含无定形态成分的粉体贮藏稳定性评价方法与流程

本发明属于贮藏领域，尤其涉及到一种含无定形态成分的粉体贮藏稳定性评价方法。

背景技术：

在食品、药品、化工等不同行业中，70％以上的产品形式都是以粉体颗粒形式存在的。然而在粉体制备的干燥过程中，由于水分的快速脱除，使物料中的固体基质呈现无定形亚稳态，随着环境中湿度及温度的提高粉体极易发生玻璃化转变，粉体进一步吸湿、粘结、结块，产品质量发生劣变，成为制约粉体加工产业发展的瓶颈。玻璃化转变理论在无定形粉体贮藏稳定性中发挥着重要作用，目前研究都是用差示热量扫描仪(DSC)的方法测定不同相对湿度下粉体的玻璃化转变温度来对粉体的稳定性进行预测。然而，在此方法中，不同相对湿度下粉体平衡时间较长，评价周期较长，且一般情况下需要通过模型拟合来预测而无法直观的得到实际贮藏条件下所对应的临界相对湿度值。因此，如果能建立在实际贮藏条件下粉体的贮藏稳定性的评价方法，对于粉体的安全保存具体重要的意义。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明所解决的技术问题是如何准确建立含无定形组分粉体实际贮藏条件下的贮藏稳定性评价方法。

本发明中以含有无定形成分粉体为原料，采用动态水分吸附仪(DVS)测定其玻璃化转变发生时的相对湿度(RH_g)，建立不同相对湿度升高速率(2-10％RH/hour)与RH_g的相关关系，得到某一温度下玻璃化转变发生时的临界相对湿度(RH_g,c)值。当贮藏环境相对湿度值低于RH_g,c值时，粉体具有良好的贮藏稳定性。本发明所得相关结论及结果可为粉体产品在实际生产及贮藏过程中的条件选择及控制提供数据支撑。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种含无定形态成分的粉体贮藏稳定性评价方法，其包括以下步骤：

步骤一

将所述含无定形态成分的粉体置于相对湿度为0％的条件下脱水至质量平衡；

步骤二

将经过步骤一处理的所述含无定形态成分的粉体在预定温度、不同相对湿度升高速率的条件下进行水分吸附试验并根据试验数据得出预定温度不同相对湿度升高速率的条件下的玻璃化转变时临界相对湿度值，相对湿度的升高速率为2-10％RH/h；

步骤三

根据步骤二得出的预定温度不同相对湿度升高速率的条件下的玻璃化转变时临界相对湿度值确定相对湿度升高速率与玻璃化转变时临界相对湿度值之间的关系，并依此计算得出在所述预定温度条件下相对湿度升高速率为0％RH/h的玻璃化转变时临界相对湿度值和临界含水量。

优选的是，所述的含无定形态成分的粉体贮藏稳定性评价方法中，所述步骤一中脱水造成的质量变化＜0.002％/min。

优选的是，所述的含无定形态成分的粉体贮藏稳定性评价方法中，所述预定温度为5-60℃，相对湿度为0-90％。

优选的是，所述的含无定形态成分的粉体贮藏稳定性评价方法中，所述含无定形态成分的粉体为含有无定形态成分的食品用粉体、化工用粉体或药用粉体。

优选的是，所述的含无定形态成分的粉体贮藏稳定性评价方法中，所述含无定形态成分的粉体为聚乙烯比咯烷酮或羟丙基纤维素。

优选的是，所述的含无定形态成分的粉体贮藏稳定性评价方法，所述步骤一中，脱水时温度为5℃-60℃，并采用高纯氮气作为载气产生0％的相对湿度。

本发明通过建立不同相对湿度升高速率与特定温度下玻璃化转变发生时的相对湿度的相关关系，确定特定温度下发生玻璃化转变的临界相对湿度值(RH_g,c)。该方法所得的RH_g,c即为粉体具有良好贮藏稳定性的安全相对湿度。本发明方法测试周期短，且可以直观得到在实际贮藏条件(5-60℃)特定温度下的临界相对湿度值，实验结果更加准确。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的一个实施例PVP粉体在25℃，10％RH/hour速率下的水分吸附实验曲线图；

