Kwas mlekowy E270. Jak kwas mlekowy wpływa na zdrowie?

Czy zastanawialiście się kiedyś, co może łączyć nas, ludzi, z bakteriami Lactobacillus? Prawdopodobnie nie. Wbrew pozorom, mamy jednak kilka punktów wspólnych. Szczególnie na poziomie metabolicznym. Zarówno człowiek, jak i bakterie z rodzaju Lactobacillus, mają zdolność wytwarzania w swoich organizmach kwasu mlekowego. Jak on powstaje? Jakie są jego funkcje w naszym organizmie? I jak możemy wykorzystać kwas produkowany przez bakterie? Dowiecie się z poniższego artykułu.

Kwas mlekowy – informacje ogólne

Kwas mlekowy jest kwasem organicznym, zaliczanym do grupy hydroksykwasów. Oznacza to, że we wzorze chemicznym zawiera co najmniej jedną grupę karboksylową (-COOH) i jedną hydroksylową (-OH). Jego nazwa pochodzi od obecności w sfermentowanych – inaczej skwaśniałych – produktach mlecznych. W nich oraz w innych produktach żywnościowych, takich jak kiszone warzywa, kwas mlekowy pojawia się dzięki procesom przeprowadzanym przez bakterie Lactobacillus.

Jednak oprócz nich, zdolność do produkcji kwasu mlekowego ma także organizm człowieka. Co więcej – wbrew temu, co jeszcze do niedawna uważano na jego temat – nie jest on jedynie zbędnym metabolitem. Dzięki badaniom przeprowadzanym w ciągu ostatnich lat dowiedzieliśmy się, że kwas mlekowy może pełnić w organizmie wiele istotnych ról.

Metabolizm kwasu mlekowego w organizmie człowieka

W naszym ustroju kwas mlekowy powstaje w kilku miejscach. W skórze, w mózgu, w czerwonych krwinkach i jelitach. A także w mięśniach szkieletowych podczas intensywnego wysiłku fizycznego. Następuje to po przekroczeniu tak zwanego progu mleczanowego. Jest to taka intensywność wysiłku, powyżej której stężenie kwasu mlekowego we krwi przekracza spoczynkowy poziom i zaczyna systematycznie wzrastać [1].

Dlaczego mięśnie w ogóle zaczynają produkować kwas mlekowy? Ponieważ do pracy, czyli skurczu potrzebują ATP. Najbardziej efektywna produkcja tego związku zachodzi podczas oddychania tlenowego. Jednak przy bardzo intensywnym wysiłku fizycznym, w pewnym momencie do komórek mięśniowych dostarczana jest niewystarczająca ilość tlenu. Wówczas, aby móc utrzymać efektywność, miocyty przestawiają się na metabolizm beztlenowy. W jego wyniku zachodzi jedynie proces glikolizy, czyli przekształcenia cząsteczki glukozy w cząsteczkę pirogronianu. Ten ostatni, zamiast zostać włączony do cyklu Krebsa, jest przekształcany do kwasu mlekowego. W wyniku glikolizy powstaje znacznie mniej cząsteczek ATP, niż w wyniku oddychania tlenowego. Za to zachodzi ona szybciej i dzięki temu może służyć mięśniom jako alternatywne źródło energii [1,2].

Obecnie jednak wiemy, że kwas mlekowy powstaje w ustroju nie tylko w warunkach beztlenowych, ale także w sposób ciągły przy wystarczającej podaży tlenu [2,3]. Jest to związane z pełnieniem przez niego co najmniej trzech istotnych ról w utrzymywaniu homeostazy organizmu. Stanowi on istotne źródło energii (w tym dla komórek mózgowych), jest bardzo ważnym prekursorem procesu glukoneogenezy, a także stanowi cząstkę sygnałową [4].

