Молочная кислота является органической кислотой . Он имеет молекулярную формулу CH 3 CH(OH)COOH . В твердом состоянии он белого цвета и смешивается с водой. [2] В растворенном состоянии он образует бесцветный раствор. Производство включает как искусственный синтез, так и природные источники. Молочная кислота является альфа-гидроксикислотой (AHA) из-за наличия гидроксильной группы, соседней с карбоксильной группой. Он используется в качестве синтетического промежуточного продукта во многих отраслях органического синтеза и в различных биохимических отраслях. Сопряженное основание молочной кислоты называется лактатом (или лактат-анионом). Название производной ацильной группы — лактоил .
В растворе он может ионизироваться за счет потери протона с образованием лактат- иона CH.
3СН(ОН)СО−
2. По сравнению с уксусной кислотой ее pKa на 1 единицу меньше, то есть молочная кислота в десять раз более кислая , чем уксусная. Эта более высокая кислотность является следствием внутримолекулярных водородных связей между α-гидроксилом и карбоксилатной группой.
Молочная кислота хиральна и состоит из двух энантиомеров . Одна известна как L -молочная кислота, ( S )-молочная кислота или (+)-молочная кислота, а другая, ее зеркальное отражение, представляет собой D -молочную кислоту, ( R )-молочную кислоту или (-)-. молочная кислота. Смесь этих двух веществ в равных количествах называется DL -молочной кислотой или рацемической молочной кислотой. Молочная кислота гигроскопична . DL -молочная кислота смешивается с водой и этанолом при температуре выше точки плавления, которая составляет от 16 до 18 °C (от 61 до 64 °F). D -молочная кислота и L -молочная кислота имеют более высокую температуру плавления. Молочная кислота, образующаяся при брожении молока, часто бывает рацемической, хотя некоторые виды бактерий производят только D -молочную кислоту. [6] С другой стороны, молочная кислота, вырабатываемая в результате анаэробного дыхания в мышцах животных, имеет энантиомер ( L ) и иногда называется «саркомолочной» кислотой, от греческого sarx , что означает «плоть».
У животных L -лактат постоянно вырабатывается из пирувата с помощью фермента лактатдегидрогеназы (ЛДГ) в процессе ферментации во время нормального обмена веществ и физических упражнений . [7] Его концентрация не увеличивается до тех пор, пока скорость продукции лактата не превысит скорость удаления лактата, что определяется рядом факторов, включая переносчики монокарбоксилатов , концентрацию и изоформу ЛДГ, а также окислительную способность тканей. [7] Концентрация лактата в крови обычно составляет 1–2 мМ. в состоянии покоя, но может повышаться до более 20 мМ во время интенсивной нагрузки и до 25 мМ после нее. [8] [9] Помимо других биологических ролей, L -молочная кислота является основным эндогенным агонистом рецептора 1 гидроксикарбоновой кислоты (HCA 1 ), который представляет собой G- i/o -связанный с G-белком рецептор (GPCR). [10] [11]
В промышленности молочнокислое брожение осуществляется молочнокислыми бактериями , которые превращают простые углеводы, такие как глюкоза , сахароза или галактоза , в молочную кислоту. Эти бактерии также могут расти во рту ; кислота , которую они производят, ответственна за разрушение зубов , известное как кариес . [12] [13] [14] [15] В медицине лактат является одним из основных компонентов лактатного раствора Рингера и раствора Хартмана . Эти внутривенные жидкости состоят из катионов натрия и калия , а также анионов лактата и хлорида в растворе с дистиллированной водой , обычно в концентрациях , изотонических человеческой крови . Его чаще всего используют для жидкостной реанимации после кровопотери из-за травмы , хирургического вмешательства или ожогов .
Шведский химик Карл Вильгельм Шееле был первым, кто выделил молочную кислоту в 1780 году из кислого молока . [16] Название отражает лакто- комбинированную форму, происходящую от латинского слова lac , что означает «молоко». В 1808 году Йонс Якоб Берцелиус обнаружил, что молочная кислота (на самом деле L -лактат) также вырабатывается в мышцах во время физической нагрузки. [17] Его структура была создана Йоханнесом Вислиценом в 1873 году.
