Indledning
Stearinsyre er en naturligt forekommende mættet fedtsyre med en lang kulstofkæde, der findes både i planteolier og animalske fedtstoffer. Den anvendes i vid udstrækning inden for forskellige industrier, herunder lægemidler, kosmetik, fødevarer og husholdningsartikler som stearinlys og rengøringsmidler. I farmaceutiske anvendelser er stearinsyre af farmaceutisk kvalitet imidlertid ikke et enkelt, kemisk rent stof, men en blanding af fedtsyrer, primært stearinsyre og palmitinsyre, hvis relative andele kan variere inden for fastlagte specifikationsgrænser. Denne variation i sammensætningen kan påvirke vigtige egenskaber såsom smelteadfærd.
Stearinsyre: Struktur, egenskaber og anvendelser
Stearinsyre (også kendt som oktadecansyre) er et hårdt, hvidt til let gulligt krystallinsk fast stof og en langkædet mættet fedtsyre (C₁₈H₃₆O₂, fig. 1). Dens struktur består af en lineær kulbrintekæde med sytten methylengrupper, der ender i en carboxylgruppe, hvilket giver den en amfifil karakter, selvom den overvejende er hydrofob på grund af sin lange, ikke-polære hale. Fraværet af dobbeltbindinger giver den høj kemisk stabilitet og modstandsdygtighed over for OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.oxidation. Den er dårligt opløselig i vand, men let opløselig i organiske opløsningsmidler såsom benzen, tetrachlormethan, chloroform og æter, hvor den polære hovedgruppe muliggør interaktioner ved grænsefladen.
Stearinsyre indgår let i esterificering med alkoholer og danner estere, der anvendes som blødgøringsmidler og teksturmodifikatorer (f.eks. octylstearat, glycerylstearat). Den danner også metalsalte såsom magnesium-, natrium- og zinkstearater, der er meget udbredt som smøremidler, stabilisatorer og formfrigørelsesmidler.
I farmaceutiske og kosmetiske formuleringer fungerer stearinsyre som emulgator, fortykningsmiddel, opløsningsmiddel og blødgøringsmiddel i topiske produkter samt som smøremiddel, bindemiddel og frigørelsesmodificerende middel i faste doseringsformer [2]. I fødevaresektoren er det opført som E570 (EU) [3] og anerkendt som GRAS (Generally Recognized as Safe) af FDA [4]. Den fungerer som antiklumpemiddel, emulgator og smagsbærer i produkter såsom bagværk, is, tyggegummi og konfekt.
Fedtsyrer adskiller sig i kædelængde og mætning, hvilket bestemmer deres smelteadfærd og fysiske tilstand. Korte og medium-kædede syrer (f.eks. C8:0 – C12:0) har lave smeltepunkter (16 til 32 °C) og er flydende eller halvfaste ved stuetemperatur, mens længere mættede kæder (C14:0 – C18:0) udviser højere smeltepunkter (44 til 70 °C) og er faste. Umætning sænker smeltepunktet, hvilket ses ved oliesyre (C18:1, ~16 °C). Oliesyre har ligeledes 18 kulstofatomer, men indeholder én dobbeltbinding. Sammenlignet med palmitinsyre (C₁₆H₃₂O₂, hexadecansyre, figur 2) – en anden fedtsyre, der forekommer meget hyppigt i naturen – har stearinsyre et lidt højere Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltepunkt og bidrager til fastere strukturer, mens oliesyre forstyrrer pakningen, hvilket resulterer i blødere systemer med forbedret smørbarhed, men lavere oxidativ stabilitet.
Fedtsyrernes struktur bestemmer således deres fysisk-kemiske egenskaber og anvendelsesmuligheder inden for lægemidler, kosmetik og fødevarer (se tabel 1).
