乳酸简介
底浩楠
2021年7月28日
乳酸简介
摘要:本文简述了乳酸的理化性质,应用,生产方法,检测方法以及食品安全国家标准中食品添加剂乳酸的标准。
关键词:乳酸,理化性质,应用,检测,国家标准
一、引言
乳酸在多种生物化学过程中起作用,如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。只有当乳酸产生过程加快,乳酸无法被及时运走时其浓度才会提高。一般来说血液中的乳酸浓度在不运动时为1-2mmol/L,在强烈运动时可以上升到20mmol/L。乳酸是手性分子,血浆中主要为L—乳酸。因为人体自身能够产生并降解乳酸,且乳酸本身有一定的酸度,故乳酸的应用范围极广。如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渗的由氯化钠、氯化钾、乳酸和蒸馏水构成的溶液。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。
二、理化性质[1]
乳酸(IUPAC学名:2-羟基丙酸)是一种化合物,分子式为C3H6O3,结构简式为CH3CH(OH)COOH,缩写式为HL(L表示乳酸根),分子量为90.08,相对密度为1.200,熔点为18℃,密度为1.209,沸点为122℃(15mmHg),解离常数pKa=4.14(22.5℃),闪点大于110℃,燃烧热为15.13kJ/kg,2.3%(W/V)溶液与血浆等渗,与乙醇(95%)、乙醚、水混溶,不溶于氯仿、二硫化碳和石油醚,比热为2.11KJ/g,在常压下加热分解,浓缩至50%,部分变成乳酸酐。它是一个含有羟基的羧酸,因此是一个α-羟基酸(AHA),在水溶液中它的羧基释放出一个质子,而产生乳酸根离子CH3CHOHCOO-。同时,乳酸含有一个手性碳,是一个手性分子。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。
三、应用
1. 食品行业
(1) 乳酸有很强的防腐保鲜功效,可用在果酒、饮料、肉类、食品、糕点制作、蔬菜 ( 橄榄、小黄瓜、珍珠洋葱 ) 腌制以及罐头加工、粮食加工、水果的贮藏,具有调节 pH 值、抑菌、延长保质期、调味、保持食品色泽、提高产品质量等作用。
(2) 调味料方面,乳酸独特的酸味可增加食物的美味,在色拉、酱油、醋等调味品中加入一定量的乳酸,可保持产品中的微生物的稳定性、安全性,同时使口味更加温和。
(3) 由于乳酸的酸味温和适中,还可作为精心调配的软饮料和果汁的首选酸味剂。
(4) 在酿造啤酒时,加入适量乳酸既能调整 pH 值促进糖化,有利于酵母发酵,提高啤酒质量,又能增加啤酒风味,延长保质期。在白酒、清酒和果酒中用于调节 pH ,防止杂菌生长,增强酸味和清爽口感;5.缓冲型乳酸可应用于硬糖,水果糖及其它糖果产品中,酸味适中且糖转化率低。乳酸粉可用于各类糖果的上粉,作为粉状的酸味剂。
(5) 天然乳酸是乳制品中的天然固有成分,它有着乳制品的口味和良好的抗微生物作用,已广泛用于调配型酸奶奶酪、冰淇淋等食品中,成为倍受青睐的乳制品酸味剂。
(6) 乳酸粉末是用于生产荞头的直接酸味调节剂。乳酸是一种天然发酵酸,因此可令面包具有独特口味;乳酸作为天然的酸味调节剂,在面包、蛋糕、饼干等焙烤食品用于调味和抑菌作用,并能改进食品的品质,保持色泽,延长保质期。
2. 医药行业
(1) 在病房、手术室、实验室等场所中采用乳酸蒸气消毒,可有效杀灭空气中的细菌, 降低疾病传播的可能性。
(2) 可用作防腐剂、载体剂、助溶剂、药物制剂、 pH 调节剂等。
