Método de Karl Fischer versus atividade da água em produtos farmacêuticos

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.

Nem toda a água é igual

A água em um sistema pode ser considerada como presente em três formas gerais: água em massa ou “livre”, água absorvida e água “ligada” ou em monocamada. A água em massa ou “livre” possui a mesma energia e propriedades da água pura. A água absorvida está ligada de forma menos firme, mas ainda assim apresenta energia reduzida e propriedades diferentes das da água pura. A água “ligada” tem energia reduzida como resultado da ligação física direta da água à matriz por meio de ligações de hidrogênio ou iônicas. Na realidade, as moléculas de água se movem facilmente entre cada uma das formas, e é impossível quantificar a quantidade de água em qualquer uma delas. Em vez disso, o estado energético geral da água é determinado pelas contribuições relativas de cada uma dessas camadas de água. Uma redução na energia da água (ou seja, menor atividade da água) resulta em menos água disponível para influenciar reações biológicas e químicas. A análise do teor de umidade fornece a quantidade total de água, mas não diferencia o tipo de água.

As titulações de Karl Fischer são eficazes na quantificação até mesmo da água fortemente “ligada” e são frequentemente consideradas um método de análise de umidade superior à perda por secagem. De fato, essa água adicional medida pelo método de Karl Fischer é frequentemente chamada de água “ligada”. Embora uma análise de Karl Fischer possa fornecer uma determinação mais completa do teor total de água, ela ainda assim indica apenas a quantidade de água, e não o estado energético da água. A atividade da água mede a energia ou a “disponibilidade” da água. Ela não depende da quantidade de água, mas das contribuições relativas de cada tipo de água. Consequentemente, a atividade da água fornece melhores correlações com as taxas de reação biológica e química do que a análise de Karl Fischer.

O que é a atividade da água?

A atividade da água descreve o estado energético termodinâmico da água em um sistema. Embora não seja cientificamente correto, pode ser útil imaginar a atividade da água como a quantidade de água “disponível” em um sistema. Ela não é determinada pela quantidade de água presente em um produto, mas sim por uma comparação entre o quanto a água do produto se assemelha e se comporta como água pura. Os valores da atividade da água variam de 0 (totalmente seco) a 1,0 (água pura). À medida que a atividade da água diminui, a água em um produto perde energia e fica menos “disponível” como solvente para o crescimento microbiano, reatividade química ou migração de umidade. Por exemplo, a água em um produto com atividade de água de 0,80 tem energia suficiente para sustentar o crescimento de fungos, enquanto a água em um produto com atividade de água inferior a 0,60 não consegue sustentar o crescimento de nenhum microrganismo. A água também se torna mais móvel à medida que a atividade de água aumenta, o que influencia a mobilidade molecular, bem como as taxas de reação química e enzimática.

Em termos mais científicos, a atividade da água é definida como a pressão de vapor da água (p) sobre uma amostra dividida pela pressão de vapor da água pura (po) a uma determinada temperatura. Ao medir essa pressão de vapor em relação à pressão de vapor sobre a água pura na mesma temperatura, é possível determinar a energia da água na amostra. Isso faz sentido, pois a água que está associada química ou fisicamente a uma amostra possui menor energia e não passará facilmente para a fase de vapor, diminuindo assim a pressão de vapor acima da amostra.

Por que medir a atividade da água?

A atividade da água é o melhor indicador do crescimento microbiano. Um produto pode conter uma porcentagem relativamente alta de umidade, mas se a água estiver quimicamente “ligada” a umectantes ou solutos, como sais, açúcares ou polióis, ela fica biologicamente indisponível para o crescimento microbiano. O conceito de atividade da água tem sido utilizado por microbiologistas e tecnólogos de alimentos há décadas e é o critério mais comumente usado para avaliar a segurança e a qualidade dos alimentos. Todo microrganismo possui uma atividade da água limite abaixo da qual não consegue crescer. Não existe relação direta entre o teor de umidade e o crescimento microbiano.

