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 correct, il peut être utile de considérer 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 par la comparaison entre l'eau contenue dans le produit et l'eau pure en termes de similitude et de comportement. 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 dont l'activité de l'eau est de 0,80 a suffisamment d'énergie pour favoriser la croissance de moisissures, tandis que l'eau contenue dans un produit dont l'activité de l'eau est inférieure à 0,60 ne peut favoriser 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 chimique et enzymatique.

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 sont un facteur déterminant de la migration de l'humidité. Il est essentiel de savoir si l'eau va être absorbée ou désorbée par un composant particulier afin d'éviter toute dégradation, en particulier si l'une des substances est sensible à l'humidité. Par exemple, si des quantités égales de composant 1 à 2 % d'humidité et de composant 2 à 10 % d'humidité doivent être mélangées, y aura-t-il un échange d'humidité entre les composants ? La teneur finale en humidité du matériau mélangé serait de 6 %, mais y a-t-il eu un échange d'humidité entre les composants 1 et 2 ? La réponse dépend de l'activité de l'eau des deux composants. Si l'activité de l'eau des deux composants est la même, il n'y aura pas d'échange d'humidité.

De même, deux ingrédients ayant la même teneur en humidité peuvent ne pas être compatibles lorsqu'ils sont mélangés. Si deux matériaux ayant des activités hydriques différentes mais la même teneur en eau sont mélangés, l'eau s'ajustera entre les matériaux jusqu'à ce qu'un équilibre de l'activité hydrique soit atteint. Ainsi, pour un produit à plusieurs composants, afin d'éviter la migration de l'humidité, il convient d'harmoniser l'activité hydrique des deux composants. Si l'un des composants a une activité de l'eau supérieure à l'autre, l'eau migrera de l'activité de l'eau élevée vers l'activité de l'eau faible. Cette migration pourrait entraîner des changements indésirables dans la qualité des deux composants. Par conséquent, l'activité de l'eau fournit des informations utiles pour la conception de la formulation, les conditions de fabrication et les exigences d'emballage.

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 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 est de forme sigmoïdale, bien que les matériaux contenant de grandes quantités de molécules cristallines aient 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 toute la plage d'activité de l'eau. Des équations plus complexes sont utilisées pour caractériser l'isotherme pour toute 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). Comme la régression linéaire, ces équations sont ajustées pour trouver les coefficients qui expliquent le mieux la relation isotherme. Des logiciels d'analyse de données sont utilisés pour déterminer ces coefficients, qui peuvent ensuite être utilisés pour prédire la teneur en humidité à n'importe quel niveau d'eau ou vice versa.

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

Bien que l'activité de l'eau soit une alternative viable à la teneur en humidité selon la méthode Karl Fischer pour déterminer la sécurité et la qualité d'un produit, il peut néanmoins être nécessaire de connaître la teneur en humidité pour déterminer la pureté. L'activité de l'eau peut tout de même remplacer la méthode Karl Fischer à cette fin, car 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 instrument de mesure de l'activité de l'eau de remplacer la méthode Karl Fischer en fournissant à la fois des mesures de la teneur en humidité et de l'activité de l'eau.