Bevezetés
A sztearinsav egy hosszú szénláncú, természetben előforduló telített zsírsav, amely mind a növényi eredetű olajokban, mind az állati zsírokban megtalálható. Széles körben használják különböző iparágakban, többek között a gyógyszeriparban, a kozmetikai iparban, az élelmiszeriparban, valamint olyan háztartási cikkekben, mint a gyertyák és a mosószerek. A gyógyszeripari alkalmazásokban azonban a gyógyszeripari minőségű sztearinsav nem egyetlen, kémiailag tiszta anyag, hanem zsírsavak keveréke, elsősorban sztearinsav és palmitinsav, amelyek relatív aránya a meghatározott specifikációs határok között változhat. Ez az összetételbeli változékonyság befolyásolhatja a kulcsfontosságú tulajdonságokat, például az olvadási viselkedést.
Sztearinsav: szerkezet, tulajdonságok és alkalmazások
A sztearinsav (más néven oktadekánsav) kemény, fehér vagy enyhén sárgás színű kristályos szilárd anyag, valamint egy hosszú láncú telített zsírsav (C₁₈H₃₆O₂, 1. ábra). Szerkezete tizenhét metiléncsoportból álló lineáris szénhidrogénláncból áll, amely karboxilsavcsoporttal végződik, ami amfifil jelleget kölcsönöz neki, bár hosszú, nem poláros lánca miatt túlnyomórészt hidrofób. A kettős kötések hiánya nagy kémiai stabilitást és OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációval szembeni ellenállást biztosít. Vízben nehezen oldódik, de szerves oldószerekben, például benzolban, szén-tetrakloridban, kloroformban és éterben könnyen oldódik, a poláros fejcsoport pedig felületi kölcsönhatásokat tesz lehetővé.
A sztearinsav alkoholokkal könnyen észtereződik, és így olyan észtereket képez, amelyeket bőrpuhítóként és textúramódosítóként használnak (pl. oktil-sztearát, gliceril-sztearát). Emellett fémes sókat is képez, például magnézium-, nátrium- és cink-sztearátokat, amelyeket széles körben használnak kenőanyagként, stabilizátorként és formakiválasztó anyagként.
Gyógyszerészeti és kozmetikai készítményekben a sztearinsav emulgeálószerként, sűrítőanyagként, oldószerként és bőrpuhítószerként működik a helyileg alkalmazott termékekben, valamint kenőanyagként, kötőanyagként és a felszabadulást módosító anyagként a szilárd adagolási formákban [2]. Az élelmiszeriparban E570 (EU) kóddal szerepel [3], és az FDA által GRAS-ként (általánosan biztonságosnak elismert) minősített [4]. Péksütemények, fagylaltok, rágógumik és édességek esetében csomósodásgátlóként, emulgeálószerként és ízhordozóként szolgál.
A zsírsavak lánchosszúságukban és telítettségükben különböznek egymástól, ami meghatározza olvadási viselkedésüket és fizikai állapotukat. A rövid és medium-láncú zsírsavak (pl. C8:0 – C12:0) alacsony olvadásponttal rendelkeznek (16–32 °C), és szobahőmérsékleten folyékonyak vagy félszilárdak, míg a hosszabb telített láncok (C14:0 – C18:0) magasabb olvadáspontot mutatnak (44–70 °C), és szilárd állapotúak. A telítetlenség csökkenti az olvadáspontot, amint az az olajsav (C18:1, ~16 °C) esetében is látható. Az olajsav szintén 18 szénatomot tartalmaz, de egy kettős kötéssel rendelkezik. A palmitinsavhoz (C₁₆H₃₂O₂, hexadekánsav, 2. ábra) – egy másik, a természetben nagyon gyakran előforduló zsírsavhoz – képest a sztearinsav valamivel magasabb olvadáspontot biztosít, és szilárdabb szerkezetek kialakulásához járul hozzá, míg az olajsav felbomlasztja a molekulák egymáshoz való szoros illeszkedését, ami lágyabb rendszereket eredményez, amelyek kenhetősége jobb, de OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációs stabilitásuk alacsonyabb.