(3) 聚合得到聚乳酸,聚乳酸可以抽成丝纺成线,这种线是良好的手术缝线,缝口愈合后不用拆线,能自动降解成乳酸被人体吸收,无不良后果。尤其是体内手术缝线,免除二次手术拆线的麻烦。这种高分子化合物也可做成粘接剂在器官移植和接骨中应用。
(4) 乳酸可以直接配制成药物或日常保健品使用。
(5) 节肌肉活力和抗疲劳的制约作用。
3. 化妆品业
(1) 由于L-乳酸是皮肤固有天然保湿因子的一部分被广泛用作许多护肤品的滋润剂。L-乳酸是最有效的一种 AHA 且刺激性甚微。
(2) 由于 L-乳酸天然存在于头发中,作用是使头发表面光泽亮丽,因此乳酸常作为各种护发产品的 pH 调节剂。
(3) 乳酸可作为保湿剂用于各种浴洗用品中。在液体肥皂,香皂和香波中可作为 pH 调节剂。此外,乳酸添加在条状肥皂中可减少储藏过程中水分的流失,因而防止肥皂的干裂。
4. 农业畜牧业
(1) 光学纯度高达 99% 以上的乳酸,在农药方面可用于生产缓释农药,例如除草剂,具有对农作物和土壤无毒无害且高效的特点。
(2) 乳酸聚合物用于生产农用薄膜,可用其取代塑料地膜,能被细菌分解后让土壤吸收,利于环保。
(3) 乳酸还用于青饲料贮藏剂、牧草成熟剂。
(4) 在猪禽饲料中作为生长促进剂。乳酸可以降低胃内的 pH 值,起到活化消化酶、改善氨基酸消化能力的作用,并对肠道上皮的生长有好处。小猪在断乳后的几个星期喂食含有酸化剂的饲料,其在断乳期间的体重可以增加 15%。
(5) 乳酸抑制微生物的生长。哺乳期的小猪会染上由大肠杆菌和沙门氏菌引起的疾病,在饲料中加入乳酸能防止小猪下胃肠道中病原菌生长。
(6) 乳酸可以作为饲料的防腐剂并增进饲料、谷物和肉类加工产品副产品的微生物稳定剂。
(7) 在家禽和小猪的饮用水中加入乳酸,可以有效地抑制病原菌的生长,动物体重增加速度提高。
5. 其它工业
(1) 乳酸在发酵工业中用于控制 pH 值和提高发酵物纯度[2]。
(2) 在卷烟行业中可以保持烟草湿度,除去烟草中杂质,改变口味,提高烟草档次,乳酸还可中和尼古丁烟碱,减少对人体有害成份提高烟草品质。
(3) 在纺织行业中用来处理纤维,可使纤维易于着色,增加光泽,使触感柔软。
(4) 在涂料墨水工业中用作 pH 调节剂和合成剂;在塑料纤维工业是可降解新型材料聚乳酸 PLA 的首选原料。
(5) 乳酸亦可作为聚乳酸的起始原料,生产新一代的全生物降解塑料。
(6) 在制革工业中,乳酸可脱去皮革中的石灰和钙质,使皮革柔软细密,从而制成高级皮革。
(7) 乳酸由于对镍具有独一无二的络合常数,常被用于镀镍工艺,它同时可作为电镀槽里的酸碱缓冲剂和稳定剂。在微电子工业中,其独特的高纯度及低金属含量满足了半导体工业对高质量的要求,它作为一种安全的有机溶解剂可用于感光材料的清洗。
(8) 乳酸作为 pH 调节剂和合成剂可应用于各种水基涂层的粘合系统。如:电积物的涂层。乳酸产品沸点低,非常适用于为高固体涂层制定的安全溶解系统。乳酸产品系列为生产具有良好流体性能的含高固形物的涂料提供了机会。
(9) 乳酸具有清洁去垢等作用,用于洗涤清洁产品比传统的有机除垢剂性能更佳,因此它可应用于众多除垢产品中。如:厕所,浴室,咖啡机的清洁剂。乳酸具有抗微生物性,当它与其他抗微生物剂如乙醇配合使用,可产生协同作用。
4、 生产方法[1]
1. 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,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(也有以苜蓿、纤维素等作原料,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。
2. 合成法
(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。
