Молочна кислота

1. Ферментативне отримання [ правити | правити код ]
2. Синтетичне отримання [ правити | правити код ]
3. Економічні аспекти [ правити | правити код ]
4. Молочна кислота в організмі людини і тварин [ правити | правити код ]

Молочна кислота систематичне
найменування 2-гідроксіпропановая кислота Хім. формула C₃H₆O₃ Рац. формула CH3CH (OH) COOH молярна маса 90,08 г / моль щільність 1,225 г / см³ Т. кип. 122 ° C pKa 3,86 (при 25 ° C) Реєстр. номер CAS 50-21-5 PubChem 612 Реєстр. номер EINECS 200-018-0 SMILES InChI Кодекс Аліментаріус E270 ChEBI 78320 ChemSpider 592 H-фрази H315, H318 P-фрази P280, P305 + P351 + P338 сигнальне слово небезпечно піктограми СГС Наводяться дані для стандартних умов (25 ° C, 100 кПа) , Якщо не вказано іншого.

Молочна кислота (α-оксіпропіоновая, 2-гідроксіпропановая кислота) CH3CH (OH) COOH - одноосновная карбонова кислота з трьома атомами вуглецю, що містить гідроксильну групу . Солі та ефіри молочної кислоти називаються лактату. Молочна кислота утворюється при молочнокислом бродінні цукрів і грає важливу роль в метаболізмі .

Молочну кислоту відкрив шведський хімік Карл Шеєле . В 1780 році він виділив її з кислого молока у вигляді коричневого сиропу. французький хімік Анрі Браконно виявив, що вона утворюється при молочнокислом бродінні [1] .

У 1807 році Йенс Якоб Берцеліус виділив з м'язів цинкову сіль молочної кислоти.

Молочна кислота є найпростішою хіральної карбоновою кислотою і може існувати у вигляді двох енантіомерів : L - (+) - молочної кислоти, D - (-) - молочної кислоти або їх рацемической суміші - DL-молочної кислоти. Якщо в суміші енантіомерів один знаходиться в надлишку, його можна виділити дробовими перекристалізація з суміші діетилового ефіру і діізопропілового ефіру [1] . Чисті енантіомери мають температуру плавлення 52,7-52,8 ° С [1] .

Молочна кислота дуже гігроскопічна і зазвичай існує у вигляді водного розчину з концентрацією до 90 мас. %. У зв'язку з цим дуже складно встановити її температуру плавлення; література призводить значення від 18 до 33 ° С. Крім того, в таких розчинах присутня значна кількість лактоілмолочной кислоти та інших олігомерів молочної кислоти [1] .

Молочна кислота розчинна у воді , етанолі , Діетиловому ефірі та інших органічних розчинниках, змішуються з водою. Вона практично нерозчинні в бензолі і хлороформі [2] .

При взаємодії з окислювачами молочна кислота розкладається. При окисленні киснем повітря або азотною кислотою у присутності заліза або міді вона перетворюється в мурашину кислоту , оцтову кислоту , щавлеву кислоту , оцтовий альдегід , вуглекислий газ і пировиноградную кислоту . Молочну кислоту можна відновити до пропіонової кислоти дією иодоводорода [3]

Промисловий інтерес представляє дегідратація молочної кислоти до акрилової кислоти і її відновлення до пропиленгликоля [4] .

Оскільки молочна кислота є одночасно карбоновою кислотою та спиртом , Вона вступає в міжмолекулярної етерифікацію , Даючи лактоілмолочную кислоту. При подальшій конденсації утворюється лактид - циклічний складний ефір . Також при конденсації можуть утворюватися лінійні полілактид . Ці сполуки є домішками в молочній кислоті. Так, в 6,5% -й молочній кислоті міститься близько 0,2% лактоілмолочной кислоти, 88% -а молочна кислота містить менше 60% вільної молочної кислоти, а 100% -а - тільки 32% [2] .

Ферментативне отримання [ правити | правити код ]

У промисловості молочну кислоту отримують або ферментативним способом, або синтетичним. Перший з них має перевагу, оскільки призводить до молочної кислоти з більш високою стереохимической чистотою, тому нові виробництва, що відкривалися з 1995 року, користуються цим способом [4] .

