Glycerol
Glycerol (C3H8O3, CAS Reg. No. 56-81-5) è anche conosciuto come 1,2,3-propanetriol (Fig. 5.1B). È un composto naturale, un liquido viscoso, sciropposo, incolore e inodore con un sapore dolce. Chimicamente è classificato come un poliolo (un alcol poliidrico), a causa della presenza di tre gruppi idrossilici (OH). È igroscopico e quindi umettante (come il glicole propilenico). È miscibile con acqua e alcol e ha un punto di ebollizione di 290°C e un punto di congelamento di 17°C.86
Il glicerolo è essenziale per gli organismi viventi. Forma la spina dorsale dei trigliceridi, esteri derivati dal glicerolo e da tre acidi grassi,87 che sono presenti nell’uomo, negli animali e nelle piante. È la più antica molecola organica isolata dall’uomo, essendo stata ottenuta riscaldando i grassi in presenza di cenere per produrre sapone già nel 2800 a.C..88 Come sostanza, fu scoperta accidentalmente nel 1779 da K.W. Scheele, un chimico svedese, mentre stava riscaldando una miscela di olio d’oliva e monossido di piombo.89 Scheele stabilì in seguito che altri metalli e gliceridi producono la stessa reazione chimica che produce glicerolo e sapone, e nel 1783 pubblicò una descrizione del suo metodo di preparazione nelle operazioni della Royal Academy of Sweden. Il metodo di Scheele fu usato per produrre commercialmente il glicerolo per alcuni anni. Il nome deriva dalla parola greca glykys, che significa dolce, e fu dato da uno scienziato francese, M.E. Chevreul, nel XIX secolo. Nel 1823, Chevreul ottenne il primo brevetto per un nuovo modo di produrre acidi grassi dai grassi trattati con un alcali, che includeva il recupero del glicerolo rilasciato durante il processo. Il glicerolo divenne un composto di valore strategico quando fu usato nella fabbricazione della nitroglicerina. Nel 1866, Alfred Nobel scoprì che mescolando la nitroglicerina con la roccia sedimentaria silicea kieselguhr, una forma di silice estratta in Germania, si poteva trasformare il liquido in una pasta malleabile conosciuta come dinamite che poteva essere impastata e modellata in barre per far saltare la roccia attraverso un detonatore attivato per mezzo di un forte shock. Il glicerolo divenne presto una risorsa militare strategica. Quindi, quando la domanda di glicerolo nella prima guerra mondiale superò l’offerta dell’industria del sapone, ragioni di sicurezza militare portarono ai primi impianti sintetici per produrlo in Europa e negli Stati Uniti, dove il glicerolo per le armi fu prodotto attraverso la fermentazione microbica dello zucchero.90
Il glicerolo si ottiene dalla saponificazione (idrolisi) dei grassi animali e dalla transesterificazione dei grassi vegetali (Fig. 5.3). Entrambi i processi producono il 10% di glicerolo in peso come sottoprodotto. Può anche essere prodotto sinteticamente dal propilene usando il processo dell’epicloridrina,91 ma questo non è efficace dal punto di vista dei costi. Nel 2000, la produzione mondiale stimata di glicerolo era di 500.000 tonnellate. Nel 1999, la quantità importata e/o prodotta è stata di 227.000 tonnellate in Europa e di circa 28.000 tonnellate nel Regno Unito.92 La produzione negli Stati Uniti è stata stimata in 350.000 tonnellate all’anno tra il 2000 e il 2004.93 Dati più recenti suggeriscono una produzione annuale mondiale di 2 milioni di tonnellate, principalmente come risultato del boom della produzione di biodiesel e oleochimica.94 Di conseguenza, l’offerta ha superato la domanda.
Figura 5.3. Produzione di glicerolo per saponificazione e transesterificazione dei grassi.
Il glicerolo ha molte applicazioni. È un costituente di numerosi prodotti e un intermedio nelle applicazioni industriali per la fabbricazione di cose come saponi e detergenti e esteri di glicerolo. Si trova in articoli di consumo come prodotti farmaceutici, cosmetici, tabacco, cibo e bevande, e in vernici, resine e carta. Gli usi più comuni sono come intermedi e monomeri in resine, polioli e poliuretani (20%), nei cosmetici (20%), come intermedio chimico nella sintesi di altri prodotti chimici (15%), e in prodotti farmaceutici, tabacco, fluidi industriali, film di cellulosa e prodotti alimentari (<10% ciascuno).92 La FDA gli ha riconosciuto per la prima volta lo status di GRAS nel 1959.89 Attualmente è elencato come sostanza alimentare GRAS a scopi multipli (21CFR 182.1320) e come sostanza che migra da prodotti di carta e cartone (21CFR 182.90) per l’uso in alcuni materiali di imballaggio alimentare. È un umettante, solvente, dolcificante e conservante. Un altro uso importante ma indiretto nella lavorazione degli alimenti è rappresentato dai monogliceridi, gli esteri di glicerolo degli acidi grassi, che sono emulsionanti e stabilizzatori per molti prodotti.89 Esistono standard specifici per il grado farmaceutico, con piccole differenze tra le definizioni della Farmacopea statunitense ed europea. Dovrebbe avere almeno il 98,0% di purezza e contenere ≤5 ppm di metalli pesanti, ≤10 ppm di cloruri, ≤30-35 ppm di composti alogenati, ≤2,0-5,0% di acqua e ≤10 ppm di aldeidi.95