Dalsze losy kwasu mlekowego w naszym organizmie mają miejsce w wielu organach. Do niedawna uważano, że głównym miejscem jego dalszego metabolizmu jest wątroba. To w niej zachodzą procesy glukoneogenezy, czyli odtwarzania glukozy z kwasu mlekowego. Jest to tak zwany cykl Corich, który został odkryty w 1947 roku. Aktualnie jednak wiemy, że proces ten zachodzi bardzo efektywnie także w innych organach, takich jak nerki [4]. Po przekształceniu kwasu mlekowego do glukoz jest on rozprowadzany w tej formie do wszystkich komórek organizmu. Lub może być składowany w wątrobie i mięśniach szkieletowych jako substancja zapasowa – glikogen [2].

Zakwasy – fakt, czy mit?

Prawdopodobnie każdemu z nas zdarzyło się kiedyś pod wpływem pięknej pogody i nagłego przypływu energii zdecydować na wyjście na trening na powietrzu. Albo pod wpływem postanowienia noworocznego rzucić się w wir ćwiczeń na siłowni. Jeśli był to pierwszy taki zryw po dłuższej przerwie (albo może nawet pierwszy w życiu!), w pewnym momencie treningu mogliśmy doświadczyć palącego bólu mięśni, które zaczynały odmawiać posłuszeństwa. Następnego dnia natomiast, mogliśmy mieć nawet problem z tym, aby wstać rano z łóżka oraz marzyliśmy, aby te kilka schodków między piętrami domu pokonać windą. Potocznie przyjęło się mówić, że po znacznym wysiłku mamy „zakwasy”. Jednak czy ten ból w trakcie ćwiczeń oraz ten około 48 do 72 godzin po treningu mają ten sam patomechanizm? Otóż nie.

O bólu, który występuje w trakcie wysiłku, faktycznie możemy mówić jako o „zakwasach”. Do tej pory uważano, że przyczyną zakwasów podczas intensywnych ćwiczeń fizycznych jest intensywna produkcja kwasu mlekowego. W pracujących mięśniach dysocjuje on do mleczanu oraz jonów wodorowych H⁺. To właśnie te jony były uważane za główny czynnik powodujący zakwasy. Ich akumulacja wiąże się z obniżeniem pH środowiska. Skutkiem czego jest zmniejszenie zdolności jonów wapnia do wiązania się z troponiną C – białkiem biorącym udział w skurczu włókna mięśniowego [5,6].

Obecnie jednak podważane jest twierdzenie, aby było to głównym czynnikiem powodującym niezdolność do skurczu podczas wysiłku. Z pewnością obniżenie pH w mięśniach przyczynia się do ich zmęczenia i niezdolności do kontynuowania pracy [6]. Badania wykazały jednak, że w znacznie większym stopniu może to być skutek akumulacji nieorganicznego fosforanu. Powstaje on w wyniku rozpadu fosfokreatyny – związku magazynującego energię w mięśniach, którego hydroliza dostarcza energii do pracy [5,7].

Jak jednak wiemy, krew dosyć szybko po wysiłku jest w stanie odprowadzić z mięśni nadmiar metabolitów powodujących ból. Co zatem powoduje ten dyskomfort, który występuje po kilku godzinach i utrzymuje się do kilku dni po zakończeniu treningu? Mamy wtedy do czynienia z tak zwanymi DOMS-ami (z angielskiego delayed onset muscle soreness – opóźniona bolesność mięśni). Jest to ból, który ma zupełnie inny patomechanizm, niż zakwasy [8]. Do tej pory jednak badacze nie są zgodni co do przyczyny, która wywołuje DOMS-y. Jako najbardziej prawdopodobne podaje się mikrouszkodzenia włókien mięśniowych, wzrost stężenia leukocytów, procesy zapalne, a także wzrost stężenia reaktywnych form tlenu w mięśniach. Coraz częściej jednak można spotkać się także z twierdzeniem, że przyczyną mogą być mikrouszkodzenia nerwów, zwane aksonopatią [9].

Czy jesteśmy w stanie w jakiś sposób zmniejszyć dokuczliwość lub opóźnić wystąpienie zakwasów jako takich? Okazuje się, że tak. Jak wykazały badania, suplementacja kreatyną może spowolnić tempo narastania stężenia kwasu mlekowego we krwi podczas treningu. Dzięki temu możliwe jest wykonanie większej ilości powtórzeń lub utrzymanie dłuższego czasu wysiłku, niż w przypadku braku suplementacji [10].

