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유당과 물 - 친화력에 관한 이야기

소개

유당은 포유류의 모유에 존재하는 당분입니다. 제약 산업에서 정제와 캡슐의 크기를 채우기 위한 바인더 및 충전제, 건조 분말 흡입 제제의 희석제로 자주 사용됩니다. 유당은 다양한 형태로 존재하며 각 형태마다 고유한 특성이 있습니다. 예를 들어 무정형 유당은 압축 특성은 좋지만 흡습성이 높아 결정형 유당보다 안정성이 떨어집니다. 결정 형태의 두 이성질체(α- 및 β- 락토스라고 함)조차도 매우 다른 특성을 가지고 있습니다. α- 락토스는 일반적으로 일수화물로 발견되며 용해도 등에서 β- 형태와 다릅니다 [1]. 분무 건조 유당은 두 가지 유당 유형을 결합한 것입니다: Α-락토스 일수화물 결정이 박혀 있는 비정질 락토스의 매트릭스입니다.

유당의 특성은 무정형, α- 또는 β- 결정성 등 화학적 상태에 따라 크게 달라집니다. 따라서 특정 용도에 유당을 사용하려면 정확한 식별이 필요합니다. 다음에서는 사용하기 쉬운 열 분석 방법을 통해 유당과 같은 제약 부형제의 특성을 분석할 수 있는 방법을 보여드립니다.

품질 관리를 위한 식별 - DSC 검출결정 및/또는 비정질 단계

DSC(차동 주사 열량계)는 취급의 용이성과 측정 곡선을 자동으로 평가할 수 있는 기능이 결합되어 있어 품질 관리에 자주 사용되는 방법입니다( NETZSCH DSC 사용자).

그림 1은 α-락토스 일수화물의 일반적인 DSC 곡선을 보여줍니다. 측정이 시작될 때 이 물질은 물 한 분자에 대해 한 분자를 포함하고 있습니다. 146°C(피크 온도)에서 검출된 피크는 시료의 탈수로 인한 것입니다. 여기서 결정에 결합된 물이 증발합니다. 이 과정이 끝나면 유당은 무수화물 형태가 됩니다. 이 무수화물은 216°C(최고 온도)에서 녹습니다.

1) 10K/min에서 가열하는 동안 α-락토스 일수화물의 일반적인 DSC 곡선.

그림 2는 α-락토스 일수화물(100% 결정성)의 DSC 곡선을 새로운 분무 건조 유당 및 만료된 분무 건조 유당의 곡선과 비교합니다. Α-락토스 일수화물의 탈수 시 전형적인 수분 증발 피크와 무수 유당의 용융 피크가 세 가지 재료 모두에서 검출되었습니다. 탈수 엔탈피의 차이는 제품의 차이를 강조합니다.

  • 탈수 엔탈피는 결정 유당이 분무 건조 유당보다 더 높았습니다(157 J/g 대 126 J/g). 이는 분무 건조 유당은 약 10%의 무정형상을 포함하고 있기 때문입니다. 엔탈피는 시료에 존재하는 결정 부분의 질량을 기준으로 계산됩니다. 이 질량은 α-락토스 일수화물(완전한 결정성 시료)의 경우 시료의 100%에 해당하며 분무 건조 유당의 경우 약 90%에 불과합니다.
  • 만료된 분무 건조 유당의 탈수 엔탈피는 결정 유당의 탈수 엔탈피와 매우 유사합니다. 이는 분무 건조 유당이 보관 중에 변화했음을 보여줍니다.
  • 0°C에서 120°C 사이의 확대된 범위의 곡선을 보면 이 동작에 대한 초기 설명이 제공됩니다. 새로운 분무 건조 유당의 DSC 곡선에서만 유리 전이가 감지되었습니다. 보관 중에 분무 건조 유당에 존재하는 무정형 부분이 결정화되어 유통기한이 지나면 더 이상 무정형 유당은 포함되지 않고 결정화된 제품만 남는 것으로 보입니다. 이 결론은 분무 건조 유당에 포함된 무정형 유당 부분이 결정성 유당에 비해 압축 특성이 더 우수하기 때문에 매우 중요합니다.
2) α- 유당 일수화물, 새로운 분무 건조 유당 및 만료된 분무 건조 유당의 DSC 곡선.
3) 그림 2 확대: 비정질 유당의 유리 전이 온도에 해당하는 온도 범위.

유당의 수분 함량 열중량 측정 균형

분무 건조 유당에서 물의 역할을 더 잘 이해하기 위해 열무게 분석(TGA)을 수행했습니다. 이러한 테스트에서는 특정 시간/온도 프로그램 동안 물질의 질량 변화를 기록합니다.

FT-IR 분광기와 결합하면 진화한 가스를 식별할 수 있습니다.

