Karl Fischer vs. Wasseraktivität in Arzneimitteln

Water has long been recognized as important in determining product safety and stability. Karl Fischer titration is a widely used analytical method for quantifying water content in a variety of pharmaceutical products. Simply knowing the total amount of water by Karl Fischer may not be the most effective method for understanding the effects of water on safety and stability. Water activity (aw) is an alternative water measurement that provides essential information about the energy or availability of water in a product. Numerous scientific investigations demonstrate that water activity is a better predictor of product safety and stability than total amount of water. Water activity has been used in the food industry for decades as an effective tool, and with the publication of USP Method <1112>, it is now considered a viable option in the pharmaceutical industry as well.

Nicht jedes Wasser ist gleich

Wasser in einem System kann in drei allgemeinen Formen vorliegen: als Bulk- oder „freies“ Wasser, als absorbiertes Wasser und als „gebundenes“ oder Monoschichtwasser. Bulk- oder „freies“ Wasser hat dieselbe Energie und dieselben Eigenschaften wie reines Wasser. Absorbiertes Wasser ist weniger fest gebunden, hat jedoch eine geringere Energie und andere Eigenschaften als reines Wasser. „Gebundenes“ Wasser hat aufgrund der direkten physikalischen Bindung des Wassers an die Matrix durch Wasserstoff- oder Ionenbindungen eine geringere Energie. In Wirklichkeit bewegen sich Wassermoleküle leicht zwischen den einzelnen Formen hin und her, und es ist unmöglich, die Wassermenge in einer bestimmten Form zu quantifizieren. Vielmehr wird der Gesamtenergiezustand des Wassers durch die relativen Beiträge jeder dieser Wasserschichten bestimmt. Eine Verringerung der Energie des Wassers (d. h. eine geringere Wasseraktivität) führt dazu, dass weniger Wasser für biologische und chemische Reaktionen zur Verfügung steht. Die Feuchtigkeitsanalyse liefert die Gesamtwassermenge, unterscheidet jedoch nicht zwischen den verschiedenen Arten von Wasser.

Karl-Fischer-Titrationen sind selbst bei der Quantifizierung von stark „gebundenem“ Wasser effektiv und werden oft als bessere Methode zur Feuchtigkeitsanalyse angesehen als der Trocknungsverlust. Tatsächlich wird dieses zusätzliche Wasser, das mit Karl Fischer gemessen wird, oft als „gebundenes“ Wasser bezeichnet. Obwohl eine Karl-Fischer-Analyse eine vollständigere Bestimmung des Gesamtwassergehalts liefern kann, gibt sie dennoch nur die Wassermenge und nicht den Energiestatus des Wassers an. Die Wasseraktivität misst die Energie oder „Verfügbarkeit“ von Wasser. Sie hängt nicht von der Wassermenge ab, sondern vom relativen Anteil der einzelnen Wasserarten. Folglich liefert die Wasseraktivität bessere Korrelationen zu biologischen und chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten als die Karl-Fischer-Analyse.

Was ist Wasseraktivität?

Die Wasseraktivität beschreibt den thermodynamischen Energiestatus des Wassers in einem System. Auch wenn dies wissenschaftlich nicht korrekt ist, kann es hilfreich sein, sich die Wasseraktivität als die Menge an „verfügbarem“ Wasser in einem System vorzustellen. Sie wird nicht dadurch bestimmt, wie viel Wasser in einem Produkt vorhanden ist, sondern ist ein Vergleich, inwieweit das Wasser im Produkt reinem Wasser ähnelt und sich wie dieses verhält. Die Werte für die Wasseraktivität reichen von 0 (knochentrocken) bis 1,0 (reines Wasser). Mit abnehmender Wasseraktivität sinkt die Energie des Wassers in einem Produkt und es ist weniger „verfügbar” als Lösungsmittel für mikrobielles Wachstum, chemische Reaktivität oder Feuchtigkeitswanderung. Beispielsweise hat Wasser in einem Produkt mit einer Wasseraktivität von 0,80 genügend Energie, um Schimmelwachstum zu unterstützen, während Wasser in einem Produkt mit einer Wasseraktivität von weniger als 0,60 das Wachstum von Mikroorganismen nicht unterstützen kann. Mit steigender Wasseraktivität wird Wasser auch mobiler, was sich auf die Molekülbeweglichkeit sowie auf chemische und enzymatische Reaktionsgeschwindigkeiten auswirkt.