Existe também uma estreita relação entre a atividade da água e a estabilidade física dos produtos. As diferenças nos níveis de atividade da água entre os componentes, ou entre um componente e a umidade ambiental, constituem um fator determinante para a migração de umidade. Saber se a água será absorvida ou desorvida de um determinado componente é essencial para evitar a degradação, especialmente se uma das substâncias for sensível à umidade. Por exemplo, se quantidades iguais do componente 1 com 2% de umidade e do componente 2 com 10% de umidade forem misturadas, haverá troca de umidade entre os componentes? O teor final de umidade do material misturado seria de 6%, mas ocorreu alguma troca de umidade entre os componentes 1 e 2? A resposta depende das atividades de água dos dois componentes. Se as atividades de água dos dois componentes forem iguais, não haverá troca de umidade.

Da mesma forma, dois ingredientes com o mesmo teor de umidade podem não ser compatíveis quando misturados. Se dois materiais com atividades de água diferentes, mas com o mesmo teor de água, forem misturados, a água se distribuirá entre os materiais até que se alcance uma atividade de água de equilíbrio. Assim, para um produto com vários componentes, a fim de evitar a migração de umidade, deve-se igualar a atividade de água dos dois componentes. Se um componente apresentar atividade de água mais elevada do que o outro, a água migrará da atividade de água mais elevada para a mais baixa. Essa migração pode levar a alterações indesejáveis na qualidade de ambos os componentes. Portanto, a atividade de água fornece informações úteis para o projeto da formulação, as condições de fabricação e os requisitos de embalagem.

Substituir o método de Karl Fischer pela atividade da água

A análise de Karl Fischer pode produzir resultados confiáveis em condições controladas, mas está sujeita a muitas fontes de variação. Além disso, envolve o uso de alguns produtos químicos pouco recomendáveis e requer treinamento para ser realizada corretamente. Consequentemente, há várias razões para se buscar uma alternativa viável. A atividade da água pode substituir a análise de Karl Fischer, não porque forneça as mesmas informações, mas porque fornece informações mais úteis. Os resultados fornecidos por uma análise de atividade da água não se assemelharão ao teor de umidade de Karl Fischer, mas proporcionarão melhores correlações com a segurança microbiana, a estabilidade química e as propriedades físicas. Isso é especialmente verdadeiro para produtos que podem sofrer grandes alterações de estabilidade quando ocorrem apenas pequenas mudanças no teor de umidade, difíceis de medir.

Qual é a relação entre o método de Karl Fischer e a atividade da água?

Existe uma relação entre o teor de água de Karl Fischer e a atividade da água, mas ela é complexa e específica para cada produto. Um aumento na atividade da água é geralmente acompanhado por um aumento no teor de água, mas de forma não linear. Essa relação entre a atividade da água e o teor de umidade a uma determinada temperatura é chamada de isoterma de sorção de umidade. Para a maioria dos produtos, a isoterma tem formato sigmoidal, embora materiais que contêm grandes quantidades de moléculas cristalinas apresentem uma curva de isoterma do tipo J. Muitas equações diferentes são utilizadas para caracterizar a relação isotérmica de um produto. Para faixas estreitas de atividade da água, a regressão linear pode descrever uma relação isotérmica, mas raramente funciona para toda a faixa de atividade da água. Equações mais complexas são usadas para caracterizar a isoterma para toda a faixa de atividade da água. As equações mais comuns são as equações de Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) e Brunauer-Emmett-Teller (BET). Assim como a regressão linear, essas equações são ajustadas para encontrar coeficientes que melhor expliquem a relação isotérmica. Programas de software de análise de dados são utilizados para determinar esses coeficientes, que podem então ser usados para prever o teor de umidade em qualquer nível de água ou vice-versa.

Uma análise completa da umidade realizada por um único instrumento

Embora a atividade da água seja uma alternativa viável ao teor de umidade por Karl Fischer para determinar a segurança e a qualidade do produto, ainda pode ser necessário conhecer o teor de umidade para determinar a pureza. A atividade da água ainda pode substituir o método de Karl Fischer para esse fim, uma vez que é possível determinar o teor de umidade com base na atividade da água por meio da relação da isoterma de sorção de umidade. Isso permitiria que um instrumento de medição da atividade da água substituísse o método de Karl Fischer, fornecendo medições tanto do teor de umidade quanto da atividade da água.