冷凍過程中緩沖鹽結晶導致pH變化
更新時間：2023-09-18 點擊次數：695次
對于凍干和冷凍制劑處方，在冷凍濃縮過程中緩沖成分的結晶傾向成為一個重要的考慮因素，在冷凍過程中緩沖成分的選擇性結晶可能導致pH值的變化，從而影響蛋白質的穩定性。磷酸鹽緩沖液是一種被廣泛研究的例子，其中十二水磷酸二鈉（磷酸鹽緩沖液的基本成分）在冷凍過程中降低了冷凍濃縮液的pH值，并可能改變蛋白質的穩定性。
緩沖液的結晶行為和凍結過程中相關的pH值變化取決于幾個因素，包括緩沖液的類型和濃度、初始溶液pH和其他配方成分的濃度。
下圖顯示了不同緩沖液在凍結時的pH值變化，按初始pH值的遞增順序(從左到右)繪制。左圖為緩沖液pH偏移＞1單位，右圖為緩沖液pH偏移≤1單位。填充的圓圈表示每種緩沖溶液在室溫25℃時的初始pH值。箭頭指向凍結過程中pH值變化的方向，箭頭的頂端表示將溶液凍結至-25℃后的最終pH值。
從圖中可以觀察到不同因素對緩沖液凍結過程中pH值變化的影響。
（1）初始pH值：檸檬酸鹽緩沖液對初始pH為5.0或6.0的溶液效果良好，但當初始pH為4.0時，pH值會發生~+2個單位的變化（淺橘紅色，左圖第一個柱子及右圖兩個同色柱子）。同樣，組氨酸緩沖液在pH為5.5時顯示+2個單位的pH位移，而在pH為6.0和7.0時則沒有（深綠色，左圖第四個柱子及右圖兩個同色柱子）。
（2）緩沖液濃度：緩沖液的濃度對pH值變化的幅度和性質都有顯著的影響。例如，初始pH值為7.2的磷酸鹽緩沖液，濃度為100 mM時，最終凍結后pH值為2.8，濃度為10 mM時，最終凍結后pH值為4.1（左圖最右側兩個柱子）。
（3）與其他溶質的相互作用：制劑處方中的其他溶質和緩沖液組分的相互作用可能會影響彼此的結晶傾向。了解共溶質對緩沖液結晶的影響是很重要的，因為這將影響冷凍濃縮液的pH，從而影響蛋白質的穩定性。
例如，當含有磷酸鹽緩沖液(10或100 mM)和甘氨酸(0.8% w/v)的溶液被冷凍時，這兩種組分都更易結晶。雖然這并不影響甘氨酸作為凍干賦形劑的功能，但緩沖鹽的明顯結晶導致凍結時pH值發生變化。
有趣的是，0.8% w/v濃度甘氨酸的存在增加了10mM和100mM磷酸鹽緩沖液在冷凍時的pH值變化幅度。而在低濃度(0.4% w/v)下，甘氨酸反而會抑制磷酸鹽緩沖液在冷凍時的pH值變化。然而，在如此低的濃度下，甘氨酸可能無法發揮凍干賦形劑的作用。因此，需要明智地選擇配方成分及其濃度，以確保各個組分的功能，從而獲得穩定的凍干制劑處方。
同樣，磷酸鹽緩沖液也能抑制甘露醇結晶。下圖展示了緩沖液濃度對甘露醇和甘氨酸在最終冷凍產品中結晶情況的影響，溶液中甘露醇和甘氨酸含量為5% w/w。當甘露醇和甘氨酸混合使用時，磷酸鹽緩沖鹽在冷凍溶液中顯著抑制這兩種溶質的結晶，磷酸鹽緩沖液濃度的增加（50mM~200mM）降低了甘露醇和甘氨酸的結晶度。
甘露醇和甘氨酸的結晶度降低，可以轉化為更高的蛋白酶活性保留。下圖為冷凍干燥后輔料結晶對乳酸脫氫酶（LDH）活性的影響。上半部分為蛋白酶活性與緩沖液濃度的關系（配方中甘露醇和甘氨酸各占5% w/w），可見隨著緩沖液濃度升高，凍干后保留的蛋白酶活性升高。下半部分為最終產品中的結晶甘露醇和甘氨酸餾分。隨著緩沖液濃度升高，凍干產物中甘露醇和甘氨酸的結晶度降低。
一般來說，只有無定形的溶質才能抑制緩沖液的結晶。然而，當共溶質結晶時，也觀察到緩沖結晶。
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