Glycerol
Glycerol (C3H8O3, CAS Reg. No. 56-81-5) är också känt som 1,2,3-propanetriol (Fig. 5.1B). Det är en naturlig förening, en viskös, sirapsliknande, färglös och luktfri vätska med söt smak. Kemiskt sett klassas den som en polyol (en polyhydrisk alkohol) på grund av förekomsten av tre hydroxylgrupper (OH). Den är hygroskopisk och därmed ett fuktgivande medel (på samma sätt som propylenglykol). Den är blandbar med vatten och alkohol och har en kokpunkt på 290 °C och en fryspunkt på 17 °C.86
Glycerol är nödvändig för levande organismer. Den utgör ryggraden i triglycerider, estrar som härrör från glycerol och tre fettsyror,87 som finns hos människor, djur och växter. Det är den äldsta organiska molekyl som isolerats av människan och har erhållits genom upphettning av fetter i närvaro av aska för att framställa tvål redan 2800 f.Kr.88 Som ämne upptäcktes det av en slump 1779 av den svenske kemisten K.W. Scheele när han upphettade en blandning av olivolja och blymonoxid.89 Scheele konstaterade senare att andra metaller och glycerider ger upphov till samma kemiska reaktion som ger glycerol och tvål, och 1783 publicerade han en beskrivning av sin framställningsmetod i Transaktioner från Kungliga Akademien i Sverige. Scheeles metod användes för att framställa glycerol kommersiellt under några år. Namnet härrör från det grekiska ordet glykys, som betyder söt, och gavs av en fransk vetenskapsman, M.E. Chevreul, på 1800-talet. År 1823 fick Chevreul det första patentet på ett nytt sätt att framställa fettsyror från fett som behandlats med alkali, vilket inkluderade återvinning av glycerol som frigjorts under processen. Glycerol blev en förening av strategiskt värde när den användes vid tillverkningen av nitroglycerin. År 1866 upptäckte Alfred Nobel att man genom att blanda nitroglycerin med den kiselhaltiga sedimentära bergarten kieselguhr, en form av kiseldioxid som utvinns i Tyskland, kunde förvandla vätskan till en formbar pasta, så kallad dynamit, som kunde knådas och formas till stavar för att spränga stenar med hjälp av en sprängkapsel som aktiveras med hjälp av en kraftig stöt. Glycerol blev snart en strategisk militär resurs. När efterfrågan på glycerol under första världskriget översteg tillgången från tvålindustrin ledde därför militära säkerhetsskäl till att de första syntetiska fabrikerna för tillverkning av glycerol uppfördes i Europa och USA, där glycerol för vapen tillverkades genom mikrobiell sockerjäsning.90
Glycerol framställs genom förtvålning (hydrolys) av animaliska fetter och transesterifiering av vegetabiliska fetter (fig. 5.3). Båda processerna ger 10 viktprocent glycerol som biprodukt. Glycerin kan också framställas syntetiskt från propylen med hjälp av epiklorhydrinprocessen91 , men detta är inte kostnadseffektivt. År 2000 uppskattades världsproduktionen av glycerol till 500 000 ton. År 1999 var den importerade och/eller producerade mängden 227 000 ton i Europa och cirka 28 000 ton i Storbritannien.92 Produktionen i USA uppskattades till 350 000 ton per år mellan 2000 och 2004.93 Nyare uppgifter tyder på en världsomspännande årlig produktion på 2 miljoner ton, främst som ett resultat av den blomstrande tillverkningen av biodiesel och oleokemikalier.94 Till följd av detta har utbudet överstigit efterfrågan.
Figur 5.3. Framställning av glycerol genom förtvålning och omestring av fetter.
Glycerol har många användningsområden. Det är en beståndsdel i många produkter och en mellanprodukt i industriella tillämpningar för tillverkning av t.ex. tvål och tvättmedel och glycerolestrar. Den finns i konsumtionsvaror som läkemedel, kosmetika, tobak, mat och dryck samt i färger, hartser och papper. De vanligaste användningsområdena är som mellanprodukter och monomerer i hartser, polyoler och polyuretaner (20 %), i kosmetika (20 %), som kemisk mellanprodukt i syntesen av andra kemikalier (15 %) samt i läkemedel, tobak, industriella vätskor, cellulosafilmer och livsmedelsprodukter (<10 % vardera).92 Det fick för första gången GRAS-status av FDA 1959.89 Det är för närvarande förtecknat som ett GRAS-livsmedelsämne med flera användningsområden (21CFR 182.1320) och som ett ämne som migrerar från pappers- och kartongprodukter (21CFR 182.90) för användning i vissa livsmedelsförpackningsmaterial. Det är ett fuktmedel, lösningsmedel, sötningsmedel och konserveringsmedel. En annan viktig men indirekt användning vid livsmedelsförädling utgörs av monoglycerider, glycerolestrar av fettsyror, som är emulgeringsmedel och stabiliseringsmedel för många produkter.89 Det finns särskilda standarder för farmaceutisk kvalitet, med små skillnader mellan definitionerna i Förenta staterna och Europeiska farmakopén. Den ska ha en renhet på minst 98,0 % och innehålla ≤5 ppm tungmetaller, ≤10 ppm klorider, ≤30-35 ppm halogenerade föreningar, ≤2,0-5,0 % vatten och ≤10 ppm aldehyder.95
