Фумаровая кислота: свойства, применение, реакции

Фумаровая кислота – это органическая кислота, которая встречается в организме человека, а также в растениях в виде метаболита. Чистое вещество нашло применение в пищевой промышленности, где зарегистрировано под кодом Е297. Оно обладает свойствами консерванта, пластификатора, регулятора кислотности. Соединение подкисляет продукт, может использоваться в качестве замены яблочного и винного уксуса. В медицине на основе фумаровой кислоты и её солей создаются препараты для борьбы с аутоиммунными заболеваниями, антигипоксические лекарственные средства и кровезаменители.

Что такое фумаровая кислота, формула

Фумаровая кислота представляет собой транс-изомер бутендиовой кислоты. Химическая формула – HCOO – CH = CH – COOH, в рациональном виде формула записывается так

H₄C₄O₄

Бутендиовая кислота – это органическая непредельная кислота, имеющая двойную связь между атомами углерода. Изомерами называют соединения, которые имеют одинаковый состав атомов, но разное их расположение. Фумаровая кислота является геометрическим, пространственным изомером, т.е. отличается расположением функциональных групп в трёхмерном пространстве. Различают два вида стереоизомеров: цис- и транс-изомеры. Цис-изомер бутендивовой кислоты – малеионовая кислота.

Молекула фумаровой кислоты

Функциональные группировки при стереоизометрии располагаются в разных плоскостях по отношению к двойной связи. У цис-форм они находятся по одну сторону, у транс-форм – располагаются на разных сторонах. Например, у фумаровой кислоты группировки COOH лежат сверху и снизу от двойной связи, в то время как у малеиновой кислоты обе карбоксильные группы находятся сверху. Несмотря на одинаковое содержание атомов, изомеры существенно различаются по физико-химическим свойствам.

Фумаровая кислота впервые была обнаружена в растении аптечная дымянка (на латыни – фумария оффициналис), в честь которого получила своё название. Соединение также накапливают лишайники, мхи и многие грибы (фумитор). В них вещество является промежуточным продуктом углеводного обмена, а также важным звеном белкового синтеза: из неё образуется аспарагиновая кислота при присоединении аммиака.

Физическо-химические свойства, реакции, внешний вид

В чистом виде фумаровая кислота – бесцветные или белые твёрдые кристаллы игольчатой формы или гранулы высокой плотности. Соединение не имеет запаха, обладает лёгким фруктовым вкусом. Плохо растворяется в воде, хорошо – в органических растворителях, в частности в спиртах. Устойчива к воздействиям внешней среды, имеет высокую температуру плавления – 288 °С. Под действием ультрафиолетового излучения может переходить в малеиновую кислоту. Кипит при температурном режиме, достигающем 165 °С. В растворе фумаровая кислота даёт кислую реакцию (водородный показатель менее 7).

Структурная формула фумаровой кислоты

При нагревании вещество отдаёт воду, переходя в ангидрид малеиновой кислоты. Фумаровая кислота подвергается реакции восстановления, взаимодействуя с водородом:

H₄C₄O₄ + H₂ → C₄H₆O₄

Соединение реагирует с бромводородом при нагревании до 100 °С. В результате выделяется моноброянтарная кислота:

H₄C₄O₄ + HBr → C₄H₅BrO₄

Фумаровая кислота вступает в реакцию с сильными окислителями, такими как перманганат калия. При низкой температуре и щелочной среде образуется кислый виннокаменный калий и манганат калия:

H₄C₄O₄ + KMnO₄ + KOH → С₄O₆H₄K₂ + K₂MnO₄

При нормальных условиях и подкисленной среде взаимодействие фумаровой кислоты с перманганатом калия приводит к выделению смеси сульфатов и углекислого газа:

 H₄C₄O₄ + KMnO₄ + H₂SO₄ → MnSO₄ + K₂SO₄ + 4CO₂↑

Производство и получение

В лабораторных условиях получить фумаровую кислоту можно различными способами. Исторически первый способ синтеза заключался в дегидратации янтарной кислоты:

C₄H₆O₅ – H₂O → H₄C₄O₄

Применим способ нагревания хлорида фосфора с адипинатом кальция с последующей гидратацией выделившегося хлорангидрида фумаровой кислоты:

С₄H₄O₅Ca + 3PCl₅ → C₄H₂O₂Cl₂ + CaCl₂ + 3POCl₃ + 2HCl

C₄H₂O₂Cl₂ + H₂O → C₄H₄O₄ + 2HCl

Возможно получение фумаровой кислоты при выпаривании раствора монойодоянтарной кислоты:

C₄H₅IO₄ → C₄H₄O₄ + HI

Первым промышленным способ был синтез вещества из производного фурана – фуролола. Альдегид подвергали окислению кислородом в присутствии ванадия. Однако этот метод ресурсозатратен, сопряжён с использованием дорогих реактивов и оборудования. В настоящее время чаще всего применяют изомеризацию малеиновой кислоты, перевод её из цис- в транс-форму в водном растворе. Процесс идёт в несколько этапов:

1. Готовят водный раствор малеиновой кислоты, к которому добавляют более сильную кислоту (например, серную) для создания и поддержания кислой среды. Вносят специфические катализаторы изомеризации: палладий, сульфаты, хлористые соединения.
2. В течение получаса осуществляют перемешивание при комнатной температуре, затем начинают постепенное нагревание до температуры порядка 80 °С.
3. Изомеризация протекает при температуре не ниже 65 °С при постоянном перемешивании 1 час с выделением тепла, реакция экзотермическая.
4. Маточный раствор сливают.
5. Твёрдые кристаллы фумаровой кислоты фильтруют, промывают и отправляют в печи на просушку.

Выход готово продукта составляет порядка 94%. Это самый распространённый способ синтеза, вещество получается довольно чистой (содержание не менее 99,85%). С развитием биотехнологии методики получения соединения совершенствуются. В 2020 году была разработана более экологичная методика выработки фумаровой кислоты из топинамбура. Производство включает следующие стадии:

1. Подготовка клубней, измельчение их в биомассу на волчке.
2. Готовят лиофилизат Пенициллума феррукусума – грибного биокатализатора. Лиофилизат представляет собой высушенный в условиях вакуума предварительно замороженного измельчённого продукта.
3. Проводят предварительную обработку биомассы топинамбура, которая заключается в частичном разложении сложных углеводов до более простых. При этом проводят дефибрацию сырья, обрабатывают его перегретым паром углекислого газа. При этом нарушается целостность целлюлозы, которая составляет клеточную стенку растительных клеток, что впоследствии облегчает гидролиз.
4. Биомассу обрабатывают ферментативной смесью, включающей грибной лиофилизат. Стадия занимает около 3 часов, происходит при подогревании до 50 °С.
5. Температурный режим опускают до 34 °С, после чего в раствор вводят гранулы поливинилового спирта, чем инициируют выделение фумаровой кислоты. Процесс идёт 110 часов.
6. Продукт отделяют путём фильтрации, промывают и высушивают.

Биотехнологический способ позволяет экономить электроэнергию и не использовать дорогостоящие реактивы. Кроме того, получаемая кислота отличается высокой чистотой и пригодна как для пищевого, так и для технического применения.

Воздействие на организм и биологические функции, кислота в результатах анализов

Фумаровая кислота положительно влияет на здоровье человека. В составе лекарственных препаратов она проявляет антигипоксические свойства, предотвращает снижение концентрации кислорода в тканях. В стрессовых для организма ситуациях (при кровопотере, аллергии, травматических повреждениях) соединение предотвращает кислородное голодание. Выражена антиоксидантная активность средства: оно защищает клетки от свободных радикалов, агрессивных перекисных окислителей, не допускает повреждение генетического аппарата.  Фумаровая кислота предохраняет организм от действия ультрафиолетового излучения.

Вещество и его эфиры проявляют иммуномодулирующие свойства в борьбе с аутоиммунными заболеваниями. Такие болезни возникают, когда иммунитет атакует клетки организма. Они носят хронический характер. Фумаровая кислота воздействует на продукцию воспалительных молекул, уменьшая их синтез и выделение, оказывая противовоспалительное действие. Соединение уменьшает зуд и покраснение, снимает чувство дискомфорта.

