Глицерин ( / ˈ ɡ l ɪ s ə r ɒ l / ) [6] представляет собой простое триольное соединение. Это бесцветная, не имеющая запаха, вязкая жидкость, сладкая на вкус и нетоксичная. Глицериновая основа содержится в липидах , известных как глицериды . Он также широко используется в качестве подсластителя в пищевой промышленности и в качестве увлажнителя в фармацевтических составах . Благодаря своим трем гидроксильным группам глицерин смешивается с водой и является гигроскопичным по своей природе. [7]
Современное использование слова глицерин (альтернативное написание glycerin ) относится к коммерческим препаратам с чистотой менее 100%, обычно 95% глицерина. [8]
Хотя ахиральный , глицерин прохиральный по отношению к реакциям одного из двух первичных спиртов. Таким образом, в замещенных производных стереоспецифическая нумерация маркирует молекулу префиксом sn - перед названием основы молекулы. [9] [10] [11]
Глицерин обычно получают из растительных и животных источников, где он встречается в триглицеридах , эфирах глицерина с длинноцепочечными карбоновыми кислотами . Гидролиз , омыление или переэтерификация этих триглицеридов производит глицерин, а также производное жирной кислоты:
Триглицериды можно омылять гидроксидом натрия с образованием глицерина и жирной натриевой соли или мыла .
Типичные растительные источники включают соевые бобы или пальму . Животный жир является другим источником. Около 950 000 тонн в год производится в Соединенных Штатах и Европе; 350 000 тонн глицерина производилось в год только в США с 2000 по 2004 год. [12] Директива ЕС 2003/30/EC установила требование, чтобы 5,75% нефтяного топлива были заменены источниками биотоплива во всех государствах-членах к 2010 году. В 2006 году прогнозировалось, что к 2020 году производство будет в шесть раз превышать спрос, создавая избыток глицерина как побочного продукта производства биотоплива. [7]
Глицерин из триглицеридов производится в больших масштабах, но сырой продукт имеет разное качество, с низкой ценой продажи, составляющей всего 0,02–0,05 долл. США за килограмм в 2011 году. [13] Его можно очистить, но этот процесс дорогой. Часть глицерина сжигается для получения энергии, но его теплотворная способность низкая. [14]
Сырой глицерин, полученный в результате гидролиза триглицеридов, можно очистить путем обработки активированным углем для удаления органических примесей, щелочью для удаления непрореагировавших эфиров глицерина и ионным обменом для удаления солей. Высокочистый глицерин (более 99,5%) получают путем многоступенчатой перегонки; вакуумная камера необходима из-за его высокой температуры кипения (290 °C). [7]
Из-за крупномасштабного производства биодизеля из жиров, где глицерин является отходом, рынок глицерина находится в упадке. Таким образом, синтетические процессы неэкономичны . Из-за переизбытка предложения предпринимаются попытки преобразовать глицерин в синтетические прекурсоры, такие как акролеин и эпихлоргидрин. [15]
Хотя обычно это нерентабельно, поскольку большая часть производится при переработке жиров, глицерин можно производить различными способами. Во время Второй мировой войны синтетические процессы глицерина стали приоритетами национальной обороны, поскольку он является предшественником нитроглицерина . Эпихлоргидрин является наиболее важным предшественником. Хлорирование пропилена дает аллилхлорид , который окисляется гипохлоритом до дихлоргидрина , который реагирует с сильным основанием, давая эпихлоргидрин . Эпихлоргидрин может быть гидролизован до глицерина. Процессы без хлора из пропилена включают синтез глицерина из акролеина и пропиленоксида . [7]
В пищевых продуктах и напитках глицерин служит увлажнителем , растворителем и подсластителем , а также может помочь сохранить продукты . Он также используется в качестве наполнителя в коммерчески приготовленных продуктах с низким содержанием жира (например, печенье ) и в качестве загустителя в ликерах . Глицерин и вода используются для сохранения определенных видов листьев растений. [16] Как заменитель сахара , он содержит приблизительно 27 килокалорий на чайную ложку (у сахара их 20) и на 60% слаще сахарозы . Он не питает бактерии , которые образуют зубной налет и вызывают кариес . [ необходима цитата ] Как пищевая добавка глицерин маркируется как E-номер E422. Его добавляют в глазурь ( глазурь), чтобы она не затвердела.
При использовании в пищевых продуктах глицерин классифицируется Американской академией питания и диетологии как углевод . Обозначение углеводов Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) включает все калорийные макронутриенты, за исключением белков и жиров. Глицерин имеет калорийную плотность, схожую с сахаром, но более низкий гликемический индекс и другой метаболический путь в организме.
