ± 2,1 J/g při druhém zahřátí. Naproti tomu vzorek SA 95 % s vyšší čistotou vykazuje pouze nepatrnou změnu ΔH, a to z 215,2 ± 1,3 J/g na 213,4 ± 0,9 J/g (viz tabulka 3). Toto chování naznačuje, že vyšší obsah kyseliny palmitové ve vzorku SA 44 % ovlivňuje uspořádání molekul a rekrystalizaci, což vede nejen k širšímu rozsahu tání, ale také k měřitelným změnám energetických charakteristik fázového přechodu, zatímco u homogenějšího vzorku SA 95 % zůstává tento jev z velké části neovlivněn.
Je důležité poznamenat, že jak kyselina stearová, tak kyselina palmitová mohou existovat v různých polymorfních formách nebo rekrystalizovat z roztavené fáze. Teploty tání těchto forem jsou obvykle velmi blízké; tyto různé polymorfní formy však mohou ovlivnit DSC křivku.
Kromě toho přítomnost více tepelných jevů během druhého ohřevu SA 44 % naznačuje zřetelné rameno v signálu první derivace (DDSC) (obrázek 4A), které u SA 95 % pozorováno není. Tuto vlastnost lze jasněji vyhodnotit na základě křivky DDSC, kde se toto rameno stává výraznější. To dále potvrzuje přítomnost heterogenity složení a složitějšího krystalizačního chování u vzorku s nižší čistotou.
Když se první křivky ohřevu obou vzorků zobrazí v jednom grafu, stane se rozdíl mezi jejich bodem tání obzvláště zřejmý. Obrázek 5 znázorňuje první křivky ohřevu vzorků SA 44 % a SA 95 %, které vykazují úzké a dobře vymezené píky s vynikajícím rozlišením. Zřetelný rozdíl v poloze píků odráží rozdíly v chemickém složení a čistotě, stejně jako rozdíly v krystalické struktuře.
Závěr
Celkově tyto výsledky dokazují, že přístroj DSC 300 Caliris® poskytuje vysoce reprodukovatelná a dobře rozlišená termická data, která umožňují jasné rozlišení mezi vzorky s různým složením a čistotou. Díky své citlivosti na změny teploty tání, tvaru píku a chování při rekrystalizaci je tento přístroj výkonným a efektivním nástrojem pro výzkum i průmysl.
Ve farmaceutických, kosmetických a potravinářských aplikacích, kde je konzistence a čistota surovin rozhodující, umožňuje přístroj DSC 300 Caliris® rychlou identifikaci rozdílů v materiálech, detekci nečistot a ověření konzistence mezi jednotlivými šaržemi, čímž podporuje jak vývoj produktů, tak rutinní zajištění kvality.
Tato studie ukázala, že kyselina stearová farmaceutické kvality nemusí vždy splňovat očekávané složení čisté kyseliny stearové, i když látka vyhovuje požadavkům monografie lékopisu. Její vlastnosti, jako je chování při tání, závisí do značné míry na jejím složení. Proto se doporučuje, aby byla látka před jakýmkoli průmyslovým použitím řádně charakterizována.
Poděkování
Velké poděkování patří Gabriele Kaiserové a Dr. Stefanovi Schmölzerovi za jejich cenný přínos k technickému vyhodnocení a interpretaci výsledků.