Giriş
Stearik asit, hem bitkisel yağlarda hem de hayvansal yağlarda bulunan, uzun karbon zincirine sahip, doğal olarak oluşan doymuş bir yağ asididir. İlaç, kozmetik, gıda ürünleri ve mumlar ile deterjanlar gibi ev eşyaları dahil olmak üzere çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak ilaç uygulamalarında, ilaç sınıfı stearik asit tek bir kimyasal olarak saf madde değil, esas olarak stearik ve palmitik asitlerden oluşan bir yağ asitleri karışımıdır ve bu asitlerin nispi oranları, tanımlanmış spesifikasyon sınırları dahilinde değişebilir. Bu bileşimdeki değişkenlik, Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime davranışı gibi temel özellikleri etkileyebilir.
Stearik Asit: Yapısı, Özellikleri ve Uygulamaları
Stearik asit (oktadekanoik asit olarak da bilinir), sert, beyaz ila hafif sarımsı renkli kristal bir katı madde ve uzun zincirli doymuş bir yağ asididir (C₁₈H₃₆O₂, Şekil 1). Yapısı, bir karboksilik asit grubuyla sonlanan on yedi metilen grubundan oluşan doğrusal bir hidrokarbon zincirinden oluşur; bu da ona amfifilik bir karakter kazandırır, ancak uzun, polar olmayan kuyruğu nedeniyle ağırlıklı olarak hidrofobiktir. Çift bağların bulunmaması, yüksek kimyasal kararlılık ve oksidasyona karşı direnç sağlar. Suda zor çözünür, ancak benzen, karbon tetraklorür, kloroform ve eter gibi organik çözücülerde kolayca çözünür; polar baş grubu, arayüzey etkileşimlerini mümkün kılar.
Stearik asit, alkollerle kolayca esterleşerek, yumuşatıcı ve doku düzenleyici olarak kullanılan esterler oluşturur (örneğin, oktil stearat, gliseril stearat). Ayrıca, yağlayıcılar, stabilizatörler ve kalıp ayırıcı maddeler olarak yaygın olarak kullanılan magnezyum, sodyum ve çinko stearatları gibi metal tuzlarını da oluşturur.
Farmasötik ve kozmetik formülasyonlarda stearik asit, topikal ürünlerde emülgatör, kıvam arttırıcı, çözündürücü ve yumuşatıcı olarak; katı dozaj formlarında ise yağlayıcı, bağlayıcı ve salınım değiştirici ajan olarak işlev görür [2]. Gıda sektöründe E570 (AB) olarak listelenir [3] ve FDA tarafından GRAS (Genel Olarak Güvenli Kabul Edilen) olarak tanınır [4]. Fırınlanmış ürünler, dondurma, sakız ve şekerlemeler gibi ürünlerde topaklanmayı önleyici, emülgatör ve aroma taşıyıcısı olarak işlev görür.
Yağ asitleri, Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime davranışlarını ve fiziksel hallerini belirleyen zincir uzunluğu ve doymuşluk bakımından farklılık gösterir. Kısa ve medium zincirli asitler (örn. C8:0 - C12:0) düşük Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime noktalarına (16 ila 32 °C) sahiptir ve oda sıcaklığında sıvı veya yarı katı haldedir; buna karşın daha uzun doymuş zincirler (C14:0 - C18:0) daha yüksek Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime noktaları (44 ila 70 °C) sergiler ve katı haldedir. Doymamışlık Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır.erime noktasını düşürür; bu durum oleik asitte (C18:1, ~16 °C) görülebilir. Oleik asit de 18 karbon atomuna sahiptir, ancak bir çift bağ içerir. Palmitik asit (C₁6H₃2O₂, heksadekanoik asit, Şekil 2) – doğada çok sık rastlanan bir başka yağ asidi – stearik asit biraz daha yüksek Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime noktası sağlar ve daha sert yapılara katkıda bulunurken, oleik asit molekül dizilimini bozar; bu da yayılabilirliği artıran ancak oksidatif kararlılığı düşüren daha yumuşak sistemler ortaya çıkarır.
Dolayısıyla, yağ asitlerinin yapısı, bunların fizikokimyasal özelliklerini ve ilaç, kozmetik ve gıda sistemlerindeki kullanım alanlarını belirler (bkz. Tablo 1).