Korzystne działanie wykazał także żeń-szeń. Wpływa on między innymi na zwiększenie aktywności dehydrogenazy mleczanowej oraz opóźnienie gromadzenia kwasu mlekowego we krwi [5]. Co za tym idzie – skutkuje zwiększeniem efektywności treningu oraz zmniejszeniem uciążliwości zakwasów.

Inne ciekawe funkcje kwasu mlekowego

Jak już zostało wcześniej wspomniane – kwas mlekowy nie jest już postrzegany wyłącznie jako zbędny metabolit. Obecnie wiadomo, że odgrywa on w organizmie wiele ról. Bierze udział w zmniejszeniu procesów zapalnych. Zwiększa stężenie przeciwzapalnych cytokin (IL-10) oraz obniża stężenie cytokin prozapalnych (IL-12). Dzięki zdolności do przenikania przez barierę krew-mózg, wpływa na ekspresję genów związanych z tworzeniem pamięci długotrwałej. Sprzyja także gojeniu się ran poprzez stymulowanie angiogenezy oraz zwiększenie odkładania się kolagenu. Dodatkowo może on wywoływać także działanie neuroprotekcyjne w sytuacji niedokrwienia mózgu – działa wówczas jako alternatywne źródło energii [11].

Kwas mlekowy odgrywa również istotną rolę w zachowywaniu homeostazy żeńskich dróg rodnych. W okresie reprodukcyjnym zwraca się uwagę szczególnie na jego prawidłowe stężenie w pochwie. Zapobiega on infekcjom bakteryjnym i wirusowym, maksymalizuje żywotność komórek nabłonkowych, a także hamuje rozwój stanów zapalnych. Dzięki czemu zmniejsza ryzyko uszkodzenia rozwijającego się płodu w trakcie ciąży [12].

Niestety, kwas mlekowy może mieć również niekorzystny wpływ na zdrowie człowieka. Jak wykazały badania, może on wywoływać działanie kancerogenne, między innymi poprzez wspomniane wcześniej stymulowanie angiogenezy. W dodatku uważa się, że sprzyja tworzeniu przerzutów, tłumieniu odporności przeciwnowotworowej, a także zwiększeniu oporności komórek nowotworowych na leki [12,13]. Jest to samonapędzająca się machina. Wiadome jest, że guzy zużywając glukozę do swojego funkcjonowania, same wytwarzają duże ilości kwasu mlekowego. Co z kolei zwiększa intensywność kancerogennych procesów wymienionych wcześniej. Zatem jeden związek chemiczny może w organizmie człowieka wywoływać zarówno prozdrowotne, jak i antyzdrowotne działanie [12].

Czy warto zatem badać stężenie kwasu mlekowego we krwi na własną rękę, aby skontrolować stan zdrowia? Niekoniecznie. Nie zmienia to jednak faktu, że w praktyce klinicznej badanie to ma duże zastosowanie. Stężenie kwasu mlekowego często odzwierciedla stan ciężkości choroby, a także reakcję organizmu na leczenie. Podwyższony wynik obserwuje się u chorych w ostrych stanach, takich jak zawał serca, stany niedokrwienne, niewydolność wątroby, czy też zatrucia różnymi substancjami [14]. Ponieważ jednak przyczyn wysokiego stężenia kwasu mlekowego może być wiele, wyniki badania należy interpretować w kontekście całościowego obrazu choroby. Dodatkowo, niektórzy badacze postulują nie tylko jednorazową kontrolę kwasu mlekowego, ale wręcz monitorowanie jego kinetyki w organizmie ludzkim. Czyli sprawdzanie, jak zmienia się jego stężenie w ostrych stanach co mniej więcej 1-2 godziny. Niezależnie od wartości wyjściowej, daje to dobry obraz zmian w stanie zdrowia pacjenta [14,15].

Właściwości i zastosowanie w żywności

Jak już zostało wspomniane na początku, nie tylko człowiek ma zdolność produkcji kwasu mlekowego. Potrafią to także bakterie z rodzaju Lactobacillus. Jest to najliczniejsza grupa spośród bakterii zdolnych do produkcji kwasu mlekowego – Lactobacteriaceae. Ich zdolność do fermentacji cukrów prostych i przekształcania ich w mleczan, jest powszechnie wykorzystywana w przemyśle żywnościowym. Fermentowane produkty mleczne, kiszone warzywa, a nawet niektóre piwa – to wszystko powstaje dzięki bakteriom kwasu mlekowego.