Его также рекомендуют в качестве добавки при использовании полиоловых подсластителей, таких как эритрит и ксилит, которые оказывают охлаждающее действие из-за своего согревающего эффекта во рту, если охлаждающий эффект нежелателен. [17]
Глицерин используется в медицинских , фармацевтических препаратах и средствах личной гигиены , часто как средство для улучшения гладкости, обеспечения смазки и как увлажнитель .
Ихтиоз и ксероз были облегчены местным применением глицерина. [18] [19] Он обнаружен в аллергенной иммунотерапии , сиропах от кашля , эликсирах и отхаркивающих средствах , зубной пасте , ополаскивателях для рта , средствах по уходу за кожей , креме для бритья, средствах по уходу за волосами , мыле и личных смазках на водной основе . В твердых лекарственных формах, таких как таблетки, глицерин используется в качестве удерживающего агента для таблеток. Для потребления человеком глицерин классифицируется FDA среди сахарных спиртов как калорийный макроэлемент. Глицерин также используется в банках крови для сохранения эритроцитов перед замораживанием. [ необходима цитата ]
При приеме ректально глицерин действует как слабительное , раздражая слизистую оболочку анального отверстия и вызывая гиперосмотический эффект , [20] расширяя толстую кишку , втягивая в нее воду, чтобы вызвать перистальтику, приводящую к эвакуации . [21] Его можно вводить неразбавленным либо в виде суппозитория , либо в виде клизмы небольшого объема (2–10 мл) . В качестве альтернативы его можно вводить в разбавленном растворе, например 5%, в виде клизмы большого объема. [22]
При приеме внутрь (часто смешанный с фруктовым соком, чтобы уменьшить его сладкий вкус) глицерин может вызвать быстрое временное снижение внутреннего давления глаза . Это может быть полезно для первоначального неотложного лечения сильно повышенного глазного давления. [23]
В 2017 году исследователи показали, что пробиотические бактерии Limosilactobacillus reuteri можно дополнять глицерином для усиления выработки антимикробных веществ в кишечнике человека. Было подтверждено, что это так же эффективно, как антибиотик ванкомицин, в подавлении инфекции Clostridioides difficile, не оказывая существенного влияния на общий микробный состав кишечника. [24]
Глицерин также был включен в качестве компонента в составы биочернил в области биопечати . [25] Содержание глицерина добавляет вязкость биочернилам без добавления крупных молекул белка, сахарида или гликопротеина.
При использовании в методе «настойки», в частности в виде 10% раствора, глицерин предотвращает осаждение танинов в этанольных экстрактах растений ( настойках ). Он также используется как «безалкогольная» альтернатива этанолу в качестве растворителя при приготовлении травяных экстрактов. Он менее экстрагируемый при использовании в стандартной методологии настойки. Настойки на основе спирта также могут иметь удаленный спирт и замененный глицерином для его консервирующих свойств. Такие продукты не являются «безалкогольными» в научном или нормативном смысле FDA, поскольку глицерин содержит три гидроксильные группы. Производители жидких экстрактов часто экстрагируют травы в горячей воде перед добавлением глицерина для получения глицеритов . [26] [27]
При использовании в качестве основного «истинного» безалкогольного растворителя для ботанической экстракции в не-настойочных методологиях глицерин, как было показано, обладает высокой степенью экстрагирующей универсальности для ботанических препаратов, включая удаление многочисленных компонентов и сложных соединений, с экстрагирующей способностью, которая может соперничать с таковой у спирта и водно-спиртовых растворов. [28] То, что глицерин обладает такой высокой экстрагирующей способностью, предполагает, что он используется с динамическими (критическими) методологиями, в отличие от стандартных пассивных методологий «тинктуры», которые лучше подходят для спирта. Глицерин обладает внутренним свойством не денатурировать или не делать инертными компоненты ботанического препарата, как это делают спирты ( этанол , метанол и т. д.). Глицерин является стабильным консервантом для ботанических экстрактов, который при использовании в надлежащих концентрациях в основе экстракционного растворителя не допускает инвертирования или смягчает восстановительно-окислительное воздействие компонентов готового экстракта даже в течение нескольких лет. [ необходима цитата ] И глицерин, и этанол являются жизнеспособными консервантами. Глицерин обладает бактериостатическим действием, а этанол — бактерицидным. [29] [30] [31]
Глицерин, наряду с пропиленгликолем , является распространенным компонентом электронной жидкости , раствора, используемого в электронных испарителях ( электронных сигаретах ). Этот глицерин нагревается с помощью распылителя (нагревательной спирали, часто сделанной из проволоки Кантал ), производя аэрозоль , который доставляет никотин пользователю. [32]
Подобно этиленгликолю и пропиленгликолю, глицерин является неионным космотропом , который образует прочные водородные связи с молекулами воды, конкурируя с водородными связями вода-вода . Это взаимодействие нарушает образование льда. Минимальная температура замерзания составляет около −38 °C (−36 °F), что соответствует 70% глицерина в воде.
