Wat is melkzuur?
Melkzuur, ook bekend als 2-hydroxypropionzuur, is een natuurlijk organisch zuur met de moleculaire formule CH3CH(OH)COOH. Zuiver melkzuur is een witte, kristallijne vaste stof met een laag smeltpunt dat in veel biologische systemen voorkomt, waaronder het menselijk lichaam.
Het speelt een belangrijke rol bij cellulaire ademhaling.
Melkzuur werd voor het eerst in 1780 geïsoleerd door de Zweedse chemicus Carl Wilhelm Scheele uit zure melk. Aanvankelijk verscheen het als een onzuivere bruinachtige siroop. Later toonde de Franse chemicus Michel Braconnot aan dat melkzuur geproduceerd kon worden door fermentatieprocessen.
Het jaar 1881 markeerde de oprichting van melkzuurproductie op industriële schaal in de VS.
Inhoudsopgave
1. Fysische eigenschappen van melkzuur
Melkzuur [50-21-5] is het eenvoudigste hydroxycarbonzuur met een asymmetrisch koolstofatoom met een molaire massa van 90,08 g/mol. Het bestaat in drie vormen:
- Racemisch mengsel (DL): een niet-optisch actieve vorm met gelijke hoeveelheden van de twee optisch actieve isomeren.
- L-(+)-melkzuur (CAS-nummer: 79-33-4): het optisch actieve L-isomeer.
- D-(-)-melkzuur (CAS-nummer: 10326-41-7): het optisch actieve D-isomeer.
Puur, watervrij racemisch melkzuur is een witte, kristallijne vaste stof met een laag smeltpunt, hoewel de exacte waarde moeilijk te bepalen is vanwege uitdagingen bij het verkrijgen van een volledig watervrije vorm. Gerapporteerde waarden in de literatuur variëren van 18 °C tot 33 °C. Melkzuur ondergaat interne verestering om lactoylmelkzuur te vormen.
Isolatie van individuele optische isomeren kan worden bereikt door fractionele kristallisatie van vers gedestilleerd melkzuur. Het smeltpunt van zuivere optische isomeren is ongeveer 52,7–52,8 °C. Watervrij melkzuur heeft een kookpunt van ongeveer 125–140 °C bij 27 kPa.
Vanwege zijn hygroscopische eigenschappen wordt melkzuur doorgaans verkregen als een geconcentreerde waterige oplossing (tot 90 gew.%) die kleurloos, vrijwel geurloos is en aanzienlijke hoeveelheden lactoylmelkzuur en andere melkzuuroligomeren bevat.
Deze oplossing is volledig mengbaar met water, ethanol, di-ethylether en andere met water mengbare organische oplosmiddelen. Het is praktisch onoplosbaar in benzeen en chloroform.
Historisch gezien is synthetisch melkzuur een racemisch mengsel. Melkzuur dat door fermentatie wordt geproduceerd, is echter optisch actief, waarbij het specifieke isomeer dat wordt geproduceerd afhankelijk is van het type bacterie dat erbij betrokken is.
Melkzuur heeft een dissociatieconstante (K) van 1,38 x 10-4 bij 25 °C, wat overeenkomt met een pKa van 3,86. Een 10 gew.% waterige oplossing van melkzuur heeft een pH van ongeveer 1,75.
Dichtheids-, viscositeits-, brekingsindex- en geleidbaarheidsgegevens voor waterige melkzuuroplossingen met verschillende concentraties worden gegeven in Tabel 1.
| Concentratie, gew.% | Dichtheid, g/ml | Viscositeit, mPa·s | Breukindex | Geleidbaarheid, 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. Chemische reacties van melkzuur
2.1. Interne verestering en polymerisatie
Melkzuur, dat zowel hydroxyl- als carbonzuurfunctionele groepen bezit, ondergaat interne verestering om lactoylmelkzuur (2-(2-hydroxypropanoyloxy)propaanzuur) (1) of lactide (2), een cyclische ester, te vormen door bimoleculaire verestering.
Lactide bestaat in drie stereo-isomere vormen: L,L-lactide, D,D-lactide en D,L-lactide, afhankelijk van de chiraliteit van de samenstellende melkzuureenheden.
