Karl Fischer contre l'activité de l'eau dans les produits pharmaceutiques

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.

Toutes les eaux ne se valent pas

L'eau présente dans un système peut être considérée comme existant sous trois formes générales : en vrac ou « libre », absorbée et « liée » ou monocouche. L'eau en vrac ou « libre » a la même énergie et les mêmes propriétés que l'eau pure. L'eau absorbée est moins fortement retenue, mais son énergie est réduite et ses propriétés sont différentes de celles de l'eau pure. L'eau « liée » a une énergie réduite en raison de la liaison physique directe de l'eau à la matrice par des liaisons hydrogène ou ioniques. En réalité, les molécules d'eau se déplacent facilement entre chacune de ces formes, et il est impossible de quantifier la quantité d'eau sous une forme donnée. L'état énergétique global de l'eau est plutôt déterminé par les contributions relatives de chacune de ces couches d'eau. Une réduction de l'énergie de l'eau (c'est-à-dire une activité de l'eau plus faible) entraîne une diminution de la quantité d'eau disponible pour influencer les réactions biologiques et chimiques. L'analyse de la teneur en humidité fournit la quantité totale d'eau, mais ne différencie pas les types d'eau.

Les titrages Karl Fischer permettent de quantifier efficacement même l'eau « liée » et sont souvent considérés comme une meilleure méthode d'analyse de l'humidité que la perte au séchage. En fait, cette eau supplémentaire mesurée à l'aide de la méthode Karl Fischer est souvent appelée « eau liée ». Bien que l'analyse Karl Fischer puisse fournir une détermination plus complète de la teneur totale en eau, elle ne fournit que la quantité d'eau et non l'état énergétique de l'eau. L'activité de l'eau mesure l'énergie ou la « disponibilité » de l'eau. Elle ne dépend pas de la quantité d'eau, mais de la contribution relative de chaque type d'eau. Par conséquent, l'activité de l'eau offre de meilleures corrélations avec les vitesses de réaction biologique et chimique que l'analyse Karl Fischer.

Qu'est-ce que l'activité de l'eau ?

L'activité de l'eau décrit l'état énergétique thermodynamique de l'eau dans un système. Bien que cela ne soit pas scientifiquement exact, on peut se représenter l'activité de l'eau comme la quantité d'eau « disponible » dans un système. Elle n'est pas déterminée par la quantité d'eau présente dans un produit, mais correspond à une comparaison entre la ressemblance et le comportement de l'eau contenue dans le produit par rapport à l'eau pure. Les valeurs d’activité de l’eau vont de 0 (complètement sec) à 1,0 (eau pure). À mesure que l’activité de l’eau diminue, l’eau contenue dans un produit perd de son énergie et devient moins « disponible » en tant que solvant pour la croissance microbienne, la réactivité chimique ou la migration de l’humidité. Par exemple, l’eau contenue dans un produit présentant une activité de l’eau de 0,80 possède suffisamment d’énergie pour favoriser la croissance des moisissures, tandis que l’eau contenue dans un produit dont l’activité de l’eau est inférieure à 0,60 ne peut permettre la croissance d’aucun micro-organisme. L’eau devient également plus mobile à mesure que l’activité de l’eau augmente, ce qui influence la mobilité moléculaire ainsi que les vitesses de réaction chimiques et enzymatiques.

Plus scientifiquement, l'activité de l'eau est définie comme la pression de vapeur de l'eau (p) sur un échantillon divisée par la pression de vapeur de l'eau pure (po) à une température donnée. En mesurant cette pression de vapeur par rapport à la pression de vapeur de l'eau pure à la même température, il est possible de déterminer l'énergie de l'eau dans l'échantillon. Cela est logique, car l'eau qui est chimiquement ou physiquement associée à un échantillon a une énergie plus faible et ne passe pas facilement à l'état de vapeur, ce qui diminue la pression de vapeur au-dessus de l'échantillon.

Pourquoi mesurer l'activité de l'eau ?

L'activité de l'eau est le meilleur indicateur de la croissance microbienne. Un produit peut contenir un pourcentage relativement élevé d'humidité, mais si l'eau est chimiquement « liée » à des humectants ou à des solutés, tels que des sels, des sucres ou des polyols, elle n'est biologiquement pas disponible pour la croissance microbienne. Le concept d'activité de l'eau est utilisé depuis des décennies par les microbiologistes et les technologues alimentaires et constitue le critère le plus couramment utilisé pour évaluer la sécurité et la qualité des aliments. Chaque micro-organisme a une activité de l'eau limite en dessous de laquelle il ne peut se développer. Il n'existe aucune relation directe entre la teneur en humidité et la croissance microbienne.