Tabel 1: Sammenhængen mellem struktur, egenskaber og anvendelse af almindelige fedtsyrer
| Fedtsyre | Kulstofkædens længde | Kædetype | Smeltepunkt (°C) [5] | Typiske anvendelser (lægemiddel-, kosmetik- og fødevareindustrien) |
|---|---|---|---|---|
| Caprylsyre | C8:0 | Mættet medium | 16,5 | Antimikrobielt middel, mellemprodukt til lægemidler; proteinstabilisering; hjælpestof til fremstilling af biofarmaceutiske produkter [6] |
| Caprynsyre | C10:0 | Mættet medium | 31,6 | Aroma- og opløsningsmiddel i farmaceutiske præparater, der giver en citruslignende smag; emulgeringsmiddel [2] |
| Laurinsyre | C12:0 | Mættet medium | 43,8 | Emulgerings- og opløsningsmiddel; fødevaretilsætningsstof; smøremiddel; overfladeaktivt stof [2] |
| Myristinsyre | C14:0 | Mættet langkædet | 53,9 | Emulgerings- og opløsningsmiddel; hudgennemtrængende middel; smøremiddel til tabletter og kapsler [2] |
| Palmitinsyre | C16:0 | Mættet langkædet | 62,5 | Emulgerings- og opløsningsmiddel; hudpenetrerende middel; smøremiddel til tabletter og kapsler [2] |
| Stearinsyre | C18:0 | Mættet langkædet | 69,3 | Emulgerings- og opløsningsmiddel; smøremiddel til tabletter og kapsler [2] |
| Oleinsyre | C18:1 | Enumættet | 16,3 | Emulgeringsmiddel; hudgennemtrængende middel [2] |
Indflydelse af sammensætningen af stearinsyre og palmitinsyre på den termiske adfærd
I henhold til farmakopéen (USP–NF) defineres stearinsyre som en blanding af stearinsyre (C18:0) og palmitinsyre (C16:0), der indeholder mindst 40 % stearinsyre, hvor det samlede indhold af disse to mættede fedtsyrer udgør mindst 90 % (figur 2). Derfor udviser kommercielt tilgængelige farmaceutiske kvaliteter variation i forholdet mellem stearinsyre og palmitinsyre, hvilket direkte påvirker deres termofysiske egenskaber. Da fedtsyrekædelængden styrer både de intermolekylære van der Waals-interaktioner og den krystallinske pakningseffektivitet, ændrer forskelle i sammensætningen gitterstabiliteten og den polymorfe adfærd, hvilket resulterer i forskellige smelteprofiler. Højere andele af stearinsyre medfører typisk højere smeltetemperaturer og forbedret krystallinsk orden, mens et højere indhold af palmitinsyre kan reducere disse parametre en smule på grund af den kortere kædelængde. I dette arbejde analyserede vi to forskellige prøver af stearinsyre med forskellige forhold mellem stearinsyre og palmitinsyre.
Eksperimentel
Der blev analyseret to stearinsyreprøver: én med et indhold på over 95 % stearinsyre og en anden med et indhold på 44 % stearinsyre; den første var fremstillet af Sigma-Adrich og den anden af Caelo. Differential scanning calorimetry (DSC) blev anvendt til at karakterisere forskellene i termisk adfærd og til at vurdere sammensætningens indvirkning på smelteovergange.
Prøverne blev hældt i aluminiumsdigler (Concavus®), som blev lukket med låg med huller, og opvarmet fra 20 °C til 160 °C med en opvarmningshastighed på 10 K/min underN2 med en gennemstrømning på 20 ml/min. Hver prøve blev målt i tre eksemplarer, hvor de gennemsnitlige målte masser blev registreret til 2,57 ± 0,05 mg for stearinsyre 95 % og 2,46 ± 0,05 mg for stearinsyre 44 %, se tabel 2.
Tabel 2: Forsøgsbetingelser
| Parameter | Betingelse |
|---|---|
| Instrument | DSC 300 Caliris® Supreme , H-modul |
| Prøvemasse | 2,41 til 2,61 mg |
| Prøvetype | Stearinsyre (SA 44 %, SA 95 %) |
| Tigelt | Aluminiumsdigel med hullet låg |
| Atmosfære | N2 |
| Gasgennemstrømning | 20 ml/min (spygas) |
| Temperaturområde | 20 °C til 160 °C |
| Opvarmnings- og afkølingshastigheder | 10 K/min |
| Software | NETZSCH Proteus® Protect version 9 |
Måleresultater
DSC-kurverne for stearinsyre 44 % (SA 44 %) og stearinsyre 95 % (SA 95 %), som er afbildet i figur 3, viser smeltetoppe under både den første og den anden opvarmningscyklus samt omkrystallisering under afkøling med fremragende reproducerbarhed (henholdsvis figur 3A og 3B). Baseret på de ekstrapolerede smeltestartstemperaturer (Tm) smelter SA 44 % ved ca. 54 til 55 °C, mens SA 95 % smelter ved ca. 69 til 70 °C.
SA 44 % udviser et svagt fald iTm mellem den første og den anden opvarmningscyklus. Tilsvarende viser den anden opvarmning for SA 95 % enTm, der er ca. 1 °C lavere end den, der blev observeret under den første opvarmning (se tabel 3). Disse forskydninger kan tilskrives flere faktorer, herunder uhomogenitet i prøven under forberedelsen, termisk historie, PolymorfismePolymorfisme er et fast materiales evne til at danne forskellige krystallinske strukturer (synonymer: former, modifikationer).polymorfisme eller variationer i omkrystalliseringsadfærd under de anvendte afkølingsbetingelser.
