Karl Fischer contro l'attività dell'acqua nei prodotti farmaceutici

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.

Non tutta l'acqua è uguale

L'acqua in un sistema può essere considerata presente in tre forme generali: acqua libera o "libera", assorbita e "legata" o monostrato. L'acqua libera o "libera" ha la stessa energia e le stesse proprietà dell'acqua pura. L'acqua assorbita è trattenuta in modo meno saldo, ma ha comunque un'energia ridotta e proprietà diverse dall'acqua pura. L'acqua "legata" ha un'energia ridotta a causa del legame fisico diretto dell'acqua alla matrice tramite legami idrogeno o ionici. In realtà, le molecole d'acqua si muovono facilmente tra ciascuna delle forme ed è impossibile quantificare la quantità d'acqua in una qualsiasi delle forme. Piuttosto, lo stato energetico complessivo dell'acqua è determinato dai contributi relativi di ciascuno di questi strati d'acqua. Una riduzione dell'energia dell'acqua (cioè una minore attività dell'acqua) comporta una minore disponibilità di acqua per influenzare le reazioni biologiche e chimiche. L'analisi del contenuto di umidità fornisce la quantità totale di acqua, ma non differenzia il tipo di acqua.

Le titolazioni Karl Fischer sono efficaci nel quantificare anche l'acqua "legata" e sono spesso considerate un metodo di analisi dell'umidità migliore rispetto alla perdita per essiccamento. Infatti, quest'acqua in eccesso misurata con il metodo Karl Fischer viene spesso definita acqua "legata". Sebbene l'analisi Karl Fischer possa fornire una determinazione più completa del contenuto totale di acqua, essa fornisce comunque solo la quantità di acqua e non lo stato energetico dell'acqua. L'attività dell'acqua misura l'energia o la "disponibilità" dell'acqua. Non dipende dalla quantità di acqua, ma dal contributo relativo di ciascun tipo di acqua. Di conseguenza, l'attività dell'acqua fornisce correlazioni migliori con i tassi di reazione biologica e chimica rispetto all'analisi Karl Fischer.

Che cos'è l'attività dell'acqua?

L'attività dell'acqua descrive lo stato energetico termodinamico dell'acqua in un sistema. Sebbene non sia scientificamente corretto, può essere utile immaginare l'attività dell'acqua come la quantità di acqua "disponibile" in un sistema. Non è determinata dalla quantità di acqua presente in un prodotto, ma è un confronto tra quanto l'acqua nel prodotto assomiglia e si comporta come l'acqua pura. I valori dell'attività dell'acqua vanno da 0 (completamente secca) a 1,0 (acqua pura). Man mano che l'attività dell'acqua diminuisce, l'acqua presente in un prodotto diminuisce in termini di energia ed è meno "disponibile" come solvente per la crescita microbica, la reattività chimica o la migrazione dell'umidità. Ad esempio, l'acqua in un prodotto che ha un'attività dell'acqua di 0,80 ha energia sufficiente per sostenere la crescita di muffe, mentre l'acqua in un prodotto con un'attività dell'acqua inferiore a 0,60 non può sostenere la crescita di alcun microrganismo. L'acqua diventa anche più mobile all'aumentare dell'attività dell'acqua, il che influenza la mobilità molecolare e le velocità di reazione chimica ed enzimatica.

Più scientificamente, l'attività dell'acqua è definita come la pressione di vapore dell'acqua (p) su un campione divisa per la pressione di vapore dell'acqua pura (po) a una data temperatura. Misurando questa pressione di vapore rispetto alla pressione di vapore sull'acqua pura alla stessa temperatura, è possibile determinare l'energia dell'acqua nel campione. Ciò è ragionevole poiché l'acqua che è associata chimicamente o fisicamente in un campione ha un'energia inferiore e non passerà facilmente alla fase di vapore, diminuendo così la pressione di vapore sopra il campione.

Perché misurare l'attività dell'acqua?

L'attività dell'acqua è il miglior indice per la crescita microbica. Un prodotto può contenere una percentuale relativamente elevata di umidità, ma se l'acqua è chimicamente "legata" a umettanti o soluti, come sali, zuccheri o polioli, l'acqua non è biologicamente disponibile per la crescita microbica. Il concetto di attività dell'acqua è stato utilizzato per decenni dai microbiologi e dai tecnologi alimentari ed è il criterio più comunemente utilizzato per la sicurezza e la qualità degli alimenti. Ogni microrganismo ha un'attività dell'acqua limite al di sotto della quale non può crescere. Non esiste una relazione diretta tra il contenuto di umidità e la crescita microbica.

