Inledning
Stearinsyra är en naturligt förekommande mättad fettsyra med en lång kolkedja, som finns både i växtbaserade oljor och animaliska fetter. Den används i stor utsträckning inom olika branscher, bland annat läkemedel, kosmetika, livsmedel och hushållsprodukter som ljus och tvättmedel. Inom läkemedelsindustrin är stearinsyra av läkemedelskvalitet dock inte en enskild, kemiskt ren substans, utan en blandning av fettsyror, främst stearinsyra och palmitinsyra, vars relativa andelar kan variera inom fastställda specifikationsgränser. Denna variation i sammansättningen kan påverka viktiga egenskaper såsom smältbeteendet.
Stearinsyra: Struktur, egenskaper och användningsområden
Stearinsyra (även känd som oktadekansyra) är ett hårt, vitt till svagt gulaktigt kristallint fast ämne och en långkedjig mättad fettsyra (C₁₈H₃₆O₂, fig. 1). Dess struktur består av en linjär kolvätekedja med sjutton metylengrupper som avslutas med en karboxylgrupp, vilket ger den en amfifil karaktär, även om den huvudsakligen är hydrofob på grund av sin långa, icke-polära svans. Avsaknaden av dubbelbindningar ger hög kemisk stabilitet och motståndskraft mot OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation. Den är svårlöslig i vatten, men lättlöslig i organiska lösningsmedel såsom bensen, koltetraklorid, kloroform och eter, där den polära huvudgruppen möjliggör gränsskiktsinteraktioner.
Stearinsyra genomgår lätt förestring med alkoholer och bildar estrar som används som mjukgörare och konsistensreglerare (t.ex. oktylstearat, glycerylstearat). Den bildar även metallsalter såsom magnesium-, natrium- och zinkstearater, som används i stor utsträckning som smörjmedel, stabilisatorer och formavskiljningsmedel.
I farmaceutiska och kosmetiska formuleringar fungerar stearinsyra som emulgeringsmedel, förtjockningsmedel, lösningsmedel och mjukgörare i topiska produkter, samt som smörjmedel, bindemedel och formavlägsningsmedel i fasta doseringsformer [2]. Inom livsmedelssektorn är den listad som E570 (EU) [3] och erkänd som GRAS (Generally Recognized as Safe) av FDA [4]. Den fungerar som klumpförebyggande medel, emulgeringsmedel och smakbärare i produkter såsom bakverk, glass, tuggummi och konfektyr.
Fettsyror skiljer sig åt i kedjelängd och mättnad, vilket avgör deras smältbeteende och fysikaliska tillstånd. Korta och medium-kedjiga fettsyror (t.ex. C8:0 – C12:0) har låga smältpunkter (16 till 32 °C) och är flytande eller halvfasta vid rumstemperatur, medan längre mättade kedjor (C14:0 – C18:0) uppvisar högre smältpunkter (44 till 70 °C) och är fasta. Omättnad sänker smältpunkten, vilket kan ses hos oljesyra (C18:1, ~16 °C). Oljesyra har också 18 kolatomer, men den innehåller en dubbelbindning. Jämfört med palmitinsyra (C₁₆H₃₂O₂, hexadekansyra, figur 2) – en annan fettsyra som förekommer mycket ofta i naturen – ger stearinsyra en något högre Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältpunkt och bidrar till fastare strukturer, medan oljesyra stör packningen, vilket resulterar i mjukare system med förbättrad smörjbarhet, men lägre oxidationsstabilitet.
Fettsyrornas struktur avgör således deras fysikalisk-kemiska egenskaper och användningsområden inom läkemedels-, kosmetik- och livsmedelsindustrin (se tabell 1).
