Tout savoir sur l'acide stéarique : caractérisation thermique par DSC pour un contrôle qualité fiable

Introduction

L'acide stéarique est un acide gras saturé d'origine naturelle doté d'une longue chaîne carbonée, présent aussi bien dans les huiles d'origine végétale que dans les graisses animales. Il est largement utilisé dans divers secteurs industriels, notamment l'industrie pharmaceutique, les cosmétiques, l'industrie agroalimentaire et les produits ménagers tels que les bougies et les détergents. Dans les applications pharmaceutiques, cependant, l’acide stéarique de qualité pharmaceutique n’est pas une substance unique et chimiquement pure, mais un mélange d’acides gras, principalement d’acide stéarique et d’acide palmitique, dont les proportions relatives peuvent varier dans les limites définies par les spécifications. Cette variabilité de composition peut influencer des propriétés clés telles que le comportement à la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion.

Acide stéarique : structure, propriétés et applications

L'acide stéarique (également appelé acide octadécanoïque) est un solide cristallin dur, de couleur blanche à légèrement jaunâtre, et un acide gras saturé à longue chaîne (C₁₈H₃₆O₂, fig. 1). Sa structure se compose d’une chaîne hydrocarbonée linéaire de dix-sept groupes méthylène se terminant par un groupe carboxylique, ce qui lui confère un caractère amphiphile, bien qu’il soit principalement hydrophobe en raison de sa longue queue non polaire. L’absence de doubles liaisons lui confère une grande stabilité chimique et une bonne résistance à l’OxydationL'oxydation peut décrire différents processus dans le contexte de l'analyse thermique.oxydation. Il est peu soluble dans l’eau, mais facilement soluble dans les solvants organiques tels que le benzène, le tétrachlorure de carbone, le chloroforme et l’éther, son groupe de tête polaire permettant des interactions interfaciales.

L'acide stéarique s'estérifie facilement avec des alcools pour former des esters, utilisés comme émollients et modificateurs de texture (par exemple, le stéarate d'octyle, le stéarate de glycéryle). Il forme également des sels métalliques tels que les stéarates de magnésium, de sodium et de zinc, largement utilisés comme lubrifiants, stabilisants et agents de démoulage.

Dans les formulations pharmaceutiques et cosmétiques, l’acide stéarique agit comme émulsifiant, épaississant, solubilisant et émollient dans les produits topiques, et comme lubrifiant, liant et agent modifiant la libération dans les formes galéniques solides [2]. Dans le secteur alimentaire, il est répertorié sous le numéro E570 (UE) [3] et reconnu comme GRAS (Generally Recognized as Safe, « généralement reconnu comme sûr ») par la FDA [4]. Il sert d’anti-agglomérant, d’émulsifiant et de support d’arôme dans des produits tels que les produits de boulangerie, les glaces, les chewing-gums et les confiseries.

Les acides gras se distinguent par la longueur de leur chaîne et leur degré de saturation, qui déterminent leur comportement à la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion et leur état physique. Les acides à chaîne courte et à chaîne medium e (par exemple, C8:0 - C12:0) ont des points de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion bas (16 à 32 °C) et se présentent sous forme liquide ou semi-solide à température ambiante, tandis que les chaînes saturées plus longues (C14:0 - C18:0) présentent des points de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion plus élevés (44 à 70 °C) et sont solides. L’insaturation abaisse le Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope).point de fusion, comme on peut le constater avec l’acide oléique (C18:1, ~16 °C). L’acide oléique possède également 18 atomes de carbone, mais il contient une double liaison. Comparé à l’acide palmitique (C₁₆H₃₂O₂, acide hexadécanoïque, figure 2) – un autre acide gras très répandu dans la nature –, l’acide stéarique présente un Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope).point de fusion légèrement plus élevé et contribue à des structures plus fermes, tandis que l’acide oléique perturbe l’empilement des molécules, ce qui donne des systèmes plus souples, dotés d’une meilleure tartinabilité, mais d’une stabilité oxydative moindre.

La structure des acides gras détermine donc leurs propriétés physico-chimiques et leurs applications dans les secteurs pharmaceutique, cosmétique et alimentaire (voir tableau 1).

