乳酸
乳酸(Lactic Acid)是一种羧酸，化学名称为2-羟基丙酸，分子式为CH3CH(OH)COOH，是无氧糖酵解的中间产物，也是一种信号分子。纯品乳酸为无色液体，工业为无色到浅黄色液体。它无气味，具有吸湿性，能与水、乙醇、甘油混溶，但不溶于氯仿、二硫化碳和石油醚。
乳酸的制备方法主要有发酵法和化学合成法、酶化法，发酵法可采用富含淀粉的玉米、小麦、木薯等为原料，相比于化学合成法更加环保。乳酸的检测有助于人体健康状况、食品质量等评估，主要的检测方法有比色法、分光光度法、荧光法、高效液相色谱法。
乳酸可分为人工合成乳酸和体内乳酸，人工合成乳酸又分为工业级、食品级和药典级，而体内乳酸主要是L-乳酸，主要来自肌肉和红细胞等。乳酸的用途广泛，在医药中作为制药介质，还能用于消毒；在食品领域能防腐保鲜；在农业上可用于生产缓释农药、牧畜的生长促进剂和自降解薄膜等，此外，也应用在畜牧业、化工行业和环保等行业。
相关历史
1780年，瑞典化学家Carl Wilhelm Scheele从酸牛奶中分离出乳酸，并将这种酸命名为“Mjolksyra”，意思是“牛奶中的酸”，乳酸开始被发现。1808年，瑞典化学家Jons Jakob Berzelius首次在运动的活体动物肌肉中发现乳酸堆积，并认为肌肉中发现的酸牛奶发现的酸为同一物质。1848年Engelhardt和1873年Wislicenus均报道了肌肉和牛奶中乳酸特性的不同，分别是L(+)乳酸和D(-)乳酸。
1847年，德国化学家Von Liebig在死亡生物体的肌肉组织中发现了乳酸，1858年，CarlFolwarczny在一名白血病患者的血液中发现了乳酸。在1877年至1879年，Nasse通过实验得出乳酸是由糖源衍生而来的结论。20世纪40年代，糖酵解途径的概念被提出，从此乳酸被认为是缺氧时糖酵解的终产物。
随着后续发现，缺氧并不是产生乳酸的主要原因。乳酸可以被许多组织用作燃料，1985年开始，Brook通过大量的同位素示踪追踪了静息、运动和恢复期间碳中间体的流动，并结合静脉测量乳酸交换和肌肉组织活检来探究细胞间乳酸交换，引入了乳酸穿梭机制的概念。
1923年Warburg和Minami发现肿瘤会引起葡萄糖的林格溶液酸化，1927年Warburg发现供给肿瘤的动脉总是比引流肿瘤的静脉有更低的乳酸水平以及更高的葡萄糖水平，在常氧结果也一致。1972年，Efraim Racker将这种肿瘤细胞在有足够氧气供应的情况下消耗大量葡萄糖并产生大量乳酸的现象称为“Warburg”效应。从20世纪90年代初开始，乳酸开始被认为是一种能够调节免疫反应的活性分子。它作为能量来源，或者在生理病理条件下发挥多种调节应的活化分子。
理化性质
乳酸分子量为90.08，它的解离常数为3.86pKa，在体内pH为7.35-7.45，99%的乳酸以游离乳酸阴离子和质子形式存在。乳酸根是由乳酸的一种羟基单羧酸阴离子，由乳酸的羧基脱质子作用产生，是乳酸的共轭碱，化学式为C3H5O3-，分子量为89.07，乳酸大部分是乳酸根离子。
乳酸分子中带有羟基(-OH)和羧基(-COOH)两个官能团，是一种羟基羧酸，也是自然界中存在的最简单的羟酸。乳酸分子中存在一个不对称碳原子(-碳原子)，有一个手性中心，故乳酸存在右旋(D)乳酸和左旋(L)乳酸两种旋光对应异构体。L-乳酸顺时针旋转光(+)，D-乳酸逆时针旋转光(-)，因此，分别命名为L(+)乳酸和D（-）乳酸。DL-乳酸是为外消旋乳酸，是D-乳酸和L-乳酸的混合物，没有旋光体。葡萄糖发酵得到的乳酸是左消旋体，肌肉中存在的乳酸是右旋体，而牛乳中分离得到的是外消旋体。
