Εισαγωγή
Η λακτόζη είναι ένα δισακχαριδικό σάκχαρο που αποτελείται από γαλακτόζη και γλυκόζη και βρίσκεται στο γάλα των θηλαστικών. Η λακτόζη αποτελεί περίπου το 2% έως 8% του γάλακτος (κατά βάρος), αν και η ποσότητα ποικίλλει ανάλογα με τα είδη και τα άτομα. Η ονομασία προέρχεται από το lac (gen. lactis), τη λατινική λέξη για το γάλα συν την κατάληξη -ose που χρησιμοποιείται για την ονομασία των σακχάρων [2].
Η λακτόζη μπορεί να ληφθεί σε άμορφη ή κρυσταλλική μορφή. Στο γάλα απαντώνται τόσο η α- όσο και η ß- κρυσταλλική μορφή. Διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τον προσανατολισμό μιας υδροξυλομάδας του δακτυλίου άνθρακα. Η α-λακτόζη κρυσταλλώνεται ως μονοϋδρική, ενώ η β-λακτόζη δεν περιέχει κρυσταλλικό νερό, γι' αυτό και συχνά περιγράφεται ως άνυδρη λακτόζη. Η άμορφη λακτόζη λαμβάνεται όταν ένα πολύ πυκνό διάλυμα λακτόζης ξηραίνεται γρήγορα [3]. Όλες αυτές οι μορφές λακτόζης χρησιμοποιούνται ως έκδοχα σε φαρμακευτικά προϊόντα. Ωστόσο, καθεμία από αυτές έχει φυσικές ιδιότητες που διαφέρουν σημαντικά από τις άλλες δύο- έτσι, χρησιμοποιούνται για διαφορετικούς σκοπούς [3].
Συνθήκες μέτρησης
Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με το TG 209 F1 Libra® υπό ατμόσφαιρα αζώτου. Ένα δείγμα λακτόζης (αρχική μάζα: 6,43 mg) τοποθετήθηκε σε χωνευτήρι οξειδίου του αλουμινίου και θερμάνθηκε από θερμοκρασία δωματίου στους 600°C με ταχύτητα 10 K/min. Τα αέρια που αναπτύχθηκαν κατά τη θέρμανση μεταφέρθηκαν απευθείας στην κυψέλη αερίου του φασματογράφου FT-IR της Bruker Optics.
Αποτελέσματα μέτρησης
Στο Σχήμα 2 απεικονίζεται η καμπύλη απώλειας μάζας καθώς και η πρώτη παράγωγος της (DTG). Η καμπύλη Gram-Schmidt δείχνει την ποσότητα των ουσιών που αναπτύσσονται και ανιχνεύονται από το FT-IR κατά τη θέρμανση.
Σε ένα πρώτο βήμα απώλειας μάζας με κορυφή DTG στους 143°C, το δείγμα χάνει το 5% της αρχικής του μάζας. Η λακτόζη έχει μοριακή μάζα 342,3 g/mol [2]. Στη μονοϋδρική λακτόζη, κάθε μόριο λακτόζης συνδέεται με ένα μόριο νερού, με αποτέλεσμα η μοριακή μάζα να είναι 360,3 g/mol. Αυτό αντιστοιχεί σε απώλεια μάζας 5% μόλις απελευθερωθεί πλήρως το κρυσταλλικό νερό.
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται το τρισδιάστατο φάσμα των προϊόντων που απελευθερώνονται κατά τη θέρμανση. Το φάσμα των προϊόντων που απελευθερώνονται στους 147°C (σχήμα 4, άνω φάσμα) αποδεικνύει ότι μόνο το νερό εξατμίζεται σε αυτή τη θερμοκρασία: Πρόκειται για το κρυσταλλικό νερό που περιέχεται στο δείγμα. Αυτό, σε συνδυασμό με την απώλεια μάζας 5% που συζητήθηκε παραπάνω, επιβεβαιώνει ότι το υπό μελέτη δείγμα λακτόζης είναι μονοϋδρικό.
Η αποικοδόμηση της μονοϋδρικής λακτόζης αρχίζει στους 224°C (θερμοκρασία έναρξης της καμπύλης TGA). Η διαδικασία εκτελείται σε δύο στάδια, όπως φαίνεται από τις δύο κορυφές στην καμπύλη DTG. Το πρώτο βήμα απώλειας μάζας 8% συνδέεται με μια νέα απελευθέρωση νερού (σχήμα 4, φάσμα στη μέση) που προκύπτει από τη διάσπαση.
Το δεύτερο βήμα αποικοδόμησης λαμβάνει χώρα στους 301°C (κορυφή της καμπύλης DTG) με απώλεια μάζας 71%. Στο σχήμα 5 απεικονίζεται το φάσμα των ουσιών που ανιχνεύονται από τον ανιχνευτή FT-IR στους 309°C (κορυφή). Η σύγκριση με τα φάσματα library δείχνει ότι η λακτόζη αποσυντίθεται- ο δακτύλιος δομής της λακτόζης διασπάται και απελευθερώνεται διοξείδιο του άνθρακα και πιθανώς αιθανοδιόλη.
Για την καλύτερη ανίχνευση των άλλων ουσιών που απελευθερώθηκαν, το φάσμα FT-IR library του νερού αφαιρέθηκε από το φάσμα FT-IR που μετρήθηκε στους 309°C (σχήμα 6). Αυτό επέτρεψε την αναγνώριση του μονοξειδίου του άνθρακα καθώς και των δεσμών C=O στα αέρια που αναπτύχθηκαν.
Συμπέρασμα
Μια μόνο μέτρηση με το TGA-FT-IR ήταν αρκετή για να ληφθούν ποικίλες πληροφορίες σχετικά με το δείγμα λακτόζης. Πρώτον, ήταν δυνατόν να επιβεβαιωθεί ότι πρόκειται για μονοϋδρικό προϊόν. Δεύτερον, κατέστη δυνατός ο προσδιορισμός της θερμοκρασίας αποσύνθεσης. Τέλος, κατέστη δυνατή η ταυτοποίηση των ουσιών που απελευθερώνονται κατά την αποικοδόμηση ως νερό, διοξείδιο του άνθρακα, μονοξείδιο του άνθρακα, αιθάνιο-διόλη και ένα προϊόν που περιέχει δεσμό C=O.
Η TGA-FT-IR μπορεί να θεωρηθεί ως μια σύνθετη μέθοδος μέτρησης επειδή συνδυάζει δύο διαφορετικές ισχυρές τεχνικές, παρέχοντας ένα ευρύ φάσμα αποτελεσμάτων. Ωστόσο, παρά την πολυπλοκότητά της, η σύζευξη ενός θερμοζυγίου με ένα φασματόμετρο FT-IR επιτρέπει την πολύ εύκολη προετοιμασία και μέτρηση του δείγματος, συνδυάζοντας τη φιλικότητα προς το χρήστη με την υψηλή απόδοση.