Inleiding
Stearinezuur is een natuurlijk voorkomend verzadigd vetzuur met een lange koolstofketen, dat zowel in plantaardige oliën als in dierlijke vetten voorkomt. Het wordt op grote schaal gebruikt in diverse industrieën, waaronder de farmaceutische industrie, de cosmetica-industrie, de voedingsmiddelenindustrie en bij huishoudelijke producten zoals kaarsen en wasmiddelen. In farmaceutische toepassingen is stearinezuur van farmaceutische kwaliteit echter geen enkele, chemisch zuivere stof, maar een mengsel van vetzuren, voornamelijk stearinezuur en palmitinezuur, waarvan de relatieve verhoudingen kunnen variëren binnen vastgestelde specificatielimieten. Deze variabiliteit in samenstelling kan van invloed zijn op belangrijke eigenschappen, zoals het smeltgedrag.
Stearinezuur: structuur, eigenschappen en toepassingen
Stearinezuur (ook bekend als octadecaanzuur) is een harde, witte tot lichtgeelachtige kristallijne vaste stof en een verzadigd vetzuur met een lange keten (C₁₈H₃₆O₂, afb. 1). De structuur bestaat uit een lineaire koolwaterstofketen van zeventien methyleengroepen die eindigt in een carboxylgroep, waardoor het een amfifiel karakter heeft, hoewel het overwegend hydrofoob is vanwege de lange, niet-polaire staart. De afwezigheid van dubbele bindingen zorgt voor een hoge chemische stabiliteit en weerstand tegen OxidatieOxidatie kan verschillende processen beschrijven in de context van thermische analyse.oxidatie. Het is slecht oplosbaar in water, maar goed oplosbaar in organische oplosmiddelen zoals benzeen, tetrachloorkoolstof, chloroform en ether, waarbij de polaire kopgroep interacties aan het grensvlak mogelijk maakt.
Stearinezuur ondergaat gemakkelijk verestering met alcoholen, waarbij esters ontstaan die worden gebruikt als verzachtingsmiddelen en textuurverbeteraars (bijvoorbeeld octylstearaat, glycerylstearaat). Het vormt ook metaalzouten zoals magnesium-, natrium- en zinkstearaten, die op grote schaal worden gebruikt als smeermiddelen, stabilisatoren en vormlosmiddelen.
In farmaceutische en cosmetische formuleringen fungeert stearinezuur als emulgator, verdikkingsmiddel, oplosmiddel en verzachtingsmiddel in producten voor uitwendig gebruik, en als smeermiddel, bindmiddel en middel dat de afgifte reguleert in vaste toedieningsvormen [2]. In de voedingssector staat het vermeld als E570 (EU) [3] en wordt het door de FDA erkend als GRAS (Generally Recognized as Safe) [4]. Het dient als antiklontermiddel, emulgator en smaakdrager in producten zoals bakkerijproducten, ijs, kauwgom en zoetwaren.
Vetzuren verschillen in ketenlengte en verzadigingsgraad, wat bepalend is voor hun smeltgedrag en fysische toestand. Korte en medium-ketenzuren (bijv. C8:0 – C12:0) hebben lage smeltpunten (16 tot 32 °C) en zijn vloeibaar of halfvast bij kamertemperatuur, terwijl langere verzadigde ketens (C14:0 – C18:0) hogere smeltpunten vertonen (44 tot 70 °C) en vast zijn. Onverzadiging verlaagt het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt, zoals te zien is bij oliezuur (C18:1, ~16 °C). Oliezuur heeft ook 18 koolstofatomen, maar bevat één dubbele binding. In vergelijking met palmitinezuur (C₁₆H₃₂O₂, hexadecaanzuur, figuur 2) – een ander vetzuur dat zeer vaak in de natuur voorkomt – heeft stearinezuur een iets hoger Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt en draagt bij aan stevigere structuren, terwijl oliezuur de pakking verstoort, wat resulteert in zachtere systemen met een betere smeerbaarheid, maar een lagere oxidatieve stabiliteit.
De structuur van vetzuren bepaalt dus hun fysisch-chemische eigenschappen en toepassingen in de farmaceutische, cosmetische en voedingssector (zie tabel 1).
