Glyseroli
Glyseroli (C3H8O3, CAS Reg. No. 56-81-5) tunnetaan myös nimellä 1,2,3-propaanitrioli (kuva 5.1B). Se on luonnollinen yhdiste, viskoosi, siirappimainen, väritön ja hajuton neste, jolla on makea maku. Kemiallisesti se luokitellaan polyoliksi (polyhydriseksi alkoholiksi), koska siinä on kolme hydroksyyliryhmää (OH). Se on hygroskooppinen ja siten kosteuttava aine (samoin kuin propyleeniglykoli). Se sekoittuu veden ja alkoholin kanssa, ja sen kiehumispiste on 290 °C ja jäätymispiste 17 °C.86
Glyseroli on eläville organismeille välttämätön. Se muodostaa ihmisissä, eläimissä ja kasveissa esiintyvien triglyseridien, glyserolista ja kolmesta rasvahaposta johdettujen estereiden87 , selkärangan. Se on vanhin ihmisen eristämä orgaaninen molekyyli, sillä sitä on saatu kuumentamalla rasvoja tuhkan läsnä ollessa saippuan valmistamiseksi jo vuodesta 2800 eaa.88 Aineena sen löysi sattumalta vuonna 1779 ruotsalainen kemisti K.W. Scheele kuumentaessaan oliiviöljyn ja lyijymonoksidin seosta.89 Myöhemmin Scheele totesi, että muut metallit ja glyseridit saavat aikaan saman kemiallisen reaktion, jonka tuloksena syntyy glyserolia ja saippuaa, ja vuonna 1783 hän julkaisi kuvauksen valmistustapaansa Ruotsin kuninkaallisen akatemian transaktioissa. Scheelen menetelmää käytettiin glyserolin kaupalliseen valmistukseen muutaman vuoden ajan. Nimi on peräisin kreikan kielen sanasta glykys, joka tarkoittaa makeaa, ja sen antoi ranskalainen tiedemies M.E. Chevreul 1800-luvulla. Chevreul sai vuonna 1823 ensimmäisen patentin uudesta tavasta tuottaa rasvahappoja emäksellä käsitellyistä rasvoista, johon sisältyi myös prosessin aikana vapautuvan glyserolin talteenotto. Glyserolista tuli strategisesti arvokas yhdiste, kun sitä käytettiin nitroglyseriinin valmistuksessa. Vuonna 1866 Alfred Nobel havaitsi, että sekoittamalla nitroglyseriiniä piipitoiseen sedimenttikiveen kieselguhriin, joka on Saksassa louhittu piidioksidi, nesteestä saatiin muokattava tahna, joka tunnetaan nimellä dynamiitti ja jota voitiin vaivata ja muotoilla sauvoiksi, joiden avulla voitiin räjäyttää kiveä voimakkaan iskun avulla aktivoidun sytyttimen avulla. Glyserolista tuli pian strateginen sotilasresurssi. Niinpä kun glyserolin kysyntä ensimmäisessä maailmansodassa ylitti saippuateollisuuden tarjonnan, sotilaalliseen turvallisuuteen liittyvät syyt johtivat ensimmäisten glyserolia valmistavien synteettisten tehtaiden perustamiseen Eurooppaan ja Yhdysvaltoihin, joissa aseisiin tarkoitettua glyserolia tuotettiin mikrobiperäisellä sokerifermentaatiolla.90
Glyserolia valmistetaan eläimistä saatavien rasvojen saippuoinnilla (hydrolyysillä) ja kasviperäisten rasvojen transesteröinnillä (kuva 5.3). Molemmissa prosesseissa sivutuotteena saadaan 10 painoprosenttia glyserolia. Glyserolia voidaan valmistaa myös synteettisesti propyleenistä epikloorihydriinimenetelmällä91 , mutta tämä ei ole kustannustehokasta. Vuonna 2000 glyserolin arvioitu maailmanlaajuinen tuotanto oli 500 000 tonnia. Vuonna 1999 Euroopassa tuotiin ja/tai tuotettiin 227 000 tonnia ja Yhdistyneessä kuningaskunnassa noin 28 000 tonnia.92 Yhdysvalloissa tuotannon arvioitiin olevan 350 000 tonnia vuodessa vuosina 2000-2004.93 Tuoreempien tietojen mukaan maailmanlaajuinen vuosituotanto on 2 miljoonaa tonnia, mikä johtuu pääasiassa biodieselin ja öljykemikaalien valmistuksen vilkkaasta kasvusta.94 Tämän seurauksena tarjonta on ylittänyt kysynnän.
