Пищевые оксикислоты: молочная, яблочная, винная и лимонная. Их значение и применение в пищевой промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

Кафедра органической химии

РЕФЕРАТ

на тему: Пищевые оксикислоты: молочная, яблочная, винная и лимонная. Их значение и применение в пищевой промышленности

Выполнил:

Борзов Станислав Васильевич,

группа РСб-21

Проверила:

Драница Надежда Егоровна

Кемерово 2013



Введение

Каждый из нас, зачастую не зная или не замечая этого, постоянно употребляет в пищу в составе других продуктов пищевые кислоты: молочную, яблочную, винную, лимонную. О них и пойдет речь в моем реферате. Эти оксикислоты обладают как полезными, так и вредными свойствами, и их влияние на организм зависит от количества потребления и личной переносимости. Некоторые из кислот находятся в организме постоянно и участвуют в обмене веществ. Мы их употребляем, практически ничего не зная про эти кислоты, не имея представления о том, кем и при каких обстоятельствах они были открыты, как их сейчас получают, с какими реагентами они могут реагировать, где, кроме пищевой промышленности, могут применяться, какими полезными, а иногда даже вредными свойствами обладают, и вообще, что представляют собой в чистом виде. На все эти интереснейшие вопросы вы получите подробные ответы в моей работе. Несведущий человек думает, что лимонная кислота содержится лишь в лимонах, в то время как она находится практически во всех фруктах и ягодах. Но прежде чем начать подробно рассматривать каждую из пищевых кислот, необходимо получить общие сведения о классе органических соединений, которому они принадлежат - оксикислоты.

Оксикислотами (гидроксикарбоновыми кислотами, гидроксикислотами) называют органические карбоновые кислоты, которые содержат одну или несколько гидроксильных групп. В зависимости от взаимного расположения групп ОН и СООН различают б-, в-, г-, д- … - оксикислоты. Число групп СООН определяет основность оксикислоты, а число групп ОН (включая ОН в СООН) - их атомность. Многие природные оксикислоты содержат один или несколько асимметрических атомов углерода и существуют в виде оптических изомеров.

Оксикислоты широко распространены в природе, их остатки входят в состав сфинголипидов животных и растений. Они находят применение практически во всех областях промышленности.

Оксикислоты - кристаллические вещества. Низшие оксикислоты из-за сильной гигроскопичности представляют собой густые сиропообразные жидкости. Они хорошо растворимы в воде. Оксикислоты вступают в реакции, характерные для карбоновых кислот и спиртов, а также обладают специфическими свойствами. Они более сильные кислоты, чем соответствующие карбоновые.

Пищевые кислоты были открыты и впервые выделены шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле (1742-1786 гг.), который, будучи учеником аптекаря, активно занимался самообразованием и в ходе практической деятельности делал открытия. В 1775 г. за выдающиеся достижения в области химии он был избран действительным членом Шведской королевской Академии наук, став единственным учёным, который удостоился этой чести, не имея высшего образования (которое он не смог получить из-за отсутствия денег).

Молочная, яблочная, винная и лимонная кислоты находят очень широкое применение в пищевой промышленности. Формулы, а также показатели кислотности этих оксикислот приведены в таблице 1:

Таблица 1 Пищевые оксикислоты

Название кислоты	Формула	pKA
Молочная, 2-оксипропановая	CH3-CH(OH)-COOH
Яблочная, оксибутандиовая	НООС-СН(ОН)-СН2-СООН
Винная, 2,3-диоксибутандиовая	HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH
Лимонная кислота, 2-гидрокси-1,2,3-пропантрикарбоновая кислота	HOOC-CH2-C(COOH)(OH)-CH2-COOH



1. Молочная кислота

Изомерия молочной кислоты

Существует три изомера, соответствующие формуле CH₃-CH(OH)-COOH. Это оптически деятельные L(+)-молочная кислота, вращающая плоскость поляризации света вправо и содержащаяся в мышцах животных, D(-)-молочная (мясо-молочная) кислота, вращающая плоскость поляризации света влево и образующаяся при ферментации сахарозы с помощью бактерий. Также существует оптически недеятельная рацемическая молочная кислота - молочная кислота, полученная синтетически или из кислого молока. Она представляет собой смесь равных количеств право- и левовращающих форм.

