Молочная кислота — это органическая кислота . Она имеет молекулярную формулу C3H6O3 . В твердом состоянии она белая и смешивается с водой. [2] В растворенном состоянии она образует бесцветный раствор. Производство включает как искусственный синтез , так и природные источники. Молочная кислота является альфа-гидроксикислотой (AHA) из-за наличия гидроксильной группы, смежной с карбоксильной группой. Она 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 путем потери протона с образованием иона лактата CH
3СН(ОН)СО−
2. По сравнению с уксусной кислотой ее p K a на 1 единицу меньше, то есть молочная кислота в десять раз более кислая, чем уксусная кислота. Эта более высокая кислотность является следствием внутримолекулярной водородной связи между α-гидроксилом и карбоксилатной группой.
Молочная кислота хиральна , состоит из двух энантиомеров . Один из них известен как L -молочная кислота, ( S )-молочная кислота или (+)-молочная кислота, а другой, его зеркальное отражение, — D- молочная кислота, ( R )-молочная кислота или (−)-молочная кислота. Смесь этих двух в равных количествах называется DL- молочной кислотой или рацемической молочной кислотой. Молочная кислота гигроскопична . DL -молочная кислота смешивается с водой и этанолом выше ее точки плавления, которая составляет около 16–18 °C (61–64 °F). D -молочная кислота и L -молочная кислота имеют более высокую температуру плавления. Молочная кислота, получаемая путем ферментации молока, часто является рацемической, хотя некоторые виды бактерий производят исключительно D -молочную кислоту. [6] С другой стороны, молочная кислота, вырабатываемая в результате анаэробного дыхания в мышцах животных, имеет энантиомер ( L ) и иногда называется «сарколактовой» кислотой, от греческого слова sarx , что означает «плоть».
У животных L -лактат постоянно вырабатывается из пирувата с помощью фермента лактатдегидрогеназы (ЛДГ) в процессе ферментации во время нормального метаболизма и физических упражнений . [7] Его концентрация не увеличивается до тех пор, пока скорость выработки лактата не превысит скорость его удаления, которая регулируется рядом факторов, включая транспортеры монокарбоксилата , концентрацию и изоформу ЛДГ и окислительную способность тканей. [7] Концентрация лактата в крови обычно составляет 1–2 мМ. в состоянии покоя, но может повышаться до более чем 20 мМ во время интенсивной нагрузки и до 25 мМ после нее. [8] [9] В дополнение к другим биологическим функциям, L -молочная кислота является основным эндогенным агонистом рецептора гидроксикарбоновой кислоты 1 (HCA 1 ), который представляет собой рецептор, сопряженный с G-белком (GPCR), связанный с G i/o . [10] [11]
В промышленности молочнокислое брожение осуществляется молочнокислыми бактериями , которые преобразуют 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 лактированного раствора Рингера и раствора Гартмана . Эти внутривенные жидкости состоят из катионов натрия и калия вместе с анионами лактата и хлорида в растворе с дистиллированной водой , как правило, в концентрациях, изотонических с человеческой кровью . Чаще всего он используется для жидкостной реанимации после потери крови из-за травмы , хирургического вмешательства или ожогов .
Молочная кислота вырабатывается в тканях человека, когда потребность в кислороде ограничена поставкой. Это происходит во время ишемии тканей , когда поток крови ограничен, как при сепсисе или геморрагическом шоке. Это также может происходить, когда потребность в кислороде высока, например, при интенсивных физических нагрузках. Процесс лактоацидоза вырабатывает молочную кислоту, что приводит к кислородному долгу, который может быть устранен или погашен, когда улучшается оксигенация тканей. [16]
Шведский химик Карл Вильгельм Шееле был первым человеком, который выделил молочную кислоту в 1780 году из кислого молока . [17] Название отражает лакто- объединительную форму, полученную от латинского слова lac , что означает «молоко». В 1808 году Йенс Якоб Берцелиус обнаружил, что молочная кислота (на самом деле L -лактат) также вырабатывается в мышцах во время нагрузки. [18] Ее структура была установлена Иоганнесом Вислиценусом в 1873 году.
