医薬品におけるカール・フィッシャー法と水分活性

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.

水はすべて同じというわけではない

システム内の水は、大きく分けて3つの形態、すなわちバルク水（「自由水」）、吸着水、および「結合水」または単分子層水として捉えることができます。バルク水（「自由水」）は、純水と同じエネルギーと性質を持っています。吸着水は結合が弱く、エネルギーが低下しており、純水とは異なる性質を持っています。 「結合水」は、水素結合やイオン結合によって水がマトリックスに直接物理的に結合している結果、エネルギーが低下している。実際には、水分子は各形態の間を容易に移動するため、特定の形態における水量を定量化することは不可能である。むしろ、水の全体的なエネルギー状態は、これらの各水層の相対的な寄与によって決定される。 水のエネルギーが低下する（すなわち、水活性が低下する）と、生物学的および化学的反応に影響を与える利用可能な水は減少します。水分分析では総水量は測定できますが、水の種類を区別することはできません。

カール・フィッシャー滴定は、強固に「結合」した水さえも定量できる有効な手法であり、乾燥減量法よりも優れた水分分析法であるとしばしば考えられています。実際、カール・フィッシャー法を用いて測定されるこの余分な水は、しばしば「結合水」と呼ばれます。カール・フィッシャー分析は総水分量のより完全な測定を可能にするものの、それでもあくまで水分の量を示すだけであり、水のエネルギー状態までは示しません。 水分活性は、水のエネルギー状態、すなわち「利用可能性」を測定するものです。これは水量そのものではなく、各種類の水が占める相対的な割合に依存しています。その結果、水分活性はカール・フィッシャー分析よりも、生物学的および化学的反応速度との相関関係がより良好です。

水分活性とは何ですか？

水分活性とは、系内の水の熱力学的エネルギー状態を表すものです。科学的には正確ではありませんが、水分活性を「系内で利用可能な」水の量と捉えると理解しやすいかもしれません。これは製品中にどれだけの水が存在するかによって決まるものではなく、製品中の水が純水にどれほど似ており、純水のように振る舞うかを比較したものです。 水分活性の値は、0（完全に乾燥した状態）から1.0（純水）までの範囲です。水分活性が低下するにつれて、製品中の水のエネルギーは低下し、微生物の増殖、化学反応、あるいは水分移動のための溶媒として「利用可能」な状態が弱まります。 例えば、水活度が0.80の製品中の水は、カビの増殖を支えるのに十分なエネルギーを持っていますが、水活度が0.60未満の製品中の水は、いかなる微生物の増殖も支えられません。また、水活度が高まるにつれて水の移動性が高まり、分子の移動性だけでなく、化学反応や酵素反応の速度にも影響を及ぼします。

より科学的に言えば、水分活性とは、試料上の水の蒸気圧（p）を、特定の温度における純水の蒸気圧（po）で割った値として定義される。 この水蒸気圧を、同じ温度における純水の水蒸気圧と比較して測定することで、試料中の水のエネルギーを決定することが可能となる。これは理にかなっている。なぜなら、試料中に化学的または物理的に結合している水はエネルギーが低く、容易に気相へ移行しないため、試料上の水蒸気圧が低下するからである。

なぜ水分活度を測定するのでしょうか？

水分活性は、微生物の増殖を示す最良の指標です。製品には比較的高い水分含有率がある場合でも、その水分が保湿剤や塩類、糖類、ポリオールなどの溶質に化学的に「結合」している場合、その水分は微生物の増殖には生物学的に利用できない状態となります。水分活性の概念は、数十年にわたり微生物学者や食品技術者に活用されており、食品の安全性と品質を評価する上で最も一般的に用いられる基準となっています。 あらゆる微生物には、その水活度が一定値を下回ると増殖できなくなる限界値が存在します。水分含有量と微生物の増殖との間には、直接的な関係は存在しません。

