Karl Fischer frente a la actividad del agua en los productos farmacéuticos

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.

No todas las aguas son iguales.

El agua en un sistema puede considerarse presente en tres formas generales: agua a granel o «libre», agua absorbida y agua «unida» o monocapa. El agua a granel o «libre» tiene la misma energía y propiedades que el agua pura. El agua absorbida se retiene con menos fuerza, pero sigue teniendo una energía reducida y propiedades diferentes a las del agua pura. El agua «ligada» tiene una energía reducida como resultado de la unión física directa del agua a la matriz mediante enlaces de hidrógeno o iónicos. En realidad, las moléculas de agua se mueven fácilmente entre cada una de las formas, y es imposible cuantificar la cantidad de agua en una forma determinada. Más bien, el estado energético global del agua viene determinado por las contribuciones relativas de cada una de estas capas de agua. Una reducción de la energía del agua (es decir, una menor actividad del agua) da lugar a una menor disponibilidad de agua para influir en las reacciones biológicas y químicas. El análisis del contenido de humedad proporciona la cantidad total de agua, pero no diferencia el tipo de agua.

Las titulaciones Karl Fischer son eficaces para cuantificar incluso el agua «unida» y, a menudo, se consideran un método de análisis de humedad mejor que la pérdida por desecación. De hecho, esta agua adicional que se mide con Karl Fischer se denomina a menudo agua «unida». Aunque un análisis Karl Fischer puede proporcionar una determinación más completa del contenido total de agua, solo proporciona la cantidad de agua y no el estado energético de la misma. La actividad del agua mide la energía o «disponibilidad» del agua. No depende de la cantidad de agua, sino de las contribuciones relativas de cada tipo de agua. Por consiguiente, la actividad del agua proporciona mejores correlaciones con las velocidades de reacción biológica y química que el análisis Karl Fischer.

¿Qué es la actividad del agua?

La actividad del agua describe el estado energético termodinámico del agua en un sistema. Aunque no sea científicamente correcto, puede resultar útil imaginar la actividad del agua como la cantidad de agua «disponible» en un sistema. No viene determinada por la cantidad de agua presente en un producto, sino que es una comparación de hasta qué punto el agua del producto se asemeja al agua pura y se comporta como ella. Los valores de actividad del agua oscilan entre 0 (completamente seco) y 1,0 (agua pura). A medida que la actividad del agua disminuye, el agua contenida en un producto pierde energía y resulta menos «disponible» como disolvente para el crecimiento microbiano, la reactividad química o la migración de humedad. Por ejemplo, el agua de un producto con una actividad del agua de 0,80 tiene suficiente energía para favorecer el crecimiento de moho, mientras que el agua de un producto con una actividad del agua inferior a 0,60 no puede favorecer el crecimiento de ningún microorganismo. El agua también se vuelve más móvil a medida que aumenta la actividad del agua, lo que influye en la movilidad molecular, así como en las velocidades de reacción química y enzimática.

Desde un punto de vista más científico, la actividad del agua se define como la presión de vapor del agua (p) sobre una muestra dividida por la presión de vapor del agua pura (po) a una temperatura determinada. Al medir esta presión de vapor en relación con la presión de vapor sobre el agua pura a la misma temperatura, es posible determinar la energía del agua en la muestra. Esto es razonable, ya que el agua que está asociada química o físicamente en una muestra tiene menos energía y no pasa fácilmente a la fase de vapor, lo que disminuye la presión de vapor sobre la muestra.

¿Por qué medir la actividad del agua?

La actividad del agua es el mejor índice para medir el crecimiento microbiano. Un producto puede contener un porcentaje relativamente alto de humedad, pero si el agua está «unida» químicamente a humectantes o solutos, como sales, azúcares o polioles, el agua no está disponible biológicamente para el crecimiento microbiano. El concepto de actividad del agua ha sido útil para los microbiólogos y tecnólogos alimentarios durante décadas y es el criterio más utilizado para la seguridad y la calidad de los alimentos. Cada microorganismo tiene una actividad del agua límite por debajo de la cual no puede crecer. No existe una relación directa entre el contenido de humedad y el crecimiento microbiano.

