Co to jest kwas benzoesowy (E210) i dlaczego stosuje się mniej niż benzoesan sodu w żywności?

Być może znasz już kwas benzoesowy jako substancję chemiczną. Tak, ten składnik jest powszechnie stosowany jako półprodukt przemysłowy. Ale czy słyszałeś o jego zastosowaniach w żywności? Jak to jest zrobione? Ile jego pochodnych? Dlaczego jest mniej powszechny w żywności niż benzoesan sodu? Jakie są powszechne zastosowania poza jedzeniem? …Wszystkie te odpowiedzi znajdziesz w tym artykule (czytaj dalej).

Kwas benzoesowy (europejski dodatek do żywności o numerze E210) jest aromatycznym kwasem karboksylowym, który nie jest powszechnie stosowany do konserwacji żywności ze względu na niewielką rozpuszczalność w wodzie. Jest zwykle wytwarzany z jego rozpuszczalnych soli – szeroko stosowanych konserwantów, benzoesanu sodu (E211) i benzoesanu potasu (E212, rzadko, w celu zmniejszenia spożycia sodu).

Źródło naturalne

Kwas benzoesowy można naturalnie znaleźć w postaci wolnej lub mieszanej w jabłkach, żurawinie, śliwkach, śliwkach i tak dalej.

Jak powstaje kwas benzoesowy?

Istnieją dwa rodzaje kwasu benzoesowego, jeden jest formą naturalną wyekstrahowaną z roślin i może być stosowany jako aromat z FEMA nr 2131. Drugi jest najczęściej używany, pozyskiwany z syntezy toluenu i tutaj chcielibyśmy przedstawić krótki proces produkcji tego.

Utlenianie toluenu

Kwas benzoesowy jest w dużej mierze wytwarzany komercyjnie przez utlenianie w fazie ciekłej toluenu (z przetwarzania petrochemicznego) tlenem w obecności katalizatora kobaltowego.

Jeśli do zastosowań spożywczych i farmaceutycznych, inne procesy produkcyjne (np. sublimacja, rekrystalizacja i neutralizacja) muszą być dalej przeprowadzane w celu oczyszczenia surowego kwasu benzoesowego, ponieważ może on zawierać produkty uboczne, takie jak benzaldehyd, alkohol benzylowy i benzoesan benzylu. () 

Inne metody

Kwas benzoesowy dopuszczony do kontaktu z żywnością można również wytwarzać za pomocą następujących dwóch metod wymienionych przez FDA ():

1. stopiony bezwodnik ftalowy z katalizatorem tlenku cynku
2. hydroliza benzotrichlorku

Nawiasem mówiąc, kwas benzoesowy można również wytwarzać z benzoesanu sodu za pomocą HCL.

Specyfikacja

Właściwości

• Biały krystaliczny płatek, igła, proszek lub granulki o zapachu benzoiny lub benzaldehydu.
• Słabo rozpuszczalny w wodzie, ale łatwo rozpuszczalny w eterze, etanolu, dichlorometanie, eterze dietylowym i innych rozpuszczalnikach organicznych.
• Słaby kwas o kwaśnym smaku, który wpływa na smak i PH żywności.

Struktura

Struktura to benzen z kwasem karboksylowym. Zbudowany jest z grupy funkcyjnej karboksylowego i aromatycznego pierścienia benzenowego. W reakcjach tych dwóch grup funkcyjnych z innymi związkami chemicznymi może powstać wiele pochodnych.

1. Kwas karboksylowy

Kwas karboksylowy łatwo reaguje z innymi grupami, na przykład w następujących reakcjach:

• Wytwarzanie benzoesanu sodu:za pomocą wodorowęglanu sodu lub wodorotlenku sodu.
• Estryfikacja:alkoholami tworzącymi estry, takie jak benzoesan metylu, etylu, butylu lub heksylu, stosowany w sztucznych aromatach, zapachach i produktach higieny osobistej. Lub poprzez reakcję dwóch cząsteczek kwasu benzoesowego z wytworzeniem bezwodnika kwasu benzoesowego.
• Reakcja amidowania:z aminami tworzy amidy kwasu benzoesowego.
• Reakcja wymiany:OH w karboksylu można zastąpić chlorkiem, aby otrzymać chlorek benzoilu.
• Redukcja:alkohol benzylowy.
• Inne:takie jak wytwarzanie benzaldehydu.

