Акриламид

Акриламид — это органическое соединение, амид акриловой кислоты, представляющее собой белое кристаллическое вещество без запаха. В промышленности используется в основном как мономер для синтеза полиакриламида, а также в лабораторной практике и при производстве косметики. В бытовом контексте акриламид известен как вещество, образующееся в некоторых продуктах питания при высокотемпературной обработке (жарке, запекании, выпечке) и обладающее потенциальной канцерогенной и нейротоксической активностью.

Химические свойства и строение

Акриламид (C₃H₅NO) относится к классу амидов карбоновых кислот. Его молекула содержит двойную связь (винильную группу) и амидную группу. Благодаря наличию двойной связи акриламид легко полимеризуется, образуя длинные цепи полиакриламида. Реакция полимеризации может инициироваться нагреванием, ультрафиолетовым излучением или химическими инициаторами.

Основные физико-химические характеристики:

• Молярная масса: 71,08 г/моль.
• Температура плавления: 84,5 °C.
• Температура кипения: 125 °C (при 25 мм рт. ст.), при атмосферном давлении разлагается.
• Растворимость: хорошо растворим в воде, этаноле, ацетоне; плохо — в неполярных растворителях.
• Гигроскопичность: вещество активно поглощает влагу из воздуха.

Акриламид является токсичным веществом: он обладает острой токсичностью (LD₅₀ для крыс при пероральном введении составляет около 150–200 мг/кг), а также проявляет нейротоксические, мутагенные и канцерогенные свойства. Международное агентство по изучению рака (МАИР) классифицирует акриламид как «вероятный канцероген для человека» (группа 2A).

История открытия и использования

Акриламид был впервые синтезирован в 1893 году французским химиком Шарлем Муассаном. Однако промышленное значение он приобрёл лишь в середине XX века, когда были разработаны методы его крупнотоннажного производства. В 1950-х годах началось активное применение полиакриламида, получаемого из акриламида, в качестве флокулянта для очистки воды.

В 2002 году шведские учёные из Стокгольмского университета совместно с Национальным управлением по продовольствию Швеции обнаружили, что акриламид образуется в некоторых продуктах питания при нагревании. Это открытие вызвало широкий общественный резонанс и привело к многочисленным исследованиям его содержания в пище.

Промышленное производство

В промышленности акриламид получают преимущественно гидратацией акрилонитрила. Существует два основных способа:

1. Каталитический гидролиз — проводится в присутствии медно-хромового или медно-цинкового катализатора при температуре 70–120 °C и давлении. Этот метод даёт высокий выход продукта, но требует очистки от побочных продуктов.
2. Биокаталитический гидролиз — с использованием фермента нитрилгидратазы, вырабатываемого бактериями Rhodococcus rhodochrous. Этот способ более экологичен, так как протекает при мягких условиях (20–30 °C, атмосферное давление) и не требует агрессивных реагентов.

Мировое производство акриламида составляет около 300–400 тысяч тонн в год. Основные производители — компании из Китая, США, Германии и Японии.

Применение

Полиакриламид и его производные

Основная область применения акриламида — синтез полиакриламида (ПАА). Полиакриламид используется в качестве:

• Флокулянта — для очистки сточных вод и питьевой воды, обезвоживания осадков.
• Загустителя — в нефтедобыче (для повышения вязкости воды при заводнении пластов), в производстве бумаги и текстиля.
• Структурообразователя — в косметике (гели, кремы) и в сельском хозяйстве (для удержания влаги в почве).
• Геля для электрофореза — в биохимии и молекулярной биологии для разделения белков и нуклеиновых кислот.

Лабораторное использование

Акриламид в чистом виде применяется в лабораториях для приготовления полиакриламидных гелей (ПААГ-электрофорез). В этом случае он используется в смеси с бис-акриламидом (сшивающим агентом).

Другие применения

• Входит в состав некоторых клеев и герметиков.
• Используется при синтезе красителей и фармацевтических препаратов.
• Применяется в качестве реагента для получения полимеров с заданными свойствами.

Образование в пищевых продуктах

Акриламид образуется в продуктах питания при нагревании выше 120 °C в результате реакции Майяра — взаимодействия аминокислот (прежде всего аспарагина) с восстанавливающими сахарами (глюкозой, фруктозой). Этот процесс происходит при жарке, запекании, выпечке, а также при промышленной обработке продуктов.

Продукты с высоким содержанием акриламида

• Картофельные чипсы и картофель фри.
• Хлебобулочные изделия (особенно корки хлеба, печенье, крекеры).
• Зерновые завтраки (кукурузные хлопья, мюсли).
• Кофе (в процессе обжарки зёрен).
• Жареные орехи и миндаль.

