Glycerol
Glycerol (C3H8O3, CAS Reg. No. 56-81-5) jest również znany jako 1,2,3-propanetriol (Rys. 5.1B). Jest to związek naturalny, lepka, syropowata, bezbarwna i bezwonna ciecz o słodkim smaku. Pod względem chemicznym zaliczany jest do poliolów (alkoholi wielowodorotlenowych), ze względu na obecność trzech grup hydroksylowych (OH). Jest higroskopijny, a więc jest humektantem (podobnie jak glikol propylenowy). Jest mieszalny z wodą i alkoholami, ma temperaturę wrzenia 290°C i temperaturę zamarzania 17°C.86
Glicerol jest niezbędny dla organizmów żywych. Tworzy szkielet triglicerydów, estrów pochodzących z glicerolu i trzech kwasów tłuszczowych,87 które są obecne u ludzi, zwierząt i roślin. Jako substancja została przypadkowo odkryta w 1779 roku przez szwedzkiego chemika K.W. Scheele’a podczas podgrzewania mieszaniny oliwy z oliwek i tlenku ołowiu.89 Scheele ustalił później, że inne metale i glicerydy wywołują tę samą reakcję chemiczną, w wyniku której powstaje glicerol i mydło, a w 1783 roku opublikował opis swojej metody otrzymywania mydła w pracach Szwedzkiej Akademii Królewskiej. Metoda Scheele’a była używana do komercyjnej produkcji glicerolu przez kilka lat. Nazwa pochodzi od greckiego słowa glykys, co oznacza słodki, i została nadana przez francuskiego naukowca, M.E. Chevreul, w 19 wieku. W 1823 r. Chevreul uzyskał pierwszy patent na nowy sposób produkcji kwasów tłuszczowych z tłuszczów poddanych działaniu zasady, który obejmował odzyskiwanie uwolnionego podczas tego procesu glicerolu. Glicerol stał się związkiem o strategicznym znaczeniu, gdy wykorzystano go do produkcji nitrogliceryny. W 1866 r. Alfred Nobel odkrył, że mieszając nitroglicerynę z krzemionkową skałą osadową kieselguhr, formą krzemionki wydobywaną w Niemczech, można przekształcić ciecz w plastyczną pastę zwaną dynamitem, którą można było ugniatać i formować w pręty do wysadzania skał za pomocą detonatora aktywowanego silnym wstrząsem. Wkrótce gliceryna stała się strategicznym surowcem wojskowym. Stąd, gdy zapotrzebowanie na glicerol w czasie I wojny światowej przekroczyło podaż z przemysłu mydlarskiego, względy bezpieczeństwa militarnego doprowadziły do powstania pierwszych syntetycznych zakładów jego produkcji w Europie i Stanach Zjednoczonych, gdzie glicerol na potrzeby broni produkowano w procesie mikrobiologicznej fermentacji cukrów.90
Glicerol jest wytwarzany w procesie zmydlania (hydrolizy) tłuszczów zwierzęcych i transestryfikacji tłuszczów roślinnych (rys. 5.3). W obu procesach jako produkt uboczny otrzymuje się 10% wagowych glicerolu. Można go również wytwarzać syntetycznie z propylenu w procesie epichlorohydrynowym,91 ale jest to nieopłacalne. W 2000 roku, szacowana światowa produkcja glicerolu wynosiła 500 000 ton. W 1999 roku ilość importowana i/lub wyprodukowana wynosiła 227 000 ton w Europie i około 28 000 ton w Wielkiej Brytanii.92 Produkcję w Stanach Zjednoczonych szacowano na 350 000 ton rocznie w latach 2000-2004.93 Nowsze dane sugerują światową roczną produkcję na poziomie 2 milionów ton, głównie w wyniku dynamicznego rozwoju produkcji biodiesla i oleochemikaliów.94 W rezultacie podaż przekroczyła popyt.
Rysunek 5.3. Produkcja glicerolu na drodze zmydlania i transestryfikacji tłuszczów.
