Молочная кислота
Общие
Систематическое наименование	2-​гидроксипропановая кислота
Традиционные названия	Молочная кислота
Хим. формула	CH 3 CH(OH)COOH
Рац. формула	C 3 H 6 O 3
Физические свойства
Молярная масса	90,08 г/ моль
Термические свойства
Температура
?  кипения	122 °C
Химические свойства
Константа диссоциации кислоты ${\displaystyle pK_{a}}$	3,86 (при 25 °C)
Классификация
Рег. номер CAS	50-21-5; (S)-Молочная кислота 79-33-4; (R)-Молочная кислота 103226-41-7.
PubChem	612 и 19789253
Рег. номер EINECS	200-018-0
SMILES	CC(O)C(=O)O
InChI	InChI=1S/C3H6O3/c1-2(4)3(5)6/h2,4H,1H3,(H,5,6) JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N
Кодекс Алиментариус	E270
ChEBI	78320
ChemSpider	592
Безопасность
Краткие характер. опасности (H)	H315 , H318
Меры предостор. (P)	P280 , P305+P351+P338
Сигнальное слово	Опасно
Пиктограммы СГС
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

Моло?чная кислота?  ( химическая формула ? C ₃ H ₆ O ₃ ) ? cлабая химическая органическая кислота , относящаяся к классу предельных карбоновых кислот .

При стандартных условиях молочная кислота ? это одноосновная карбоновая оксикислота белого цвета с характерным запахом. Соли и эфиры молочной кислоты называются лактатами .

Малотоннажная химия производит молочную кислоту 4 сортов: химически чистую, ≪фармакопейную≫, ≪техническую≫ и ≪пищевую≫.

Молочную кислоту открыл шведский химик Карл Шееле . В 1780 году он выделил её из прокисшего молока в виде коричневого сиропа. Французский химик Анри Браконно обнаружил, что она образуется при молочнокислом брожении ^[1] .

В 1807 году Йенс Якоб Берцелиус выделил из мышц цинковую соль молочной кислоты.

Производство молочной кислоты в Советском Союзе было организовано в 1930 году на основе работ Сергея Павловича Костычева и Владимира Степановича Буткевича ^[2] .

Молочная кислота является простейшей хиральной карбоновой кислотой и может существовать в виде двух энантиомеров : L-(+)-молочной кислоты, D-(?)-молочной кислоты или их рацемической смеси  ? DL-молочной кислоты. Если в смеси энантиомеров один находится в избытке, его можно выделить дробными перекристаллизациями из смеси диэтилового эфира и диизопропилового эфира ^[1] . Чистые энантиомеры имеют температуру плавления 52,7?52,8 °С ^[1] .

Молочная кислота очень гигроскопична и обычно существует в виде водного раствора с концентрацией до 90 мас. %. В связи с этим очень сложно установить её температуру плавления; литература приводит значения от 18 до 33 °С. Кроме того, в таких растворах присутствует значительное количество лактоилмолочной кислоты и других олигомеров молочной кислоты ^[1] .

Молочная кислота растворима в воде , этаноле и других органических растворителях, смешивающихся с водой, а также в диэтиловом эфире. Она практически нерастворима в бензоле и хлороформе ^[3] .

При взаимодействии с окислителями молочная кислота разлагается. При окислении кислородом воздуха или азотной кислотой в присутствии железа или меди она превращается в муравьиную кислоту , уксусную кислоту , щавелевую кислоту , уксусный альдегид , углекислый газ и пировиноградную кислоту . Молочную кислоту можно восстановить до пропионовой кислоты действием иодоводорода ^[4]

Промышленный интерес представляет дегидратация молочной кислоты до акриловой кислоты и её восстановление до пропиленгликоля ^[5] .

Поскольку молочная кислота является одновременно карбоновой кислотой и спиртом , она вступает в межмолекулярную этерификацию , давая лактоилмолочную кислоту. При дальнейшей конденсации образуется лактид  ? циклический сложный эфир . Также при конденсации могут образовываться линейные полилактиды . Эти соединения являются примесями в молочной кислоте. Так, в 6,5%-й молочной кислоте содержится около 0,2 % лактоилмолочной кислоты, 88%-я молочная кислота содержит меньше 60 % свободной молочной кислоты, а 100%-я ? только 32 % ^[3] .