また、水分活性と製品の物理的安定性との間には密接な関係があります。成分間、あるいは成分と周囲の湿度との間の水分活性レベルの差は、水分の移動を促す要因となります。特に、いずれかの物質が湿気に敏感である場合、劣化を防ぐためには、特定の成分から水分が吸収されるのか、あるいは放出されるのかを知ることは不可欠です。 例えば、水分含有率2%の成分1と、水分含有率10%の成分2を同量ずつ混合する場合、成分間で水分の交換は起こるでしょうか？混合物の最終的な水分含有率は6%になりますが、成分1と2の間で水分の交換はあったのでしょうか？その答えは、2つの成分の水分活性に依存します。もし2つの成分の水分活性が同じであれば、水分の交換は起こりません。

同様に、水分含有量が同じであっても、2つの原料を混合すると相性が悪い場合があります。水活度が異なるが水分含有量が同じ2つの材料を混合すると、平衡水活度が得られるまで、水は材料間で移動します。したがって、多成分製品において水分移動を防ぐためには、2つの成分の水活度を一致させる必要があります。 一方の成分の水活度が他方よりも高い場合、水は水活度の高い方から低い方へと移動します。この移動は、両方の成分の品質に望ましくない変化をもたらす可能性があります。したがって、水活度は、配合設計、製造条件、および包装要件を決定する上で有用な情報を提供します。

カール・フィッシャー法から水分活度への置き換え

カール・フィッシャー法は、管理された条件下では信頼性の高い結果が得られますが、多くの変動要因の影響を受けやすいという特徴があります。また、あまり好ましくない化学物質の使用を伴い、適切に実施するには訓練が必要です。そのため、実用的な代替法を見つけるべき理由はいくつかあります。 水分活度は、カール・フィッシャー法に代わる手段となり得る。それは、カール・フィッシャー法と同等の情報を提供するからではなく、より有用な情報を提供するためである。水分活性分析によって得られる結果は、カール・フィッシャー法による水分含有量とは異なるが、微生物学的安全性、化学的安定性、および物理的特性との相関性において、より優れた結果をもたらす。これは特に、水分含有量のわずかで測定が困難な変化が生じただけで、安定性に大きな変化が生じうる製品において顕著である。

カール・フィッシャー法と水分活性はどのように関連しているのでしょうか？

カール・フィッシャー法による水分含有量と水分活性の間には相関関係がありますが、その関係は複雑であり、製品ごとに異なります。通常、水分活性の増加に伴い水分含有量も増加しますが、その関係は非線形です。特定の温度における水分活性と水分含有量のこの関係は、吸湿等温線と呼ばれます。 ほとんどの製品において、この等温線はS字型をしていますが、結晶性分子を多く含む材料ではJ字型の等温線曲線となります。製品の等温線関係を定量化するために、さまざまな方程式が利用されています。水活度の範囲が狭い場合は、線形回帰で等温線関係を記述できますが、水活度の全範囲にわたって有効となることは稀です。水活度の全範囲にわたる等温線を定量化するには、より複雑な方程式が用いられます。 最も一般的な方程式は、グッゲンハイム・アンダーソン・デ・ボーア（GAB）方程式とブルーナウアー・エメット・テラー（BET）方程式である。線形回帰と同様に、これらの方程式も等温線関係を最も適切に説明する係数を見つけるために調整される。データ解析ソフトウェアを用いてこれらの係数を決定し、それを用いて任意の水活度における水分含有量を予測したり、その逆の計算を行ったりすることができる。

1台の装置による包括的な水分分析

水活性は、製品の安全性や品質を評価する上でカール・フィッシャー法による水分含有量の測定に代わる有効な手段ですが、純度を判定するためには依然として水分含有量を把握する必要がある場合があります。しかし、吸湿等温線の関係式を用いれば水活性から水分含有量を算出できるため、この目的においても水活性はカール・フィッシャー法に取って代わる可能性があります。これにより、水分含有量と水活性の両方を測定できる水活性測定装置が、カール・フィッシャー法に取って代わるようになるでしょう。