2. Aromatyczny pierścień benzenowy

Aromatyczny pierścień benzenowy może również reagować z innymi substancjami:

• Nitrowanie tworzy kwas m-nitrobenzoesowy.
• Hydroksylacja z wytworzeniem kwasu salicylowego. Nawiasem mówiąc, kwas benzoesowy i kwas salicylowy mogą być stosowane razem w leczeniu podrażnień i stanów zapalnych skóry.()

PKa 

PKa kwasu benzoesowego wynosi 4,2. Wartość pKa służy do określenia kwasowości lub mocy kwasu, ponieważ słabe kwasy częściowo dysocjują w wodzie i osiągają stan równowagi.

Jak obliczyć pH roztworu kwasu benzoesowego?

Kwas benzoesowy jest słabym kwasem i po reakcji z wodą dysocjuje jony protonowe i benzoesanowe.

Powyżej znajduje się równanie dysocjacji kwasu benzoesowego i związek między PKa i PH, HA oznacza kwas benzoesowy, A- oznacza jon benzoesanowy.

Krok 1:Załóżmy, że stężenie całkowitego HA wynosi 0,001 mol/L.

W temperaturze 25°C może być więcej rozpuszczalnego kwasu benzoesowego niż 0,001 mol/l. Mówiąc dokładnie, stężenie molowe to n=rozpuszczalność/wzór cząsteczkowy, czyli n=3,44/122,123 =0,028mol/L. Tutaj używam 0,001 mol/L, aby to ułatwić.

Krok 2:Napisz równanie równowagi jonizacji w następujący sposób:

HA(aq)+H2O(l)⇌A−(aq)+H3O+(aq)

• [H3O+]  to stężenie Hydronium
• [A−] to stężenie sprzężonej zasady
• [HA] to stężenie kwasu benzoesowego

Stężenie [A−] i [H3O+] jest takie samo. Przypuszczamy, że stężenie to X. A końcowe stężenie HA w roztworze wynosi 0,001 – X.

Krok 3:Następnie można zapisać równanie X*X/0.001-X =Ka.

Ponieważ 0,001-X może być podobne do 0,001, więc możemy uzyskać wartość X 10-3,6, więc wartość PH wynosi 3,6.

Lekka polaryzacja i rozpuszczalność

Kwas benzoesowy jest zbudowany przez mniejszą grupę polarnego kwasu karboksylowego przyłączoną do dużego, niepolarnego pierścienia benzenowego. Ponieważ ma duży hydrofobowy pierścień benzenowy, jest uważany za lekko polarny.

Ogólnie związki polarne mogą rozpuszczać się w rozpuszczalnikach polarnych. Dlatego kwas benzoesowy jest słabo rozpuszczalny w wodzie (polarny) i rozpuszcza się w niepolarnym rozpuszczalniku, takim jak eter i MTBE (eter metylowo-tert-butylowy).

Chociaż etanol jest polarny, kwas benzoesowy może się w nim rozpuszczać, ponieważ oba będą miały reakcję estryfikacji. To jest wyjątek.

Rozpuszczalność kwasu benzoesowego w wodzie lub w innych rozpuszczalnikach jest ogólnie związana z polarnością rozpuszczalników, temperaturą roztworu i innymi roztworami, takimi jak NaOH lub HCl.

OK, zobaczmy szczegóły w następujący sposób.

1. Rozpuszczalność w wodzie

Kwas benzoesowy jest słabym kwasem, więc tylko częściowo dysocjuje w wodzie i dlatego jest w niej słabo rozpuszczalny, a jego rozpuszczalność wynosi 3,44 g/l w temperaturze 25 °C. Może rozpuszczać się w gorącej wodzie, ponieważ wysoka temperatura sprzyja dysocjacji do jego sprzężonego jonu benzoesanowego o rozpuszczalności 56,31 g/l w 100 °C.

