Milchsäure (lateinisch acidum lacticum) ist eine Hydroxycarbonsäure, enthält somit sowohl eine Carboxygruppe als auch eine Hydroxygruppe. Sie wird deswegen auch als 2-Hydroxypropionsäure bezeichnet, bzw. nach den Nomenklaturempfehlungen der IUPAC als 2-Hydroxypropansäure. Die Salze und Ester der Milchsäure heißen Lactate. Milchsäure ist eine der einfachsten chiralen organischen Verbindungen, die in der Geschichte für den Begriff der Chiralität (optische Aktivität) eine „Landmarke“ darstellt. Milchsäure ist in Form von Lactat ein wichtiges Zwischenprodukt im Stoffwechsel, zum Beispiel als Produkt beim Abbau von Zuckern durch die Milchsäuregärung. Es existieren zwei Formen (Enantiomere) der Milchsäure, die im Polarimeter durch den Drehsinn der Ebene des polarisierten Lichts unterschieden wurden: (+)-Milchsäure ist rechtsdrehend, (−)-Milchsäure linksdrehend.
Geschichte Lösungen von Milchsäure wurden historisch sowohl in Europa wie auch in Asien zur Säuerung und Konservierung von Lebensmitteln, insbesondere für Milch (Sauermilch), Gemüse (z. B. Sauerkraut) und auch zur Herstellung von Silagen als Futtermittel bereits seit Jahrhunderten oder Jahrtausenden genutzt.
Die erste Entdeckung und Isolierung der Milchsäure geht auf den deutsch-schwedischen Apotheker und Chemiker Carl Wilhelm Scheele im Jahr 1780 zurück, der sie aus saurer Milch in Form eines braunen Sirups isolierte.Surinder P. Chahal, John N. Starr: Lactic Acids. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2012, . Jöns Jakob Berzelius entdeckte im Jahr 1808 eine Säure in Tierfleisch, welcher dieselbe empirische Formel zugeordnet werden musste, also ein Isomer. Sie wurde Fleischmilchsäure, auch Paramilchsäure, genannt. Die Konstitution der Milchsäuren wurde 1873 von Johannes Wislicenus aufgeklärt.Johannes Wislicenus: Studien zur Geschichte der Milchsäure und ihrer Homologen. In: Annalen der Chemie und Pharmacie, Jg. 1863, Bd. 128?, Heft 1, S. 1–67. https://ia600708.us.archive.org/view_archive.php?archive=/22/items/crossref-pre-1909-scholarly-works/10.1002%252Fjlac.18631250308.zip&file=10.1002%252Fjlac.18631280102.pdf Henri Braconnot, ein französischer Chemiker, fand im Jahre 1813 heraus, dass Milchsäure in einem Fermentationsprozess hergestellt werden kann. 1856 entdeckte Louis Pasteur die Milchsäurebakterien und entwickelte das Grundverständnis für die Milchsäuregärung. Im Jahr 1880 war Julius Uffelmann der Nachweis der Milchsäure im Magensaft gelungen.Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 49. Die großtechnische Produktion von Milchsäure begann 1881 in den USA, und 1895 machte auch Boehringer Ingelheim die Entdeckung, wie Milchsäure mit Hilfe von Bakterien in großen Mengen hergestellt werden konnte.
Vorkommen In Sauermilch- und Molkeprodukten, Joghurt, aber auch Tomatensaft und Bier ist (−)-Milchsäure ein dominierender Bestandteil. (+)-Milchsäure kommt im Muskelserum, aber auch im Blut, Speichel, Schweiß, sowie in der Niere und Galle vor. Eine 1:1-Mischung (Racemat) aus (−)- und (+)-Milchsäure findet sich ebenfalls in den erwähnten Milchprodukten. Bei allen Produkten, die durch Milchsäuregärung haltbar gemacht werden, ist der Anteil der beiden Enantiomeren abhängig vom verwendeten Bakterienstamm und den Reaktionsbedingungen. Beim Bokashi-Kompostverfahren wird ein Großteil der organischen Materie zu Milchsäure umgesetzt.
Auch Pilze erzeugen Milchsäure, z. B. Vertreter der Gattungen Rhizopodus, Allomyces und Blastocladiella.Hans G. Schlegel: Allgemeine Mikrobiologie. 8. Auflage. Thieme, 2008.
Herstellung Die Herstellung von Milchsäure kann sowohl biotechnologisch über eine Fermentation von Kohlenhydraten (Zucker, Stärke) wie auch synthetisch auf der Basis petrochemischer Rohstoffe (Acetaldehyd) erfolgen. Weltweit werden jährlich etwa 250.000 Tonnen (Stand 2010) Milchsäure industriell produziert,Wim Soetart, Erick J. Vandamme (Hrsg.): The Scope and Impact of Industrial Biotechnology. In: Industrial Biotechnology. Sustainable Growth and Economic Success. Wiley-VCH, Weinheim 2010, ISBN 978-3-527-31442-3, S. 9 (englisch). die vor allem in der Lebensmittelindustrie sowie zur Herstellung von Polylactiden (PLA; auch: Polymilchsäuren) genutzt werden.
