Introducción
El ácido esteárico es un ácido graso saturado de origen natural con una cadena de carbono larga, presente tanto en aceites de origen vegetal como en grasas animales. Se utiliza ampliamente en diversos sectores, entre ellos el farmacéutico, el cosmético, el alimentario y el de productos para el hogar, como velas y detergentes. Sin embargo, en aplicaciones farmacéuticas, el ácido esteárico de grado farmacéutico no es una sustancia única y químicamente pura, sino una mezcla de ácidos grasos, principalmente ácido esteárico y palmitico, cuyas proporciones relativas pueden variar dentro de unos límites de especificación definidos. Esta variabilidad en la composición puede influir en propiedades clave como el comportamiento de fusión.
Ácido esteárico: estructura, propiedades y aplicaciones
El ácido esteárico (también conocido como ácido octadecanoico) es un sólido cristalino duro, de color blanco a ligeramente amarillento, y un ácido graso saturado de cadena larga (C₁₈H₃₆O₂, fig. 1). Su estructura consiste en una cadena hidrocarbonada lineal de diecisiete grupos metileno que termina en un grupo ácido carboxílico, lo que le confiere un carácter anfifílico, aunque es predominantemente hidrofóbico debido a su larga cola no polar. La ausencia de dobles enlaces le confiere una elevada estabilidad química y resistencia a la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación. Es poco soluble en agua, pero fácilmente soluble en disolventes orgánicos como el benceno, el tetracloruro de carbono, el cloroformo y el éter, y su grupo polar terminal permite interacciones interfaciales.
El ácido esteárico se esterifica fácilmente con alcoholes para formar ésteres, que se utilizan como emolientes y modificadores de textura (por ejemplo, estearato de octilo, estearato de glicerilo). También forma sales metálicas, como los estearatos de magnesio, sodio y zinc, que se utilizan ampliamente como lubricantes, estabilizadores y agentes desmoldeantes.
En formulaciones farmacéuticas y cosméticas, el ácido esteárico actúa como emulsionante, espesante, solubilizante y emoliente en productos tópicos, y como lubricante, aglutinante y agente modificador de la liberación en formas farmacéuticas sólidas [2]. En el sector alimentario, figura como E570 (UE) [3] y está reconocido como GRAS (Generally Recognized as Safe, «generalmente reconocido como seguro») por la FDA [4]. Sirve como agente antiaglomerante, emulsionante y portador de sabor en productos como productos de panadería, helados, chicles y dulces.
Los ácidos grasos difieren en la longitud de la cadena y en el grado de saturación, lo que determina su comportamiento de fusión y su estado físico. Los ácidos de cadena corta y e medium a (p. ej., C8:0 - C12:0) tienen puntos de fusión bajos (de 16 a 32 °C) y se presentan en estado líquido o semisólido a temperatura ambiente, mientras que las cadenas saturadas más largas (C14:0 - C18:0) presentan puntos de fusión más altos (de 44 a 70 °C) y se encuentran en estado sólido. La insaturación reduce el Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión, como se observa en el caso del ácido oleico (C18:1, ~16 °C). El ácido oleico también tiene 18 átomos de carbono, pero contiene un doble enlace. En comparación con el ácido palmítico (C₁₆H₃₂O₂, ácido hexadecanoico, figura 2) —otro ácido graso muy frecuente en la naturaleza—, el ácido esteárico presenta un Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión ligeramente superior y contribuye a estructuras más firmes, mientras que el ácido oleico altera el empaquetamiento, lo que da lugar a sistemas más blandos con mayor untabilidad, pero menor estabilidad oxidativa.
Por lo tanto, la estructura de los ácidos grasos determina sus propiedades fisicoquímicas y sus aplicaciones en los sectores farmacéutico, cosmético y alimentario (véase la tabla 1).