2. Rozpuszczalność w NaOH

Kwas benzoesowy jest rozpuszczalny w NaOH. Mechanizm reakcji jest następujący:NaOH jest silną zasadą, reaguje z protonem zdysocjowanym z kwasu benzoesowego, a następnie promuje dysocjację kwasu benzoesowego.

W ten sposób NaOH wpływa na jego rozpuszczalność w wodzie.

A jeśli jest wystarczająco dużo NaOH, kwas benzoesowy zostanie całkowicie zdysocjowany i tworzy benzoesan sodu, ale traci swoją aktywność konserwującą w warunkach alkalicznych.

3. Rozpuszczalność w HCl

W środowisku kwaśnym, takim jak HCl, kwas benzoesowy staje się bardziej nierozpuszczalny. Wraz ze wzrostem liczby jonów H+ dojdzie do równowagi dysocjacji w lewo, czyniąc ją bardziej nierozpuszczalną niż w wodzie.

HA(aq)+H2O(l)⇌A−(aq)+H3O+(aq)

Jakie są zastosowania kwasu benzoesowego?

Oprócz zastosowania w żywności i napojach kwas benzoesowy może być również dodawany do kosmetyków i farmaceutyków w celu konserwacji. Jednak jego głównym zastosowaniem jest jako prekursor do syntezy chemikaliów organicznych w różnych gałęziach przemysłu, takich jak perfumy, tworzywa sztuczne, barwniki i tak dalej.

Jak powiedział JECFA, 30 lat temu, procenty i zastosowania kwasu benzoesowego na rynku były następujące ():

• 60% wykorzystano do produkcji fenolu 
• 30% dla kaprolaktamu we włóknach nylonowych
• 5% do produkcji benzoesanów sodu, potasu i wapnia
• 3% dla chlorku benzoilu
• 2% dla żywic alkidowych, estrów benzoesanowych i innych

Obecnie zastosowania niewiele się zmieniają, kwas benzoesowy jest również stosowany jako dodatek do pasz oraz jako półprodukt w produkcji farmaceutyków i tworzyw sztucznych.

Przyjrzyjmy się bliżej jego różnym zastosowaniom.

Jedzenie

Kwas benzoesowy klasy spożywczej działa jako środek konserwujący, który zmniejsza wzrost mikroorganizmów w kwaśnej żywności. Działa głównie na drożdże, a także na pleśnie i bakterie. Jego aktywność przeciwdrobnoustrojowa byłaby dobra w zakresie pH od 2,5 do 4,0.

Dlaczego kwas benzoesowy występuje rzadziej w żywności?

Ale jego zastosowania w żywności i napojach nie są powszechne w porównaniu z benzoesanem sodu i benzoesanem potasu, ponieważ trzy główne problemy (zwłaszcza rozpuszczalność):

• Rozpuszczalność:słabo rozpuszczalny w wodzie, niełatwy w użyciu
• PH:Jest to kwas, który wpływa na PH żywności i napojów
• Smak:Jego roztwór ma kwaśny smak, wpłynie na smak

Dlatego jest zawsze wytwarzany ze swojej soli – benzoesanu sodu, chociaż to kwas benzoesowy ma działanie przeciwdrobnoustrojowe.

Typowe poziomy stosowania kwasu benzoesowego i benzoesanu sodu w żywności wynoszą 0,05-0,1%.

Następująca żywność może ją zawierać:

• Sok owocowy
• Pikle
• Dżemy
• Napoje gazowane
• Napoje gazowane

Kosmetyki

Kwas benzoesowy może być stosowany jako środek wypełniający, maskujący i konserwujący () w różnych kosmetykach i produktach do pielęgnacji ciała, w tym:

• Produkty do pielęgnacji skóry:krem ​​nawilżający do twarzy, krem ​​przeciwsłoneczny
• Płukanie jamy ustnej

Przemysłowe półprodukty

Zastosowanie przemysłowe jest ściśle związane z pierścieniem aromatycznym lub znajdującą się na nim grupą karboksylową. Jego powszechne zastosowanie to reakcja kwasu karboksylowego z innymi substancjami, takimi jak produkcja fenolu, tworzyw sztucznych i benzoesanu benzylu.