Esiste inoltre una stretta relazione tra l'attività dell'acqua e la stabilità fisica dei prodotti. Le differenze nei livelli di attività dell'acqua tra i componenti o tra un componente e l'umidità ambientale sono una forza trainante per la migrazione dell'umidità. Sapere se l'acqua verrà assorbita o desorbita da un particolare componente è essenziale per prevenire il degrado, specialmente se una delle sostanze è sensibile all'umidità. Ad esempio, se si devono miscelare quantità uguali di componente 1 con il 2% di umidità e componente 2 con il 10% di umidità, ci sarà uno scambio di umidità tra i componenti? Il contenuto finale di umidità del materiale miscelato sarebbe del 6%, ma c'è stato uno scambio di umidità tra il componente 1 e il componente 2? La risposta dipende dall'attività dell'acqua dei due componenti. Se l'attività dell'acqua dei due componenti è la stessa, non ci sarà scambio di umidità.

Allo stesso modo, due ingredienti con lo stesso contenuto di umidità potrebbero non essere compatibili se miscelati insieme. Se due materiali con attività dell'acqua diverse ma con lo stesso contenuto di acqua vengono miscelati insieme, l'acqua si distribuirà tra i materiali fino a raggiungere un'attività dell'acqua di equilibrio. Pertanto, per un prodotto multicomponente, al fine di prevenire la migrazione dell'umidità, è necessario che l'attività dell'acqua dei due componenti sia uguale. Se un componente ha un'attività dell'acqua superiore all'altro, l'acqua migrerà dall'attività dell'acqua alta a quella bassa. Questa migrazione potrebbe portare a cambiamenti indesiderati nella qualità di entrambi i componenti. Pertanto, l'attività dell'acqua fornisce informazioni utili per la progettazione della formulazione, le condizioni di produzione e i requisiti di confezionamento.

Sostituzione di Karl Fischer con attività dell'acqua

L'analisi Karl Fischer può produrre risultati affidabili in condizioni controllate, ma è soggetta a numerose fonti di variazione. Inoltre, comporta l'uso di alcune sostanze chimiche non proprio ideali e richiede una formazione specifica per essere eseguita correttamente. Di conseguenza, esistono diversi motivi per cercare un'alternativa valida. L'attività dell'acqua può sostituire l'analisi Karl Fischer, non perché fornisce le stesse informazioni, ma perché fornisce informazioni più utili. I risultati forniti da un'analisi dell'attività dell'acqua non saranno simili al contenuto di umidità Karl Fischer, ma forniranno migliori correlazioni con la sicurezza microbica, la stabilità chimica e le proprietà fisiche. Ciò è particolarmente vero per i prodotti che possono subire grandi cambiamenti di stabilità quando si verificano solo piccoli cambiamenti difficili da misurare nel contenuto di umidità.

In che modo Karl Fischer e l'attività dell'acqua sono correlati?

Esiste una relazione tra il contenuto d'acqua secondo il metodo Karl Fischer e l'attività dell'acqua, ma è complessa e unica per ogni prodotto. Un aumento dell'attività dell'acqua è solitamente accompagnato da un aumento del contenuto d'acqua, ma in modo non lineare. Questa relazione tra l'attività dell'acqua e il contenuto di umidità a una data temperatura è chiamata isoterma di assorbimento dell'umidità. Per la maggior parte dei prodotti, l'isoterma ha una forma sigmoidale, anche se i materiali che contengono grandi quantità di molecole cristalline hanno una curva isoterma di tipo J. Per caratterizzare la relazione isoterma di un prodotto vengono utilizzate molte equazioni diverse. Per intervalli di attività dell'acqua ridotti, la regressione lineare può descrivere una relazione isoterma, ma raramente funziona per l'intero intervallo di attività dell'acqua. Per caratterizzare l'isoterma per l'intero intervallo di attività dell'acqua vengono utilizzate equazioni più complesse. Le equazioni più comuni sono quelle di Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) e Brunauer-Emmett-Teller (BET). Come la regressione lineare, queste equazioni vengono regolate per trovare i coefficienti che meglio spiegano la relazione isotermica. Per determinare questi coefficienti vengono utilizzati programmi software di analisi dei dati, che possono poi essere utilizzati per prevedere il contenuto di umidità a qualsiasi livello di acqua o viceversa.

Un'analisi completa dell'umidità con un unico strumento

Sebbene l'attività dell'acqua sia una valida alternativa al contenuto di umidità secondo il metodo Karl Fischer per determinare la sicurezza e la qualità del prodotto, potrebbe comunque essere necessario conoscere il contenuto di umidità per determinarne la purezza. L'attività dell'acqua potrebbe comunque sostituire il metodo Karl Fischer a questo scopo, poiché è possibile determinare il contenuto di umidità in base all'attività dell'acqua attraverso la relazione isotermica di assorbimento dell'umidità. Ciò consentirebbe a uno strumento di misurazione dell'attività dell'acqua di sostituire il metodo Karl Fischer fornendo sia la misurazione del contenuto di umidità che quella dell'attività dell'acqua.