Glycerol
Glycerol (C3H8O3, reg. č. CAS 56-81-5) je také známý jako 1,2,3-propanetriol (obr. 5.1B). Je to přírodní sloučenina, viskózní, sirupovitá, bezbarvá kapalina bez zápachu a sladké chuti. Chemicky se řadí mezi polyoly (polyhydrické alkoholy), a to díky přítomnosti tří hydroxylových skupin (OH). Je hygroskopický, a tedy zvlhčující (podobně jako propylenglykol). Je mísitelný s vodou a alkoholem a má bod varu 290 °C a bod tuhnutí 17 °C.86
Glycerol je nezbytný pro živé organismy. Tvoří páteř triglyceridů, esterů odvozených od glycerolu a tří mastných kyselin,87 které jsou přítomny u lidí, zvířat a rostlin. Je to nejstarší organická molekula izolovaná člověkem, která se získává zahříváním tuků za přítomnosti popela za vzniku mýdla již od roku 2800 př. n. l.88 Jako látku jej náhodně objevil v roce 1779 švédský chemik K. W. Scheele, když zahříval směs olivového oleje a oxidu olovnatého.89 Scheele později zjistil, že i jiné kovy a glyceridy vyvolávají stejnou chemickou reakci, při níž vzniká glycerol a mýdlo, a v roce 1783 zveřejnil popis své metody přípravy v transakcích Švédské královské akademie. Scheeleho metoda se několik let používala ke komerční výrobě glycerolu. Název byl odvozen z řeckého slova glykys, což znamená sladký, a v 19. století jej použil francouzský vědec M. E. Chevreul. V roce 1823 získal Chevreul první patent na nový způsob výroby mastných kyselin z tuků ošetřených zásadou, který zahrnoval zpětné získávání glycerolu uvolněného během procesu. Glycerol se stal sloučeninou strategické hodnoty, když byl použit při výrobě nitroglycerinu. V roce 1866 Alfred Nobel zjistil, že smícháním nitroglycerinu s křemičitou sedimentární horninou kieselguhr, což je forma oxidu křemičitého těžená v Německu, lze z kapaliny vytvořit tvárnou pastu známou jako dynamit, kterou lze hníst a tvarovat do tyčí k odstřelování hornin pomocí rozbušky aktivované silným nárazem. Glycerol se brzy stal strategickou vojenskou surovinou. Proto když poptávka po glycerolu v první světové válce převýšila dodávky z mýdlářského průmyslu, vedly důvody vojenské bezpečnosti ke vzniku prvních syntetických závodů na jeho výrobu v Evropě a ve Spojených státech, kde se glycerol pro zbrojení vyráběl mikrobiální fermentací cukru.90
Glycerol se vyrábí zmýdelněním (hydrolýzou) živočišných tuků a transesterifikací rostlinných tuků (obr. 5.3). Při obou procesech vzniká jako vedlejší produkt 10 % hmotnosti glycerolu. Lze jej také synteticky vyrábět z propylenu pomocí epichlorhydrinového procesu,91 který však není nákladově efektivní. V roce 2000 činila odhadovaná světová produkce glycerolu 500 000 tun. V roce 1999 bylo v Evropě dovezeno a/nebo vyrobeno 227 000 tun a ve Spojeném království přibližně 28 000 tun.92 Výroba ve Spojených státech se v letech 2000 až 2004 odhadovala na 350 000 tun ročně.93 Podle novějších údajů dosahuje celosvětová roční produkce 2 milionů tun, a to především v důsledku rozmachu výroby bionafty a oleochemikálií.94 V důsledku toho nabídka převyšuje poptávku.
Obrázek 5.3. Výroba glycerolu saponifikací a transesterifikací tuků.
Glycerol má mnoho využití. Je složkou mnoha výrobků a meziproduktem v průmyslových aplikacích pro výrobu např. mýdel a detergentů a esterů glycerolu. Nachází se ve spotřebním zboží, jako jsou léčiva, kosmetika, tabák, potraviny a nápoje, a v barvách, pryskyřicích a papíru. Nejčastěji se používá jako meziprodukt a monomer v pryskyřicích, polyolech a polyuretanech (20 %), v kosmetice (20 %), jako chemický meziprodukt při syntéze jiných chemických látek (15 %) a ve farmaceutických přípravcích, tabáku, průmyslových kapalinách, celulózových fóliích a potravinářských výrobcích (<po 10 %).92 FDA mu poprvé udělil status GRAS v roce 1959.89 V současné době je uveden jako víceúčelová látka GRAS pro potraviny (21CFR 182.1320) a jako látka migrující z výrobků z papíru a lepenky (21CFR 182.90) pro použití v některých obalových materiálech pro potraviny. Je to zvlhčovadlo, rozpouštědlo, sladidlo a konzervační látka. Další důležité, avšak nepřímé použití v potravinářství představují monoglyceridy, glycerolové estery mastných kyselin, které jsou emulgátory a stabilizátory mnoha výrobků.89 Existují specifické normy pro farmaceutickou jakost s malými rozdíly mezi definicemi ve Spojených státech a v Evropském lékopise. Měla by mít čistotu nejméně 98,0 % a obsahovat ≤5 ppm těžkých kovů, ≤10 ppm chloridů, ≤30-35 ppm halogenovaných sloučenin, ≤2,0-5,0 % vody a ≤10 ppm aldehydů.95
