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水分活度和药品微生物

发布时间:2017-07-17      点击次数:2419

(本文转载自公众号:石决明)

1、什么是水分活度?

在百度搜索中,水分活度定义为物质中水分含量的活性部分或者说自由水。水分活度被认为是产品稳定性的一个重要指标。通过适当的方法(包括干燥、大量的糖或者盐与水的化学结合)控制水分活度达到产品长期保存,这种方法被人类长期使用。从微生物的角度来说,控制水分活度可以抑制微生物的生长。这就能解释蜂蜜、蜜饯、咸菜为什么不容易长菌。但是必须指出,控制水分活度不止能控制微生物的生长,产品的化学和物理性能也得到了很好的保存。

2、水分含量并不是水分活度

药品中的水分含量一直是药品质量控制的主要部分。由于剂型的限制,在中国药典2015版中,只有如下剂型通过水分测定或者干燥失重来监测药品中的水。

0 1 0 4颗粒剂

【水分】中药颗粒剂照水分测定法(通则0832)测定,除另有规定外,水分不 得超过8.0%

【干燥失重】除另有规定外,化学药品和生物制品颗粒剂照干燥失重测定法(通则0831)测定,于105°C干燥(含糖颗粒应在80°C减压干燥)至恒重,减失重量不得超过2.0%

0 1 1 5散剂

【水分】中药散剂照水分测定法(通则0832)测定,除另有规定外,不得过9.0%

【干燥失重】化学药和生物制品散剂,除另有规定外, 取供试品,照干燥失重测定法(通则0831)测定,在 105°C干燥至恒重,减失重量不得过2.0%

0 1 8 4胶剂

【水分】取 试品1g,置扁形称量瓶中,精密称定,加水2ml,置水浴上加热使溶解后再干燥,使厚度不超过2mm,照水分测定法(通则0832第二法)测定,不得过15.0%

【水分】 不含糖块状茶剂取 试品,研碎,照水分测定法(通则0832)测定,除 另有规定外,不 12.0%

【干燥失重】除另有规定外,干混悬剂照干燥失重测定法(通则0831)检查,减失重量不得过2.0%

这些方法检测出的水并不全是自由水,并不是水分活度的体现,但是包括了水分活度。然而,拿以上水分测定中相差zui大的15%8%的药品来说,水分15%的药品未必比水分8%的药品稳定性更好。因为,水分的多少不反映水分活度的高低。

3、水分活度的定义

水分活度(aw)是材料中水的蒸汽压(P)与在相同温度下纯水蒸汽压(P0)的比值,由如下公式所示。当蒸汽和温度达到平衡状态时,水分活度也等于在一个密封的测量条件下材料周围空气的相对平衡湿度(ERH)。水分活度从完全干燥的0.0 aw到纯水的1.0 aw

为了好理解,水分活度被描述为自由水,而相应的结合水就被排除在水分活度之外。但是,随着理解的加深,产品中并不存在完全自由的水,只是结合的紧密度大小而已。从这种意义来说,水分活度描述为产品中水结合紧密度的测量更为准确。

 

 

水分活度与微生物

在药品质量控制中,控制水分活度可以恶化微生物的生长环境、抑制微生物的繁殖。但是必须指出其中的微生物依然存在,当药品所处的环境发生改变(比如一些非独立包装的药品暴露在一般环境中时),水分活度会提高,微生物会开始增殖导致药品污染。在美国药典中,USP1112就是水分活度在非无菌产品监测上的应用。因为无菌药品中不允许微生物的存在即使是休眠的。

Microorganism

微生物

生长所需zui低水分活度

Pseudomonas aeruginosa铜绿假单胞菌

Clostridium botulinum, Type E E型肉毒杆菌

0.97

Bacillus cereus蜡样芽胞杆菌

Clostridium botulinum, Type A, B AB型肉毒杆菌

Escherichia coli大肠埃希菌

Salmonella spp.沙门氏菌

Clostridium perfringens产气荚膜梭菌

Burkholderia cepacia洋葱伯克氏菌

Klebsiella克雷伯氏菌

Lactobacillus viridescens乳酸菌

0.95

Enterobacter aerogenes产气肠杆菌

Pseudomonas fluorescens荧光假单胞菌

0.94

Micrococcus lysodekticus微球菌

Rhizopus nigricans根霉

0.93

Listeria monocytogenes单增李斯特菌

Mucor plumbeus毛霉

Rhodotorula mucilaninosa红酵母

0.92

Serratia marcesens沙雷氏菌

Plesiomonas shigelloides邻单胞菌属

Shigella spp. 志贺氏菌

Vibrio chlorea霍氏弧菌 

Vibrio parahaemolyticus副溶血弧菌

Yersina enterocolitica小肠结肠炎耶尔森菌

Yersina pseudotuberculosis伪结核耶尔赞氏菌

Aeromonas caviae豚鼠气单胞菌

Aeromonas hydrophilia嗜水气单胞菌

Aeromonas sobria温和气单孢菌

0.91

Bacillus subtilis枯草芽孢杆菌

Staphylococcus aureus (anaerobic)

金黄色葡萄球菌(厌氧)

Saccharomyces cerevisiae啤酒酵母

0.90

Candida 念珠菌

0.88

Staphylococcus aureus (aerobic) 金黄色葡萄球菌(需氧)

