Introduzione
L'acido stearico è un acido grasso saturo di origine naturale con una lunga catena carboniosa, presente sia negli oli di origine vegetale che nei grassi animali. È ampiamente utilizzato in vari settori industriali, tra cui quello farmaceutico, cosmetico, alimentare e dei prodotti per la casa, come candele e detergenti. Nelle applicazioni farmaceutiche, tuttavia, l’acido stearico di grado farmaceutico non è una singola sostanza chimicamente pura, ma una miscela di acidi grassi, principalmente acido stearico e acido palmitico, le cui proporzioni relative possono variare entro limiti specificati. Questa variabilità compositiva può influenzare proprietà chiave quali il comportamento di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione.
Acido stearico: struttura, proprietà e applicazioni
L'acido stearico (noto anche come acido ottadecanoico) è un solido cristallino duro, di colore da bianco a leggermente giallastro, ed è un acido grasso saturo a catena lunga (C₁₈H₃₆O₂, Fig. 1). La sua struttura è costituita da una catena idrocarburica lineare composta da diciassette gruppi metilenici che termina con un gruppo acido carbossilico, il che gli conferisce un carattere anfifilico, sebbene sia prevalentemente idrofobico a causa della sua lunga coda non polare. L’assenza di doppi legami gli conferisce un’elevata stabilità chimica e resistenza all’OssidazioneL'ossidazione può descrivere diversi processi nel contesto dell'analisi termica.ossidazione. È scarsamente solubile in acqua, ma facilmente solubile in solventi organici quali benzene, tetracloruro di carbonio, cloroformio ed etere, grazie al gruppo polare terminale che consente interazioni interfacciali.
L'acido stearico subisce facilmente l'esterificazione con gli alcoli, formando esteri utilizzati come emollienti e modificatori di consistenza (ad esempio, stearato di ottile, stearato di glicerile). Forma inoltre sali metallici quali gli stearati di magnesio, sodio e zinco, ampiamente utilizzati come lubrificanti, stabilizzanti e agenti distaccanti per stampi.
Nelle formulazioni farmaceutiche e cosmetiche, l’acido stearico funge da emulsionante, addensante, solubilizzante ed emolliente nei prodotti topici, nonché da lubrificante, legante e agente modificatore di rilascio nelle forme di dosaggio solide [2]. Nel settore alimentare, è classificato come E570 (UE) [3] e riconosciuto come GRAS (Generally Recognized as Safe, generalmente riconosciuto come sicuro) dalla FDA [4]. Funge da agente antiagglomerante, emulsionante e vettore di aromi in prodotti quali prodotti da forno, gelati, gomme da masticare e dolciumi.
Gli acidi grassi differiscono per lunghezza della catena e grado di saturazione, fattori che ne determinano il comportamento di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione e lo stato fisico. Gli acidi a catena corta e a medium e (ad es., C8:0 - C12:0) hanno bassi punti di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione (da 16 a 32 °C) e sono liquidi o semisolidi a temperatura ambiente, mentre le catene saturate più lunghe (C14:0 - C18:0) presentano punti di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione più elevati (da 44 a 70 °C) e sono solide. L’insaturazione abbassa il Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione, come si può osservare con l’acido oleico (C18:1, ~16 °C). Anche l’acido oleico ha 18 atomi di carbonio, ma contiene un doppio legame. Rispetto all’acido palmitico (C₁₆H₃₂O₂, acido esadecanoico, Figura 2) – un altro acido grasso molto diffuso in natura – l’acido stearico presenta un Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione leggermente più elevato e contribuisce a strutture più compatte, mentre l’acido oleico interrompe l’impacchettamento, dando origine a sistemi più morbidi con una migliore spalmabilità, ma una minore stabilità ossidativa.
La struttura degli acidi grassi ne determina quindi le proprietà fisico-chimiche e le applicazioni nei settori farmaceutico, cosmetico e alimentare (cfr. Tabella 1).