图2为本发明的一个实施例的验证试验球压痕过程中压力加载及卸载曲线；

图3为本发明的一个实施例PVP25℃下不同相对湿度升高速率与RH_g(a)相关关系图；

图4为本发明的一个实施例PVP25℃下不同相对湿度升高速率与及MC_g(b)相关关系图；

图5为本发明的一个实施例25℃，75％RH下PVP颗粒床的水分吸附量与表面硬度随时间变化图；

图6为本发明的另一个实施例PVP在45℃下不同相对湿度升高速率与RH_g(a)相关关系图；

图7为本发明的另一个实施例PVP在45℃下不同相对湿度升高速率与MC_g(b)相关关系图；

图8为本发明的另一个实施例45℃，75％RH下PVP颗粒床的水分吸附量与表面硬度随时间变化图；

图9为本发明的又一个实施例HPC在25℃下不同相对湿度升高速率与RH_g(a)相关关系图；

图10为本发明的又一个实施例HPC在25℃下不同相对湿度升高速率与MC_g(b)相关关系图；

图11为本发明的又一个实施例25℃，75％RH下HPC颗粒床的水分吸附量与表面硬度随时间变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中所使用的聚乙烯比咯烷酮(PVP-K30)及羟丙基纤维素(HPC)购买于英国AstraZeneca公司。

下述实施例中所使用的Instron测试设备购买于英国Instron公司。

下述实施例中所使用的DVS设备购买于英国SMS公司。

本发明所提供的一种含无定形组分粉体的贮藏稳定性评价方法，包括下述步骤：

将粉体置于DVS仪器中，并于0％相对湿度下进行脱水，质量变化(dm/dt)<0.002％/min；

对于步骤1)的样品进行不同温度下水分吸附实验，相对湿度(RH)升高速率可为2-10％RH/hour；相对湿度范围可为0-90％；温度范围可为5-60℃；

对于步骤2)所得水分吸附曲线，确定不同相对湿度升高速率(ramping rate,RR)下玻璃化转变发生的RH_g值，且建立RR与RH_g的相关关系；

对于步骤3)所得的RH_g与RR之间的线性拟合曲线，确定0％RH/h下不同温度下发生玻璃化转变时的临界相对湿度值(RH_g,c)。

上述方法中，所述粉体可以为含有无定形组分的粉体(食品，化工及药品行业均可)。本发明中具体可为聚乙烯比咯烷酮及羟丙基纤维素(均为无定形态结构)。

所述的含无定形态成分的粉体贮藏稳定性评价方法，所述步骤一中，脱水时温度为5℃，并采用高纯氮气作为载气产生0％的相对湿度。

实施例1聚乙烯比咯烷酮25℃下贮藏稳定性评价方法

实验方法包括如下步骤：

称取10-15mg聚乙烯比咯烷酮(PVP)粉体置于DVS中，设置相对湿度(RH)为0％，直至粉体质量变化(dm/dt)<0.002％/min；所用载气为氮气，其流速为200ml/min。

对于步骤1)的样品进行25℃下水分吸附实验，RH范围为0-90％；RH升高速率为10％RH/hour。确定此速率下此温度下的RH_{g，10％RH/hour}。

对于步骤1)的样品进行25℃下水分吸附实验，RH范围为0-90％；RH升高速率为6％RH/hour。确定此速率下此温度下的RH_{g，6％RH/hour}。

对于步骤1)的样品进行25℃下水分吸附实验，RH范围为0-90％；RH升高速率为2％RH/hour。确定此速率下此温度下的RH_{g，2％RH/hour}。

对于步骤2)～4)所得不同速率下的RH_g，建立相对湿度的升高速率(RR)与RH_g的相关关系；

对于步骤5)所得的RH_g与RR之间的线性拟合曲线，确定0％RH/h时25℃下发生玻璃化转变时的临界相对湿度值(RH_g,c)；

对于步骤6)所得数据进行PVP在25℃及75％RH下的吸湿验证实验(球压痕法)。具体可为：

称取10g PVP粉体于不锈钢容器(直径4cm)中，然后放置在盛有硅胶的干燥器中，放置4d，粉体床质量不再发生变化；

采用5kPa的压力对步骤a)中PVP粉体床进行压缩，所用活塞直径为4cm，活塞加载速度为1mm/min；

采用球形压头进行压痕实验，所用球为玻璃球，所用玻璃球直径为4mm；将PVP颗粒床放置25℃，75％相对湿度下0-8d，采用球压痕法对颗粒床的硬度值进行动态测定。球形压头的加载速度为1mm/min，所用压力可为7mN-5N；同时记录颗粒床的质量动态变化；