В 1856 году роль лактобактерий в синтезе молочной кислоты была открыта Луи Пастером . Этот путь был коммерчески использован немецкой аптекой Boehringer Ingelheim в 1895 году.
В 2006 году мировое производство молочной кислоты достигло 275 000 тонн со среднегодовым ростом на 10%. [18]
Молочную кислоту производят в промышленности путем бактериальной ферментации углеводов или химическим синтезом из ацетальдегида . [19] По состоянию на 2009 год молочная кислота производилась преимущественно (70–90%) [20] путем ферментации. Производство рацемической молочной кислоты, состоящей из смеси стереоизомеров D и L в соотношении 1:1 или смесей, содержащих до 99,9% L -молочной кислоты, возможно путем микробной ферментации. Производство D -молочной кислоты в промышленных масштабах путем ферментации возможно, но это гораздо сложнее.[обновлять]
Кисломолочные продукты получают промышленным путем сквашиванием молока или сыворотки лактобактериями : Lactobacillus acidophilus , Lacticaseibacillus casei ( Lactobacillus casei ) , Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus ( Lactobacillus bulgaricus ), Lactobacillus helveticus , Lactococcus Lactis , Bacillus amyloliquefaciens и Streptococcus salivarius subsp. термофильный ( Streptococcus thermophilus ).
В качестве исходного материала для промышленного производства молочной кислоты подойдет практически любой источник углеводов, содержащий C.5(Пентозный сахар) и C6(Гексозный сахар) можно использовать. Часто используются чистая сахароза, глюкоза из крахмала, сахар-сырец и свекольный сок. [21] Бактерии, продуцирующие молочную кислоту, можно разделить на два класса: гомоферментативные бактерии, такие как Lactobacillus Casei и Lactococcus Lactis , производящие два моля лактата из одного моля глюкозы, и гетероферментативные виды, производящие один моль лактата из одного моля глюкозы, а также углекислый газ и уксусная кислота / этанол . [22]
Рацемическую молочную кислоту синтезируют в промышленности путем реакции ацетальдегида с цианистым водородом и гидролиза образующегося лактонитрила . При гидролизе соляной кислотой в качестве побочного продукта образуется хлорид аммония ; Японская компания Musashino является одним из последних крупных производителей молочной кислоты на этом маршруте. [23] Синтез как рацемических, так и энантиочистых молочных кислот возможен также из других исходных материалов ( винилацетат , глицерин и т. д.) путем применения каталитических методов. [24]
L -молочная кислота является основным эндогенным агонистом рецептора 1 гидроксикарбоновой кислоты (HCA 1 ), G- i/o -связанного с G-белком рецептора (GPCR). [10] [11]
Во время силовых упражнений, таких как спринт , когда потребность в энергии высока, глюкоза расщепляется и окисляется до пирувата , а затем из пирувата вырабатывается лактат быстрее, чем организм может его переработать, вызывая повышение концентрации лактата. Производство лактата полезно для регенерации НАД + (пируват восстанавливается до лактата, а НАДН окисляется до НАД + ), который расходуется на окисление глицеральдегид-3-фосфата во время производства пирувата из глюкозы, и это обеспечивает производство энергии. поддерживается и упражнения могут продолжаться. Во время интенсивных физических упражнений дыхательная цепь не может справиться с количеством ионов водорода, которые присоединяются к НАДН, и не может достаточно быстро регенерировать НАД + .
Полученный лактат можно использовать двумя способами:
Однако лактат постоянно образуется в состоянии покоя и во время тренировок любой интенсивности. Лактат служит метаболическим топливом, которое вырабатывается и окислительно утилизируется в мышцах в состоянии покоя и тренировки. Некоторыми причинами этого являются метаболизм в эритроцитах , лишенных митохондрий , а также ограничения, возникающие из-за активности ферментов, возникающих в мышечных волокнах с высокой гликолитической способностью. [25] Лактацидоз – физиологическое состояние , характеризующееся накоплением лактата (особенно L -лактата) с образованием в тканях чрезмерно низкого рН – форма метаболического ацидоза .
