Glycérol
Le glycérol (C3H8O3, n° de registre CAS 56-81-5) est également connu sous le nom de 1,2,3-propanetriol (Fig. 5.1B). C’est un composé naturel, un liquide visqueux, sirupeux, incolore et inodore au goût sucré. Chimiquement, il est classé comme un polyol (un alcool polyhydrique), en raison de la présence de trois groupes hydroxyle (OH). Il est hygroscopique et donc un humectant (comme le propylène glycol). Il est miscible à l’eau et à l’alcool et a un point d’ébullition de 290°C et un point de congélation de 17°C.86
Le glycérol est essentiel aux organismes vivants. Il forme le squelette des triglycérides, des esters dérivés du glycérol et de trois acides gras87, qui sont présents chez l’homme, les animaux et les plantes. Il s’agit de la plus ancienne molécule organique isolée par l’homme, puisqu’elle a été obtenue en chauffant des graisses en présence de cendres pour produire du savon dès 2800 avant J.-C.88 En tant que substance, elle a été découverte accidentellement en 1779 par K.W. Scheele, un chimiste suédois, alors qu’il chauffait un mélange d’huile d’olive et de monoxyde de plomb.89 Scheele a ensuite établi que d’autres métaux et glycérides produisaient la même réaction chimique que le glycérol et le savon, et en 1783, il a publié une description de sa méthode de préparation dans les transactions de l’Académie royale de Suède. La méthode de Scheele a été utilisée pour produire du glycérol à des fins commerciales pendant quelques années. Le nom est dérivé du mot grec glykys, qui signifie doux, et a été donné par un scientifique français, M.E. Chevreul, au 19e siècle. En 1823, Chevreul a obtenu le premier brevet pour une nouvelle méthode de production d’acides gras à partir de graisses traitées avec un alcali, qui comprenait la récupération du glycérol libéré au cours du processus. Le glycérol est devenu un composé d’une valeur stratégique lorsqu’il a été utilisé dans la fabrication de la nitroglycérine. En 1866, Alfred Nobel a découvert qu’en mélangeant la nitroglycérine avec la roche sédimentaire siliceuse kieselguhr, une forme de silice extraite en Allemagne, le liquide pouvait se transformer en une pâte malléable appelée dynamite, qui pouvait être malaxée et façonnée en tiges pour faire sauter la roche à l’aide d’un détonateur activé par un choc violent. Le glycérol est rapidement devenu une ressource militaire stratégique. Ainsi, lorsque la demande de glycérol au cours de la Première Guerre mondiale a dépassé l’offre de l’industrie du savon, des raisons de sécurité militaire ont conduit aux premières usines synthétiques pour le fabriquer en Europe et aux États-Unis, où le glycérol pour l’armement était produit par fermentation microbienne du sucre.90
Le glycérol est fabriqué par saponification (hydrolyse) des graisses animales et par transestérification des graisses végétales (Fig. 5.3). Les deux procédés donnent 10% de glycérol en poids comme sous-produit. Il peut également être fabriqué synthétiquement à partir du propylène par le procédé de l’épichlorhydrine,91 mais ce procédé n’est pas rentable. En 2000, la production mondiale de glycérol a été estimée à 500 000 tonnes. En 1999, la quantité importée et/ou produite était de 227 000 tonnes en Europe et d’environ 28 000 tonnes au Royaume-Uni.92 La production aux États-Unis a été estimée à 350 000 tonnes par an entre 2000 et 2004.93 Des données plus récentes suggèrent une production annuelle mondiale de 2 millions de tonnes, principalement en raison de l’essor de la fabrication de biodiesel et de produits oléochimiques.94 Par conséquent, l’offre a dépassé la demande.
Figure 5.3. Production de glycérol par saponification et transestérification des graisses.
Le glycérol a de nombreuses applications. C’est un constituant de nombreux produits et un intermédiaire dans les applications industrielles pour la fabrication d’éléments tels que les savons et détergents et les esters de glycérol. On le trouve dans des produits de consommation tels que les produits pharmaceutiques, les cosmétiques, le tabac, les aliments et les boissons, ainsi que dans les peintures, les résines et le papier. Les utilisations les plus courantes sont comme intermédiaires et monomères dans les résines, les polyols et les polyuréthanes (20%), dans les cosmétiques (20%), comme intermédiaire chimique dans la synthèse d’autres produits chimiques (15%), et dans les produits pharmaceutiques, le tabac, les fluides industriels, les films de cellulose et les produits alimentaires (<10% chacun).92 La FDA lui a accordé le statut GRAS pour la première fois en 1959.89 Il est actuellement répertorié comme une substance alimentaire GRAS à usage multiple (21CFR 182.1320) et comme une substance migrant des produits en papier et en carton (21CFR 182.90) pour une utilisation dans certains matériaux d’emballage alimentaire. C’est un humectant, un solvant, un édulcorant et un conservateur. Une autre utilisation importante mais indirecte dans la transformation des aliments est représentée par les monoglycérides, les esters de glycérol des acides gras, qui sont des émulsifiants et des stabilisateurs pour de nombreux produits.89 Il existe des normes spécifiques pour la qualité pharmaceutique, avec de petites différences entre les définitions de la Pharmacopée américaine et européenne. Il doit être d’une pureté d’au moins 98,0 % et contenir ≤5 ppm de métaux lourds, ≤10 ppm de chlorures, ≤30-35 ppm de composés halogénés, ≤2,0-5,0 % d’eau et ≤10 ppm d’aldéhydes.95
