Bestimmung der Wasseraktivität mit Nahinfrarotspektroskopie

Die Wasseraktivität ist ein entscheidendes Qualitätsmerkmal, das die chemische Stabilität, mikrobielle Sicherheit und Haltbarkeit von pharmazeutischen Produkten beeinflusst. Das Konzept der Wasseraktivität tauchte erstmals Ende der 1960er Jahre in der Lebensmittelindustrie auf und wurde seitdem umfassend untersucht. Die pharmazeutische Industrie hat es durch die Aufnahme in die Europäische Pharmakopöe (Ph. Eur.) und die United States Pharmacopeia (USP) in ihren Rechtsrahmen aufgenommen. Sie ist ein grundlegender Indikator für die Stabilität und Sicherheit eines Produkts. Daher schreiben sowohl USP <922> als auch Ph. Eur. 2.9.39 die Prüfung der Wasseraktivität von der frühen Formulierungs- und Verpackungsentwicklung bis hin zur Herstellung, Qualitätskontrolle und Langzeitstabilitätsprüfung vor. Die Überwachung der Wasseraktivität während der Entwicklung und Herstellung von Arzneimitteln ermöglicht eine risikobasierte Kontrolle der durch Feuchtigkeit verursachten Instabilität und des mikrobiellen Wachstums. Daher legen sowohl die USP als auch die Ph. Eur. großen Wert auf den Einsatz validierter Analysegeräte zur Bestimmung der Wasseraktivität in der modernen pharmazeutischen Herstellung.

Diese Studie präsentiert einen Vergleich zweier zerstörungsfreier Technologien, die in USP <922> als geeignete Methoden zur Bestimmung der Wasseraktivität anerkannt sind, nämlich die Nahinfrarotspektroskopie (NIR) und die Headspace-Analyse (HSA). Während die HSA die direkte Bestimmung der Wasseraktivität durch Messung des Wasserdampfdrucks ermöglicht, bietet die NIR eine schnelle, zerstörungsfreie und multiparametrische Alternative, mit der gleichzeitig die Wasseraktivität, der Feuchtigkeitsgehalt und die Materialzusammensetzung bewertet werden können. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Eignung der NIR-Spektroskopie als robuste und vorschriftskonforme Technologie für die 100-prozentige Inline-Überprüfung der Wasseraktivität in pharmazeutischen Produkten nachzuweisen. Dies wird erreicht, indem die von NIR vorhergesagten Wasseraktivitätswerte mit etablierten HSA-Referenzmessungen an denselben Proben verglichen werden.

Die Wasseraktivität (a_w) stellt das Verhältnis zwischen dem Dampfdruck von Wasser im Kopfraum eines Produkts (P) und dem Dampfdruck von reinem Wasser (P₀) bei gleicher Temperatur (T) dar [1]:

Wobei RH(%)_eq die relative Gleichgewichtsfeuchte im Kopfraum ist, ausgedrückt in Prozent über dem Produkt oder über reinem Wasser in einem verschlossenen Behälter. Da der Feuchtigkeitsgehalt einer verschlossenen Probe eng mit dem Wasserdampfdruck in ihrem Kopfraum und folglich mit der Wasseraktivität zusammenhängt, kann NIR die Wasseraktivität indirekt durch Messung des Feuchtigkeitsgehalts der Probe bestimmen. Diese Beziehung zwischen Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität wird durch die Sorptionsisotherme beschrieben (Abb. 1). Somit bildet die Sorptionsisotherme die Grundlage für die Verknüpfung von Informationen zum Feuchtigkeitsgehalt (gemessen z. B. durch NIR) mit Werten zur Wasseraktivität (gemessen z. B. durch HSA) [2].

Nahinfrarotspektroskopie (NIR)

Die NIR-Spektroskopie basiert auf molekularen Oberton- und Kombinationsschwingungen, vor allem von O–H-Bindungen, deren Absorptionsintensitäten mit dem Feuchtigkeitsgehalt der Probe korrelieren. Auf der Grundlage der NIR-Spektren werden PLS-Regressionsmodelle (Partial Least Squares) entwickelt, um den Feuchtigkeitsgehalt zu quantifizieren und daraus die Wasseraktivität zu bestimmen.

Absorptionsspektroskopie mit abstimmbarem Diodenlaser (Headspace Analyzer – HSA)

Die laserbasierte Headspace-Analyse (HSA) ist eine USP<922>-konforme Methode zur direkten Messung der Wasseraktivität im Headspace eines Produkts. Sie quantifiziert die Wasseraktivität, indem sie den Gleichgewichtsdampfdruck im Headspace des Produkts misst und mit dem von reinem Wasser bei derselben Temperatur vergleicht. Die Geräte werden gemäß den gesetzlichen Vorschriften mit gesättigten Salzlösungen kalibriert, um rückverfolgbare und genaue Messwerte zu gewährleisten.