Глицерин исторически использовался в качестве антифриза для автомобильных применений, прежде чем был заменен этиленгликолем, который имеет более низкую точку замерзания. Хотя минимальная точка замерзания смеси глицерина и воды выше, чем у смеси этиленгликоля и воды, глицерин нетоксичен и пересматривается для использования в автомобильных применениях. [33] [34]
В лаборатории глицерин является обычным компонентом растворителей для ферментативных реагентов , хранящихся при температурах ниже 0 °C (32 °F) из-за понижения температуры замерзания . Он также используется в качестве криопротектора , когда глицерин растворяется в воде для уменьшения повреждения кристаллами льда лабораторных организмов, которые хранятся в замороженных растворах, таких как грибы , бактерии , нематоды и эмбрионы млекопитающих. Некоторые организмы, такие как болотная лягушка, вырабатывают глицерин, чтобы выжить при температурах замерзания во время спячки. [35]
Глицерин используется для производства множества полезных производных.
Нитрация дает нитроглицерин , важный компонент различных взрывчатых веществ, таких как динамит , гелигнит и ракетное топливо, такое как кордит . Нитроглицерин под названием глицерилтринитрат (ГТН) обычно используется для облегчения стенокардии , принимается в форме сублингвальных таблеток, пластырей или в виде аэрозольного спрея.
Трифункциональные полиэфирполиолы производятся из глицерина и пропиленоксида .
Окисление глицерина дает мезоксалевую кислоту . [36] Дегидратация глицерина дает гидроксиацетон .
Хлорирование глицерина дает 1-хлорпропан-2,3-диол :
Это же соединение можно получить путем гидролиза эпихлоргидрина. [37]
Глицерин используется в качестве наполнителя для манометров для гашения вибрации. Внешние вибрации от компрессоров, двигателей, насосов и т. д. создают гармонические колебания внутри манометров Бурдона , которые могут привести к чрезмерному движению стрелки, давая неточные показания. Чрезмерное колебание стрелки также может повредить внутренние шестерни или другие компоненты, вызывая преждевременный износ. Глицерин, заливаемый в манометр для замены воздушного пространства, уменьшает гармонические колебания, которые передаются на иглу, увеличивая срок службы и надежность манометра. [38]
Глицерин используется декораторами при съемках сцен с водой, чтобы предотвратить слишком быстрое высыхание области, которая должна выглядеть мокрой. [39]
Глицерин также используется при создании театрального дыма и тумана в качестве компонента жидкости, используемой в дым-машинах в качестве замены гликолю , который, как было показано, является раздражителем при длительном воздействии.
Глицерин иногда можно использовать в качестве замены воды при ультразвуковом контроле , так как он имеет более высокое акустическое сопротивление (2,42 Мрейл против 1,483 Мрейл для воды), будучи при этом относительно безопасным, нетоксичен, не вызывает коррозии и имеет относительно низкую стоимость. [40]
Глицерин также используется для питания дизельных генераторов, поставляющих электроэнергию для гоночных автомобилей серии FIA Formula E. [41]
Продолжаются исследования потенциальных продуктов с добавленной стоимостью из глицерина, полученных при производстве биодизеля. [42] Примеры (помимо сжигания отходов глицерина):
Глицерин является предшественником синтеза триацилглицеринов и фосфолипидов в печени и жировой ткани . Когда организм использует накопленный жир в качестве источника энергии, глицерин и жирные кислоты высвобождаются в кровоток.
