Βιταμίνη C

Το χρονικό της ανακάλυψης του ασκορβικού οξέος

Ήδη από τα μέσα του 18ου αιώνα είχε παρατηρηθεί ότι η λεμονάδα προστάτευε τους ναυτικούς από το σκορβούτο. Αυτή η ευεργετική δράση του λεμονιού αρχικά αποδόθηκε στα οξέα του. Γρήγορα όμως νέες παρατηρήσεις οδήγησαν στη διαπίστωση ότι άλλα όξινα τρόφιμα π.χ. το ξύδι δεν είχαν την ίδια προστατευτική δράση. Το 1907 δύο Νορβηγοί ιατροί απομόνωσαν την χημική ουσία που ήταν υπεύθυνη για την ασθένεια Beri-Beri. H μελέτη τους βασίστηκε πάνω σε ένα νέο μοντέλο ζώου, το ινδικό χοιρίδιο, το οποίο μπορούσε να νοσήσει από σκορβούτο. Σύντομα βρέθηκε η υπεύθυνη ουσία η οποία ονομάστηκε «βιταμίνη C».
Η ανακάλυψη της χημικής δομής της βιταμίνης C αποδίδεται σε μία ουγγρική ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον  Albert Szent-Gyorgy ο οποίος μαζί με τον Charles Glen King, απομόνωσαν τον αντισκορβουτικό παράγοντα.  Το 1931 ο Albert Szent - Gyorgyi  απομόνωσε το χημικό εξουρικό οξύ από επινεφρίδια ζώων στην κλινική Mayo το οποίο ο ίδιος συσχέτισε με την βιταμίνη C  στις αρχές του 1932. Τον ίδιο χρόνο η ομάδα του Szent-Gyorgyi ανακάλυψε ότι η πάπρικα, ένα κοινό μπαχαρικό στην ουγγρική διατροφή, είναι πλούσια πηγή εξουρονικού  οξέος, και έτσι έστειλε για περαιτέρω αναλύσεις μερικές από τις απομονωθέντες χημικές ουσίες στον Βρετανό χημικό Walter Norman Haworth. Το 1932, ο Haworth  σε συνεργασία με τον Edmund Hirst ανακάλυψε τη χημική δομή και την οπτικοϊσομερή φύση της βιταμίνης C, και το 1934 αναφέρθηκε η πρώτη σύνθεση της. Προς τιμήν των αντισκορβουτικών ιδιοτήτων της χημικής ένωσης, ο Haworth και ο Szent-Gyorgyi πρότειναν ένα νέο όνομα για την ένωση αυτήν: ασκορβικό οξύ. Αργότερα, οι ίδιοι επιστήμονες ονόμασαν το μόριο αυτό L-ασκορβικό οξύ, με βάση την οπτική του ισομέρεια. 
Το 1937, απονεμήθηκε στον Norman Haworth το βραβείο Νόμπελ για τη χημεία για την εργασία του στον καθορισμό της δομής του ασκορβικού οξέος (από κοινού με τον Paul Karrer, ο οποίος έλαβε το βραβείο για το έργο του σχετικά με τις βιταμίνες). Την ίδια χρονιά απονεμήθηκε στον Albert Szent-Gyorgyi το Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής για τις μελέτες του για τις βιολογικές λειτουργίες του L-ασκορβικού οξέος. Το αρχικό της όνομα εξουρονικό οξύ (1920) γρήγορα άλλαξε σε L-ασκορβικό οξύ από τους Haworth και Szent-Gyorgyi. Την δεκαετία του 1950 η βιταμίνη C χρησιμοποιήθηκε από τον Αμερικανό γιατρό Fred R. Klenner στη θεραπεία πολλών ασθενειών χρησιμοποιώντας υψηλές δόσεις. Από το 1967 ο νομπελίστας Linus Pauling συνιστούσε υψηλές δόσεις ασκορβικού οξέος (ο ίδιος έπαιρνε 18 γραμμάρια ημερησίως) ως πρόληψη κατά του κρύου και του καρκίνου. Τα αποτελέσματα του  Klenner είναι αμφιλεγόμενα μέχρι σήμερα, δεδομένου ότι οι έρευνες του δεν πληρούν μεθοδολογικά τις σύγχρονες προδιαγραφές.