Молочная кислота в организме человека и животных

Соли и эфиры молочной кислоты называются лактаты. Молочная кислота, являясь одноосновной двухатомной оксикислотой, в организме человека и животных формируется при распаде глюкозы. Иногда называемая «кровяным сахаром», глюкоза является главным источником углеводов в нашем организме. Это основное топливо для мозга и нервной системы, а также для мышц во время физической нагрузки. Когда расщепляется глюкоза, клетки производят АТФ (аденозинатрифосфат), который обеспечивает энергией большинство химических реакций в организме. Уровень АТФ определяет, как быстро и как долго наши мышцы смогут сокращаться при физической нагрузке.

Производство молочной кислоты не требует присутствия кислорода, поэтому этот процесс часто называют «анаэробным метаболизмом». Многие считают, что мышцы производят молочную кислоту, когда недополучают кислород из крови. Однако учёные утверждают, 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. Резкое увеличение (в 2-3 раза) уровня лактатов в сыворотке крови наблюдается при тяжелых расстройствах кровообращения, таких как геморрагический шок, острая левожелудочковая недостаточность и др., когда одновременно страдают и поступление кислорода в ткани, и печеночный кровоток.

Зависимое от лактатов производство АТФ очень незначительно, но имеет большую скорость. Это обстоятельство делает идеальным его использование в качестве топлива, 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 вы используете в качестве топлива, тем больше производство молочной кислоты. У взрослого мужчины метаболический оборот молочной кислоты составляет 120-150 г в сутки.

Исследования показали, что у престарелых людей в головном мозге количество солей кислоты имеет повышенный уровень.

Молочная кислота является регулятором обмена веществ. 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.

Способы получения молочной кислоты

Молочная кислота была открыта шведским химиком Карлом Шееле в 1780 году.

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

1) Молочная кислота образуется при молочнокислом брожении сахаров, в частности, в прокисшем молоке, при брожении вина и пива.

Молочнокислое брожение глюкозы:

C₆H₁₂O₆ > 2CH₃CH(OH)COOH + 21,8·10⁴ Дж

2) В промышленности молочную кислоту получают гидролизом

2-хлорпропионовой кислоты:

CH₃-CHCl-COOH + HOH = CH₃-CH(OH)-COOH + HCl

3) Также молочную кислоту зачастую получают методом омыления лактонитрила при температуре 100°С, используя в качестве катализатора серную кислоту:

CH₃CH(OH)CN + HOH = CH₃-CH(OH)-COOH

После чего из полученной кислоты получают сложный эфир, дальнейший гидролиз которого приводит к образованию продукта высокого качества.

CH₃-CH(OH)-COOH + C₂H₅OH = CH₃-CH(OH)-COOC₂H₅ + H₂O

CH₃-CH(OH)-COOC₂H₅ + H₂O = CH₃-CH(OH)-COOH(высокое качество) + + C₂H₅OH

4) Также получение молочной кислоты возможно взаимодействием СН₃СНО с СО (при температуре 200°С и давлении 20 МПа):

СН₃СНО + СО = CH₃-CH(OH)-COOH

5) Окисление пропилена оксидами азота (15-20°С) с последующей обработкой H₂SO:

CH₃-CH=CH₂ + [O] = CH₃-CH(OH)-COOH

Физические свойства

В чистом виде молочная кислота представлена бесцветными кристаллами, но из-за высокой гигроскопичности обычно используют ее концентрированные водные растворы, которые представляют собой бесцветные или слегка желтоватые сиропообразные прозрачные жидкости с кислым вкусом и слабым специфическим запахом.

Температура плавления оптически активных + или -- форм равна 25-26 °C, а рацемической формы - 18 °C, плотность - 1,209 г/мл., температура кипения 122° C. оксикислота карбоновый винный гидроксильный

Таблица 2 Физические свойства некоторых лактатов

Химические свойства

Молочная кислота, являясь оксикислотой, проявляет свойства и карбоновых кислот, и спиртов.

Химические реакции на карбоксильную группу:

1) Образование солей:

CH₃-CH(OH)-COOH + NaOH = CH₃-CH(OH)-COONa + H₂O

2) Образование сложных эфиров:

CH₃-CH(OH)-COOH + C₂H₅OH = CH₃-CH(OH)-COOC₂H₅ + H₂O

3) Образование амидов:

CH₃-CH(OH)-COOH + NH₃ = CH₃-CH(OH)-CONH₂ + H₂O

4) Образование ангидридов:

2 CH₃-CH(OH)-COOH + P₂O_5(кат.) = (CH₃-CH(OH)-CO)₂O

5) Образование галогенангидридов:

CH₃-CH(OH)-COOH + PCl₅ = CH₃-CH(OH)-COCl + POCl₃ + HCl

Химические реакции на гидроксильную группу:

1) Образование алкоголятов:

2CH₃-CH(OH)-COOH + 2Na = 2CH₃-CH(ONa)-COOH + H₂

2) Образование простых эфиров:

CH₃-CH(OH)-COOH + CH₃-CH(OR)-COOH

3) Замещение гидроксильной группы галогеном:

CH₃-CH(OH)-COOH + HCl = CH₃-CH(Cl)-COOH + H₂O

Специфические химические свойства:

1) Восстановление до пропионовой кислоты кислот:

CH₃-CH(OH)-COOH + 2HI = CH₃-CH₂-COOH + I₂ + H₂O

2) Выделение муравьиной кислоты при кипячении с разбавленными кислотами:

CH₃-CH(OH)-COOH = CH₃-COOH + HCOOH

3) Отщепление воды при нагревании с образованием лактида (циклического сложного эфира, построенного из двух молекул кислоты):

CH₃-CH(OH)-COOH + CH₃-CH(OH)-COOH = (CH₃-CH-COO)₂ + 2H₂O

Значение и практическое применение

В пищевой промышленности используется как консервант, пищевая добавка E270. Применяется в консервной, мясоперерабатывающей, рыбной, молокоперерабатывающей, масложировой и других отраслях пищевой промышленности. Молочная кислота находит применение в сельском хозяйстве для приготовления и консервирования кормов; в ветеринарии как препарат, обладающий антисептическим и противобродильным действием. Образуется в дрожжевом тесте. Также кислота применяется в производстве сыров (в силу своей малой кислотности), майонезов, йогуртов, кефиров и других кисломолочных продуктов. Также встречается в безалкогольных напитках и кондитерских изделиях.

2. Яблочная кислота

Оптическая изомерия

Яблочная кислота относится к двухосновным трехатомным оксикислотам. Её соли называются малатами. Кислота была впервые найдена в неспелом крыжовнике Карлом Шееле в 1785 г.; ее состав установлен Либихом в 1832 г. Эта кислота, содержащая один "асимметричный" атом углерода, возможна и известна в трех видоизменениях: правом, левом и рацемическом.

Нахождение в природе, физические свойства и способы получения яблочной кислоты

Яблочная кислота находится в свободном состоянии в соках многих растений, например, в соке неспелых яблок, винограда, крыжовника, неспелой рябины (в соке спелой - отсутствует). Найдена в листьях и побегах барбариса в виде кислой калиевой соли НООС-СН(ОН)-СН₂-СООK, а в листьях табака - в кислой кальциевой соли (НООС-СН(ОН)-СН₂-СОО)₂Ca. Впервые выделена К. Шееле в 1785 г. из незрелых яблок. Для добывания кислоты удобно пользоваться соком неспелой рябины, откуда может быть выделена кальциевая соль, а затем получена яблочная кислота.

Содержание ее в незрелом винограде достигает 15--20 г/кг. В процессе созревания оно быстро уменьшается и при технической зрелости снижается до 4, а при физиологической зрелости до 2 г/кг. Объясняется это тем, что она очень лабильна.

Яблочная кислота участвует в дыхательных процессах, главным образом в обмене веществ винограда, и служит промежуточным продуктом при синтезе многих веществ, в том числе и углеводов. Яблочная кислота гигроскопична, хорошо растворима в воде, плохо -- в спирте и еще хуже в диэтиловом эфире.

Маликоэнзим катализирует синтез яблочной кислоты согласно реакции:

Маликоэнзим приводит к образованию яблочной кислоты из пировиноградной кислоты и углекислоты в ягодах винограда без образования промежуточных продуктов.

Фермент фосфоэнолпируваткарбоксилаза катализирует карбок-силирование энолпировиноградной кислоты в щавелевоуксусную.

Синтетаза яблочной кислоты катализирует конденсацию аце-тил-КоА и глиоксалевой кислоты в яблочную кислоту по схеме:

Химические свойства

I. Яблочная, как и любая другая кислота, способна образовывать соли:

1) Образование кислых солей:

НООС-СН(ОН)-СН₂-СООН + 2Na = NaООС-СН(ОН)-СН₂-СООNa + H₂

2) Образование средних солей:

НООС-СН(ОН)-СН₂-СООН + KOH = KООС-СН(ОН)-СН₂-СООН + H₂O

II. Все реакции, действующие на гидроксильную группу в оксикислотах, разобранные на примере молочной кислоты, применимы и к яблочной. Также для яблочной кислоты (как и для молочной, аналогично) существует ещё несколько реацкций на -OH группу.