Fermentative Herstellung Etwa 70 bis 90 % der Weltproduktion an Milchsäure wird derzeit fermentativ hergestellt,Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths: Technische Biopolymere. Hanser-Verlag, München 2009, ISBN 978-3-446-41683-3, S. 103. wobei beide reinen Enantiomere kommerziell durch Fermentationsverfahren mit Milchsäurebakterien in signifikanten Mengen produziert werden.J. Crosby: Chirality in Industry – An Overview. In: A. N. Collins, G. N. Sheldrake, J. Crosby (Hrsg.): Chirality in Industry. Wiley, Heidelberg 1992, ISBN 0-471-93595-6, S. 10. In der Regel wird stammspezifisch nur eines der Stereoisomere gebildet, allerdings kann es durch das Enzym Lactat-Racemase auch zu anderen Mischungsverhältnissen kommen.
Industriell erfolgt die Herstellung von Sauermilchprodukten durch Vergärung von Milch oder Molke vor allem durch die Lactobacillus-Arten Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus casei, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus (Lactobacillus bulgaricus) und Lactobacillus helveticus, weiterhin durch Streptococcus salivarius subsp. thermophilus (Streptococcus thermophilus) und Lactococcus lactis. Für industriell genutzte Milchsäure werden Zuckerdicksaft oder Stärkehydrolysate und Lactobacillus delbrueckii sowie Pentose-haltige Sulfitablaugen und Lactobacillus pentosus verwendet.Christoph Syldatk: Organische Säuren. Essigsäure (Acetat). In: Garabed Antranikian: Angewandte Mikrobiologie. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2006, ISBN 3-540-24083-7, S. 344–347. Die Bakterienstämme werden nach ihrer Eigenart eingeteilt, Glucose nur zu Lactat oder auch zu anderen Produkten zu vergären: homofermentative Arten, wie Lactobacillus casei und Lactococcus lactis, bilden pro Mol Glucose zwei Mol Lactat, während heterofermentative Arten, wie Leuconostoc mesenteroides und Lactobacillus brevis, neben einem Mol Lactat pro Mol Glucose auch Essigsäure, Kohlenstoffdioxid und Ethanol produzieren.
Ein Vorteil der fermentativen Herstellung ist, dass sie – anders als die synthetische Herstellung – stereospezifisch ist. So kann mit bestimmten Stämmen gezielt das L-Isomer (siehe unten) hergestellt werden, welches für moderne Anwendungen gefragter ist.
Synthetische Herstellung Synthetisch wird Milchsäure durch Anlagerung von Cyanwasserstoff (Blausäure, HCN) an Acetaldehyd zu Acetaldehydcyanhydrin (Milchsäurenitril, Lactonitril) hergestellt. Das Nitril wird dann mit Salzsäure zu Milchsäure und Ammoniumchlorid hydrolysiert. Dieser Syntheseweg wird vom japanischen Unternehmen Musashino als letztem Großproduzenten für synthetische Milchsäure realisiert.
Eigenschaften mini|Racemische Milchsäure
Isomerie Das Milchsäuremolekül enthält ein Chiralitätszentrum am Kohlenstoffatom C-2. Daher existieren zwei Enantiomere, welche nach dem älteren Nomenklatursystem als D-Milchsäure und L-Milchsäure bezeichnet wurden. ,L‘ steht für lateinisch laevus „links liegend“, ‚D‘ für lateinisch dexter „rechts“ – auf die OH-Gruppe bezogen – in der Fischer-Projektionsformel.
Datei:Milchsäure Enantiomere.svg
Nach der modernen Sequenzregel (R/S-Nomenklatur) sind dies (R)-Milchsäure und (S)-Milchsäure. Diese unterscheiden sich u. a. durch ihre unterschiedliche optische Aktivität: die linksdrehende Milchsäure ((−)-Milchsäure) und die rechtsdrehende Milchsäure ((+)-Milchsäure). Erstere besitzt die (R)-Konfiguration, letztere die (S)-Konfiguration. Racemische Milchsäure ist ein 1:1-Gemisch aus (R)- und (S)-Milchsäure.
Isomere von Milchsäure Name L-Milchsäure D-Milchsäure Andere Namen (S)-Milchsäure (+)-Milchsäure Fleischmilchsäure (R)-Milchsäure (−)-Milchsäure Strukturformel 160px 160px CAS-Nummer (unspez.) EG-Nummer 201-196-2 233-713-2 200-018-0 (unspez.) ECHA-Infocard (unspez.) PubChem (unspez.) Wikidata Q27080955 Q27077083 Q161249 (unspez.)