Tabla 1: Relación entre la estructura, las propiedades y las aplicaciones de los ácidos grasos más comunes
| Ácido graso | Longitud de la cadena de carbono | Tipo de cadena | Punto de fusión (°C) [5] | Aplicaciones típicas (industrias farmacéutica, cosmética y alimentaria) |
|---|---|---|---|---|
| Ácido caprílico | C8:0 | Saturado medium | 16,5 | Agente antimicrobiano, intermediario farmacéutico; estabilizador de proteínas; coadyuvante en la fabricación de productos biofarmacéuticos [6] |
| Ácido cáprico | C10:0 | Saturado medium | 31,6 | Agente aromatizante y solubilizante en preparaciones farmacéuticas, que aporta un sabor similar al de los cítricos; agente emulsionante [2] |
| Ácido láurico | C12:0 | Saturado medium | 43,8 | Agente emulsionante y solubilizante; aditivo alimentario; lubricante; tensioactivo [2] |
| Ácido mirístico | C14:0 | Saturado de cadena larga | 53,9 | Agente emulsionante y solubilizante; penetrante cutáneo; lubricante para comprimidos y cápsulas [2] |
| Ácido palmítico | C16:0 | Saturado de cadena larga | 62,5 | Agente emulsionante y solubilizante; penetrante cutáneo; lubricante para comprimidos y cápsulas [2] |
| Ácido esteárico | C18:0 | Saturado de cadena larga | 69,3 | Agente emulsionante y solubilizante; lubricante para comprimidos y cápsulas [2] |
| Ácido oleico | C18:1 | Monosaturado | 16,3 | Agente emulsionante; penetrante cutáneo [2] |
Efecto de la composición de ácidos esteárico y palmítico sobre el comportamiento térmico
Según la farmacopea (USP-NF), el ácido esteárico se define como una mezcla de ácidos esteárico (C18:0) y palmítico (C16:0), que contiene no menos del 40 % de ácido esteárico, siendo el contenido combinado de estos dos ácidos grasos saturados de al menos el 90 % (Figura 2). En consecuencia, los grados farmacéuticos disponibles en el mercado presentan variabilidad en la relación entre el ácido esteárico y el palmítico, lo que influye directamente en sus propiedades termofísicas. Dado que la longitud de la cadena de los ácidos grasos determina tanto las interacciones intermoleculares de van der Waals como la eficiencia del empaquetamiento cristalino, las diferencias en la composición alteran la estabilidad de la red cristalina y el comportamiento polimórfico, lo que da lugar a perfiles de fusión distintos. Por lo general, unas proporciones más elevadas de ácido esteárico favorecen un aumento de las temperaturas de fusión y un mayor orden cristalino, mientras que un mayor contenido de ácido palmítico puede reducir ligeramente estos parámetros debido a la menor longitud de la cadena. En este trabajo, hemos analizado dos muestras diferentes de ácido esteárico, con distintas relaciones entre el ácido esteárico y el ácido palmítico.
Experimental
Se analizaron dos muestras de ácido esteárico: una con un contenido superior al 95 % de ácido esteárico y otra con un 44 % de ácido esteárico; la primera fabricada por Sigma-Adrich y la segunda por Caelo. Se empleó la calorimetría diferencial de barrido (DSC) para caracterizar las diferencias en el comportamiento térmico y evaluar el impacto de la composición en las transiciones de fusión.
Las muestras se colocaron en crisoles de aluminio (Concavus®), que se cerraron con tapas perforadas, y se calentaron de 20 °C a 160 °C a una velocidad de calentamiento de 10 K/min bajoN₂ a un caudal de 20 ml/min. Cada muestra se midió por triplicado, registrándose unas masas medias medidas de 2,57 ± 0,05 mg para el ácido esteárico al 95 % y de 2,46 ± 0,05 mg para el ácido esteárico al 44 %; véase la tabla 2.
Tabla 2: Condiciones experimentales
| Parámetro | Condición |
|---|---|
| Instrumento | DSC 300 Caliris® Supreme , módulo H |
| Masa de la muestra | De 2,41 a 2,61 mg |
| Tipo de muestra | Ácido esteárico (SA 44 %, SA 95 %) |
| Crisol | Crisol de aluminio, con tapa perforada |
| Atmósfera | N₂ |
| Caudal de gas | 20 ml/min (gas de purga) |
| Rango de temperatura | De 20 °C a 160 °C |
| Velocidades de calentamiento y enfriamiento | 10 K/min |
| Software | NETZSCH Proteus® Protect versión 9 |
Resultados de las mediciones
Las curvas DSC del ácido esteárico al 44 % (SA 44 %) y del ácido esteárico al 95 % (SA 95 %), representadas en la figura 3, muestran picos de fusión tanto durante el primer como durante el segundo ciclo de calentamiento, así como recristalización durante el enfriamiento, con una excelente reproducibilidad (figuras 3A y 3B, respectivamente). Según las temperaturas de inicio de fusión (Tm) extrapoladas, el SA al 44 % se funde a aproximadamente 54-55 °C, mientras que el SA al 95 % se funde a unos 69-70 °C.
El SA al 44 % presenta una ligera disminución dela Tm entre el primer y el segundo ciclo de calentamiento. Del mismo modo, en el caso del SA al 95 %, el segundo ciclo de calentamiento muestra unaTm aproximadamente 1 °C inferior a la observada durante el primer ciclo (véase la tabla 3). Estos cambios pueden atribuirse a varios factores, entre ellos la falta de homogeneidad de la muestra durante su preparación, el historial térmico, el PolimorfismoEl polimorfismo es la capacidad de un material sólido de formar diferentes estructuras cristalinas (sinónimos: formas, modificaciones).polimorfismo o las variaciones en el comportamiento de recristalización bajo las condiciones de enfriamiento aplicadas.
