§1. Синонимы

IUPAC. оксид серы (ÍV).

Русский: двуокись серы, сернистый ангидрид, «сернистый газ», «сернистая кислота»52.

Немецкий: Schwefeldioxid. Schwefligsäureanhydrid. «schweflige Säure».

Английский: sulphur dioxide.

Французский: bioxyde de soufre, anhydride sulfureux, gaz sulfureux, «acide sulfureux». Итальянский: biossido di zolfo, anidride solforosa, «acido sulforoso».

Испанский: dióxido de sulfuro, anhídrido sulforoso, «acido sulforoso».

§2. Историческая справка

Уже в древности (Ассирия. Китай, Греция) диоксид серы использовался при окуривании «для изгнания злых духов» (Гомер, Одиссея, ХХII, 481-2, 493-5). Плиний упоминает, что «дух серы» является улучшителем вина (Plînius. Naturalis historiae. XIV. 1129). По мнению других авторов в какой именно форме ис­пользовали серу не совсем ясно.

Сернистый газ стал широко использоваться, вероятно, лишь во времена позд­него средневековья. Применение его часто порождало проблемы. В Кёльне в XV веке обработка вина серой была полностью запрещена, так как из-за неё «природе человека наносится вред и пьющие становятся больными». В 1487 году в Ротенбурге существовало предписание, по которому обработка бочек серой до­пускалась, но «...следует брать набольшую бочку не более лота серы». Обрабаты­вать вино серой можно было только один раз. Рейхстагом Линдау чрезмерное окуривание вина серой было запрещено в 1497 году, а годом позже запрет был введен и рейхстагом Оренбурга в Брейсгау.

В последующие столетия сернистый газ использовался как консервант для целого ряда пищевых продуктов. И сегодня, несмотря на ограничения, связан­ные с токсичностью, он незаменим в производстве многих продуктов питания.

§3. Товарные формы, производные

Диоксид серы поставлялся сжиженным в баллонах, а также в виде водных растворов. Важную роль играют и различные сульфиты.

§4. Свойства

Сернистый ангидрид SO₂ при обычных условиях представляет собой бесцвет­ный негорючий газ с резким запахом. Плотность сернистого газа едва с лишним раза выше, чем у воздуха; при -10°С он сгущается в жидкость. В одном литре воды при 0°С растворяется 80 л SO₂ а при 20°С – 40 л.

Сульфиты (табл. 15) представляют собой белые порошки, которые (за ис­ключением сульфита кальция) легко растворяются в воде и обладают более или менее сильным запахом сернистого газа. Гидросульфиты существуют только в растворах; при выпаривании они превращаются в пиросульфиты (метабисульфиты).

Таблица 15. Характеристики сернистого газа важнейших сульфитов – источников SO₂

§5. Аналитические сведения

Диоксид серы восстанавливает иодат до свободного иода; поэтому иодаткрахмальная бумага в присутствии SO₂ окрашивается в синий цвет. Иодкрахмальная бумага в присутствии SO₂ обесцвечивается, так как свободный иод восста­навливается до иодида.

Для количественного определения двуокиси серы в продуктах питания (при отсутствии маскирующих веществ) продукты титруют непосредственно раство­ром иода. По другому варианту к пищевому продукту добавляют иодид и титру­ют раствором иодата. Более точным, но трудоемким является извлечение дву­окиси серы из исследуемого продукта кипячением с разбавленной соляной ки­слотой в токе углекислого газа. Сернистый газ улавливается раствором перекиси водорода и окисляется в сульфат, который можно определить алкалиметриче­ски, комплексометрически или гравиметрически. Таким методом опреде­ляется общее содержание двуокиси серы в пищевом продукте. В более новом способе количественного определения SO₂ («flow injection analysis» – FIA) дву­окись серы обесцвечивает малахитовую зелень; модификации этого метода описаны в работе.

