Karl Fischer vs. Wasseraktivität

Seit langem weiß man um die Wichtigkeit von Wasser für die Produktsicherheit und Stabilität. Das Karl-Fischer-Verfahren ist eine weit verbreitete analytische Methode zur Quantifizierung des Wassergehalts in einer Vielzahl von pharmazeutischen Produkten. Heute wissen wir, dass die Bestimmung der Gesamtmenge an Wasser mit dem Karl-Fischer-Verfahren nicht die effektivste Methode ist, um die Auswirkungen von Wasser auf Sicherheit und Stabilität zu verstehen. Wasseraktivität (aw) ist eine alternative Wassermessung, die wesentliche Informationen über die Energie oder die Verfügbarkeit von Wasser in einem Produkt liefert. Zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass die Wasseraktivität ein weitaus besserer Prädiktor für die Produktsicherheit und -stabilität ist als die Gesamtmenge an Wasser. Die Wasseraktivität wird seit Jahrzehnten als wirksames Instrument in der Lebensmittelindustrie eingesetzt und spätestens seit der durch die US-Behörden veröffentlichten USP-Methode <1112> gilt dies auch in der pharmazeutischen Industrie als Standard.

Wasser ist nicht gleich Wasser.

Wasser in einem System gibt es in drei Zuständen: frei, absorbiert und gebunden bzw. als Monolayer-Wasser. Freies Wasser hat die gleiche Energie und Eigenschaften wie reines Wasser. Absorbiertes Wasser wird zwar weniger fest gebunden, hat aber eine reduzierte Energie und unterschiedliche Eigenschaften als freies bzw. reines Wasser. Gebundenes Wasser hat eine geringere Energie. In Wirklichkeit bewegen sich Wassermoleküle leicht zwischen diesen Zuständen, und es ist unmöglich, die Menge an Wasser irgendeines einzelnen Zustandes exakt zu quantifizieren. Vielmehr wird der Gesamtenergiezustand des Wassers durch die relativen Wirkungen dieser Zustände bestimmt. Eine Verringerung der Energie des Wassers (d.h. eine geringere Wasseraktivität) führt zu weniger verfügbarem Wasser und beeinflusst damit biologische und chemische Reaktionen. Die Feuchtigkeitsgehaltsanalyse liefert die Gesamtmenge an Wasser, unterscheidet aber nicht den Zustand des Wassers.

Das Karl-Fischer-Verfahren ist wirksam bei der Quantifizierung von eng gebundenem Wasser, das oftmals ein besserer Wert für eine Feuchtigkeitsanalyse ist, als der reine Trockenverlust. In der Tat wird dieses zusätzliche Wasser, das mit dem Karl-Fischer-Verfahren gemessen wird, oft als das “gebundene” Wasser bezeichnet. Obwohl das Verfahren eine vollständigere Bestimmung des Gesamt-Wassergehalts bereitstellen kann, liefert sie nur die Menge an Wasser und nicht den Energiestatus des Wassers. Die Wasseraktivitätsbestimmung dagegen, liefert die Energie und damit die “Verfügbarkeit” von Wasser. Sie ist nicht abhängig von der Menge an Wasser, sondern den jeweiligen Zuständen des Wassers. Infolgedessen liefert die Wasseraktivität bessere Korrelationen zu biologischen und chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten als die Karl-Fischer-Analyse.

Was ist Wasseraktivität?