Polymelkzuren kunnen worden geproduceerd door verdere condensatie van lactoylmelkzuur. Dit zijn lineaire polyesters met variërende ketenlengtes. , identieke chemische structuren kunnen worden verkregen via de ringopenende polymerisatie van lactide, in welk geval de term “polylactide” doorgaans wordt gebruikt.
Commercieel verkrijgbare waterige melkzuuroplossingen bevatten variërende verhoudingen van lactoylmelkzuur en polymelkzuren, beïnvloed door concentratie en opslagtijd.
Verdunde oplossingen (ongeveer 6,5 gew.%) kunnen ongeveer 0,2 gew.% lactoylmelkzuur bevatten, terwijl geconcentreerde oplossingen (88 gew.%) minder dan 60% vrij melkzuur kunnen bevatten, en zelfs 100% melkzuuroplossingen kunnen slechts 32% van de vrije monomere vorm bevatten.
2.2. Verestering met alcoholen
Lactaten van lagere alcoholen kunnen eenvoudig worden gesynthetiseerd door directe reactie met de overeenkomstige alcohol. De reactieopbrengst kan worden verbeterd door het gegenereerde water te verwijderen door azeotropische destillatie. Als alternatief kunnen lactaatesters worden geproduceerd door minimale watergenererende reacties tussen alcoholen en polymelkzuur.
2.3. Andere reacties
Melkzuur heeft het potentieel om een kosteneffectief startmateriaal te zijn voor propyleenglycol (1,2-propaandiol) en acrylzuur, twee belangrijke chemicaliën. Propyleenglycol kan worden verkregen door de reductie van melkzuur, en de dehydratie van melkzuur produceert acrylzuur.
Bovendien speelt melkzuur een belangrijke rol in biologische processen.
3. Productie van melkzuur
Melkzuur wordt commercieel geproduceerd door fermentatie of synthetische methoden. Sinds ongeveer 1995 domineert het fermentatieproces echter de nieuwe productiecapaciteit. Deze verschuiving wordt aangestuurd door het vermogen van fermentatie om melkzuur met een hoge chirale zuiverheid te genereren, een kritische factor voor toepassingen in de voedings- en polymeerindustrie.
3.1. Productie van melkzuur door fermentatie
Melkzuurproductie door fermentatie maakt gebruik van koolhydraten, voedingsstoffen en specifieke micro-organismen.
De gebruikte koolhydraten bestaan voornamelijk uit hexosen (glucose, fructose) of gemakkelijk afbreekbare hexoseprecursoren (maïssiropen, melasse, suikerbietensap, wei). Zetmeel van rijst, tarwe, maïs en aardappelen wordt ook gebruikt.
Naarmate de hydrolysetechnologie van lignocellulosematerialen vordert, kunnen deze grondstoffen naast pentosesuikers (xylose, arabinose) een goedkope bron van koolhydraten worden.
Verschillende micro-organismen zijn in staat om melkzuur in grote hoeveelheden te produceren, waaronder Lactobacillus-, Bacillus- en Rhizopus-stammen. Rhizopus-schimmels bieden het voordeel dat ze geen complexe stikstofbronnen nodig hebben, maar produceren doorgaans minder melkzuur in vergelijking met bacteriestammen.
Bacteriestammen voeren over het algemeen anaërobe fermentatie uit, terwijl Rhizopus aerobe processen gebruikt. Homofermentatieve bacteriestammen die de vorming van bijproducten minimaliseren, hebben de voorkeur.
Micro-organismen die bij de fermentatie worden gebruikt, hebben oplosbare peptiden, aminozuren, fosfaten, ammoniumzouten en vitaminen nodig. Complexe stikstofbronnen zoals gistextract, maïsweekvloeistof of peptonen (soja, vlees) worden vaak in kleine hoeveelheden gebruikt voor eenvoudigere zuivering van melkzuur.
De pH van de bouillon moet tijdens de fermentatie tussen 5,0 en 6,5 worden gehouden. Neutraliserende middelen zoals calciumhydroxide, carbonaat of natrium/ammoniumhydroxide worden gebruikt om de productie van melkzuur tegen te gaan, wat resulteert in de vorming van calciumlactaat, ammoniumlactaat of natriumlactaatzouten in de bouillon.