Глицерин в основном метаболизируется в печени. Инъекции глицерина можно использовать в качестве простого теста на повреждение печени, поскольку скорость его абсорбции печенью считается точным показателем здоровья печени. Метаболизм глицерина снижается как при циррозе, так и при жировой болезни печени . [54] [55]
Уровень глицерина в крови сильно повышается при диабете и считается причиной снижения фертильности у пациентов, страдающих диабетом и метаболическим синдромом. Уровень глицерина в крови у пациентов с диабетом в среднем в три раза выше, чем у здоровых людей. Было обнаружено, что прямая обработка яичек глицерином вызывает значительное долгосрочное снижение количества сперматозоидов. Дальнейшие испытания по этому вопросу были прекращены из-за неожиданных результатов, поскольку это не было целью эксперимента. [56]
Циркулирующий глицерин не гликирует белки, как это делают глюкоза или фруктоза, и не приводит к образованию конечных продуктов гликирования (AGE). В некоторых организмах компонент глицерина может напрямую входить в путь гликолиза и, таким образом, обеспечивать энергию для клеточного метаболизма (или, потенциально, преобразовываться в глюкозу через глюконеогенез ).
Прежде чем глицерин сможет вступить в путь гликолиза или глюконеогенеза (в зависимости от физиологических условий), он должен быть преобразован в промежуточный продукт глицеральдегид-3-фосфат в ходе следующих этапов:
Фермент глицеролкиназа присутствует в основном в печени и почках, а также в других тканях организма, включая мышцы и мозг. [57] [58] [59] В жировой ткани глицерол-3-фосфат получается из дигидроксиацетонфосфата с помощью фермента глицерол-3-фосфатдегидрогеназы .
Глицерин имеет очень низкую токсичность при приеме внутрь; его LD 50 пероральная доза для крыс составляет 12600 мг/кг и 8700 мг/кг для мышей. Он, по-видимому, не вызывает токсичности при вдыхании, хотя изменения в зрелости клеток произошли в небольших участках легких у животных при самой высокой измеренной дозе. Субхроническое 90-дневное исследование вдыхания только через нос у крыс Sprague–Dawley (SD), подвергшихся воздействию 0,03, 0,16 и 0,66 мг/л глицерина (на литр воздуха) в течение 6-часовых непрерывных сеансов, не выявило никакой токсичности, связанной с лечением, за исключением минимальной метаплазии эпителиальной выстилки у основания надгортанника у крыс, подвергшихся воздействию 0,66 мг/л глицерина. [60] [61]
Чрезмерное потребление детьми может привести к отравлению глицерином. [62] Симптомы интоксикации включают гипогликемию , тошноту и потерю сознания . Хотя интоксикация в результате чрезмерного потребления глицерина встречается редко, а ее симптомы обычно слабо выражены, время от времени сообщалось о госпитализации. [63] В Соединенном Королевстве в августе 2023 года Агентство по стандартам пищевых продуктов рекомендовало производителям сиропа, используемого в напитках со льдом , уменьшить количество глицерина в своих рецептурах, чтобы снизить риск интоксикации. [64]
Food Standards Scotland рекомендует не давать детям младше 4 лет напитки со льдом, содержащие глицерин, из-за риска интоксикации. Также рекомендуется, чтобы компании не использовали предложения бесплатной доливки напитков в местах, где дети младше 10 лет, вероятно, будут их употреблять, и чтобы продукты были соответствующим образом маркированы, чтобы информировать потребителей о наличии глицерина. [65]
4 мая 2007 года FDA рекомендовало всем американским производителям лекарств проверить все партии глицерина на предмет загрязнения диэтиленгликолем . [66] Это произошло после того, как в Панаме произошло несколько сотен смертельных отравлений из-за фальсифицированной импортной таможенной декларации панамской импортно-экспортной фирмы Aduanas Javier de Gracia Express, SA. Более дешевый диэтиленгликоль был перемаркирован как более дорогой глицерин. [67] [68] В период с 1990 по 1998 год сообщалось о случаях отравления ДЭГ в Аргентине, Бангладеш, Индии и Нигерии, в результате чего погибли сотни людей. В 1937 году в Соединенных Штатах более ста человек умерли после приема эликсира сульфаниламида, загрязненного ДЭГ, препарата, используемого для лечения инфекций. [69]
Происхождение префиксов gly- и glu- для гликолей и сахаров происходит от древнегреческого γλυκύς glukus , что означает сладкий. [70] Название глицерин было придумано около 1811 года Мишелем Эженом Шеврёлем для обозначения того, что ранее называл «сладким принципом жира» его первооткрыватель Карл Вильгельм Шееле . Оно было заимствовано в английский язык около 1838 года и в 20 веке вытеснено 1872 годом термином глицерин с суффиксом спиртов -ол.
Таблица тепловых и физических свойств насыщенного жидкого глицерина: [71] [72]
{{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )