Глицерин ( / ˈ ɡ l ɪ s ə r ɒ l / ), [6] также называемый глицерином или глицерином , представляет собой простое триольное соединение. Это бесцветная вязкая жидкость без запаха, сладкого вкуса и нетоксичная. Глицериновая основа содержится в липидах, известных как глицериды . Поскольку он обладает противомикробными и противовирусными свойствами, он широко используется при лечении ран и ожогов, одобренных Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США . И наоборот, его также используют в качестве бактериальной культуральной среды. [7] Его присутствие в крови можно использовать в качестве эффективного маркера для измерения заболеваний печени. Он также широко используется в качестве подсластителя в пищевой промышленности и в качестве увлажнителя в фармацевтических препаратах . Благодаря трем гидроксильным группам глицерин смешивается с водой и гигроскопичен по своей природе. [8]
Хотя глицерин ахирален , он прохирален по отношению к реакциям одного из двух первичных спиртов. Таким образом, в замещенных производных стереоспецифическая нумерация маркирует молекулу префиксом sn - перед основным названием молекулы. [9] [10] [11]
Глицерин обычно получают из растительных и животных источников, где он встречается в виде триглицеридов , сложных эфиров глицерина с длинноцепочечными карбоновыми кислотами . Гидролиз , омыление или переэтерификация этих триглицеридов дает глицерин , а также производное жирной кислоты:
Триглицериды можно омылить гидроксидом натрия с получением глицерина и жирной натриевой соли или мыла .
Типичные растительные источники включают соевые бобы или пальмы . Еще одним источником является жир животного происхождения . Примерно 950 000 тонн в год производится в США и Европе; С 2000 по 2004 год только в США производилось 350 000 тонн глицерина в год. [12] Директива ЕС 2003/30/EC установила требование о том, что к 2010 году 5,75% нефтяного топлива должны быть заменены источниками биотоплива во всех государствах-членах. В 2006 году прогнозировалось, что к 2020 году производство превысит спрос в шесть раз, что приведет к избытку глицерина как побочного продукта производства биотоплива. [8]
Глицерин из триглицеридов производится в больших масштабах, но сырой продукт имеет переменное качество, а его отпускная цена составляет всего 0,02–0,05 доллара США за килограмм в 2011 году. [13] Его можно очистить, но этот процесс дорог. . Некоторое количество глицерина сжигается для получения энергии, но его теплотворная способность низка. [14]
Сырой глицерин, полученный гидролизом триглицеридов, можно очистить обработкой активированным углем для удаления органических примесей, щелочью для удаления непрореагировавших эфиров глицерина и ионным обменом для удаления солей. Глицерин высокой чистоты (более 99,5%) получают путем многоступенчатой перегонки; необходима вакуумная камера из-за высокой температуры кипения (290 ° C ) . [8]
Из-за масштабного производства биодизеля из жиров, отходами которого является глицерин, рынок глицерина находится в депрессии. Таким образом, синтетические процессы неэкономичны . Из-за избытка предложения предпринимаются усилия по переработке глицерина в синтетические прекурсоры, такие как акролеин и эпихлоргидрин. [15]
Хотя обычно глицерин нерентабелен, поскольку в результате переработки жиров производится очень много, его можно производить различными способами. Во время Второй мировой войны производство синтетического глицерина стало приоритетом национальной обороны, поскольку оно является предшественником нитроглицерина. Эпихлоргидрин является наиболее важным предшественником. Хлорирование пропилена дает аллилхлорид , который окисляется гипохлоритом до дихлоргидрина , который реагирует с сильным основанием с образованием эпихлоргидрина . Эпихлоргидрин гидролизуется до глицерина. Бесхлорные процессы получения пропилена включают синтез глицерина из акролеина и оксида пропилена . [8]
В продуктах питания и напитках глицерин служит увлажнителем , растворителем и подсластителем , а также может помочь сохранить продукты . Он также используется в качестве наполнителя в готовых нежирных продуктах (например, печенье ) и в качестве загустителя в ликерах . Глицерин и вода используются для консервирования некоторых видов листьев растений. [16] Как заменитель сахара , он содержит примерно 27 килокалорий на чайную ложку (в сахаре их 20) и на 60 % слаще сахарозы . Он не питает бактерии , образующие зубной налет и вызывающие кариес . [ нужна цитация ] В качестве пищевой добавки глицерин имеет обозначение E, номер E422. Его добавляют в глазурь (глазурь), чтобы она не затвердела.