Kuvio 5.3. Tuotannon määrä maailmassa. Glyserolin valmistus rasvojen saippuoinnilla ja transesteröinnillä.
Glyserolilla on monia käyttökohteita. Se on ainesosa lukuisissa tuotteissa ja välituotteena teollisissa sovelluksissa esimerkiksi saippuoiden ja pesuaineiden sekä glyseroliesterien valmistuksessa. Sitä on kulutustavaroissa, kuten lääkkeissä, kosmetiikassa, tupakassa, elintarvikkeissa ja juomissa sekä maaleissa, hartseissa ja paperissa. Yleisimmät käyttökohteet ovat välituotteina ja monomeereinä hartseissa, polyoleissa ja polyuretaaneissa (20 %), kosmetiikassa (20 %), kemiallisten välituotteiden välituotteena muiden kemikaalien synteesissä (15 %) sekä lääkkeissä, tupakassa, teollisuusnesteissä, selluloosakalvoissa ja elintarvikkeissa (<10 % kussakin).FDA myönsi sille ensimmäisen kerran GRAS-statuksen vuonna 1959.89 Se on tällä hetkellä lueteltu monikäyttöisenä GRAS-elintarvikeaineena (21CFR 182.1320) ja paperi- ja kartonkituotteista siirtyvänä aineena (21CFR 182.90) käytettäväksi tietyissä elintarvikepakkausmateriaaleissa. Se on kosteuttaja, liuotin, makeutusaine ja säilöntäaine. Toinen tärkeä mutta epäsuora käyttömuoto elintarvikkeiden jalostuksessa ovat monoglyseridit eli rasvahappojen glyseroliesterit, jotka ovat monien tuotteiden emulgointiaineita ja stabilointiaineita.89 Lääkelaadulle on olemassa erityiset standardit, ja Yhdysvaltojen ja Euroopan farmakopean määritelmissä on pieniä eroja. Sen puhtausasteen on oltava vähintään 98,0 %, ja sen on sisällettävä ≤5 ppm raskasmetalleja, ≤10 ppm klorideja, ≤30-35 ppm halogenoituja yhdisteitä, ≤2,0-5,0 % vettä ja ≤10 ppm aldehydejä.95
Ihmisillä ja eläimillä tehdyistä tutkimuksista saadut tiedot viittaavat siihen, että glyseroli imeytyy nopeasti suolistossa ja mahalaukussa, jakaantuu solunulkoiseen tilaan ja erittyy.96 Glyserolikinaasi fosforyloi sen alfa-glyserofosfaatiksi pääasiassa maksassa (80-90 %) ja munuaisissa (10-20 %), ja se liitetään tavanomaisiin aineenvaihduntareitteihin muodostaen glukoosia ja glykogeeniä.96,97 Glyserolikinaasia esiintyy myös suolen limakalvolla, ruskeassa rasvakudoksessa, imukudoksessa, keuhkoissa ja haimassa. Glyseroli voi myös yhdistyä vapaiden rasvahappojen kanssa maksassa triglyserideiksi (lipogeneesi), jotka jakautuvat rasvakudoksiin. Liikevaihtonopeus on suoraan verrannollinen plasman glyserolipitoisuuksiin.98
Glyserolia on käytetty turvallisesti monissa teollisissa ja farmaseuttisissa sovelluksissa jo yli sadan vuoden ajan, ja se on yleisesti tunnustettu vähäiseksi terveysriskiksi. Työperäinen altistuminen voi tapahtua sitä sisältävien tuotteiden valmistuksen, käsittelyn tai käytön aikana. Ihoreittiä pidetään altistumisen kannalta tärkeimpänä, vaikka hartsien tai maalien ruiskutuksesta vapautuvien aerosolien hengittämistä voi myös esiintyä.92 OSHA:n sallittu altistumisraja (PEL) glyserolisumun hengittämiselle on 15 mg/m3 kokonaispölynä ja 5 mg/m3 hengitettävänä fraktiona (<10 μm:n hiukkaskoko).99 ACGIH on vahvistanut TLV-arvoksi 10 mg/m3. Kuluttajat altistuvat glyserolille pääasiassa sen käytöstä elintarvikkeissa, kosmetiikassa, hygieniatuotteissa ja lääkkeissä, pääasiassa ihon kautta, mutta myös suun kautta suorana elintarvikelisäaineena, epäsuorasti elintarvikesovelluksissa käytettävistä selluloosakalvoista sekä suun kautta annosteltavien lääkkeiden ja suuhygieniatuotteiden kautta. Lisäksi kuluttajien ihon kautta tapahtuva