L’acido lattico, noto anche come acido 2-idrossipropionico, è un acido organico naturale con formula molecolare CH3CH(OH)COOH. L’acido lattico puro è un solido bianco cristallino con un basso punto di fusione che si trova in molti sistemi biologici, incluso il corpo umano.
Svolge un ruolo importante nella respirazione cellulare.
L’acido lattico fu isolato per la prima volta nel 1780 dal chimico svedese Carl Wilhelm Scheele dal latte acido. Inizialmente, appariva come uno sciroppo impuro marroncino. Successivamente, il chimico francese Michel Braconnot dimostrò che l’acido lattico poteva essere prodotto tramite processi di fermentazione.
L’anno 1881 segnò l’istituzione della produzione di acido lattico su scala industriale negli Stati Uniti.
Sommario
1. Proprietà fisiche dell’acido lattico
L’acido lattico [50-21-5] è l’acido idrossicarbossilico più semplice contenente un atomo di carbonio asimmetrico con una massa molare di 90,08 g/mol. Esiste in tre forme:
- Miscela racemica (DL): una forma non otticamente attiva contenente quantità uguali dei due isomeri otticamente attivi.
- Acido L-(+)-lattico (numero CAS: 79-33-4): l’isomero L otticamente attivo.
- Acido D-(-)-lattico (numero CAS: 10326-41-7): l’isomero D otticamente attivo.
L’acido lattico racemico puro e anidro è un solido bianco cristallino con un basso punto di fusione, sebbene il valore esatto sia difficile da determinare a causa delle difficoltà nell’ottenere una forma completamente anidra. I valori riportati in letteratura vanno da 18 °C a 33 °C. L’acido lattico subisce un’esterificazione interna per formare acido lattoillattico.
L’isolamento di singoli isomeri ottici può essere ottenuto mediante cristallizzazione frazionata di acido lattico appena distillato. Il punto di fusione degli isomeri ottici puri è di circa 52,7–52,8 °C. L’acido lattico anidro ha un punto di ebollizione di circa 125–140 °C a 27 kPa.
Grazie alla sua proprietà igroscopica, l’acido lattico si ottiene in genere come una soluzione acquosa concentrata (fino al 90% in peso) che è incolore, praticamente inodore e contiene quantità significative di acido lattoillattico e altri oligomeri dell’acido lattico.
Questa soluzione è completamente miscibile con acqua, etanolo, etere dietilico e altri solventi organici miscibili con acqua. È praticamente insolubile in benzene e cloroformio.
Storicamente, l’acido lattico sintetico è stato una miscela racemica. Tuttavia, l’acido lattico prodotto dalla fermentazione è otticamente attivo, con l’isomero specifico prodotto a seconda del tipo di batteri coinvolti.
L’acido lattico ha una costante di dissociazione (K) di 1,38 x 10-4 a 25 °C, corrispondente a un pKa di 3,86. Una soluzione acquosa al 10% in peso di acido lattico ha un pH di circa 1,75.
Nella Tabella 1 sono riportati i dati relativi a densità, viscosità, indice di rifrazione e conduttività per soluzioni acquose di acido lattico di diverse concentrazioni.
| Concentrazione, wt% | Densità, g/mL | Viscosità, mPa·s | Indice di rifrazione | Conduttività, mS/cm |
|---|---|---|---|---|
| 6,29 | 1,0115 | 1,042 | 1,3390 | 3,670 |
| 25,02 | 1,0570 | 1,725 | 1,3586 | 3,823 |
| 54,94 | 1,1302 | 4,68 | 1,3909 | 1,530 |
| 88,60 | 1,2006 | 36,9 | 1,4244 | 0,0567 |
2. Reazioni chimiche dell’acido lattico
2.1. Esterificazione interna e polimerizzazione
L’acido lattico, che possiede gruppi funzionali sia idrossilici che carbossilici, subisce un’esterificazione interna per formare acido lattoillattico (acido 2-(2-idrossipropanoilossi)propanoico) (1) o lattide (2), un estere ciclico, mediante esterificazione bimolecolare.