Лактат-ацидоз во время физических упражнений может возникнуть из-за H + гидролиза АТФ (АТФ 4- + H 2 O → АДФ 3- + HPO2−
4+ H + ), и что восстановление пирувата до лактата (пируват - + НАДН + H + → лактат - + НАД + ) фактически потребляет H + . [26] Причинные факторы увеличения [H + ] возникают в результате производства лактата − из нейтральной молекулы, увеличивая [H + ] для поддержания электронейтральности. [27] Противоположная точка зрения состоит в том, что лактат - производится из пирувата - , который имеет тот же заряд. Именно пируват – производство нейтральной глюкозы, которая генерирует H + :
Последующее производство лактата поглощает эти протоны:
Общий:
Хотя реакция глюкоза → 2 лактат − + 2 H + высвобождает два H +, если смотреть отдельно, H + поглощаются при производстве АТФ. С другой стороны, поглощенная кислотность высвобождается при последующем гидролизе АТФ: АТФ 4− + H 2 O → АДФ 3− + HPO.2−
4+ Н + . Таким образом, как только включено использование АТФ, общая реакция будет
Образование CO 2 при дыхании также вызывает увеличение [H + ].
Хотя обычно считается, что глюкоза является основным источником энергии для живых тканей, есть несколько сообщений, которые указывают на то, что именно лактат, а не глюкоза, преимущественно метаболизируется нейронами в мозге нескольких видов млекопитающих (наиболее примечательными из них являются мыши) . , крысы и люди ). [28] [29] [ необходим неосновной источник ] Согласно гипотезе лактатного челнока , глиальные клетки ответственны за преобразование глюкозы в лактат и за снабжение нейронов лактатом. [30] [31] Из-за такой локальной метаболической активности глиальных клеток внеклеточная жидкость , непосредственно окружающая нейроны, сильно отличается по составу от крови или спинномозговой жидкости , будучи намного богаче лактатом, как было обнаружено в исследованиях микродиализа . [28]
Некоторые данные свидетельствуют о том, что лактат важен на ранних стадиях развития для метаболизма мозга у субъектов в пренатальном и раннем послеродовом периоде , при этом лактат на этих стадиях имеет более высокие концентрации в жидкостях организма и используется мозгом преимущественно, чем глюкоза. [28] Также было высказано предположение, что лактат может оказывать сильное действие на ГАМКергические сети в развивающемся мозге , делая их более тормозящими , чем предполагалось ранее, [32] действуя либо за счет лучшей поддержки метаболитов, [28] или изменений в основаниях. внутриклеточные уровни pH , [33] [34] или и то, и другое. [35]
Исследования срезов мозга мышей показывают, что β-гидроксибутират , лактат и пируват действуют как окислительные энергетические субстраты, вызывая увеличение фазы окисления НАД(Ф)Н, что глюкозы оказывается недостаточно в качестве энергоносителя во время интенсивной синаптической активности и, наконец, , что лактат может быть эффективным энергетическим субстратом, способным поддерживать и усиливать аэробный энергетический метаболизм мозга in vitro . [36] Исследование «предоставляет новые данные о двухфазных переходных процессах флуоресценции НАД(Ф)Н, важном физиологическом ответе на нервную активацию, который был воспроизведен во многих исследованиях и который, как полагают, возникает преимущественно из-за вызванных активностью изменений концентрации клеточного НАДН. бассейны». [37]
Лактат также может служить важным источником энергии для других органов, включая сердце и печень. Во время физической активности до 60% скорости обмена энергии сердечной мышцы происходит за счет окисления лактата. [16]
Анализы крови на лактат проводятся для определения состояния кислотно-щелочного гомеостаза в организме. Забор крови для этой цели часто бывает артериальным (хотя это и сложнее, чем венепункция ), поскольку уровень лактата существенно различается между артериальным и венозным, и артериальный уровень более репрезентативен для этой цели.