С помощью ионной хроматографии можно различить свободный и связан­ный диоксид серы. При этом используется электрохимический детектор (восстановительное амперометрическое титрование). Сульфиты можно опре­делять также ферментативно с помощью сульфитоксидазы. Свободную, а после соответствующей обработки и связанную двуокись серы можно опреде­лить с помощью иммобилизованных Thiobacillus thiooxidans в качестве биосенсо­ра. Среди методов анализа сульфитов, распространённых до 1990 года (FIA, колориметрия, ферментный), чаще всего использовали способ Моньера-Вильямса.

§6. Получение

Сернистый газ образуется при обжиге сульфидных руд или при сжигании серы. Для очистки его либо сжижают, либо поглощают холодной водой с после­дующей десорбцией при нагревании.

Сульфиты получают поглощением сернистого газа растворами соответствую­щих щелочей. В зависимости от стехиометрического соотношения образуются растворы сульфитов или бисульфитов. При упаривании из них получаются кри­сталлические сульфиты или пиросульфиты.

§7. Токсиколого-гигиеническая оценка

Острая токсичность. Для крыс при пероральном введении LD50 сернистого ангидрида составляет 1-2 г на 1 кг массы тела. Меньшее значение получено при использовании 6,5%-х растворов, большее – для 3,5%-х растворов. Близкое значение имеет острая токсичность метабисульфита натрия. Для кроликов при пероральном введении LD50 сернистого ангидрида равна 600-700 мг на 1 кг массы тела, а для кошек – 450 мг/кг. Смертельное отравление сернистой кисло­той (перорально) собаки и человека невозможно из-за возникающей рвоты. Сернистая кислота и сульфиты существенно более токсичны при внутривенном введении.

Люди по-разному реагируют на двуокись серы. Некоторые безболезненно переносят до 4 г сульфита в день (т.е. примерно 50 мг на 1 кг массы тела), а дру­гие уже после приема очень малых количеств жалуются на головные боли, тош­ноту, понос или ощущение тяжести в желудке. Для переносимости серни­стой кислоты, растворённой в вине, большое значение имеет кислотность желу­дочного сока, – люди, имеющие пониженную или повышенную кислотность, существенно более чувствительны, чем люди с нормальной кислотностью. Связанная сернистая кислота действует на организм, в принципе, так же, как и свободная. Различие заключается лишь в силе и быстроте реакции, что объясня­ется разной кинетикой.

Субхроническая токсичность. Скармливание крысам 0,5-1% метабисульфита калия в течение 10 дней способствует выведению из организма кальция. Токсичность корма с содержанием 0,6% метабисульфита натрия имеет две фазы. В первые два месяца приёма главными являются нехватка витамина В1. В дальней­шем (через 3-4 месяца) действие яла может быть предотвращено приёмом вита­мина В1 лишь частично. Вдобавок наступает диарея. После 3 месяцев приема 160 мг бисульфита натрия на 1 кг массы тела в день у мышей значительно увели­чивался падеж, особенно при недостаточном питании. Наличие в корме у крыс 6–8% метабисульфита натрия в течение 10–56 дней приводило к значи­тельному подавлению роста, уменьшению аппетита и усвоения пищи. Доза свы­ше 2% вызывала анемию; 1% сульфита приводил к поражениям различных орга­нов.

При кормлении свиней в течение 15 недель нежелательное влияние на раз­витие и состояние внутренних органов наблюдалось лишь при концентрации суль­фитов 1,7%. но уже при концентрации 0,16% снижалась концентрации тиамина в моче и печени.

Хроническая токсичность. Присутствие 0.5–2% бисульфита натрия в корме крыс в течение года ведёт к поражениям нервной системы, половых органов, костной ткани, почек и других внутренних органов. Концентрации менее 0,25% не приводит к патологическим явлениям (при концентрации свыше 0,1% наблюдается понос). Добавление в корм самцов менее 0,1% бисульфита натрия даже способствует увеличению массы. Добавку 0,12% пиросульфита калия к питьевой воде (что соответствует 30-90 мг SO₂ на 1 кг массы тела) в течение 20 месяцев крысы перенесли без существенного ущерба для здоровья. На­блюдались лишь рост числа лейкоцитов у самцов, увеличение массы селезенки у самок и снижение числа детёнышей в помете. Скармливание 350-700 мг/кг сер­нистой кислоты в форме метабисульфита натрия трем поколениям крыс не ока­зало отрицательного влияния на состояние внутренних органов, рост, способ­ность к размножению и массу молодняка. На свиней скармливание до 0,35% метабисульфита натрия в течение 48 недель не оказало никакого действия, но при концентрациях свыше 0,83% возникали различные органические поврежде­ния.