建立颗粒床硬度与湿度及时间的相关关系，并根据颗粒床的水分吸附现象及硬度变化判断玻璃化转变发生的水分含量，与DVS分析的数据进行验证对比分析。

(一)DVS玻璃化转变分析方法：

如图1所示，是PVP粉体在25℃，10％RH/hour速率下的水分吸附实验结果。由图中可知，在低相对湿度范围内(RH<40％)，PVP水分吸附量与相对湿度呈线性相关，此范围内主要是粉体表面吸附的作用；然而当RH>70％以上时，PVP的水分吸附速率及吸附量显著增加，此范围内则为粉体表面吸附及整体吸附过程。通过对两个吸附阶段做切线，两条切线的交叉点则为玻璃化转变发生点。此时所对应的相对湿度为RH_g，所对应的水分含量为MC_g(玻璃化转变发生的水分含量)。

相类似的，通过改变不同的相对湿度升高速率(RR)，可以获得对应的RH_g及MC_g。通过建立RR与RH_g及MC_g的相关关系，即可得到粉体玻璃化转变发生的临界水分湿度(RH_g,c)和临界水分含量值(MC_g,c)。

(二)粉体颗粒床硬度计算方法：

图2为球压痕法测定过程中压力加载及卸载曲线。颗粒床表面吸湿结块程度采用表面硬度(H)进行表征。其中，硬度计算公式如下，

H＝F_max/π(D_b×h_c,max-h²_c,max)

其中，F_max为使用的最大压力，D_b为所用球的直径，h_c,max为压力卸载曲线初始阶段的斜率下对应的压缩深度。

实验结果：

(一)临界相对湿度及水分含量

由图3可知，在25℃下，PVP发生玻璃化转变的临界相对湿度及临界水分含量分别为62.85％RH和22.86％(干基)。当PVP颗粒床内部的相对湿度低于62.85％或者其水分含量低于22.86％时，PVP具有良好的贮藏稳定性。

(二)验证实验

由图4可知，PVP颗粒床在75％RH下放置7d后，其水分吸附量达到22.89％，且硬度达到最大值。此时，颗粒床的颜色由浅黄色变为黄色，颗粒床由粉体状态转变为固体。之后随着水分含量的进一步吸附，其表面硬度降低(表面液化作用)。结合实验现象及实验结果表明PVP在75％RH放置7d时，其开始发生玻璃化转变。此时的水分吸附量(22.89％)与DVS预测的临界水分含量值(22.86％)非常接近，同时也证明该技术发明所提供的评价含无定形组分产品的贮藏稳定性方法是非常可靠的。

实施例2聚乙烯比咯烷酮45℃下贮藏稳定性评价方法

实验方法包括如下步骤：

称取10-15mg聚乙烯比咯烷酮(PVP)粉体置于DVS中，设置相对湿度(RH)为0％，直至粉体质量变化(dm/dt)<0.002％/min；所用载气为氮气，其流速为200ml/min.

对于步骤1)的样品进行45℃下水分吸附实验，RH范围为0-90％；RH升高速率为10％RH/hour。确定此速率下此温度下的RH_{g，10％RH/hour}。

对于步骤1)的样品进行45℃下水分吸附实验，RH范围为0-90％；RH升高速率为6％RH/hour。确定此速率下此温度下的RH_{g，6％RH/hour}。

对于步骤1)的样品进行45℃下水分吸附实验，RH范围为0-90％；RH升高速率为2％RH/hour。确定此速率下此温度下的RH_{g，2％RH/hour}。

对于步骤2)～4)所得不同速率下的RH_g，建立相对湿度的升高速率(RR)与RH_g的相关关系；

对于步骤5)所得的RH_g与RR之间的线性拟合曲线，确定0％RH/h时45℃下发生玻璃化转变时的临界相对湿度值(RH_g,c)；

对于步骤6)所得数据进行PVP在45℃及75％RH下的吸湿验证实验(球压痕法)。具体可为：

称取10g PVP粉体于不锈钢容器(直径4cm)中，然后放置在盛有硅胶的干燥器中，放置4d，粉体床质量不再发生变化；

采用7.5kPa的压力对步骤a)中PVP粉体床进行压缩，所用活塞直径为4cm，活塞加载速度为1mm/min；

采用球形压头进行压痕实验，所用球为玻璃球，所用玻璃球直径为4mm；将PVP颗粒床放置45℃，75％相对湿度下0-8d，采用球压痕法对颗粒床的硬度值进行动态测定。球形压头的加载速度为1mm/min，所用压力可为7mN-5N；同时记录颗粒床的质量动态变化；