1) Окисление, превращение в оксокислоты:

НООС-СН(ОН)-СН₂-СООН + [O] = НООС-СO-СН₂-СООН

2) Реакция алкилирования:

НООС-СН(ОН)-СН₂-СООН + CH₃-I + NaOH = НООС-СН(ОCH₃)-СН₂-СООН + NaI

3) Реакция ацилирования:

НООС-СН(ОН)-СН₂-СООН + CH₃-COCl = НООС-СН(ОCOCH₃)-СН₂-СООН + HCl

Явление вальденовского обращения

Вальденовским обращением называется изменение конфигурации в процессе реакции без полной рацемизации. В примере, привидённом ниже, замещение галогена гидроксилом не споровождается изменением конфигурации, а замещение гидроксила галогеном идёт с вальденовским обращением кофигурации.

Применение яблочной кислоты

В пищевой промышленности яблочную кислоту используют в качестве регулятора кислотности или как вкусовую добавку, при изготовлении вин, кондитерских изделий и фруктовых вод. Другие применения яблочной кислоты:

в медицине, для производства слабительного и лекарств от хрипоты;

как один из компонентов косметических препаратов.

3. Винная (дигидроскиянтарная) кислота.

Изомерия винной кислоты

Винные кислоты соответствуют формуле HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH и относятся к двухосновным четырехатомным оксикислотам. Между собой они различаются только пространственной структурой. У кислоты существует четыре оптически деятельных изомера и два рацемата.

Рацемат (смесь) из первых двух кислот и называется виноградная кислота.

Нахождение в природе и получение винных кислот

Винная, или виннокаменная кислота распространена в растительном царстве (в картофеле, во мхе, в огурцах, черном перце и др.), где встречается в свободном виде или в виде солей (тартратов). Винные кислоты получают синтетическими методами или из природных веществ. При гидролизе дибромянтарных кислот (рацемат и мезоформа) получается смесь мезовинной и виноградной кислот. Присоединение двух гидроксилов при действии 1%-ного раствора KMnO₄ к малеиновой и фумаровой кислотам дает в первом случае мезовинную кислоту, во втором - виноградную.

D-винную кислоту получают действием минеральных кислот на ее кислую калиевую соль (винный камень), образующуюся при брожении виноградного сока

HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOK + [минеральные соли] HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH

Винный камень представляет собой кристаллическое вещество с температурой плавления 170^оC, легко растворимое в воде.

Физические свойства

Винная кислота представляет собой бесцветные кристаллы белого порошка, не имеющие запаха, но обладающие очень кислым вкусом. D-Винная кислота имеет температуру плавления 170°С; растворимость (грамм в 100 г растворителя): в воде - 139,44, этаноле - 20,40 (18°С); также растворима в ацетоне. Физические свойства L-винной кислоты не отличаются (отличается только знак вращения).

Химические свойства

· Винная кислота обладает общими химическими свойствами оксикислот, разобранными ниже.

· Так же, как и многие другие б-, в-дигидроксидвухосновные кислоты, (+)-винная, или виннокаменная, подвергается дегидратации и декарбоксилированию с образованием преимущественно пировиноградной кислоты:

·

HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH ^{-CO2 -H2O} CH₂=C(OH)-COOH CH₃-CO-COOH

· Совсем недавно с помощью меченых атомов было показано, что в ягодах винограда винная кислота превращается в яблочную: сначала винная кислота распадается до энолпировиноградной, которая легко карбоксилируется в щавелевоуксусную кислоту, а последняя восстанавливается в яблочную.

HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH НООС-СН(ОН)-СН₂-СООН

· Винная кислота может образовывать кислые и средние соли, а также сегнетову кислоту (калиево-натриевую), которая применяется в радиотехнике (пьезокристаллы) и химическом анализе (в виде фелинговой жидкости):

HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH ^Na NaOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH ^K NaOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOK

· Образование двойной соли калия и антимола, известной в медицине и в протравном крашении под названиями «рвотный камень» или «антимонилтартрат калия», который при нагревании до 100° обезвоживается.

HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH 2C₄K₄O₆K * (SbO)₂ * H₂O

Значение и применение винной кислоты и её солей

· Винная кислота применяется в пищевой промышленности, являясь пищевой добавкой E334. Она используется в качестве регулятора кислотности при производстве консервов, джема, желе и различных кондитерских изделий. Добавляется при изготовлении напитков и столовых вод. Находит широкое применение в сфере виноделия.

· В фармацевтической промышленности винная кислота используется для производства растворимых лекарств, шипучих таблеток и некоторых других препаратов.

· В косметологической промышленности находит применение при производстве кремов и лосьонов для лица и тела.

· В текстильной промышленности используется для окрашивания тканей.

· В аналитической химии с помощью винной кислоты обнаруживают альдегиды и сахара.

