Kyselina mléčná

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 13. dubna 2020; kontroly vyžadují 39 úprav .

Kyselina mléčná
Všeobecné
Systematický název	kyselina 2-hydroxypropanová
Tradiční jména	Kyselina mléčná
Chem. vzorec	CH3CH (OH) COOH
Krysa. vzorec	C3H603 _ _ _ _ _
Fyzikální vlastnosti
Molární hmotnost	90,08 g/ mol
Hustota	1,225 g/cm³
Tepelné vlastnosti
Teplota
•  tání	18 °C [1]
•  vroucí	122 °C
Chemické vlastnosti
Disociační konstanta kyseliny	3,86 (při 25 °C)
Klasifikace
Reg. Číslo CAS	50-21-5; kyselina (S)-mléčná 79-33-4; Kyselina (R)-mléčná 103226-41-7.
PubChem	612
Reg. číslo EINECS	200-018-0
ÚSMĚVY	CC(O)C(=O)O
InChI	InChI=lS/C3H6O3/cl-2(4)3(5)6/h2,4H,1H3,(H,5,6)JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N
Codex Alimentarius	E270
CHEBI	78320
ChemSpider	592
Bezpečnost
Stručný charakter. nebezpečí (H)	H315 , H318
preventivní opatření. (P)	P280 , P305+P351+P338
signální slovo	Nebezpečný
piktogramy GHS
Údaje jsou založeny na standardních podmínkách (25 °C, 100 kPa), pokud není uvedeno jinak.
Mediální soubory na Wikimedia Commons

Kyselina mléčná  ( chemický vzorec - C 3 H 6 O 3 ) je slabá chemická organická kyselina patřící do třídy nasycených karboxylových kyselin .

Za standardních podmínek je kyselina mléčná bílá jednosytná karboxylová kyselina s charakteristickým zápachem. Soli a estery kyseliny mléčné se nazývají laktáty .

Malotonážní chemie vyrábí kyselinu mléčnou o 4 stupních: chemicky čistá, „lékopisná“, „technická“ a „potravinová“.

Historie

Kyselinu mléčnou objevil švédský chemik Carl Scheele . V roce 1780 ho izoloval z kyselého mléka jako hnědý sirup. Francouzský chemik Henri Braconnot objevil, že vzniká při mléčném kvašení [2] .

V roce 1807 izoloval Jens Jakob Berzelius ze svalů zinkovou sůl kyseliny mléčné.

Výroba kyseliny mléčné v Sovětském svazu byla organizována v roce 1930 na základě práce Sergeje Pavloviče Kostyčeva a Vladimíra Stěpanoviče Butkeviče . [3]

Fyzikální vlastnosti

Kyselina mléčná je nejjednodušší chirální karboxylová kyselina a může existovat jako dva enantiomery : kyselina L-(+)-mléčná, kyselina D-(-)-mléčná nebo jejich racemická směs  - kyselina DL-mléčná. Pokud je ve směsi enantiomerů jeden přebytek, lze jej izolovat frakční rekrystalizací ze směsi diethyletheru a diisopropyletheru [2] . Čisté enantiomery mají bod tání 52,7–52,8 °C [2] .

Kyselina mléčná je velmi hygroskopická a obvykle existuje ve formě vodného roztoku s koncentrací do 90 hm. %. V tomto ohledu je velmi obtížné stanovit jeho bod tání; literatura uvádí hodnoty od 18 do 33 °C. Navíc takové roztoky obsahují značné množství kyseliny laktoyllové a dalších oligomerů kyseliny mléčné [2] .

Kyselina mléčná je rozpustná ve vodě , ethanolu , diethyletheru (ten se mimochodem nemíchá s vodou z následující věty) a dalších organických rozpouštědlech, která jsou mísitelná s vodou. Je prakticky nerozpustný v benzenu a chloroformu [4] .

Chemické vlastnosti

Při interakci s oxidačními činidly se kyselina mléčná rozkládá. Při oxidaci vzdušným kyslíkem nebo kyselinou dusičnou v přítomnosti železa nebo mědi se přemění na kyselinu mravenčí , kyselinu octovou , kyselinu šťavelovou , acetaldehyd , oxid uhličitý a kyselinu pyrohroznovou . Kyselina mléčná může být redukována na kyselinu propionovou působením jodovodíku [5]

Průmyslově zajímavá je dehydratace kyseliny mléčné na kyselinu akrylovou a její redukce na propylenglykol [6] .