Productie op industriële schaal vereist grote hoeveelheden bacterieel inoculum dat wordt gekweekt in een speciale zaadtrein. Er zijn strikte maatregelen nodig om besmetting in de zaadtrein en de productievaten te minimaliseren om hoge opbrengsten en chirale zuiverheid te garanderen.
De opbrengst van melkzuur varieert doorgaans van 85% tot 95% op basis van de fermenteerbare suikers. Veelvoorkomende fermentatiebijproducten zoals mierenzuur en azijnzuur zijn doorgaans aanwezig in concentraties onder de 0,5 gew.%.
Recente ontwikkelingen in fermentatietechnologie omvatten genetisch gemanipuleerde giststammen voor de productie van melkzuur onder neutrale of lage pH-omstandigheden. Deze gemanipuleerde micro-organismen bieden voordelen zoals gedefinieerde mediavereisten en de mogelijkheid om melkzuur rechtstreeks (geen lactaatzouten) in de bouillon te produceren.
Fermentatie met lage pH elimineert mogelijk kosten die verband houden met neutraliserende middelen, verzurende middelen en verwijdering van bijproductzouten.
3.2. Zuivering van melkzuur
Na de fermentatie moet de bouillon met melkzuur worden gezuiverd voor specifieke eindtoepassingen. De mate van zuivering varieert afhankelijk van de toepassing. Toepassingen in de voeding vereisen mogelijk minimale zuivering, terwijl toepassingen zoals de productie van polylactidemonomeren uitgebreide zuivering vereisen.
De keuze van voedingsstoffen en micro-organismen tijdens de fermentatie heeft een aanzienlijke impact op de zuiveringsstappen stroomafwaarts. Complexe stikstofbronnen en bijproducten van micro-organismen dragen bij aan onzuiverheden die verwijderd moeten worden. Eenheidsbewerkingen worden gebruikt om resterende eiwitten, aminozuren, suikers, kationen, anionen en andere organische zuren te verwijderen.
Het verwijderen van micro-organismen uit de bouillon is in alle gevallen essentieel. De verwijderingstechniek is afhankelijk van het specifieke micro-organisme dat bij de fermentatie wordt gebruikt.
- Bacteriestammen kunnen worden verwijderd door flocculatie onder alkalische omstandigheden of ultrafiltratie.
- Voor Rhizopus is zorgvuldige controle van de celmorfologie in de fermentor cruciaal voor efficiënte scheiding op filters.
Lactaatzouten die tijdens de fermentatie worden gevormd, moeten worden omgezet in melkzuur. Een veelgebruikte, grootschalige methode omvat het toevoegen van zwavelzuur aan calciumlactaat. Deze methode genereert een calciumsulfaat (gips) bijproduct met een lage waarde en een beperkte oplosbaarheid in water.
Er is veel onderzoek gedaan naar alternatieve processen om de vorming van bijproductzouten te voorkomen, zoals watersplitsende elektrodialyse en koolstofdioxide-ondersteunde vloeistof-vloeistofextractie.
Voor bepaalde voedingstoepassingen wordt de bouillon door actieve kool en ionenuitwisselingsharsen geleid voor zuivering. Na deze stap wordt de bouillon geconcentreerd om te voldoen aan de specificaties van de klant.
Farmaceutische, polymeer- en andere toepassingen vereisen verdere zuivering van melkzuur. Er worden verschillende grootschalige processen gebruikt, waarbij vloeistof-vloeistofextractie met behulp van lange-keten tertiaire aminen in de organische fase een interessante methode is.
Hierbij wordt melkzuur selectief geëxtraheerd in de organische fase bij lage temperatuur en vervolgens teruggeëxtraheerd in water bij hoge temperatuur om een hoogwaardige melkzuurstroom te verkrijgen. Zuur-aminecomplexvorming draagt bij aan een hoge selectiviteit voor melkzuur ten opzichte van restsuikers en eiwitten.