乳酸的挥发性较低，但随着乳酸浓度的增加而增加。在纯化粗乳酸时常用过热蒸汽(130℃~200℃)，把乳酸全部夹带出来。纯乳酸对金属和人体组织有一定腐蚀性，由于其同时具备羟基和羧基两种官能团，具有极高的化学反应可能性，如氧化发应(在生物代谢途径中也存在由乳酸脱氢酶所催化的生物氧化反应，可氧化乳酸生成丙酮酸)、还原反应、缩合反应、羧基的化反应、醇解作用和取代反应。如加氢反应转化为1,2-丙二醇，通过氧化反应生成丙酸，脱水反应生成丙烯酸，还可以发生脱/脱羧反应得到乙醛。此外，乳酸进行酯化得到乳酸酯，可以发生二聚后自身进一步酯化得到丙交酯。
毒理性质
乳酸在血液循环中积累会引起乳酸酸中毒，血浆乳酸＞5.0mmol/L且血液pH＜7.35时，会出现乳酸酸中毒。引起乳酸酸中毒原因很多，主要是由于乳酸生成增加及乳酸排泄或利用降低。最常见原因是由于组织局部或器官血液供应不足造成组织缺氧，从而导致糖解产生乳酸增加。如某些药物或者毒素抑制氧化还原酶，导致利用氧气能力下降(如一氧化碳中毒)，从而造成组织中毒性缺氧。同时应激状态下的高儿茶酚胺水平也可促进糖酵解，引起乳酸生成增加；严重的肝脏疾病可以导致肝脏代谢乳酸的能力下降，从而引起循环乳酸积。
乳酸中毒的症状包括感觉极度虚弱或疲劳、肌肉疼痛、呼吸困难、胃部不适、感到寒冷、头晕或头昏，和心律不齐。表现、急救方式。乳酸中毒可以用碳酸氢盐、二氯醋酸盐或其他制剂来中和过多的酸进行治疗，但乳酸中毒不能自愈，必须经过医疗人员治疗。
来源与代谢
葡萄糖是机体主要供能物质，其主要代谢途径是氧化供能，包括无氧氧化和有氧氧化供能。无氧氧化又称无氧酵解，指机体相对缺氧时葡萄糖分解产生能量的过程，在细胞质进行。无氧氧化分为两个阶段，首先葡萄糖通过氧化磷酸化等一系列转变成丙酮酸，产生能量，1分子葡萄糖产生2分子ATP。第二阶段是在无氧条件下，丙酮酸被还原为乳酸，不产生能量，由乳酸脱氢酶催化。最终1分子葡萄糖在缺氧条件下转变为2分子乳酸，净产生2分子ATP。
人体及动物细胞中存在的乳酸是L-乳酸，人体乳酸主要由富含乳酸脱氢酶的高糖酵解组织产生的。它于肌肉(25%)、皮肤(25%)、大脑(25%)、红细胞(20%)和肠道(10%)产生，在进入血液中循环转移到其他器官，主要是肝脏和肾脏。血液中的乳酸有两种去路，一种是进入到一些氧合良好的细胞重新生成丙酮酸进行有氧氧化。一些细胞的细胞膜上含有高度渗透乳酸转运体，特别是心肌细胞。这些细胞使用乳酸代替葡萄糖，使更多血液循环中的葡萄糖提供给活跃的肌细胞。另一种是过量的乳酸进入肝脏，首先通过糖异生途径转化为丙酮酸，然后转化为葡萄糖。此外，肿瘤细胞也可以产生大量的乳酸，正常细胞的恶性转化导致葡萄糖摄取和乳酸生成增加，即使在常氧条件上也是如此。
生理作用
乳酸具有诸多的生物学活性。它是关键的能量载体，采用碳13同位素标记法跟踪含碳代谢中间物在血液循环中的流通量，发现乳酸是三羧酸循环中最主要的能量来源物质，甚至葡萄糖进入三羧酸循环也需先转化为乳酸。乳酸是重要的信号分子，参与调节多种病理生理。它与肠道干细胞功能密切相关，在肠道屏障及免疫稳态维系中具有重要贡献，也可以抑制肠上皮细胞被促炎因子的激活，维持肠上皮细胞的稳定性。此外，乳酸参与机体损伤修复与组织稳态的维护，可以解决炎症和维护组织恢复到稳态，还可以调节树突状细胞激活和抗原表达。
