Ванилин

Ванилин
формула
Общие
Систематическое наименование	4-​гидрокси-​3-​метоксибензальдегид
Традиционные названия	3-метокси-4-гидроксибензальдегид, 3-метокси-4-оксибензальдегид, Vanillin, 3-Methoxy-4-hydroxybenzaldehyde, 4-Formyl-2-methoxyphenol, 4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyde, 4-Hydroxy-m-anisaldehyde, Lioxin, Methoxyprotocatechuic aldehyde, Methylprotocatechuic aldehyde, p-Hydroxy-m-methoxybenzaldehyde, Rhovanil, Vainillina, Vaniliini, Vanilinas, Vanilla, Vanillaldehyde, vanillic aldehyde, Vanillinum, Wanilina, Zimco
Хим. формула	C8H8O3
Физические свойства
Молярная масса	152,15 г/моль
Плотность	1,056 г/см³
Термические свойства
Температура
• плавления	80—81 °C
• кипения	285 °C
• вспышки	147 °C
Давление пара	15 мм рт. ст. (при 170 °C)
Химические свойства
Растворимость
• в воде	1 г/100 мл
Классификация
Рег. номер CAS	121-33-5
RTECS	YW5775000
Безопасность
ЛД50	2000 мг/кг (крысы, перорально)
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Ванили́н (ванила́ль) — 3-метокси-4-гидроксибензальдегид, природное органическое вещество с молярной массой 152,15 г/моль и химической формулой C₈H₈O₃, представляющее собой бесцветные кристаллы игольчатой формы. Обладает характерным запахом ванили. Он является основным ароматическим компонентом экстракта ванили. Содержится в эфирных маслах растений - плоды ванили содержат до 3 %. Широко применяется в пищевой, парфюмерной и фармацевтической промышленности как ароматизатор.

История открытия

Использование ванили как ароматизатора уходит корнями в доколумбовую Америку. Ацтеки применяли её для придания аромата шоколаду. Европейцы познакомились с ванилью около 1520 года, когда испанские конкистадоры привезли её вместе с какао из Нового Света. Ванилин, основной компонент аромата ванили, впервые был выделен в относительно чистом виде в 1858 году французским учёным Теодором Николя Гобле. Он получил вещество путём выпаривания экстракта ванили и последующей перекристаллизации из горячей воды. Это открытие положило начало научному изучению ванилина. Существенный прорыв в исследовании ванилина произошёл в 1874 году, когда немецкие учёные Фердинанд Тиман и Вильгельм Хаарман определили его химическую структуру. Они также разработали метод синтеза ванилина из кониферина — гликозида изоэвгенола, обнаруженного в сосновой коре. Это открытие стало основой для первого промышленного производства синтетического ванилина.

В том же 1874 году Тиман и Хаарман основали компанию Haarmann & Reimer (ныне часть концерна Symrise) и запустили производство синтетического ванилина в Хольцминдене, Германия. Это событие ознаменовало начало эры промышленного производства ванилина. В 1876 году Карл Реймер разработал новый метод синтеза ванилина из гваякола. Этот процесс, известный как реакция Реймера-Тимана, стал важной вехой в органическом синтезе и открыл новые возможности для получения ароматических альдегидов. К 1894 году была запатентована формула синтетического ванилина, что способствовало дальнейшему развитию его промышленного производства. В начале XX века основным сырьём для синтеза ванилина служил эвгенол, содержащийся в гвоздичном масле.

К 1987 году производство ванилина достигло впечатляющих масштабов. Только одна бумажная фабрика в Онтарио, Канада, обеспечивала 60 % мирового рынка синтетического ванилина. Это демонстрирует, насколько важным стал синтетический ванилин для мировой промышленности.

Физико-химические свойства

Ванилин представляет собой органическое соединение, относящееся к классу фенольных альдегидов. Его систематическое наименование — 4-гидрокси-3-метоксибензальдегид. Молекула ванилина имеет три функциональные группы: альдегидную, эфирную и фенольную, расположенные на бензольном кольце. Эта структура обуславливает его характерные свойства и ароматические качества. Физически ванилин проявляется в виде бесцветных или слегка желтоватых кристаллов игольчатой формы. При комнатной температуре это твёрдое вещество с плотностью 1,056 г/см³. Температура плавления ванилина находится в диапазоне 80–81 °C, а температура кипения достигает 285 °C. Важной характеристикой является температура вспышки, составляющая 147 °C.