Tabel 1: Verband tussen structuur, eigenschappen en toepassing van veelvoorkomende vetzuren
| Vetzuur | Lengte van de koolstofketen | Type keten | Smeltpunt (°C) [5] | Typische toepassingen (farmaceutische, cosmetische en voedingsindustrie) |
|---|---|---|---|---|
| Caprylzuur | C8:0 | Verzadigd medium | 16,5 | Antimicrobieel middel, tussenproduct voor geneesmiddelen; eiwitstabilisatie; hulpstof bij de productie van biofarmaceutica [6] |
| Caprinezuur | C10:0 | Verzadigd medium | 31,6 | Smaak- en oplosmiddel in farmaceutische preparaten, dat een citrusachtige smaak geeft; emulgator [2] |
| Laurinezuur | C12:0 | Verzadigd medium | 43,8 | Emulgator en oplosmiddel; levensmiddelenadditief; smeermiddel; oppervlakteactieve stof [2] |
| Myristinezuur | C14:0 | Verzadigd, lang | 53,9 | Emulgator en oplosmiddel; huidpenetrant; smeermiddel voor tabletten en capsules [2] |
| Palmitinezuur | C16:0 | Verzadigd, lang | 62,5 | Emulgator en oplosmiddel; dringt door de huid heen; glijmiddel voor tabletten en capsules [2] |
| Stearinezuur | C18:0 | Verzadigd, lang | 69,3 | Emulgator en oplosmiddel; glijmiddel voor tabletten en capsules [2] |
| Oliezuur | C18:1 | Enkelvoudig verzadigd | 16,3 | Emulgator; huidpenetrant [2] |
Invloed van de samenstelling van stearinezuur en palmitinezuur op het thermisch gedrag
Volgens de farmacopee (USP–NF) wordt stearinezuur gedefinieerd als een mengsel van stearinezuur (C18:0) en palmitinezuur (C16:0), dat ten minste 40% stearinezuur bevat, waarbij het gecombineerde gehalte aan deze twee verzadigde vetzuren ten minste 90% bedraagt (figuur 2). Bijgevolg vertonen in de handel verkrijgbare farmaceutische kwaliteiten variabiliteit in de verhouding tussen stearinezuur en palmitinezuur, wat een directe invloed heeft op hun thermofysische eigenschappen. Aangezien de ketenlengte van vetzuren bepalend is voor zowel de intermoleculaire van der Waals-interacties als de efficiëntie van de kristallijne pakking, veranderen verschillen in samenstelling de roosterstabiliteit en het polymorfe gedrag, wat resulteert in verschillende smeltprofielen. Hogere stearinezuuraandelen leiden doorgaans tot hogere smelttemperaturen en een betere kristallijne orde, terwijl een hoger palmitinezuurgehalte deze parameters enigszins kan verlagen vanwege de kortere ketenlengte. In dit onderzoek hebben we twee verschillende stearinezuurmonsters geanalyseerd, met verschillende verhoudingen tussen stearinezuur en palmitinezuur.
Experimenteel
Er werden twee stearinezuurmonsters geanalyseerd: één met meer dan 95% stearinezuur en een tweede met 44% stearinezuur; het eerste was vervaardigd door Sigma-Adrich en het tweede door Caelo. Er werd gebruikgemaakt van differentiële scanningcalorimetrie (DSC) om de verschillen in thermisch gedrag te karakteriseren en de invloed van de samenstelling op de smelttransities te beoordelen.
De monsters werden in aluminium smeltkroezen (Concavus®) gedaan, die werden afgesloten met deksels met gaatjes, en verwarmd van 20 °C tot 160 °C met een verwarmingssnelheid van 10 K/min onderN₂ bij een stroomsnelheid van 20 ml/min. Elk monster werd driemaal gemeten, waarbij de gemiddelde gemeten massa’s werden geregistreerd als 2,57 ± 0,05 mg voor stearinezuur 95% en 2,46 ± 0,05 mg voor stearinezuur 44%, zie tabel 2.