Wissenschaftlich gesehen wird die Wasseraktivität als der Dampfdruck von Wasser (p) über einer Probe geteilt durch den Dampfdruck von reinem Wasser (po) bei einer bestimmten Temperatur definiert. Durch Messung dieses Dampfdrucks im Verhältnis zum Dampfdruck über reinem Wasser bei derselben Temperatur lässt sich die Energie des Wassers in der Probe bestimmen. Dies ist sinnvoll, da Wasser, das chemisch oder physikalisch in einer Probe gebunden ist, eine geringere Energie hat und nicht so leicht in die Dampfphase übergeht, wodurch sich der Dampfdruck über der Probe verringert.

Warum wird die Wasseraktivität gemessen?

Die Wasseraktivität ist der beste Indikator für mikrobielles Wachstum. Ein Produkt kann einen relativ hohen Feuchtigkeitsanteil enthalten, aber wenn das Wasser chemisch an Feuchthaltemittel oder gelöste Stoffe wie Salze, Zucker oder Polyole „gebunden” ist, steht es für mikrobielles Wachstum biologisch nicht zur Verfügung. Das Konzept der Wasseraktivität wird seit Jahrzehnten von Mikrobiologen und Lebensmitteltechnologen genutzt und ist das am häufigsten verwendete Kriterium für Lebensmittelsicherheit und -qualität. Jeder Mikroorganismus hat eine begrenzte Wasseraktivität, unterhalb derer er nicht wachsen kann. Es besteht kein direkter Zusammenhang zwischen Feuchtigkeitsgehalt und mikrobiellem Wachstum.

Es besteht auch ein enger Zusammenhang zwischen der Wasseraktivität und der physikalischen Stabilität von Produkten. Unterschiede in der Wasseraktivität zwischen Komponenten oder zwischen einer Komponente und der Umgebungsfeuchtigkeit sind eine treibende Kraft für die Feuchtigkeitswanderung. Das Wissen darüber, ob Wasser von einer bestimmten Komponente absorbiert oder desorbiert wird, ist entscheidend, um eine Zersetzung zu verhindern, insbesondere wenn eine der Substanzen feuchtigkeitsempfindlich ist. Wenn beispielsweise gleiche Mengen der Komponente 1 mit 2 % Feuchtigkeit und der Komponente 2 mit 10 % Feuchtigkeit miteinander gemischt werden sollen, kommt es dann zu einem Feuchtigkeitsaustausch zwischen den Komponenten? Der endgültige Feuchtigkeitsgehalt des gemischten Materials würde 6 % betragen, aber hat ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen Komponente 1 und 2 stattgefunden? Die Antwort hängt von der Wasseraktivität der beiden Komponenten ab. Wenn die Wasseraktivität der beiden Komponenten gleich ist, findet kein Feuchtigkeitsaustausch statt.

Ebenso können zwei Inhaltsstoffe mit gleichem Feuchtigkeitsgehalt möglicherweise nicht miteinander vermischt werden. Wenn zwei Materialien mit unterschiedlicher Wasseraktivität, aber gleichem Wassergehalt miteinander vermischt werden, gleicht sich die Wasseraktivität zwischen den Materialien aus, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Um bei einem Mehrkomponentenprodukt eine Feuchtigkeitswanderung zu verhindern, sollte daher die Wasseraktivität der beiden Komponenten aufeinander abgestimmt werden. Wenn eine Komponente eine höhere Wasseraktivität aufweist als die andere, wandert das Wasser von der hohen Wasseraktivität zur niedrigen Wasseraktivität. Diese Wanderung kann zu unerwünschten Veränderungen der Qualität beider Komponenten führen. Daher liefert die Wasseraktivität nützliche Informationen für die Rezepturentwicklung, die Herstellungsbedingungen und die Verpackungsanforderungen.