Tabel 3: DSC-resultater for stearinsyre 44 % og stearinsyre 95 %
| Kompleks top | Stearinsyre 44 % 1. opvarmning | Stearinsyre 44 % 2. opvarmning | Stearinsyre 95 % 1. opvarmning | Stearinsyre 95 % 2. opvarmning |
|---|---|---|---|---|
| Ekstrapoleret begyndelsestemperaturTm (°C) | 54,5 ± 3 0,1 | 54,0 ± 0,1 | 69,6 ± 0,2 | 68,7 ± 0,1 |
| Maksimumstemperatur (°C) | 57,9 ± 0,2 | 57,5 ± 0,1 | 73,2 ± 0,2 | 72,8 ± 0,0 |
| Enthalpi (J/g) | 188,0 ± 1,8 | 177,4 ± 2,1 | 215,2 ± 1,3 | 213,4 ± 0,9 |
Toppbredde (°C ved 37,0 %) | 4,0 ± 0,2 | 5,0 ± 0,2 | 4,6 ± 0,1 | 4,9 ± 0,1 |
Derudover kan praktiske aspekter ved prøveforberedelse og måling bidrage til denne effekt. Under den første opvarmningscyklus indføres prøven oprindeligt som et fast stof med potentielt begrænset og uensartet kontakt med digelens bund. Ved Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning omfordeles materialet og danner et lag med forbedret kontakt til digelen under den efterfølgende afkøling. I den anden opvarmningscyklus muliggør denne forbedrede termiske kontakt og eventuel spredning af prøven over et større overfladeareal en mere effektiv varmeoverførsel. Som følge heraf observeres der typisk en forskydning mod lidt lavere smeltetemperaturer i den anden opvarmningscyklus.
En anden observation er stigningen i topbredden for SA 44 % efter den første opvarmning fra 4,0 ± 0,2 °C til 5,0 ± 0,2 °C. Derimod udviser SA 95 % kun en svag stigning på ca. 0,3 °C i den gennemsnitlige topbredde (Tabel 3). Mens topbredden giver en indikation af ændringer i smelteadfærd, anses udviklingen i smelteentalpien (ΔH) for at være mere signifikant. For SA 44 % observeres et tydeligt fald i enthalpien, fra 188,0 ± 1,8 J/g ved den første opvarmning til 177,4 ± 2,1 J/g ved den anden opvarmning. Derimod viser prøven med den højere renhed, SA 95 %, kun en mindre ændring i ΔH, fra 215,2 ± 1,3 J/g til 213,4 ± 0,9 J/g (se tabel 3). Denne adfærd tyder på, at det højere indhold af palmitinsyre i SA 44 % påvirker molekylpakningen og omkrystalliseringen, hvilket ikke blot fører til bredere smelteovergange, men også til målbare ændringer i faseovergangens energimæssige egenskaber, mens den mere homogene SA 95 % forbliver stort set upåvirket.
Det er vigtigt at bemærke, at både stearinsyre og palmitinsyre kan forekomme i forskellige polymorfe former eller omkrystallisere fra den smeltede fase. Smeltepunkterne for disse former ligger normalt meget tæt på hinanden; disse forskellige polymorfe former kan dog påvirke DSC-kurven.
Derudover indikeres tilstedeværelsen af flere termiske begivenheder under den anden opvarmning af SA 44 % af en tydelig skulder i det første afledte (DDSC) signal (figur 4A), hvilket ikke observeres for SA 95 %. Dette træk kan vurderes tydeligere på baggrund af DDSC-kurven, hvor skulderen bliver mere udtalt. Dette underbygger yderligere tilstedeværelsen af sammensætningsmæssig heterogenitet og en mere kompleks krystalliseringsadfærd i prøven med lavere renhed.
Når de første opvarmningskurver for begge prøver vises i et enkelt diagram, bliver forskellen mellem deres smeltepunkter særligt tydelig. Figur 5 viser de første opvarmningskurver for SA 44 % og SA 95 %, som viser smalle og veldefinerede toppe med fremragende opløsning. Den tydelige forskel i topplaceringen afspejler variationen i kemisk sammensætning og renhed samt forskelle i krystalstrukturen.
Konklusion
Samlet set viser disse resultater, at DSC 300- Caliris® en leverer yderst reproducerbare og veldefinerede termiske data, hvilket gør det muligt at skelne klart mellem prøver med forskellige sammensætninger og renhedsgrader. Dens følsomhed over for ændringer i Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltetemperatur, topform og omkrystalliseringsadfærd gør den til et kraftfuldt og effektivt værktøj til forskning og industri.
Inden for farmaceutiske, kosmetiske og fødevareanvendelser, hvor råvarernes konsistens og renhed er afgørende, muliggør DSC 300- Caliris® en hurtig identifikation af forskelle i materialer, påvisning af urenheder og verifikation af konsistensen fra batch til batch, hvilket understøtter både produktudvikling og rutinemæssig kvalitetssikring.
Denne undersøgelse har vist, at stearinsyre af farmaceutisk kvalitet ikke altid lever op til den forventede sammensætning af ren stearinsyre, selvom stoffet overholder kravene i farmakopéens monografi. Dets egenskaber, såsom smelteadfærd, afhænger i høj grad af dets sammensætning. Det anbefales derfor, at stoffet karakteriseres korrekt inden industriel anvendelse.
Tak
En stor tak til Gabriele Kaiser og dr. Stefan Schmölzer for deres værdifulde bidrag til den tekniske evaluering og fortolkningen af resultaterne.