При использовании в пищевых продуктах глицерин отнесен Академией питания и диетологии США к углеводам . Обозначение углеводов Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) включает все калорийные макронутриенты , за исключением белков и жиров. Глицерин имеет калорийность, аналогичную столовому сахару, но более низкий гликемический индекс и другой путь метаболизма в организме.
Его также рекомендуется в качестве добавки при использовании полиольных подсластителей, таких как эритрит и ксилит , которые обладают охлаждающим эффектом из-за его согревающего эффекта во рту, если охлаждающий эффект нежелателен. [17]
Чрезмерное употребление детьми может привести к интоксикации глицерином. [18] Симптомы интоксикации включают гипогликемию , тошноту и потерю сознания ( синкопе ). Хотя интоксикация в результате чрезмерного потребления глицерина встречается редко, а ее симптомы обычно легкие, иногда поступали сообщения о госпитализации. В Соединенном Королевстве в августе 2023 года Агентство по пищевым стандартам рекомендовало производителям сиропов, используемых в ледяных напитках, сократить количество глицерина в своих рецептурах, чтобы снизить риск интоксикации. [19]
Глицерин обладает мягким противомикробным и противовирусным действием и является одобренным FDA средством для лечения ран. Красный Крест сообщает, что 85% раствор глицерина оказывает бактерицидное и противовирусное действие, а раны, обработанные глицерином, уменьшают воспаление примерно через два часа. Благодаря этому он широко используется в средствах для ухода за ранами, в том числе в гидрогелевых пластинах на основе глицерина для лечения ожогов и других средств по уходу за ранами. Он одобрен для всех видов ухода за ранами, за исключением ожогов третьей степени, и используется для упаковки донорской кожи, используемой при трансплантации кожи. [20]
Глицерин используется в медицинских , фармацевтических препаратах и средствах личной гигиены , часто как средство, улучшающее гладкость, обеспечивающее смазку и как увлажнитель .
Ихтиоз и ксероз облегчаются местным применением глицерина. [21] [22] Он содержится в средствах для иммунотерапии аллергенов , сиропах от кашля , эликсирах и отхаркивающих средствах , зубной пасте , средствах для полоскания рта , средствах по уходу за кожей , кремах для бритья, средствах по уходу за волосами , мыле и личных смазках на водной основе . В твердых лекарственных формах, таких как таблетки, в качестве удерживающего вещества для таблеток используется глицерин. Для потребления человеком глицерин классифицируется FDA среди сахарных спиртов как калорийный макронутриент. Глицерин также используется в банках крови для сохранения эритроцитов перед замораживанием.
Глицерин входит в состав глицеринового мыла . Эфирные масла добавляются для аромата . Этот вид мыла используют люди с чувствительной, легко раздражаемой кожей , поскольку благодаря своим увлажняющим свойствам он предотвращает сухость кожи. Он вытягивает влагу через слои кожи и замедляет или предотвращает чрезмерное высыхание и испарение. [ нужна цитата ]
При приеме ректально глицерин действует как слабительное , раздражая слизистую оболочку анального отверстия и вызывая гиперосмотический эффект , [23] расширяя толстую кишку , втягивая в нее воду, вызывая перистальтику, приводящую к эвакуации . [24] Его можно назначать в неразбавленном виде либо в виде суппозиториев , либо в виде клизм небольшого объема (2–10 мл) . Альтернативно его можно вводить в виде разбавленного раствора, например 5%, в виде большой клизмы. [25]
При пероральном приеме (часто смешиваемом с фруктовым соком, чтобы уменьшить его сладкий вкус) глицерин может вызвать быстрое и временное снижение внутреннего глазного давления . Это может быть полезно для оказания первой неотложной помощи при сильно повышенном глазном давлении. [26]
В 2017 году исследователи показали, что пробиотические бактерии Limosilactobacillus reuteri можно дополнять глицерином, чтобы увеличить выработку антимикробных веществ в кишечнике человека. Было подтверждено, что он столь же эффективен, как и антибиотик ванкомицин, в ингибировании инфекции Clostridioides difficile , но не оказывает существенного влияния на общий микробный состав кишечника. [27]
Глицерин также используется в качестве компонента составов биочернил в области биопечати . [28] Содержание глицерина повышает вязкость биочернил без добавления крупных молекул белка, сахарида или гликопротеина.