Οι χημικές αντιδράσεις του ασκορβικού οξέος

Το ασκορβικό οξύ μοιάζει με τη γλυκόζη, από την οποία προέρχεται. Σχηματίζει δακτύλιο με μόρια οξυγόνου που ενώνονται με λειτουργικές ομάδες. Το μόριο του είναι σε ισορροπία με δύο κετόνες που είναι λιγότερο σταθερές από την ένολη μορφή. Στα διαλύματα αυτές οι μορφές του ασκορβικού οξέος γρήγορα αλληλομετατρέπονται από την μία μορφή στην άλλη.

O αντιοξειδωτικός μηχανισμός

Ως ήπιο προϊόν μείωσης, το ασκορβικό οξύ κατά την έκθεση του στον αέρα, μειώνει την μετατροπή του οξυγόνου σε νερό. Η οξειδοαναγωγική αυτή αντίδραση επιταχύνεται από την παρουσία μεταλλικών ιόντων και φωτός. Μπορεί να οξειδωθεί από ένα ηλεκτρόνιο σε ρίζες ασκορβικού οξέος ή οξειδώνεται διπλά σε σταθερή μορφή που ονομάζεται δεϋδροασκορβικό οξύ.
Το ασκορβικό οξύ  ενεργεί συνήθως ως αντιοξειδωτικό. Αντιδρά σύμφωνα με τα οξειδωτικά χαρακτηριστικά του οξυγόνου, όπως είναι η ρίζα του υδροξυλίου που σχηματίζεται από το υπεροξείδιο του υδρογόνου. Αυτές οι ρίζες είναι επιζήμιες για τα ζώα και τα φυτά σε μοριακό επίπεδο, λόγω της πιθανής αλληλεπίδρασή τους με τα νουκλεϊκά οξέα, τις πρωτεΐνες και τα  λιπίδια.

Μερικές φορές από αυτές οι ρίζες ξεκινούν αλυσιδωτές αντιδράσεις. Το ασκορβικό οξύ μπορεί να τερματίσει αυτές τις αλυσιδωτές αντιδράσεις με μεταφορά ηλεκτρονίων. Επί αυτού, το ασκορβικό οξύ είναι εξειδικευμένο, διότι μπορεί να μεταφέρει ένα μόνο ηλεκτρόνιο, λόγω της σταθερότητας του ιόντος του που ονομάζεται σεμιδεϋδρασκορβικό.
Η χημική αντίδραση είναι η εξής:
RO• + C₆H₇O⁻₆ → ROH + C₆H₆O₆⁻•   
Οι οξειδωμένες  μορφές  του ασκορβικού οξέος είναι σχετικά αδρανείς, και δεν προκαλούν κυτταρικές  βλάβες. 
Ωστόσο, όντας ένας καλός δότης ηλεκτρονίων, η μεγάλη συγκέντρωση ασκορβικού οξέος   παρουσία των ελευθέρων ιόντων μετάλλων μπορεί να προκαλέσει αντιδράσεις ελευθέρων ριζών, με αποτέλεσμα να είναι μια δυνητικά επικίνδυνη προ-οξειδωτική ουσία σε ορισμένες μεταβολικές καταστάσεις.

Οξύτητα

Το ασκορβικό οξύ συμπεριφέρεται ως καρβοξυλικό οξύ, όπου υπάρχει  ένας διπλός δεσμός ηλεκτρονίων, ένα  μεμονωμένο ζευγάρι υδροξυλίων, και το καρβονύλιο σε ένα συζευγμένο σύστημα. Οι δυο σημαντικές δομές συντονισμού σταθεροποιούν  τη συζευγμένη βάση του ασκορβικού οξέος. Η ομάδα υδροξυλίου στο ασκορβικό οξύ είναι πιο όξινη από τις χαρακτηριστικές ομάδες υδροξυλίου. Με άλλα λόγια, το ασκορβικό οξύ μπορεί να συμπεριφερθεί  ως  μια ενόλη  σταθεροποιημένης μορφής.