También existe una estrecha relación entre la actividad del agua y la estabilidad física de los productos. Las diferencias en los niveles de actividad del agua entre los componentes, o entre un componente y la humedad ambiental, son un factor determinante para la migración de la humedad. Saber si el agua se absorberá o se desorberá de un componente concreto es esencial para evitar la degradación, especialmente si una de las sustancias es sensible a la humedad. Por ejemplo, si se mezclan cantidades iguales del componente 1, con un 2 % de humedad, y del componente 2, con un 10 % de humedad, ¿se producirá un intercambio de humedad entre los componentes? El contenido final de humedad del material mezclado sería del 6 %, pero ¿se produjo algún intercambio de humedad entre los componentes 1 y 2? La respuesta depende de las actividades del agua de ambos componentes. Si las actividades del agua de ambos componentes son iguales, no se producirá ningún intercambio de humedad.

Del mismo modo, dos ingredientes con el mismo contenido de humedad pueden no ser compatibles al mezclarlos. Si se mezclan dos materiales con actividades de agua diferentes pero con el mismo contenido de agua, el agua se distribuirá entre ellos hasta alcanzar una actividad de agua de equilibrio. Por lo tanto, en el caso de un producto multicomponente, para evitar la migración de humedad, se debe igualar la actividad de agua de los dos componentes. Si un componente presenta una actividad del agua mayor que el otro, el agua migrará de la zona de mayor actividad del agua a la de menor actividad. Esta migración podría provocar cambios indeseables en la calidad de ambos componentes. Por lo tanto, la actividad del agua proporciona información útil para el diseño de la formulación, las condiciones de fabricación y los requisitos de envasado.

Sustitución de Karl Fischer por actividad acuosa

El análisis Karl Fischer puede producir resultados fiables en condiciones controladas, pero está sujeto a muchas fuentes de variación. También implica el uso de algunos productos químicos poco deseables y requiere formación para realizarlo correctamente. Por consiguiente, hay varias razones para buscar una alternativa viable. La actividad del agua puede sustituir al análisis Karl Fischer, no porque proporcione la misma información, sino porque proporciona información más útil. Los resultados proporcionados por un análisis de la actividad del agua no se parecerán al contenido de humedad de Karl Fischer, pero proporcionarán mejores correlaciones con la seguridad microbiana, la estabilidad química y las propiedades físicas. Esto es especialmente cierto en el caso de los productos que pueden experimentar grandes cambios de estabilidad cuando se producen cambios pequeños y difíciles de medir en el contenido de humedad.

¿Qué relación hay entre Karl Fischer y la actividad del agua?

Existe una relación entre el contenido de agua según el método de Karl Fischer y la actividad del agua, pero es compleja y específica de cada producto. Un aumento de la actividad del agua suele ir acompañado de un aumento del contenido de agua, aunque de forma no lineal. Esta relación entre la actividad del agua y el contenido de humedad a una temperatura determinada se denomina isoterma de sorción de humedad. En la mayoría de los productos, la isoterma tiene forma sigmoidea, aunque los materiales que contienen grandes cantidades de moléculas cristalinas presentan una curva isotérmica de tipo J. Se utilizan muchas ecuaciones diferentes para caracterizar la relación isotérmica de un producto. Para rangos reducidos de actividad del agua, la regresión lineal puede describir una relación isotérmica, pero rara vez funciona para todo el rango de actividad del agua. Se emplean ecuaciones más complejas para caracterizar la isoterma en todo el rango de actividad del agua. Las ecuaciones más comunes son las de Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) y Brunauer-Emmett-Teller (BET). Al igual que la regresión lineal, estas ecuaciones se ajustan para hallar los coeficientes que mejor explican la relación isotérmica. Se utilizan programas informáticos de análisis de datos para determinar estos coeficientes, que luego pueden emplearse para predecir el contenido de humedad a cualquier nivel de actividad del agua o viceversa.

Un análisis completo de la humedad con un solo instrumento.

Aunque la actividad del agua es una alternativa válida al contenido de humedad según el método de Karl Fischer para determinar la seguridad y la calidad de un producto, puede que siga siendo necesario conocer el contenido de humedad para determinar la pureza. No obstante, la actividad del agua podría sustituir al método de Karl Fischer para este fin, ya que es posible determinar el contenido de humedad a partir de la actividad del agua mediante la relación de la isoterma de sorción de humedad. Esto permitiría que un instrumento de medición de la actividad del agua sustituyera al método de Karl Fischer, al proporcionar mediciones tanto del contenido de humedad como de la actividad del agua.