altistuminen on vähäistä, kun he joutuvat kosketuksiin glyserolia sisältävien maalien, painovärien, hartsien ja matriisien kanssa.92 Terveet ihmiset sietävät helposti suun kautta otettuja annoksia, jotka ovat enintään 1,5 g/kg tai vähemmän, jolloin esiintyy vain lievää diureesia. Eläinkokeissa on raportoitu suun kautta annettavien LD50-arvojen olevan >24 g/kg rotilla.100,101 Hiirillä suun kautta annettavat LD50-arvot olivat 23 g/kg ja marsuilla 10 g/kg.100 Tutkimuksessa, jossa rotille annettiin toistuvasti suun kautta annosteltua ainetta 2 vuoden ajan, NOAEL-tasoksi määritettiin 10 g/kg päivässä.100 Akuutin ihomyrkyllisyyden osalta on määritetty yksittäisen aineen LD50-arvoksi >18 g/kg kaneilla.100 Glyserolia ei pidetä ihoa tai silmiä ärsyttävänä.92 Ihmisillä tehdyssä tutkimuksessa laskimonsisäisestä annostelusta (aivoturvotuksen hallitsemiseksi) ei havaittu myrkyllisiä vaikutuksia,102 kun taas kroonista nauttimista tehdyssä tutkimuksessa todettiin plasman triglyseridipitoisuuksien kohoaminen.103
E-savukkeissa glyserolia käytetään pääasiassa sen liuotinominaisuuksien vuoksi ja koska se tuottaa paksua, hyvin näkyvää aerosolia. Anekdoottinen todistusaineisto on osoittanut, että se aiheuttaa lievemmän kurkkutuntuman kuin propyleeniglykoli. Tämän vuoksi sitä käytetään yleisemmin vähän nikotiinia sisältävissä tai nikotiinittomissa nesteissä, ja se helpottaa suoran keuhkoinhalaation mallia (jolloin käyttäjä hengittää aerosolin suoraan keuhkoihin sen sijaan, että se pysyisi suuontelossa ottaessaan puhalluksen ja sen jälkeen hengittäisi sen sisään).
Kuten propyleeniglykolin kohdalla, sähkösavukkeen käytöstä johtuva glyserolialtistus tapahtuu kuumentamalla tuotetun aerosolin sisäänhengittämisen kautta. Tästä altistumisreitistä on vain vähän näyttöä. Sprague-Dawley-rotilla tehdyssä tutkimuksessa arvioitiin glyseroli-aerosolin hengittämistä pelkästään nenän kautta 2 ja 13 viikon ajan (5 päivää viikossa, 6 tuntia päivässä).104 Aerosolin keskimääräiset altistumispitoisuudet olivat 0, 7,00±0,08, 1,93±0,123 ja 3,91±0,458 mg glyserolia/L suodatetusta huoneilmasta. Massan keskimääräisen aerodynaamisen halkaisijan (MMAD) ilmoitettiin olevan <1,5 μm. Kaikille rotille tehtiin täydellinen ruumiinavaus, ja nimetyt kudokset punnittiin ja tutkittiin histopatologisesti, kun taas veri kerättiin ja analysoitiin erityisten hematologisten ja kliinisten kemiallisten parametrien osalta. Ainoa merkittävä löydös oli epiglottiksen tyven epiteelin limakalvon vähäinen tai lievä levyepiteelin metaplasia. Keuhkojen, maksan, munuaisten, aivojen ja sydämen painoon ei ollut vaikutusta.
Nykyaikainen näyttö on rajallista, mutta se ei anna aihetta huoleen sähkösavukkeissa käytettävän glyserolin vakavista haittavaikutuksista. Glyserolin systemaattinen imeytyminen näyttää olevan kohtuullisen turvallista. Sääntelyyn liittyvät näkökohdat ovat samanlaisia kuin propyleeniglykolin tapauksessa. On tärkeää panna täytäntöön lääkelaadun glyserolin käyttö sähkösavukkeiden nesteissä. Tutkimusta sen turvallisuudesta pitkäaikaisessa inhalaatiossa olisi laajennettava, ja sähköisten savukkeiden käyttäjiä koskevissa pitkäaikaisissa epidemiologisissa tutkimuksissa arvioidaan lopulta sen turvallisuusprofiilia. Lopuksi olisi arvioitava sellaisten vaihtoehtoisten yhdisteiden käyttöä, joilla on samanlaiset ominaisuudet (jotka toimivat liuottimena ja tuottavat näkyvän aerosolin).