Die Wasseraktivität beschreibt den thermodynamischen Energiestatus des Wassers in einem System. Obwohl nicht ganz wissenschaftlich korrekt, kann es helfen, die Wasseraktivität als die Menge des “verfügbaren” Wassers in einem System zu bezeichnen. Die Wasseraktivität beschreibt nicht, wie viel Wasser in dem System vorhanden ist, zeigt aber auf, wie viel Wasser im System reinem Wasser ähnelt und sich wie reines Wasser verhält. Die Wasseraktivitätswerte reichen von 0 (knochentrocken) bis 1,0 (reines Wasser). Wenn die Wasseraktivität abnimmt, nimmt auch die Energie des Wassers in einem Arzneimittel ab und ist weniger “verfügbar” für das mikrobielle Wachstum, die chemische Reaktivität oder für die Feuchtigkeitsmigration. Zum Beispiel hat Wasser in einem Produkt, das eine Wasseraktivität von 0,80 hat, genug Energie, um das Schimmelwachstum zu unterstützen, während das Wasser in einem Produkt mit einer Wasseraktivität von weniger als 0,60 das Wachstum eines jeden Mikroorganismus’ verhindert. Wasser wird beweglicher, wenn die Wasseraktivität zunimmt – auch das fördert die chemischen und enzymatischen Reaktionsgeschwindigkeiten. 

Wissenschaftlich ist die Wasseraktivität definiert als Dampfdruck von Wasser (p) über einer Probe, dividiert durch den Dampfdruck von reinem Wasser (po) bei einer gegebenen Temperatur. Durch Messung dieses relativen Dampfdrucks zum Dampfdruck von reinem Wasser bei gleicher Temperatur ist es möglich, die Energie des Wassers in der Probe zu bestimmen. Dies ist macht Sinn, da Wasser, das chemisch oder physikalisch in einer Probe assoziiert ist, eine geringere Energie aufweist und sich nicht so leicht in die Dampfphase bewegt, wodurch der Dampfdruck über der Probe verringert wird.

Warum Wasseraktivität messen?

Die Wasseraktivität ist beste Kenngröße für das mikrobielle Wachstum. Ein Produkt kann einen relativ großen Prozentsatz an Feuchtigkeit enthalten, ist das Wasser jedoch chemisch an Feuchthaltemittel oder gelöste Stoffe, wie Salze, Zucker oder Polyole, gebunden, ist es für das mikrobielle Wachstum nicht verfügbar. Das Wasseraktivitätskonzept hilft seit Jahrzehnten Mikrobiologen und Arznei- und Lebensmittelherstellern bei der Qualitätssicherung und ist das am häufigsten verwendete Kriterium für Lebensmittelsicherheit. Mikroorganismen haben eine begrenzende Wasseraktivität unterhalb derer sie nicht wachsen können. Die Wasseraktivität, nicht der Wassergehalt, bestimmt also die untere Grenze des “verfügbaren” Wassers für mikrobielles Wachstum.

Die Wasseraktivität lässt eindeutige Rückschlüsse zur physischen Stabilität von Lebens- und Arzneimittel zu. Unterschiede in den Wasseraktivitätsniveaus zwischen den Komponenten oder einer Komponente und der Umgebungsfeuchtigkeit sind eine treibende Kraft für die Feuchtigkeitsmigration. Die Kenntnis davon, ob Wasser von einer bestimmten Komponente absorbiert oder desorbiert wird, ist wichtig, um mikrobiologisches Wachstum zu verhindern, insbesondre, wenn eine der Substanzen feuchtigkeitsempfindlich ist. Wenn zum Beispiel gleiche Mengen an Komponente 1 bei 2% Feuchtigkeit und Komponente 2 bei 10% Feuchtigkeit miteinander vermischt werden sollen, wird es einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen den Komponenten geben? Der endgültige Feuchtigkeitsgehalt des gemischten Materials wäre 6%. Aber findet jede Feuchtigkeitsbewegung nur zwischen Komponente 1 und 2 statt? Die Antwort hängt von der Wasseraktivität der beiden Komponenten ab. Ist sie bei beiden Komponenten gleich, wird keine Feuchtigkeit ausgetauscht

Ebenso können zwei Zutaten bei gleichem Feuchtigkeitsgehalt möglicherweise nicht kompatibel sein, wenn sie zusammengemischt werden. Werden zwei Komponenten mit unterschiedlicher Wasseraktivität, aber gleichem Wassergehalt miteinander vermischt, wird sich das Wasser zwischen den Materialien bewegen, bis sich ein Gleichgewicht bei der Wasseraktivität einstellt. Für ein Mehrkomponentenprodukt sollte also die Wasseraktivität zweier Komponenten übereinstimmen, um eine Feuchtigkeitsmigration zu verhindern. Wenn eine Komponente eine höhere Wasseraktivität aufweist als die andere, wird Wasser von hoher Wasseraktivität zu geringer Wasseraktivität wandern. Diese Migration könnte zu unerwünschten Änderungen der Qualität beider Komponenten führen. Daher bietet die Wasseraktivität nützliche Informationen zu Struktur, Textur, Herstellungsverfahren, Lagerbedingungen und Verpackungsanforderungen.