Ersetzen von Karl Fischer durch Wasseraktivität

Die Karl-Fischer-Analyse kann unter kontrollierten Bedingungen zuverlässige Ergebnisse liefern, unterliegt jedoch vielen Schwankungsquellen. Außerdem erfordert sie den Einsatz einiger weniger wünschenswerter Chemikalien und eine entsprechende Schulung, um sie ordnungsgemäß durchzuführen. Folglich gibt es mehrere Gründe, nach einer praktikablen Alternative zu suchen. Die Wasseraktivität kann die Karl-Fischer-Analyse ersetzen, nicht weil sie die gleichen Informationen liefert, sondern weil sie nützlichere Informationen liefert. Die Ergebnisse einer Wasseraktivitätsanalyse ähneln nicht dem Karl-Fischer-Feuchtigkeitsgehalt, bieten jedoch eine bessere Korrelation zu mikrobieller Sicherheit, chemischer Stabilität und physikalischen Eigenschaften. Dies gilt insbesondere für Produkte, bei denen bereits geringe, schwer messbare Veränderungen des Feuchtigkeitsgehalts zu großen Stabilitätsveränderungen führen können.

In welcher Beziehung stehen Karl Fischer und die Wasseraktivität zueinander?

Es besteht ein Zusammenhang zwischen dem Karl-Fischer-Wassergehalt und der Wasseraktivität, dieser ist jedoch komplex und für jedes Produkt einzigartig. Eine Erhöhung der Wasseraktivität geht in der Regel mit einer Erhöhung des Wassergehalts einher, jedoch auf nichtlineare Weise. Dieser Zusammenhang zwischen Wasseraktivität und Feuchtigkeitsgehalt bei einer bestimmten Temperatur wird als Feuchtigkeitssorptionsisotherme bezeichnet. Bei den meisten Produkten hat die Isotherme eine sigmoidale Form, obwohl Materialien, die große Mengen an kristallinen Molekülen enthalten, eine J-förmige Isothermenkurve aufweisen. Zur Charakterisierung der Isothermenbeziehung eines Produkts werden viele verschiedene Gleichungen verwendet. Für kleine Wasseraktivitätsbereiche kann eine lineare Regression eine Isothermenbeziehung beschreiben, aber sie funktioniert selten für den gesamten Wasseraktivitätsbereich. Komplexere Gleichungen werden verwendet, um die Isotherme für den gesamten Wasseraktivitätsbereich zu charakterisieren. Die gängigsten Gleichungen sind die Gleichungen von Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) und Brunauer-Emmett-Teller (BET). Wie bei der linearen Regression werden diese Gleichungen angepasst, um Koeffizienten zu finden, die die Isothermenbeziehung am besten erklären. Zur Bestimmung dieser Koeffizienten werden Datenanalyse-Softwareprogramme verwendet, mit denen dann der Feuchtigkeitsgehalt bei jedem Wasserstand oder umgekehrt vorhergesagt werden kann.

Eine vollständige Feuchtigkeitsanalyse mit einem einzigen Gerät

Die Wasseraktivität ist zwar eine praktikable Alternative zum Karl-Fischer-Feuchtigkeitsgehalt für die Bestimmung der Produktsicherheit und -qualität, dennoch kann es erforderlich sein, den Feuchtigkeitsgehalt zu kennen, um die Reinheit zu bestimmen. Die Wasseraktivität kann Karl Fischer für diesen Zweck dennoch ersetzen, da es möglich ist, den Feuchtigkeitsgehalt anhand der Wasseraktivität über die Feuchtigkeitssorptionsisotherme zu bestimmen. Auf diese Weise könnte ein Wasseraktivitätsmessgerät Karl Fischer ersetzen, indem es sowohl den Feuchtigkeitsgehalt als auch die Wasseraktivität misst.