Äpfelsäure

Strukturformel
	Strukturformel Äpfelsäure
	Strukturformel von Äpfelsäure ohne Angabe zur Stereochemie
Allgemeines
Name	Äpfelsäure
Andere Namen	2-Hydroxybernsteinsäure; 2-Hydroxybutandisäure (IUPAC); 2-Hydroxybutan-1,4-disäure; Apfelsäure; Vorlage:E-Nummer; Vorlage:INCI;
Summenformel	C4H6O5
Kurzbeschreibung	farbloses, fast geruchloses, sauer schmeckendes, kristallines Pulver<ref name="GESTIS" /><ref></ref>
Externe Identifikatoren/Datenbanken
EG-Nummer	230-022-8
ECHA-InfoCard	100.027.293
PubChem	525
DrugBank	DB12751
Wikidata	[[:d:Lua-Fehler in Modul:Wikidata, Zeile 1464: attempt to index field 'wikibase' (a nil value)\|Lua-Fehler in Modul:Wikidata, Zeile 1464: attempt to index field 'wikibase' (a nil value)]]
Eigenschaften
Molare Masse	134,09 g·mol−1
Aggregatzustand	fest<ref name="GESTIS" />
Dichte	1,60 g·cm−3 (20 °C)<ref name="GESTIS">Eintrag zu Vorlage:Linktext-Check in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFAVorlage:Abrufdatum (JavaScript erforderlich)</ref>
Schmelzpunkt	131–132 °C (DL-Äpfelsäure)<ref name="GESTIS" />; 100–101 °C (D- oder L-Äpfelsäure)<ref name="Merck">The Merck Index, 9. Auflage, 1976, ISBN 0-911910-26-3, S. 741.</ref>;
Siedepunkt	Zersetzung bei 140 °C [L-Äpfelsäure]<ref name="GESTIS" />
pKS-Wert	pKs1 = 3,46<ref name="roempp" />; pKs2 = 5,10<ref name="roempp" />;
Löslichkeit	DL-Äpfelsäure:; gut in Wasser (558 g·l−1 bei 20 °C)<ref name="Merck" />,; in Ethanol: 455,3 g·l−1<ref name="Merck" />; D- oder L-Äpfelsäure:; gut in Wasser (363,5 g·l−1 bei 20 °C)<ref name="Merck" />,; in Ethanol: 866,0 g·l−1<ref name="Merck" />; löslich in Aceton, mäßig löslich in Diethylether<ref name="roempp">Eintrag zu CAM-Pflanzen. In: Römpp Online. Georg Thieme VerlagVorlage:Abrufdatum</ref>;
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung<ref name="GESTIS" /> Achtung	Gefahrensymbol
	Gefahrensymbol
H- und P-Sätze	H: 319
	P: 264‐280‐305+351+338‐337+313<ref name="GESTIS" />
Toxikologische Daten	1600 mg·kg−1 (LD50, Maus, oral)<ref>Eintrag zu Vorlage:Linktext-Check in der ChemIDplus-Datenbank der United States National Library of Medicine (NLM)Vorlage:Abrufdatum (Seite nicht mehr abrufbar)</ref>
	Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

Äpfelsäure (2-Hydroxybernsteinsäure, seltener auch Apfelsäure) ist eine chemische Verbindung aus den Gruppen der Dicarbonsäuren und Hydroxycarbonsäuren, die als rechtsdrehende D- und als linksdrehende L-Äpfelsäure vorkommt. Äpfelsäure bildet ein farbloses, fast geruchloses, sauer schmeckendes, kristallines Pulver.

Die L-Form ist ein Zwischenprodukt im Citratzyklus. In der Natur ist L-Äpfelsäure meist in unreifen Früchten wie Äpfeln, Quitten, Weintrauben, Berberitzenbeeren, Vogelbeeren und Stachelbeeren enthalten. Die erstmalige Isolierung von Äpfelsäure gelang Carl Wilhelm Scheele 1785 aus Apfelsaft, heutzutage wird Äpfelsäure als Lebensmittelzusatzstoff verwendet.

Die Ester und Salze der Äpfelsäure heißen Malate (von lateinisch malum = Apfel, nicht zu verwechseln mit Maleaten, den Estern und Salzen der Maleinsäure).

Isomere

Äpfelsäure besitzt ein Stereozentrum, somit ist sie optisch aktiv und es existieren zwei Enantiomere: L-Äpfelsäure [Synonym: (S)-Äpfelsäure] und die spiegelbildlich aufgebaute D-Äpfelsäure [Synonym: (R)-Äpfelsäure]. Ein 1:1-Gemisch aus D- und L-Form wird als Racemat oder DL-Äpfelsäure bezeichnet.

Isomere von Äpfelsäure
Name	L-(−)-Äpfelsäure	D-(+)-Äpfelsäure
Andere Namen	(S)-2-Hydroxybernsteinsäure	(R)-2-Hydroxybernsteinsäure
Strukturformel	Strukturformel L-Äpfelsäure	Strukturformel D-Äpfelsäure
CAS-Nummer	Vorlage:CASRN	Vorlage:CASRN
	Vorlage:CASRN (unspez.)
EG-Nummer	202-601-5	211-262-2
	230-022-8 (unspez.)
ECHA-Infocard	Vorlage:ECHA	Vorlage:ECHA
	Vorlage:ECHA (unspez.)
PubChem	222656	92824
	525 (unspez.)
Wikidata	Q27104150	Q27104149
	Q190143 (unspez.)

Datei:Äpfelsäure-Enantiomere Fischer-Projektion.svg

Fischerprojektion der Äpfelsäure: links die L-(−)-Äpfelsäure und rechts die D-(+)-Äpfelsäure. Das Stereozentrum ist mit einem * gekennzeichnet.

Geschichte

L-Äpfelsäure wurde erstmals 1785 von Carl Wilhelm Scheele aus Apfelsaft isoliert und beschrieben.<ref name="Scheele">C. W. Scheele, „Ueber die Frucht- und Beeren-Säure“ in Crells Chemische Ann., Bd. 2, 1785.</ref><ref name="Soukup_org">Rolf Werner Soukup: Chemiegeschichtliche Daten organischer Substanzen, Version 2020, S. 19 pdf.</ref> Antoine Lavoisier schlug 1787 den Namen acide malique vor, abgeleitet vom lateinischen Wort für Apfel (mālum).<ref>William B. Jensen: The Origin of the Names Malic, Maleic, and Malonic Acid, in: J. Chem. Educ., 2007, 84, S. 924. doi:10.1021/ed084p924.</ref> Paul Walden konnte durch Synthese von L-Äpfelsäure und D-Äpfelsäure die Chiralität und die Konfigurationsumkehr am Kohlenstoffatom beweisen.<ref name="Walden">P. Walden, „Ueber die gegenseitige Umwandlung optischer Antipoden“ in Ber. dt. chem. Ges. 29 (1896) 133ff.</ref>

Eigenschaften

Der Flammpunkt von DL-Äpfelsäure liegt bei 203 °C, die Zersetzungstemperatur bei 140 °C und die Zündtemperatur bei 349 °C.<ref name="GESTIS" /> Bei schnellem Erhitzen von Äpfelsäure auf 250 °C spaltet sie 2 Moleküle Wasser ab und geht in Maleinsäureanhydrid über. Dieses ergibt mit Wasser Maleinsäure.<ref>Beyer-Walter, Lehrbuch der Organischen Chemie, 23. Auflage, S. 356, S. Hirzel Verlag 1998, ISBN 3-7776-0808-4.</ref>

Wie alle Enantiomere besitzen die L-Äpfelsäure und die D-Äpfelsäure, mit Ausnahme der Richtung des Drehwerts α, die gleichen physikalischen Eigenschaften. Bei DL-Äpfelsäure, dem Racemat, unterscheiden sich die physikalischen Eigenschaften, z. B. Schmelzpunkt, allerdings deutlich von denen der reinen Enantiomere L-Äpfelsäure und D-Äpfelsäure.

Verwendung

Als Lebensmittelzusatzstoff (E 296) dürfen sowohl die L-Form als auch die D-Form oder das Racemat verwendet werden. D-Äpfelsäure kann beim Menschen durch Enzyme in L-Äpfelsäure umgewandelt werden.<ref>zusatzstoffe-online.de: Apfelsäure</ref> In der Praxis ist ihre Verwendung aufgrund des relativ hohen Preises eher gering. Stattdessen werden meist günstigere Alternativen wie Citronensäure (E 330), Weinsäure (E 334) oder auch Phosphorsäure (E 338) verwendet. Als Zusatzstoff in Kartoffelchips werden Natriummalat (E 350), Kaliummalat (E 351) und Calciummalat (E 352) verwendet. In der Medizin wird Kaliummalat bei Hypokaliämie als Infusionslösung eingesetzt, falls Kaliumchlorid wegen gleichzeitig bestehender Hyperchlorämie nicht eingesetzt werden kann.

Herstellung

Die L-Äpfelsäure und ihre Salze (Malate) werden nach einem biotechnologischen Verfahren, katalysiert durch das Enzym Fumarat-Hydratase, aus Fumarsäure (E 297) beziehungsweise als Stoffwechselprodukt von Bakterien und Pilzen (z. B. Brevibacterium, Corynebacterium, Escherichia, Microbacterium, Proteus, Pichia) gewonnen.<ref name="Gossauer">Albert Gossauer: Struktur und Reaktivität der Biomoleküle, Verlag Helvetica Chimica Acta, 2006, ISBN 3-906390-29-2, S. 362–370.</ref> Die enantiospezifische Anlagerung von Wasser an Maleinsäure wird durch die Maleat-Hydratase katalysiert und führt zu D-Äpfelsäure.<ref name="Gossauer" /> Racemische Äpfelsäure kann durch die Bildung diastereomerer Salze mit einem geeigneten enantiomerenreinen chiralen Amin in L-Äpfelsäure und D-Äpfelsäure gespalten werden.

Weinbau

L-Äpfelsäure ist auch in Weintrauben enthalten. Ein niedriger Äpfelsäuregehalt gilt als Reifeparameter. Beim Ausbau des Weins kann gezielt oder auch spontan eine malolaktische Gärung eingeleitet werden. Milchsäurebakterien Oenococcus oeni verstoffwechseln unter Abgabe von CO₂ und sonstigen Nebenprodukten die deutlich saurer schmeckende Äpfelsäure in die weniger sauer schmeckende Milchsäure.

Biologische Funktion

Äpfelsäure kommt im Stoffwechsel von allen Zellen vor. Der Transport vom Cytosol ins Mitochondrium erfolgt über den Malat-Aspartat-Shuttle.

Die Äpfelsäure ist für den sauren Geschmack von Äpfeln verantwortlich, wobei viele andere Pflanzen ebenfalls Äpfelsäure enthalten. Wenn die Frucht reift, nimmt ihr Gehalt ab, wobei gleichzeitig der Zuckergehalt ansteigt. Dieser Effekt ist für die Fortpflanzung des Apfelbaums von essentieller Bedeutung, da der hohe Gehalt an Äpfelsäure in den unreifen Früchten verhindert, dass Tiere diese fressen und damit die unreifen Samen verteilen.<ref>Chemie Oberstufe – Organische Chemie. 1. Auflage, Cornelsen-Verlag, Berlin 2010, ISBN 978-3-06-011177-0.</ref>

Bei Pflanzen, welche einen Crassulaceen-Säurestoffwechsel (CAM) aufweisen, wird nachts Kohlenstoffdioxid durch Atemporen des Blatts aufgenommen und durch das Enzym PEP-Carboxylase fixiert. Durch eine weitere Reaktionskette entsteht dabei Malat. Malat ist das Salz der Äpfelsäure und wird nachts in den Vakuolen von CAM-Pflanzen in Form der Säure gespeichert. Am Tag wird CO₂ wieder aus Äpfelsäure freigesetzt und direkt dem Calvin-Zyklus zugeführt. CAM-Pflanzen haben durch die zeitliche Trennung der Reaktion, auch diurnaler Säurerhythmus genannt, den Vorteil, ihre Stomata tagsüber zu schließen. Verdunstungsverlusten kann so entgegengewirkt werden.<ref name="roempp" />

Weblinks

Commons: Äpfelsäure – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Äpfelsäure – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

Vorlage:Hinweisbaustein