Johdanto
Steariinihappo on luonnossa esiintyvä, pitkän hiiliketjun omaava tyydyttynyt rasvahappo, jota löytyy sekä kasviperäisistä öljyistä että eläinperäisistä rasvoista. Sitä käytetään laajalti eri teollisuudenaloilla, kuten lääke-, kosmetiikka- ja elintarviketeollisuudessa sekä kotitaloustuotteissa, kuten kynttilöissä ja pesuaineissa. Lääketeollisuudessa farmaseuttisen luokan steariinihappo ei kuitenkaan ole yksittäinen, kemiallisesti puhdas aine, vaan rasvahappojen seos, joka koostuu pääasiassa steariini- ja palmitiinihaposta ja jonka suhteelliset osuudet voivat vaihdella määriteltyjen spesifikaatiorajojen puitteissa. Tämä koostumuksen vaihtelu voi vaikuttaa keskeisiin ominaisuuksiin, kuten sulamiskäyttäytymiseen.
Steariinihappo: rakenne, ominaisuudet ja käyttökohteet
Steariinihappo (tunnetaan myös nimellä oktadekaanihappo) on kova, valkoinen tai hieman kellertävä kiteinen kiinteä aine sekä pitkäketjuinen tyydyttynyt rasvahappo (C₁₈H₃₆O₂, kuva 1). Sen rakenne koostuu lineaarisesta hiilivetyketjusta, jossa on seitsemäntoista metyleeniryhmää ja joka päättyy karboksyylihapporyhmään, mikä antaa sille amfifiilisen luonteen, vaikka se on pääasiassa hydrofobinen pitkän, ei-polaarisen hännänsä vuoksi. Kaksoissidosten puuttuminen takaa korkean kemiallisen stabiilisuuden ja hapettumiskestävyyden. Se liukenee huonosti veteen, mutta liukenee helposti orgaanisiin liuottimiin, kuten bentseeniin, hiilitetrakloridiin, kloroformiin ja eetteriin, ja sen polaarinen pääryhmä mahdollistaa rajapintavuorovaikutukset.
Steariinihappo esteröityy helposti alkoholien kanssa muodostaen estereitä, joita käytetään pehmentävinä aineina ja tekstuurin muokkaajina (esim. oktyylistearaatti, glyseryylistearaatti). Se muodostaa myös metallisuoloja, kuten magnesium-, natrium- ja sinkkistearaatteja, joita käytetään laajalti voiteluaineina, stabilisaattoreina ja muotinirrotusaineina.
Lääke- ja kosmetiikkavalmisteissa steariinihappo toimii emulgointiaineena, sakeuttamisaineena, liukoisuutta parantavana aineena ja pehmentävänä aineena paikalliskäyttöön tarkoitetuissa tuotteissa sekä voiteluaineena, sideaineena ja irtoamista parantavana aineena kiinteissä annosmuodoissa [2]. Elintarvikealalla se on luokiteltu koodilla E570 (EU) [3] ja FDA on tunnustanut sen GRAS-aineeksi (Generally Recognized as Safe) [4]. Sitä käytetään paakkuuntumisenestoaineena, emulgointiaineena ja makuaineen kantajana esimerkiksi leivonnaisissa, jäätelössä, purukumissa ja makeisissa.
Rasvahapot eroavat toisistaan ketjun pituuden ja tyydyttyneisyyden suhteen, jotka määräävät niiden sulamiskäyttäytymisen ja fysikaalisen olomuodon. Lyhyillä ja medium-ketjuisilla rasvahapoilla (esim. C8:0 – C12:0) sulavat matalassa lämpötilassa (16–32 °C) ja ovat huoneenlämmössä nestemäisiä tai puolikiinteitä, kun taas pidemmät tyydyttyneet ketjut (C14:0 – C18:0) sulavat korkeammassa lämpötilassa (44–70 °C) ja ovat kiinteitä. Tyydyttymättömyys alentaa sulamispistettä, kuten voidaan havaita öljyhapon (C18:1, ~16 °C) tapauksessa. Öljyhapollakin on 18 hiiliatomia, mutta se sisältää yhden kaksoissidoksen. Verrattuna palmitiinihappoon (C₁₆H₃₂O₂, heksadekaanihappo, kuva 2) – toiseen luonnossa hyvin yleisesti esiintyvään rasvahappoon – steariinihapon Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulamispiste on hieman korkeampi ja se edistää kiinteämpiä rakenteita, kun taas öljyhappo häiritsee molekyylien pakkautumista, mikä johtaa pehmeämpiin järjestelmiin, joiden levitettävyys on parempi, mutta hapettumiskestävyys heikompi.