Tablo 1: Yaygın yağ asitlerinin yapısı, özellikleri ve kullanım alanları arasındaki ilişki
| Yağ Asidi | Karbon Zinciri Uzunluğu | Zincir Tipi | Erime Noktası (°C) [5] | Tipik Uygulamalar (İlaç, Kozmetik ve Gıda Endüstrileri) |
|---|---|---|---|---|
| Kaprilik asit | C8:0 | Doymuş medium | 16,5 | Antimikrobiyal ajan, ilaç ara maddesi; protein stabilizasyonu; biyofarmasötik üretim yardımcısı [6] |
| Kaprik asit | C10:0 | Doymuş medium | 31,6 | Farmasötik preparatlarda aroma ve çözündürücü ajan, narenciye benzeri bir aroma sağlar; emülgatör [2] |
| Laurik asit | C12:0 | Doymuş medium | 43,8 | Emülgatör ve çözündürücü madde; gıda katkı maddesi; yağlayıcı; yüzey aktif madde [2] |
| Miristik asit | C14:0 | Doymuş uzun zincirli | 53,9 | Emülsifiye edici ve çözündürücü madde; cilde nüfuz eden madde; tablet ve kapsül yağlayıcı [2] |
| Palmitik asit | C16:0 | Doymuş uzun zincirli | 62,5 | Emülsifiye edici ve çözündürücü madde; cilde nüfuz eden madde; tablet ve kapsül kayganlaştırıcı [2] |
| Stearik asit | C18:0 | Doymuş uzun zincirli | 69,3 | Emülsifiye edici ve çözündürücü madde; tablet ve kapsül kayganlaştırıcı [2] |
| Oleik asit | C18:1 | Tekli doymamış | 16,3 | Emülsifiye edici madde; cilde nüfuz eden madde [2] |
Stearik-Palmitik Asit Bileşiminin Termal Davranış Üzerindeki Etkisi
Farmakope terimleriyle (USP–NF), stearik asit, en az %40 stearik asit içeren ve bu iki doymuş yağ asidinin toplam içeriği en az %90 olan stearik (C18:0) ve palmitik (C16:0) asitlerin bir karışımı olarak tanımlanır (Şekil 2). Sonuç olarak, piyasada bulunan farmasötik sınıf ürünler, termofiziksel özelliklerini doğrudan etkileyen stearik-palmitik asit oranında değişkenlik gösterir. Yağ asidi zincir uzunluğunun hem moleküller arası van der Waals etkileşimlerini hem de kristal paketleme verimliliğini belirlediği göz önüne alındığında, bileşim farklılıkları kafes kararlılığını ve polimorfik davranışı değiştirerek farklı erime profillerine yol açar. Daha yüksek stearik asit oranları genellikle erime sıcaklıklarının artmasına ve kristal düzeninin güçlenmesine yol açarken, daha yüksek palmitik asit içeriği, zincir uzunluğunun daha kısa olması nedeniyle bu parametreleri hafifçe düşürebilir. Bu çalışmada, farklı stearik asit-palmitik asit oranlarına sahip iki farklı stearik asit numunesini analiz ettik.
Deneysel
İki stearik asit numunesi analiz edildi: biri %95’ten fazla stearik asit içeren, diğeri ise %44 stearik asit içeren numuneler; ilki Sigma-Adrich tarafından, ikincisi ise Caelo tarafından üretilmişti. Termal davranış farklılıklarını belirlemek ve bileşimin erime geçişleri üzerindeki etkisini değerlendirmek için diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) yöntemi kullanılmıştır.
Numuneler, delikli kapaklarla kapatılan alüminyum potalara (Concavus®) dolduruldu ve 20 ml/dk akış hızındaN2 ortamında 10 K/dk ısıtma hızıyla 20°C'den 160°C'ye ısıtıldı. Her numune üç kez ölçüldü; ölçülen ortalama kütleler, %95 stearik asit için 2,57 ± 0,05 mg ve %44 stearik asit için 2,46 ± 0,05 mg olarak kaydedildi (bkz. Tablo 2).