Ванилин обладает ограниченной растворимостью в воде — 1 г на 100 мл при стандартных условиях. Однако он хорошо растворяется в органических растворителях, таких как этанол и диэтиловый эфир. Эта особенность играет важную роль в процессах экстракции и очистки вещества. Характерный аромат ванилина является его ключевой органолептической характеристикой. Именно этот запах ассоциируется с ванилью и широко используется в пищевой и парфюмерной промышленности. Интересно отметить, что в сушёных стручках ванили высокого качества ванилин может быть виден как белая пыль или «иней» на поверхности.

Получение

Натуральный ванилин

Биосинтез ванилина

Получение натурального ванилина — сложный и трудоёмкий процесс, что обуславливает его высокую стоимость. Основным источником натурального ванилина являются плоды Vanilla planifolia. Процесс начинается со сбора зелёных стручков ванили, которые ещё не обладают характерным ароматом. После сбора стручки подвергаются многоэтапной обработке. Сначала их бланшируют в горячей воде, что останавливает вегетативные процессы в тканях растения. Затем следует процесс ферментации, который может длиться несколько месяцев. В разных регионах применяются различные методы, но общий принцип заключается в чередовании нагрева и распаривания: днём стручки выкладывают на солнце, а на ночь заворачивают в ткань и помещают в герметичные контейнеры.

Во время ферментации происходит гидролиз гликозидов и окисление образующегося ванилина, что приводит к формированию характерного аромата и тёмно-коричневого цвета стручков. После ферментации стручки высушивают и выдерживают ещё несколько месяцев для усиления аромата. Существуют и ускоренные методы получения ванилина, включающие измельчение, замораживание, нагрев и обработку химическими веществами, однако они не получили широкого распространения из-за более низкого качества конечного продукта.

Синтез

Синтетический ванилин играет ключевую роль на мировом рынке, удовлетворяя большую часть спроса на это вещество. Исторически первым промышленным методом синтеза был процесс получения ванилина из эвгенола, содержащегося в гвоздичном масле. Этот метод применялся с 1874 по 1920-е годы. В настоящее время наиболее распространённым является двухстадийный процесс синтеза ванилина из гваякола и глиоксиловой кислоты. На первой стадии происходит реакция электрофильного ароматического замещения с образованием ванилилминдальной кислоты. Затем эта кислота подвергается окислению и декарбоксилированию, что приводит к образованию ванилина.

Другой важный метод — получение ванилина из лигнин-содержащих отходов целлюлозно–бумажной промышленности. Этот процесс был разработан в 1930-х годах и долгое время оставался основным источником синтетического ванилина. Однако из-за экологических проблем, связанных с этим методом, его популярность снизилась. В последние годы развиваются биотехнологические методы синтеза ванилина. Например, компания Rhodia разработала процесс биосинтеза ванилина из феруловой кислоты, экстрагированной из рисовых отрубей, с использованием микроорганизмов. Этот метод позволяет получать продукт, близкий по свойствам к натуральному ванилину.

Нахождение в природе

Ванилин встречается в природе преимущественно в плодах и листьях растений рода Ваниль (Vanilla) семейства Орхидные (Orchidaceae). Наибольшее промышленное значение имеет вид Vanilla planifolia, культивируемый на Мадагаскаре, Коморских островах и в Индонезии. В стручках ванили ванилин содержится в форме β-D-гликозида, который не обладает характерным ароматом.

Зелёные плоды растения Vanilla planifolia содержат ванилин в его гликозидной форме, и не обладают характерным запахом ванилина

Помимо ванили, ванилин в малых концентрациях обнаруживается в ряде других растений и пищевых продуктов. Он присутствует в оливковом и сливочном маслах, малине и плодах личи. Интересно, что ванилин образуется при выдержке некоторых алкогольных напитков в дубовых бочках, что придаёт им характерный ванильный аромат. Ванилин также выделяется при термической обработке некоторых продуктов. Например, он вносит вклад в аромат свежесваренного кофе, кленового сиропа и блюд из цельных злаков, включая тортилью и овсяную кашу. Этот процесс связан с термическим разложением сложных органических соединений, присутствующих в этих продуктах.