При использовании в экстрактах «настойочного» метода, особенно в виде 10% раствора, глицерин предотвращает осаждение дубильных веществ в этанольных экстрактах растений ( настойках ). Он также используется как «безалкогольная» альтернатива этанолу в качестве растворителя при приготовлении экстрактов трав. Он менее экстрактивен при использовании в стандартной методике приготовления настойки. В настойках на спиртовой основе также можно удалить спирт и заменить его глицерином для его консервирующих свойств. Такие продукты не являются «безалкогольными» в научном смысле или в нормативном смысле FDA, поскольку глицерин содержит три гидроксильные группы. Производители жидких экстрактов часто экстрагируют травы в горячей воде перед добавлением глицерина для получения глицеритов . [29] [30]
Было показано, что при использовании в качестве основного «настоящего» безалкогольного растворителя для экстракции растений в методах, не основанных на настойках, глицерин обладает высокой степенью универсальности при экстракции растительных веществ, включая удаление многочисленных компонентов и сложных соединений, с экстрагирующей способностью, которая может соперничают со спиртом и водно-спиртовыми растворами. [31] Тот факт, что глицерин обладает такой высокой экстрагирующей способностью, предполагает, что он используется с использованием динамических (критических) методологий, а не стандартных методологий пассивного «настойки», которые лучше подходят для спирта. Глицерин обладает свойством не денатурировать и не делать инертными растительные компоненты, как это делают спирты ( этанол , метанол и т. д.). Глицерин является стабильным консервантом для растительных экстрактов, который при использовании в надлежащих концентрациях на основе растворителя для экстракции не позволяет инвертировать или смягчать окислительно-восстановительные компоненты готового экстракта даже в течение нескольких лет. [ нужна цитация ] И глицерин, и этанол являются жизнеспособными консервантами. Глицерин обладает бактериостатическим действием, а этанол – бактерицидным. [32] [33] [34]
Глицерин, наряду с пропиленгликолем , является распространенным компонентом жидкости для электронных сигарет , раствора, используемого в электронных испарителях ( электронных сигаретах ). Этот глицерин нагревается с помощью распылителя (нагревательная спираль, часто изготовленная из канталовой проволоки), образуя аэрозоль , который доставляет никотин пользователю. [35]
Подобно этиленгликолю и пропиленгликолю, глицерин представляет собой неионный коссмотроп , образующий 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 в автомобилях, а затем был заменен этиленгликолем, который имеет более низкую температуру замерзания. Хотя минимальная температура замерзания смеси глицерина и воды выше, чем у смеси этиленгликоля и воды, глицерин не токсичен и в настоящее время повторно исследуется для использования в автомобильной промышленности. [36] [37]
В лаборатории глицерин является распространенным компонентом растворителей ферментных реагентов , хранящихся при температуре ниже 0 ° C (32 ° F) из-за снижения температуры замерзания . Он также используется в качестве криопротектора , когда глицерин растворяется в воде, чтобы уменьшить повреждение кристаллами льда лабораторных организмов, хранящихся в замороженных растворах, таких как грибы , бактерии , нематоды и эмбрионы млекопитающих. Некоторые организмы, такие как болотная лягушка, производят глицерин, чтобы пережить отрицательные температуры во время спячки. [38]
Глицерин используется для производства множества полезных производных.
Нитрование дает нитроглицерин , важный ингредиент различных взрывчатых веществ, таких как динамит , гелигнит и пороха, такие как кордит . Нитроглицерин под названием глицерилтринитрат (ГТН) обычно используется для облегчения стенокардии в виде сублингвальных таблеток, пластырей или аэрозольного спрея.
Трехфункциональные полиэфирполиолы производятся из глицерина и оксида пропилена .
Окисление глицерина дает мезоксаловую кислоту . [39] Дегидратация глицерина дает гидроксиацетон .
Хлорирование глицерина дает 1-хлорпропан-2,3-диол :
Это же соединение можно получить гидролизом эпихлоргидрина. [40]
Глицерин используется в качестве наполнителя для манометров для гашения вибрации. Внешние вибрации от компрессоров, двигателей, насосов и т. д. создают гармонические вибрации внутри манометров Бурдона , которые могут привести к чрезмерному перемещению стрелки, что приведет к неточным показаниям. Чрезмерное покачивание иглы также может привести к повреждению внутренних шестерен или других компонентов, что приведет к преждевременному износу. Глицерин, залитый в манометр для замены воздушного пространства, уменьшает гармонические колебания, передаваемые на иглу, увеличивая срок службы и надежность манометра. [41]
Глицерин используется декораторами при съемках сцен с участием воды, чтобы предотвратить слишком быстрое высыхание области, которая должна выглядеть влажной. [42]
Глицерин также используется при производстве театрального дыма и тумана в качестве компонента жидкости, используемой в дым-машинах , в качестве замены гликоля, который, как было показано, оказывает раздражающее действие при длительном воздействии.