Rasvahappojen rakenne määrää siis niiden fysikaalis-kemialliset ominaisuudet ja käyttökohteet lääke-, kosmetiikka- ja elintarviketeollisuudessa (ks. taulukko 1).
Taulukko 1: Yleisten rasvahappojen rakenteen, ominaisuuksien ja käyttötarkoitusten välinen suhde
| Rasvahappo | Hiiliketjun pituus | Ketjutyyppi | Sulamispiste (°C) [5] | Tyypillisiä käyttökohteita (lääke-, kosmetiikka- ja elintarviketeollisuus) |
|---|---|---|---|---|
| Kapryylihappo | C8:0 | Tyydyttynyt medium | 16,5 | Antimikrobinen aine, lääkeaineen välituote; proteiinien stabilointi; biolääkkeiden valmistuksen apuaine [6] |
| Kapriinihappo | C10:0 | Tyydyttynyt medium | 31,6 | Lääkevalmisteiden aromi- ja liukoisuutta parantava aine, joka antaa sitrushedelmän kaltaisen maun; emulgointiaine [2] |
| Lauriinihappo | C12:0 | Tyydyttynyt medium | 43,8 | Emulgointiaine ja liukoisuutta lisäävä aine; elintarvikelisäaine; voiteluaine; pinta-aktiivinen aine [2] |
| Myristiinihappo | C14:0 | Tyydyttynyt pitkäketjuinen | 53,9 | Emulgointi- ja liukoisuutta lisäävä aine; ihoon tunkeutuva aine; tablettien ja kapselien voiteluaine [2] |
| Palmiinihappo | C16:0 | Tyydyttynyt pitkäketjuinen | 62,5 | Emulgointi- ja liukoisuutta lisäävä aine; ihoon tunkeutuva aine; tablettien ja kapselien voiteluaine [2] |
| Steariinihappo | C18:0 | Tyydyttynyt pitkäketjuinen | 69,3 | Emulgointi- ja liukoisuutta parantava aine; tablettien ja kapselien voiteluaine [2] |
| Oleiinihappo | C18:1 | Yksityydynyt | 16,3 | Emulgointiaine; ihoon tunkeutuva aine [2] |
Steariini- ja palmitiinihappokoostumuksen vaikutus lämpökäyttäytymiseen
Farmakopean (USP–NF) määritelmän mukaan steariinihappo määritellään steariinihapon (C18:0) ja palmitiinihapon (C16:0) seokseksi, joka sisältää vähintään 40 % steariinihappoa ja jossa näiden kahden tyydyttyneen rasvahapon yhteenlaskettu pitoisuus on vähintään 90 % (kuva 2). Tämän seurauksena kaupallisesti saatavilla olevien farmaseuttisten laatuisten steariinihappojen steariinihapon ja palmitiinihapon suhde vaihtelee, mikä vaikuttaa suoraan niiden termofysikaalisiin ominaisuuksiin. Koska rasvahappojen ketjun pituus määrää sekä molekyylien välisiä van der Waalsin vuorovaikutuksia että kiteiden pakkautumistehokkuutta, koostumuserot muuttavat hilan stabiilisuutta ja polymorfista käyttäytymistä, mikä johtaa erilaisiin sulamisprofiileihin. Suurempi steariinihapon osuus nostaa tyypillisesti sulamislämpötilaa ja parantaa kiteytymisjärjestystä, kun taas suurempi palmitiinihapon pitoisuus voi hieman alentaa näitä parametreja lyhyemmän ketjun pituuden vuoksi. Tässä tutkimuksessa analysoimme kahta erilaista steariinihapponäytettä, joiden steariinihapon ja palmitiinihapon suhde oli erilainen.
Kokeellinen
Tutkimuksessa analysoitiin kaksi steariinihapponäytettä: toinen sisälsi yli 95 % steariinihappoa ja toinen 44 % steariinihappoa; ensimmäisen valmistaja oli Sigma-Adrich ja toisen Caelo. Differenssiskannauskalorimetriaa (DSC) käytettiin lämpökäyttäytymisen erojen karakterisointiin ja koostumuksen vaikutuksen arviointiin sulamissuuntautumisissa.
