Диацетил

Диацетил (химическая формула C₄H₆O₂, систематическое название — бутан-2,3-дион) — органическое соединение из класса дикетонов, представляющее собой жёлтую жидкость с характерным маслянистым запахом. В малых концентрациях диацетил обладает интенсивным ароматом сливочного масла, что обусловило его широкое применение в пищевой промышленности в качестве ароматизатора. В природе соединение образуется в процессе ферментации и содержится во многих продуктах, включая сливочное масло, пиво, кофе и некоторые фрукты.

История открытия и изучения

Диацетил был впервые выделен и описан в 1860 году немецким химиком Карлом Генрихом Риттером фон Лауэром. Первоначально соединение привлекло внимание как компонент, придающий характерный вкус и запах сливочному маслу. В 1903 году французский химик Эжен Шарль Фабр установил, что именно диацетил является основным носителем аромата масла, а не другие сопутствующие вещества. В 1920-х годах с развитием пищевой химии началось промышленное производство диацетила для использования в качестве ароматизатора, в первую очередь в маргарине и выпечке. В 1930-х годах было обнаружено, что диацетил образуется в пиве в процессе брожения, что объясняет его характерный привкус в некоторых сортах. В 2000-х годах внимание учёных и общественности привлекли данные о потенциальной опасности диацетила при вдыхании, что привело к пересмотру норм безопасности на производстве.

Физические и химические свойства

Диацетил представляет собой простейший дикетон, в молекуле которого две карбонильные группы (C=O) расположены у соседних атомов углерода. Это соединение относится к так называемым 1,2-дикетонам.

Основные физические характеристики:

• Молярная масса: 86,09 г/моль.
• Температура плавления: от −2,4 до −1,2 °C.
• Температура кипения: 88 °C.
• Плотность: 0,985 г/см³ при 20 °C.
• Растворимость: хорошо растворим в воде (около 200 г/л), а также в этаноле, диэтиловом эфире и большинстве органических растворителей.
• Внешний вид: жёлтая или зеленовато-жёлтая маслянистая жидкость.

Химические свойства:

• Легко окисляется на воздухе, образуя уксусную кислоту и другие продукты.
• Вступает в реакции конденсации с аминами, образуя окрашенные соединения (например, в пробах на мочевину).
• При нагревании с основаниями может разлагаться.
• Обладает характерной для дикетонов способностью к образованию хелатных комплексов с металлами.

Биосинтез и природные источники

В природе диацетил образуется в результате метаболизма микроорганизмов, в первую очередь бактерий рода Lactococcus и Leuconostoc, а также некоторых дрожжей. В процессе ферментации молочного сахара (лактозы) эти бактерии продуцируют диацетил как побочный продукт. Этим объясняется характерный аромат сливочного масла, сметаны, йогурта и некоторых сыров.

Основные природные источники:

• Сливочное масло (особенно топлёное) — концентрация может достигать нескольких миллиграммов на килограмм.
• Пиво — особенно традиционные сорта, проходящие длительную ферментацию (например, бельгийские эли). В больших количествах диацетил считается дефектом вкуса.
• Кофе — образуется при обжарке зёрен.
• Фрукты и ягоды — малина, клубника, черника.
• Мёд — в небольших количествах.
• Виноградное вино — особенно в процессе малолактической ферментации.

Применение

Пищевая промышленность

Основное применение диацетила — в качестве ароматизатора, имитирующего вкус и запах сливочного масла. Он входит в состав многих пищевых продуктов:

• Маргарин и спреды.
• Выпечка (печенье, кексы, крекеры).
• Молочные десерты (пудинги, мороженое).
• Попкорн для микроволновых печей (так называемый «масляный» попкорн).
• Сухие смеси для соусов и супов.

В России и странах Таможенного союза диацетил зарегистрирован как пищевая добавка с кодом Е-1510. Допустимая суточная доза (ДСП) установлена на уровне 0–15 мг/кг массы тела.

Производство ароматизаторов

Диацетил используется как компонент сложных ароматических композиций для придания маслянистых, сливочных и ореховых нот. Он часто применяется в сочетании с другими ароматизаторами (ваниль, карамель, орехи).

Лабораторная практика

В аналитической химии диацетил используется в качестве реагента для качественного определения мочевины (реакция с диацетилом в кислой среде даёт жёлтое окрашивание). Также он применяется в синтезе некоторых гетероциклических соединений.

Влияние на здоровье и безопасность

Острая токсичность

При пероральном поступлении диацетил обладает низкой токсичностью. ЛД50 для крыс составляет около 1,5 г/кг массы тела. В малых дозах, типичных для пищевых продуктов, он не представляет опасности для здоровья.

Облитерирующий бронхиолит

Основная опасность диацетила связана с его вдыханием в высоких концентрациях. В 2000-х годах у работников предприятий по производству попкорна для микроволновых печей было зафиксировано заболевание, получившее название «попкорновая болезнь лёгких» (облитерирующий бронхиолит). Исследования показали, что причиной является вдыхание паров диацетила. В результате в США и других странах были введены строгие нормы предельно допустимой концентрации (ПДК) диацетила в воздухе рабочей зоны (обычно не более 0,02–0,05 ppm).

Регулирование

• В США Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) признаёт диацетил безопасным (GRAS) при использовании в качестве ароматизатора в пищевых продуктах, но рекомендует ограничить его содержание в воздухе на производстве.
• В Европейском союзе диацетил разрешён как пищевая добавка E-1510.
• В России и странах ЕАЭС диацетил разрешён для использования в пищевых продуктах в соответствии с Техническим регламентом Таможенного союза «Требования безопасности пищевых добавок, ароматизаторов и технологических вспомогательных средств» (ТР ТС 029/2012).

Интересные факты

• Диацетил является одним из немногих органических соединений, которое можно определить органолептически (по запаху) в концентрациях до 0,01 ppm.
• В пивоварении диацетил считается «дефектом вкуса» для большинства сортов, но в некоторых традиционных сортах (например, в английских элях) его наличие в малых количествах допустимо и даже желательно.
• В природе диацетил содержится в выделениях некоторых насекомых (например, муравьёв) как сигнальное вещество.
• Синтез диацетила в промышленности осуществляется путём окисления 2,3-бутандиола или гидратации ацетилена.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
• Справочник пищевых добавок / под ред. А. П. Нечаева. — М.: Колос, 2000.
• Технический регламент Таможенного союза «Требования безопасности пищевых добавок, ароматизаторов и технологических вспомогательных средств» (ТР ТС 029/2012).
• Kreiss K. et al. Clinical bronchiolitis obliterans in workers at a microwave-popcorn plant // New England Journal of Medicine. — 2002. — Vol. 347, № 5.
• Van Netten C. et al. Diacetyl: a review of its toxicity and occupational exposure // Journal of Occupational and Environmental Hygiene. — 2003. — Vol. 1, № 1.