Tabella 1: Relazione tra struttura, proprietà e applicazioni degli acidi grassi più comuni
| Acido grasso | Lunghezza della catena carboniosa | Tipo di catena | Punto di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione (°C) [5] | Applicazioni tipiche (industrie farmaceutica, cosmetica e alimentare) |
|---|---|---|---|---|
| Acido caprilico | C8:0 | Saturo medium | 16,5 | Agente antimicrobico, intermedio farmaceutico; stabilizzazione delle proteine; coadiuvante nella produzione biofarmaceutica [6] |
| Acido caprico | C10:0 | Saturo medium | 31,6 | Agente aromatizzante e solubilizzante in preparati farmaceutici, che conferisce un sapore simile agli agrumi; agente emulsionante [2] |
| Acido laurico | C12:0 | Saturato medium | 43,8 | Agente emulsionante e solubilizzante; additivo alimentare; lubrificante; tensioattivo [2] |
| Acido miristico | C14:0 | Saturato a catena lunga | 53,9 | Agente emulsionante e solubilizzante; agente penetrante per la pelle; lubrificante per compresse e capsule [2] |
| Acido palmitico | C16:0 | Saturato a catena lunga | 62,5 | Agente emulsionante e solubilizzante; penetrante cutaneo; lubrificante per compresse e capsule [2] |
| Acido stearico | C18:0 | Saturato a catena lunga | 69,3 | Agente emulsionante e solubilizzante; lubrificante per compresse e capsule [2] |
| Acido oleico | C18:1 | Monosaturo | 16,3 | Agente emulsionante; agente penetrante per la pelle [2] |
Effetto della composizione di acidi stearico e palmitico sul comportamento termico
In termini farmacopeici (USP–NF), l’acido stearico è definito come una miscela di acido stearico (C18:0) e acido palmitico (C16:0), contenente non meno del 40% di acido stearico, con un contenuto combinato di questi due acidi grassi saturi pari ad almeno il 90% (Figura 2). Di conseguenza, i prodotti di grado farmaceutico disponibili in commercio presentano una variabilità nel rapporto tra acido stearico e acido palmitico, che influenza direttamente le loro proprietà termofisiche. Dato che la lunghezza della catena degli acidi grassi determina sia le interazioni intermolecolari di van der Waals sia l’efficienza di impacchettamento cristallino, le differenze composizionali alterano la stabilità del reticolo e il comportamento polimorfico, determinando profili di fusione distinti. Proporzioni più elevate di acido stearico favoriscono in genere temperature di fusione più elevate e un maggiore ordine cristallino, mentre un maggiore contenuto di acido palmitico può ridurre leggermente questi parametri a causa della lunghezza della catena più corta. In questo lavoro, abbiamo analizzato due diversi campioni di acido stearico, con diversi rapporti tra acido stearico e acido palmitico.
Sperimentale
Sono stati analizzati due campioni di acido stearico: uno contenente oltre il 95% di acido stearico e un secondo contenente il 44% di acido stearico; il primo prodotto da Sigma-Adrich e il secondo da Caelo. È stata impiegata la calorimetria a scansione differenziale (DSC) per caratterizzare le differenze nel comportamento termico e per valutare l’impatto della composizione sulle transizioni di fusione.
I campioni sono stati versati in crogioli di alluminio (Concavus®), chiusi con coperchi forati e riscaldati da 20 °C a 160 °C con una velocità di riscaldamento di 10 K/min in atmosfera diN2 con una portata di 20 ml/min. Ciascun campione è stato analizzato in triplicato; le masse medie misurate sono risultate pari a 2,57 ± 0,05 mg per l’acido stearico al 95% e a 2,46 ± 0,05 mg per l’acido stearico al 44% (cfr. Tabella 2).
Tabella 2: Condizioni sperimentali
| Parametro | Condizione |
|---|---|
| Strumento | DSC 300 Caliris® Supreme , modulo H |
| Massa del campione | da 2,41 a 2,61 mg |
| Tipo di campione | Acido stearico (SA 44%, SA 95%) |
| Crogiolo | Crogiolo in alluminio, con coperchio forato |
| Atmosfera | N2 |
| Portata del gas | 20 ml/min (gas di spurgo) |
| Intervallo di temperatura | da 20 °C a 160 °C |
| Velocità di riscaldamento e raffreddamento | 10 K/min |
| Software | NETZSCH Proteus® Protect versione 9 |
Risultati delle misurazioni
Le curve DSC dell’acido stearico al 44% (SA 44%) e dell’acido stearico al 95% (SA 95%), riportate nella Figura 3, mostrano picchi di fusione sia durante il primo che durante il secondo ciclo di riscaldamento, nonché ricristallizzazione durante il raffreddamento con eccellente riproducibilità (rispettivamente Figure 3A e 3B). Sulla base delle temperature di inizio fusione (Tm) estrapolate, l’SA al 44% fonde a circa 54–55 °C, mentre l’SA al 95% fonde a circa 69–70 °C.
Il SA al 44% mostra una leggera diminuzione dellaTm tra il primo e il secondo ciclo di riscaldamento. Analogamente, per il SA al 95%, il secondo ciclo di riscaldamento presenta unaTm inferiore di circa 1 °C rispetto a quella osservata durante il primo ciclo (vedi Tabella 3). Questi scostamenti possono essere attribuiti a diversi fattori, tra cui la disomogeneità del campione durante la preparazione, la storia termica, il PolimorfismoIl polimorfismo è la capacità di un materiale solido di formare diverse strutture cristalline (sinonimi: forme, modificazioni).polimorfismo o le variazioni nel comportamento di ricristallizzazione nelle condizioni di raffreddamento applicate.