Tablo 2: Deney koşulları
| Parametre | Koşul |
|---|---|
| Cihaz | DSC 300 Caliris® Supreme , H-Modülü |
| Numune kütlesi | 2,41 ila 2,61 mg |
| Numune türü | Stearik asit (SA %44, SA %95) |
| Pota | Alüminyum pota, delikli kapak |
| Ortam | N2 |
| Gaz akış hızı | 20 ml/dk (temizleme gazı) |
| Sıcaklık aralığı | 20°C ila 160°C |
| Isıtma ve soğutma hızları | 10 K/dk |
| Yazılım | NETZSCH Proteus® Protect sürüm 9 |
Ölçüm Sonuçları
Şekil 3’te gösterilen %44 stearik asit (SA %44) ve stearik asit %95'in (SA %95) DSC eğrileri, Şekil 3'te gösterildiği gibi, hem birinci hem de ikinci ısıtma döngüleri sırasında erime pikleri ve soğutma sırasında yeniden KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme gösterir; bu süreçler mükemmel tekrarlanabilirlik sergiler (sırasıyla Şekil 3A ve 3B). Ekstrapolasyonla elde edilen erime başlangıç sıcaklıklarına (Tm) göre, SA %44 yaklaşık 54 ila 55 °C'de erirken, SA %95 ise yaklaşık 69 ila 70 °C'de erir.
SA 44%’de, birinci ve ikinci ısıtma döngüleri arasındaTm’ de hafif bir düşüş gözlemlenmiştir. Benzer şekilde, SA 95% için de ikinci ısıtma döngüsünde, birinci ısıtma sırasında gözlemlenene kıyasla yaklaşık 1°C daha düşük birTm değeri saptanmıştır (bkz. Tablo 3). Bu değişiklikler, hazırlık aşamasındaki numune homojenliği eksikliği, termal geçmiş, PolimorfizmPolimorfizm, katı bir maddenin farklı kristal yapılar oluşturma yeteneğidir (eşanlamlılar: formlar, modifikasyonlar).polimorfizm veya uygulanan soğutma koşulları altında yeniden KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme davranışındaki farklılıklar gibi çeşitli faktörlere atfedilebilir.
Tablo 3: %44 stearik asit ve %95 stearik asit için DSC sonuçları
| Karmaşık pik | %44 stearik asit 1. ısıtma | %44 stearik asit 2. ısıtma | Stearik asit %95 1. ısıtma | Stearik asit %95 2. ısıtma |
|---|---|---|---|---|
| Ekstrapolasyonla hesaplananTm başlangıç sıcaklığı (°C) | 54,5 ± 3 0,1 | 54,0 ± 0,1 | 69,6 ± 0,2 | 68,7 ± 0,1 |
| Tepe maksimum (°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 |
Tepe Genişliği (°C, %37,0'da) | 4,0 ± 0,2 | 5,0 ± 0,2 | 4,6 ± 0,1 | 4,9 ± 0,1 |
Buna ek olarak, numune hazırlama ve ölçümle ilgili uygulamaya dayalı unsurlar da bu etkiye katkıda bulunabilir. İlk ısıtma döngüsü sırasında numune, başlangıçta pota tabanıyla potansiyel olarak sınırlı ve düzensiz temas halinde olan bir katı madde olarak eklenir. Erimeyle birlikte malzeme yeniden dağılır ve sonraki soğutma aşamasında pota ile daha iyi temas sağlayan bir tabaka oluşturur. İkinci ısıtma döngüsünde, bu artan termal temas ve numunenin daha geniş bir yüzey alanına yayılması, daha verimli bir ısı transferini kolaylaştırır. Sonuç olarak, ikinci ısıtma döngüsünde erime sıcaklıklarının biraz daha düşük seviyelere kayması yaygın olarak gözlemlenir.