Melkzuurdestillatie is haalbaar onder specifieke bedrijfsomstandigheden die de vorming van melkzuuroligomeren minimaliseren, wat de opbrengst kan beperken. Het destilleren van een lactaatester, zoals ethyllactaat, kan ook hoogwaardig melkzuur produceren, maar introduceert de extra complexiteit van veresterings- en hydrolysereacties.
Er is veel onderzoek gedaan naar het gebruik van membranen voor de zuivering van melkzuur, waaronder elektrodialyse en anionenuitwisseling. Deze technologieën kunnen een rol spelen in toekomstige melkzuurproductiefaciliteiten.
3.3. Synthese van melkzuur
Hoewel fermentatie de productie van melkzuur sinds het midden van de jaren negentig domineert, bestaan er sinds de jaren zestig ook synthetische processen. De huidige industriële methode voor de productie van melkzuur omvat de reactie van aceetaldehyde met waterstofcyanide, gevolgd door de hydrolyse van het resulterende lactonitril.
Musashino is momenteel de laatste grote producent van synthetisch melkzuur. De potentiële ontwikkeling van een kosteneffectieve synthetische route die een enantioselectieve katalysator gebruikt om chiraal zuiver melkzuur te genereren, zou echter in de toekomst kunnen leiden tot een gedeeltelijke vervanging van fermentatiemethoden.
4. Toepassingen van melkzuur
Melkzuur en zijn derivaten (zouten en esters) worden gebruikt in drie primaire sectoren: voedsel, polymeren en industrie.
4.1. Toepassingen in voedsel
Traditioneel is de voedingsindustrie de grootste consument van melkzuur en lactaatzouten. Melkzuur wordt voornamelijk gebruikt als zuurmiddel en conserveermiddel. De milde zure smaak vult verschillende voedingsmiddelen aan zonder andere smaken te overheersen.
Bovendien introduceert melkzuur, omdat het een natuurlijk voorkomende stof is, geen vreemde elementen in voedsel. De zeer oplosbare zouten maken ze geschikte gedeeltelijke vervangers voor zuren in buffersystemen.
Melkzuur en de zouten ervan worden veel gebruikt in verschillende voedingsproducten, waaronder dranken, snoep, vlees en sauzen. Calciumlactaat kan aan voedingsmiddelen worden toegevoegd om calciumversterkte producten te maken. Steroyllactaat en de natrium- en calciumzouten ervan worden gebruikt in brood.
4.2. Toepassingen in polymeren
Melkzuur is een monomeer dat wordt gebruikt voor de productie van polymelkzuur, of polylactide. NatureWorks LLC is een belangrijke producent van polymelkzuur, dat wordt gesynthetiseerd via ringopeningspolymerisatie van lactide. Lactide zelf wordt gevormd door de condensatie van twee moleculen melkzuur.
Toepassingen van polymelkzuur omvatten voedsel- en drankcontainers, films en stijve containers voor verpakking, en serviesgoed zoals kopjes, borden en bestek. Polymelkzuur kan worden gesponnen tot vezels voor gebruik in kleding, vezelvulling (kussens, dekbedden), tapijten en non-woven toepassingen zoals doekjes.
4.3. Industrieel gebruik
Melkzuur en zijn derivaten worden gebruikt bij metaalplating, cosmetica, textiel en de leerindustrie. Lactaatesters worden gebruikt bij de productie van verf en inkt, elektronica en metaalreinigingsoplossingen. Melkzuur wordt ook gebruikt in de landbouw als veevoer.
5. Toxicologie van melkzuur
Melkzuur is een niet-toxisch, natuurlijk voorkomend eetbaar zuur dat wordt gebruikt als zuurmiddel in de voedingsindustrie. Vanwege de zure aard ervan kan het echter irritatie veroorzaken bij contact met de ogen of een beschadigde huid. In dergelijke gevallen wordt onmiddellijk spoelen met water aanbevolen.
Orale toxiciteit is geen groot probleem onder normale gebruiksomstandigheden. Het innemen van grote hoeveelheden kan echter schadelijk zijn, met een LD50 (dodelijke dosis 50%) van 3730 mg/kg bij ratten. Vermijd als algemene veiligheidsmaatregel contact met de ogen en de huid en neem geen grote hoeveelheden in.
Referenties
- 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