В промышленности молочную кислоту получают либо ферментативным способом, либо синтетическим. Первый из них имеет преимущество, поскольку приводит к молочной кислоте с более высокой стереохимической чистотой, поэтому новые производства, открывавшиеся с 1995 года, пользуются этим способом ^[5] .

Для ферментативного производства молочной кислоты необходимо иметь углеводное сырьё, питательные вещества и соответствующие микроорганизмы. В качестве сырья используют глюкозу , кукурузные сиропы, мелассу , сок сахарной свёклы , сыворотку и крахмал . Питательными веществами являются пептиды и аминокислоты , фосфаты , соли аммония и витамины . Здесь находят применение дрожжевой экстракт , кукурузный ликёр ^[англ.] , кукурузная глютеновая мука ^[англ.] , солодовые ростки, соевый или мясной пептон . Молочную кислоту из углеводов вырабатывают культуры Lactobacillus , Bacillus и Rhizopus . Последняя из них является грибной и не требует сложных источников азота, хотя и даёт более низкий выход, чем бактериальные культуры ^[5] .

Во время процесса вырабатывается кислота, поэтому необходимо поддерживать pH в области 5,0?6,5: для этого используют гидроксид кальция , карбонат кальция , аммиак и гидроксид натрия . Из-за этого в процессе ферментации образуются соответствующие соли молочной кислоты. Разработка новых подходов к ферментации связана с выведением бактерий, способных работать в области низких pH: это позволило бы получать саму молочную кислоту, а не её соли, снизило бы затраты на подщелачивающие реагенты и на серную кислоту, используемую для выделения молочной кислоты из солей ^[5] .

После ферментации молочную кислоту подвергают очистке. Микроорганизмы отделяют флокуляцией в щелочной среде либо ультрафильтрацией . Образовавшиеся соли молочной кислоты переводят в саму кислоту под действием серной кислоты . При этом образуется также малополезный сульфат кальция . Ведётся поиск других методов очистки, при которых образование этой побочной соли не происходило бы. Для некоторых пищевых целей смесь пропускают через активированный уголь и ионообменную колонну ^[6] .

Для фармацевтической промышленности и получения полимеров необходима более глубокая очистка. Интерес представляет экстракция молочной кислоты в органическую фазу длинноцепными третичными аминами , а затем обратная экстракция в воду. Этот метод позволяет эффективно очистить продукт от остаточных углеводов и белков. Также возможна перегонка молочной кислоты, если предпринимаются меры против её олигомеризации ^[6] .

Выход молочной кислоты в процессе ферментации составляет 85?95 %. Побочными продуктами являются муравьиная и уксусная кислота . ^[5] .

С 1960-х гг. рацемическую молочную кислоту производят в промышленности также синтетически. Подход основан на реакции ацетальдегида с циановодородом и последующем гидролизе образовавшегося лактонитрила . Недостатком синтетического подхода является то, что получаемая молочная кислота является рацемической, а подходящий и дешёвый хиральный катализатор пока не найден. Важнейшим крупным производителем синтетической молочной кислоты является фирма ≪Musashino≫ ^[6] .

Годовая потребность в молочной кислоте составляет примерно 450 тыс. тонн. Крупнейшим производителем молочной кислоты является компания NatureWorks LLC: её завод, размещённый в штате Небраска ( США ), имеет приблизительную мощность 180 тыс. тонн в год. Это в 3?4 раза больше, чем у следующего завода по порядку. Рынок молочной кислоты очень чувствителен к потребности в полилактиде , поскольку его производство является либо вскоре станет крупнейшим направлением использования молочной кислоты ^[7] .

Молочная кислота формируется при анаэробном распаде глюкозы . Иногда называемая ≪кровяным сахаром≫ глюкоза является главным углеводом в нашем организме. Глюкоза ? это основной источник энергии для мозга и нервной системы, так же как и для мышц во время физической нагрузки. Когда расщепляется глюкоза, клетки производят АТФ (аденозинтрифосфат) , который обеспечивает энергией большинство химических реакций в организме. Уровень АТФ определяет, как быстро и как долго мышцы смогут сокращаться при физической нагрузке.