I dati di studi umani e animali indicano che il glicerolo viene rapidamente assorbito nell’intestino e nello stomaco, distribuito nello spazio extracellulare ed escreto.96 Viene fosforilato ad alfa-glicerofosfato dalla glicerolo chinasi, prevalentemente nel fegato (80-90%) e nei reni (10-20%), e incorporato nelle vie metaboliche standard per formare glucosio e glicogeno.96,97 La glicerolo chinasi si trova anche nella mucosa intestinale, nel tessuto adiposo marrone, nel tessuto linfatico, nei polmoni e nel pancreas. Il glicerolo può anche essere combinato con acidi grassi liberi nel fegato per formare trigliceridi (lipogenesi) che vengono distribuiti ai tessuti adiposi. Il tasso di turnover è direttamente proporzionale ai livelli plasmatici di glicerolo.98
Il glicerolo è stato usato in sicurezza in molte applicazioni industriali e farmaceutiche per oltre 100 anni ed è generalmente riconosciuto per il suo basso rischio per la salute. L’esposizione professionale può avvenire durante la produzione, la lavorazione o l’uso di prodotti che lo contengono. La via dermica è considerata la più rilevante per l’esposizione, sebbene possa verificarsi anche l’inalazione di aerosol rilasciati dall’applicazione a spruzzo di resine o vernici.92 Il limite di esposizione ammissibile OSHA (PEL) per l’inalazione di nebbia di glicerolo è di 15 mg/m3 come polvere totale e 5 mg/m3 per la frazione respirabile (< dimensione delle particelle 10 μm).99 ACGIH ha stabilito un TLV di 10 mg/m3. L’esposizione dei consumatori al glicerolo avviene principalmente attraverso il suo uso in alimenti, cosmetici, articoli da toeletta e prodotti farmaceutici, principalmente per via dermica ma anche per via orale come additivo alimentare diretto, indirettamente da pellicole di cellulosa usate per applicazioni alimentari e attraverso farmaci e prodotti per l’igiene orale somministrati per via orale. Inoltre, vi è una limitata esposizione dermica dei consumatori attraverso il contatto con vernici, inchiostri da stampa, resine e matrici contenenti glicerolo.92 Gli individui sani possono facilmente tollerare dosi orali fino a 1,5 g/kg o meno con solo una leggera diuresi. Gli studi sugli animali hanno riportato valori LD50 orali di >24 g/kg nei ratti.100,101 Per i topi e le cavie, i valori LD50 orali erano rispettivamente 23 e 10 g/kg.100 Uno studio sulla somministrazione orale ripetuta nei ratti per 2 anni ha stabilito un livello NOAEL di 10 g/kg al giorno.100 Per la tossicità dermica acuta, è stato stabilito un LD50 singolo di >18 g/kg per i conigli.100 Il glicerolo non è considerato un irritante per la pelle o gli occhi.92 Uno studio sulla somministrazione endovenosa nell’uomo (per controllare l’edema cerebrale) non ha identificato effetti tossici,102 mentre uno studio sull’ingestione cronica ha rilevato un aumento dei livelli di trigliceridi nel plasma.103
Nelle sigarette elettroniche, il glicerolo è usato principalmente per le sue proprietà solventi e perché produce un aerosol denso e molto visibile. Prove aneddotiche hanno dimostrato che provoca un colpo in gola più lieve rispetto al glicole propilenico. Per questo motivo, è più comunemente usato nei liquidi a bassa o senza nicotina e facilita il modello di inalazione polmonare diretta (con l’utente che inala l’aerosol direttamente nei polmoni invece di tenerlo nella cavità orale quando prende la boccata e successivamente lo inala).
Come per il glicole propilenico, l’esposizione al glicerolo dall’uso delle sigarette elettroniche avviene attraverso l’inalazione dell’aerosol prodotto dal riscaldamento. Esistono prove limitate per questa via di esposizione. Uno studio sui ratti Sprague-Dawley ha valutato l’inalazione solo dal naso di aerosol di glicerolo per 2 e 13 settimane (5 giorni alla settimana, 6 ore al giorno).104 Le concentrazioni medie di esposizione dell’aerosol erano 0, 7,00±0,08, 1,93±0,123, e 3,91±0,458 mg di glicerolo/L di aria ambiente filtrata. Il diametro aerodinamico mediano di massa (MMAD) è stato riportato come <1,5 μm. Tutti i ratti sono stati sottoposti a necroscopia completa e i tessuti designati sono stati pesati ed esaminati istopatologicamente, mentre il sangue è stato raccolto e analizzato per specifici parametri ematologici e di chimica clinica. L’unica scoperta importante è stata una metaplasia squamosa da minima a lieve dell’epitelio di rivestimento alla base dell’epiglottide. Non ci sono stati effetti sul peso di polmoni, fegato, reni, cervello e cuore.
Le prove attuali sono limitate, ma non sollevano preoccupazioni circa gravi effetti avversi dall’uso di glicerolo nelle sigarette elettroniche. L’assorbimento sistematico del glicerolo sembra essere ragionevolmente sicuro. Gli aspetti normativi sono simili al caso del glicole propilenico. È importante implementare l’uso di glicerolo di grado farmaceutico nei liquidi delle sigarette elettroniche. La ricerca sulla sua sicurezza per l’inalazione a lungo termine dovrebbe espandersi, mentre gli studi epidemiologici a lungo termine sugli utenti di e-sigarette finiranno per valutare il suo profilo di sicurezza. Infine, dovrebbe essere valutato l’uso di composti alternativi con proprietà simili (agendo come solvente e producendo aerosol visibile).