Wprowadzenie
Laktoza to cukier dwucukrowy składający się z galaktozy i glukozy, który znajduje się w mleku ssaków. Laktoza stanowi około 2% do 8% mleka (wagowo), chociaż jej ilość różni się w zależności od gatunku i osobnika. Nazwa pochodzi od lac (gen. lactis), łacińskiego słowa oznaczającego mleko plus końcówka -ose używana do nazywania cukrów [2].
Laktoza może występować w postaci amorficznej lub krystalicznej. W mleku występują zarówno formy krystaliczne α-, jak i ß-. Różnią się one od siebie orientacją grupy hydroksylowej pierścienia węglowego. α-laktoza krystalizuje jako monohydrat, podczas gdy ß-laktoza nie zawiera wody krystalicznej, dlatego często określa się ją jako laktozę bezwodną. Amorficzną laktozę uzyskuje się, gdy wysoce stężony roztwór laktozy jest szybko suszony [3]. Wszystkie te formy laktozy są stosowane jako substancje pomocnicze w produktach farmaceutycznych. Jednak każda z nich ma właściwości fizyczne, które znacznie różnią się od pozostałych dwóch; dlatego każda z nich jest używana do różnych celów [3].
Warunki pomiaru
Pomiary przeprowadzono za pomocą aparatu TG 209 F1 Libra® w atmosferze azotu. Próbkę laktozy (masa początkowa: 6,43 mg) umieszczono w tyglu z tlenku glinu i ogrzewano od temperatury pokojowej do 600°C z prędkością 10 K/min. Gazy wydzielające się podczas ogrzewania były bezpośrednio przenoszone do celi gazowej spektrometru FT-IR firmy Bruker Optics.
Wyniki pomiarów
Rysunek 2 przedstawia krzywą ubytku masy oraz jej pierwszą pochodną (DTG). Krzywa Grama-Schmidta wskazuje ilość wydzielonych substancji wykrytych przez FT-IR podczas ogrzewania.
W pierwszym etapie utraty masy z pikiem DTG w temperaturze 143°C, próbka traci 5% swojej początkowej masy. Masa cząsteczkowa laktozy wynosi 342,3 g/mol [2]. W monohydracie laktozy każda cząsteczka laktozy jest związana z jedną cząsteczką wody, co daje masę cząsteczkową 360,3 g/mol. Odpowiada to utracie masy o 5%, gdy tylko woda krystaliczna zostanie całkowicie uwolniona.
Rysunek 3 przedstawia trójwymiarowe widmo produktów uwalnianych podczas ogrzewania. Widmo produktów uwolnionych w temperaturze 147°C (rysunek 4, górne widmo) dowodzi, że w tej temperaturze odparowuje tylko woda: Jest to woda krystaliczna zawarta w próbce. To, wraz z omówioną powyżej utratą masy wynoszącą 5%, potwierdza, że badana próbka laktozy jest monohydratem.
Degradacja monohydratu laktozy rozpoczyna się w temperaturze 224°C (temperatura początku krzywej TGA). Proces przebiega w dwóch etapach, co widać na podstawie dwóch pików na krzywej DTG. Pierwszy etap utraty masy wynoszący 8% jest związany z nowym uwolnieniem wody (rysunek 4, widmo w środku) wynikającym z rozkładu.
Drugi etap degradacji ma miejsce w temperaturze 301°C (szczyt krzywej DTG) z ubytkiem masy 71%. Rysunek 5 przedstawia widmo substancji wykrytych przez detektor FT-IR w temperaturze 309°C (u góry). Porównanie z widmem library pokazuje, że laktoza ulega rozkładowi; pierścień strukturalny laktozy zostaje przerwany, a dwutlenek węgla i prawdopodobny etanodiol zostają uwolnione.
W celu lepszego wykrycia innych uwolnionych substancji, widmo FT-IR library wody zostało odjęte od widma FT-IR zmierzonego w temperaturze 309°C (rysunek 6). Pozwoliło to na identyfikację tlenku węgla oraz wiązań C=O w uwolnionych gazach.
Wnioski
Pojedynczy pomiar za pomocą TGA-FT-IR wystarczył do uzyskania szeregu informacji na temat próbki laktozy. Po pierwsze, możliwe było potwierdzenie, że jest to monohydrat. Po drugie, możliwe było określenie temperatury rozkładu. Wreszcie, możliwe było zidentyfikowanie substancji uwalnianych podczas degradacji, takich jak woda, dwutlenek węgla, tlenek węgla, etanodiol i produkt zawierający wiązanie C=O.
TGA-FT-IR może być postrzegana jako złożona metoda pomiarowa, ponieważ łączy w sobie dwie różne potężne techniki, zapewniając szeroki zakres wyników. Jednak pomimo swojej złożoności, sprzężenie wagi termicznej ze spektrometrem FT-IR pozwala na bardzo łatwe przygotowanie próbki i pomiar, łącząc łatwość obsługi z wysoką wydajnością.