Il lattide esiste in tre forme stereoisomeriche: L,L-lattide, D,D-lattide e D,L-lattide, a seconda della chiralità delle unità di acido lattico costituenti.
Gli acidi polilattici possono essere prodotti mediante ulteriore condensazione dell’acido lattoillattico. Si tratta di poliesteri lineari con lunghezze di catena variabili. , strutture chimiche identiche possono essere ottenute tramite la polimerizzazione ad apertura di anello del lattide, nel qual caso viene solitamente utilizzato il termine “polilattide”.
Le soluzioni acquose di acido lattico disponibili in commercio contengono proporzioni variabili di acido lattoillattico e acidi polilattici, influenzate dalla concentrazione e dal tempo di conservazione.
Le soluzioni diluite (circa il 6,5% in peso) possono contenere circa lo 0,2% in peso di acido lattoillattico, mentre le soluzioni concentrate (88% in peso) possono avere meno del 60% di acido lattico libero e persino le soluzioni al 100% di acido lattico possono contenere solo il 32% della forma monomerica libera.
2.2. Esterificazione con alcoli
I lattati di alcoli inferiori possono essere facilmente sintetizzati tramite reazione diretta con l’alcol corrispondente. La resa della reazione può essere migliorata rimuovendo l’acqua generata tramite distillazione azeotropica. In alternativa, gli esteri del lattato possono essere prodotti tramite reazioni minime di generazione di acqua tra alcoli e acido polilattico.
2.3. Altre reazioni
L’acido lattico ha il potenziale per essere un materiale di partenza conveniente per il glicole propilenico (1,2-propandiolo) e l’acido acrilico, due importanti sostanze chimiche. Il glicole propilenico può essere ottenuto tramite riduzione dell’acido lattico e la disidratazione dell’acido lattico produce acido acrilico.
Inoltre, l’acido lattico svolge un ruolo significativo nei processi biologici.
3. Produzione di acido lattico
L’acido lattico viene prodotto commercialmente tramite fermentazione o metodi sintetici. Tuttavia, dal 1995 circa, il processo di fermentazione ha dominato la nuova capacità produttiva. Questo cambiamento è guidato dalla capacità della fermentazione di generare acido lattico con elevata purezza chirale, un fattore critico per le applicazioni nei settori alimentare e dei polimeri.
3.1. Produzione di acido lattico tramite fermentazione
La produzione di acido lattico tramite fermentazione utilizza carboidrati, nutrienti e microrganismi specifici.
I carboidrati utilizzati sono costituiti principalmente da esosi (glucosio, fruttosio) o precursori di esosi facilmente degradabili (sciroppi di mais, melassa, succo di barbabietola da zucchero, siero di latte). Vengono impiegati anche amidi di riso, grano, mais e patate.
Con l’avanzare della tecnologia di idrolisi dei materiali lignocellulosici, queste materie prime, come gli zuccheri pentosi (xilosio, arabinosio), potrebbero diventare una fonte di carboidrati a basso costo.
Vari microrganismi sono in grado di produrre acido lattico in grandi volumi, tra cui i ceppi Lactobacillus, Bacillus e Rhizopus. I funghi Rhizopus offrono il vantaggio di non richiedere fonti di azoto complesse, ma in genere producono meno acido lattico rispetto ai ceppi batterici.
I ceppi batterici generalmente eseguono una fermentazione anaerobica, mentre Rhizopus utilizza processi aerobici. Sono preferiti i ceppi batterici omofermentanti che riducono al minimo la formazione di sottoprodotti.
I microrganismi utilizzati nella fermentazione richiedono peptidi solubili, amminoacidi, fosfati, sali di ammonio e vitamine. Fonti di azoto complesse come estratto di lievito, liquore di mais o peptoni (soia, carne) sono spesso utilizzate in piccole quantità per una purificazione più semplice dell’acido lattico.