Для ферментативного виробництва молочної кислоти необхідно мати вуглеводне сировину, поживні речовини і відповідні мікроорганізми. В якості сировини використовують глюкозу , кукурудзяні сиропи, мелясу , сік цукрового буряка , сироватку і крохмаль . Поживними речовинами є пептиди і амінокислоти , фосфати , солі амонію і вітаміни . Тут знаходять застосування дріжджовий екстракт , кукурудзяний лікер [En] , кукурудзяна глютеновая борошно [En] , Солодові паростки, соєвий або м'ясний пептони . Молочну кислоту з вуглеводів виробляють культури Lactobacillus , Bacillus і Rhizopus . Остання з них є грибний і не вимагає складних джерел азоту, хоча і дає більш низький вихід, ніж бактеріальні культури [4] .

Під час процесу виробляється кислота, тому необхідно підтримувати pH в області 5,0-6,5: для цього використовують гідроксид кальцію , карбонат кальцію , аміак і гідроксид натрію . Через це в процесі ферментації утворюються відповідні солі молочної кислоти. Розробка нових підходів до ферментації пов'язана з виведенням бактерій, здатних працювати в області низьких pH: це дозволило б отримувати саму молочну кислоту, а не її солі, знизило б витрати на подщелачівающіе реагенти і на сірчану кислоту, яка використовується для виділення молочної кислоти з солей [4] .

Після ферментації молочну кислоту піддають очищенню. мікроорганізми відокремлюють флокуляцией в лужному середовищі або ультрафильтрацией . Утворилися солі молочної кислоти переводять в саму кислоту під дією сірчаної кислоти . При цьому утворюється також малокорисних сульфат кальцію . Ведеться пошук інших методів очищення, при яких освіту це побічної солі не відбувалося б. Для деяких харчових цілей суміш пропускають через активоване вугілля і іонообмінну колону [5] .

Для фармацевтичної промисловості та отримання соєвого молока необхідна більш глибоке очищення. Викликає зацікавлення екстракція молочної кислоти в органічну фазу длінноцепнимі третинними амінами , А потім зворотна екстракція в воду. Цей метод дозволяє ефективно очистити продукт від залишкових вуглеводів і білків. також можлива перегонка молочної кислоти, якщо вживаються заходи проти її олигомеризации [5] .

Вихід молочної кислоти в процесі ферментації становить 85-95%. Побічними продуктами є мурашина і оцтова кислота . [4] .

Синтетичне отримання [ правити | правити код ]

З 1960-х рр. рацемическую молочну кислоту виробляють в промисловості також синтетично. Підхід заснований на реакції ацетальдегіду з ціановодорода і подальшому гідролізі утворився лактонітріла . Недоліком синтетичного підходу є те, що отримується молочна кислота є рацемической, а відповідний і дешевий хіральний каталізатор поки не знайдений. Останнім великим виробником синтетичної молочної кислоти є фірма «Musashino» [5] .

Економічні аспекти [ правити | правити код ]

Річна потреба в молочній кислоті складає приблизно 450 тис. Тонн. Найбільшим виробником молочної кислоти є компанія NatureWorks LLC: її завод, розміщений в штаті Небраска ( США ), Має приблизну потужність 180 тис. Тонн в рік. Це в 3-4 рази більше, ніж у наступного заводу по порядку. Ринок молочної кислоти дуже чутливий до потреби в Полілактид, оскільки його виробництво є або незабаром стане найбільшим напрямом використання молочної кислоти [6] .

Молочна кислота в організмі людини і тварин [ правити | правити код ]

Молочна кислота формується при розпаді глюкози . Іноді звана «кров'яною цукром» глюкоза є головним джерелом вуглеводів в нашому організмі. Це основне джерело енергії для мозку і нервової системи, так само як і для м'язів під час фізичного навантаження. Коли розщеплюється глюкоза, клітини виробляють АТФ (аденозинтрифосфат) , Який забезпечує енергією більшість хімічних реакцій в організмі. Рівень АТФ визначає, як швидко і як довго м'язи зможуть скорочуватися при фізичному навантаженні.