低血糖时，乳酸、丙三醇及一些氨基酸，可以部分或全部支持脑组织呼吸，解救脑功能障碍。其中乳酸及酮体是低血糖时重要的脑能量来源，可支持新生儿脑的氧化代谢。新生儿大脑对酮体的提取系数大于婴儿及成人，但肝脏在低血糖等情况下合成酮体能力有限，因此，乳酸可能是低血糖时主要的脑能量来源。
在剧烈运动或病理情况时，肌糖原酵解产生的乳酸大部分经血液被运到肝脏，通过糖异生作用合成葡萄糖或糖原原来补充血糖，而血糖又可供肌肉组织再利用，这个循环过程称为软循环或Con循环。即使在正常情况下，摄入的部分葡萄糖也先分解为丙酮酸或乳酸等三碳化合物，在经糖异生转变为糖原。乳酸循环既可防止因乳酸堆积引起的酸中毒，也可以为机体补充肝糖原，避免乳酸损失。
应用领域
乳酸是一种广泛应用于食品、农业、医药、化工、环保和纺织等领域的多用途有机酸。常见酸味剂、防腐剂、调味剂、革制剂、植物生长调节剂、手性药物中间体、生物可降解材料及化妆品等组分中都有乳酸。
医药
乳酸具有较强的消毒作用，可用于生产小面积、轻度外伤创面感染消毒的乳酸依沙吖啶溶液等，它也是一种重要的制药介质，可用作生产维D2乳酸钙片、乳酸亚铁口服液、乳酸亚铁片、乳酸菌阴道胶囊等药物的基础原料。此外，L-乳酸盐可以制成药品补充人体金属元素。
食品
乳酸具有很强的防腐保鲜功效，为此常用于食品的制作、保鲜。乳酸可用在果酒、饮料、肉类、食品、糕点制作；还可以用在蔬菜(橄榄、小黄瓜)腌制以及罐头加工、粮食加工、水果的贮藏，具有调节pH、抑菌、延长保质期、调味、保持食品色泽、提高产品质量等作用。此外，酸奶中含有大量的乳酸和有益于人体健康的活性乳酸菌，乳酸菌可以把鲜奶中的乳糖转化为乳酸，为此，酸奶有利于人体消化吸收，增强消化机能。乳酸是世界上最早使用的酸味剂，存在于发酵食品、果酒、清酒及乳制品中。中国规定乳酸可在各类食品(包括婴幼儿配方食品)中按生产需要适量使用。
养殖业
乳酸及其聚合物具有预防疾病、提高免疫力、调节pH值、促进动物生长繁殖、增加动物肠道有益菌群和减少病死率的发生等功能，可以促进养殖业发展。乳酸是机体内部的中间代谢产物，其浓度可作为动物健康指标。食用大量高精度饲料会导致动物乳酸中毒，消弱动物消化能力，降低采食量，降低肉品质，此外，乳酸浓度过高会诱发疾病。通过接种乳酸利用菌调节动物体内乳酸浓度或向饲料中调加离子载体类抗生素制备乳酸复合型饲料等方法可以减轻动物疾病的发生。此外，乳酸可用于生产缓释农药、牧畜的生长促进剂。聚乳酸还可以用于土壤、沙漠绿化保水材料，农药化肥缓解材料。
化工
乳酸的衍生物达数千种，在化工领域有广泛的用途，如乳酸乙酯和乳酸丁酯的强溶解性，多用于香料工业和油漆工业中。在制革工业中用40%含量的乳酸能除去革皮中的生石灰(俗称脱灰)，相比与其他酸脱灰，用乳酸脱灰后的皮革更加柔软细密，在卷烟工业中，用乳酸除去烟草中的杂质，清除苦辣味以提高烟草档次。乳酸在工业生产中作为 pH值调节剂，在毛纺业中用于预铬媒染以降低羊毛的铬酸盐含量并防止纤维氧化，科增加光泽、使触感柔软，还给丝绸和人造丝中起增艳作用。