Tabell 1: Sambandet mellan struktur, egenskaper och användningsområden för vanliga fettsyror
| Fettsyra | Kolkedjans längd | Kedjetyp | Smältpunkt (°C) [5] | Typiska användningsområden (läkemedels-, kosmetik- och livsmedelsindustrin) |
|---|---|---|---|---|
| Kaprylsyra | C8:0 | Mättad medium | 16,5 | Antimikrobiellt medel, mellanprodukt för läkemedel; proteinstabilisering; hjälpämne vid tillverkning av biofarmaceutiska läkemedel [6] |
| Kaprinsyra | C10:0 | Mättad medium | 31,6 | Arom- och lösningsmedel i farmaceutiska preparat, ger en citrusliknande smak; emulgeringsmedel [2] |
| Laurinsyra | C12:0 | Mättad medium | 43,8 | Emulgerings- och lösningsmedel; livsmedelstillsats; smörjmedel; ytaktivt ämne [2] |
| Myristinsyra | C14:0 | Mättad långkedjig | 53,9 | Emulgerings- och lösningsmedel; hudpenetrerande medel; smörjmedel för tabletter och kapslar [2] |
| Palmitinsyra | C16:0 | Mättad långkedjig | 62,5 | Emulgerings- och lösningsmedel; hudpenetrerande medel; smörjmedel för tabletter och kapslar [2] |
| Stearinsyra | C18:0 | Mättad långkedjig | 69,3 | Emulgerings- och lösningsmedel; smörjmedel för tabletter och kapslar [2] |
| Oleinsyra | C18:1 | Enkelomättad | 16,3 | Emulgeringsmedel; hudpenetrerande medel [2] |
Inverkan av sammansättningen av stearinsyra och palmitinsyra på det termiska beteendet
Enligt farmakopén (USP–NF) definieras stearinsyra som en blandning av stearinsyra (C18:0) och palmitinsyra (C16:0), bestående av minst 40 % stearinsyra, där det sammanlagda innehållet av dessa två mättade fettsyror är minst 90 % (figur 2). Följaktligen uppvisar kommersiellt tillgängliga farmaceutiska kvaliteter variationer i förhållandet mellan stearinsyra och palmitinsyra, vilket direkt påverkar deras termofysiska egenskaper. Eftersom fettsyrornas kedjelängd styr både de intermolekylära van der Waals-växelverkan och den kristallina packningseffektiviteten, förändrar skillnader i sammansättning gitterstabiliteten och det polymorfa beteendet, vilket resulterar i distinkta smältprofiler. Högre andelar stearinsyra medför vanligtvis högre smälttemperaturer och förbättrad kristallin ordning, medan ett högre innehåll av palmitinsyra kan minska dessa parametrar något på grund av den kortare kedjelängden. I detta arbete analyserade vi två olika prover av stearinsyra, med olika förhållanden mellan stearinsyra och palmitinsyra.
Experimentell
Två stearinsyraprov analyserades: ett som innehöll mer än 95 % stearinsyra och ett annat som innehöll 44 % stearinsyra; det första tillverkat av Sigma-Adrich och det andra av Caelo. Differentialskanningskalorimetri (DSC) användes för att karakterisera skillnaderna i termiskt beteende och för att bedöma hur sammansättningen påverkar smältövergångarna.
Proverna fylldes i aluminiumdeglar (Concavus®), som förslöts med perforerade lock, och upphettades från 20 °C till 160 °C med en uppvärmningshastighet på 10 K/min underN2 med ett flöde på 20 ml/min. Varje prov mättes i tre replikat, och de genomsnittliga uppmätta massorna registrerades som 2,57 ± 0,05 mg för stearinsyra 95 % och 2,46 ± 0,05 mg för stearinsyra 44 %, se tabell 2.
Tabell 2: Försöksförhållanden
| Parameter | Förhållande |
|---|---|
| Instrument | DSC 300 Caliris® Supreme , H-modul |
| Provets massa | 2,41 till 2,61 mg |
| Provtyp | Stearinsyra (SA 44 %, SA 95 %) |
| Smältdegel | Aluminiumdegel, lock med hål |
| Atmosfär | N2 |
| Gasflöde | 20 ml/min (spolningsgas) |
| Temperaturintervall | 20 °C till 160 °C |
| Uppvärmnings- och kylningshastigheter | 10 K/min |
| Programvara | NETZSCH Proteus® Protect version 9 |
Mätresultat
DSC-kurvorna för stearinsyra 44 % (SA 44 %) och stearinsyra 95 % (SA 95 %), som visas i figur 3, uppvisar smältpunkter under både den första och den andra uppvärmningscykeln, liksom omkristallisering under kylning med utmärkt reproducerbarhet (figur 3A respektive 3B). Baserat på de extrapolerade smältstartstemperaturerna (Tm) smälter SA 44 % vid cirka 54 till 55 °C, medan SA 95 % smälter vid cirka 69 till 70 °C.
SA 44 % uppvisar en svag minskning avTm mellan den första och den andra uppvärmningscykeln. På samma sätt visar den andra uppvärmningen för SA 95 % enTm som är ungefär 1 °C lägre än den som observerades under den första uppvärmningen (se tabell 3). Dessa förändringar kan tillskrivas flera faktorer, däribland inhomogenitet i provet under framställningen, termisk historik, PolymorfismPolymorfism är förmågan hos ett fast material att bilda olika kristallina strukturer (synonymer: former, modifieringar).polymorfism eller variationer i omkristalliseringsbeteendet under de tillämpade kylningsförhållandena.
