Decompositiekinetiek voor de voorspelling van de stabiliteit en houdbaarheid van α-D-glucose

Introduction

Glucose is een suiker die een centrale rol speelt als energieleverancier voor de meeste levende organismen. Het is betrokken bij het cellulaire ademhalingsproces. Voor mensen is glucose een primaire energiebron voor de hersenen, rode bloedcellen en spieren tijdens intensieve activiteit. Een goede regulatie van de glucosespiegel is essentieel voor de gezondheid, omdat zowel een hoge als een lage bloedglucosewaarde kan leiden tot ernstige aandoeningen, zoals diabetes en hypoglykemie.

Glucose bestaat in verschillende vormen. L- en D-glucose hebben dezelfde chemische formule, maar verschillen structureel: de ene vorm is het spiegelbeeld van de andere. Bovendien bestaat D-glucose onder twee verschillende vormen, alfa (α) en bèta (β) genaamd, die van de ene in de andere kunnen overgaan. D-glucose is de natuurlijk voorkomende vorm van glucose in levende organismen, vooral in planten en dieren.

De kinetiek van de afbraak van glucose is belangrijk omdat deze ons helpt te begrijpen hoe glucose in de loop van de tijd onder verschillende omstandigheden wordt afgebroken; deze kennis is van vitaal belang in verschillende biologische, industriële en medische contexten.

In het volgende worden thermogravimetrische metingen gebruikt om kinetische studies van de OntledingsreactieEen ontledingsreactie is een thermisch geïnduceerde reactie van een chemische verbinding waarbij vaste en/of gasvormige producten worden gevormd. ontledingsreactie van α-D-glucose uit te voeren.

Measurement Conditions

Hiertoe werden vier monsters met een beginmassa tussen 2,7 en 2,9 mg bereid in aluminiumoxidekroezen. Elke kroes werd in de thermobalans geplaatst en onderworpen aan een gecontroleerde verhitting onder een dynamische stikstofstroom. Elk monster werd gemeten bij een verschillende verwarmingssnelheid tussen 1 en 10 K/min.

TGA Measurements

Figuur 1 toont de curven die het resultaat zijn van de thermogravimetrische metingen bij de verschillende verwarmingssnelheden.

Graph illustrating mass loss vs. temperature curves, highlighting first and second mass loss stages. — 1) Mass loss of α-D-glucose during heating at different heating rates.

Er worden twee massaverliezen waargenomen. Tijdens de eerste lopen de curven parallel aan elkaar. Het verhogen van de verhittingssnelheid leidt tot een verschuiving van de gedetecteerde effecten naar hogere temperaturen, maar heeft geen invloed op de hoeveelheid massaverlies. Bijgevolg zal de reactiestap de vorm hebben:

An arrow connects two labeled boxes, A and B, symbolizing a process in data analysis or testing.

waarbij A en B respectievelijk de reactanten en de producten zijn.

Daarentegen resulteert de tweede massaverliesstap in verschillende restmassa's, afhankelijk van de verhittingssnelheid. Deze afhankelijkheid van het gewichtsverlies van de verwarmingssnelheid geeft aan dat deze ontledingsstap ten minste twee concurrerende reacties bevat die gelijktijdig verlopen. Dit komt overeen met de volgende reactiestappen:

Flowchart illustrating process steps A, B, C, and D, with B highlighted in red as a decision point leading to C and D.

waarbij C en D de producten zijn van beide concurrerende reacties.

Kinetic Analysis

De reactiekinetiek werd geanalyseerd met de software Kinetics Neo, waarbij het hierboven beschreven drietrapsreactiemodel werd gebruikt.

Flowchart illustrating yield stress analysis for ketchup with processes A, B, C, and D distinctly labeled.

Voor elk van deze stappen berekent de software de kinetische parameters, d.w.z. reactietype, activeringsenergie en reactievolgorde, voor een specifiek reactietype. Er werd een autokatalytische reactie geselecteerd voor de eerste reactiestap en n-de orde reacties voor beide concurrerende stappen.

Tabel 1 toont de kinetische parameters die zijn bepaald voor de berekening; en figuur 2 de curven die zijn berekend met deze parameters vergeleken met de gemeten curven.

Table 1: Kinetic analysis of α-D-glucose decomposition

	A → B	B → C	B → D
Reaction type	Autocatalysis	n^th order	n^th order
Equation	see [1]	see [2]	see [3]
Activation energy	96.53	1.13	182.28
Log(PreExp)	7.69	-3.39	14.45
Reaction order n	1.76	13.96	1.96
Log(AutocatPreExp)	0.69	-	-
Contribution	0.28	0.36	0.37

Mathematical equation illustrating reaction rate dynamics, featuring variables for pre-exponential factor, concentration, and activation energy. — [1]

Mathematical formula for reaction rate, highlighting the role of activation energy and temperature in chemical kinetics. — [2]

Mathematical equation for reaction rate, detailing factors like pre-exponential factor and activation energy. — [3]

De berekende en gemeten curven komen zeer goed overeen, met een correlatiecoëfficiënt hoger dan 0,999.

Graph displaying measured (dots) and calculated (lines) data illustrating a high correlation coefficient (> 0.999) for temperature analysis. — 2) Measured (dots) and calculated data (continuous lines). Correlation of coefficient> 0.999.

Prediction of the Glucose Decomposition

Op basis van de bepaalde kinetische parameters kan Kinetics Neo het ontledingsgedrag van glucose voor elke tijd/temperatuurconditie simuleren en zo de stabiliteit en houdbaarheid voorspellen.

Een voorbeeld wordt gegeven in figuur 3, waarin de simulatie van het ontledingsproces voor verschillende isothermen tussen 20°C en 200°C wordt weergegeven. Zoals verwacht verloopt de reactie sneller naarmate de temperatuur hoger is. Een conversie van 1 komt overeen met de voltooiing van de reactie. Deze toestand wordt bereikt na ongeveer 20 maanden bij 200°C.

Graph illustrating thixotropy test results with predictive curves for varying temperatures over time. — 3) Decomposition prediction of α-D-glucose for different isothermal conditions between 20 and 200°C

Figuur 4 toont de bijbehorende concentraties van de reactanten A en de producten B, C en D die tijdens de reactie ontstaan.

Thixotropic test results graph for ketchup, showing prediction curves for different temperatures over time. — 4) Concentrations predictions of reactant A and of the different products B, C and D involved in the decomposition of α-D-glucose at 200°C

Conclusion

De ontledingskinetiek van α-D-glucose werd onderzocht met thermogravimetrische metingen en de Kinetics Neo software.

Met de Kinetics Neo software kan het gedrag van het materiaal gesimuleerd worden voor alle tijd/temperatuurcondities en het is daarom een effectief hulpmiddel voor het voorspellen van stabiliteit en houdbaarheid.