Опыты на четырех поколениях крыс, получавших вино, содержащее от 100 до 450 мг SO2 на 1 л, не продемонстрировали отклонений от нормы по усвоению белка из корма, способности к размножению, по макроскопическому и гистоло­гическому состояниям, биохимическому поведению и массе различных внутрен­них органов. У крыс, которые получали вино с более высоким содержанием SO₂, наблюдалось замедление развития.

У крыс, получавших в длительном опыте корм, обогащенный тиамином и содержащий 2% метабисульфита натрия, наблюдалось замедление развития, в том числе и в последующих поколениях. При концентрации 0,5% сульфиты от­рицательно влияют на способность к размножению Другие поражения наблю­даются только при более высоких дозах. При концентрациях ниже 0,25% отли­чии от контроля нет вообще.

Международное агентство по исследованию рака (International Agency for Research on Cancer – (ARC) зачислило сульфиты по их канцерогенному дейст­вию на человека в разряд «inadequate evidence» (недостаточно данных); для под­опытных животных диоксид серы отнесен в разряд «limited evidence» (ограниченные данные), а сульфиты, бисульфиты и метабисульфиты – в разряд «inadequate evidence».

Сернистая кислота может оказывать мутагенное действие на микроорга­низмы.

На основании этих данных и учитывая индуцируемые сульфитами реакции непереносимости. SCF и JECFA установили для всех сульфитов значение ДСП – 0-0,7 мг на 1 кг массы тела (в пересчёте на сернистую кислоту).

Реакции непереносимости. Сульфиты могут вызывать у людей как истинную аллергию, так и псевдоаллергические реакции. Реакции непереносимости сульфитов выражаются большей частью в форме крапивницы или приступов аст­мы. Часто они сопровождаются непереносимостью ацетилсалициловой ки­слоты. В зависимости от восприимчивости реакцию могут вызвать от 2 до 250 мг диоксида серы. Поэтому закон требует указывать на этикетках пищевых про­дуктов наличие в них сульфитов.

Биохимическое поведение. Сера наиболее стабильна в состоянии со степе­нью окисления +6. Поэтому сера, имеющая в двуокиси и в сульфитах степень окисления +4, склонна к окислению до сульфата. В организме это превращение катализируется сульфитоксидазой – ферментом, встречающимся преимущест­венно в сердце, печени и почках. Окислить сульфит до сульфата могут и другие, не специфические ферменты, например ксантиноксидаза. Сульфат бы­стро выделяется с мочой; поэтому сернистая кислота в организме не накапли­вается.

Токсичность обусловлена также действием сернистой кислоты и сульфитов на функции организма, витамины и жизненно необходимые ферменты. Так, даже в очень малых концентрациях SO₂ угнетает дегидрогеназы. Соедине­ния с дисульфидными мостиками, например цистин, восстанавливаются суль­фитами до соответствующих сульфгидрильных соединений. Кроме того, суль­фиты разрушают тиамин, расщепляя связь между пиримидиновой и тиазольной частями молекулы. Крысы, корм которых дополнительно обогащали тиамином, переносили существенно большие количества SO₂, чем контрольные животные. Цитозин и 5-метилцитозин дезаминируются сульфитами in vitro.

§8. Законодательные аспекты применения в пищевых продуктах

Диоксид серы, некоторые сульфиты, бисульфиты и пиросульфиты разреше­ны практически во всех странах для консервирования многих продуктов пита­ния (в основном растительных).

Максимально допустимые количества отличаются для разных продуктов пи­тания. Для продуктов, непосредственно употребляемых в пищу, они не превы­шают в большинстве случаев 100 мг/кг. Для вин максимальная концентрация, в зависимости от страны и сорта вина, составляет 200-250 мг/л; для некоторых сортов вина она выше.