Fenol

Najczęstszym zastosowaniem kwasu benzoesowego jest produkcja fenolu i kaprolaktamu.

Oto reakcja:

C6H5CO2H + 1/2 O2 → C6H5OH + CO2

Fenol można przekształcić w cykloheksanol, który można wykorzystać w syntezie nylonu. Fenole mogą być również stosowane w domowych środkach czyszczących oraz w płynach do płukania jamy ustnej jako środek dezynfekujący.

Tworzywa sztuczne

Kwas benzoesowy można przetworzyć na plastyfikatory benzoesanowe, takie jak estry glikolu, glikolu dietylenowego i glikolu trietylenowego.

Czy kwas benzoesowy jest bezpieczny do spożycia?

Tak, jego klasa spożywcza została zatwierdzona jako bezpieczny składnik przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA), Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności (EFSA), a także Wspólny Komitet Ekspertów FAO/WHO ds. Dodatków do Żywności (JECFA).

FDA

Kwas benzoesowy jest powszechnie uznawany za bezpieczny (GRAS), który może być stosowany jako środek przeciwdrobnoustrojowy, środek smakowy i adiuwant w żywności przy maksymalnym wykorzystaniu 0,1%. Może być również bezpiecznie stosowany w paszach jako konserwant lub środek zakwaszający. ()  ()

EFSA

Kwas benzoesowy (E210) jest wymieniony w rozporządzeniu Komisji (UE) nr 231/2012 jako dopuszczony dodatek do żywności i sklasyfikowany w kategorii „Dodatki inne niż barwniki i substancje słodzące” ().

Ponowna ocena bezpieczeństwa w 2016 r.

Jego bezpieczeństwo zostało ponownie ocenione wraz z jego solami, a EFSA uzyskał dopuszczalne dzienne spożycie (ADI) w wysokości 5 mg/kg mc dziennie w 2016 r.

Zatwierdzone zastosowania

To samo z benzoesanem sodu. ()

Brytyjska Agencja ds. Standardów Żywności

W kategorii „Inne” ()

Standardy żywności Australia Nowa Zelandia

Jest to zatwierdzony składnik w Australii i Nowej Zelandii o numerze kodu 210. ()

JECFA

Klasa funkcjonalna:dodatki do żywności, konserwant przeciwdrobnoustrojowy. () 

Dopuszczalne dzienne spożycie:ADI „5 mg/kg mc” ustalone w 1996 r. i brak obaw dotyczących bezpieczeństwa jako środka smakowego ocenianego w 2002 r. ()

Jakie są możliwe skutki uboczne kwasu benzoesowego?

Jeśli chodzi o skutki uboczne kwasu benzoesowego, zwykle odnosi się on do jego alergii i tego, czy przekształca się w benzen, który jest czynnikiem rakotwórczym. Zobaczmy szczegóły:

• Alergie:może powodować objawy podrażnienia, takie jak wysypka, zaczerwienienie, a nawet uczucie pieczenia w wyniku kontaktu z oczami i skórą, a także przy wdychaniu. ()
• Benzen:FDA nie wspomina, że ​​kwas benzoesowy tworzy się w benzen, podczas gdy benzoesan sodu i potasu to robi. ()

Czy to bezpieczne w czasie ciąży?

Kwas benzoesowy jest ogólnie uważany za bezpieczny dla kobiet w ciąży, ale lepiej skonsultować się z lekarzem w sprawie stanu stosowania.

Wniosek

Teraz możesz mieć dobrą znajomość konserwantu – kwasu benzoesowego (E210), z następujących aspektów:

• Źródło naturalne
• Proces produkcji
• Właściwości
• Zastosowania
• Bezpieczeństwo
• Możliwe skutki uboczne

Jeśli masz jakieś pytania lub uwagi dotyczące tego dodatku, daj mi znać w komentarzach.