Tabel 2: Experimentele omstandigheden
| Parameter | Voorwaarde |
|---|---|
| Instrument | DSC 300 Caliris® Supreme , H-Module |
| Massa van het monster | 2,41 tot 2,61 mg |
| Monstertype | Stearinezuur (SA 44%, SA 95%) |
| Smeltkroes | Aluminium smeltkroes, deksel met openingen |
| Atmosfeer | N2 |
| Gasdebiet | 20 ml/min (spoelgas) |
| Temperatuurbereik | 20 °C tot 160 °C |
| Verwarmings- en afkoelsnelheden | 10 K/min |
| Software | NETZSCH Proteus® Protect versie 9 |
Meetresultaten
De DSC-curves van stearinezuur 44% (SA 44%) en stearinezuur 95% (SA 95%), weergegeven in figuur 3, vertonen smeltpieken tijdens zowel de eerste als de tweede verwarmingscyclus, evenals herkristallisatie tijdens het afkoelen met een uitstekende reproduceerbaarheid (respectievelijk figuur 3A en 3B). Op basis van de geëxtrapoleerde begin-smelttemperaturen (Tm) smelt SA 44% bij ongeveer 54 tot 55 °C, terwijl SA 95% smelt bij ongeveer 69 tot 70 °C.
Bij SA 44% is er een lichte daling vande Tm waarneembaar tussen de eerste en de tweede verwarmingscyclus. Ook bij SA 95% vertoont de tweede verwarmingscyclus eenTm die ongeveer 1 °C lager ligt dan die welke tijdens de eerste verwarmingscyclus werd waargenomen (zie tabel 3). Deze verschuivingen kunnen worden toegeschreven aan verschillende factoren, waaronder inhomogeniteit van het monster tijdens de voorbereiding, thermische geschiedenis, PolymorfismePolymorfisme is het vermogen van een vast materiaal om verschillende kristallijne structuren te vormen (synoniemen: vormen, modificaties).polymorfisme of variaties in het herkristallisatiegedrag onder de toegepaste afkoelomstandigheden.
Tabel 3: DSC-resultaten voor stearinezuur 44% en stearinezuur 95%
| Complexe piek | Stearinezuur 44% 1e verwarming | Stearinezuur 44% 2e verwarming | Stearinezuur 95% 1e verhitting | Stearinezuur 95% 2e verhitting |
|---|---|---|---|---|
| GeëxtrapoleerdeTm -aanvang (°C) | 54,5 ± 3 0,1 | 54,0 ± 0,1 | 69,6 ± 0,2 | 68,7 ± 0,1 |
| Maximum (°C) | 57,9 ± 0,2 | 57,5 ± 0,1 | 73,2 ± 0,2 | 72,8 ± 0,0 |
| Enthalpie (J/g) | 188,0 ± 1,8 | 177,4 ± 2,1 | 215,2 ± 1,3 | 213,4 ± 0,9 |
Piekbreedte (°C bij 37,0%) | 4,0 ± 0,2 | 5,0 ± 0,2 | 4,6 ± 0,1 | 4,9 ± 0,1 |
Daarnaast kunnen praktijkgerelateerde aspecten van de monstervoorbereiding en meting aan dit effect bijdragen. Tijdens de eerste verwarmingscyclus wordt het monster aanvankelijk als vaste stof ingebracht, waarbij het contact met de bodem van de smeltkroes mogelijk beperkt en ongelijkmatig is. Bij het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten verspreidt het materiaal zich opnieuw en vormt het tijdens de daaropvolgende afkoeling een laag met beter contact met de smeltkroes. In de tweede verwarmingscyclus zorgen dit verbeterde thermische contact en de mogelijke verspreiding van het monster over een groter oppervlak voor een efficiëntere warmteoverdracht. Als gevolg hiervan wordt in de tweede verwarmingscyclus vaak een verschuiving naar iets lagere smelttemperaturen waargenomen.