Karl-Fischer-Verfahren durch Wasseraktivitätsmessung ersetzen.

Die Karl-Fischer-Analyse kann unter kontrollierten Bedingungen zuverlässige Ergebnisse liefern, unterliegt jedoch vielen Variationsquellen. Dafür werden auch einige weniger wünschenswerte Chemikalien eingesetzt und eine Schulung ist nötig, um das Verfahren korrekt durchführen zu können. Eine alternative Methode liegt daher nahe. Die Messung der Wasseraktivität ersetzt das Karl-Fischer-Verfahren und liefert dieselben Informationen und noch viel mehr. Die Ergebnisse einer Wasseraktivitätsanalyse ähneln nicht dem Feuchtigkeitsgehalt von Karl Fischer, sondern bieten viel bessere Informationen zur mikrobiellen Sicherheit, chemischen Stabilität und zu den physikalischen Eigenschaften. Dies gilt insbesondere für Produkte, die bereits bei kleinen, schwer zu messende Änderungen des Feuchtigkeitsgehalts große Stabilitätsänderungen erfahren.

Wie stehen Karl-Fischer-Verfahren und Wasseraktivität in Beziehung?

Es gibt eine Beziehung zwischen dem Wassergehalt von Karl Fischer und der Wasseraktivität. Dies ist aber komplex und bei jedem Produkt anders. Eine Erhöhung der Wasseraktivität wird in der Regel von einer Erhöhung des Wassergehalts begleitet, diese Beziehung ist aber nicht linear. Diese Beziehung zwischen Wasseraktivität und Feuchtigkeitsgehalt bei einer gegebenen Temperatur wird als Feuchtigkeitssorptionsisotherme bezeichnet. Für die meisten Produkte ist die Isotherme sigmoidal. Materialien, die große Mengen an kristallinen Molekülen enthalten, haben eine J-Typ-Isothermen-Kurvenform. Viele komplizierte Gleichungen werden verwendet, um die isotherme Beziehung eines Produkts zu charakterisieren. Für kleine Wasseraktivitätsbereiche kann die lineare Regression eine isotherme Beziehung darstellen, gilt aber selten für den gesamten Wasseraktivitätsbereich. Komplexere Gleichungen werden verwendet, um die Isotherme für den gesamten Wasseraktivitätsbereich zu charakterisieren. Die häufigsten Gleichungen sind die Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) und Brunauer-Emmett-Teller (BET) Gleichungen. Wie die lineare Regression, werden diese Gleichungen angepasst, um Koeffizienten zu finden, die die Isothermenbeziehung am besten erklären. Datenanalyse-Softwareprogramme bestimmen diese Koeffizienten, die wiederum verwendet werden können, um den Feuchtigkeitsgehalt auf jedem Wasserlevel vorherzusagen.

Die komplette Feuchtigkeitsanalyse mit einem Instrument.

Während die Wasseraktivität eine echte Alternative zum Karl-Fischer-Feuchtigkeitsgehalt ist, kann es dennoch notwendig sein, den Feuchtigkeitsgehalt zur Bestimmung der Reinheit eines Produktes zu kennen. Die Wasseraktivitätsmessung ersetzt auch hierfür die Karl-Fischer-Analyse, weil der Feuchtigkeitsgehalt auf der Grundlage der Wasseraktivität über die Feuchtigkeitssorptions-Isotherme bestimmt werden kann. Der AQUALAB 4TE der METER Group liefert Arzneimittelherstellern sowohl Feuchtigkeitsgehalt als auch Wasseraktivität.