Χρήσεις εκτός διατροφής

Το ασκορβικό οξύ οξειδώνεται εύκολα και έτσι χρησιμοποιείται  ως αναγωγικό  στα φωτογραφικά  διαλύματα (μεταξύ άλλων) και ως συντηρητικό. Στη μικροσκόπηση φθορισμού και τις σχετικές τεχνικές βασισμένες στο φθορισμό, το ασκορβικό οξύ μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αντιοξειδωτικό για να αυξήσει το σήμα φθορισμού και για να καθυστερήσει τη κατανάλωση της χρωστικής ουσίας.
Επίσης χρησιμοποιείται για να αφαιρέσει τους διαλυμένους λεκέδες μετάλλων, όπως ο σίδηρος. Το ασκορβικό οξύ χρησιμοποιείται επίσης στις πισίνες και τα  SPA για να μειώσει τα υψηλά επίπεδα χλωρίου και βρωμίου. 
Το ασκοβικό οξύ χρησιμοποιείται επιπλέον στη βιομηχανία πλαστικών για τη συναρμολόγηση μοριακών αλυσίδων πιο γρήγορα και με λιγότερα απόβλητα από τις παραδοσιακές μεθόδους σύνθεσης.

Η σύνθεση του ασκορβικού οξέος στους οργανισμούς

Το ασκορβικό οξύ βρίσκεται στα φυτά, στα ζώα, και στους μονοκύτταρους οργανισμούς, όπου παράγεται από τη γλυκόζη. Όλοι οι οργανισμοί χρησιμοποιούν το ασκορβικό οξύ είτε το συνθέτουν μόνοι τους είτε το προσλαμβάνουν μέσω της τροφής τους, ειδάλλως πεθαίνουν από σκορβούτο λόγω έλλειψης του. Τα ερπετά και τα παλαιότερα  είδη πουλιών δημιουργούν το ασκορβικό οξύ στα νεφρά τους. Τα νεότερα είδη των πουλιών και των περισσότερων θηλαστικών δημιουργούν το ασκορβικό οξύ στο συκώτι τους με τη δράση του ενζύμου οξειδάση λ-γουλουνολακτόζης το οποίο καταλύει τη μετατροπή της γλυκόζης σε ασκορβικό οξύ. Οι άνθρωποι, κάποια άλλα πρωτεύοντα θηλαστικά και τα ινδικά χοιρίδια δεν είναι ικανοί να παρασκευάζουν την οξειδάση της λ- γουλονολακτόζης λόγω μιας γενετικής μεταλλαγής και είναι επομένως ανίκανοι να παρασκευάσουν το ασκορβικό οξύ.

Η παραγωγή του ασκορβικού οξέος στη βιομηχανία

Το ασκορβικό οξύ  συντίθεται από τη γλυκόζη με μία μέθοδο βασισμένη στην ιστορική διαδικασία Reichstein. Στην αρχή της διαδικασίας αυτής, η οποία αποτελείται από πέντε βήματα, η γλυκόζη, μια αλδόζη με πέντε υδροξύλια, καταλύεται υδρογονωμένη σε σορβιτόλη, η οποία οξειδώνεται έπειτα από το ακετοβακτήριο  Suboxydans σε σορβόζη. Μόνο μία από τις έξι υδροξυλομάδες της οξειδώνεται από αυτήν την ενζυμική αντίδραση. Σε αυτό το στάδιο δύο διαδικασίες είναι διαθέσιμες.
Η επεξεργασία του προϊόντος  με την ακετόνη παρουσία ενός όξινου  καταλύτη προστατεύει  τέσσερις από τις ομάδες υδροξυλίου να μετατραπούν σε συνδέσμους ακετάλης. Η μη προστατευμένη  ομάδα υδροξυλίου οξειδώνεται χημικά στο καρβοξυλικό οξύ μέσω της οξειδωτικής αντίδρασης  TEMPO  (προέρχεται από το υποχλωριώδες άλας νατρίου - λύση λεύκανσης). Ιστορικά, η βιομηχανική προετοιμασία μέσω της διεργασίας Reichstein  γινόταν με  την χρήση υπερμαγγανικού καλίου. Η υδρόλυση με το οξύ  εκτελεί  την απομάκρυνση των δύο ομάδων ακετάλης και το κλείσιμο του δακτυλίου της λακτόνης. Αυτό το στάδιο μας αποδίδει το ασκορβικό οξύ. Κάθε ένα από τα πέντε βήματα έχει απόδοση μεγαλύτερη από  90%.