Il pH del brodo deve essere mantenuto tra 5,0 e 6,5 durante la fermentazione. Agenti neutralizzanti come idrossido di calcio, carbonato o idrossido di sodio/ammonio vengono utilizzati per contrastare la produzione di acido lattico, con conseguente formazione di sali di lattato di calcio, lattato di ammonio o lattato di sodio all’interno del brodo.
La produzione su scala industriale richiede grandi quantità di inoculo batterico coltivato in un treno di semi dedicato. Sono necessarie misure rigorose per ridurre al minimo la contaminazione nel treno di semi e nei recipienti di produzione per garantire rese elevate e purezza chirale.
Le rese di acido lattico variano in genere dall’85% al 95% in base agli zuccheri fermentabili. I sottoprodotti comuni della fermentazione come l’acido formico e l’acido acetico sono solitamente presenti in concentrazioni inferiori allo 0,5% in peso.
I recenti progressi nella tecnologia della fermentazione coinvolgono ceppi di lievito geneticamente modificati per la produzione di acido lattico in condizioni neutre o a basso pH. Questi microrganismi modificati offrono vantaggi come requisiti di terreno definiti e la capacità di produrre acido lattico direttamente (non sali di lattato) all’interno del brodo.
La fermentazione a basso pH elimina potenzialmente i costi associati agli agenti neutralizzanti, agli agenti acidificanti e allo smaltimento dei sali sottoprodotti.
3.2. Purificazione dell’acido lattico
Dopo la fermentazione, il brodo contenente acido lattico richiede la purificazione per usi finali specifici. L’entità della purificazione varia a seconda dell’applicazione. Le applicazioni alimentari possono richiedere una purificazione minima, mentre applicazioni come la produzione di monomeri di polilattide necessitano di una purificazione estesa.
La scelta di nutrienti e microrganismi durante la fermentazione ha un impatto significativo sulle fasi di purificazione a valle. Fonti di azoto complesse e sottoprodotti di microrganismi contribuiscono alle impurità che devono essere rimosse. Le operazioni unitarie vengono utilizzate per eliminare proteine residue, amminoacidi, zuccheri, cationi, anioni e altri acidi organici.
La rimozione dei microrganismi dal brodo è essenziale in tutti i casi. La tecnica di rimozione dipende dal microrganismo specifico utilizzato nella fermentazione.
- I ceppi batterici possono essere rimossi tramite flocculazione in condizioni alcaline o ultrafiltrazione.
- Per Rhizopus, un attento controllo della morfologia cellulare all’interno del fermentatore è fondamentale per una separazione efficiente sui filtri.
I sali di lattato formati durante la fermentazione devono essere convertiti in acido lattico. Un metodo comune su larga scala prevede l’aggiunta di acido solforico al lattato di calcio. Questo metodo genera un sottoprodotto di solfato di calcio (gesso) di basso valore con limitata solubilità in acqua.
Una ricerca considerevole si è concentrata su processi alternativi per evitare la formazione di sali di sottoprodotto, come l’elettrodialisi a scissione dell’acqua e l’estrazione liquido-liquido assistita da anidride carbonica.
Per alcune applicazioni alimentari, il brodo viene fatto passare attraverso carbone attivo e resine a scambio ionico per la purificazione. Dopo questo passaggio, il brodo viene concentrato per soddisfare le specifiche del cliente.
Le applicazioni farmaceutiche, polimeriche e di altro tipo richiedono un’ulteriore purificazione dell’acido lattico. Vengono impiegati diversi processi su larga scala, con l’estrazione liquido-liquido utilizzando ammine terziarie a catena lunga nella fase organica come metodo di interesse.
Qui, l’acido lattico viene estratto selettivamente nella fase organica a bassa temperatura e quindi estratto di nuovo in acqua ad alta temperatura per produrre un flusso di acido lattico di alta qualità. La complessazione acido-ammina contribuisce all’elevata selettività dell’acido lattico rispetto a zuccheri e proteine residui.
La distillazione dell’acido lattico è realizzabile in condizioni operative specifiche che riducono al minimo la formazione di oligomeri dell’acido lattico, che possono limitare la resa. La distillazione di un estere lattico, come l’etil lattato, può anche produrre acido lattico di alta qualità, ma introduce l’ulteriore complessità delle reazioni di esterificazione e idrolisi.