Il existe également un lien étroit entre l’activité de l’eau et la stabilité physique des produits. Les différences de niveaux d’activité de l’eau entre les composants, ou entre un composant et l’humidité ambiante, constituent un facteur déterminant de la migration de l’humidité. Il est essentiel de savoir si l’eau va être absorbée ou libérée par un composant donné afin de prévenir toute dégradation, en particulier si l’une des substances est sensible à l’humidité. Par exemple, si l'on mélange des quantités égales d'un composant 1 contenant 2 % d'humidité et d'un composant 2 contenant 10 % d'humidité, y aura-t-il un échange d'humidité entre les composants ? La teneur finale en humidité du mélange serait de 6 %, mais y a-t-il eu un échange d'humidité entre les composants 1 et 2 ? La réponse dépend des activités de l'eau des deux composants. Si les activités de l'eau des deux composants sont identiques, il n'y aura pas d'échange d'humidité.

De même, deux ingrédients présentant la même teneur en humidité peuvent ne pas être compatibles lorsqu’ils sont mélangés. Si deux matières ayant des activités de l’eau différentes mais la même teneur en eau sont mélangées, l’eau se répartira entre les deux matières jusqu’à ce qu’une activité de l’eau d’équilibre soit atteinte. Ainsi, pour un produit à plusieurs composants, afin d’éviter la migration de l’humidité, il convient d’harmoniser l’activité de l’eau des deux composants. Si l’activité de l’eau d’un composant est supérieure à celle de l’autre, l’eau migrera de la zone à haute activité de l’eau vers celle à faible activité de l’eau. Cette migration pourrait entraîner des altérations indésirables de la qualité des deux composants. Par conséquent, l’activité de l’eau fournit des informations utiles pour la conception des formulations, les conditions de fabrication et les exigences en matière de conditionnement.

Remplacer Karl Fischer par l'activité de l'eau

L'analyse Karl Fischer peut produire des résultats fiables dans des conditions contrôlées, mais elle est soumise à de nombreuses sources de variation. Elle implique également l'utilisation de certains produits chimiques peu recommandables et nécessite une formation pour être effectuée correctement. Par conséquent, plusieurs raisons justifient la recherche d'une alternative viable. L'activité de l'eau peut remplacer l'analyse Karl Fischer, non pas parce qu'elle fournit les mêmes informations, mais parce qu'elle fournit des informations plus utiles. Les résultats fournis par une analyse de l'activité de l'eau ne ressembleront pas à la teneur en humidité de Karl Fischer, mais fourniront de meilleures corrélations avec la sécurité microbienne, la stabilité chimique et les propriétés physiques. Cela est particulièrement vrai pour les produits qui peuvent subir d'importants changements de stabilité lorsque seuls de petits changements difficiles à mesurer dans la teneur en humidité se produisent.

Quel est le lien entre Karl Fischer et l'activité de l'eau ?

Il existe une relation entre la teneur en eau selon la méthode de Karl Fischer et l’activité de l’eau, mais celle-ci est complexe et propre à chaque produit. Une augmentation de l’activité de l’eau s’accompagne généralement d’une augmentation de la teneur en eau, mais de manière non linéaire. Cette relation entre l’activité de l’eau et la teneur en humidité à une température donnée est appelée isotherme de sorption d’humidité. Pour la plupart des produits, l’isotherme a une forme sigmoïdale, bien que les matériaux contenant de grandes quantités de molécules cristallines présentent une courbe isotherme de type J. De nombreuses équations différentes sont utilisées pour caractériser la relation isotherme d’un produit. Pour les petites plages d’activité de l’eau, la régression linéaire peut décrire une relation isotherme, mais elle fonctionne rarement pour l’ensemble de la plage d’activité de l’eau. Des équations plus complexes sont utilisées pour caractériser l’isotherme sur l’ensemble de la plage d’activité de l’eau. Les équations les plus courantes sont celles de Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) et de Brunauer-Emmett-Teller (BET). À l’instar de la régression linéaire, ces équations sont ajustées afin de déterminer les coefficients qui expliquent le mieux la relation isotherme. Des logiciels d’analyse de données sont utilisés pour déterminer ces coefficients, qui peuvent ensuite servir à prédire la teneur en humidité pour n’importe quel niveau d’activité de l’eau, ou inversement.

Une analyse complète de l'humidité à l'aide d'un seul instrument

Bien que l'activité de l'eau constitue une alternative valable à la teneur en humidité mesurée par la méthode de Karl Fischer pour évaluer la sécurité et la qualité d'un produit, il peut néanmoins s'avérer nécessaire de connaître la teneur en humidité pour déterminer la pureté. L'activité de l'eau pourrait toutefois remplacer la méthode de Karl Fischer à cette fin, puisqu'il est possible de déterminer la teneur en humidité à partir de l'activité de l'eau grâce à la relation isotherme de sorption de l'humidité. Cela permettrait à un appareil de mesure de l'activité de l'eau de remplacer la méthode de Karl Fischer en fournissant à la fois des mesures de la teneur en humidité et de l'activité de l'eau.