Προσδιορισμός του ασκορβικού οξέος

Ο παραδοσιακός τρόπος να αναλυθεί η περιεκτικότητα σε ασκορβικό οξύ ενός διαλύματος είναι η τιτλοδότηση του με έναν φορέα οξείδωσης. Αρκετές σχετικές διαδικασίες έχουν αναπτυχθεί και βασίζονται στην ιωδομετρία.

Με ιώδιο

Το ιώδιο χρησιμοποιείται με την παρουσία ενός δείκτη αμύλου. Το ιώδιο αντιδρά με το ασκορβικό οξύ και όταν αντιδράσει όλο το ασκορβικό οξύ και  το ιώδιο είναι σε περίσσεια, δημιουργείται ένα μπλε-μαύρο σύμπλοκο με το δείκτη αμύλου. Αυτό δείχνει το σημείο τέλους της τιτλοδότησης.  Εναλλακτικό το ασκορβικό οξύ μπορεί να αντιδράσει με ιώδιο σε περίσσεια για να ακολουθήσει τιτλοδότηση με θειοθειϊκό νάτριο με άμυλο ως δείκτη.

Με ιωδικό  και ιώδιο

Η προαναφερόμενη διαδικασία στην οποία συμμετέχει το ιώδιο απαιτεί την ενοποίηση των διαλυμάτων ιωδίου. Αυτή η ιωδομετρική μέθοδος έχει τροποποιηθεί για να εκμεταλλευτεί την αντίδραση του ασκορβικού οξέος με το ιωδικό και το ιώδιο σε διαλύματα οξέος.

Με Ν-βρωμοβουτανοδιικοϊμίδιο

Ένας πολύ λιγότερο κοινός οξειδωτικός παράγοντας  είναι το Ν-βρωμοβουτανοδιικοϊμιδιο (NBS). Σε αυτήν την τιτλοδότηση, το NBS οξειδώνει το ασκορβικό οξύ παρουσία ιωδιούχου καλίου και αμύλου. Όταν το NBS είναι σε περίσσεια (δηλ. η αντίδραση έχει ολοκληρωθεί), το NBS ελευθερώνει το ιώδιο από το ιωδιούχο κάλιο, το οποίο σχηματίζει ένα μπλε-μαύρο σύμπλοκο με το άμυλο επισημαίνοντας το τέλος της τιτλοδότησης.

Με ιωδομετρικό προσδιορισμό που περιλαμβάνει ηλεκτροχημική μέθοδο

Το διάλυμα ιωδιούχου καλίου παράγει ιώδιο, το οποίο αντιδρά με το ασκορβικό οξύ. Το τέλος της διαδικασίας προσδιορίζεται με ποτενσιομετρική τιτλοδότηση με τρόπο παρόμοιο με τιτλοδότηση Karl Fischer. Το ποσό του ασκορβικού οξέος μπορεί να υπολογιστεί από το νόμο του Faraday.

Προσδιορισμός ασκορβικού οξέος στα ούρα

Η ανίχνευση και η μέτρηση του ασκορβικού οξέος στα ούρα γίνεται με ειδικές ταινίες ούρων. Η ανίχνευση του βασίζεται  στον αποχρωματισμό του αντιδραστηρίου Tillmans (2, 6 διχλωρο-φαινο-ινδοφαινόλη).