Quantitative characterization of lactose crystalline forms

Význam tématu

FT-NIR analýza krystalických forem laktózy je prakticky důležitá v potravinářském a farmaceutickém průmyslu, protože poměr jednotlivých forem (α‑laktóza monohydrát, α‑laktóza anhydrátní a amorfní laktóza) ovlivňuje zpracovatelnost, stabilitu a kvalitu konečného výrobku. Rychlá, opakovatelná a provozně odolná metoda pro kvantifikaci těchto forem umožňuje kontrolu surovin i meziproduktů přímo v příjmových a výrobních prostorách, což snižuje riziko problémů ve výrobě a zkracuje dobu rozhodování.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo ověřit použitelnost Fourierovy transformace v blízké infračervené oblasti (FT‑NIR) pro kvantitativní stanovení tří hlavních forem laktózy v binárních i ternárních směsích. Studie sledovala možnost sestavení kalibrací umožňujících současné určení obsahu amorfní laktózy, α‑laktózy anhydrátní a α‑laktózy monohydrátu a porovnala výkonnost modelů na validačních vzorcích. Důraz byl kladen na rutinní využití metody mimo laboratorní podmínky.

Použitá metodika a instrumentace

• Příprava vzorků: obchodní α‑laktóza monohydrát a anhydrátní forma, amorfní laktóza vyrobená rozprašováním (inlet 187 °C, outlet ~90 °C, průtok 0,34 m3/min) a následné sušení ve vakuu (50 °C, 30 min) a skladování přes CaSO4. Prosování pro kontrolu zrnitosti: 38–125 µm pro krystalické formy; amorfní vyloučení částic >150 µm kvůli aglomeraci.
• Sestavení vzorků: binární i ternární směsi připravené vážením a mechanickým mícháním; nezávislé kalibrační a validační sady (část vzorků vynechána z kalibrace a použita pro validaci).
• Spektrometrie: Thermo Scientific Antaris FT‑NIR Solid Sampling system, režim odrazu (reflectance) přes integrovanou sféru, měření skrze dno 2‑dram vialu, teplota místnosti ~21 °C. Parametry: rozsah 4000–12000 cm−1, rozlišení 4 cm−1, 90 souběžných skenů, čas sběru ~67 s, detektor InGaAs.
• Chemostatistika: software TQ Analyst, PLS‑I (Partial Least Squares) s výběrem počtu latentních faktorů pomocí PRESS. Předzpracování spekter zahrnovalo Multiplicative Scatter Correction (MSC), Norris a Savitzky‑Golay derivace (druhé derivace; různé délky segmentů: 13–25 bodů, třetí řád u některých filtrů). Výběr kalibračních oblastí proveden nástrojem Region Select.

Hlavní výsledky a diskuse

• Spektrální rozdíly: FT‑NIR (zejména po použití druhých derivací) ukázal jasné rozdíly mezi třemi formami laktózy, což umožnilo kvantitativní modelování.
• Binární směsi: pro tři testované dvojice byly vytvořeny třífaktorové PLS modely nebo odpovídající počet faktorů dle PRESS. Výsledky (vybrané příklady):
• Amorfní + α‑monohydrát: R = 0.9992, RMSEC = 1.29, RMSEP = 1.98.
• Amorfní + α‑anhydrát: R = 0.9995, RMSEC = 1.05, RMSEP = 2.12.
• α‑anhydrát + α‑monohydrát: R = 0.99999, RMSEC = 0.136, RMSEP = 0.718 — nejlepší přesnost díky silnějším, lépe definovaným NIR signálům obou krystalických forem.
• Ternární směsi: pro konstrukci modelů byly používány 3–5 faktorové PLS modely v různých oborových pásmech. Výkonnost modelů (přehled):
• α‑laktóza monohydrát: R = 0.9981, RMSEC = 1.63, RMSEP = 3.95.
• α‑laktóza anhydrátní: R = 0.9971, RMSEC = 2.04, RMSEP = 3.40.
• Amorfní laktóza: R = 0.9817, RMSEC = 2.26, RMSEP = 2.02 — nižší korelace vysvětluje větší obtížnost kvantifikace amorfní složky v přítomnosti krystalických forem.
• Limity kvantifikace (LOQ) v ternárních směsích se pohybovaly mezi přibližně 4,1 % až 6,4 % obsahu v závislosti na komponentě.
• Validace na reálném systému: aplikace kalibrací sestavených ze syntetických směsí na homogenizované (mleté) krystalické sacharóze ukázala podobné trendy jako XRPD, přičemž byla patrná určitá systematická odchylka, kterou lze kalibračně korigovat.
• Obecné pozorování: krystalické formy dávají silnější a stabilnější NIR odpověď než amorfní materiál; přítomnost amorfní frakce zhoršuje přesnost kvantifikace ostatních složek a zvyšuje nároky na správné předzpracování spekter a volbu oblastí pro kalibraci.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlé, neinvazivní a opakovatelné měření vhodné pro příjem surovin a kontrolu výroby bez nutnosti složitých laboratorních postupů.
• Metoda umožňuje simultánní kvantifikaci více forem laktózy v binárních i ternárních systémech, což zvyšuje schopnost detekovat nežádoucí kontaminaci nebo změny fyzikálního stavu.
• Provozní jednoduchost a robustní hardware (integrovaná sféra, měření ve vialu) umožňují použití mimo čisté laboratoře — ideální pro rutinní QA/QC.
• Možnost přenesení kalibrací vytvořených na syntetických směsích na reálné materiály (po ověření a případné korekci biasu) zjednodušuje vývoj validovaných postupů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření aplikace na další excipienty a suroviny citlivé na polymorfismus nebo obsah amorfní fáze (např. jiné cukry, léčiva ve formě prášků).
• Integrace FT‑NIR s on‑line/at‑line měřením pro reálný čas sledování procesů (PAT) a kontrolu kritických parametrů během výroby.
• Vylepšení kalibrací pomocí větších a heterogennějších tréninkových dat, robustnějších algoritmů pro předzpracování a pokročilých metod strojového učení pro lepší generalizaci na reálné materiály.
• Využití moderních FT‑NIR přístrojů (např. Antaris II) s vyšší rychlostí a citlivostí pro zvýšení přesnosti a zkrácení doby analýzy.

Závěr

Studie ukazuje, že FT‑NIR je prakticky použitelná technika pro kvantitativní charakterizaci krystalických a amorfních forem laktózy v binárních i ternárních směsích s LOQ v rozsahu několika procent. Krystalické komponenty lze kvantifikovat přesněji než amorfní složku, přičemž správné předzpracování dat a volba spektrálních regionů jsou klíčové pro úspěšné modelování. Díky rychlosti, jednoduchosti použití a kompatibilitě se zařízeními vhodnými pro provozní prostředí představuje FT‑NIR atraktivní nástroj pro rutinní QA/QC v průmyslu.

Reference

• Hirsch J., McCarthy W. J., Luner P. E., Patel A. D., Seyer J. J. Quantitative characterization of lactose crystalline forms. Thermo Fisher Scientific, Application Note. 2022. AN50775_E.