Una ricerca significativa ha esplorato l’uso di membrane per la purificazione dell’acido lattico, tra cui l’elettrodialisi e lo scambio anionico. Queste tecnologie potrebbero svolgere un ruolo nelle future strutture di produzione dell’acido lattico.
3.3. Sintesi dell’acido lattico
Mentre la fermentazione ha dominato la produzione di acido lattico dalla metà degli anni ’90, i processi di sintesi esistono anche dagli anni ’60. L’attuale metodo industriale per la produzione di acido lattico prevede la reazione dell’acetaldeide con acido cianidrico, seguita dall’idrolisi del lattonitrile risultante.
Musashino è attualmente l’ultimo grande produttore di acido lattico sintetico. Tuttavia, il potenziale sviluppo di un percorso sintetico conveniente che utilizzi un catalizzatore enantioselettivo per generare acido lattico chiralmente puro potrebbe portare a una sostituzione parziale dei metodi di fermentazione in futuro.
4. Usi dell’acido lattico
L’acido lattico e i suoi derivati (sali ed esteri) sono utilizzati in tre settori principali: alimentare, polimeri e industria.
4.1. Usi negli alimenti
Tradizionalmente, l’industria alimentare è stata il più grande consumatore di acido lattico e sali di lattato. L’acido lattico è utilizzato principalmente come acidificante e conservante. Il suo sapore leggermente acido completa vari alimenti senza sopraffare altri sapori.
Inoltre, essendo una sostanza naturale, l’acido lattico non introduce elementi estranei negli alimenti. I suoi sali altamente solubili li rendono adatti come sostituti parziali degli acidi nei sistemi tampone.
L’acido lattico e i suoi sali sono ampiamente utilizzati in vari prodotti alimentari, tra cui bevande, caramelle, carne e salse. Il lattato di calcio può essere aggiunto agli alimenti per creare prodotti arricchiti di calcio. Il lattato di steroile e i suoi sali di sodio e calcio sono utilizzati nel pane.
4.2. Usi nei polimeri
L’acido lattico è un monomero utilizzato per la produzione di acido polilattico o polilattide. NatureWorks LLC è un importante produttore di acido polilattico, che viene sintetizzato tramite polimerizzazione ad apertura di anello del lattide. Il lattide stesso è formato dalla condensazione di due molecole di acido lattico.
Gli usi dell’acido polilattico includono contenitori per alimenti e bevande, pellicole e contenitori rigidi per imballaggio e stoviglie come tazze, piatti e utensili. L’acido polilattico può essere filato in fibre per l’uso in abbigliamento, imbottitura in fibra (cuscini, piumoni), tappeti e applicazioni non tessute come salviette.
4.3. Usi industriali
L’acido lattico e i suoi derivati sono utilizzati nella placcatura dei metalli, nei cosmetici, nei tessuti e nell’industria della pelle. Gli esteri del lattato sono utilizzati nella produzione di vernici e inchiostri, elettronica e soluzioni per la pulizia dei metalli. L’acido lattico è anche utilizzato in agricoltura come mangime per animali.
5. Tossicologia dell’acido lattico
L’acido lattico è un acido commestibile non tossico e naturale che viene utilizzato come acidificante nell’industria alimentare. Tuttavia, a causa della sua natura acida, può causare irritazione a contatto con gli occhi o con la pelle lesa. In tali casi, si raccomanda di sciacquare immediatamente con acqua.
La tossicità orale non è una preoccupazione importante in normali condizioni di utilizzo. Tuttavia, l’ingestione di grandi quantità può essere dannosa, con una LD50 (dose letale 50%) di 3730 mg/kg nei ratti. Come precauzione di sicurezza generale, evitare il contatto con gli occhi e la pelle e non ingerire grandi quantità.
Riferimenti
- Lactic Acid; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a15_097.pub3
- Technological and economic potential of poly(lactic acid) and lactic acid derivatives