Как пищевая добавка органическая кислота не оказывает существенного влияния ни на одну систему органов. Она вносится в продукты в малых количествах, поэтому не участвует в метаболизме, а переваривается и выводится.

В организме человека фумаровая кислота представлена в виде метаболита. Она вырабатывается в коже под действием ультрафиолетового излучения, а внутри клеток является необходимом компонентом цикла трикарбоновых кислот.

Цикл Кребса – это совокупность сложных биохимических реакций, протекающих многостадийно. Его роль заключается в окислении органических веществ с выделением энергии. На 6 стадии образуется фумаровая кислота, которая затем, в ходе 7 стадии, подвергается гидратации, т.е. присоединяет воду, образуя яблочную кислоту. Реакция получила название фумаразной, нормальное её протекание важно для замыкания цикла и нормального функционирования клеток.

Фумаровая кислота участвует в цикле мочевины. Она образуется при разложении побочных продуктов аммиака наряду с мочевиной, водой и молекулами аденозиндифосфата. Значение вещества в данном цикле высоко, т.к. оно менее токсично, чем его предшественники, снижает нагрузку на организм и позволяет вывести мочевину.

Лабораторная диагностика может включать анализ мочи на органические кислоты. Фумаровая кислота в моче после проведении анализа выступает маркером протекания белкового обмена, полноты энергообеспечения клеток, выработки ферментов, а также достаточности витаминов группы В и магния. Нормальное содержание фумаровой кислоты в моче у женщин старше 18 лет составляет 0.153-1.312 ммоль/моль креатина, у взрослых мужчин – 0.070-0.664 ммоль/моль креатина. Повышенный или пониженный показатель может свидетельствовать о нарушении обмена вещества, дисбалансе органических кислот.

Применение фумаровой кислоты

Фумаровая кислота нашла применение в пищевой промышленности и фармацевтике в связи с натуральностью, безопасностью и спектром полезных свойств. Её вносят в состав кровозамещающих средств, препаратов для лечения гипоксии, псориаза, в качестве профилактики заболеваний, вызванных свободными радикалами и различными окислителями. Приятный вкус и выраженные свойства регулятора кислотности сделали фумаровую кислоту популярной пищевой добавкой.

Применение фумаровой кислоты в пищевой промышленности

Пищевая добавка Е297 — это регулятор кислотности и консервант, разрешённый в России и Евросоюзе, но запрещённый в Украине. Фумаровая кислота проявляет слабые кислотные свойства, но их достаточно для того, чтобы подкислить раствор. Понижение водородного показателя вызывает остановку жизнедеятельности и гибель микроорганизмов. С этим связана консервирующая функция пищевой добавки и применение фумаровой кислоты в качестве консерванта. Другая область – использование как подкислителя вкуса. Пищевая добавка Е297 придаёт пище слабую фруктовую кислинку, ею заменяют лимонную кислоту, яблочный и винный уксус.

Фумаровая кислота применяется при производстве таких продуктов:

• хлебобулочные изделия;
• фруктовые конфеты;
• консервированные фрукты и овощи;
• леденцовая карамель;
• газированные безалкогольные напитки;
• алкогольные коктейли;
• жевательная резинка;
• желатиновая продукция (желе, мармелад);
• растворимые напитки, чай.

Пищевая добавка Е297 применяется как улучшитель муки, после применения фумаровой кислоты, она становится более рассыпчатой, тесто приобретает эластичность и хорошо держит форму, выпечка становится мягкой, при этом покрывается румяной корочкой.

Применение фумаровой кислоты в фармацевтике

Фумаровая кислота и её соли оказывают выраженный терапевтический эффект при различных заболеваниях. На основе соединения созданы кровезаменители, которые необходимы при больших кровопотерях. После травм, кровоизлияний, операций требуется введение стерильных жидкостей, заменяющих плазму и форменные элементы крови. Фумаровая кислота – незаменимый компонент таких составов.

Лекарства, содержащие данную органическую кислоту, направлены на интенсификацию энергетического обмена клеток. Вещество проявляет антигипоксическую активность, нормализуя клеточное дыхание. Оно защищает от свободных радикалов, нарушающих нормальное функционирование генетического аппарата. Фумаровая кислота активизирует работу ферментов, регулирует обмен белков, жиров и углеводов. Она также проявляет диуретическое действие, т.е. тормозит реабсорбцию воды в почках, способствует образованию и отхождению мочи.

Препараты на основе фумаровой кислоты, её эфиров и солей могут назначаться в таких клинических ситуациях:

• геморрагический и ишемический инсульт;
• токсический шок;
• интоксикации различного генеза;
• травматические повреждения;
• цереброваскулярные нарушения;
• неврастения;
• период реабилитации после мозговых кровоизлияний;
• псориаз.

Применение фумаровой кислоты в косметологии и других сферах

Фумаровая кислота входит в состав косметических средств, направленных на избавление от перхоти, акне и различных кожных дефектов. Благодаря антиоксидантной активности она предотвращает преждевременное старение кожи и образование морщин, поэтому входит в состав различных кремов и лицевых масок.

Фумаровая кислота применяется при производстве лосьонов и шампуней, направленных на уменьшение отшелушивания чешуек кожи и образования перхоти. Кислота подсушивает кожу, препятствует утолщению эпидермиса и появлению жирного блеска, стимулирует регенерацию. Она подавляет рост болезнетворных организмов, которые могут быть причиной акне.

Фумаровая кислота применяется в сельском хозяйстве в качестве биологической добавки к кормам животным. Она проявляет иммуномодулирующее действие, улучшает самочувствие скота, помогает перенести вакцинацию, стрессовые ситуации. При этом она не накапливается в организме и безвредна как для человека, так и для животного.

Вещество активно применяется в химической промышленности в качестве реагента. Из него можно получить другие органические кислоты и их соли. В производстве стройматериалов вещество нашло применение, т.к. в цементных смесях играет роль пластификатора, уменьшая усадку клеевых составов при застывании.

Где купить и сколько стоит

Фумаровая кислота как химический реактив продаётся в специализированных интернет-магазинах. Стоимость 100 грамм вещества довольно высокая, порядка 2000 рублей. Техническая фумаровая кислота, а также пищевая добавка Е297 продаётся заводами-производителями либо компаниями-перекупщицами от 100 рублей за килограмм при минимальном заказе от 25 кг.

Хранение и перевозка, меры предосторожности

Фумаровую кислоту следует хранить в защищённом от света месте, в хорошо вентилируемом помещении с относительной влажностью воздуха не более 70%. Рекомендуется держать её в плотно закрытых мешках из полиэтилена. Температурный режим от +10 °С до +25 °С. Срок годности – 1 год с момента выпуска. Перевозку осуществляют в бумажных или тканевых мешках, при этом вид транспорта не регламентирован.  При работе с фумаровой кислотой на производстве необходимо надевать защитную одежду: перчатки, респиратор. Пыль может раздражать органы дыхания и вызвать покраснение кожи.

Заключение

Фумаровая кислота – это органическое соединение, проявляющее слабые кислотные свойства. Пищевая добавка Е297 обладает приятным фруктовым вкусом, применяется в пищевой промышленности в качестве заменителя лимонной, уксусной и винной кислот, улучшает качества муки, проявляет консервирующее действие. За счёт разнообразия фармацевтических свойств вещество нашло применение в медицине, где входит в состав кровозаменяющих препаратов, средств против псориаза, антигипоксических составов. Это мощный антиоксидант, который усиливает метаболизм и защищает от негативного влияния УФ-излучения. Фумаровая кислота используется также в сельском хозяйстве, химической промышленности и косметологии.

Читайте также:

• Яблочная кислота: формула, реакции, применение, полезные свойства
• Аспарагиновая кислота: свойства, польза, применение
• Пальмитиновая кислота: описание, польза и вред, роль в организме, реакции
• Олеиновая кислота: формула, описание, применение