(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。
5、 检测方法
1. 中和滴定法
样品加水溶解后,再加入氢氧化钠滴定液(1mol/L)25mL,煮沸5分钟,加酚酞指示液2滴,趁热用硫酸滴定液(0.5mol/L)滴定,并将滴定的结果用空白试验校正,酚酞指示液变红时停止滴定,读出硫酸滴定液使用量,计算乳酸含量。
2. 气相色谱法[3]
称取一定量的乳酸标准品,用纯水溶解并按需要 配制成一系列不同浓度的乳酸标准溶液;称取约10 g制备好的青贮饲料,精密加入100 ml 纯水,混匀,置于4 ℃冰箱内充分浸提,用快速滤纸过滤,收集滤液备用。1 ml分 别置于 20 ml 具塞试管中,加入 2 ml50%硫酸水溶液及2 ml甲醇,混匀;于55 ℃恒温水浴30 min。取出冷却至室温,加入4 ml水,混匀,再准确加入2 ml三氯甲烷,充分混匀,静置。待完全分层后,用干燥吸管吸取下层三氯甲烷溶液于5 ml注射器内,过0.45 μm滤膜供GC分析,采用乳酸标准作保留时间定性及峰面积定量分析,采取面积外标法可测得乳酸的实际含量。
3. 高效液相色谱法[4]
六、国家标准[5]
1.感官要求
项目 | 要求 | 检验方法 |
色泽 | 无色至淡黄色 | 白色至淡黄色 | 取适量液体试样和固体试样置于清洁、干燥的烧杯或白瓷盘中,在自然光线下观察其色泽和状态并嗅气味 |
状态 | 透明液体 | 结晶性颗粒 |
气味 | 无异味或略带特征性气味 |
2.理化性质
项目 | 指标 |
乳酸含量,w/% | 指示值的95.0~105.0 |
L-乳酸占总乳酸含量,w/% ≥ | 97 |
灼烧残渣,w/% ≤ | 0.1 |
氯化物(以Cl计),w/% ≤ | 0.002 |
硫酸盐(以SO4计),w/% ≤ | 0.005 |
铁盐(以Fe计),w/% ≤ | 0.001 |
氰化物/(mg/kg) ≤ | 1 |
柠檬酸、草酸、磷酸、酒石酸 | 通过试验 |
还原糖 | 通过试验 |
易碳化合物 | 通过试验 |
铅(Pb)/(mg/kg) ≤ | 2.0 |
砷(As)/(mg/kg) ≤ | 1.0 |
3.分析步骤
(1) 乳酸含量的测定
称取试样1g(精确至0.0002g),加50mL水,准确加入氢氧化钠溶液20mL,煮沸5min,加酚酞指示液2滴,趁热用0.5mol/L硫酸标准滴定溶液滴定,同时作空白试验。
(2) L-乳酸占总乳酸含量的测定
称取试样0.05g(精确至0.0001g),加水或流动相稀释定容至100mL,色谱分析前用0.45um微孔膜过滤,参考色谱条件下进行测定,分析得到试样中D-乳酸和L-乳酸的峰面积值(D-乳酸保留时间约为10min,L-乳酸保留时间约为12min),以面积归一化法定量。
(3) 灼烧残渣的测定
称取试样约2g(精确至0.0001g),放入已炽灼并恒重的坩埚中,在电炉上缓缓炽灼至完全炭化,冷却至室温。加入约0.5mL硫酸使湿润,低温加热至硫酸蒸气完全逸出。然后移入高温炉中,在800℃±25℃炽灼至完全灰化。移至干燥器内,放冷至室温,准确称重后,再在高温炉800℃±25℃下灼烧至恒重,重复灼烧至前后两次称量相差不超过0.5mg为恒重。
六、临床检测
1.乳酸的生成和代谢[6]