Protože kyselina mléčná je jak karboxylová kyselina, tak alkohol , podléhá intermolekulární esterifikaci , čímž vzniká kyselina laktoylmléčná. Další kondenzací vzniká laktid  - cyklický ester . Lineární polylaktidy se mohou také tvořit při kondenzaci . Tyto sloučeniny jsou nečistotami v kyselině mléčné. 6,5% kyselina mléčná tedy obsahuje asi 0,2% kyseliny laktoylmléčné, 88% kyselina mléčná obsahuje méně než 60% volné kyseliny mléčné a 100% kyselina mléčná obsahuje pouze 32% [4] .

Získání

Enzymatický přípravek

V průmyslu se kyselina mléčná vyrábí buď enzymaticky, nebo synteticky. První z nich má tu výhodu, že vyrábí kyselinu mléčnou s vyšší stereochemickou čistotou, takže nová průmyslová odvětví, která se otevřela od roku 1995, používají tuto metodu [6] .

Pro enzymatickou produkci kyseliny mléčné je potřeba mít sacharidové suroviny, živiny a vhodné mikroorganismy. Jako suroviny se používá glukóza , kukuřičné sirupy, melasa , šťáva z cukrové řepy , syrovátka a škrob . Živinami jsou peptidy a aminokyseliny , fosfáty , amonné soli a vitamíny . Používá se zde kvasnicový extrakt , kukuřičný likér kukuřičný lepek sladové klíčky, sója nebo masový pepton . Kyselina mléčná je produkována ze sacharidů kulturami Lactobacillus , Bacillus a Rhizopus . Poslední z nich je plísňová a nevyžaduje složité zdroje dusíku, i když poskytuje nižší výnos než bakteriální kultury [6] .

Během procesu vzniká kyselina, proto je nutné udržovat pH v oblasti 5,0-6,5: k tomu slouží hydroxid vápenatý , uhličitan vápenatý , amoniak a hydroxid sodný . Kvůli tomu se během fermentačního procesu tvoří odpovídající soli kyseliny mléčné. Vývoj nových přístupů k fermentaci je spojen se šlechtěním bakterií schopných pracovat v oblasti nízkého pH: to by umožnilo získat samotnou kyselinu mléčnou, a nikoli její soli, snížilo by se náklady na alkalizační činidla a používanou kyselinu sírovou. k izolaci kyseliny mléčné ze solí [6] .

Po fermentaci se kyselina mléčná čistí. Mikroorganismy se oddělují flokulací v alkalickém prostředí nebo ultrafiltrací . Výsledné soli kyseliny mléčné se působením kyseliny sírové přeměňují na samotnou kyselinu . V tomto případě se také tvoří málo používaný síran vápenatý . Probíhá hledání dalších metod čištění, při kterých by nedocházelo k tvorbě této soli jako vedlejšího produktu. Pro některé potravinářské účely se směs vede přes aktivní uhlí a iontoměničovou kolonu [7] .

Pro farmaceutický průmysl a výrobu polymerů je zapotřebí hlubší čištění. Zajímavá je extrakce kyseliny mléčné do organické fáze terciárními aminy s dlouhým řetězcem a poté zpětná extrakce do vody. Tato metoda umožňuje efektivně vyčistit produkt od zbytkových sacharidů a bílkovin. Destilace kyseliny mléčné je také možná , pokud jsou přijata opatření proti její oligomerizaci [7] .

Výtěžnost kyseliny mléčné během fermentace je 85-95%. Vedlejšími produkty jsou kyselina mravenčí a octová . [6] .

Syntetická akvizice

Od 60. let 20. století racemická kyselina mléčná se také vyrábí synteticky v průmyslu. Přístup je založen na reakci acetaldehydu s kyanovodíkem a následné hydrolýze vzniklého laktonitrilu . Nevýhodou syntetického přístupu je, že výsledná kyselina mléčná je racemická a dosud nebyl nalezen vhodný a levný chirální katalyzátor. Nejvýznamnějším významným výrobcem syntetické kyseliny mléčné je Musashino [7] .

Ekonomické aspekty

Roční potřeba kyseliny mléčné je přibližně 450 tisíc tun. Největším výrobcem kyseliny mléčné je NatureWorks LLC: její závod, který se nachází ve státě Nebraska ( USA ), má kapacitu přibližně 180 tisíc tun ročně. To je 3-4krát více než u další rostliny v pořadí. Trh s kyselinou mléčnou je velmi citlivý na poptávku po polylaktidu , protože jeho výroba je nebo se brzy stane největším využitím kyseliny mléčné [8] .

Kyselina mléčná u lidí a zvířat

Kyselina mléčná vzniká anaerobním rozkladem glukózy . Glukóza, někdy nazývaná „cukr v krvi“, je hlavním zdrojem sacharidů v těle. Glukóza je hlavním zdrojem energie pro mozek a nervový systém a také pro svaly během cvičení. Když se glukóza rozkládá, buňky produkují ATP (adenosintrifosfát) , který poskytuje energii pro většinu chemických reakcí v těle. Hladiny ATP určují, jak rychle a na jak dlouho se mohou svaly během cvičení stahovat. Kyselina mléčná je důsledkem rozkladu glukózy podél anaerobní (bezkyslíkové) dráhy. V tomto případě se z jedné molekuly glukózy získají 2 molekuly ATP. Při metabolismu kyslíku (Krebsův cyklus) vzniká až 36 molekul (tedy 18x více) molekul ATP. Energetický cyklus kyseliny mléčné však trvá méně času než Krebsův cyklus. Charakteristické je zejména hromadění kyseliny mléčné ve svalech při silových a rychlostních sportech. (Na maratonské vzdálenosti, kde svaly pracují na vytrvalost, výměna energie následuje Krebsův cyklus s kyslíkem a s aktivní glykogenglykolýzou.) Přebytek kyseliny mléčné ve svalech vede k únavě, narušuje acidobazickou rovnováhu směrem k kyselosti.

Produkce kyseliny mléčné nevyžaduje přítomnost kyslíku, proto je tento proces syntézy kyseliny mléčné často označován jako „anaerobní metabolismus“ (viz Aerobní trénink ). Dříve se věřilo, že svaly produkují kyselinu mléčnou, když je v krvi nedostatek kyslíku. Moderní výzkumy však ukazují, že kyselina mléčná se tvoří i ve svalech, které dostávají dostatek kyslíku. Zvýšení množství kyseliny mléčné v krevním řečišti pouze naznačuje, že úroveň jejího příjmu převyšuje úroveň odstraňování [9] [10] . Prudké zvýšení (2-3x) hladiny laktátu v krevním séru je pozorováno u těžkých oběhových poruch, jako je hemoragický šok, akutní selhání levé komory atd., kdy je zásobování tkání i jater kyslíkem krevní průtok trpí současně.

Produkce ATP závislá na laktátu je velmi malá, ale má vysokou rychlost. Díky těmto okolnostem je ideální pro použití jako zdroj energie, když zatížení překročí 50 % maxima. Během odpočinku a mírného cvičení tělo dává přednost štěpení tuků na energii. Při zátěži 50 % maxima (práh intenzity pro většinu tréninkových programů) je tělo přestavěno na preferenční spotřebu sacharidů. Čím více sacharidů člověk používá jako palivo, tím větší je produkce kyseliny mléčné.

Studie prokázaly, že u starších lidí je v mozku zvýšené množství kyselých solí (laktátů) [11] .

Regulátor burzy

Aby glukóza prošla buněčnými membránami , potřebuje inzulín . Molekula kyseliny mléčné je poloviční než molekula glukózy a nepotřebuje hormonální podporu – sama snadno prochází buněčnými membránami.

Analýza

Kvantitativní analýza kyseliny mléčné se obvykle provádí titrací hydroxidem sodným v přítomnosti fenolftaleinu . Tato metoda není vhodná pro koncentrované roztoky, protože v nich je kyselina mléčná částečně ve formě kyseliny laktoylové. Pokud je třeba takový roztok titrovat, použije se technika zpětné titrace : kyselina mléčná se zpracuje s přebytkem alkálie (kyselina laktoyl mléčná se v tomto případě hydrolyzuje ) a poté se zbytek alkálie titruje kyselinou chlorovodíkovou [8] .

V průmyslových a výzkumných laboratořích se kyselina mléčná analyzuje pomocí HPLC . Obsah enantiomerních forem v kyselině mléčné lze stanovit enzymatickou metodou nebo HPLC na chirální koloně. Takové kolony, stejně jako vzorky vysoce čistých enantiomerů kyseliny mléčné, jsou komerčně dostupné [8] .

Kyselinu mléčnou lze detekovat následujícími kvalitativními reakcemi :

• Interakce s n -oxydifenylem a kyselinou sírovou:
  

Když se kyselina mléčná opatrně zahřívá s koncentrovanou kyselinou sírovou, tvoří nejprve acetaldehyd a kyselinu mravenčí; ten se okamžitě rozkládá:
CH 3 CH (OH) COOH → CH 3 CHO + HCOOH (→ H 2 O + CO) Acetaldehyd
interaguje s n -oxydifenylem a zjevně dochází ke kondenzaci v poloze o k OH skupině za vzniku 1,1-di(oxydifenyl)ethan: V roztoku kyseliny sírové pomalu oxiduje na purpurový produkt neznámého složení. Proto, stejně jako při detekci kyseliny glykolové pomocí 2,7-dioxinaftalenu, i v tomto případě dochází k interakci aldehydu s fenolem, při které koncentrovaná kyselina sírová působí jako kondenzační činidlo a oxidační činidlo. Stejnou barevnou reakci poskytují kyseliny α-hydroxymáselné a pyrohroznové . Provedení reakce: V suché zkumavce zahříváme kapku zkušebního roztoku s 1 ml koncentrované kyseliny sírové po dobu 2 minut ve vodní lázni o teplotě 85 °C. Poté se ochladí pod kohoutkem na 28 °C, přidá se malé množství pevného n -hydroxydifenylu a po několikanásobném promíchání se nechá stát 10-30 minut. Fialové zbarvení se objevuje postupně a po chvíli se prohlubuje. Minimum otevření: 1,5⋅10 −6  g kyseliny mléčné.

• Interakce s roztokem manganistanu draselného okyseleného kyselinou sírovou
  

Provedení reakce: Do zkumavky nalijte 1 ml kyseliny mléčné a poté trochu roztoku manganistanu draselného okyseleného kyselinou sírovou. Zahřívejte 2 minuty na mírném ohni. Je cítit kyselina octová. C 3 H 6 O 3 + [O] \u003d C 3 H 4 O 3 + H 2 O ↑ Produktem této reakce může být kyselina pyrohroznová C 3 H 4 O 3 , která také voní po kyselině octové. C 3 H 6 O 3 + [O] \u003d C 3 H 4 O 3 + H 2 O ↑ Kyselina pyrohroznová je však za normálních podmínek nestabilní a rychle oxiduje na kyselinu octovou, takže reakce probíhá podle celkové rovnice: C 3 H 6 O 3 + 2[O] \u003d CH 3 COOH + CO 2 ↑ + H 2 O

• Interakce s fenolátem železa

Popis reakce: Tato reakce se nazývá Uffelmannova reakce a používá se např. v klinické medicíně ke stanovení přítomnosti kyseliny mléčné v žaludeční šťávě, kterou objevil Julius Uffelmann v 80. letech 19. století. K provedení reakce je třeba rozpustit jednu kapku chloridu železitého a 0,4 gramu fenolu v 50 cm 3 vody. Poté přidejte testovanou kapalinu, pokud obsahuje kyselinu mléčnou, pak se modrá barva roztoku změní na žlutou [12] [13] , jakmile se vytvoří laktát železa .

Aplikace

Kyselina mléčná se používá především ve dvou oblastech: potravinářský průmysl a výroba polymerů a také pro jiné průmyslové účely [14] .

V potravinářském průmyslu se kyselina mléčná používá jako konzervant a okyselovač . Vzhledem k tomu, že jeho soli jsou vysoce rozpustné ve vodě, lze je použít i ve výrobcích, kde je důležitá hodnota pH . Kyselina mléčná a její soli se používají do nápojů, sladkostí, masných výrobků a omáček. Laktát vápenatý se přidává do potravin jako zdroj vápníku. [čtrnáct]

V průmyslu polymerů se polylaktid získává z kyseliny mléčné . Vyrábí se z laktidu polymerací za otevření kruhu . Samotný laktid se získává kondenzací kyseliny mléčné [14] .

Kyselina mléčná se také používá v lakování kovů, kosmetice, textilním a kožedělném průmyslu. Jeho estery se používají při výrobě barev a inkoustů, elektroniky a čištění kovů [14] .

Zabezpečení

Kyselina mléčná je organická karboxylová kyselina, která je přítomna v mnoha organismech a je šetrná k životnímu prostředí. Zvýšení produkce kyseliny mléčné a potažmo i polylaktidu má pozitivní efekt v tom, že vytlačuje použití polymerů vyrobených z ropy, snižuje emise oxidu uhličitého a poskytuje větší možnosti pro likvidaci odpadu [15] .

Kyselina mléčná se také používá v potravinářském průmyslu a je netoxická . Pokud se však dostane do očí nebo na porušenou kůži, způsobí podráždění. Pololetální dávka pro potkany při perorálním podání je 3,73 g/kg [15] .

Viz také

• Coreyho cyklus
• krepatura
• Kreatin

Poznámky

1. ↑ Bradley J. , Williams A. , Andrew SID Lang Jean-Claude Bradley Open Dataset bodu tání // Figshare - 2014. - doi:10.6084/M9.FIGSHARE.1031637.V2
2. ↑ 1 2 3 4 Ullmann, 2014 , str. jeden.
3. ↑ rsl.ru. _ Staženo 5. února 2020. Archivováno z originálu 5. února 2020. (neurčitý)
4. ↑ 1 2 Ullmann, 2014 , str. 2.
5. ↑ Treger Yu.A. Kyselina mléčná // Chemická encyklopedie  : v 5 svazcích / Ch. vyd. I. L. Knunyants . - M . : Velká ruská encyklopedie , 1992. - T. 3: Měď - Polymer. - S. 130-131. — 639 s. - 48 000 výtisků.  — ISBN 5-85270-039-8 .
6. ↑ 1 2 3 4 5 Ullmann, 2014 , str. 3.
7. ↑ 1 2 3 Ullmann, 2014 , str. čtyři.
8. ↑ 1 2 3 Ullmann, 2014 , str. 6.
9. ↑ Dr. George A. Brooks Archivováno 5. září 2008 na Wayback Machine  
10. ↑ George A. Brooks. Co dělá glykolýza a proč je důležitá?  // Journal of Applied Physiology. - 2010. - Vydání. 108 , č. 6 . - S. 1450-1451 . - doi : 10.1152/japplphysiol.00308.2010 .
11. ↑ Naděžda Markina. Stáří naplňuje mozek solemi kyseliny mléčné . Infox.ru (7. listopadu 2010). Získáno 7. listopadu 2010. Archivováno z originálu 23. srpna 2011. (Ruština)
12. ↑ Handbuch der Lebensmittelchemie . - Springer, 1935. - Sv. 2. Allgemeine Untersuchungsmethoden. Zweiter Teil: Chemische und Biologische Methoden. - S. 1099. - ISBN 9783662019481 .
13. ↑ Uffelmann: Pharmazeutische Zentralhalle für Deutschland. 1887, 28 , 582.
14. ↑ 1 2 3 4 Ullmann, 2014 , str. 5.
15. ↑ 1 2 Ullmann, 2014 , str. 7.

Literatura

• Starr JN, Westhoff G. Lactic Acid  (anglicky)  // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. - Wiley, 2014. - doi : 10.1002/14356007.a15_097.pub3 .
• Graham D. Lamb a D. George Stephenson. Point: Counterpoint: Akumulace kyseliny mléčné je výhoda/nevýhoda během svalové aktivity  // Journal of Applied Physiology. - 2006. - Vydání. 100 , č. 4 . - S. 1410-1412 . - doi : 10.1152/japplphysiol.00023.2006 .
• GOST 490-2006 Kyselina mléčná potravinářská. Specifikace

Odkazy

• IR spektrum v kondenzované fázi . Sigma Aldrich . Datum přístupu: 1. dubna 2019. (neurčitý)
• Spectrum KR . Sigma Aldrich . Datum přístupu: 1. dubna 2019. (neurčitý)