Data från studier på människor och djur tyder på att glycerol snabbt absorberas i tarmen och magsäcken, fördelas i det extracellulära rummet och utsöndras.96 Det fosforyleras till alfa-glycerofosfat av glycerolkinas, främst i levern (80-90 %) och njurarna (10-20 %), och införlivas i de vanliga ämnesomsättningsvägarna för att bilda glukos och glykogen.96,97 Glycerolkinas finns också i tarmslemhinnan, brun fettvävnad, lymfatisk vävnad, lungor och bukspottkörtel. Glycerol kan också kombineras med fria fettsyror i levern för att bilda triglycerider (lipogenes) som distribueras till fettvävnaden. Omsättningshastigheten är direkt proportionell mot plasmaglycerolnivåerna.98
Glycerol har använts på ett säkert sätt i många industriella och farmaceutiska tillämpningar i över 100 år och är allmänt erkänd för sin låga hälsorisk. Yrkesmässig exponering kan ske vid produktion, bearbetning eller användning av produkter som innehåller det. Den dermala vägen anses vara den mest relevanta för exponering, även om inandning av aerosoler som frigörs vid sprutning av hartser eller färger också kan förekomma.92 OSHA:s gränsvärde för tillåten exponering (PEL) för inandning av glyceroldimma är 15 mg/m3 som totalt damm och 5 mg/m3 för den andningsbara fraktionen (<10 μm partikelstorlek).99 ACGIH har fastställt ett TLV på 10 mg/m3. Konsumenternas exponering för glycerol sker huvudsakligen genom dess användning i livsmedel, kosmetika, toalettartiklar och läkemedel, huvudsakligen dermalt men även oralt som en direkt livsmedelstillsats, indirekt från cellulosafilmer som används för livsmedelstillämpningar och via oralt administrerade läkemedel och munhygienprodukter. Dessutom finns det en begränsad dermal exponering av konsumenter genom kontakt med färger, tryckfärger, hartser och matriser som innehåller glycerol.92 Friska personer kan lätt tolerera orala doser på upp till 1,5 g/kg eller mindre med endast en liten diures. Djurstudier har rapporterat orala LD50-värden på >24 g/kg hos råttor.100,101 För möss och marsvin var de orala LD50-värdena 23 respektive 10 g/kg.100 En studie av upprepad oral administrering hos råttor i 2 år fastställde en NOAEL-nivå på 10 g/kg per dag.100 För akut hudtoxicitet har ett enstaka LD50-värde på >18 g/kg för kaniner fastställts.100 Glycerol anses inte vara hud- eller ögonirriterande.92 En studie av intravenös administrering på människor (för att kontrollera hjärnödem) identifierade inga toxiska effekter,102 medan en studie av kroniskt intag konstaterade ökade nivåer av plasmatriglycerider.103
I e-cigaretter används glycerol främst för sina lösningsmedelsegenskaper och för att den producerar en tjock, mycket synlig aerosol. Anekdotiska bevis har visat att den orsakar mildare throat hit än propylenglykol. På grund av detta används den oftare i nikotinfattiga eller nikotinfria vätskor och underlättar mönstret med direkt lunginhalation (där användaren inhalerar aerosolen direkt till lungorna i stället för att behålla den i munhålan när han eller hon tar ett puff och därefter inhalerar den).
Som för propylenglykol sker exponering för glycerol vid användning av e-cigaretter genom inandning av den aerosol som produceras vid upphettning. Det finns begränsade bevis för denna exponeringsväg. I en studie på Sprague-Dawley-råttor utvärderades inandning av glycerolaerosol enbart genom näsan under 2 och 13 veckor (5 dagar i veckan, 6 timmar per dag).104 De genomsnittliga exponeringskoncentrationerna av aerosolen var 0, 7,00±0,08, 1,93±0,123 och 3,91±0,458 mg glycerol/L av filtrerad rumsluft. Den aerodynamiska massmediandiametern (MMAD) rapporterades vara <1,5 μm. Alla råttor genomgick en fullständig nekropsi, och utsedda vävnader vägdes och undersöktes histopatologiskt, medan blod samlades in och analyserades för specifika hematologiska och kliniskt kemiska parametrar. Det enda större fyndet var minimal till mild skivepitelmetaplasi av epitelfoderet vid epiglottisbasen. Det fanns ingen effekt på lungornas, leverns, njurarnas, hjärnans och hjärtats vikt.
Det aktuella bevismaterialet är begränsat men ger inte anledning till oro för allvarliga negativa effekter av användningen av glycerol i e-cigaretter. Den systematiska absorptionen av glycerol verkar vara rimligt säker. De rättsliga aspekterna liknar de som gäller för propylenglykol. Det är viktigt att införa användning av glycerol av farmaceutisk kvalitet i vätskor för e-cigaretter. Forskningen om dess säkerhet vid långvarig inandning bör utökas, medan långsiktiga epidemiologiska studier på användare av e-cigaretter så småningom kommer att utvärdera dess säkerhetsprofil. Slutligen bör användningen av alternativa föreningar med liknande egenskaper (fungerar som lösningsmedel och producerar synliga aerosoler) utvärderas.