В 1856 году Луи Пастер открыл роль Lactobacillus в синтезе молочной кислоты . Этот путь был использован в коммерческих целях немецкой аптекой Boehringer Ingelheim в 1895 году. [ необходима цитата ]
В 2006 году мировое производство молочной кислоты достигло 275 000 тонн со среднегодовым ростом в 10% [19] .
Молочная кислота производится в промышленных масштабах путем бактериальной ферментации углеводов или путем химического синтеза из ацетальдегида . [20] По состоянию на 2009 год молочная кислота производилась преимущественно (70–90%) [ 21] путем ферментации. Производство рацемической молочной кислоты, состоящей из смеси 1:1 D- и L- стереоизомеров или смесей с содержанием L -молочной кислоты до 99,9% , возможно путем микробной ферментации. Промышленное производство D -молочной кислоты путем ферментации возможно, но гораздо сложнее. [ требуется ссылка ][обновлять]
Кисломолочные продукты получают промышленным способом путем ферментации молока или сыворотки бактериями рода Lactobacillus : Lactobacillus acidophilus , Lacticaseibacillus casei ( Lactobacillus casei ), Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus ( Lactobacillus bulgaricus ), Lactobacillus helveticus , Lactococcus lactis , Bacillus amyloliquefaciens и Streptococcus salivarius subsp. thermophilus ( Streptococcus thermophilus ). [ необходима ссылка ]
В качестве исходного материала для промышленного производства молочной кислоты может использоваться практически любой источник углеводов, содержащий С5(Пентозный сахар) и C6(Гексозный сахар) может быть использован. Часто используются чистая сахароза, глюкоза из крахмала, сырой сахар и свекольный сок. [22] Бактерии, продуцирующие молочную кислоту, можно разделить на два класса: гомоферментативные бактерии, такие как Lactobacillus casei и Lactococcus lactis , продуцирующие два моля лактата из одного моля глюкозы, и гетероферментативные виды, продуцирующие один моль лактата из одного моля глюкозы, а также углекислый газ и уксусную кислоту / этанол . [23]
Рацемическая молочная кислота синтезируется в промышленности путем реакции ацетальдегида с цианистым водородом и гидролиза полученного лактонитрила . При гидролизе соляной кислотой в качестве побочного продукта образуется хлорид аммония ; японская компания Musashino является одним из последних крупных производителей молочной кислоты этим способом. [24] Синтез как рацемической, так и энантиомерно чистой молочной кислоты также возможен из других исходных материалов ( винилацетат , глицерин и т. д.) путем применения каталитических процедур. [25]
L -молочная кислота является основным эндогенным агонистом рецептора гидроксикарбоновой кислоты 1 (HCA 1 ), сопряженного с G-белком рецептора (GPCR) с помощью G i/o . [10] [11]
Во время силовых упражнений, таких как спринт , когда скорость спроса на энергию высока, глюкоза расщепляется и окисляется до пирувата , а затем из пирувата образуется лактат быстрее, чем организм может его обработать, что приводит к повышению концентрации лактата. Производство лактата полезно для регенерации NAD + (пируват восстанавливается до лактата, в то время как NADH окисляется до NAD + ), который используется при окислении глицеральдегид-3-фосфата во время производства пирувата из глюкозы, и это гарантирует, что производство энергии поддерживается, и упражнения могут продолжаться. Во время интенсивных упражнений дыхательная цепь не может справиться с количеством ионов водорода, которые присоединяются для образования NADH, и не может достаточно быстро регенерировать NAD + , поэтому пируват преобразуется в лактат, чтобы продолжить производство энергии путем гликолиза . [26]
Полученный лактат можно использовать двумя способами:
Лактат постоянно образуется в состоянии покоя и во время упражнений любой интенсивности. Лактат служит метаболическим топливом, которое вырабатывается и окислительно утилизируется в покоящихся и тренирующихся мышцах и других тканях. [26] Некоторые источники избыточного производства лактата - это метаболизм в эритроцитах , в которых отсутствуют митохондрии , осуществляющие аэробное дыхание, и ограничения в скорости активности ферментов в мышечных волокнах во время интенсивных упражнений. [27] Лактат-ацидоз - это физиологическое состояние, характеризующееся накоплением лактата (особенно L -лактата) с образованием чрезмерно высокой концентрации протонов [H + ] и соответственно низкого pH в тканях, форма метаболического ацидоза . [26]
