Metoda Karla Fischera a aktywność wodna w farmacji

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.

Nie każda woda jest taka sama

Wodę w układzie można podzielić na trzy ogólne formy: wolną (swobodną), zaabsorbowaną oraz związaną (lub w postaci monolajera). Woda wolna charakteryzuje się taką samą energią i właściwościami jak czysta woda. Woda zaabsorbowana jest utrzymywana nieco słabiej, jednak nadal ma obniżoną energię i inne właściwości niż czysta woda. Woda „związana” cechuje się obniżoną energią w wyniku bezpośredniego wiązania fizycznego cząsteczek wody z matrycą poprzez wiązania wodorowe lub jonowe. W rzeczywistości cząsteczki wody swobodnie przemieszczają się pomiędzy poszczególnymi formami i niemożliwe jest ich ilościowe oznaczenie w jakiejkolwiek pojedynczej formie. Ogólny status energetyczny wody jest natomiast determinowany przez względny udział każdej z tych warstw wodnych. Obniżenie energii wody (tj. niższa aktywność wody) skutkuje mniejszą dostępnością wody wpływającej na reakcje biologiczne i chemiczne. Analiza zawartości wilgoci określa całkowitą ilość wody, lecz nie rozróżnia jej form.

Miareczkowanie metodą Karla Fischera skutecznie kwantyfikuje nawet silnie „związaną” wodę i często uważa się je za lepszą metodę analizy wilgoci niż stratę po suszeniu. W rzeczywistości ta dodatkowa woda mierzona za pomocą metody Karla Fischera jest często nazywana wodą „związaną”. Chociaż analiza metodą Karla Fischera może zapewniać dokładniejsze określenie całkowitej zawartości wody, nadal dostarcza jedynie informacji o ilości wody, a nie o jej statusie energetycznym. Aktywność wody mierzy energię lub „dostępność” wody. Nie zależy ona od ilości wody, lecz od względnego udziału każdego jej typu. W konsekwencji aktywność wody zapewnia lepszą korelację z szybkością reakcji biologicznych i chemicznych niż analiza metodą Karla Fischera.

Czym jest aktywność wody?

Aktywność wody opisuje termodynamiczny status energetyczny wody w układzie. Choć nie jest to w pełni poprawne naukowe ujęcie, pomocne może być wyobrażenie sobie aktywności wody jako ilości „dostępnej” wody w układzie. Nie jest ona wyznaczana przez ilość wody obecnej w produkcie, lecz stanowi porównanie stopnia, w jakim woda w produkcie przypomina czystą wodę i zachowuje się jak ona. Wartości aktywności wody mieszczą się w zakresie od 0 (całkowita suchość) do 1,0 (czysta woda). W miarę spadku aktywności wody, woda w produkcie traci energię i jest mniej „dostępna” jako rozpuszczalnik dla wzrostu drobnoustrojów, reaktywności chemicznej czy migracji wilgoci. Przykładowo, woda w produkcie o aktywności wody wynoszącej 0,80 ma wystarczająco dużo energii, aby wspierać rozwój pleśni, podczas gdy woda w produkcie o aktywności wody poniżej 0,60 uniemożliwia rozwój jakichkolwiek mikroorganizmów. Wraz ze wzrostem aktywności wody zwiększa się również jej mobilność, co wpływa na ruchliwość cząsteczek oraz szybkość reakcji chemicznych i enzymatycznych.

Mówiąc bardziej naukowo, aktywność wody definiuje się jako prężność par wody (p) nad próbką podzieloną przez prężność par czystej wody (po) w danej temperaturze. Mierząc tę prężność par w odniesieniu do prężności par nad czystą wodą w tej samej temperaturze, można określić energię wody w próbce. Jest to uzasadnione, ponieważ woda związana chemicznie lub fizycznie w próbce ma niższą energię i nie przechodzi łatwo do fazy parowej, co powoduje obniżenie prężności par nad próbką.

Dlaczego warto mierzyć aktywność wody?

Aktywność wody jest najlepszym wskaźnikiem rozwoju drobnoustrojów. Produkt może zawierać stosunkowo wysoki odsetek wilgoci, lecz jeśli woda jest chemicznie „związana” z substancjami wiążącymi wodę lub rozpuszczalnikami, takimi jak sole, cukry czy poliole, staje się ona biologicznie niedostępna dla mikroorganizmów. Koncepcja aktywności wody służy mikrobiologom i technologom żywności od dziesięcioleci i jest najczęściej stosowanym kryterium bezpieczeństwa oraz jakości żywności. Każdy mikroorganizm ma graniczną wartość aktywności wody, poniżej której nie może rosnąć. Nie istnieje bezpośrednia zależność pomiędzy zawartością wilgoci a rozwojem drobnoustrojów.