A zsírsavak szerkezete tehát meghatározza azok fizikai-kémiai tulajdonságait, valamint a gyógyszeripari, kozmetikai és élelmiszeripari rendszerekben való alkalmazási lehetőségeiket (lásd az 1. táblázatot).
1. táblázat: A leggyakoribb zsírsavak szerkezetének, tulajdonságainak és alkalmazásainak összefüggései
| Zsírsav | Szénlánc hossza | Lánctípus | Olvadáspont (°C) [5] | Jellemző alkalmazások (gyógyszeripar, kozmetikai ipar és élelmiszeripar) |
|---|---|---|---|---|
| Kaprilsav | C8:0 | Telített medium | 16,5 | Antimikrobiális szer, gyógyszer-köztitermék; fehérje-stabilizálás; biofarmakológiai gyártási segédanyag [6] |
| Kaprinsav | C10:0 | Telített medium | 31,6 | Gyógyászati készítményekben ízesítő- és oldószer, citrusfélékre jellemző ízt kölcsönöz; emulgeálószer [2] |
| Laurinsav | C12:0 | Telített medium | 43,8 | Emulgeáló- és oldószer; élelmiszer-adalékanyag; kenőanyag; felületaktív anyag [2] |
| Mirisztinsav | C14:0 | Telített, hosszú láncú | 53,9 | Emulgeáló és oldószer; bőrbehatoló; tabletta- és kapszula-kenőanyag [2] |
| Palmitinsav | C16:0 | Telített, hosszú láncú | 62,5 | Emulgeáló és oldószer; bőrbehatoló; tabletta- és kapszulakikötő [2] |
| Sztearinsav | C18:0 | Telített, hosszú láncú | 69,3 | Emulgeáló és oldószer; tabletta- és kapszula-kenőanyag [2] |
| Oleinsav | C18:1 | Egyszeresen telítetlen | 16,3 | Emulgeálószer; bőrbehatoló szer [2] |
A sztearinsav–palmitsav-összetétel hatása a hőviselkedésre
A gyógyszerkönyvi (USP–NF) meghatározás szerint a sztearinsavat a sztearinsav (C18:0) és a palmitinsav (C16:0) keverékeként határozzák meg, amely legalább 40% sztearinsavat tartalmaz, és e két telített zsírsav együttes tartalma legalább 90% (2. ábra). Ennek következtében a kereskedelemben kapható gyógyszeripari minőségű termékeknél a sztearinsav és a palmitinsav aránya változó, ami közvetlenül befolyásolja azok termofizikai tulajdonságait. Mivel a zsírsav-lánc hossza mind a molekulák közötti van der Waals-kölcsönhatásokat, mind a kristályos csomagolási hatékonyságot szabályozza, az összetételbeli különbségek megváltoztatják a rács stabilitását és a polimorf viselkedést, ami eltérő olvadási profilokat eredményez. A magasabb sztearinsav-arány általában magasabb olvadási hőmérsékletet és fokozott kristályos rendezettséget eredményez, míg a nagyobb palmitinsav-tartalom a rövidebb lánchossz miatt enyhén csökkentheti ezeket a paramétereket. Jelen munkánkban két különböző sztearinsav-mintát elemeztünk, amelyek sztearinsav–palmitinsav aránya eltérő volt.
Kísérleti
Két sztearinsav-mintát elemeztek: az egyiket, amely több mint 95% sztearinsavat tartalmazott, és a másodikat, amely 44% sztearinsavat tartalmazott; az elsőt a Sigma-Adrich, a másodikat pedig a Caelo gyártotta. A hőviselkedésbeli különbségek jellemzésére és az összetétel olvadási átmenetekre gyakorolt hatásának értékelésére differenciális pásztázó kalorimetriát (DSC) alkalmaztunk.
A mintákat alumínium tégelyekbe (Concavus®) töltötték, amelyeket lyukacsos fedéllel zárták le, majd 20 °C-ról 160 °C-ra melegítették 10 K/min fűtési sebességgel, 20 ml/min áramlásúN2-gáz alatt. Minden mintát háromszor mértek meg; a mért átlagos tömegek a 95%-os sztearinsav esetében 2,57 ± 0,05 mg, a 44%-os sztearinsav esetében pedig 2,46 ± 0,05 mg voltak (lásd a 2. táblázatot).