Tabella 3: Risultati DSC per l'acido stearico al 44% e l'acido stearico al 95%
| Picco complesso | Acido stearico al 44% 1° riscaldamento | Acido stearico al 44% 2° riscaldamento | Acido stearico al 95% 1° riscaldamento | Acido stearico 95% 2° riscaldamento |
|---|---|---|---|---|
| Tm iniziale estrapolata (°C) | 54,5 ± 3 0,1 | 54,0 ± 0,1 | 69,6 ± 0,2 | 68,7 ± 0,1 |
| Temperatura massima di picco (°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 |
Larghezza del picco (°C al 37,0%) | 4,0 ± 0,2 | 5,0 ± 0,2 | 4,6 ± 0,1 | 4,9 ± 0,1 |
Inoltre, alcuni aspetti pratici relativi alla preparazione del campione e alla misurazione possono contribuire a questo effetto. Durante il primo ciclo di riscaldamento, il campione viene inizialmente introdotto allo stato solido, con un contatto potenzialmente limitato e non uniforme con il fondo del crogiolo. Una volta fuso, il materiale si ridistribuisce e forma uno strato con un contatto migliorato con il crogiolo durante il successivo raffreddamento. Nel secondo ciclo di riscaldamento, questo contatto termico migliorato e la possibile diffusione del campione su una superficie più ampia facilitano un trasferimento di calore più efficiente. Di conseguenza, si osserva comunemente uno spostamento verso temperature di fusione leggermente inferiori nel secondo ciclo di riscaldamento.
Un’altra osservazione riguarda l’aumento della larghezza del picco per l’SA 44% dopo il primo riscaldamento, da 4,0 ± 0,2 °C a 5,0 ± 0,2 °C. Al contrario, l’SA 95% mostra solo un leggero aumento di circa 0,3 °C nella larghezza media del picco (Tabella 3). Sebbene la larghezza del picco fornisca un’indicazione delle variazioni nel comportamento di fusione, l’evoluzione dell’entalpia di fusione (ΔH) è considerata più significativa. Per il SA al 44%, si osserva una chiara diminuzione dell’entalpia, da 188,0 ± 1,8 J/g nel primo riscaldamento a 177,4 ± 2,1 J/g nel secondo riscaldamento. Al contrario, il campione di SA al 95%, di maggiore purezza, mostra solo una variazione minima di ΔH, da 215,2 ± 1,3 J/g a 213,4 ± 0,9 J/g (vedi Tabella 3). Questo comportamento suggerisce che il maggiore contenuto di acido palmitico nel campione SA al 44% influenzi il impacchettamento molecolare e la ricristallizzazione, portando non solo a transizioni di fusione più ampie, ma anche a variazioni misurabili nelle caratteristiche energetiche della Transizioni di faseIl termine transizione di fase (o cambiamento di fase) è più comunemente usato per descrivere le transizioni tra gli stati solido, liquido e gassoso. transizione di fase, mentre il campione SA al 95%, più omogeneo, rimane sostanzialmente inalterato.
È importante notare che sia l’acido stearico che l’acido palmitico possono esistere in diverse forme polimorfiche o ricristallizzarsi dalla fase fusa. I punti di fusione di queste forme sono solitamente molto vicini tra loro; tuttavia, queste diverse forme polimorfiche possono influenzare la curva DSC.
Inoltre, la presenza di eventi termici multipli durante il secondo riscaldamento dell’acido stearico al 44% è indicata da una spalla distinta nel segnale della derivata prima (DDSC) (Figura 4A), che non si osserva per l’acido stearico al 95%. Questa caratteristica può essere valutata più chiaramente sulla base della curva DDSC, dove la spalla diventa più pronunciata. Ciò conferma ulteriormente la presenza di eterogeneità composizionale e di un comportamento di CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione più complesso nel campione a minore purezza.
Quando le prime curve di riscaldamento di entrambi i campioni vengono rappresentate in un unico grafico, la differenza tra i rispettivi eventi di fusione risulta particolarmente evidente. La Figura 5 mostra le curve di primo riscaldamento di SA 44% e SA 95%, rivelando picchi stretti e ben definiti con un'eccellente risoluzione. La netta differenza nella posizione dei picchi riflette la variazione nella composizione chimica e nella purezza, nonché le differenze nella struttura cristallina.
Conclusione
Nel complesso, questi risultati dimostrano che il DSC 300 Caliris® fornisce dati termici altamente riproducibili e ben risolti, consentendo una chiara differenziazione tra campioni con composizioni e purezze diverse. La sua sensibilità alle variazioni della Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione, della forma dei picchi e del comportamento di ricristallizzazione lo rende uno strumento potente ed efficiente per la ricerca e l’industria.
Nelle applicazioni farmaceutiche, cosmetiche e alimentari, dove l’uniformità e la purezza delle materie prime sono fondamentali, il DSC 300 Caliris® consente la rapida identificazione delle differenze tra i materiali, il rilevamento delle impurità e la verifica dell’uniformità tra i lotti, supportando sia lo sviluppo dei prodotti che il controllo di qualità di routine.
Questo studio ha dimostrato che l’acido stearico di grado farmaceutico potrebbe non soddisfare sempre la composizione prevista dell’acido stearico puro, anche se il materiale è conforme ai requisiti della monografia della farmacopea. Le sue proprietà, come il comportamento di fusione, dipendono fortemente dalla sua composizione. Si raccomanda pertanto che la sostanza venga adeguatamente caratterizzata prima di qualsiasi impiego industriale.
Ringraziamenti
Un sentito ringraziamento a Gabriele Kaiser e al dott. Stefan Schmölzer per il loro prezioso contributo alla valutazione tecnica e all’interpretazione dei risultati.