Tabell 3: DSC-resultat för stearinsyra 44 % och stearinsyra 95 %
| Komplex topp | Stearinsyra 44 % 1:a uppvärmningen | Stearinsyra 44 % 2:a uppvärmningen | Stearinsyra 95 % 1:a uppvärmningen | Stearinsyra 95 % 2:a uppvärmningen |
|---|---|---|---|---|
| Extrapolerad Tm -start (°C) | 54,5 ± 3 0,1 | 54,0 ± 0,1 | 69,6 ± 0,2 | 68,7 ± 0,1 |
| Maxvärde (°C) | 57,9 ± 0,2 | 57,5 ± 0,1 | 73,2 ± 0,2 | 72,8 ± 0,0 |
| Entalpi (J/g) | 188,0 ± 1,8 | 177,4 ± 2,1 | 215,2 ± 1,3 | 213,4 ± 0,9 |
Toppbredd (°C vid 37,0 %) | 4,0 ± 0,2 | 5,0 ± 0,2 | 4,6 ± 0,1 | 4,9 ± 0,1 |
Dessutom kan praktiska aspekter av provberedning och mätning bidra till denna effekt. Under den första uppvärmningscykeln införs provet inledningsvis i fast form, med potentiellt begränsad och ojämn kontakt med degelns botten. Vid smältningen omfördelas materialet och bildar ett skikt med bättre kontakt med degeln under den efterföljande avkylningen. Under den andra uppvärmningscykeln underlättar denna förbättrade termiska kontakt och den eventuella spridningen av provet över en större yta en effektivare värmeöverföring. Som ett resultat av detta observeras ofta en förskjutning mot något lägre smältpunkter under den andra uppvärmningscykeln.
En annan iakttagelse är ökningen av toppbredden för SA 44 % efter den första uppvärmningen från 4,0 ± 0,2 °C till 5,0 ± 0,2 °C. Däremot uppvisar SA 95 % endast en liten ökning på cirka 0,3 °C i den genomsnittliga toppbredden (tabell 3). Även om toppbredden ger en indikation på förändringar i smältbeteendet anses utvecklingen av smältentalpin (ΔH) vara mer betydelsefull. För SA 44 % observeras en tydlig minskning av entalpin, från 188,0 ± 1,8 J/g vid den första uppvärmningen till 177,4 ± 2,1 J/g vid den andra uppvärmningen. Däremot uppvisar provet med SA 95 %, som har högre renhet, endast en obetydlig förändring i ΔH, från 215,2 ± 1,3 J/g till 213,4 ± 0,9 J/g (se tabell 3). Detta beteende tyder på att det högre innehållet av palmitinsyra i SA 44 % påverkar molekylpackningen och omkristalliseringen, vilket inte bara leder till bredare smältövergångar utan också till mätbara förändringar i fasövergångens energimässiga egenskaper, medan det mer homogena SA 95 %-provet i stort sett förblir opåverkat.
Det är viktigt att notera att både stearinsyra och palmitinsyra kan förekomma i olika polymorfa former eller omkristallisera från den smälta fasen. Smältpunkterna för dessa former ligger vanligtvis mycket nära varandra; dock kan dessa olika polymorfa former påverka DSC-kurvan.
Dessutom indikerar förekomsten av flera termiska händelser under den andra uppvärmningen av SA 44 % en tydlig axel i signalen för den första derivatan (DDSC) (figur 4A), vilket inte observeras för SA 95 %. Detta drag kan utvärderas tydligare utifrån DDSC-kurvan, där utskottet blir mer uttalat. Detta styrker ytterligare förekomsten av heterogenitet i sammansättningen och ett mer komplext kristallisationsbeteende i provet med lägre renhet.
När de första uppvärmningskurvorna för båda proverna visas i ett och samma diagram blir skillnaden mellan deras smältpunkter särskilt tydlig. Figur 5 visar de första uppvärmningskurvorna för SA 44 % och SA 95 %, vilka uppvisar smala och väldefinierade toppar med utmärkt upplösning. Den tydliga skillnaden i topparnas position återspeglar variationerna i kemisk sammansättning och renhet, liksom skillnaderna i kristallstruktur.
Slutsats
Sammantaget visar dessa resultat att DSC 300 Caliris® levererar mycket reproducerbara och välupplösta termiska data, vilket möjliggör en tydlig åtskillnad mellan prover med varierande sammansättning och renhet. Dess känslighet för förändringar i Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smälttemperatur, toppform och omkristalliseringsbeteende gör den till ett kraftfullt och effektivt verktyg för både forskning och industri.
Inom läkemedels-, kosmetik- och livsmedelsindustrin, där råvarornas konsistens och renhet är avgörande, möjliggör DSC 300- Caliris® en snabb identifiering av materialskillnader, detektering av föroreningar och verifiering av konsistensen mellan olika batcher, vilket stödjer både produktutveckling och rutinmässig kvalitetssäkring.
Denna studie har visat att stearinsyra av farmaceutisk kvalitet inte alltid uppfyller den förväntade sammansättningen för ren stearinsyra, även om materialet uppfyller kraven i farmakopéns monografi. Dess egenskaper, såsom smältbeteende, beror i hög grad på dess sammansättning. Det rekommenderas därför att ämnet karakteriseras ordentligt innan det används industriellt.
Tack
Ett stort tack till Gabriele Kaiser och dr Stefan Schmölzer för deras värdefulla bidrag till den tekniska utvärderingen och tolkningen av resultaten.