Виробництво молочної кислоти не вимагає присутності кисню, тому цей процес її синтезу часто називають «анаеробним метаболізмом» (див. анаеробна тренування ). Раніше вважалося, що м'язи виробляють молочну кислоту при нестачі кисню в крові. Іншими словами, організм знаходиться в анаеробному стані. Однак сучасні дослідження показують, що молочна кислота утворюється і в м'язах, які отримують достатньо кисню. Збільшення кількості молочної кислоти в крові свідчить лише про те, що рівень її надходження перевищує рівень видалення [7] [8] . Різке збільшення (в 2-3 рази) рівня лактату в сироватці крові спостерігається при важких розладах кровообігу, таких як геморагічний шок, гостра лівошлуночкова недостатність і ін., Коли одночасно страждає і надходження кисню в тканини, і печінковий кровотік.

Залежне від лактату виробництво АТФ дуже незначно, але має велику швидкість. Ця обставина робить ідеальним його використання в якості джерела енергії, коли навантаження перевищує 50% від максимальної. При відпочинку і помірному навантаженні організм воліє розщеплювати жири для отримання енергії. При навантаженнях в 50% від максимуму (поріг інтенсивності для більшості тренувальних програм) організм перебудовується на переважне споживання вуглеводів. Чим більше вуглеводів людина використовує в якості палива, тим більше виробництво молочної кислоти.

Дослідження показали, що у людей похилого віку в головному мозку кількість солей кислоти (лактатів) має підвищений рівень [9] .

щоб глюкоза могла проходити через клітинні мембрани , Їй необхідний інсулін . Молекула ж молочної кислоти в два рази менше молекули глюкози, і гормональна підтримка їй не потрібна - вона з легкістю сама проходить через клітинні мембрани.

Кількісний аналіз молочної кислоти зазвичай проводять титруванням гідроксидом натрію у присутності фенолфталеина . Цей спосіб не підходить для концентрованих розчинів, тому що в них молочна кислота частково знаходиться у вигляді лактоілмолочной кислоти. Якщо такий розчин потрібно відтитрувати, використовують прийом зворотного титрування : Молочну кислоту обробляють надлишком лугу (Лактоілмолочная кислота при цьому гідролізується ), А потім залишок лугу оттітровивают соляною кислотою [6] .

У промисловості і дослідницьких лабораторіях молочну кислоту аналізують методом ВЕРХ . зміст енантіомерний форм в молочній кислоті можна визначити ферментативним методом або ВЕРХ на хіральної колонці. Такі колонки, як і зразки високочистих енантіомерів молочної кислоти комерційно доступні [6] .

Молочну кислоту можна виявити за такими якісним реакцій :

• Взаємодія з n -оксідіфенілом і сірчаною кислотою:

При обережному нагріванні молочної кислоти з концентрованої сірчаної кислотою вона спочатку утворює оцтовий альдегід і мурашину кислоту; остання негайно розкладається:
CH3CH (OH) COOH → CH3CHO + HCOOH (→ H2O + CO)
Оцтовий альдегід взаємодіє з n -оксідіфенілом, причому, мабуть, відбувається конденсація в o-положенні до OH-групі з утворенням 1,1-ді (оксидифенил) етану:

У розчині сірчаної кислоти повільно окислюється в фіолетовий продукт невідомого складу. Тому, як і при виявленні гліколевої кислоти за допомогою 2,7-діоксінафталіна, в даному випадку відбувається взаємодія альдегіду з фенолом, при якому концентрована сірчана кислота діє як конденсирующий агент і окислювач. Таку ж кольорову реакцію дають α-оксимасляная і пировиноградная кислоти.
Виконання реакції: У сухий пробірці нагрівають протягом 2 хвилин на водяній бані при 85 ° C краплю досліджуваного розчину з 1 мл концентрованої сірчаної кислоти. Після цього охолоджують під краном до 28 ° C, додають невелику кількість твердого n -оксідіфеніла і, перемішавши кілька разів, дають постояти 10-30 хвилин. Фіолетове забарвлення з'являється поступово і через деякий час стає більш глибоким. Відкривається мінімум: 1,5⋅10-6 г молочної кислоти.