Физические свойства и применение основных солей винной кислоты описаны в таблице 3.



Таблица 3Физические свойства и применение основных солей винной кислоты

4. Лимонная (2-гидрокси-1,2,3-пропантрикарбоновая кислота, 3-гидрокси-3-карбоксипентандиовая) кислота

Открытие и нахождение в природе

Лимонная кислота (HOOC-CH₂-C(COOH)(OH)-CH₂-COOH) относится к классу трехосновных четырехатомных кислот. Поскольку цикл трикарбоновых кислот используют при дыхании все аэробные организмы, то лимонная кислота в определённой концентрации содержится в большинстве прокариотов и почти во всех эукариотах (преимущественно в митохондриях). В наибольшей концентрации она содержится в ряде растений: в ягодах, плодах цитрусовых, хвое, стеблях махорки, особенно много её в китайском лимоннике и недозрелых лимонах. В лимонах её содержание равно 6-7%. Впервые кислота была выделена в 1784 году из сока недозрелых лимонов уже известным нам шведским аптекарем Карлом Шееле.

Получение

В прошлом лимонную кислоту получали из сока лимона и биомассы махорки. В настоящее время основной путь промышленного производства --биосинтез из сахара или сахаристых веществ (меласса) промышленными штаммами плесневого гриба.

Физические и химические свойства

· Лимонная кислота является кристаллическим веществом белого цвета, температура плавления которого составляет 153 °C. Хорошо растворима в воде, также растворима в этиловом спирте и малорастворима в диэтиловом эфире. Соли и эфиры лимонной кислоты называются цитратами.

· Лимонная кислота, являясь слабой трёхосновной кислотой, в растворе подвергается электролитической диссоциации. Константы диссоциации в воде при 18 °C представлены ниже:

К₁ = 8,4·10^?4

K₂ = 1,7·10^?5

K₃ = 4·10^?7

· При нагревании лимонная кислота превращается в аконитовую кислоту, которая при перегонке теряет воду и CO₂. В зависимости от условий, образуется либо цитраковый ангидрид, либо итаконовый:

· Лимонная, как и другие оксикислоты, способна к образованию сложных эфиров, солей (одно-, двух- и трёхзамещённых), амидов, алкоголятов, ангидридов, галогенангидридов и др. Аналогичные реакции уже рассматривались на примере других пищевых кислот.

· При действии H₂SO₄ лимонная кислота отщепляет муравьиную и даёт ацетондикарбоновую кислоту:

HOOC-CH₂-C(COOH)(OH)-CH₂-COOH = HCOOH + HOOC-CH₂-CO-CH₂-COOH

Значение лимонной кислоты и её применение

Сама кислота, как и её соли (цитрат натрия, цитрат калия, цитрат кальция), широко используются как пищевые добавки (E330--Е333). Также лимонная кислота служит регулятором кислотности и консервантом в пищевой промышленности. Её используют в производстве сухих и шипучих напитков, кремов и желе. В кулинарии может использоваться вместо уксусной кислоты.

Лимонная кислота при потреблении её небольшого количества улучшает метаболизм. Поэтому она применяется в медицине, в том числе и в составе средств, улучшающих энергетический обмен.

В косметике используется как регулятор кислотности.

В нефтяной промышленности при бурении нефтяных и газовых скважин используется для нейтрализации цемента в растворе (например, после срезки с цементного моста). Лимонная кислота удаляет ионы кальция из бурового раствора.

Лимонная кислота содержится в организме человека.

Сухая лимонная кислота и её концентрированные растворы при попадании в глаза вызывают сильное раздражение, при контакте с кожей возможно слабое раздражение. При единовременном употреблении внутрь больших количеств лимонной кислоты возможны: раздражение слизистой оболочки желудка, кашель, боль, кровавая рвота. При вдыхании сухой лимонной кислоты -- раздражение дыхательных путей.

Дополнительно

· В конце 1970-х годов в Западной Европе получила распространение мистификация, известная как «вильжюифский список», в котором лимонная кислота была названа сильным канцерогеном.

· Один из простейших рецептов изготовления крема с лимонной кислотой:

Необходимые продукты и их количество:

Сахар - 200 г, яйца (белок) - 4 штуки, полстакана воды, небольшое количество лимонной кислоты, немного свекольного или ягодного сока.

Из воды и сахара варят сироп и заправляют его лимонной кислотой. Яичные белки взбивают в крепкую пену. Продолжая взбивать, постепенно подливают кипящий сироп. Для получения розового крема добавляют немного сока. Используют при приготовлении корзиночек из песочного теста.

Размещено на Allbest.ru