그림 4는 분무 건조 유당(녹색)에 대해 수행한 결과 TGA 곡선을 보여줍니다. 또한, 진화한 가스의 열무게 저울 출구에서 FT-IR 분광기로 검출된 미량의 물, 이산화탄소 및 에탄디올은 검은색, 분홍색 및 파란색으로 표시됩니다. 처음 두 단계인 0.5%와 4.5%의 질량 손실은 물의 진화와 관련이 있습니다. 같은 물질이 증발하더라도 그 과정은 서로 다른 온도에서 발생합니다. 이는 물이 서로 다르게 결합되어 있기 때문입니다. 0.5%의 질량 손실과 관련된 첫 번째 단계는 지표수의 증발에서 비롯됩니다. 두 번째 단계인 4.5%는 더 높은 온도에서 감지되며 그림 2에 표시된 DSC 탈수 피크에 해당합니다. 이는 유당 분자에 결합된 결정 수분의 증발에서 비롯됩니다.

4) 분무 건조 유당에 대한 TGA-FT-IR 측정.

224°C(TGA 곡선의 시작 온도)에서 감지된 추가 질량 손실 단계는 유당의 분해에 해당합니다. 불활성 분위기에서 유당이 분해되면 에탄디올과 이산화탄소가 형성됩니다.

결정수의 양은 분무 건조 유당에 존재하는 α-락토스 일수화물의 비율을 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 이것이 가능한 이유는

물 분자가 유당 한 분자에 결합되어 있으므로 질량 손실 단계가 5%라는 것은 물질이 무정형 상이 없는 완전히 일수화물 유당임을 나타냅니다. 이 결과는 정제 제조와 같은 응용 분야에서 중요한데, 무정형 유당과 결정형 유당은 압축 특성이 크게 다르기 때문입니다.

물에 대한 친화력

분무 건조 유당을 습한 대기에 보관하면 어떻게 될까요? 그림 5는 분무 건조 유당의 열 중량 측정 곡선을 받은 그대로 측정한 결과(녹색)와 습한 대기에서 2주간 보관한 동일한 샘플의 결과 곡선(파란색)을 비교한 것입니다.

5) 습한 환경에 보관하거나 보관하지 않고 분무 건조된 유당을 사용합니다.

보관하면 표면 수분의 양이 급격히 증가합니다(0.5%에서 4.5%). 수분 함량이 증가하면 분말이 굳을 수 있으므로 이 정보는 매우 중요합니다. 입자 크기가 300μm인 유당은 수분 함량이 3%보다 높으면 쉽게 굳을 수 있다는 점에 유의해야 합니다. [2]

습한 대기에서의 보관은 표면 수분 함량뿐만 아니라 결정상 대 비정질상의 비율에도 영향을 미칩니다. 표면수를 고려하지 않고 결정수를 계산할 경우, 즉 표면수가 없는 시료 질량과 관련해서 계산할 경우 초기 유당의 결정수는 4.5%인 반면 저장 후 유당의 결정수는 4.9%가 됩니다. 이는 습한 대기에서 보관하는 동안 무정형 유당의 일부가 α-락토스 일수화물에서 결정화되었음을 의미합니다.

무정형 유당은 흡습성이 없는 결정 형태의 유당과 달리 물에 매우 민감합니다. 습한 대기에서 분무 건조 유당을 보관하면 표면 수분 함량이 증가하여 제품의 무정형 부분이 결정화됩니다. 이렇게 하면 압축성과 분말 유동성 측면에서 새로운 특성이 나타납니다.

결론

유당은 다양한 무정형 및 결정 형태로 존재하며, 각 형태는 제약 산업에서 고유한 특성과 응용 분야를 가지고 있습니다.

DSC는 이러한 다양한 형태를 식별하기 위해 선택되는 분석법입니다. 상보적 열무게 분석은 유당 물질에 존재하는 수분 양을 매우 정확하게 측정하고 표면 수분과 결정 수분을 별도로 식별합니다. 결정수량과 α-락토스 일수화물 비율 사이에는 상관관계가 있기 때문에 이 기기는 유당의 종류를 판별하는 데에도 사용할 수 있습니다.

두 가지 방법 모두 품질 관리에 사용됩니다. 유당은 물론 다른 제약 성분도 시간이 지나고 보관 조건에 따라 변할 수 있다는 점을 고려할 때 매우 중요합니다. 결국 이러한 변화는 생산을 방해하고 제품 품질을 저하시킵니다. 예를 들어 정제 제조 과정에서 압축성, 분말 유동성 및 정제 안정성과 관련된 문제가 발생할 수 있습니다. DSC와 TGA는 이러한 문제를 방지할 수 있는 도구입니다.

Literature

  1. [1]
  2. [2]
    유당 케이킹: 입자 크기 분포와 수분 함량의 영향, 클로에 모두그노아 , 앤서니 H. 제이 패터슨, 제레미 맥레오드, 프로시디아 엔지니어링 102 ( 2015 ) 114 - 122