Применение

Пищевая промышленность является крупнейшим потребителем ванилина, используя его преимущественно как ароматизатор. Производство мороженого и шоколада потребляет более 75 % рынка ванилина. Для кондитерских изделий дозировка ванилина варьируется от 0,03 г/кг до 0,5 г/кг, что позволяет достичь оптимального баланса аромата.

Ванильный экстракт

В парфюмерной индустрии ванилин используется как основа для создания сложных ароматических композиций. Его тёплый, сладкий запах служит базовой нотой во многих парфюмерных изделиях, придавая им глубину и стойкость. Косметическая промышленность также активно применяет ванилин в производстве кремов, лосьонов и других средств по уходу за кожей. Фармацевтическая отрасль использует ванилин не только как ароматизатор для маскировки неприятного вкуса лекарств, но и как активный ингредиент. Недавние исследования выявили потенциал ванилина в лечении псориаза. Тайваньские учёные провели эксперимент на лабораторных мышах, у которых вызвали проявления псориаза с помощью имиквимода. Ежедневное введение ванилина в дозах от 1 до 100 мг на килограмм массы тела значительно улучшало состояние кожи животных. Генетический анализ показал, что ванилин снижал активность генов, ответственных за синтез интерлейкинов 17 и 23, играющих ключевую роль в развитии псориаза.

В химической промышленности ванилин служит исходным сырьём для синтеза других органических соединений. В 1970 году более половины производимого ванилина использовалось для этих целей, однако к 2004 году эта доля снизилась до 13 % ввиду развития альтернативных методов синтеза. Интересное применение ванилин нашёл в электрохимической промышленности. Добавление ванилина в электролит при электрохимическом цинковании способствует получению гладких блестящих покрытий с повышенной твёрдостью. Это позволяет расширить интервал рабочих плотностей тока и улучшить качество цинковых покрытий. В аналитической химии ванилин используется как проявитель общего назначения в тонкослойной хроматографии. Его применяют для визуализации компонентов разделяемой смеси, что особенно полезно при анализе сложных органических соединений.

Неожиданное применение ванилин нашёл в бытовой сфере как репеллент от комаров и гнуса. Водные или масляные растворы ванилина, а также смеси с детским кремом эффективно отпугивают насекомых. Примечательно, что ванилин считается единственным безопасным репеллентом для грудных детей, что делает его ценным средством защиты в регионах с высокой активностью кровососущих насекомых. В экологических исследованиях было обнаружено, что жуки вида Заболонник струйчатый (Scolytus multistriatus), являющиеся переносчиками голландской болезни вяза, используют запах ванилина для поиска деревьев-хозяев при откладке яиц. Это открытие может быть использовано для разработки новых методов контроля популяций вредителей и защиты вязов от заболевания.

100 грамм ванилина содержат 12,65 г углеводов, 0,1 г жиров и 0,1 г белков.

Экология

Производство синтетического ванилина из лигнин-содержащих отходов целлюлозно-бумажной промышленности сопряжено с экологическими рисками. Процесс может приводить к загрязнению водоёмов и почвы химическими побочными продуктами. Это стимулировало разработку более экологичных методов синтеза, включая биотехнологические подходы. В природных условиях ванилин быстро разлагается под воздействием микроорганизмов, не накапливаясь в окружающей среде. Однако увеличение производства синтетического ванилина может потенциально нарушить естественные химические сигналы в экосистемах, влияя на поведение насекомых и других организмов

Уровень опасности и меры предосторожности

При попадании ванилина на кожу или при проглатывании он может быть опасным для здоровья человека. При попадании в глаза вызывает выраженное раздражение. при попадании в естественные водоёмы наносит вред организмам, обитающим в них.

Меры предосторожности при работе с ванилином:

• избегать попадания в окружающую среду;
• использовать перчатки, спецодежду, средства защиты глаз и лица;
• при попадании в глаза осторожно промыть их водой в течение нескольких минут;
• при плохом самочувствии обратиться за медицинской помощью.

В быту ванилин в виде водных или масляных растворов или смеси с детским кремом применяется в качестве репеллента от комаров и гнуса. Считается единственным безопасным для грудных детей репеллентом.

Опасная доза ванилина — от двух грамм на килограмм живого веса.