Производство молочной кислоты не требует присутствия кислорода, поэтому этот процесс её синтеза часто называют ≪анаэробным метаболизмом≫ (см. Аэробная тренировка ). Ранее считалось, что мышцы производят молочную кислоту при нехватке кислорода в крови. Однако современные исследования показывают, что молочная кислота образуется и в мышцах, получающих достаточно кислорода. Увеличение количества молочной кислоты в кровотоке свидетельствует лишь о том, что уровень её поступления превышает уровень удаления ^{[8] [9]} . Резкое увеличение (в 2?3 раза) уровня лактата в сыворотке крови наблюдается при тяжёлых расстройствах кровообращения, таких как геморрагический шок, острая левожелудочковая недостаточность и др., когда одновременно страдает и поступление кислорода в ткани, и печёночный кровоток.

Зависимое от лактата производство АТФ очень незначительно, но имеет большую скорость. Это обстоятельство делает идеальным его использование в качестве источника энергии, когда нагрузка превышает 50 % от максимальной. При отдыхе и умеренной нагрузке организм предпочитает расщеплять жиры для получения энергии. При нагрузках в 50 % от максимума (порог интенсивности для большинства тренировочных программ) организм перестраивается на преимущественное потребление углеводов. Чем больше углеводов человек использует в качестве топлива, тем больше производство молочной кислоты.

Исследования показали, что у престарелых людей в головном мозге количество солей кислоты (лактатов) повышено ^[10] .

Чтобы глюкоза могла проходить через клеточные мембраны , ей необходим инсулин . Молекула же молочной кислоты в два раза меньше молекулы глюкозы, и гормональная поддержка ей не нужна ? она с лёгкостью сама проходит через клеточные мембраны.

Количественный анализ молочной кислоты обычно проводят титрованием гидроксидом натрия в присутствии фенолфталеина . Этот способ не подходит для концентрированных растворов, потому что в них молочная кислота частично находится в виде лактоилмолочной кислоты. Если такой раствор нужно оттитровать, используют приём обратного титрования : молочную кислоту обрабатывают избытком щёлочи (лактоилмолочная кислота при этом гидролизуется ), а затем остаток щёлочи оттитровывают соляной кислотой ^[7] .

В промышленности и исследовательских лабораториях молочную кислоту анализируют методом ВЭЖХ . Содержание энантиомерных форм в молочной кислоте можно определить ферментативным методом либо ВЭЖХ на хиральной колонке. Такие колонки, как и образцы высокочистых энантиомеров молочной кислоты коммерчески доступны ^[7] .

Молочную кислоту можно обнаружить по следующим качественным реакциям :

• Взаимодействие с n -оксидифенилом и серной кислотой:
  

При осторожном нагревании молочной кислоты с концентрированной серной кислотой она вначале образует уксусный альдегид и муравьиную кислоту; последняя немедленно разлагается:
CH ₃ CH(OH)COOH → CH ₃ CHO + HCOOH (→ H ₂ O + CO)
Уксусный альдегид взаимодействует с n -оксидифенилом, причём, по-видимому, происходит конденсация в o -положении к OH-группе с образованием 1,1-ди(оксидифенил)этана:

В растворе серной кислоты медленно окисляется в фиолетовый продукт неизвестного состава. Поэтому, как и при обнаружении гликолевой кислоты с помощью 2,7-диоксинафталина, в данном случае происходит взаимодействие альдегида с фенолом, при котором концентрированная серная кислота действует как конденсирующий агент и окислитель. Такую же цветную реакцию дают α-оксимасляная и пировиноградная кислоты.
Выполнение реакции: В сухой пробирке нагревают в течение 2 минут на водяной бане при 85 °C каплю исследуемого раствора с 1 мл концентрированной серной кислоты. После этого охлаждают под краном до 28 °C, добавляют небольшое количество твёрдого n -оксидифенила и, перемешав несколько раз, дают постоять 10-30 минут. Фиолетовое окрашивание появляется постепенно и через некоторое время становится более глубоким. Открываемый минимум: 1,5?10 ^?6  г молочной кислоты.

