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物理性質

外觀為白色晶狀體或白色透明細粉，略有特殊腥味。極易溶于水、乙醇、甲醇，微溶于丙酮，不溶于乙醚、苯、三氯甲烷、乙酸乙酯  。極易吸潮，暴露在空氣中會潮解甚至可能液化。可在pH值3～6的溶液中放置1年以上，能耐200℃以上的高溫，它的組合鍵和結合團具有較好的溶水性和吸水性。

比旋光度：-30±1°（濃度：1.0 g/100 mL；溶劑：水；光的波長：589.3 nm；溫度：23℃）

燃燒熱（KJ/mol）：39.8

油水（辛醇/水）分配系數的對數值：4.47

化學性質

左旋肉堿屬于兩性離子，當pH為中性時，左旋肉堿以內酯的形式存在，穩定性較好 。與普通的氨基酸不同，左旋肉堿不帶胺基，而是攜帶一個帶正電季銨基團，不受pH條件影響，而且螯合過程不僅可以發生在其羧基上形成四元環，還能發生在羥基和羧基上形成六元環，因此它可以與許多金屬離子形成多種穩定的螯合物，例如銅、鋅、錳鎂、鈣等，可能的結構如下圖所示，實際使用時，由于左旋肉堿的吸濕性強，在室溫下容易結塊，通常會制備成利用該原理，將左旋肉堿制備成為非吸濕性的鹽，例如L-肉堿酒石酸 、L-肉堿富馬酸酯  和乙酰L-肉堿半乳糖酸酯的鈣、鎂鹽，現也有研究合成為L-肉堿乳清酸鹽 等，方便儲存運輸以及包裝使用。