Wie aus der Infobox ersichtlich, bilden die Milchsäuren im Reinzustand kristalline Feststoffe. Alle stereoisomeren Milchsäuren sind im Handel als wässrige Lösungen erhältlich.
Vermutlich versuchte Théophile-Jules Pelouze als erster, wässrige Milchsäure durch Erhitzen zu konzentrieren. Es entstanden jedoch Oligomere der Milchsäure, zunächst das Dimer Lactoylmilchsäure (engl. lactoyl lactic acid). Bei stärkerem Erhitzen wird die cyclische Verbindung Lactid (3,6-Dimethyl-1,4-dioxan-2,5-dion) gebildet.Jules Pelouze: Mḗmoire sur l'acide lactique. In: Annales de Chimie et de Physique, 3. Serie, Jg. 1845, Bd. XIII, S. 257. https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k34754d/f256.image.r=Pelouze links|mini|Zwei Konformationen von Lactoylmilchsäure zentriert|1000px|Cyclisierung von Milchsäure
In wässriger Milchsäurelösung liegt ein chemisches Gleichgewicht zwischen Milchsäure und ihren durch intermolekulare Wasserabspaltung entstehenden Oligomeren vor. In 90%iger Milchsäurelösung findet man etwa 70 % als freie Säure und 20 % als Oligomere vor. Aus zwei Milchsäuremolekülen entsteht unter Ringschluss und Abspaltung von zwei Wassermolekülen Lactid mit einem sechsgliedrigen Ring. Diese Verbindung wird in wässriger Milchsäurelösung jedoch nicht beobachtet.
Die aus Milchsäure gebildeten intermolekularen Ester erreichen jedoch keine relevanten Kettenlängen, um das Produkt technisch verwerten zu können. Jedoch lassen sich aus Dilactiden mittels Ringöffnungspolymerisation hochwertige Polyester erzeugen. Der entstehende Kunststoff ist biologisch abbaubar und zudem immunologisch neutral.
Physikalische Eigenschaften Zwar sind die verschiedenen Milchsäuren in reinem Zustand Feststoffe, aber die Kristalle zerfließen rasch an der (feuchten) Luft, sind also hygroskopisch. D-(−)-Milchsäure bildet prismatische Plättchen, die bei 26 °C schmelzen.R. Pohloudek-Fabini, Th. Beyrich: Organische Analyse, unter besonderer Berücksichtigung von Arzneistoffen, 1. Aufl. S. 148. Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig, Leipzig 1975. Die Kristalle von L-(+)-Milchsäure wurden als „strahlig gruppierte, abgeplattete, prismatische Kristalle“ charakterisiert.R. Pohloudek-Fabini, Th. Beyrich: Organische Analyse, unter besonderer Berücksichtigung von Arzneistoffen, 1. Aufl. S. 148. Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig, Leipzig 1975. Der spezifische Drehwinkel beträgt für D-Milchsäure bei 20 °C [α]D20 = −2,6 (H2O) und für L-Milchsäure [α]D20 = +2,6 (H2O). Bei 15 °C wird für L-Milchsäure ein Drehwinkel [α]D15 = +3,82 (H2O) gemessen. Im Vakuum können die Milchsäuren ohne Zersetzung (s. o.) verdampft werden.
Kristalle von L-(+)-Milchsäure wurden bei minus 173 °C (100 K) mittels Röntgenbeugung untersucht.A. Schouten, J. A. Kanters, J. van Krieken: Low temperature crystal structure and molecular conformation of l-(+)-lactic acid. In: Journal of Molecular Structure, Jg. 1994, Bd. 323, S. 165–168. Sie gehören zum orthorhombischen Kristallsystem. Die Moleküle sind durch Wasserstoffbrücken-Bindungen (punktiert gezeichnet) verknüpft.
links|500px|Milchsäuremoleküle, durch Wasserstoffbrücken-Bindungen assoziiert
Sogar in der Gasphase sind H-Brückenassoziate vorhanden.Benjamin N. Frandsen, Alexandra M. Deal, Joseph R. Lane, Veronica Vaida: Lactic Acid Spectroscopy: Intra- and Intermolecular Interactions. In: Journal of Physical Chemistry A, Jg. 2021, Bd. 125, Heft 1, S. 218–229.
Chemische Eigenschaften Von den verschiedenen Milchsäuren wurden zahlreiche Salze hergestellt. Schon der Entdecker, Scheele, verwendete das Calciumsalz zur Isolierung. Das Salz mit dem chiralen Alkaloid Brucin war wichtig zur Trennung der Enantiomeren. Mit verschiedenen Alkoholen werden Carbonsäureester gebildet, z. B. Milchsäureethylester