Bir başka gözlem ise, ilk ısıtma sonrasında SA %44’ün tepe genişliğinin 4,0 ± 0,2 °C’den 5,0 ± 0,2 °C’ye artmasıdır. Buna karşılık, SA 95%'de ortalama tepe genişliğinde yalnızca yaklaşık 0,3°C'lik hafif bir artış görülür (Tablo 3). Tepe genişliği erime davranışındaki değişikliklere dair bir gösterge sağlasa da, erime entalpisinin (ΔH) değişimi daha önemli kabul edilir. SA 44% için, ilk ısıtmada 188,0 ± 1,8 J/g olan entalpi değerinin ikinci ısıtmada 177,4 ± 2,1 J/g’ye düştüğü açıkça gözlemlenmiştir. Buna karşın, daha yüksek saflıktaki SA %95 numunesinde ΔH’de sadece küçük bir değişiklik görülmüştür; değer 215,2 ± 1,3 J/g’den 213,4 ± 0,9 J/g’ye düşmüştür (bkz. Tablo 3). Bu davranış, SA %44’teki daha yüksek palmitik asit içeriğinin moleküler paketlenmeyi ve yeniden kristalleşmeyi etkilediğini ve bunun sadece daha geniş erime geçişlerine değil, aynı zamanda faz geçişinin enerjik özelliklerinde ölçülebilir değişikliklere de yol açtığını gösterirken, daha homojen olan SA %95 ise büyük ölçüde etkilenmemiştir.
Hem stearik asit hem de palmitik asidin farklı polimorfik formlarda bulunabileceğini veya erimiş fazdan yeniden kristalleşebileceğini belirtmek önemlidir. Bu formların erime noktaları genellikle birbirine çok yakındır; ancak bu farklı polimorfik formlar DSC eğrisini etkileyebilir.
Ayrıca, SA %44’ün ikinci ısıtma sırasında birden fazla termal olayın varlığı, birinci türev (DDSC) sinyalindeki belirgin bir omuzla gösterilir (Şekil 4A); bu durum SA %95’te gözlemlenmez. Bu özellik, omuzun daha belirgin hale geldiği DDSC eğrisi temelinde daha net bir şekilde değerlendirilebilir. Bu durum, daha düşük saflıktaki numunede bileşimsel heterojenliğin ve daha karmaşık KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme davranışının varlığını daha da desteklemektedir.
Her iki numunenin ilk ısıtma eğrileri tek bir grafikte gösterildiğinde, erime olayları arasındaki fark özellikle belirgin hale gelir. Şekil 5, SA 44% ve SA 95%'nin ilk ısıtma eğrilerini göstermekte olup, mükemmel çözünürlükte dar ve net tepe noktaları ortaya koymaktadır. Tepe noktalarının konumlarındaki belirgin fark, kimyasal bileşim ve saflıktaki farklılıkların yanı sıra kristal yapısındaki farklılıkları da yansıtmaktadır.
Sonuç
Genel olarak, bu sonuçlar DSC 300 Caliris® cihazının son derece tekrarlanabilir ve yüksek çözünürlüklü termal veriler sağladığını ve böylece farklı bileşim ve saflık derecelerine sahip numuneler arasında net bir ayrım yapılmasına olanak tanıdığını göstermektedir. Erime sıcaklığı, tepe şekli ve yeniden KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme davranışındaki değişikliklere karşı gösterdiği hassasiyet, bu cihazı araştırma ve endüstri alanlarında güçlü ve verimli bir araç haline getirmektedir.
Hammadde tutarlılığı ve saflığının kritik öneme sahip olduğu ilaç, kozmetik ve gıda uygulamalarında, DSC 300 Caliris®, malzeme farklılıklarının hızlı bir şekilde tanımlanmasına, safsızlıkların tespit edilmesine ve partiler arası tutarlılığın doğrulanmasına olanak tanıyarak hem ürün geliştirmeyi hem de rutin kalite güvencesini destekler.
Bu çalışma, ilaç sınıfı stearik asidin, materyal farmakope monografının gerekliliklerine uysa bile, her zaman saf stearik asidin beklenen bileşimini karşılamayabileceğini göstermiştir. Erime davranışı gibi özellikleri, büyük ölçüde bileşimine bağlıdır. Bu nedenle, herhangi bir endüstriyel kullanımdan önce maddenin uygun şekilde karakterize edilmesi önerilir.
Teşekkür
Sonuçların teknik değerlendirmesine ve yorumlanmasına yaptıkları değerli katkılarından dolayı Gabriele Kaiser ve Dr. Stefan Schmölzer’e içten teşekkürlerimizi sunarız.