0.87

Paecilomyces  variotti拟青霉

0.84

Penicillium  chrysogenum 产黄青霉

0.83

Aspergillus  fumigatus 烟曲霉

0.82

Penicillium glabrum青霉

0.81

Aspergillus flavus 黄曲霉

0.78

Aspergillus niger 黑曲霉

0.77

Halobacterium  halobium(halophilic bacterium)

盐生盐杆菌(嗜盐杆菌)

0.75

Zygosaccharomyces  rouxii (osmophilic yeast)

   鲁氏酵母(嗜高渗酵母)

0.62

Xeromyces bisporus (xerophilic  fungi) 

双孢旱霉(耐旱真菌)

0.61

No Microbial  Proliferation无微生物增殖

0.60

 

上表中列出了常见微生物增殖所需zui低的水分活度。从这个表中,我们可以得到如下几点发现:

  • 大多数细菌需要在水分活度0.90以上增殖,除了需氧的金黄色葡萄球菌。
  • 大多数的霉菌和酵母在水分活度0.77以上增殖。
  • 微生物增殖的水分活度在0.61

从终产品风险控制的角度来说,如果你的产品的水分活度在0.90以上,微生物污染的风险就有细菌、霉菌和酵母。如果在0.77-0.90之间,霉菌和酵母污染的几率更大些,但是要关注金黄色葡萄球菌的存在。如果在0.77以下甚至0.6以下,微生物污染的风险就相应变小,完全可以减少常规测试的项目。基于这种原则,USP1112中列出了一些常见产品的推荐检测项目,如下表所示。

拿口服液来举例,一般的水分活度在0.90(不同厂家的生产工艺和配方有不同,具体的水分活度应该根据自己产品的测试值为准)。根据上表来看,zui大的潜在微生物污染是革兰氏阳性菌和真菌,推荐测试项目是TAMC(需氧菌总数)和TCYMC(霉菌酵母菌总数)。这是水分活度在测试策略上的贡献。如果能通过产品工艺的优化和产品配方的变更实现水分活度降低,这是的情况。如果由于产品剂型限制,无法将zui终产品的水分活度控制下去。从过程控制的角度来说,可以控制原材料的水分活度和监测中间产品的水分活度来控制微生物污染。

 

降低水分活度的N种武器

降低产品的水分活度就是降低产品中的水,自由水也好结合水也好。

1.  干燥除水

从大概的几种剂型来说,颗粒剂和片剂的水分活度就比较低。例如维生素C片剂的水分活度在0.33,复合维生素片的水分活度在0.3左右。从生产过程来说,只要不影响有效成分的药效,烘干除水或者冷冻干燥除水都是可以考虑的。

案例

水分活度

抗真菌药膏

0.95

抗真菌粉剂

0.537   

联想到培养微生物用的培养基干粉也是这个原理,通过干燥后密封包装来达到抑制微生物生长的目的,有效期可以达到3年之久。当然,如果打开后,随着密封条件的破坏,水分活度增加,接触到空气中的外来微生物,污染风险会大大增加。

2.  改变剂型

如果不能进行简单的干燥除水,比如其他涉及到液体的剂型,那要这么做呢?选择之一就是改变剂型,当然这部分提到的剂型改变并不是由于干燥除水后引起的剂型改变。

案例一

水分活度

肥皂

0.740-0.757

发泡型肥皂

0.537

案例一中,一般的日用品肥皂做成发泡型肥皂(creamed soap)后,水分活度一下就迈入了0.6以下的行列。

 

案例二

水分活度

止咳糖浆

0.912-0.965

液心止咳糖

0.4   

一般认为,口服液体制剂的水分活度因为本身成分中有水的存在很难有所作为。但在案例二中,做成液心止咳糖后,水分活度也做到了0.6以下。不得不感叹,药剂学是一个非常牛的学科。

针对液体制剂,还可以做成液体胶囊,水分活度可以降到0.45以下。液体胶囊是什么? Liquid-filled capsule,如下图所示。系指将一定量的液体药物直接包封,或将固体药物溶解或分散在适宜的赋形剂中制成溶液、混悬液、乳液或半固体,密封于球形或椭圆形的软质囊材中的胶囊剂。

 

3.  添加组分

由于水分活度在食品保存中的应用中已经比较成熟,添加一些水份的结合剂来牢固结合一部分水来降低水分活度。这些食品中或者化妆品中的添加剂也可以在药品中考虑看看,相对应的口服类和外用类的药品说不定也可以使用。添加剂包括盐、糖、乙二醇、甘油、氨基酸等等。

4.  降低温度

由于蒸气压和平衡相对湿度都是温度的函数,所以水分活度也是温度的函数。水分活度与温度的函数可用克劳修斯-克拉伯龙方程表示。

其中:T-温度

           R-气体常数

一般认为,温度下降,水分活度下降。

那我们为什么要这么大的精力去降低水分活度呢?*目的是通过降低水分活度,提高产品稳定性,减少微生物污染爆发的可能,延长有效期。对检验人员的现实意义在于USP1112中推荐的减少微生物限度检查的频次,西安杨森的部分产品据说已经可以做到一年只检一批。

AquaLab是美国专业的水分活度解决方案,采用可溯源的镜面冷凝露点方法,是美国USPFDA推荐使用的方法,能够在5分钟内快速测量样品的水分活度,是世界上*无需进行维护和校准的水分活度仪,并且读数能够长期保持稳定。目前大部分企业都在使用Aqualab水分活度仪。

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