Glicerol ma wiele zastosowań. Jest składnikiem wielu produktów i półproduktem w zastosowaniach przemysłowych do produkcji takich rzeczy jak mydła i detergenty oraz estry glicerolu. Występuje w produktach konsumpcyjnych, takich jak farmaceutyki, kosmetyki, tytoń, żywność i napoje, a także w farbach, żywicach i papierze. Najczęściej stosowany jest jako półprodukt i monomer w żywicach, alkoholach wielowodorotlenowych i poliuretanach (20%), w kosmetykach (20%), jako półprodukt chemiczny w syntezie innych chemikaliów (15%) oraz w farmaceutykach, tytoniu, płynach przemysłowych, foliach celulozowych i produktach spożywczych (po <10%).92 Po raz pierwszy otrzymał status GRAS od FDA w 1959 r.89 Obecnie jest wymieniony jako substancja spożywcza GRAS o wielu zastosowaniach (21CFR 182.1320) oraz jako substancja migrująca z papieru i produktów tekturowych (21CFR 182.90) do stosowania w niektórych materiałach opakowaniowych do żywności. Jest humektantem, rozpuszczalnikiem, substancją słodzącą i konserwującą. Innym ważnym, ale pośrednim zastosowaniem w przetwórstwie żywności są monoglicerydy, estry glicerolu i kwasów tłuszczowych, które są emulgatorami i stabilizatorami wielu produktów.89 Istnieją konkretne normy dla klasy farmaceutycznej, z niewielkimi różnicami pomiędzy definicjami zawartymi w Farmakopei Amerykańskiej i Europejskiej. Powinna ona mieć co najmniej 98,0% czystości i zawierać ≤5 ppm metali ciężkich, ≤10 ppm chlorków, ≤30-35 ppm związków chlorowcowanych, ≤2,0-5,0% wody i ≤10 ppm aldehydów.95
Dane z badań na ludziach i zwierzętach wskazują, że glicerol jest szybko wchłaniany w jelicie i żołądku, rozprowadzany w przestrzeni pozakomórkowej i wydalany.96 Jest fosforylowany do alfa-glicerofosforanu przez kinazę glicerolową, głównie w wątrobie (80-90%) i nerkach (10-20%), i włączany do standardowych szlaków metabolicznych w celu utworzenia glukozy i glikogenu.96,97 Kinaza glicerolowa występuje również w błonie śluzowej jelit, brunatnej tkance tłuszczowej, tkance limfatycznej, płucach i trzustce. Glicerol może być również łączony z wolnymi kwasami tłuszczowymi w wątrobie, tworząc triglicerydy (lipogeneza), które są rozprowadzane do tkanek tłuszczowych. Szybkość obrotu jest wprost proporcjonalna do poziomu glicerolu w osoczu.98
Glicerol jest bezpiecznie wykorzystywany w wielu zastosowaniach przemysłowych i farmaceutycznych od ponad 100 lat i jest ogólnie uznawany za substancję o niskim ryzyku dla zdrowia. Narażenie zawodowe może wystąpić podczas produkcji, przetwarzania lub stosowania zawierających go produktów. Droga skórna jest uważana za najbardziej istotną dla narażenia, chociaż może również wystąpić wdychanie aerozoli uwalnianych podczas rozpylania żywic lub farb.92 Dopuszczalny limit narażenia (PEL) OSHA dla wdychania mgły glicerolu wynosi 15 mg/m3 jako pył całkowity i 5 mg/m3 dla frakcji respirabilnej (<10 μm wielkości cząstek).99 ACGIH ustanowił TLV na poziomie 10 mg/m3. Narażenie konsumentów na glicerol występuje głównie poprzez jego zastosowanie w żywności, kosmetykach, kosmetykach toaletowych i farmaceutykach, głównie dermalnie, ale również doustnie jako bezpośredni dodatek do żywności, pośrednio z folii celulozowych stosowanych w żywności oraz poprzez doustnie podawane leki i produkty do higieny jamy ustnej. Ponadto