2. táblázat: Kísérleti feltételek
| Paraméter | Feltétel |
|---|---|
| Mérőműszer | DSC 300 Caliris® Supreme , H-modul |
| Minta tömege | 2,41–2,61 mg |
| Minta típusa | Sztearinsav (SA 44%, SA 95%) |
| Tégely | Alumínium tégely, lyukas fedéllel |
| Környezet | N2 |
| Gázáramlás | 20 ml/perc (öblítőgáz) |
| Hőmérséklet-tartomány | 20 °C – 160 °C |
| Fűtési és hűtési sebesség | 10 K/perc |
| Szoftver | NETZSCH Proteus® Protect 9. verzió |
Mérési eredmények
A 3. ábrán látható 44%-os sztearinsav (SA 44%) és a 95%-os sztearinsav (SA 95%) DSC-görbéi, amelyeket a 3. ábra mutat be, mind az első, mind a második fűtési ciklus során olvadási csúcsokat, valamint a lehűtés során újrakristályosodást mutatnak, kiváló reprodukálhatósággal (lásd a 3A, illetve 3B ábrát). Az extrapolált olvadáskezdeti hőmérsékletek (Tm) alapján a 44%-os SA körülbelül 54–55 °C-on olvad, míg a 95%-os SA körülbelül 69–70 °C-on.
Az SA 44% esetében az első és a második fűtési ciklus között enyhe csökkenés figyelhető mega Tm értékében. Hasonlóképpen, az SA 95% esetében a második fűtés során mértTm értéke körülbelül 1 °C-kal alacsonyabb, mint az első fűtés során megfigyelt érték (lásd a 3. táblázatot). Ezek az eltolódások több tényezőnek is tulajdoníthatók, többek között a minták előkészítése során fellépő inhomogenitásnak, a hőmérsékleti előzményeknek, a polimorfizmusnak, illetve az alkalmazott hűtési feltételek mellett megfigyelt újrakristályosodási viselkedés eltéréseinek.
3. táblázat: A 44%-os és a 95%-os sztearinsav DSC-eredményei
| Komplex csúcs | 44%-os sztearinsav 1. fűtés | 44%-os sztearinsav 2. fűtés | 95%-os sztearinsav 1. melegítés | Sztearinsav 95% 2. hevítés |
|---|---|---|---|---|
| ExtrapoláltTm kezdőpont (°C) | 54,5 ± 3 0,1 | 54,0 ± 0,1 | 69,6 ± 0,2 | 68,7 ± 0,1 |
| Maximális csúcs (°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 |
Csúcsszélesség (°C 37,0%-nál) | 4,0 ± 0,2 | 5,0 ± 0,2 | 4,6 ± 0,1 | 4,9 ± 0,1 |
Ezen felül a mintakészítés és a mérés gyakorlati szempontjai is hozzájárulhatnak ehhez a jelenséghez. Az első fűtési ciklus során a mintát kezdetben szilárd állapotban helyezik be, amelynek az olvasztótégely aljával való érintkezése korlátozott és egyenetlen lehet. Az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadás során az anyag újraeloszlik, és a következő lehűtés során olyan réteget képez, amely jobb érintkezést biztosít az olvasztótégellyel. A második fűtési ciklusban ez a jobb hőérintkezés és a minta esetleges nagyobb felületre való elterjedése elősegíti a hatékonyabb hőátadást. Ennek eredményeként a második fűtési ciklusban általában megfigyelhető az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadási hőmérséklet enyhe csökkenése.