乳酸是葡萄糖无氧酵解的终产物,糖类是人体最主要的供能物质。葡萄糖在有氧条件下进行氧化供能:葡萄糖经有氧氧化变为丙酮酸,在细胞线粒体中参与乙酰 CoA三羧酸循环产生大量能量36~38ATPCO2+H2O。葡萄糖在无氧条件下进行酵解供能:葡曲糖无经氧酵解产生丙酮酸,被NADH 还原产生2ATP和乳酸。由此可见丙酮酸是葡萄糖有氧与无氧分解的分叉点。当细胞内 PO2 高于临界水平丙酮酸透入线粒体经催化分解成 H2O 和 CO2 并产生能量供细胞代谢,人体各组织除成熟红细胞没有线粒体外均有氧化代谢糖类的能力。当细胞内 PO2低于临界水平或细胞呼吸受其他毒性物质所抑制(CO,CN)丙酮酸在胞液内被 NADH 还原成乳胶,从而导致乳酸的大量堆积和 ATP 供能的减少。机体为补充能量会加速糖酵解产生 ATP和乳酸,当血液中乳酸升高而无血 PH降低称为高乳酸血症,如有血 PH 降低是则为乳酸酸中毒。
2.作为急诊检验项目的必要性[7]
乳酸是葡萄糖无氧代谢的产物,主要由葡萄糖通过糖酵解途径在细胞质中由丙酮酸代谢生成,血液乳酸浓度是反映外周组织灌注情况和细胞内是否缺氧的敏感标志物,也是作为死亡预兆的指标。它的动态变化与机体的内环境有着重要相关性,动态监测乳酸值能帮助医生在救治患者过程中及早发现病情变化,判断细胞的损伤程度和组织的缺氧状态,及时加以纠正,提高抢救成功率具有重要意义。
3.理论分析
血乳酸是无氧糖代谢的产物,主要由红细胞、骨骼 肌和脑细胞产生,其浓度主要取决于肝脏、肾脏的合成速度和代谢率。当呼吸衰竭或循环衰竭时,可引起组织缺氧,由于缺氧可引起体内乳酸增高。另一方面体内葡萄糖代谢过程中,如糖酵解速度增高,或剧烈运动、脱水也可引起体内乳酸增高。血液乳酸只能在肝、肾代谢清除,尤其是肝脏具有强大的清除血液乳酸的能力,因此,如肝、肾功能障碍,血乳酸水平 会出现不同程度的升高。在糖尿病酮症酸中毒时,血液乳酸含量也增高,在鉴别酮症酸中毒与混合性酸中毒时以血液乳酸浓度是否>7.0 mmol/L 为宜。当休克、酸中毒、肺功能不全、肝功能衰竭、败血症、恶性肿瘤等疾病时血乳酸增高,体内的乳酸增高可引起乳酸中毒,通常超过 7.0 mmol/L,甚至高达 25 mmol/L。血液乳酸水平可示潜在疾病的严重程度。有资料表明高乳酸血症中,乳酸水平较低者存活率达 65%,而乳酸水平较高(>10.5 mmol/L)者存活率仅 30%。另外,血液乳酸含量是运动员身体机能检测与评定相关研究的重要指标,运动过程中血液乳酸的水平检测,常用来评定机能状态,控制训练负荷、判断运动性疲劳、了解体能恢复情况。因此,血液乳酸的变化反映了运动时动用的能量系统与肌纤维的代谢速率的变化,反映了机体无氧酵解供能的最大能力,可以作为评定机体有氧代谢能力高低的重要指标。
七、结语
作为人体可以产生且自行降解的物质,乳酸的应用范围极广,尽管乳酸本身对人类是无毒性的,但当其浓度以及主要构型发生变化时,可能就会对人体产生伤害,因此对乳酸的检验不能放松标准,要严格按照国家检验标准。将乳酸检测纳入急诊检验项目,充分利用其浓度范围帮助医生救治病患判断病情是一件很有必要的事情。同时,我们应继续深入探索乳酸的致病机理或过程,以便更好的解决目前难题。
参考文献:
[1]https://baike.so.com/doc/3719782-3908677.html
[2]张诗玲,徐瑞敏.红葡萄酒苹果酸-乳酸发酵控制与检验方法. 酿酒, 2007, 06-0084-02.
[3]宋凡,陈英,姚焰础. 气相色谱法快速测定青贮饲料中乳酸的含量.饲料工业,2016,22-0057-03.
[4]王彦平,刘公言,梁萌,朱良智.高效液相色谱法测定青贮饲料桑中的乳酸、乙酸和丙酸含量条件探讨论.中国饲料,2021,7:97-100.
[5]中华人民共和国国家标准 GB 1886.173-2016 食品安全国家标准 食品添加剂 乳酸.
[6]赵运转.危重病人的床旁检验乳酸测定. 医学检验与临床, 2007, 18(2):5,6,12.
[7]赵燕霞.乳酸检测作为急诊检验项目的必要性分析. 医学检验, 2011, 18(11):1171-1172.