In dieser Vergleichsstudie wurden Silikagel (SiO₂; Sigma-Aldrich, hochreine Qualität, 60 A, 35-60 Mesh) und ein lyophilisiertes pharmazeutisches Produkt verwendet, um die Genauigkeit von NIR für die Messung der Wasseraktivität zu bewerten. Die NIR-Spektren wurden mit einem Inline-NIR-Spektrometer, SPECTRA NIV; WILCO AG; Wohlen, in diffuser Reflexionsgeometrie aufgenommen. Abb. 2 zeigt die zweiten abgeleiteten NIR-Spektren für SiO₂ mit drei verschiedenen Feuchtigkeitsgehalten, wobei Schwankungen in der O-H-Bindungsbildung zu Intensitätsänderungen in bestimmten Spektralbändern führen. Diese Spektralmerkmale wurden durch ein PLS-Regressionsmodell erfasst, das mit der Karl-Fischer-Titrationsreferenzmethode kalibriert wurde. Diese PLS-Modelle wurden schließlich verwendet, um den Feuchtigkeitsgehalt neuer Proben, die zuvor noch nicht im Modell enthalten waren, nicht-invasiv vorherzusagen. Für dieselben SiO₂-Proben wurde die Wasseraktivität parallel mit dem HSA-Laborgerät NEO HSX (WILCO AG, Wohlen) gemessen. Die von HSA abgeleiteten Wasseraktivitätswerte werden mit den vom NIR-Spektrometer erhaltenen Feuchtigkeitsgehaltsdaten in Abb. 3 verglichen. Es ist zu beachten, dass das Ausmaß und die Art einer solchen Korrelation – linear oder nichtlinear – vom Produkt abhängen und anhand der Sorptionsisotherme dieser spezifischen Substanz umfassend interpretiert werden können.

Es wurde eine starke Korrelation zwischen der mit HSA ermittelten Wasseraktivität und den mit NIR ermittelten Feuchtigkeitswerten für SiO₂ (Abb. 3) und für das Lyophilisatprodukt (Daten nicht gezeigt) beobachtet. Diese Korrelation diente als Grundlage für die Entwicklung eines PLS-Regressionsmodells zur Vorhersage der Wasseraktivität aus NIR-Spektren.

Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die Vorhersageleistung des NIR-basierten PLS-Regressionsmodells für SiO₂ bzw. das Lyophilisatprodukt. Mit den PLS-Regressionsmodellen auf Basis der Inline-NIR-Spektren wurden hochpräzise Vorhersagen erzielt, wobei die Ungenauigkeit bei der Bestimmung der Wasseraktivität für SiO₂ unter 0,009 und für das lyophilisierte Produkt unter 0,01 lag. Aufbauend auf früheren Studien, die hauptsächlich unter Laborbedingungen durchgeführt wurden [4–7], belegen diese Ergebnisse die hohe Leistungsfähigkeit der NIR-Spektroskopie für die Inline-Bestimmung der Wasseraktivität.

Gemäß USP <922> und Ph. Eur. 2.9.39 ist die Wasseraktivität ein wesentlicher Parameter für die Gewährleistung der Stabilität und Qualität von pharmazeutischen Produkten. Gestützt auf die Literatur, USP <922> und die in dieser Arbeit vorgestellten experimentellen Belege können PLS-Regressionsmodelle auf Basis von NIR-Spektren die Wasseraktivitätswerte in pharmazeutischen und nicht-pharmazeutischen Produkten präzise vorhersagen. Diese Fähigkeit von NIR, neben dem Feuchtigkeitsgehalt und der chemischen Zusammensetzung auch die Wasseraktivität anhand einer einzigen nicht-invasiven Spektralmessung präzise zu bestimmen, zeigt sein starkes analytisches Potenzial. Sie unterstützt die Einführung von NIR als primäre, den Vorschriften entsprechende Analysetechnologie für das 100-prozentige Inline-Screening in pharmazeutischen Produktionsumgebungen.

Peyman Zirak, Inna Gerber, David Stäger - WILCO AG

[1] United States Pharmacopeia. USP <922> Water Activity. In United States Pharmacopeia and National Formulary (USP-NF); United States Pharmacopeia convention: Rockville, MD, 2020
[2] Iji, S. I., et al. (2025). Models for the Development of Sorption Isotherms: A Review. American Journal of Food Science and Technology, 13(2), 27–37.
[3] Labuza, T. P. et. al, (1970), Water content and stability of low moisture and intermediate moisture foods, Journal of food technology, 24, 543-550.
[4] Rongtong, B., et al. (2018). Determination of water activity, total soluble solids and moisture... Agriculture and Natural Resources, 52, 557–564.
[5] Christy, A. A. (2010). New insights into the surface functionalities and adsorption evolution of water molecules on silica gel surface. Vibrational Spectroscopy, 54, 42–49.
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[7] Achata, E., et al. (2015). Near Infrared Hyperspectral Imaging for Monitoring Moisture Content and Water Activity in Low Moisture Systems. Molecules, 20, 2611–2621.
[8] Anderson, R. B. (1946), Modification of the Brunner, Emmett and Teller equation, Journal of the American Chemical Society, (68), 686-691.

Bilder: WILCO AG