Näytteet täytettiin alumiiniupokkaisiin (Concavus®), jotka suljettiin rei’itetyillä kansilla, ja lämmitettiin 20 °C:sta 160 °C:seen 10 K/min:n lämmitysnopeudellaN2-kaasussa, jonka virtausnopeus oli 20 ml/min. Jokaisesta näytteestä tehtiin kolme mittausta, ja mitattujen massojen keskiarvot olivat 2,57 ± 0,05 mg 95-prosenttiselle steariinihapolle ja 2,46 ± 0,05 mg 44-prosenttiselle steariinihapolle, ks. taulukko 2.
Taulukko 2: Koeolosuhteet
| Parametri | Ehto |
|---|---|
| Laite | DSC 300 Caliris® Supreme , H-moduuli |
| Näytteen massa | 2,41–2,61 mg |
| Näytetyyppi | Steariinihappo (SA 44 %, SA 95 %) |
| Upokas | Alumiininen upokas, rei'itetty kansi |
| Ilmakehä | N2 |
| Kaasun virtausnopeus | 20 ml/min (puhdistuskaasu) |
| Lämpötila-alue | 20 °C – 160 °C |
| Lämmitys- ja jäähdytysnopeudet | 10 K/min |
| Ohjelmisto | NETZSCH Proteus® Protect versio 9 |
Mittaustulokset
Kuvassa 3 esitetyt steariinihapon 44 % (SA 44 %) ja steariinihappo 95 % (SA 95 %) DSC-käyrät, jotka on esitetty kuvassa 3, osoittavat sulamispiikkejä sekä ensimmäisen että toisen lämmityssyklin aikana sekä uudelleenkiteytymistä jäähtymisen aikana erinomaisella toistettavuudella (kuvat 3A ja 3B). Ekstrapoloitujen sulamisalkulämpötilojen (Tm) perusteella SA 44 % sulaa noin 54–55 °C:ssa, kun taas SA 95 % sulaa noin 69–70 °C:ssa.
SA 44 %:nTm-arvo laskee hieman ensimmäisen ja toisen lämmityssyklin välillä. Vastaavasti SA 95 %:n kohdalla toisen lämmityksenTm-arvo on noin 1 °C alhaisempi kuin ensimmäisen lämmityksen aikana havaittu arvo (ks. taulukko 3). Nämä muutokset voivat johtua useista tekijöistä, kuten näytteen epähomogeenisuudesta valmistuksen aikana, lämpöhistoriasta, polymorfismista tai uudelleenkiteytymiskäyttäytymisen vaihteluista sovelletuissa jäähdytysolosuhteissa.
Taulukko 3: DSC-tulokset steariinihapolle (44 %) ja steariinihapolle (95 %)
| Monimutkainen piikki | Steariinihappo 44 % 1. lämmitys | Steariinihappo 44 % 2. lämmitys | Steariinihappo 95 % 1. kuumennus | Steariinihappo 95 % 2. kuumennus |
|---|---|---|---|---|
| EkstrapoloituTm:n alkupiste (°C) | 54,5 ± 3 0,1 | 54,0 ± 0,1 | 69,6 ± 0,2 | 68,7 ± 0,1 |
| Huippulämpötila (°C) | 57,9 ± 0,2 | 57,5 ± 0,1 | 73,2 ± 0,2 | 72,8 ± 0,0 |
| Entalpia (J/g) | 188,0 ± 1,8 | 177,4 ± 2,1 | 215,2 ± 1,3 | 213,4 ± 0,9 |
Huippuleveys (°C, 37,0 %) | 4,0 ± 0,2 | 5,0 ± 0,2 | 4,6 ± 0,1 | 4,9 ± 0,1 |
Lisäksi näytteenvalmistukseen ja mittaukseen liittyvät käytännön seikat voivat vaikuttaa tähän ilmiöön. Ensimmäisen lämmityssyklin aikana näyte syötetään aluksi kiinteässä muodossa, jolloin sen kosketuspinta upokkaan pohjaan on mahdollisesti rajallinen ja epätasainen. Sulamisen myötä materiaali jakautuu uudelleen ja muodostaa kerroksen, jonka kosketuspinta upokkaan paranee seuraavan jäähdytysvaiheen aikana. Toisella lämmityskierroksella tämä parantunut lämpökontakti ja näytteen mahdollinen leviäminen suuremmalle pinta-alalle edistävät tehokkaampaa lämmönsiirtoa. Tämän seurauksena toisella lämmityskierroksella havaitaan yleisesti sulamislämpötilan siirtyminen hieman alemmaksi.
