Acid fumaric: Một acid hữu cơ đa ứng dụng

Acid fumaric, một acid dicacboxylic, là hợp chất không no do có liên kết đôi cacbon-cacbon trong phân tử. Nó là một hợp chất tinh thể màu trắng có công thức hóa học C4H4O4.

Acid fumaric có thể được sản xuất thông qua một số phương pháp. Điển hình như quá trình đồng phân hóa xúc tác của acid maleic, là một acid dicacboxylic không no. Quá trình này về cơ bản là sắp xếp lại các nguyên tử trong acid maleic để tạo thành acid fumaric. Ngoài ra, acid fumaric cũng có thể được sản xuất bằng cách lên men glucose với một loại nấm cụ thể được gọi là Rhizopus nigricans.

Vai trò sinh học chính của acid fumaric là việc tham gia vào chu trình acid xitric, con đường trao đổi chất thiết yếu trong tế bào. Chu trình này là một loạt các phản ứng hóa học được tất cả các sinh vật hiếu khí sử dụng để tạo ra năng lượng thông qua quá trình oxy hóa acetyl-CoA có nguồn gốc từ carbohydrate, chất béo và protein thành adenosine triphosphate (ATP) và carbon dioxide.

Ở một trong các bước của chu trình này, acid fumaric được tạo ra từ acid succinic nhờ enzym succinate dehydrogenase trong quy trình tạo ra FADH2. Acid fumaric sau đó được chuyển thành acid malic bằng cách bổ sung một phân tử nước trong phản ứng được xúc tác bởi enzyme fumarase.

Acid fumaric và các este của nó, đặc biệt là dimethyl fumarate (DMF), đã được nghiên cứu về  các lợi ích điều trị tiềm năng.

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của este acid fumaric là điều trị bệnh vẩy nến, một bệnh da tự miễn mãn tính. Este acid fumaric hoạt động bằng cách điều chỉnh phản ứng miễn dịch và giảm viêm, mặc dù cơ chế chính xác vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Chúng đã được sử dụng trong các phương pháp điều trị bệnh vẩy nến toàn thân bằng miệng trong nhiều thập kỷ, đặc biệt là ở Đức.

Gần đây, DMF đã được phê duyệt để điều trị các dạng tái phát của bệnh đa xơ cứng (Multiple Sclerosis – MS). DMF có tác dụng bảo vệ các tế bào thần kinh và hạn chế sự tấn công của hệ miễn dịch vào hệ thần kinh, mặc dù cơ chế hoạt động chính xác của nó trong bệnh đa xơ cứng vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng. Các thử nghiệm lâm sàng cho thấy nó có hiệu quả trong việc giảm tỷ lệ tái phát và làm chậm quá trình tàn tật.

Việc sử dụng acid fumaric vượt ra ngoài lĩnh vực hóa sinh và y học. Trong công nghiệp thực phẩm, nó được sử dụng làm phụ gia thực phẩm do vị chua và tính chất bảo quản. Acid fumaric được sử dụng trong đồ uống, bột nở và bánh kẹo, trong số các sản phẩm khác, được gọi là E297 ở Liên minh Châu Âu.

Trong ngành công nghiệp đồ uống, acid fumaric đặc biệt có lợi vì nó ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao, không giống như acid citric và không tạo ra tác dụng làm mát như acid tartaric. Acid fumaric thường được sử dụng trong đồ uống dạng bột và rượu vang.

Trong dinh dưỡng động vật, acid fumaric được sử dụng làm chất acid hóa sử dụng trong thức ăn chăn nuôi để cải thiện quá trình tiêu hóa, bảo vệ chống lại mầm bệnh và nâng cao năng suất tổng thể của vật nuôi.

Acid fumaric và muối của nó thường được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ công nhận là an toàn (GRAS). Tuy nhiên, mặc dù chúng an toàn khi tiêu thụ với số lượng quy định, nhưng ăn quá nhiều hoặc tiếp xúc nhiều có thể dẫn đến một số tác dụng phụ, chẳng hạn như các vấn đề về đường tiêu hóa hoặc kích ứng da.

Este acid fumaric, chẳng hạn như DMF được sử dụng trong y học, có thể gây ra các tác dụng phụ từ đỏ bừng mặt và các vấn đề về đường tiêu hóa đến các vấn đề nghiêm trọng hơn như tổn thương thận và giảm số lượng bạch cầu, cần được các chuyên gia chăm sóc sức khỏe theo dõi thường xuyên.

Từ góc độ môi trường, acid fumaric có khả năng phân hủy sinh học, làm giảm khả năng gây hại cho môi trường. Tuy nhiên, các quy trình sản xuất cần được xem xét kỹ lưỡng về tác động môi trường tiềm ẩn, giống như bất kỳ quy trình sản xuất hóa chất nào khác.

Nhìn về tương lai, có một số ứng dụng tiềm năng cho acid fumaric hiện đang được nghiên cứu. Ngày càng có nhiều mối quan tâm đến việc sử dụng acid fumaric trong sản xuất nhựa polyester không bão hòa dựa trên sinh học, loại nhựa này có thể được sử dụng trong lớp phủ, chất kết dính và các loại polyme khác nhau. Ứng dụng này có thể đóng góp vào các hoạt động sản xuất bền vững và thân thiện với môi trường hơn.

Trong lĩnh vực y tế, trong khi DMF đã được phê duyệt để điều trị bệnh vẩy nến và MS, các nhà nghiên cứu vẫn đang khám phá các ứng dụng tiềm năng của nó trong các lĩnh vực khác, chẳng hạn như các bệnh thoái hóa thần kinh và các loại ung thư cụ thể. Hơn nữa, tiềm năng của acid fumaric và các este của nó để điều chỉnh phản ứng miễn dịch mở ra khả năng nghiên cứu sâu hơn về các bệnh tự miễn dịch và viêm nhiễm.

Acid fumaric là một hợp chất linh hoạt với nhiều ứng dụng, từ vai trò then chốt của nó trong chu trình acid citric trong hóa sinh đến việc sử dụng nó trong thực phẩm, dược phẩm và có khả năng là trong các quy trình sản xuất bền vững. Tính hai mặt của acid fumaric, vừa là một hợp chất đơn giản tham gia vào các quá trình thiết yếu của sự sống, vừa là một tác nhân phức tạp với các ứng dụng chữa bệnh và công nghiệp rộng lớn, là một minh chứng cho tầm quan trọng của nó. Với nghiên cứu đang diễn ra khám phá các ứng dụng tiềm năng của nó trong các lĩnh vực khác nhau, câu chuyện về acid fumaric tiếp tục phát triển.