Первым этапом метаболизма глюкозы является гликолиз , превращение глюкозы в пируват − и H + :
Когда кислорода достаточно для аэробного дыхания, пируват окисляется до CO2 и воды в цикле Кребса, в котором окислительное фосфорилирование генерирует АТФ для использования в качестве источника энергии для клетки. Когда кислорода недостаточно или когда недостаточно мощности для окисления пирувата, чтобы поддерживать быстрое производство пирувата во время интенсивной нагрузки, пируват преобразуется в лактат − с помощью лактатдегидрогеназы ), процесс, который поглощает эти протоны: [28]
Совокупный эффект:
Производство лактата из глюкозы ( глюкоза → 2 лактат − + 2 H + ), если рассматривать его изолированно, высвобождает два H + . H + поглощаются при производстве АТФ, но H + впоследствии высвобождается во время гидролиза АТФ:
Если включить производство и использование АТФ, то общая реакция будет выглядеть следующим образом:
Результирующее повышение кислотности сохраняется до тех пор, пока избыток лактата и протонов не преобразуется обратно в пируват, а затем в глюкозу для дальнейшего использования или в CO2 и воду для производства АТФ. [26]
Хотя обычно предполагается, что глюкоза является основным источником энергии для живых тканей, есть доказательства того, что лактат, в отличие от глюкозы, преимущественно метаболизируется нейронами в мозге нескольких видов млекопитающих , включая мышей , крыс и людей . [29] [30] [26] Согласно гипотезе лактатного челнока , глиальные клетки отвечают за преобразование глюкозы в лактат и за поставку лактата нейронам. [31] [32] Из-за этой 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 с помощью микродиализа . [29]
Некоторые данные свидетельствуют о том, что лактат важен на ранних стадиях развития для метаболизма мозга у пренатальных и ранних постнатальных субъектов, причем на этих стадиях лактат имеет более высокую концентрацию в жидкостях организма и используется мозгом преимущественно по сравнению с глюкозой. [29] Также была выдвинута гипотеза, что лактат может оказывать сильное воздействие на ГАМКергические сети в развивающемся мозге , делая их более ингибирующими, чем предполагалось ранее, [33], действуя либо за счет лучшей поддержки метаболитов, [29] либо за счет изменений в базовых уровнях внутриклеточного pH , [34] [35] или и того, и другого. [36]
Исследования срезов мозга мышей показывают, что β-гидроксибутират , лактат и пируват действуют как окислительные энергетические субстраты, вызывая увеличение фазы окисления НАД(Ф)Н, что глюкоза была недостаточной в качестве носителя энергии во время интенсивной синаптической активности и, наконец, что лактат может быть эффективным энергетическим субстратом, способным поддерживать и усиливать аэробный энергетический метаболизм мозга in vitro . [37] Исследование «предоставляет новые данные о двухфазных переходных процессах флуоресценции НАД(Ф)Н, важной физиологической реакции на нейронную активацию, которая была воспроизведена во многих исследованиях и которая, как полагают, возникает преимущественно из-за изменений концентрации клеточных пулов НАДН, вызванных активностью». [38]
Лактат также может служить важным источником энергии для других органов, включая сердце и печень. Во время физической активности до 60% оборота энергии сердечной мышцы происходит за счет окисления лактата. [17]
Анализы крови на лактат проводятся для определения состояния кислотно-щелочного гомеостаза в организме. Забор крови для этой цели часто осуществляется из артериальной крови (хотя это сложнее, чем венепункции ), поскольку уровни лактата существенно различаются между артериальной и венозной кровью, а артериальный уровень более репрезентативен для этой цели.