Tableau 1 : Relation entre la structure, les propriétés et les applications des acides gras courants

Influence de la composition en acides stéarique et palmitique sur le comportement thermique

Selon la pharmacopée (USP-NF), l’acide stéarique est défini comme un mélange d’acide stéarique (C18:0) et d’acide palmitique (C16:0), contenant au moins 40 % d’acide stéarique, la teneur combinée de ces deux acides gras saturés étant d’au moins 90 % (figure 2). Par conséquent, les grades pharmaceutiques disponibles dans le commerce présentent une variabilité dans le rapport acide stéarique/acide palmitique, ce qui influence directement leurs propriétés thermophysiques. Étant donné que la longueur de la chaîne des acides gras régit à la fois les interactions intermoléculaires de van der Waals et l’efficacité de l’empilement cristallin, les différences de composition modifient la stabilité du réseau cristallin et le comportement polymorphe, ce qui se traduit par des profils de fusion distincts. Des proportions plus élevées d’acide stéarique favorisent généralement une augmentation des températures de fusion et un ordre cristallin accru, tandis qu’une teneur plus importante en acide palmitique peut légèrement réduire ces paramètres en raison de la longueur de chaîne plus courte. Dans ce travail, nous avons analysé deux échantillons différents d’acide stéarique, présentant des rapports acide stéarique/acide palmitique différents.

Expérimental

Deux échantillons d'acide stéarique ont été analysés : l'un contenant plus de 95 % d'acide stéarique et l'autre 44 % d'acide stéarique ; le premier était fabriqué par Sigma-Adrich et le second par Caelo. La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) a été utilisée pour caractériser les différences de comportement thermique et évaluer l’impact de la composition sur les transitions de fusion.

Les échantillons ont été placés dans des creusets en aluminium (Concavus^®), fermés par des couvercles perforés, puis chauffés de 20 °C à 160 °C à une vitesse de chauffage de 10 K/min sous_{azote (N₂)} à un débit de 20 ml/min. Chaque échantillon a été analysé en trois exemplaires, les masses moyennes mesurées s’élevant à 2,57 ± 0,05 mg pour l’acide stéarique à 95 % et à 2,46 ± 0,05 mg pour l’acide stéarique à 44 %, voir tableau 2.

Tableau 2 : Conditions expérimentales

Résultats des mesures

Les courbes DSC de l'acide stéarique à 44 % (SA 44 %) et de l’acide stéarique à 95 % (SA 95 %), représentées sur la figure 3, présentent des pics de fusion tant lors du premier que du deuxième cycle de chauffage, ainsi qu’une recristallisation pendant le refroidissement, avec une excellente reproductibilité (figures 3A et 3B, respectivement). D'après les températures de début de fusion (_Tm) extrapolées, le SA 44 % fond à environ 54 à 55 °C, tandis que le SA 95 % fond à environ 69 à 70 °C.

Le SA 44 % présente une légère diminution de_{la Tm} entre le premier et le deuxième cycle de chauffage. De même, pour le SA 95 %, le deuxième cycle de chauffage révèle une_Tm inférieure d'environ 1 °C à celle observée lors du premier cycle (voir tableau 3). Ces variations peuvent être attribuées à plusieurs facteurs, notamment l'hétérogénéité de l'échantillon lors de sa préparation, son historique thermique, le PolymorphismeLe polymorphisme est la capacité d'un matériau solide à former différentes structures cristallines (synonymes : formes, modifications).polymorphisme ou des variations du comportement de recristallisation dans les conditions de refroidissement appliquées.

Tableau 3 : Résultats DSC pour l'acide stéarique à 44 % et l'acide stéarique à 95 %

De plus, certains aspects pratiques liés à la préparation de l’échantillon et à la mesure peuvent contribuer à cet effet. Au cours du premier cycle de chauffage, l’échantillon est initialement introduit sous forme solide, avec un contact potentiellement limité et non uniforme avec le fond du creuset. Lors de la fusion, le matériau se redistribue et forme une couche présentant un meilleur contact avec le creuset pendant le refroidissement qui suit. Au cours du deuxième cycle de chauffage, ce contact thermique amélioré et l’étalement éventuel de l’échantillon sur une plus grande surface facilitent un transfert de chaleur plus efficace. En conséquence, on observe couramment un décalage vers des températures de fusion légèrement plus basses lors du deuxième cycle de chauffage.

