Глава 20. Эфиры пироугольной кислоты

1.Синонимы

    IUPAC: эфиры диугольной кислоты.

    Русский: пирокарбонаты, дикарбонаты.

2.Историческая справка

    Антимикробное действие эфиров пироугольной кислоты впервые было описано в 1956 году Бернхардом, Тома и Гентом 111. В некоторых странах диэтиловый эфир диугольной кислоты в середине 60-х годов использовался для консервирования вин и безалкогольных напитков. В настоящее время вместо диэтилпирокарбоната (от которого отказались около 1973 года ввиду его токсичности) используется диметилпирокарбонат.

3.Товарные формы

    Интерес для промышленного использования представляют низшие эфиры пироугольной кислоты. Ранее применялся диэтиловый эфир (торговая марка Baycovin^®). Используемый в настоящее время диметиловый эфир выпускается под торговой маркой Velcorin^®.

4.Свойства

    Диметилпирокарбонат СН₃О-СО-О-СО-ОСН₃ представляет собой бесцветную жидкость с фруктовым запахом, застывающую при 17°С. С этанолом и Другими спиртами он смешивается во всех отношениях; растворимость в воде составляет 3,65%.

    Диэтилпирокарбонат С₂Н₅О-СО-О-СО-ОС₂Н, представляет собой бесцветную жидкость с фруктовым запахом, кипящую при 180°С с разложением. С этанолом и другими спиртами он смешивается во всех отношениях; растворимость в воде составляет 0,6%.

    В присутствии воды оба эфира гидролизуются до соответствующего спирта и углекислоты. Скорость гидролиза не зависит от давления углекислого газа, но зависит от температуры и рН. Этиловый эфир в напитках при комнатной температуре полностью гидролизуется в течение 20-24 часов |2|. В тех же условиях гидролиз метилового эфира протекает в 3-4 раза быстрее |3|. Его концентрация в сильнокислых фруктовых соках (рН около 2,8) при температуре 10-30°С опускается за 65-260 минут ниже предела обнаружения.

    Пирокарбонаты реагируют не только с водой, но и с другими составляющими напитков. С этанолом они образуют диэтилкарбонат или метилэтилкарбонат |4, 5|. В присутствии солей аммония из диэтилдикарбоната образуется в небольшом количестве этилкарбамат |6, 7, 8|, а из диметилдикарбоната - метилкарбамат |3|. Диметилдикарбонат реагирует также с высшими спиртами, образуя следовые количества (миллиардные доли) соответствующих карбонатов |9|.

5.Аналитические сведения

    Для установления факта обработки вина диэтилпирокарбонатом можно провести газохроматографическое исследование на присутствие диэтилкарбоната |10|. С помощью хроматографии можно обнаружить и метилэтилкарбонат |2|.

    Дикарбонаты можно определить фотометрически и титрованием |11|. Газохроматографический анализ сероуглеродного экстракта предложен АОАС⁹³ в качестве официального метода 112|.

6.Токсиколого-гигиеническая оценка

    Острая токсичность. Для крыс LD₅₀ диэтилпирокарбоната при использовании масляного раствора составляет 1 -1,5 г на 1 кг массы тела |13|. При оральном введении крысам более 350-500 мг диметилпирокарбоната на 1 кг массы тела появляются локальные раздражения, и, как следствие, значение острой токсичности для него определить не удаётся |14|.

    Для быстро распадающихся веществ, какими и являются пирокарбонаты, их собственная острая токсичность имеет меньшее значение, чем токсичность продуктов реакции, которые могут из них образовываться.

    Эфиры пироугольной кислоты раздражают кожу и слизистые оболочки; поэтому с ними следует обращаться осторожно.

    Субхроническая токсичность. При скармливании крысам в течение нескольких месяцев свежеприготовленных масляных растворов диэтилпирокарбоната не удалось обнаружить никаких вредных воздействий |13|. Напитки, содержащие 4 г диметилпирокарбоната на 1 л, также переносились в течение 3 месяцев без каких-либо реакций |3|.

    Хроническая токсичность. При оценке хронической токсичности диэтилпирокарбоната оказалось, что более всего опасен один из продуктов его распада - этилкарбамат |6|. Он проявляет канцерогенность у крыс, мышей и хомяков как при оральном введении, так и при ингаляции.

    В Германии этилкарбамат в результате опытов на животных признан явным канцерогеном |15, 16|. Вероятно, его канцерогенное действие возникает из-за превращения в винилкарбамат с последующим окислением до эпоксиэтилкарбамата, так как соответствующие оксоэтиладдукты с ДН К и белками были обнаружены в работе |17|. Поскольку этилкарбамат образуется при реакции ионов аммония с диэтилпирокарбонатом, применение последнего в пищевых продуктах было запрещено.