Istnieje również ścisły związek między aktywnością wody a stabilnością fizyczną produktów. Różnice w poziomach aktywności wody pomiędzy poszczególnymi komponentami lub między komponentem a wilgotnością otoczenia stanowią siłę napędową migracji wilgoci. Wiedza o tym, czy woda będzie absorbowana przez dany składnik, czy z niego desorbowana, ma zasadnicze znaczenie dla zapobiegania degradacji, zwłaszcza jeśli jedna z substancji jest wrażliwa na wilgoć. Przykładowo, jeśli zmieszamy równe ilości składnika 1 o zawartości wilgoci 2% i składnika 2 o zawartości wilgoci 10%, czy dojdzie do wymiany wilgoci między komponentami? Ostateczna zawartość wilgoci w zmieszanym materiale wyniosłaby 6%, ale czy nastąpiła jakakolwiek wymiana wilgoci między składnikiem 1 i 2? Odpowiedź zależy od aktywności wody obu komponentów. Jeśli aktywność wody obu składników jest taka sama, wilgoć nie będzie wymieniana.

Podobnie dwa składniki o tej samej zawartości wilgoci mogą nie być ze sobą kompatybilne po zmieszaniu. Jeśli połączymy dwa materiały o różnej aktywności wody, lecz tej samej zawartości wilgoci, woda będzie przemieszczać się między nimi do momentu osiągnięcia stanowiącej równowagę aktywności wody. W przypadku produktu wieloskładnikowego, aby zapobiec migracji wilgoci, należy zatem dopasować aktywność wody obu komponentów. Jeśli jeden składnik charakteryzuje się wyższą aktywnością wody niż drugi, woda będzie migrować z obszaru o wyższej aktywności wody do obszaru o niższej aktywności. Migracja ta może prowadzić do niepożądanych zmian jakościowych obu komponentów. Aktywność wody dostarcza zatem użytecznych informacji przy projektowaniu formulacji, ustalaniu warunków produkcji oraz określaniu wymagań dotyczących pakowania.

Zastąpienie metody Karla Fischera pomiarem aktywności wody

Analiza metodą Karla Fischera pozwala uzyskać wiarygodne wyniki w kontrolowanych warunkach, jednak podlega wielu źródłom zmienności. Wiąże się również z użyciem substancji chemicznych, które nie są w pełni pożądane, oraz wymaga odpowiedniego przeszkolenia personelu. Istnieje zatem szereg powodów, dla których warto poszukiwać skutecznej alternatywy. Aktywność wody może zastąpić analizę metodą Karla Fischera nie dlatego, że dostarcza tych samych informacji, lecz dlatego, że oferuje dane o większej przydatności. Wyniki dostarczane przez analizę aktywności wody nie będą przypominać zawartości wilgoci wyznaczonej metodą Karla Fischera, ale zapewnią lepszą korelację z bezpieczeństwem mikrobiologicznym, stabilnością chemiczną i właściwościami fizycznymi. Dotyczy to w szczególności produktów, w których dochodzi do dużych zmian stabilności przy jednoczesnym wystąpieniu niewielkich, trudnych do zmierzenia zmian zawartości wilgoci.

Jaka jest zależność między metodą Karla Fischera a aktywnością wody?

Między zawartością wody wyznaczoną metodą Karla Fischera a aktywnością wody zachodzi relacja, jest ona jednak złożona i specyficzna dla każdego produktu. Wzrostowi aktywności wody zazwyczaj towarzyszy wzrost zawartości wody, jednak ma on charakter nieliniowy. Zależność między aktywnością wody a zawartością wilgoci w danej temperaturze nazywana jest izotermą sorpcji wilgoci. W przypadku większości produktów izoterma ma kształt sigmoidalny, podczas gdy materiały zawierające duże ilości cząsteczek krystalicznych charakteryzują się krzywą izotermy typu J. Do charakteryzowania relacji izotermicznych produktu stosuje się wiele różnych równań. W wąskich zakresach aktywności wody regresja liniowa może opisać zależność izotermiczną, rzadko jednak sprawdza się w całym zakresie aktywności wody. Do scharakteryzowania izotermy w całym zakresie aktywności wody wykorzystuje się bardziej złożone równania. Najpopularniejsze z nich to równania Guggenheima-Andersona-de Boera (GAB) oraz Brunauera-Emmetta-Tellera (BET). Podobnie jak w przypadku regresji liniowej, równania te są modyfikowane w celu wyznaczenia współczynników, które najlepiej odzwierciedlają zależność izotermiczną. Do wyznaczenia tych współczynników używa się programów do analizy danych, które następnie mogą posłużyć do przewidywania zawartości wilgoci przy dowolnym poziomie wody lub odwrotnie.

Kompleksowa analiza wilgoci za pomocą jednego urządzenia

Choć aktywność wody stanowi realną alternatywę dla zawartości wilgoci wyznaczanej metodą Karla Fischera w zakresie określania bezpieczeństwa i jakości produktu, w celu wyznaczenia czystości nadal konieczna może być znajomość zawartości wilgoci. Aktywność wody może jednak zastąpić metodę Karla Fischera również w tym celu, ponieważ na jej podstawie – w oparciu o zależność wynikającą z izotermy sorpcji wilgoci – można wyznaczyć zawartość wilgoci. Umożliwia to zastąpienie metody Karla Fischera urządzeniem do pomiaru aktywności wody, które zapewnia jednoczesny pomiar zawartości wilgoci oraz aktywności wody.