On observe également une augmentation de la largeur du pic pour le SA 44 % après le premier chauffage, passant de 4,0 ± 0,2 °C à 5,0 ± 0,2 °C. En revanche, le SA 95 % ne présente qu’une légère augmentation d’environ 0,3 °C de la largeur moyenne du pic (tableau 3). Bien que la largeur du pic donne une indication des changements dans le comportement à la fusion, l’évolution de l’enthalpie de fusion (ΔH) est considérée comme plus significative. Pour le SA 44 %, on observe une nette diminution de l’enthalpie, passant de 188,0 ± 1,8 J/g lors du premier chauffage à 177,4 ± 2,1 J/g lors du deuxième chauffage. En revanche, l’échantillon de SA 95 %, de plus grande pureté, ne présente qu’une variation mineure de ΔH, passant de 215,2 ± 1,3 J/g à 213,4 ± 0,9 J/g (voir tableau 3). Ce comportement suggère que la teneur plus élevée en acide palmitique dans le SA 44 % affecte l’empilement moléculaire et la recristallisation, entraînant non seulement des transitions de fusion plus larges, mais aussi des changements mesurables dans les caractéristiques énergétiques de la Transitions de phaseLe terme de transition de phase (ou changement de phase) est le plus souvent utilisé pour décrire les transitions entre les états solide, liquide et gazeux. transition de phase, tandis que le SA 95 %, plus homogène, reste largement inchangé.

Il est important de noter que l’acide stéarique et l’acide palmitique peuvent tous deux exister sous différentes formes polymorphes ou se recristalliser à partir de la phase fondue. Les points de fusion de ces formes sont généralement très proches les uns des autres ; cependant, ces différentes formes polymorphes peuvent influencer la courbe DSC.

De plus, la présence de plusieurs événements thermiques lors du deuxième chauffage de l’acide stéarique à 44 % est indiquée par un épaulement distinct dans le signal de la dérivée première (DDSC) (figure 4A), ce qui n’est pas observé pour l’acide stéarique à 95 %. Cette caractéristique peut être évaluée plus clairement à partir de la courbe DDSC, où l’épaulement devient plus prononcé. Cela confirme encore davantage la présence d’une hétérogénéité de composition et d’un comportement de CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation plus complexe dans l’échantillon de pureté inférieure.

Lorsque les premières courbes de chauffage des deux échantillons sont représentées sur un même graphique, la différence entre leurs pics de fusion apparaît particulièrement clairement. La figure 5 présente les courbes de premier chauffage du SA 44 % et du SA 95 %, révélant des pics étroits et bien définis avec une excellente résolution. La nette différence de position des pics reflète les variations de composition chimique et de pureté, ainsi que les différences de structure cristalline.

Conclusion

Dans l'ensemble, ces résultats démontrent que l'Caliris^® DSC 300 fournit des données thermiques hautement reproductibles et bien résolues, permettant de distinguer clairement des échantillons présentant des compositions et des puretés variables. Sa sensibilité aux variations de la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). température de fusion, de la forme des pics et du comportement de recristallisation en fait un outil puissant et efficace pour la recherche et l'industrie.

Dans les applications pharmaceutiques, cosmétiques et alimentaires, où la cohérence et la pureté des matières premières sont essentielles, l’ Caliris^® DSC 300 permet l’identification rapide des différences entre les matériaux, la détection des impuretés et la vérification de la cohérence d’un lot à l’autre, facilitant ainsi à la fois le développement de produits et l’assurance qualité courante.

Cette étude a montré que l’acide stéarique de qualité pharmaceutique peut ne pas toujours correspondre à la composition attendue de l’acide stéarique pur, même si la substance est conforme aux exigences de la monographie de la pharmacopée. Ses propriétés, telles que son comportement à la fusion, dépendent fortement de sa composition. Il est donc recommandé de caractériser correctement la substance avant toute utilisation industrielle.

Remerciements

Un grand merci à Gabriele Kaiser et au Dr Stefan Schmölzer pour leurs précieuses contributions à l'évaluation technique et à l'interprétation des résultats.