• Взаимодействие с подкисленным серной кислотой раствором перманганата калия
  

Выполнение реакции: В пробирку прилить 1 мл молочной кислоты, а затем немного подкисленного серной кислотой раствора перманганата калия. Нагревать в течение 2 минут на слабом огне. Ощущается запах уксусной кислоты. С ₃ Н ₆ О ₃ + [O] = C ₃ Н ₄ O ₃ + H ₂ O↑ Продуктом данной реакции может быть пировиноградная кислота С ₃ Н ₄ О ₃ , которая тоже имеет запах уксусной кислоты. С ₃ Н ₆ О ₃ + [O] = C ₃ Н ₄ O ₃ + H ₂ O↑ Однако пировиноградная кислота при обычных условиях неустойчива и быстро окисляется до уксусной кислоты, поэтому реакция протекает согласно суммарному уравнению: С ₃ Н ₆ О ₃ + 2[O] = CH ₃ COOH + CO ₂ ↑ + H ₂ O

• Взаимодействие с фенолятом железа

Описание реакции: Эта реакция называется реакцией Уффельмана и используется, например, в клинической медицине для определения присутствия молочной кислоты в желудочном соке, открыта Юлиусом Уффельманом ^[нем.] в 1880-х гг. Для проведения реакции нужно растворить одну каплю хлорида железа и 0,4 грамма фенола в 50 см ³ воды. Затем добавить тестируемую жидкость, если в ней есть молочная кислота, то синий цвет раствора сменится жёлтым ^{[11] [12]} , поскольку образуется лактат железа .

Молочная кислота используется преимущественно в двух сферах: пищевой промышленности и производстве полимеров , а также в других промышленных целях ^[13] .

В пищевой промышленности молочная кислота используется как консервант и подкислитель . Благодаря тому, что её соли хорошо растворимы в воде, их также можно использовать в тех продуктах, где важно значение pH . Молочная кислота и её соли используются в напитках, конфетах, мясных изделиях и соусах. Лактат кальция добавляется в продукты как источник кальция. ^[13]

В полимерной промышленности из молочной кислоты получают полилактид . Производится он из лактида полимеризацией с раскрытием цикла . Сам же лактид получают конденсацией молочной кислоты ^[13] .

Также молочная кислота используется в покрытии металлов, косметике, текстильной и кожевенной промышленности. Её эфиры находят применение в производстве красок и чернил, электроники и чистке металлов ^[13] .

Молочная кислота ? это органическая карбоновая кислота, которая присутствует во многих организмах и является безопасной для окружающей среды. Увеличение производства молочной кислоты и, соответственно, полилактида оказывает положительное влияние тем, что вытесняет использование полимеров, производимых из нефти, снижает выбросы углекислого газа и предоставляет более широкие возможности по утилизации отходов ^[14] .

Молочная кислота также используется в пищевой промышленности и не является токсичной . Тем не менее при попадании в глаза или на повреждённую кожу она вызывает раздражение. Полулетальная доза для крыс при оральном приёме составляет 3,73 г/кг ^[14] .

• Цикл Кори
• Крепатура
• Яблочно-молочная ферментация

• Starr J. N., Westhoff G. Lactic Acid  (англ.)  // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. ? Wiley, 2014. ? doi : 10.1002/14356007.a15_097.pub3 .
• Graham D. Lamb and D. George Stephenson. Point:Counterpoint: Lactic acid accumulation is an advantage/disadvantage during muscle activity  // Journal of Applied Physiology. ? 2006. ? Вып. 100 , № 4 . ? С. 1410-1412 . ? doi : 10.1152/japplphysiol.00023.2006 .
• ГОСТ 490-2006 Кислота молочная пищевая. Технические условия

• ИК-спектр в конденсированной фазе    (неопр.) . Sigma-Aldrich . Дата обращения: 1 апреля 2019.
• Спектр КР    (неопр.) . Sigma-Aldrich . Дата обращения: 1 апреля 2019.