Во время родов уровень лактата у плода можно определить количественно с помощью анализа крови на коже головы плода .
Две молекулы молочной кислоты могут быть дегидратированы до лактона лактида . В присутствии катализаторов лактид полимеризуется с образованием атактического или синдиотактического полилактида (PLA), которые представляют собой биоразлагаемые полиэфиры . PLA является примером пластика, который не производится в результате нефтехимии .
Молочная кислота также используется в фармацевтической технологии для производства водорастворимых лактатов из нерастворимых в противном случае активных ингредиентов. Он находит дальнейшее применение в препаратах местного применения и косметике для регулирования кислотности, а также благодаря своим дезинфицирующим и кератолитическим свойствам.
Бактерии, содержащие молочную кислоту, показали многообещающую эффективность в снижении оксалурии благодаря своим свойствам удаления накипи с соединений кальция. [40]
Молочная кислота содержится преимущественно в кисломолочных продуктах , таких как кумыс , лабан , простокваша , кефир , некоторые творожки . Казеин в кисломолочном продукте коагулируется (свертывается) молочной кислотой. Молочная кислота также отвечает за кислый вкус хлеба на закваске .
В списках информации о пищевой ценности молочная кислота может быть включена в термин «углевод» (или «углевод в зависимости от разницы»), потому что он часто включает в себя все, кроме воды, белка, жира, золы и этанола. [41] Если это так, то при расчете пищевой энергии можно использовать стандартные 4 килокалории (17 кДж) на грамм, которые часто используются для всех углеводов. Но в некоторых случаях при расчете не учитывается молочная кислота. [42] Энергетическая плотность молочной кислоты составляет 362 килокалории (1510 кДж) на 100 г. [43]
Некоторые виды пива ( кислое пиво ) намеренно содержат молочную кислоту, одним из таких сортов является бельгийский ламбик . Чаще всего он вырабатывается естественным путем различными штаммами бактерий. Эти бактерии ферментируют сахар в кислоты, в отличие от дрожжей, которые ферментируют сахар в этанол. После охлаждения сусла дрожжи и бактерии «попадают» в открытые ферментеры. Пивовары более распространенных сортов пива должны следить за тем, чтобы такие бактерии не попадали в ферментер. Другие кислые сорта пива включают Berliner Weisse , Flanders Red и американский дикий эль . [44] [45]
В виноделии часто используется бактериальный процесс, естественный или контролируемый, для преобразования присутствующей в природе яблочной кислоты в молочную кислоту, для уменьшения остроты и по другим причинам, связанным с вкусом. Яблочно -молочное брожение осуществляется молочнокислыми бактериями .
Хотя молочная кислота обычно не содержится в значительных количествах во фруктах, она является основной органической кислотой в плодах акебии и составляет 2,12% сока. [46]
В качестве пищевой добавки он одобрен для использования в ЕС, [47], США [48] , Австралии и Новой Зеландии; [49] он указан под номером INS 270 или под номером E E270. Молочная кислота используется в качестве пищевого консерванта, отвердителя и ароматизатора. [50] Он входит в состав обработанных пищевых продуктов и используется в качестве дезинфицирующего средства при переработке мяса. [51] Молочная кислота производится в промышленных масштабах путем ферментации углеводов, таких как глюкоза, сахароза или лактоза, или путем химического синтеза. [50] Источниками углеводов являются кукуруза, свекла и тростниковый сахар. [52]
Молочная кислота исторически использовалась для стирания чернил с официальных документов, которые необходимо было изменить во время подделки . [53]
Молочная кислота используется в некоторых жидких чистящих средствах в качестве средства для удаления накипи для удаления отложений жесткой воды , таких как карбонат кальция , образующих лактат, лактат кальция . Благодаря высокой кислотности такие отложения удаляются очень быстро, особенно при использовании кипящей воды, например, в чайниках. Он используется в некоторых антибактериальных мылах и средствах для мытья посуды в качестве замены триклозану .