Abstrahując od walorów smakowych, fermentowane produkty są bardzo korzystne dla naszego zdrowia. Ich pozytywny wpływ zawdzięczać możemy zarówno obecności bakterii jako takich, jak i ich metabolitów, które powstają w wyniku przeprowadzanych przez nie procesów fermentacji. Pozwalają one zachować odpowiedni skład ludzkiego mikrobiomu jelitowego. A także zapobiegają nadmiernemu rozplemowi szkodliwych bakterii oraz grzybów [16].

Dodatkowo, posiadają udowodniony wpływ na wsparcie leczenie chorób przewodu pokarmowego, w szczególności jelit, i otyłości [17]. Prawdopodobnie jest to skutek powiązań pomiędzy stanem zdrowia jelit a ogólnym stanem całego ustroju. Konieczne są jeszcze dodatkowe badania w tej dziedzinie, ale już teraz wiadomo, że odpowiednią dietą jesteśmy w stanie modyfikować skład mikrobiomu jelitowego. Tym samym, poprawiamy całokształt kondycji organizmu [16].

Kwas mlekowy jest również wpisany na listę dozwolonych dodatków do żywności i jest oznaczony numerem E270. Oznacza to, że jest zaklasyfikowany do grupy konserwantów. Nie powinniśmy się go jednak obawiać i unikać produktów, które go zawierają. Kwas mlekowy jest stosowany w żywności głównie jako regulator kwasowości. Dzięki temu może zapobiegać rozwojowi niekorzystnych bakterii w produkcie, może przyczyniać się do przedłużenia jego trwałości, a także zapobiegać negatywnym zmianom w jego wyglądzie (np. zmianie koloru). Jego dodatkowe funkcje to także m.in. wzmacniacz smaku, rozpuszczalnik i nośnik [18].

Zgodnie z badaniami i orzeczeniem WHO wydanym na ich podstawie, kwas mlekowy nie posiada dopuszczalnej dziennej dawki (ADI), której przekroczenie byłoby niewskazane [19]. Oznacza to, że jest on substancją bezpieczną dla zdrowia człowieka. W przemyśle żywnościowym jest zatem stosowany zgodnie z zasadą quantum satis. Oznacza to, że używa się go zgodnie z zasadami tak zwanej dobrej praktyki produkcyjnej, w ilości nie wyższej, niż konieczna do osiągnięcia zamierzonego celu, pod warunkiem, że konsument nie jest przez to wprowadzany w błąd [20].

Na tej zasadzie kwas mlekowy może być dodawany do [21]:

• serów niedojrzewających typu mozzarella,
• serów serwatkowych,
• owoców i warzyw w puszkach i słoikach,
• dżemów i galaretek, a także innych tym podobnych przetworów do smarowania,
• świeżego makaronu i makaronu wstępnie obgotowanego,
• chleba pszennego na zakwasie oraz chleba francuskiego,
• nektarów warzywnych i owocowych,
• piwa i napojów słodowych
• preparatów do żywienia początkowego niemowląt,
• żywności na bazie zbóż dla niemowląt i małych dzieci.

Zgodnie z najnowszymi badaniami, bakterie rodzaju Lactobacillus, a także ich metabolity mogą być wykorzystywane do produkcji środków spożywczych typu ready to eat oraz środków farmaceutycznych. Wykazano bowiem, że wykazują działanie hamujące wzrost patogennych szczepów bakterii, szczególnie Listeria monocytogenes. W mniejszym stopniu, ale wciąż, hamowały także wzrost bakterii Salmonella, Shigella, Escherichia coli oraz Pseudomonas [22]. Są to obiecujące doniesienia, zwłaszcza w celu zmniejszenia używania w żywności sztucznych konserwantów, na rzecz bakterii lub ich metabolitów.