§9. Действие на микроорганизмы

Общие принципы действия. Действие сернистой кислоты на микроорганиз­мы основано главным образом на замедлении ферментативных реакций. Давно известно сильное торможение ферментов, содержащих сульфгидрильные груп­пы. Высокая восприимчивость этих ферментов к сульфитам объясняется замед­лением реакций, зависимых от никотинамидадениндинуклеотида (НАД). Для дрожжей главным является блокирование реакции превращения глицеринальдегид-3-фосфата в 1.3-дифосфоглицериновую кислоту, у бактерий вида Escherichia coli замедляется преимущественно НАД-зависимое образование щавелевоуксусной кислоты из яблочной. Кроме того, диоксид серы ингибирует цепочки ферментативных реакций, взаимодействуя с конечными или промежу­точными продуктами. Так, образующийся при распаде углеводов ацетальдегид сразу же реагирует с диоксидом серы, в итоге равновесие реакции смещается, так как образующийся аддукт не доступен ферментам.

На антимикробную активность кислот-консервантов сильно влияет значение pH консервируемого продукта. Сернистая кислота не является исключением, но имеет свои особенности. Наряду с сернистым газом SO₂ в равновесии находятся три продукта; недиссоциированная сернистая кислота H₂SO₃, гидросульфитные ионы HSO₃- и сульфитные ионы SO²-₃. При рН<1.7 в растворе преобладает недис­социированная сернистая кислота, в области 1,7<рН<5,1 – гидросульфитные ио­ны, при рН>5.1 диссоциирована большая часть сернистой кислоты55. Содержа­ние различных продуктов диссоциации представлено на рис.7.

Какая из форм сернистой кислоты действует в каждом конкретном случае установить трудно, но наибольшей антимикробной активностью обладают рас­творенный сернистый газ и недиссоциированная сернистая кислота. Гид­росульфит-ионы оказывают такое же или несколько меньшее антимикробное дей­ствие. Это объясняет эффективность сульфитов в кислой среде. Различие в дей­ствии недиссоциированной сернистой кислоты и гидросульфит-ионов зависит от вида микроорганизмов. Полностью диссоциированные сульфиты практиче­ски неактивны; в этом сернистая кислота не отличается от других кислот-кон­сервантов.

Рис. 7 (с. 94)

Некоторые компоненты продуктов питания могут образовывать аддукты с сернистой кислотой. Особенно к этому склонны карбонильные соединения (аль­дегиды, кетоны. сахара), которые образуют сульфонаты. Их образование зна­чительно в области рН 3-5 – условия, в которых сернистая кислота больше все­го применяется. Как правило, взаимодействие сернистой кислоты с кар­бонильными соединениями пищевых продуктов ведет к уменьшению или к пол­ному прекращению се действия на дрожжи. При этом, если сульфонат ацстальдегида еще проявляет слабую активность, то аддукты с сахарами практически совсем неактивны. Сернистая кислота, связанная с ацетальдегидом, эф­фективно действует против бактерий рода Lactobacillus.

Спектр действия. Сернистая кислота и ее соли проявляют в основном анти­бактериальное действие. Действие против дрожжей и плесневых грибов выраже­но слабее.

Представленные в табл. 16 минимальные действующие концентрации могут быть перенесены на практику с большими оговорками. По большей части они основаны на наблюдениях только втечение нескольких часов. Кроме того, не учтена возможность разнообразных реакций сернистой кислоты и компонентов пищевых продуктов. При консервировании пищевых продуктов следует учиты­вать, что к диоксиду серы очень восприимчивы молочнокислые бактерии.

Таблица 16. Тормозящее действие сернистой кислоты против микроорганизмов

Из табл.16 следует, что тормозящее действие сульфита натрия в отношении дрожжей явно слабее, чем в отношении бактерий. Кроме того, разные расы дрож­жей по-разному реагируют на сернистую кислоту. Против плесневых грибов сернистая кислота действует в тех же концентрациях, что и против дрожжей.