Во время родов уровень лактата у плода можно количественно определить с помощью анализа крови, взятой из кожи головы плода .
Две молекулы молочной кислоты могут быть дегидратированы до лактона лактида . В присутствии катализаторов лактид полимеризуется либо в атактический, либо в синдиотактический полилактид (PLA), которые являются биоразлагаемыми полиэфирами . PLA является примером пластика, который не получен из нефтехимических продуктов .
Молочная кислота также используется в фармацевтической технологии для получения водорастворимых лактатов из нерастворимых в противном случае активных ингредиентов. Она находит дальнейшее применение в местных препаратах и косметике для регулирования кислотности, а также благодаря своим дезинфицирующим и кератолитическим свойствам.
Бактерии, содержащие молочную кислоту, продемонстрировали свою способность снижать оксалурию благодаря своим очищающим свойствам от соединений кальция. [41]
Молочная кислота содержится в основном в кисломолочных продуктах , таких как кумыс , лабан , йогурт , кефир и некоторые виды творога . Казеин в ферментированном молоке коагулируется (свертывается) молочной кислотой. Молочная кислота также отвечает за кислый вкус хлеба на закваске .
В списках пищевой информации молочная кислота может быть включена под термином «углевод» (или «углевод по разнице»), поскольку это часто включает в себя все, кроме воды, белка, жира, золы и этанола. [42] Если это так, то расчетная энергия пищи может использовать стандартные 4 килокалории (17 кДж) на грамм, которые часто используются для всех углеводов. Но в некоторых случаях молочная кислота игнорируется в расчетах. [43] Энергетическая плотность молочной кислоты составляет 362 килокалории (1510 кДж) на 100 г. [44]
Некоторые сорта пива ( кислое пиво ) намеренно содержат молочную кислоту, одним из таких видов является бельгийский ламбик . Чаще всего она вырабатывается естественным образом различными штаммами бактерий. Эти бактерии сбраживают сахара в кислоты, в отличие от дрожжей, которые сбраживают сахар в этанол. После охлаждения сусла дрожжи и бактерии «падают» в открытые ферментеры. Пивовары более распространенных стилей пива следят за тем, чтобы никакие такие бактерии не попали в ферментер. Другие кислые стили пива включают Berliner Weisse , Flanders Red и American Wild Ale . [45] [46]
В виноделии бактериальный процесс, естественный или контролируемый, часто используется для преобразования натуральной яблочной кислоты в молочную кислоту, чтобы уменьшить резкость и по другим причинам, связанным со вкусом. Это 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 , составляя 2,12% сока. [47]
В качестве пищевой добавки она одобрена для использования в ЕС, [48] США [49] , Австралии и Новой Зеландии; [50] она указана под номером INS 270 или как E-номер E270. Молочная кислота используется в качестве пищевого консерванта, отвердителя и ароматизатора. [51] Она входит в состав обработанных пищевых продуктов и используется в качестве дезактивирующего средства при переработке мяса. [52] Молочная кислота производится в коммерческих целях путем ферментации углеводов, таких как глюкоза, сахароза или лактоза, или путем химического синтеза. [51] Источниками углеводов являются кукуруза, свекла и тростниковый сахар. [53]
Молочная кислота исторически использовалась для стирания чернил с официальных документов, подлежащих изменению при подделке . [54]
Молочная кислота используется в некоторых жидких очистителях в качестве средства для удаления накипи и отложений жесткой воды , таких как карбонат кальция . [55]