Quantitative characterization of lactose crystalline forms

Význam tématu

Charakterizace krystalických forem laktózy (α‑laktóza monohydrát, α‑laktóza anhydrát a amorfní laktóza) je klíčová pro farmaceutickou a potravinářskou výrobu, protože fyzikální stav suroviny ovlivňuje zpracovatelnost, stabilitu a výkon finálního přípravku. Rychlé, robustní a provozně přístupné metody pro kvantitativní určení podílu jednotlivých forem v dávkách nebo šaržích usnadňují kontrolu kvality v příjmu i na výrobní lince.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem bylo demonstrovat použití Fourierovy transformace v blízké infračervené oblasti (FT‑NIR) k kvantitativnímu rozlišení a stanovení poměrů tří hlavních forem laktózy v binárních a tercérních směsích. Studie ukazuje konstrukci kalibrací na syntetických směsích, vyhodnocení jejich statistických parametrů (R2, RMSEC, RMSEP), odhad limitů kvantifikace (LOQ) a validaci metodiky v souvislosti s alternativními analytickými technikami (XRPD).

Použitá metodika a instrumentace

Vzorový materiál a příprava:

• Výchozí materiály: α‑laktóza monohydrát (Acros), α‑laktóza anhydrát (Spectrum).
• Amorfní laktóza: připravena sprej‑sušením 10 % vodného roztoku α‑laktózy monohydrátu, následné sušení ve vakuové peci a skladování nad síranem vápenatým.
• Sítování: krystalické formy síťovány na 38–125 µm; amorfní frakce odstraněny nad 150 µm kvůli aglomeraci.

Spektrální měření:

• Instrument: Antaris FT‑NIR Solid Sampling system s integrační koulí, měření odrazu skrz dno 2‑dram vialu.
• Parametry: režim reflektance; oblast 4000–12000 cm‑1; rozlišení 4 cm‑1; 90 sumarizovaných skenů; čas sběru ~67 s; detektor InGaAs.

Chemometrie:

• Software: TQ Analyst (Thermo Scientific).
• Algoritmus: Partial Least Squares (PLS‑I); výběr počátečních regionů pomocí funkce Region Select.
• Předzpracování: Multiplicative Scatter Correction (MSC), Norrisovy derivace, Savitzky‑Golay druhé derivace (různé pořadí a délky segmentů podle modelu).
• Validace: split‑design kalibrace/validace pro binární i ternární soubory (většina vzorků pro kalibraci, zbytek nezávislá validace); použití PRESS pro volbu počtu faktorů.

Hlavní výsledky a diskuse

Spektrální rozlišení:

FT‑NIR a zejména druhé derivace spekter poskytly dostatečné rozdíly mezi třemi formami laktózy pro kvantifikaci. Krystalické formy vykázaly silnější NIR signál než amorfní materiál, což vedlo k lepším kalibracím pro krystalické komponenty.

Významné statistiky modelů (příklady):

• Binární směsi (vybrané výsledky):
  
  • Amorfní + α‑monohydrát: R2 = 0.9992; RMSEC = 1.29; RMSEP = 1.98.
  • Amorfní + α‑anhydrát: R2 = 0.9995; RMSEC = 1.05; RMSEP = 2.12.
  • α‑anhydrát + α‑monohydrát: R2 = 0.99999; RMSEC = 0.136; RMSEP = 0.718.
• Ternární směsi:
  
  • α‑laktóza monohydrát: R2 = 0.9981; RMSEC = 1.63; RMSEP = 3.95.
  • α‑laktóza anhydrát: R2 = 0.9971; RMSEC = 2.04; RMSEP = 3.40.
  • Amorfní laktóza: R2 = 0.9817; RMSEC = 2.26; RMSEP = 2.02.

Limity kvantifikace:

Odhadované LOQ ve tercérních matricích se pohybovaly mezi přibližně 4.1 % a 6.4 % hmotnostních pro jednotlivé složky (vypočteno jako 3× standardní odchylka replikací nízkých obsahů).

Diskuse praktické relevance:

Nejlepší výsledky byly dosaženy pro krystalické formy, u kterých jsou NIR signály výraznější. Amorfní fáze je obtížnější kvantifikovat, částečně proto, že její spektrální charakter může být slabší a částečně proto, že v ternárním systému přispívají informace sousedních komponent k jejich kalibraci. Praktická aplikace na experiment s mletým sacharózou ukázala, že kalibrace připravené ze syntetických směsí mohou být použity i na homogenní reálné materiály s rozumnou korelací vůči XRPD (pozorováno je systematické zkreslení, které lze upravit).

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní přínosy FT‑NIR pro stanovení krystalických forem laktózy:

• Rychlost a non‑destruktivní charakter měření (typicky desítky sekund na vzorek).
• Možnost provozního nasazení na příjmu nebo výrobní lince díky kompaktnímu provedení (Antaris/Antaris II) a snadnému ovládání.
• Možnost automatizace a snížení závislosti na zkušenostech operátora.
• Současná kvantifikace více komponent (ternární analýza) s rozumnými LOQ pro účely kontroly kvality.

Budoucí trendy a možnosti využití

Možnosti dalšího rozvoje a aplikace:

• Rozšíření databází kalibrací o reálné průmyslové šarže a různé způsoby zpracování ke zvýšení robustness modelů vůči matricovým efektům.
• Integrace s online/at‑line měřením na výrobních linkách pro řízení procesu v reálném čase.
• Pokročilejší chemometrické přístupy (variabilita výběru proměnných, robustní validace, řízené přizpůsobení biasu vůči referenční metodě jako XRPD) pro snížení systematických odchylek.
• Využití modernějších FT‑NIR přístrojů (např. Antaris II) s vyšší rychlostí a lepším výkonem pro zlepšení citlivosti a snížení LOQ.

Závěr

Studie demonstruje, že FT‑NIR ve spojení s PLS chemometrií je vhodným nástrojem pro kvantitativní stanovení podílů α‑laktózy monohydrátu, α‑laktózy anhydrátu a amorfní laktózy v binárních i ternárních směsích. Nejlepší přesnosti byly dosaženy pro krystalické formy; amorfní složka je náročnější, ale kvantifikovatelná s přijatelnými LOQ. Metoda nabízí rychlý, praktický a provozně vhodný způsob kontroly kvality surovin i mezivýrobků ve farmaceutickém a potravinářském průmyslu.

Použitá instrumentace

• Thermo Scientific Antaris FT‑NIR Solid Sampling System (integrační koule, měření reflektance skrz dno vialu).
• Detektor: InGaAs.
• Sprejový sušič: Yamoto Pulvis Mini Spray Drier (příprava amorfní laktózy).
• Software: Thermo Scientific TQ Analyst pro chemometrické modelování (PLS‑I, Region Select, PRESS).

Reference

1. Jeffrey Hirsch, W. J. McCarthy; P. E. Luner, A. D. Patel, J. J. Seyer; Thermo Fisher Scientific. Application note: Quantitative characterization of lactose crystalline forms. AN50775_E 0522, 2022.