Для расширения спектра действия консервирующей системы сернистую ки­слоту, обладающую в основном бактериостатическими свойствами, часто исполь­зуют в сочетании с сорбиновой и бензойной кислотами, действующими в боль­шей степени как фунгистатики.

Значительная устойчивость к сернистой кислоте известна только для Zygosaccharomyces bailii. Известно также, что штаммы дрожжей, культивируемые в от­сутствие SO₂, гораздо восприимчивее к этому консерванту, чем те, которые рос­ли на средах, содержащих двуокись серы.

§10. Области применения

Сернистая кислота используется во многих областях пищевой промышлен­ности, и не только из-за се антимикробного эффекта. Ниже приведены приме­ры, иллюстрирующие только действие сернистой кислоты против микроорга­низмов.

Мясопродукты. Сульфиты тормозят развитие бактерий в свежем мясе и мя­сопродуктах. Одновременно сернистая кислота в известной мере стабилизи­рует окраску мяса. В результате у потребителя может сложиться обманчивое впе­чатление о свежести мяса. Поэтому в настоящее время во многих странах приме­нение сернистой кислоты в мясе рассматривается как фальсификация и введе­ние в заблуждение.

Фруктовые продукты. Сернистую кислоту используют во многих продуктах из фруктов как промежуточный консервант. Ее добавляют к сырью или полу­фабрикатам и удаляют в процессе переработки нагреванием или вакуумированием. В конечном продукте она содержится в незначительном количестве.

Как антимикробное средство сернистую кислоту применяют для сохране­ния целых и дробленых фруктов (используемых для дальнейшей переработки), сухофруктов, фруктовых соков (используемых как сырьё), концентратов фрук­товых соков, фруктовых пульп и фруктовых пюре. Кроме антимикробной роли она почти всегда должна вы поднять и другие функции защиты – от окислитель­ных (ферментативных и неферментативных) реакций побурения, других реак­ций окрашивания, от разрушения витаминов. Необходимая в этих случаях кон­центрация сернистой кислоты часто выше концентрации, которая требуется для защиты от микроорганизмов. На практике (в зависимости от вида продукта) до­бавляют от 0,01 до 0,2% SO₂, а в отдельных случаях и более. Остаточное количе­ство сернистого газа в конечном продукте редко превышает 0,01%, чаще оно зна­чительно ниже. Если такие концентрации и оказывают антимикробное дейст­вие, то незначительное, тем более что часть сернистой кислоты связана с компо­нентами пищевого продукта, например с сахаром.

Напитки. Основной напиток, в котором применяется диоксид серы, – вино (и полупродукты для его производства).

Сернистую кислоту применяют в производстве сока. Её добавляют к свежевыдавленному соку для замедления роста уксуснокислых бактерий, диких дрож­жей и плесневых грибов. Культурные дрожжи при правильной обработке серни­стым газом не погибают; поэтому добавление его к соку обеспечивает быстрое и гарантированное брожение. Кроме того, обработка сернистым ангидридом за­медляет развитие кислоторазрушающих бактерий. Для соков с низким содержа­нием кислот, получаемых при нормальной температуре, требуется примерно 40–50 мг двуокиси серы на 1 л; для соков, богатых кислотами, достаточно 30-40 мг/л. Если сок получают при более высокой температуре (например, в южных стра­нах), требуется до 200 мг/л сернистого ангидрида.

Большее количество SO₂(1500-2000 мг/л) позволяет вообще исключить бро­жение. Из обработанного таким образом «немого» сока в специально сконструи­рованных аппаратах нагреванием до 90-110°С при одновременном пропускании инертного газа можно удалить двуокись серы до остаточного количества при­мерно 25-150 мг/л. После удаления сернистого газа соки можно использо­вать для производства вин с остаточным сахаром. В настоящее время добавление сернистого газа или сульфитов вовремя брожения (т.е. остановка брожения) счи­тается нежелательным, так как приводит к слишком высокому содержанию сер­нистой кислоты в конечном продукте.