istnieje ograniczone narażenie dermalne konsumentów poprzez kontakt z farbami, tuszami drukarskimi, żywicami i matrycami zawierającymi glicerol.92 Zdrowe osoby mogą z łatwością tolerować dawki doustne do 1,5 g/kg lub mniejsze, przy czym występuje jedynie niewielka diureza. W badaniach na zwierzętach odnotowano doustne wartości LD50 wynoszące >24 g/kg u szczurów.100,101 W przypadku myszy i świnek morskich doustne wartości LD50 wynosiły odpowiednio 23 i 10 g/kg.100 W badaniu wielokrotnego podawania doustnego u szczurów przez 2 lata ustalono poziom NOAEL wynoszący 10 g/kg dziennie.100 W przypadku ostrej toksyczności skórnej ustalono pojedynczą wartość LD50 wynoszącą >18 g/kg u królików.100 Glicerol nie jest uważany za substancję drażniącą skórę lub oczy.92 W badaniu dotyczącym podawania dożylnego u ludzi (w celu kontrolowania obrzęku mózgu) nie stwierdzono żadnych skutków toksycznych,102 natomiast w badaniu dotyczącym przewlekłego spożycia stwierdzono zwiększony poziom trójglicerydów w osoczu.103
W e-papierosach glicerol jest stosowany głównie ze względu na swoje właściwości rozpuszczalnika oraz dlatego, że wytwarza gęsty, bardzo widoczny aerozol. Niepotwierdzone dowody wskazują, że powoduje on łagodniejsze uderzenie w gardło niż glikol propylenowy. Z tego powodu jest on częściej stosowany w liquidach o niskiej zawartości nikotyny lub bez nikotyny i ułatwia model bezpośredniej inhalacji płuc (w którym użytkownik wdycha aerozol bezpośrednio do płuc, zamiast trzymać go w jamie ustnej podczas nabierania i późniejszego wdychania).
Tak jak w przypadku glikolu propylenowego, narażenie na glicerynę w wyniku używania e-papierosów odbywa się poprzez wdychanie aerozolu wytwarzanego podczas ogrzewania. Istnieją ograniczone dowody na tę drogę narażenia. W badaniu na szczurach Sprague-Dawley oceniano wdychanie aerozolu glicerolu wyłącznie przez nos przez 2 i 13 tygodni (5 dni w tygodniu, 6 godzin dziennie).104 Średnie stężenia aerozolu wynosiły 0, 7,00±0,08, 1,93±0,123 i 3,91±0,458 mg glicerolu/L przefiltrowanego powietrza w pomieszczeniu. Masowa mediana średnicy aerodynamicznej (MMAD) wynosiła <1,5 μm. Wszystkie szczury poddano pełnej sekcji zwłok, a wyznaczone tkanki zważono i zbadano histopatologicznie, natomiast krew pobrano i przeanalizowano pod kątem określonych parametrów hematologicznych i chemii klinicznej. Jedynym poważnym odkryciem była minimalna lub łagodna metaplazja nabłonka wyściełającego podstawę nagłośni. Nie stwierdzono wpływu na masę płuc, wątroby, nerek, mózgu i serca.
Obecne dowody są ograniczone, ale nie budzą obaw dotyczących poważnych działań niepożądanych wynikających ze stosowania glicerolu w e-papierosach. Systematyczna absorpcja glicerolu wydaje się być w miarę bezpieczna. Aspekty regulacyjne są podobne jak w przypadku glikolu propylenowego. Ważne jest, aby wdrożyć stosowanie farmaceutycznie czystego glicerolu w płynach do e-papierosów. Należy rozszerzyć badania nad jego bezpieczeństwem w przypadku długotrwałej inhalacji, a długoterminowe badania epidemiologiczne na użytkownikach e-papierosów ostatecznie ocenią jego profil bezpieczeństwa. Wreszcie, należy ocenić możliwość zastosowania alternatywnych związków o podobnych właściwościach (działanie jako rozpuszczalnik i wytwarzanie widocznego aerozolu).
.