Les données issues d’études humaines et animales indiquent que le glycérol est rapidement absorbé dans l’intestin et l’estomac, distribué dans l’espace extracellulaire et excrété96. Il est phosphorylé en alpha-glycérophosphate par la glycérol kinase, principalement dans le foie (80-90%) et les reins (10-20%), et incorporé dans les voies métaboliques standard pour former du glucose et du glycogène.96,97 La glycérol kinase est également présente dans la muqueuse intestinale, le tissu adipeux brun, le tissu lymphatique, le poumon et le pancréas. Le glycérol peut également être combiné avec des acides gras libres dans le foie pour former des triglycérides (lipogenèse) qui sont distribués dans les tissus adipeux. Le taux de renouvellement est directement proportionnel aux niveaux de glycérol plasmatique.98
Le glycérol est utilisé en toute sécurité dans de nombreuses applications industrielles et pharmaceutiques depuis plus de 100 ans et est généralement reconnu pour son faible risque pour la santé. L’exposition professionnelle peut se produire lors de la production, du traitement ou de l’utilisation de produits qui en contiennent. La voie cutanée est considérée comme la plus pertinente pour l’exposition, bien que l’inhalation d’aérosols libérés par l’application par pulvérisation de résines ou de peintures puisse également se produire.92 La limite d’exposition admissible (PEL) de l’OSHA pour l’inhalation de brouillard de glycérol est de 15 mg/m3 en tant que poussière totale et de 5 mg/m3 pour la fraction respirable (<10 μm de taille de particule).99 L’ACGIH a établi une TLV de 10 mg/m3. L’exposition des consommateurs au glycérol se produit principalement par son utilisation dans les aliments, les cosmétiques, les produits de toilette et les produits pharmaceutiques, principalement par voie cutanée mais aussi par voie orale en tant qu’additif alimentaire direct, indirectement à partir des films de cellulose utilisés pour les applications alimentaires, et via les médicaments administrés par voie orale et les produits d’hygiène buccale. En outre, l’exposition cutanée des consommateurs est limitée par le contact avec les peintures, les encres d’imprimerie, les résines et les matrices contenant du glycérol.92 Les individus en bonne santé peuvent facilement tolérer des doses orales allant jusqu’à 1,5 g/kg ou moins avec seulement une légère diurèse. Des études animales ont rapporté des valeurs de DL50 orale de >24 g/kg chez les rats.100,101 Pour les souris et les cobayes, les valeurs de DL50 orale étaient de 23 et 10 g/kg, respectivement.100 Une étude d’administration orale répétée chez les rats pendant 2 ans a établi un niveau NOAEL de 10 g/kg par jour.100 Pour la toxicité cutanée aiguë, une DL50 unique de >18 g/kg pour les lapins a été établie.100 Le glycérol n’est pas considéré comme un irritant pour la peau ou les yeux.92 Une étude sur l’administration intraveineuse chez l’homme (pour contrôler l’œdème cérébral) n’a pas identifié d’effets toxiques,102 tandis qu’une étude sur l’ingestion chronique a trouvé des niveaux accrus de triglycérides plasmatiques.103
Dans les e-Cigarettes, le glycérol est principalement utilisé pour ses propriétés de solvant et parce qu’il produit un aérosol épais et très visible. Des preuves anecdotiques ont montré qu’il provoque un hit de gorge plus doux que le propylène glycol. Pour cette raison, il est plus couramment utilisé dans les liquides à faible teneur en nicotine ou sans nicotine et facilite le modèle d’inhalation pulmonaire directe (l’utilisateur inhalant l’aérosol directement dans les poumons au lieu de le garder dans la cavité buccale lors de la prise de la bouffée et de l’inhaler par la suite).
Comme pour le propylène glycol, l’exposition au glycérol lors de l’utilisation de l’e-cigarette se fait par inhalation de l’aérosol produit par le chauffage. Des preuves limitées existent pour cette voie d’exposition. Une étude sur des rats Sprague-Dawley a évalué l’inhalation par le nez uniquement d’un aérosol de glycérol pendant 2 et 13 semaines (5 jours par semaine, 6 heures par jour).104 Les concentrations moyennes d’exposition de l’aérosol étaient de 0, 7,00±0,08, 1,93±0,123, et 3,91±0,458 mg de glycérol/L d’air ambiant filtré. Le diamètre aérodynamique médian massique (DAMM) a été signalé comme étant <1,5 μm. Tous les rats ont subi une nécropsie complète, et les tissus désignés ont été pesés et examinés histopathologiquement, tandis que le sang a été collecté et analysé pour des paramètres hématologiques et de chimie clinique spécifiques. La seule observation majeure était une métaplasie squameuse minime à légère de l’épithélium tapissant la base de l’épiglotte. Il n’y a pas eu d’effet sur le poids des poumons, du foie, des reins, du cerveau et du cœur.
Les données actuelles sont limitées mais ne suscitent pas d’inquiétudes quant aux effets indésirables graves de l’utilisation du glycérol dans les e-cigarettes. L’absorption systématique du glycérol semble être raisonnablement sûre. Les aspects réglementaires sont similaires au cas du propylène glycol. Il est important de mettre en œuvre l’utilisation de glycérol de qualité pharmaceutique dans les liquides pour e-cigarettes. La recherche sur sa sécurité en cas d’inhalation à long terme devrait se développer, tandis que des études épidémiologiques à long terme sur les utilisateurs d’e-Cigarettes permettront d’évaluer son profil de sécurité. Enfin, l’utilisation de composés alternatifs aux propriétés similaires (agissant comme un solvant et produisant un aérosol visible) devrait être évaluée.