Kwas mlekowy w kosmetologii

Kwasu mlekowego w celach kosmetycznych używała już Kleopatra w starożytnym Egipcie. Jej cotygodniowe kąpiele w mleku miały pozwolić jej zachować piękno, młodość i sprężystość skóry na długo. Wprawdzie wówczas nie było to udowodnione badaniami, ale aktualnie – ponad 2 tysiące lat później – wiemy, że nie były to działania kompletnie pozbawione sensu.

Kwas mlekowy wykazuje wielokierunkowe działanie w kontekście poprawy jakości skóry. Wspomaga łuszczenie się powierzchownych części naskórka, pobudza aktywność komórek odpowiedzialnych za produkcję naturalnego kolagenu i elastyny, zwiększając sprężystość skóry [23]. W zależności od stężenia zastosowanego kwasu może on wykazywać działanie tylko na naskórek (przy niższym stężeniu) lub na naskórek i skórę właściwą (przy stężeniu wyższym). W badaniach eksperymentalnych zaobserwowano poprawę jędrności i grubości naskórka i skóry właściwej, a także wygładzenie i zmniejszenie widoczności zmarszczek [24,25].

Dodatkowo, kwas mlekowy odgrywa istotną rolę w przywracaniu zrównoważonego kolorytu cerze. Dzięki wpływowi na rozłożenie pigmentu – melaniny – odpowiada za rozjaśnienie brązowych plam oraz przebarwień i pozostawienie skóry świetlistej [23]. Używany jest także w nieco bardziej zaawansowanych terapiach mających na celu leczenie trądziku oraz blizn potrądzikowych. Umożliwia bowiem szybszą regenerację cery trądzikowej. Badania wykazały także, że terapia kwasem mlekowym nie wywołuje efektów ubocznych, może zatem być bezpiecznie stosowana [26].

Właściwości kwasu mlekowego jako regulatora pH mogą być także wykorzystywane do poprawy kondycji włosów. Wiele detergentów, kosmetyków oraz zabiegów fryzjerskich powoduje zmianę pH włosa na zasadowe, co wykazuje bardzo niekorzystne działanie. Włosy wówczas zaczynają się puszyć i niszczy się struktura ich łuski. Przywrócenie kwasowego pH umożliwia wygładzenie włosów, ich wzmocnienie i nadanie zdrowego błysku [27]. Z tego względu jest on często stosowany w szamponach, odżywkach i maskach do włosów.

Podsumowanie

Kwas mlekowy jest interesującą substancją chemiczną. Może być on zarówno produkowany w organizmie człowieka, przez bakterie kwasu mlekowego, jak i być uzyskiwany na drodze syntezy chemicznej. Ten endogenny, produkowany przez nasz ustrój, powstaje zarówno w warunkach naturalnych, jak i patologicznych – na przykład podczas rozwoju choroby nowotworowej. Odgrywa on istotną rolę w utrzymaniu homeostazy, a z drugiej strony, sprzyja tworzeniu się przerzutów rakowych.

Z kolei kwas mlekowy powstający poza organizmem człowieka, znajduje wiele zastosowań w przemyśle żywnościowym, farmaceutycznym oraz kosmetycznym. Stosowany w ten sposób wywołuje korzystne efekty na nasze zdrowie – poprawiając jakość naszego mikrobiomu jelitowego lub jakość skóry. Pozwala także zwiększyć trwałość żywności. Reasumując, nie ma co bać się kwasu mlekowego – jest on raczej naszym sprzymierzeńcem, niż wrogiem.

Bibliografia:

1. Sales, M.M. i in. (2019). An integrative perspective of the anaerobic threshold. Physiology & Behavior, 205, 29-32.
2. Brooks, G.A. (2018). The Science and Translation of Lactate Shuttle Theory. Cell Metabolism 27(4), 757-785.
3. Proia, P., Di Liegro, C.M., Schiera, G., Fricano, A., Di Liegro, I. (2016). Lactate as metabolite and a regulator in the central nervous system. International Journal of Molecular Sciences 17(9), 1450.
4. Brooks, G.A. (2020). Lactate as a fulcrum of metabolism. Redox Biology, 35.
5. Wan, J.-J., Qin, Z., Wang, P.-Y., Sun, Y., Liu, X. (2017). Muscle fatigue: general understanding and treatment. Experimental & Molecular Medicine, 49(10).
6. Bangsbo, J., Hostrup, M. (2019). Lactate production contributes to development of fatigue during intense exercise in humans. Ugeskrift for Læger 181(8).
7. Westerblad, H., Allen, D.G., Lännergren, J. (2002). Muscle fatigue: lactic acid or inorganic phosphate the major cause? News in Physiological Sciences 17, 17-21.
8. Kanda, K. i in. (2013). Eccentric exercise-induced delayed onset muscle soreness and changes in markers of muscle damage and inflammation. Exercise Immunology Review 19, 72-85.
9. Sonkodi, B., Berkes, I., Koltai, E. (2020). Have we looked in the wrong direction for more than 100 years? Delayed onset muscle soreness is, in fact, neural microdamage rather than muscle damage. 9(3), 212.
10. Lee, S., i in. (2020). The effect of short-term creatine intake on blood lactic acid and muscle fatigue measured by accelerometer-based tremor response to acute resistance exercise. Physical Activity and Nutrition 24(1), 29-36.
11. Sun, S., Li, H., Chen, J., Q,Q. (2017). Lactic Acid: No longer an inert and end-product of glycolysis. Physiology 32, 453-463.
12. Witkin, S.S. (2017). Lactic acid alleviates stress: good for female genital tract homeostasis, bad for protection against malignancy. Cell Stress & Chaperones 23(3), 297-302.
13. Wang, J.X. i in. (2020). Lactic acid and Acidic Tumor Microenvironment supress Anticancer Immunity. International Journal of Molecular Sciences 21(21), 8363.
14. Andersen, L.W. i in. (2013). Etiology and therapeutic approach to elevated lactate. Mayo Clinic Proceedings 88(10), 1127-1140.
15. Vincent, J.-L., Quintairos e Silva, A., Couto Jr., L., Taccone, F.S. (2016). The value of blood lactate kinetics in critically ill patients: a systematic review. Critical Care 20, 257.
16. Mathur, H., Beresford, T.P., Cotter, P.D. (2020). Health Benefits of Lactic Acid Bacteria (LAB) Fermentates. Nutrients 12(6), 1679.
17. Touret, T., Oliveira, M., Semedo-Lemsaddek, T. (2018). Putative probiotic lactic acid bacteria isolated from sauerkraut fermentations. PLoS One 13(9).
18. S. Department of Agriculture (2015). Agricultural Marketing Service. Lactic Acid. Technical Evaluation Report.
19. World Health Organization (2001). Evaluations of the Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives (JECFA). Lactic Acid.
20. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1333/2008 w sprawie dodatków do żywności, 16 grudnia 2008 r.
21. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1129/2011 z dnia 11 listopada 2011 r. zmieniające załącznik II do rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1333/2008 poprzez ustanowienie unijnego wykazu dodatków do żywności
22. Zielińska, D., Łepecka, A., Ołdak, A., Długosz, E., Kołożyn-Krajewska, D. (2021). Growth and adhesion inhibition of pathogenic bacteria by live and heat-killed food-origin Lactobacillus strains or their supernatants. FEMS Microbiology Letters 368(5)
23. Ata, R. i in. (2015). Lactic acid applications in pharmaceutical and cosmeceutical industries. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research 7(10), 729-735.
24. Smith, W.P. (1996). Epidermal and dermal effects of topical lactic acid. Clinical and Laboratory Study 35(3), 388-391.
25. Palm, M.D., Woodhall, K.E., Butterwick, K.J., Goldman, M.P. (2010). Cosmetic Use of Poly-L-Lactic Acid: A Retrospective Study od 130 Patients. Dermatologic Surgery 36(2), 161-170.
26. Beer, K. (2007). A single-center, open-label study on the use of injectable Poly-L-Lactic acid for the treatment of moderate to severe scarring from acne or varicella. Dermatologic Surgery 33(2), 159-167.
27. Mandnani, N., Khan, K. (2013). Hair cosmetics. Indian Journal of Dermatology, Venereology and Leprology 79, 654-667.