此外，乳酸是合成可生物降解塑料聚乳酸的前体物质，在解决白色污染上具有优势。L-乳酸经过聚合可生成直链的或环状的聚乳酸，聚L-乳酸是无毒的高分子化合物，具有生物相容性，在人体内能分解成L-乳酸，对人体无害，在自然条件下缓慢分解，不像聚氯乙稀、PP塑料会造成环境污染。为此，大量用于食品包装材料和农用薄膜上应用，消除垃圾袋带来的环境问题。聚乳酸还可以用于土壤、沙漠绿化保水材料，农药化肥缓解材料。
清洁用品
乳酸常用于制造卫生和美容产品，它对皮肤以及口腔卫生具有保湿、抗菌等作用，乳酸酯因具有吸湿性和乳化性被用作保湿剂添加到唇膏、面霜中维持皮肤水油平衡。此外，可用一定溶度的乳酸冲洗阴道，以纠正阴道酸碱都，恢复阴道酸性环境，增强抗菌力。
制备方法
乳酸是一种重要的有机酸，成品分为工业级、食品级和药典级。
人工合成乳酸的制备方法有化学合成法、酶化法和发酵法等。化学合成法制备乳酸具有发应速度快、工艺简单等优点，但存在污染环境、原料有毒的问题。酶化法生产工艺复杂、生产成本高，难以大面积生产。发酵发安全性高、发酵条件温和、产品专一、生产成本低。
发酵法
发酵法由糖类如葡萄糖、蔗糖和乳糖利用乳酸杆菌或相关微生物发酵而成。在工业生产上，主要以富含淀粉的玉米、小麦、木薯等为原料，以麦芽糖、糖化醇为多酚氧化酶将淀粉转化为葡萄糖等单糖，再加入麦芽糖培养的纯乳酸菌和碳酸钙进行发酵；发酵液用石灰乳中和至微碱性，煮沸杀菌，冷却后过滤，用热水重结晶；再加入50%的硫酸分解出乳酸和硫酸钙沉淀；滤出硫酸钙，滤液在减压下蒸发浓缩，即得到70%的工业用乳酸。
化学合成法
化学合成法生产的乳酸都是消旋乳酸即DL-乳酸，该方法通过乙醇与一氧化碳在130~200℃和高压条件下合成，此外，可以通过乙醇与氢氰酸反应，再经水解值得乳酸，还可以通过己糖用氢氧化钠水解而得。
酶化法
该法原料采用外消旋2-氯丙酸，即L-2-氯丙酸和D-2-氯丙酸的定量混合物，还可以采用丙酮酸为原材料。将含有L-2-氯丙酸的反应液用氢氧化钠(NaOH)调至一定pH，在加入一定量酶搅拌培养，然后加入NaOH溶液维持pH。反应中每隔一段时间加入一定量酶，直到pH不在下降为止。再用浓盐酸(HCl)调整反应液pH，在减压蒸发浓缩。用乙醇萃取除去氯化钠(NaCl)，当溶剂挥发后，让溶液通过阴离子交换柱，柱中的乳酸用甲酸洗脱，蒸发除去甲酸即得到乳酸。
检测方法
乳酸的检测在医学上可以作为评估健康状况和疾病研究的关键依据、在食品和相关产品上可以用作产品质量评估依据。乳酸检测常用的方法包括比色法、分光光度法、荧光法、高效液相色谱法和液相色谱-质谱法。比色法主要通过比色读数测量乳酸含量，比色检测为肉眼分析或手持设备提供了便利，计算机分析和计算随时可用。分光光度法是乳酸检测常规方法，该方法需要对生物微反应器培养液定量取样，取样间隔长短会影响检测精度。荧光法是基于纸芯片的检测方法，纸芯片制作简单、生物兼容性好，其监测对象多是乳酸、葡糖糖等小分子。在对进出口果汁中乳酸含量检测中，常用高效液相色谱法。
健康危害
乳酸对眼睛、皮肤、黏膜和上呼吸道有强烈刺激。高浓度乳酸对皮肤和黏膜有强刺激和腐蚀性，使用需穿戴适当的防护服、手套和护目镜或面具。此外，乳酸对眼睛有严重伤害，不慎与眼睛接触后，需立即用大量清水冲洗并需求医生的医治。吸入乳酸蒸气时，需将受害人移至新鲜空气处，必要时输氧和人工呼吸，及时送去就医。如果是摄入乳酸化学品，需要用水漱口，饮用纯牛奶或蛋清，并及时前往医院。