Глицерин иногда можно использовать в качестве замены воды при ультразвуковом тестировании , поскольку он имеет более высокий акустический импеданс (2,42 МРайл против 1,483 МРайл для воды), при этом он относительно безопасен, нетоксичен, некоррозионен и относительно недорог. [43]
Глицерин также используется для питания дизельных генераторов, снабжающих электричеством гоночные электрические автомобили FIA Formula E. [44]
Продолжаются исследования потенциальных продуктов с добавленной стоимостью из глицерина, получаемых при производстве биодизельного топлива. [45] Примеры (кроме сжигания отходов глицерина):
Глицерин является предшественником синтеза триацилглицеринов и фосфолипидов в печени и жировой ткани . Когда организм использует накопленный жир в качестве источника энергии, в кровоток высвобождаются глицерин и жирные кислоты .
Глицерин метаболизируется преимущественно в печени. Инъекции глицерина можно использовать в качестве простого теста на повреждение печени, поскольку скорость его всасывания печенью считается точным показателем здоровья печени. Метаболизм глицерина снижается как при циррозе печени, так и при жировой болезни печени . [57] [58]
Уровень глицерина в крови сильно повышается при диабете и считается причиной снижения фертильности у пациентов, страдающих диабетом и метаболическим синдромом. Уровни 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. Дальнейшее тестирование по этому вопросу было прекращено из-за неожиданных результатов, так как это не было целью эксперимента. [59]
Циркулирующий глицерин не гликирует белки, как глюкоза или фруктоза, и не приводит к образованию конечных продуктов гликирования (AGE). У некоторых организмов глицериновый компонент может напрямую вступать в путь гликолиза и, таким образом, обеспечивать энергию для клеточного метаболизма (или, потенциально, превращаться в глюкозу посредством глюконеогенеза ).
Прежде чем глицерин сможет вступить на путь гликолиза или глюконеогенеза (в зависимости от физиологических условий), он должен превратиться в промежуточный глицеральдегид-3-фосфат на следующих стадиях:
Фермент глицеринкиназа присутствует главным образом в печени и почках, а также в других тканях организма, включая мышцы и мозг. [60] [61] [62] В жировой ткани глицерин-3-фосфат получается из дигидроксиацетонфосфата с помощью фермента глицерин-3-фосфатдегидрогеназы .
Глицерин имеет очень низкую токсичность при приеме внутрь; его пероральная доза LD 50 для крыс составляет 12600 мг/кг и 8700 мг/кг для мышей. По-видимому, он не вызывает токсичности при вдыхании, хотя изменения в зрелости клеток наблюдались в небольших участках легких у животных при самой высокой измеренной дозе. Субхроническое 90-дневное исследование ингаляции только через нос на крысах линии Спрэг-Доули (SD), подвергавшихся воздействию 0,03, 0,16 и 0,66 мг/л глицерина (на литр воздуха) в течение 6-часовых непрерывных сеансов, не выявило токсичности, связанной с лечением. чем минимальная метаплазия эпителия , выстилающего основание надгортанника у крыс, подвергшихся воздействию глицерина в концентрации 0,66 мг/л. [63] [64]
4 мая 2007 года FDA рекомендовало всем производителям лекарств в США проверять все партии глицерина на загрязнение диэтиленгликолем . [65] Это последовало за сотнями смертельных отравлений в Панаме в результате фальсификации импортной таможенной декларации панамской импортно-экспортной фирмой Aduanas Javier de Gracia Express, SA. Более дешевый диэтиленгликоль был переименован в более дорогой глицерин. [66] [67] В период с 1990 по 1998 год случаи отравления ДЭГ, как сообщается, произошли в Аргентине, Бангладеш, Индии и Нигерии и привели к сотням смертей. В 1937 году более ста человек умерли в Соединенных Штатах после приема загрязненного ДЭГ эликсира сульфаниламида, препарата, используемого для лечения инфекций. [68]
Префиксы гликолей и сахаров gly- и glu происходят от древнегреческого γλυκύς glukus , что означает сладкий. [69] Название глицерин было придумано ок. 1811 год Мишеля Эжена Шеврёля для обозначения того, что его первооткрыватель Карл Вильгельм Шееле ранее называл «сладким принципом жира» . Оно было заимствовано в английский язык ок. 1838 г. и в 20 в. заменен термином глицерин в 1872 году с суффиксом спирта -ол.
Таблица теплофизических свойств насыщенного жидкого глицерина: [70] [71]
{{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )