乳酸

乳酸
乳酸分子模型图
  乳酸又称2-羟基丙酸、α-羟基丙酸。它在多种生物化学过程中起作用。它是一个含有羟基的羧酸,因分子中有一个不对称碳原子,所以有两种光学异构体。
  乳酸,医药上用作消毒防腐剂,其蒸气用于室内消毒。食用乳酸用作食品的酸素及香料。工业乳酸可用于皮革、纺织等行业。此外,还用于络合滴定法中,作为分析、锭和,测定以及作为测定焦性没食子酸、酚、尿酸、沉淀蛋白质和尿酸盐等的试剂。  

基本资料

  名称:乳酸
  英文名:Lactic acid;2-Hydroxy propionic acid
  别名:2-羟基丙酸;α-羟基丙酸;丙醇酸
  分子式:C3H6O3
  结构简式:CH3CH(OH)COOH
  分子量:90.08
  物化性质:乳酸纯品为无色液体,工业品为无色到浅黄色液体。无气味,具有吸湿性。相对密度1.2060(25/4℃)。熔点18℃。沸点122℃(2kPa)。折射率nD(20℃)1.4392。能与水、乙醇甘油混溶,不溶于氯仿、二硫化碳石油醚。在常压下加热分解,浓缩至50%时,部分变成乳酸酐,因此产品中常含有10%-15%的乳酸酐。

异构体

  乳酸又称2-羟基丙酸。因分子中有一个不对称碳原子,所以有两种光学异构体。
  (1)左旋乳酸或l-(+)-乳酸,熔点53℃(从乙酸或氯仿中结晶)。比旋光度[α]21.22546.1+2.6°(2.5克/100毫升水)。溶于水、乙醇,不溶于氯仿。它的许多金属盐是左旋体。
  (2)右旋乳酸或d-(—)-乳酸,熔点52.8℃(从乙醚或异丙醇中结晶)。旋光度[α]21.5546+2.6°(8克/100毫升水)。溶于水、乙醇、丙酮、乙醚、甘油,不溶于氯仿。它的许多金属盐是右旋体。等量的左旋体和右旋体混合得外消旋体或dl-乳酸,白色结晶。溶点16.8℃。沸点122℃(1.8千帕,14毫米汞柱),82~85℃(66.6-133帕,0.5-1毫米汞柱)。溶于水、乙醇,微溶于乙醚,不溶于氯仿和石油醚
  乳酸广泛应用于食品、皮革、纺织、医药、塑料等工业。它还是人体的内糖代谢的重要中间体。由淀粉马铃薯、糖蜜、牛乳发酵制备或乳糖的氧化制备。

生物学

  在发酵过程中乳酸脱氢酶将丙酮酸转换为左旋乳酸。在一般的新陈代谢和运动中乳酸不断被产生,但是其浓度一般不会上升。只有在乳酸产生过程加快,乳酸无法被及时运走时其浓度才会提高。乳酸运输速度由一系列因素影响,其中包括单羧基转运体、乳酸脱氢酶的浓度和异构体形式、组织的氧化能力。一般来说血液中的乳酸浓度在不运动时为1-2 mmol/L,在强烈运动时可以上升到20mmol/L。
  一般来说当组织的能量无法通过有氧呼吸得以满足,组织无法获得足够的氧或者无法足够快地处理氧的情况下乳酸的浓度会上升。在这种情况下丙酮酸脱氢酶无法及时将丙酮酸转换为乙酰辅酶A,丙酮酸开始堆积。在这种情况下假如乳酸脱氢酶不将丙酮酸还原为乳酸的话糖酵解过程和三磷酸腺苷的生产会获得抑制。产生乳酸的过程为:
  丙酮酸 + NADH + H+ → 乳酸 + NAD+
  这个过程的意义在于重建糖酵解所需要的烟酰腺嘌呤二核苷酸(NAD+)来保持三磷酸腺苷的生产。
  在氧气充足的肌肉细胞中乳酸可以被氧化为丙酮酸,然后直接用来作为三羧酸循环的燃料。它也可以在肝脏内糖异生的过程中通过科里循环转化为葡萄糖
  乳杆菌属的细菌也可以进行乳酸发酵。这些细菌可以生活在口内,它们产生的乳酸是导致龋齿的原因。
  在医学里乳酸常被用在乳酸林格氏液中。这是一种与人的血液等张的氯化钠、氯化钾和乳酸在蒸馏水中的溶液。在损伤、手术或烧伤失血后常使用乳酸林格氏液来补充失血。

应用领域

·酿酒业

  在酿造工业中使用80%的乳酸作为灭菌剂,防止杂菌繁殖,促进酵母菌发育,防止混浊;作风味剂,能改善品味,提高酒的收率。乳酸较磷酸盐酸安全性好,能提高啤酒品级,延长保质期。

·食品业

  食品级乳酸可代替苯甲酸钠作为防霉、防腐、抗氧化剂和果蔬保鲜剂等。乳酸作为酸味剂,既能使食品具有微酸性,又不掩盖水果蔬菜的天然风味与芳香,常和糖类及甜味剂并用改善食品风味,抑制微生物,护色,改善粘度,使氧化剂增效和起螯合作用。

·制药业

  乳酸可直接配制成药,乳酸盐可作为消毒剂。乳酸具有亲水性,能溶解蛋白质、角质及许多难溶药物,且对病变组织腐蚀作用相当敏感,能增加药物吸收量,防止副作用,可用于治疗喉头结核、白喉、狼疮等病。在收敛性杀菌方面用作含漱剂、涂布剂、注入剂、洗净剂等。

·日化行业

  乳酸在配制清洁霜、嫩肤霜、浴液时,可用于调节pH值,并对改善皮肤组织结构,消除皱纹、色斑,治疗皮肤干燥、痤疮等具有明显效果。

·生产生物降解材料

  为了解决令人头疼的“白色污染”问题,许多国家着手研究生产和使用可降解塑料。乳酸通过高分子合成技术可制成能生物降解的高分子材料,这种材料遭生物或化学破坏后,失去物理强度脆化,再经自然界剥蚀、破碎,最后变成粉末进入土壤,在微生物作用下重新进入生物循环。生物降解材料,具有极大的市场发展潜力,有望取代传统塑料消除“白色污染”问题,目前已成为开发的热点项目。另外,聚乳酸还可作医用材料,用作医院手术缝合线及骨折手术中起固定作用的骨钉等。

·其他应用

  L-乳酸可以用于植物的生长调节剂,水产用杀菌剂等。在制革业中,用40含量的乳酸能除去革鞣皮中的石灰,用乳酸脱灰后的皮革较用其它酸脱灰质量好,提高皮革品级。在卷烟业中,用乳酸除去烟草中的杂质,清除苦辣味以提高烟草档次。乳酸在工业中作为pH值调节剂,在毛纺业中用于预铬媒染,以降低羊毛的铬酸盐含量并防止纤维氧化,在丝绸和人造丝中起增艳作用。

生产方法

·发酵法

  发酵法的主要途径是糖在乳酸菌作用下,调节pH值5左右,保持大约50℃发酵三到五天得粗乳酸。
  发酵法的原料一般是玉米、大米、甘薯等淀粉质原料,也有文献报道以苜蓿纤维素等作原料,近年有研究提出厨房垃圾及鱼体废料循环利用生产乳酸的。乳酸发酵阶段能够产酸的乳酸菌很多,但产酸质量较高的却不多,主要是根霉菌和乳酸杆菌等菌系。不同菌系其发酵途径不同,可分同型发酵和异型发酵,实际由于存在微生物其它生理活动,可能不是单纯某一种发酵途径。
  1、同型发酵
  微生物通过EMP代谢途径发酵,乳酸是代谢的唯一产物,lmol葡萄糖转化生成2mol乳酸,理论转换率为100,实际上转化率在8O以上者即视为同型发酵。总反应式为:
  C6H12O6 2ADP 2Pi→2CH3CH(OH)COOH 2ATP
  2、异型发酵
  微生物经由Bifidus途径和PK途径生成等物质的量的乳酸、CO2和乙醇。葡萄糖的理论转化率只有5O,总反应式为:
  C6H12O6 ADP Pi→CH3CH(OH)COOH CH3CH2OH CO2 ATP

·合成法

  合成方法制备乳酸有乳腈法、丙稀腈法、丙酸法、丙稀法等,用于工业生产的仅乳腈法(也叫乙醛氢氰酸法)和丙稀腈法。
  1、乳腈法
  乳腈法是将乙醛和冷的氢氰酸连续送入反应器生成乳腈(或直接用乳腈作原料),用泵将乳腈打入水解釜,注入硫酸和水,使乳腈水解得到粗乳酸。然后再将粗乳酸送人酯化釜,加入乙醇酯化,经精馏、浓缩、分解得精乳酸。美国斯特林化学公司及日本的武藏野化学公司均采用此法合成乳酸。
  2、丙烯腈法
  丙烯腈法是将丙烯腈和硫酸送入反应器中水解,再把水解物送人酯化反应器中与甲醇反应;然后把硫酸氢铵分出后,粗酯送入蒸馏塔,塔底获精酯;再将精酯送入第二蒸馏塔,加热分解,塔底得稀乳酸,经真空浓缩得产品。
  3、丙酸法
  丙酸法以丙酸为原料,经过氯化、水解得粗乳酸;再经酯化、精馏、水解得产品。该法原料价格较贵,仅日本大赛路公司等少数厂家采用。反应如下:
  CH3CH2COOH Cl2→CH3CHClCOOH NaOH
  →CH3CH(OH)COOH NaCl
  4、丙烯-N2O4
  在15-20℃将丙烯与液体N2O4反应,得到1-硝基-2-羟基丙烷,然后用盐酸或硫酸水解得乳酸。

·酶化法

  1、氯丙酸酶法转化
  东京大学的本崎等研究利用纯化了的L-2-卤代酸脱卤酶和DL-2-卤代酸脱卤酶分别作用于底物L-2-氯丙酸和DL-2-氯丙酸,脱卤制得L-乳酸或D-乳酸。L-2-卤代酸脱卤酶催化L-2-氯丙酸,而DL-2-卤代酸脱卤酶既可催化L-2-氯丙酸,又可催化L-2-氯丙酸生成相应的旋光体,催化同时发生构型转化。
  2、丙酮酸酶法转化
  Hummel等从活力最高的乳酸脱氢酶的混乱乳杆菌DSM20196菌体中得到D-乳酸脱氢酶,以无旋光性的丙酮酸为底物可得到D-乳酸。
  目前工业生产乳酸方法主要是发酵法和合成法。发酵法因其工艺简单,原料充足,发展较早而成为比较成熟的乳酸生产方法,约占乳酸生产的70以上,但周期长,只能间歇或半连续化生产,且国内发酵乳酸质量达不到国际标准。化学法可实现乳酸的大规模连续化生产,且合成乳酸也已得到美国食品和药品管理局(FDA)的认可,但原料一般具有毒性,不符合绿色化学要求。酶法工艺复杂,其工业应用还有待于进一步研究。