Toinen havainto on SA 44 %:n piikin leveyden kasvu ensimmäisen kuumennuksen jälkeen 4,0 ± 0,2 °C:sta 5,0 ± 0,2 °C:een. Sen sijaan SA 95 %:n keskimääräisessä piikin leveydessä havaitaan vain noin 0,3 °C:n suuruinen lievä kasvu (taulukko 3). Vaikka piikin leveys antaa viitteitä sulamiskäyttäytymisen muutoksista, sulamisentalpian (ΔH) kehitystä pidetään merkittävämpänä. SA 44 %:n kohdalla havaitaan selvä entalpian lasku: ensimmäisessä kuumennuksessa 188,0 ± 1,8 J/g ja toisessa kuumennuksessa 177,4 ± 2,1 J/g. Sen sijaan puhtaammassa SA 95 % -näytteessä ΔH:n muutos on vain vähäinen, arvojen 215,2 ± 1,3 J/g ja 213,4 ± 0,9 J/g välillä (ks. taulukko 3). Tämä käyttäytyminen viittaa siihen, että SA 44 %:n suurempi palmitiinihappopitoisuus vaikuttaa molekyylien pakkautumiseen ja uudelleenkiteytymiseen, mikä johtaa paitsi laajempiin sulamissuuntauksiin myös mitattaviin muutoksiin faasisiirtymän energiaominaisuuksissa, kun taas homogeenisempi SA 95 % pysyy suurelta osin muuttumattomana.
On tärkeää huomata, että sekä steariinihappo että palmitiinihappo voivat esiintyä eri polymorfisissa muodoissa tai kiteytyä uudelleen sulasta faasista. Näiden muotojen sulamispisteet ovat yleensä hyvin lähellä toisiaan; nämä erilaiset polymorfiset muodot voivat kuitenkin vaikuttaa DSC-käyrään.
Lisäksi SA 44 %:n toisen kuumennuksen aikana tapahtuvien useiden lämpötapahtumien esiintyminen näkyy selväpiirteisenä olkapäänä ensimmäisen johdannaisen (DDSC) signaalissa (kuva 4A), jota ei havaita SA 95 %:ssa. Tätä piirrettä voidaan arvioida selkeämmin DDSC-käyrän perusteella, jossa olkapää tulee selvemmin esiin. Tämä tukee entisestään koostumuksellisen heterogeenisyyden ja monimutkaisemman kiteytymiskäyttäytymisen esiintymistä matalamman puhtausasteen näytteessä.
Kun molempien näytteiden ensimmäiset lämmityskäyrät esitetään samassa kaaviossa, niiden sulamispisteiden välinen ero tulee erityisen selvästi esiin. Kuvassa 5 esitetään SA 44 %:n ja SA 95 %:n ensimmäiset lämmityskäyrät, joista näkyy kapeita ja selvärajaisia piikkejä erinomaisella erottelukyvyllä. Piikkien sijainnin selvä ero heijastaa kemiallisen koostumuksen ja puhtauden vaihtelua sekä kiteisen rakenteen eroja.
Johtopäätös
Kaiken kaikkiaan nämä tulokset osoittavat, että DSC 300 Caliris® tuottaa erittäin toistettavia ja tarkasti erottuvia lämpötietotietoja, joiden avulla voidaan selvästi erottaa toisistaan koostumukseltaan ja puhtaudeltaan vaihtelevat näytteet. Laitteen herkkyys sulamislämpötilan, piikin muodon ja uudelleenkiteytymiskäyttäytymisen muutoksille tekee siitä tehokkaan ja toimivan työkalun tutkimukseen ja teollisuuteen.
Lääke-, kosmetiikka- ja elintarvikesovelluksissa, joissa raaka-aineiden yhdenmukaisuus ja puhtaus ovat kriittisiä tekijöitä, DSC 300 Caliris® mahdollistaa materiaalien erojen nopean tunnistamisen, epäpuhtauksien havaitsemisen ja erien välisen yhdenmukaisuuden varmistamisen, mikä tukee sekä tuotekehitystä että rutiininomaista laadunvarmistusta.
Tämä tutkimus on osoittanut, että farmaseuttisen luokan steariinihappo ei välttämättä aina vastaa puhtaan steariinihapon odotettua koostumusta, vaikka aine täyttäisikin farmakopean monografian vaatimukset. Sen ominaisuudet, kuten sulamiskäyttäytyminen, riippuvat suuresti sen koostumuksesta. Siksi on suositeltavaa, että aine karakterisoidaan asianmukaisesti ennen teollista käyttöä.
Kiitokset
Suuri kiitos Gabriele Kaiserille ja tohtori Stefan Schmölzerille heidän arvokkaasta panoksestaan tulosten teknisessä arvioinnissa ja tulkinnassa.