Original article

Understanding lactose behaviour during storage by monitoring surface energy change using inverse gas chromatography

反相气相色谱法检测乳糖贮藏期间表面能的变化及乳糖特性的研究

Compréhension du comportement du lactose au cours du stockage en suivant le changement d’énergie de surface par chromatographie gazeuse en phase inverse

¹ Drug Delivery, Disposition and Dynamics, Monash Institute of Pharmaceutical Sciences, Monash University (Parkville campus), 381 Royal Parade, Victoria 3052, Australia
² Advanced Drug Delivery Group, Faculty of Pharmacy, University of Sydney, NSW 2006, Australia

^* Corresponding author (通讯作者): Peter.Stewart@pharm.monash.edu.au

Received: 3 July 2009
Revised: 9 November 2009
Accepted: 10 November 2009

Abstract

The purposes of this research were to use inverse gas chromatography (IGC) to examine surface energy changes to coarse lactose (CL) and micronized lactose (ML) during storage at high humidity and to relate these changes to powder properties. Surface energies, work of cohesion and surface heterogeneity were determined by IGC. Surface morphology, particle size distributions and amorphous content were determined by scanning electron microscopy, laser diffraction and time-of-flight particle sizing and dynamic vapour sorption, respectively. Surface energies (dispersive, polar and total) were higher for ML than for CL. Surface heterogeneity profiles indicated a greater number of energy sites on ML. No detectable amorphous content was present in lactoses. After storage at 75% relative humidity, the particle size increased and the span of distribution decreased for ML, indicating the formation of small agglomerates. The ability of agglomerated ML to disperse decreased after storage, indicating the formation of strong agglomerates during storage. The dispersive surface energies of CL and ML significantly decreased after storage (P < 0.05), while the polar surface energies significantly increased (P < 0.05). The total surface energy and work of cohesion of ML increased. IGC was useful to distinguish between lactose powders; the total surface energy and work of cohesion of ML were higher than those of CL. While the increase in total surface energy and work of cohesion of ML after storage was in good agreement with the formation of stronger agglomerates, these changes may have been associated more with moisture adsorption than with inherent surface energy changes to lactose.

摘要

本文研究了在高湿环境下贮藏的粗糙和微细化乳糖表面能的变化，以及表面能变化对乳糖粉末特性的影响. 采用反相气相色谱法检测了表面能、内聚力和表面不均匀性; 通过扫描电镜、激光散射、粒子飞行时间和蒸汽吸附动力学方法研究了乳糖的表面形态、颗粒分布以及不定形结构的含量. 微细化乳糖的表面能（色散分量、极性分量和总表面能）高于粗糙乳糖. 表面多相性的研究结果显示了在微细化乳糖的表面有很多能量位点。在两种乳糖样品中没有检测到无定形态乳糖的存在。在 75% 的相对湿度下，微细化乳糖的粒度增加、粒度分布变窄，并形成了小的聚集物. 由于贮藏期间乳糖颗粒的聚集作用较强，使得聚集乳糖的分散能力下降. 贮藏后粗糙乳糖和微细化乳糖的色散分量显著地降低 (P < 0.05)，而极性分量则显著地增加 (P < 0.05)。微细化乳糖的总表面能和内聚力增加. 总之，由于贮藏过程中乳糖颗粒间较强的聚集作用使得微细化乳糖的表面能和内聚力增加，使得微细化乳糖的总表面能和内聚力高于粗糙乳糖。因此，水分吸收作用引起的变化高于乳糖固有表面能的变化。

Résumé

Le but de cette recherche était d’utiliser la chromatographie gazeuse en phase inverse (CGI) pour examiner les changements d’énergie de surface de lactose brut ou micronisé au cours du stockage à humidité élevée et de relier ces changements aux propriétés de la poudre. Les énergies de surface, l’aptitude à la cohésion et l’hétérogénéité de surface ont été déterminées par CGI. La morphologie de surface, les distributions de tailles de particules et la teneur en lactose amorphe ont été déterminées respectivement par microscopie électronique à balayage, diffraction laser et mesure des particules en temps de vol et sorption de vapeur en dynamique. Les énergies de surface (dispersive, polaire et totale) étaient plus élevées pour le lactose micronisé que pour le lactose brut. Les profils d’hétérogénéité de surface indiquaient un plus grand nombre de sites d’énergie sur le lactose micronisé. Aucun des lactoses ne présentait de teneur en lactose amorphe détectable. Après stockage à 75 % d’humidité relative, la taille des particules augmentait et l’étendue de distribution diminuait pour le lactose micronisé indiquant la formation de petits agglomérats. L’aptitude du lactose micronisé aggloméré à se disperser diminuait après stockage indiquant la formation d’agglomérats forts au cours du stockage. Les énergies de surface dispersives du lactose brut et du lactose micronisé diminuaient significativement après stockage (P < 0,05), tandis que les énergies de surface polaires augmentaient significativement (P < 0,05). L’énergie de surface totale et l’aptitude à la cohésion du lactose micronisé augmentaient. La CGI était utile pour différencier les poudres de lactose ; l’énergie de surface totale et l’aptitude à la cohésion du lactose micronisé étaient plus élevées que celles du lactose brut. L’augmentation de l’énergie de surface totale et l’aptitude à la cohésion du lactose micronisé après stockage étaient bien corrélées à la formation d’agglomérats plus forts, mais ces changements seraient plus à relier à l’adsorption d’humidité qu’aux changements d’énergie de surface inhérents au lactose.