Tabla 3: Resultados de la DSC para el ácido esteárico al 44 % y el ácido esteárico al 95 %
| Pico complejo | Ácido esteárico al 44 % 1.º calentamiento | Ácido esteárico al 44 % 2.º calentamiento | Ácido esteárico al 95 % 1.º calentamiento | Ácido esteárico al 95 % 2.º calentamiento |
|---|---|---|---|---|
| Tm inicial extrapolada (°C) | 54,5 ± 3 0,1 | 54,0 ± 0,1 | 69,6 ± 0,2 | 68,7 ± 0,1 |
| Temperatura máxima (°C) | 57,9 ± 0,2 | 57,5 ± 0,1 | 73,2 ± 0,2 | 72,8 ± 0,0 |
| Entalpía (J/g) | 188,0 ± 1,8 | 177,4 ± 2,1 | 215,2 ± 1,3 | 213,4 ± 0,9 |
Ancho del pico (°C al 37,0 %) | 4,0 ± 0,2 | 5,0 ± 0,2 | 4,6 ± 0,1 | 4,9 ± 0,1 |
Además, algunos aspectos prácticos relacionados con la preparación de la muestra y la medición pueden contribuir a este efecto. Durante el primer ciclo de calentamiento, la muestra se introduce inicialmente en estado sólido, con un contacto potencialmente limitado y no uniforme con el fondo del crisol. Al fundirse, el material se redistribuye y forma una capa con un mejor contacto con el crisol durante el enfriamiento posterior. En el segundo ciclo de calentamiento, este mejor contacto térmico y la posible distribución de la muestra sobre una superficie mayor facilitan una transferencia de calor más eficiente. Como resultado, es habitual observar un desplazamiento hacia temperaturas de fusión ligeramente más bajas en el segundo ciclo de calentamiento.
Otra observación es el aumento de la anchura del pico para el SA 44 % tras el primer calentamiento, de 4,0 ± 0,2 °C a 5,0 ± 0,2 °C. Por el contrario, el SA 95 % solo presenta un ligero aumento de aproximadamente 0,3 °C en la anchura media del pico (Tabla 3). Si bien la anchura del pico ofrece una indicación de los cambios en el comportamiento de fusión, se considera más significativa la evolución de la entalpía de fusión (ΔH). En el caso del SA al 44 %, se observa una clara disminución de la entalpía, de 188,0 ± 1,8 J/g en el primer calentamiento a 177,4 ± 2,1 J/g en el segundo calentamiento. Por el contrario, la muestra de SA al 95 %, de mayor pureza, solo muestra un cambio menor en ΔH, de 215,2 ± 1,3 J/g a 213,4 ± 0,9 J/g (véase la Tabla 3). Este comportamiento sugiere que el mayor contenido de ácido palmítico en el SA al 44 % afecta al empaquetamiento molecular y a la recristalización, lo que da lugar no solo a transiciones de fusión más amplias, sino también a cambios cuantificables en las características energéticas de la Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transición de fase, mientras que el SA al 95 %, más homogéneo, permanece prácticamente inalterado.
Es importante señalar que tanto el ácido esteárico como el ácido palmítico pueden existir en diferentes formas polimórficas o recristalizarse a partir de la fase fundida. Los puntos de fusión de estas formas suelen estar muy próximos entre sí; sin embargo, estas diferentes formas polimórficas pueden afectar a la curva del DSC.
Además, la presencia de múltiples eventos térmicos durante el segundo calentamiento del SA al 44 % queda indicada por un «hombro» distintivo en la señal de la primera derivada (DDSC) (Figura 4A), que no se observa en el SA al 95 %. Esta característica puede evaluarse con mayor claridad a partir de la curva DDSC, donde el «hombro» se hace más pronunciado. Esto respalda aún más la presencia de heterogeneidad composicional y un comportamiento de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización más complejo en la muestra de menor pureza.
Cuando se representan en un único gráfico las primeras curvas de calentamiento de ambas muestras, la diferencia entre sus puntos de fusión resulta especialmente evidente. La figura 5 muestra las primeras curvas de calentamiento de SA 44 % y SA 95 %, que revelan picos estrechos y bien definidos con una resolución excelente. La clara diferencia en la posición de los picos refleja la variación en la composición química y la pureza, así como las diferencias en la estructura cristalina.
Conclusión
En general, estos resultados demuestran que el DSC 300 Caliris® proporciona datos térmicos altamente reproducibles y con una buena resolución, lo que permite diferenciar claramente entre muestras con composiciones y purezas variables. Su sensibilidad a los cambios en la Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión, la forma de los picos y el comportamiento de recristalización lo convierte en una herramienta potente y eficiente para la investigación y la industria.
En aplicaciones farmacéuticas, cosméticas y alimentarias, donde la consistencia y la pureza de las materias primas son fundamentales, el DSC 300 Caliris® permite identificar rápidamente las diferencias entre materiales, detectar impurezas y verificar la consistencia entre lotes, lo que contribuye tanto al desarrollo de productos como al control de calidad rutinario.
Este estudio ha demostrado que el ácido esteárico de grado farmacéutico puede no cumplir siempre con la composición esperada del ácido esteárico puro, aunque el material cumpla con los requisitos de la monografía de la farmacopea. Sus propiedades, como el comportamiento de fusión, dependen en gran medida de su composición. Por lo tanto, se recomienda caracterizar adecuadamente la sustancia antes de cualquier uso industrial.
Agradecimientos
Muchísimas gracias a Gabriele Kaiser y al Dr. Stefan Schmölzer por sus valiosas aportaciones a la evaluación técnica y la interpretación de los resultados.