Údaje ze studií na lidech a zvířatech ukazují, že glycerol se rychle vstřebává ve střevě a žaludku, distribuuje se po extracelulárním prostoru a vylučuje se.96 Je fosforylován na alfa-glycerofosfát glycerolkinázou, převážně v játrech (80-90 %) a ledvinách (10-20 %), a začleněn do standardních metabolických drah za vzniku glukózy a glykogenu.96,97 Glycerolkináza se nachází také ve střevní sliznici, hnědé tukové tkáni, lymfatické tkáni, plicích a slinivce břišní. Glycerol se může také kombinovat s volnými mastnými kyselinami v játrech za vzniku triglyceridů (lipogeneze), které jsou distribuovány do tukových tkání. Rychlost obratu je přímo úměrná hladině glycerolu v plazmě.98
Glycerol se již více než 100 let bezpečně používá v mnoha průmyslových a farmaceutických aplikacích a je obecně uznáván pro své nízké zdravotní riziko. K profesionální expozici může dojít při výrobě, zpracování nebo používání výrobků, které jej obsahují. Za nejvýznamnější pro expozici se považuje dermální cesta, ačkoli může dojít i k inhalaci aerosolů uvolňovaných při aplikaci pryskyřic nebo nátěrů postřikem.92 Přípustný expoziční limit (PEL) pro inhalaci glycerolové mlhy podle OSHA činí 15 mg/m3 jako celkový prach a 5 mg/m3 pro respirabilní frakci (<10 μm velikosti částic).99 ACGIH stanovila TLV 10 mg/m3. K expozici spotřebitelů glycerolu dochází především jeho používáním v potravinách, kosmetice, toaletních potřebách a léčivých přípravcích, a to hlavně dermálně, ale také orálně jako přímé potravinářské přísady, nepřímo z celulózových fólií používaných pro potravinářské aplikace a prostřednictvím orálně podávaných léčiv a výrobků ústní hygieny. Kromě toho dochází k omezené dermální expozici spotřebitelů prostřednictvím kontaktu s barvami, tiskařskými barvami, pryskyřicemi a matricemi obsahujícími glycerol.92 Zdraví jedinci mohou snadno tolerovat perorální dávky do 1,5 g/kg nebo nižší, přičemž dochází pouze k mírné diuréze. Studie na zvířatech uvádějí hodnoty orální LD50 >24 g/kg u potkanů.100,101 U myší a morčat byly hodnoty orální LD50 23, resp. 10 g/kg.100 Studie opakovaného orálního podávání u potkanů po dobu 2 let stanovila úroveň NOAEL 10 g/kg denně.100 Pro akutní dermální toxicitu byla stanovena jednorázová LD50 >18 g/kg pro králíky.100 Glycerol není považován za látku dráždící kůži nebo oči.92 Studie intravenózního podávání u lidí (za účelem kontroly edému mozku) nezjistila žádné toxické účinky,102 zatímco studie chronického požití zjistila zvýšenou hladinu triglyceridů v plazmě.103
V elektronických cigaretách se glycerol používá hlavně pro své rozpouštěcí vlastnosti a proto, že vytváří hustý, dobře viditelný aerosol. Neoficiální důkazy ukazují, že způsobuje mírnější zásah do hrdla než propylenglykol. Z tohoto důvodu se častěji používá v tekutinách s nízkým obsahem nikotinu nebo bez něj a usnadňuje model přímé inhalace do plic (kdy uživatel vdechuje aerosol přímo do plic, místo aby jej při potahování a následném vdechování udržoval v ústní dutině).
Stejně jako u propylenglykolu dochází k expozici glycerolu při používání e-cigaret vdechováním aerosolu vznikajícího při zahřívání. Pro tento způsob expozice existují omezené důkazy. Studie na potkanech Sprague-Dawley hodnotila inhalaci aerosolu glycerolu pouze nosem po dobu 2 a 13 týdnů (5 dní v týdnu, 6 hodin denně).104 Průměrné expoziční koncentrace aerosolu byly 0, 7,00±0,08, 1,93±0,123 a 3,91±0,458 mg glycerolu/l filtrovaného vzduchu v místnosti. Hmotnostní medián aerodynamického průměru (MMAD) byl uváděn <1,5 μm. Všichni potkani podstoupili kompletní nekropsii a určené tkáně byly zváženy a histopatologicky vyšetřeny, zatímco krev byla odebrána a analyzována na specifické hematologické parametry a parametry klinické chemie. Jediným významnějším nálezem byla minimální až mírná dlaždicová metaplazie epitelové výstelky na bázi epiglottis. Nebyl zjištěn žádný vliv na hmotnost plic, jater, ledvin, mozku a srdce.
Současné důkazy jsou omezené, ale nevyvolávají obavy ze závažných nežádoucích účinků používání glycerolu v e-cigaretách. Systematické vstřebávání glycerolu se zdá být přiměřeně bezpečné. Regulační aspekty jsou podobné jako v případě propylenglykolu. Je důležité zavést používání glycerolu farmaceutické kvality v tekutinách pro e-cigarety. Výzkum jeho bezpečnosti při dlouhodobé inhalaci by se měl rozšířit, zatímco dlouhodobé epidemiologické studie na uživatelích e-cigaret nakonec vyhodnotí jeho bezpečnostní profil. V neposlední řadě by mělo být vyhodnoceno použití alternativních sloučenin s podobnými vlastnostmi (působí jako rozpouštědlo a vytvářejí viditelný aerosol).