Egy másik megfigyelés az SA 44% csúcsszélességének növekedése az első hevítés után, 4,0 ± 0,2 °C-ról 5,0 ± 0,2 °C-ra. Ezzel szemben az SA 95% esetében az átlagos csúcsszélesség csak körülbelül 0,3 °C-os enyhe növekedést mutat (3. táblázat). Míg a csúcsszélesség jelzi az olvadási viselkedés változásait, az olvadási entalpia (ΔH) alakulását jelentősebbnek tartják. Az SA 44% esetében az entalpia egyértelmű csökkenése figyelhető meg: az első hevítés során mért 188,0 ± 1,8 J/g értékről a második hevítés során mért 177,4 ± 2,1 J/g értékre. Ezzel szemben a nagyobb tisztaságú SA 95% minta esetében a ΔH csak kis mértékben változott, 215,2 ± 1,3 J/g-ról 213,4 ± 0,9 J/g-ra (lásd a 3. táblázatot). Ez a viselkedés arra utal, hogy az SA 44%-ban található magasabb palmitinsav-tartalom befolyásolja a molekulák csomagolódását és az újrakristályosodást, ami nemcsak szélesebb olvadási átmenetekhez vezet, hanem a FázisátmenetekA fázisátalakulás (vagy fázisváltás) kifejezést leggyakrabban a szilárd, folyékony és gáz halmazállapotok közötti átmenetek leírására használják.fázisátmenet energetikai jellemzőinek mérhető változásaihoz is, míg a homogénebb SA 95% nagyrészt érintetlen marad.
Fontos megjegyezni, hogy mind a sztearinsav, mind a palmitinsav különböző polimorf formákban létezhet, illetve újrakristályosodhat az olvadt fázisból. E formák olvadáspontjai általában nagyon közel vannak egymáshoz; azonban ezek a különböző polimorf formák befolyásolhatják a DSC-görbét.
Ezen felül az SA 44% második felmelegítése során bekövetkező többszörös termikus események jelenlétét jelzi az első derivált (DDSC) jelben megjelenő jellegzetes váll (4A. ábra), amely az SA 95% esetében nem figyelhető meg. Ez a jellemző a DDSC-görbe alapján értékelhető a legvilágosabban, ahol a váll kifejezettebbé válik. Ez tovább támasztja az alacsonyabb tisztaságú mintában fellelhető összetételbeli heterogenitás és a bonyolultabb kristályosodási viselkedés jelenlétét.
Amikor mindkét minta első hevítési görbéit egyetlen grafikonon ábrázoljuk, az olvadási események közötti eltérés különösen jól láthatóvá válik. Az 5. ábra az SA 44% és az SA 95% első fűtési görbéit mutatja, amelyek keskeny, jól körülhatárolt csúcsokat és kiváló felbontást mutatnak. A csúcsok helyzetében megfigyelhető egyértelmű különbség a kémiai összetétel és a tisztaság eltéréseit, valamint a kristályszerkezetbeli különbségeket tükrözi.
Következtetés
Összességében ezek az eredmények azt bizonyítják, hogy a DSC 300 Caliris® rendkívül jól reprodukálható és kiváló felbontású termikus adatokat szolgáltat, lehetővé téve a különböző összetételű és tisztaságú minták egyértelmű megkülönböztetését. Az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadási hőmérséklet, a csúcs alakja és az újrakristályosodási viselkedés változásaira való érzékenysége miatt hatékony és eredményes eszköznek bizonyul a kutatás és az ipar számára.
A gyógyszeripari, kozmetikai és élelmiszeripari alkalmazásokban, ahol a nyersanyagok konzisztenciája és tisztasága kritikus fontosságú, a DSC 300 Caliris® lehetővé teszi az anyagbeli különbségek gyors azonosítását, a szennyeződések kimutatását és a tételek közötti konzisztencia ellenőrzését, támogatva ezzel mind a termékfejlesztést, mind a rutin minőségbiztosítást.
Ez a tanulmány kimutatta, hogy a gyógyszeripari minőségű sztearinsav nem mindig felel meg a tiszta sztearinsav elvárt összetételének, még akkor sem, ha az anyag megfelel a gyógyszerkönyvi monográfia követelményeinek. Tulajdonságai, például az olvadási viselkedése, nagymértékben függenek az összetételétől. Ezért ajánlott, hogy az anyagot bármilyen ipari felhasználás előtt megfelelően jellemezzék.
Köszönetnyilvánítás
Nagy köszönet Gabriele Kaisernek és Dr. Stefan Schmölzernek az eredmények technikai értékeléséhez és értelmezéséhez nyújtott értékes hozzájárulásukért.