Добавление сернистого газа во время и после приготовления вина приводит к связыванию ацетальдегида (не обсуждаемому здесь), стабилизации окраски, получению требуемого окислительно-восстановительного потенциала, а также к микробиологической устойчивости. Часть сернистой кислоты связывается с раз­личными компонентами вина и побочными продуктами брожения, прежде всего с ацетальдегидом. Антимикробное действие сернистой кислоты определяется пре­имущественно несвязанной частью, т.е. свободной сернистой кислотой. Связан­ная сернистая кислота тоже оказывает действие на некоторые бактерии.

В соответствии со своим спектром действия диоксид серы прежде всего умень­шает бактериальные изменения вина («болезни вина») – уксусное скисание, мо­лочнокислое и маннитное брожение, мышиный привкус и ожирение. Обычная в виноделии концентрация сернистого ангидрида не уменьшает нежелательное раз­витие дрожжей, т.е. перебраживание. Существуют виды дрожжей, которые ак­тивны даже при концентрации SO₂ 1000 мг/л. Поэтому в настоящее время для стабилизации вин с остаточным сахаром используют сорбиновую кислоту, чей спектр действия удачно дополняет спектр действий сернистой кислоты.

С давних пор сернистая кислота в виде 1-2%-храстворов служит для дезин­фекции аппаратов, сосудов, бутылок, пробок и прочего оборудования и инвен­таря, необходимого в виноделии, производстве напитков и других отраслях пи­щевой промышленности. Ёмкость ополаскивают микробиологически чистой во­дой и дают ей стечь, чем сводят до минимума попадание SO₂, в готовый пищевой продукт. Правда, корковые пробки от длительного воздействия сернистой ки­слоты портятся. Известен также способ окуривания сосудов – внутри сосуда сжи­гают серу и образующийся сернистый газ оказывает дезинфицирующее действие.

§11. Прочие действия

Наряду с консервирующим действием двуокись серы обладает целым рядом других свойств, как полезных, так и нежелательных.

Самым серьезным недостатком диоксида серы является его собственный ин­тенсивный резкий запах, который можно почувствовать в обработанных им пи­щевых продуктах. Поэтому диоксид серы используется преимущественно для консервирования продуктов, подвергаемых дальнейшей переработке.

Вследствие своей высокой реакционной способности сернистая кислота мо­жет вступать в многочисленные химические взаимодействия с составляющими пищевых продуктов. Часть таких реакций нежелательна, а часть используется в технологии. Важным является разрушение тиамина под действием сернистой ки­слоты. Оно проявляется при высокой концентрации двуокиси серы в со­четании с низким значением рН. Кроме того, продукты, богатые витамином В1, вряд ли можно законсервировать сернистой кислотой, так как поглощение дву­окиси серы тиамином снижает консервирующий эффект. В присутствии серни­стой кислоты сильно уменьшается разрушение витамина С в пищевых продуктах.

Реакция сернистой кислоты с альдегидами полезна для виноделия. Из-за этого свойства диоксид серы незаменим в производстве вина, так как в его отсутствие побочный продукт брожения – ацетальдегид – придавал бы вину нежелатель­ный запах и вкус.

Восстанавливающие и антиокислительные свойства сернистой кислоты име­ют большое значение для многих отраслей пищевой промышленности. Добав­лением SO₂, можно замедлить реакции ферментативного побурения (он подавля­ет активность ферментов или перехватывает ускоряющие процесс свободные радикалы). Сернистая кислота тормозит также многие неферментативные реакции побурения, включая реакцию Майяра.

Некоторые сульфиты в определённых условиях могут разрушать образую­щиеся в пищевых продуктах афлатоксины.

Из-за выдвинутых против двуокиси серы и сульфитов обвинений в токсич­ности им давно ищут замену. В числе прочих заменителей обсуждались: 5,6-сульфинил-L-аскорбиновая кислота, 2-фосфат аскорбиновой кислоты, сама аскорбиновая кислота, ингибиторы полифенолоксидаз и серосодержащие ами­нокислоты. Так же как и нитриты, двуокись серы – многофункциональное вещество. По некоторым свойствам она может быть заменена другими консер­вантами. Однако до сих пор не известно вещество, которое одновременно может проявлять такие функции диоксида серы, как ингибирование ферментов, вос­станавливающее и антиокислительное действие.