Een andere waarneming is de toename van de piekbreedte voor SA 44% na de eerste verwarmingscyclus, van 4,0 ± 0,2 °C tot 5,0 ± 0,2 °C. Daarentegen vertoont SA 95% slechts een lichte toename van ongeveer 0,3 °C in de gemiddelde piekbreedte (Tabel 3). Hoewel de piekbreedte een indicatie geeft van veranderingen in het smeltgedrag, wordt de ontwikkeling van de smeltenthalpie (ΔH) als belangrijker beschouwd. Voor SA 44% wordt een duidelijke afname van de enthalpie waargenomen, van 188,0 ± 1,8 J/g bij de eerste verwarming tot 177,4 ± 2,1 J/g bij de tweede verwarming. Daarentegen vertoont het monster met de hogere zuiverheid, SA 95%, slechts een geringe verandering in ΔH, van 215,2 ± 1,3 J/g naar 213,4 ± 0,9 J/g (zie Tabel 3). Dit gedrag suggereert dat het hogere gehalte aan palmitinezuur in SA 44% de moleculaire pakking en herkristallisatie beïnvloedt, wat niet alleen leidt tot bredere smelttransities, maar ook tot meetbare veranderingen in de energetische kenmerken van de FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergang, terwijl het meer homogene SA 95% grotendeels onaangetast blijft.
Het is belangrijk op te merken dat zowel stearinezuur als palmitinezuur in verschillende polymorfe vormen kunnen voorkomen of uit de gesmolten fase kunnen herkristalliseren. De smeltpunten van deze vormen liggen doorgaans zeer dicht bij elkaar; deze verschillende polymorfe vormen kunnen echter de DSC-curve beïnvloeden.
Bovendien wordt de aanwezigheid van meerdere thermische gebeurtenissen tijdens de tweede verwarming van SA 44% aangegeven door een duidelijke schouder in het eerste afgeleide (DDSC)-signaal (Figuur 4A), die niet wordt waargenomen bij SA 95%. Dit kenmerk kan duidelijker worden beoordeeld aan de hand van de DDSC-curve, waar de schouder meer uitgesproken wordt. Dit ondersteunt verder de aanwezigheid van heterogeniteit in de samenstelling en complexer kristallisatiegedrag in het monster met lagere zuiverheid.
Wanneer de eerste verwarmingscurves van beide monsters in één grafiek worden weergegeven, wordt het verschil tussen hun smeltmomenten bijzonder duidelijk. Figuur 5 toont de eerste verwarmingscurves van SA 44% en SA 95%, die smalle en duidelijk afgebakende pieken met een uitstekende resolutie laten zien. Het duidelijke verschil in piekpositie weerspiegelt de variatie in chemische samenstelling en zuiverheid, evenals verschillen in kristalstructuur.
Conclusie
Over het geheel genomen tonen deze resultaten aan dat de DSC 300 Caliris® zeer reproduceerbare en gedetailleerde thermische gegevens oplevert, waardoor een duidelijk onderscheid kan worden gemaakt tussen monsters met verschillende samenstellingen en zuiverheidsgraden. Dankzij de gevoeligheid voor veranderingen in Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur, piekvorm en herkristallisatiegedrag is het een krachtig en efficiënt hulpmiddel voor onderzoek en de industrie.
In farmaceutische, cosmetische en voedingsmiddelentoepassingen, waar de consistentie en zuiverheid van grondstoffen van cruciaal belang zijn, maakt de DSC 300 Caliris® het mogelijk om snel materiaalverschillen te identificeren, onzuiverheden op te sporen en de consistentie tussen verschillende batches te verifiëren, wat zowel de productontwikkeling als de routinematige kwaliteitsborging ondersteunt.
Dit onderzoek heeft aangetoond dat stearinezuur van farmaceutische kwaliteit mogelijk niet altijd voldoet aan de verwachte samenstelling van zuiver stearinezuur, ook al voldoet het materiaal aan de eisen van de farmacopeemonografie. De eigenschappen ervan, zoals het smeltgedrag, zijn sterk afhankelijk van de samenstelling. Daarom wordt aanbevolen om de stof grondig te karakteriseren alvorens deze industrieel te gebruiken.
Dankwoord
Hartelijk dank aan Gabriele Kaiser en dr. Stefan Schmölzer voor hun waardevolle bijdragen aan de technische evaluatie en interpretatie van de resultaten.