Содержание акриламида в продуктах может варьироваться от нескольких микрограммов до нескольких миллиграммов на килограмм. Например, в картофельных чипсах оно может достигать 1000–4000 мкг/кг, а в кофе — 200–500 мкг/кг.

Факторы, влияющие на образование

• Температура и время нагрева: чем выше температура и дольше обработка, тем больше акриламида.
• Содержание аспарагина и сахаров: в картофеле и зерновых эти вещества присутствуют в значительных количествах.
• pH среды: образование акриламида ускоряется в нейтральной и слабощелочной среде.
• Влажность: при высокой влажности (варка, тушение) акриламид не образуется, так как температура не превышает 100 °C.

Влияние на здоровье человека

Острая токсичность

При остром отравлении акриламидом (например, при промышленных авариях) наблюдаются нарушения нервной системы: слабость в конечностях, атаксия, тремор, потеря чувствительности. В тяжёлых случаях возможны параличи.

Хроническое воздействие

Длительное поступление малых доз акриламида с пищей связывают с повышенным риском развития рака (по данным экспериментов на животных). Однако эпидемиологические исследования на людях не дали однозначных результатов: некоторые из них показывают слабую связь между потреблением продуктов с акриламидом и заболеваемостью раком почек, яичников и эндометрия, другие — не обнаруживают такой связи.

Нейротоксичность

Акриламид является нейротоксином, поражающим периферическую нервную систему. У рабочих, контактировавших с акриламидом, описаны случаи полинейропатии. Для населения основным источником является пища, однако уровни поступления значительно ниже токсических.

Регулирование и нормативы

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) и Европейское агентство по безопасности продуктов питания (EFSA) рекомендуют снижать содержание акриламида в пищевых продуктах. В 2017 году Европейская комиссия установила «ориентировочные уровни» (benchmark levels) для акриламида в различных категориях продуктов. В России и странах Евразийского экономического союза действуют технические регламенты, устанавливающие предельно допустимые уровни акриламида в некоторых продуктах (например, в хлебе, чипсах, кофе).

Методы снижения содержания акриламида в пище

Производители продуктов питания и домашние кулинары могут применять следующие меры для уменьшения образования акриламида:

• Снижение температуры и времени обработки — запекание при 180 °C вместо 220 °C, использование конвекции.
• Предварительная обработка сырья — замачивание картофеля в воде перед жаркой (вымывает часть сахаров и аспарагина), бланширование.
• Добавление кислот — лимонная или уксусная кислота снижают pH, замедляя реакцию Майяра.
• Использование ферментов — аспарагиназа (фермент, расщепляющий аспарагин) применяется в промышленности для снижения содержания акриламида в хлебе и чипсах.
• Выбор сортов — картофель с низким содержанием сахаров (например, сорта для фри) даёт меньше акриламида.

Экологические аспекты

Акриламид является токсичным для водных организмов. При производстве и использовании полиакриламида возможно попадание мономера в окружающую среду. В почве и воде акриламид разлагается под действием микроорганизмов, но этот процесс может занимать от нескольких дней до нескольких недель. В России и других странах установлены предельно допустимые концентрации акриламида в воде (0,01 мг/л) и воздухе рабочей зоны (0,3 мг/м³).

Интересные факты

• Акриламид был обнаружен в продуктах питания случайно в 2002 году при исследовании других веществ. До этого считалось, что он может образовываться только в промышленных условиях.
• В 2005 году Всемирная организация здравоохранения провела консультацию по акриламиду, на которой было рекомендовано продолжать исследования и разрабатывать меры по снижению его содержания в пище.
• Некоторые производители кофе используют специальные технологии обжарки (например, более длительную при низкой температуре), чтобы снизить содержание акриламида, сохраняя при этом вкус.

Источники

1. Mottram D.S., Wedzicha B.L., Dodson A.T. Acrylamide is formed in the Maillard reaction // Nature. — 2002. — Vol. 419, № 6906. — P. 448–449.
2. Tareke E., Rydberg P., Karlsson P. et al. Analysis of acrylamide, a carcinogen formed in heated foodstuffs // Journal of Agricultural and Food Chemistry. — 2002. — Vol. 50, № 17. — P. 4998–5006.
3. EFSA Panel on Contaminants in the Food Chain (CONTAM). Scientific Opinion on acrylamide in food // EFSA Journal. — 2015. — Vol. 13, № 6. — 4104 p.
4. Всемирная организация здравоохранения. Acrylamide in food: report of a joint FAO/WHO consultation. — Geneva: WHO, 2002.
5. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности пищевой продукции» (ТР ТС 021/2011). — М.: Евразийская экономическая комиссия, 2011.
6. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Под ред. И.Л. Кнунянца. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 123–124.