建立颗粒床硬度与湿度及时间的相关关系，并根据颗粒床的水分吸附现象及硬度变化判断玻璃化转变发生的水分含量，与DVS分析的数据进行验证对比分析。

测试方法同上。

实验结果：

临界相对湿度及水分含量

由图5可知，在45℃下，PVP发生玻璃化转变的临界相对湿度及临界水分含量分别为52.74％RH和14.13％(干基)。当PVP颗粒床内部的相对湿度低于52.74％或者其水分含量低于14.13％时，PVP在45℃下具有良好的贮藏稳定性。

(二)验证实验

由图6可知，高温可以显著加速粉体结块速度。PVP颗粒床在75％RH下放置2d后，其水分吸附量达到14.51％，且硬度达到最大值(约13MPa)。此时，颗粒床的颜色由浅黄色变为黄色，颗粒床由粉体状态转变为固体。之后随着水分含量的进一步吸附，其表面硬度降低(表面液化作用)。结合实验现象及实验结果表明PVP在45℃，75％RH放置2d时，其开始发生玻璃化转变。此时的水分吸附量(14.51％)与DVS预测的临界水分含量值(14.13％)非常接近。结果表明该技术发明所提供的评价含无定形组分产品的贮藏稳定性方法是非常可靠的。

实施例3羟丙基纤维素25℃下贮藏稳定性评价方法

实验方法包括如下步骤：

称取10-15mg羟丙基纤维素(HPC)粉体置于DVS中，设置相对湿度(RH)为0％，直至粉体质量变化(dm/dt)<0.002％/min；所用载气为氮气，其流速为200ml/min.

对于步骤1)的样品进行25℃下水分吸附实验，RH范围为0-90％；RH升高速率为10％RH/hour。确定此速率下此温度下的RH_{g，10％RH/hour}。

对于步骤1)的样品进行25℃下水分吸附实验，RH范围为0-90％；RH升高速率为6％RH/hour。确定此速率下此温度下的RH_{g，6％RH/hour}。

对于步骤1)的样品进行25℃下水分吸附实验，RH范围为0-90％；RH升高速率为2％RH/hour。确定此速率下此温度下的RH_{g，2％RH/hour}。

对于步骤2)～4)所得不同速率下的RH_g，建立相对湿度的升高速率(RR)与RH_g的相关关系；

对于步骤5)所得的RH_g与RR之间的线性拟合曲线，确定0％RH/h时25℃下发生玻璃化转变时的临界相对湿度值(RH_g,c)；

对于步骤6)所得数据进行HPC在25℃及75％RH下的吸湿验证实验(球压痕法)。具体可为：

称取15g HPC粉体于不锈钢容器(直径4cm)中，然后放置在盛有硅胶的干燥器中，放置4d，粉体床质量不再发生变化；

采用7.5kPa的压力对步骤a)中HPC粉体床进行压缩，所用活塞直径为4cm，活塞加载速度为1mm/min；

采用球形压头进行压痕实验，所用球为玻璃球，所用玻璃球直径为4mm；将PVP颗粒床放置25℃，75％相对湿度下0-8d，采用球压痕法对颗粒床的硬度值进行动态测定。球形压头的加载速度为1mm/min，所用压力为150mN；同时记录颗粒床的质量动态变化；

建立颗粒床硬度与湿度及时间的相关关系，并根据颗粒床的水分吸附现象及硬度变化判断玻璃化转变发生的水分含量，与DVS分析的数据进行验证对比分析。

测试方法同上。

实验结果：

(一)临界相对湿度及水分含量

由图7可知，在25℃下，HPC发生玻璃化转变的临界相对湿度及临界水分含量分别为60.61％RH和6.05％(干基)。当HPC颗粒床内部的相对湿度低于60.61％或者其水分含量低于6.05％时，HPC在25℃下具有良好的贮藏稳定性。

验证实验

由图8可知，HPC颗粒床在75％RH下放置3d后，其水分吸附速度放缓，同时硬度增加速率变小。此时水分吸附量达到7.07％，硬度值在25KPa。此时，颗粒床开始出现与容器壁分离的现象。说明颗粒床内部单个颗粒之间开始结合在一起，使体积减小。同时说明单个颗粒之间的分子运动性增强，此时玻璃化转变已经发生。通过对比水分含量可知，此时的水分吸附量7.07％略高于DVS所预测的临界水分含量6.05％。实验结果表明该技术发明所提供的评价含无定形组分产品的贮藏稳定性方法是非常可靠的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。