    Аналогичный продукт превращения диметилпирокарбоната - метилкарбамат не проявляет канцерогенного действия |3| и потому безопасен |14|. В напитках допускается присутствие метилкарбамата в концентрации до 0,02 мг/л. SCF не возражает против использования диметилпирокарбоната в напитках в концентрации 125-250 мг/л |18|. Обобщённые токсикологические данные приведены в работе |19|.

7.Законодательные аспекты применения в пищевых продуктах

     В настоящее время все разрешения на применение диэтилпирокарбоната, имевшиеся в некоторых странах, отменены. Диметилдикарбонат иногда используется, например в безалкогольных напитках (но не в вине), как не требующая разрешения пищевая добавка, поскольку он отсутствует в готовом продукте. В Европейском Союзе он под индексом Е242 разрешён для применения в некоторых напитках. Ограниченное разрешение существует и в других странах, например в США для вин, холодного чая и чайных экстрактов⁹⁴.

8.Действие на микроорганизмы

    Общие принципы действия. Пирокарбонаты уничтожают микроорганизмы быстрее, чем обычные консерванты; поэтому их следует считать скорее дезинфицирующими, чем консервирующими средствами. Эфиры пироугольной кислоты так и называют - средства холодной стерилизации.

    Антимикробное действие диэтилпирокарбоната основано на его взаимодействии с ферментами и мембранами микроорганизмов |20|.

    Концентрация эфиров пироугольной кислоты, необходимая для уничтожения микроорганизмов, сильно зависит от уровня обсеменённости; при увеличении числа микробов в 10 раз концентрация пирокарбоната должна быть удвоена. Ниже показано действие эфиров пироугольной кислоты против дрожжей вида Saccharomyces cervisiae при различной обсеменённости:

    Число микроорганизмов в 1 мл                                                 6000     600       60       <10

    Необходимая для их уничтожения концентрация, мг/кг         200      100       60        30

    Спектр действия. Диэтил- и диметилпирокарбонаты действуют преимущественно против дрожжей, много меньше против бактерий и слабее всего против плесневых грибов. Большинство дрожжей при низком уровне обсеменённости (400-600 мл^-1) погибает при концентрации пирокарбонатов порядка 100 мг/кг. В модельных опытах с вином обнаружилось, что при обсеменённости от 50 до 200 мл^-1 большинство видов дрожжей погибает уже после добавления 25 мг диметилпирокарбоната на 1 л вина |21|, для бактерий и плесневых грибов требуются в 3-5 раз большие концентрации |3|.

    Приведённые выше литературные данные о минимальной эффективной концентрации пирокарбонатов по отношению к отдельным видам микроорганизмов несравнимы друг с другом из-за сильной зависимости эффективности действия от обсеменённости продукта.

9.Области применения

    Пирокарбонаты обладают уникальным для консервантов свойством: в присутствии воды они за короткое время распадаются до микробиологически нейтральных веществ. Это определяет особенности их применения: только в продуктах, которые (после уничтожения имеющихся в них микроорганизмов) будут защищены от повторного инфицирования соответствующими технологическими приёмами. Поэтому область использования пирокарбонатов ограничивается напитками, которые сразу после обработки разливают в закрытые ёмкости. В связи с быстрым распадом (особенно метилового эфира) пирокарбонаты следует вводить непосредственно перед заполнением бутылок.

    Дозирование осуществляется специально сконструированным насосом, который позволяет непрерывно и безопасно вводить малые количества вещества. При использовании диметилпирокарбоната, имеющего температуру кристаллизации 17°С, дозирующий насос в холодных помещениях приходится подогревать.

    Так как эффективность обоих эфиров примерно одинакова, их концентрации, рекомендуемые для использования, близки. Для газированных безалкогольных напитков они равны 50-150 мг/л, для негазированных напитков – 100-200 мг/л. Когда диэтилпирокарбонат применялся для обеззараживания вина, его концентрация составляла 110-170 мг/л |11|.

    Диметилпирокарбонат может использоваться в виноградных соках и тома-то продуктах как ингибитор дрожжей |22, 23|. Правда, из-за быстрого гидролиза в дополнение к нему необходимо использовать сорбат калия. Последний обеспечивает длительную защиту, особенно при высоких температурах хранения. В концентрации примерно 250 мг/кг диметилпирокарбонат отрицательно влияет на окраску томатного сока и содержание в нём      β-каротина и аскорбиновой кислоты. Сочетание пирокарбонатов с сорбатом калия или бензоатом натрия позволяет предотвратить эти явления |23|.

Примечания

⁹³ Association of Official Analitycal Chemists - Ассоциация официальных химиков-аналитиков.

⁹⁴ В России диметилдикарбонат (Е242) включён (в качестве консерванта) в список пищевых добавок, разрешенных к применению при производстве пищевых продуктов.