Dried Puerto Rican sweet potato (i>Ipomoea batatas</i>) and breadfruit (<i>Artocarpus altilis</i>) particles for tablet compaction

Abstract

The manufacturing sector in Puerto Rico has been severely affected every time an atmospheric event or problems at the marine docks occur. This is because their raw material mostly comes from foreign industries. An alternative is to encourage self-sustaining strategies to produce these ingredients using local resources. Developing novel ingredients from local crops can be an alternative for industries such as the pharmaceutical sector since there is vast experience of these products in food sector industries, provides nutritional benefit to the patient, and promotes the creation of new drugs. Within the pharmaceutical industry, these foods are used for their extraction and use of starch in current formulations. However, there is a lack of information on implementing all the food components for creating a tablet.

This thesis is focused on using all the compounds of local sweet potato and breadfruit in the preparation of particles and tablets. This is to evaluate the feasibility of compacting these particles and can meet the criteria of an acceptable tablet imposed by the United States Pharmacopeia. For this, the effect of varying the type of raw material (sweet potato and breadfruit), the method of cutting the raw material (cubes and slices), the addition of a binder to the formulation (0% and 2% PVP), and different compression forces (4, 6, and 8 MT) were studied to understand their effect on the tablet thickness and weight variation, friability, hardness, disintegration time, and dissolution profile. To understand the correlation between the variables, analysis between results was done using the Fisher LSD Method test with a 95% confidence. Among the studies carried out on the formulations, it was observed that the particle size distribution of both formulations was more dispersed to smaller particle sizes (sweet potato D50 ≈ 420 µm and breadfruit D50≈120-200 µm), which limited their flow behavior. The studies included the material particle size distribution, density, morphology, moisture content, powder rheological analysis, water activity, porosity, pH, colorimetry, and functional properties.

Sweet potato tablets with 2% of PVP agglomerate met the acceptance value for the friability test, while the rest of the formulations had values of weight loss values less than 2%. All tablets had a hardness above the minimum acceptance target. The disintegration times of the sweet potato and breadfruit tablets were less than 20 and 6 minutes, respectively. The behavior of the dissolution profiles was as expected and the equilibrium time for the sweet potato and breadfruit tablets was from 14 to 28 minutes and 9 to 14 minutes, respectively. General results showed that the compression force and agglomerate percentage had a significant effect on the tablet performance while the cutting of the raw material only presented changes in the disintegration time and dissolution profile.

The results obtained by the tablet characterizations show that sweet potato and breadfruit particles are good candidates for novel excipients for immediate-release tablets. The next steps include the evaluation of the chemical composition of the final material, evaluating a particle size increase method to the process, and study variations to the formulation (e.g. Mixtures between food or addition of API). Knowledge from particle behavior can be used to implement these particles into automatic compression process and for continuous manufacturing lines. The findings of this research are the foundations for evaluating these products for tablet novel excipients and can help reduce import and transportation costs, minimize storage dependency, and even be evaluated as an emergency food source.

El sector de manufactura en Puerto Rico se ha visto severamente afectado cada vez que un evento atmosférico o problemas en los muelles marítimos ocurren. Esto ocurre debido a que la materia prima mayormente proviene de compañías extranjeras. Una alternativa es fomentar estrategias autosuficientes para producir estos materiales utilizando recursos locales. Desarrollar materiales novedosos de cultivos locales puede ser una alternativa para industrias como el sector farmacéutico ya que existe una gran experiencia de estos productos en industrias del sector alimentario, aportan beneficios nutricionales al paciente y promueven la creación de nuevos fármacos. Dentro de la industria farmacéutica, estos alimentos se utilizan para su extracción y uso de almidón en formulaciones actuales. No obstante, hay una falta de información sobre la implementación de todo el alimento para la creación de tabletas. Esta tesis se enfoca en usar todos los componentes de la batata y pana locales en la preparación de particulado y tabletas. Esto es con el propósito de evaluar la viabilidad de compactar estas partículas y puedan cumplir con los criterios de impuestos por la United States Pharmacopeia. Para esto, el efecto de la variación de tipo de materia prima (batata y pana), el método de corte de la materia prima (cubos y lascas), la adición de un aglomerante a la formulación (0% y 2% PVP) y diferentes fuerzas de compresión (4, 6 y 8 MT) fueron estudiadas para comprender su efecto en la variabilidad del espesor y peso de la tableta, la friabilidad, la dureza, el tiempo de desintegración y el perfil de disolución. Para comprender la correlación entre las variables, análisis entre los resultados fue realizado utilizando la prueba del Método Fisher LSD con un 95% de confianza. Entre los estudios realizados a las formulaciones, se observó que la distribución del tamaño de partículas de ambas formulaciones estuvo más dispersa a tamaños de partículas pequeños (batata D50 ≈ 420 µm y pana D50 ≈120-200 µm), lo que afectó el comportamiento del flujo del material. Los estudios de las características del particulado incluyeron la distribución del tamaño de las partículas del material, la densidad, la morfología, el contenido de humedad, el análisis reológico del polvo, la actividad del agua, la porosidad, el pH, la colorimetría y las propiedades funcionales. Las tabletas de batata con 2% de PVP cumplieron con el valor de aceptación para la prueba de friabilidad, mientras que el resto de las formulaciones tienen valores de pérdida de peso superiores al 2%. Todas las tabletas obtuvieron durezas por encima del valor mínimo aceptado. Los tiempos de desintegración de las tabletas de batata y pana fueron menores de 20 y 6 minutos respectivamente. El comportamiento de los perfiles de disolución fue el esperado y el tiempo de equilibrio para las tabletas de batata y pana fue de 14 a 28 minutos y de 9 a 14 minutos respectivamente. Los resultados generales mostraron que la fuerza de compresión y el porcentaje de aglomerado tuvo un efecto significativo en el desempeño de la tableta, mientras que el corte de la materia prima solo presentó cambios en el tiempo de desintegración y perfil de disolución. Resultados obtenidos por las caracterizaciones de tabletas muestran que las partículas de batata y pana resultaron buenas candidatas para la evaluación de nuevos excipientes para tabletas de liberación inmediata. Los próximos pasos incluyen evaluar la composición química del material, incluir el aumento de tamaño de partícula como un proceso adicional y analizar variaciones en la formulación (como mezclas entre alimentos o adición de API). Conocer el comportamiento de las partículas puede ser utilizado para implementar estas partículas en procesos de compresión automática y para las líneas de manufactura continua. Los hallazgos de esta investigación son los cimientos para evaluar la batata y la pana cosechada en Puerto Rico como nuevos excipientes para tabletas y como futuras alternativas para reducir los costos de importación y transporte, minimizar la dependencia del almacenamiento y su evaluación como fuente de alimentos en casos de emergencia.