• Взаємодія з підкисленим сірчаною кислотою розчином перманганату калію

Виконання реакції: У пробірку долити 1 мл молочної кислоти, а потім трохи підкисленого сірчаною кислотою розчину перманганату калію. Нагрівати протягом 2 хвилин на слабкому вогні. Відчувається запах оцтової кислоти. С3Н6О3 + [O] = C3Н4O3 + H2O ↑ Продуктом цієї реакції може бути пировиноградная кислота С3Н4О3, яка теж має запах оцтової кислоти. С3Н6О3 + [O] = C3Н4O3 + H2O ↑ Однак пировиноградная кислота при звичайних умовах нестійка і швидко окислюється до оцтової кислоти, тому реакція протікає яка відповідно до рівняння: С3Н6О3 + 2 [O] = CH3COOH + CO2 ↑ + H2O

• Взаємодія з фенолятом заліза

Опис реакції: Ця реакція називається реакцією Уффельмана і використовується, наприклад, в клінічній медицині для визначення присутності молочної кислоти в шлунковому соку, відкрита Юліусом Уффельманом [De] в 1880-х рр. Для проведення реакції потрібно розчинити одну краплю хлориду заліза і 0,4 грама фенолу в 50 см3 води. Потім додати тестируемую рідина, якщо в ній є молочна кислота, то синій колір розчину зміниться жовтим [10] [11] , Оскільки утворюється лактат заліза .

Молочна кислота використовується переважно в трьох сферах: харчової промисловості , виробництві полімерів і інших промислових цілях [12] .

У харчовій промисловості молочна кислота використовується як консервант і підкислювач . Завдяки тому, що її солі добре розчинні у воді, їх також можна використовувати в тих продуктах, де важливе значення pH . Молочна кислота і її солі використовуються в напоях, цукерках, м'ясних виробах і соусах. лактат кальцію додається в продукти як джерело кальцію. [12]

В полімерної промисловості з молочної кислоти отримують полілактид . Проводиться він з лактид полімеризацією з розкриттям циклу . Сам же лактид отримують конденсацією молочної кислоти [12] .

Також молочна кислота використовується в покритті металів, косметиці, текстильної та шкіряної промисловості. Її ефіри знаходять застосування у виробництві фарб і чорнила, електроніки та чищення металів [12] .

Молочна кислота - це органічна карбонова кислота, яка присутня в багатьох організмах і є безпечною для навколишнього середовища. Збільшення виробництва молочної кислоти і, відповідно, полілактиду робить позитивний вплив тим, що витісняє використання полімерів, вироблених з нафти, знижує викиди вуглекислого газу і надає більш широкі можливості по утилізації відходів [13] .

Молочна кислота також використовується в харчовій промисловості і не є токсичною . Проте при попаданні в очі або на пошкоджену шкіру вона викликає роздратування. напівлетальні доза для щурів при оральному прийомі становить 3,73 г / кг [13] .

1. ↑ 1 2 3 4 Ullmann, 2014 , P. 1.
2. ↑ 1 2 Ullmann, 2014 , P. 2.
3. ↑ Трегер Ю. А. Молочна кислота // Хімічна енциклопедія: у 5 т / Кнунянц І. Л. . - М.: Велика Російська енциклопедія , 1992. - Т. 3: Меди-Полімерні. - С. 130-131. - 639 с. - 48 000 прим. - ISBN 5-85270-039-8 .
4. ↑ 1 2 3 4 5 Ullmann, 2014 , P. 3.
5. ↑ 1 2 3 Ullmann, 2014 , P. 4.
6. ↑ 1 2 3 Ullmann, 2014 , P. 6.
7. ↑ Dr. George A. Brooks (Англ.)
8. ↑ George A. Brooks. What does glycolysis make and why is it important? // Journal of Applied Physiology. - 2010. - Вип. 108. - № 6. - С. 1450-1451. - DOI : 10.1152 / japplphysiol.00308.2010 .
9. ↑ Надія Маркіна. Старість заповнює мозок солями молочної кислоти (Рос.). Infox.ru (7 листопада 2010). Дата обігу 7 листопада 2010 року. Читальний зал 23 серпня 2011 року.
10. ↑ Handbuch der Lebensmittelchemie . - Springer, 1935. - Vol. 2. Allgemeine Untersuchungsmethoden. Zweiter Teil: Chemische und Biologische Methoden. - С. 1099. - ISBN 9783662019481 .
11. ↑ Uffelmann: Pharmazeutische Zentralhalle für Deutschland. 1887 28, 582.
12. ↑ 1 2 3 4 Ullmann, 2014 , P. 5.
13. ↑ 1 2 Ullmann, 2014 , P. 7.