檸檬酸，英文名（Citric acid），又名枸酸，分子式為C?H?O?，屬于天然有機(jī)酸，廣泛存在于柑橘屬果實(shí)或者寒香蜜葡萄、鹽水鳳梨、梅、梨、桃等果實(shí)中，也是動(dòng)物體代謝產(chǎn)物之一。無色晶體，無臭，易溶于水，微溶于乙醚，不溶于苯、甲苯、四氯化碳等有機(jī)溶劑，有很強(qiáng)的酸味，加熱易分解、具有金屬合能力。檸檬酸在工業(yè)上常采用微生物發(fā)酵法來制取，是食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的有機(jī)酸之一。此外，檸檬酸也作為重要中間產(chǎn)物參與了檸檬酸循環(huán)過程，從而使得該循環(huán)成為生物體最為重要的代謝循環(huán)之一。
歷史
1784年，瑞典化學(xué)家卡爾·舍勒（Scheel）首次從檸檬汁中提出檸檬酸并結(jié)晶出固體檸檬酸。而后在1838年，德國化學(xué)家李比希（Liebig）鑒別檸檬酸為帶有一個(gè)羥基的三元酸。
在1860年，意大利開發(fā)了在果汁中添加石灰乳的辦法得到檸檬酸的方法，并開始推行工業(yè)化生產(chǎn)，此后該法逐漸推廣，到1880年，美、法、德等國也實(shí)現(xiàn)了利用果汁生產(chǎn)檸檬酸的工業(yè)化方法。直到20世紀(jì)初，從果汁中提取檸檬酸的一直是工業(yè)化生產(chǎn)檸檬酸的主要方法，然而，該法產(chǎn)量很低。
直至1893年，德國微生物學(xué)者韋默（Wehmer）發(fā)現(xiàn)一種青霉菌能夠產(chǎn)檸檬酸，但因菌種易退化、易感染雜菌，導(dǎo)致該法在1903 年經(jīng)過試生產(chǎn)后便停止。雖然青霉菌產(chǎn)檸檬酸并未全面工業(yè)化生產(chǎn)，但該法為后來者提供了利用霉菌生產(chǎn)檸檬酸的思路。到1913年時(shí)，Zahorski首次篩選出黑曲霉為發(fā)酵微生物來生產(chǎn)檸檬酸。該法的突破性發(fā)展則是在1916年，Currie從大量菌株中分離獲得黑曲霉，制備了大量檸檬酸，并發(fā)現(xiàn)低pH和高底物濃度條件是產(chǎn)生大量檸檬酸的重要原因，為檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
黑曲霉法的首次正式工業(yè)化生產(chǎn)是比利時(shí)一家工廠在1919年實(shí)現(xiàn)的，該廠首次使用黑曲霉淺盤法成功工業(yè)化生產(chǎn)了大量檸檬酸。隨后在1923年，美國 輝瑞公司 公司也采用黑曲淺盤發(fā)酵法成功工業(yè)化生產(chǎn)檸檬酸。此后，黑曲霉發(fā)酵法被世界各國相繼采用，在1951年，世界檸檬酸年產(chǎn)量達(dá)到25000噸左右。但是到了1952年，美國Miles公司率先使用深層發(fā)酵法大規(guī)模生產(chǎn)檸檬酸后，該法便逐漸替代淺層發(fā)酵法成為主流。1977年，Lever Brothers公司獲得了化學(xué)合成檸檬酸的專利，從而推動(dòng)世界檸檬酸工業(yè)的迅速發(fā)展。
而檸檬酸不僅僅只是工業(yè)生產(chǎn)，生物體內(nèi)也會(huì)有檸檬酸的生成，該過程為檸檬酸循環(huán)，由生物化學(xué)家漢斯·克雷布斯提出，該項(xiàng)成就也使得他在1953年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。2018年，檸檬酸全球產(chǎn)量超過200萬噸。
分布
檸檬酸因最初來自檸檬而得名。廣泛存在于柑橘屬果實(shí)及葡萄、醋栗、覆盆子、鹽水鳳梨、梅、梨、桃等果實(shí)中，尤以未成熟的果實(shí)居多，其中，檸檬酸在未成熟的檸檬中含量可達(dá)6%。此外，在煙葉和菜豆葉等一些植物的葉子里也含有檸檬酸。檸檬酸也能以游離狀態(tài)或以金屬鹽的形式存在于動(dòng)物的骨骼、肌肉、血液、乳汁、唾液、汗和尿中，是主要代謝產(chǎn)物之一。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
檸檬酸為無色透明或半透明晶體，或（微）粒狀粉末，無臭，有強(qiáng)烈酸味。檸檬酸的結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在羥基和羧基，因此在水中溶解性非常好。在一些有機(jī)溶劑中，它可溶于乙醇，微溶于乙醚，不溶于苯、甲苯、四氯化碳。檸檬酸晶體可由較高溫度（>36.6℃）的水溶液中結(jié)晶析出的。其晶體形態(tài)為單斜晶系的棱柱形-雙棱錐體。
化學(xué)性質(zhì)
檸檬酸是帶有一個(gè)羥基的三元羧酸，學(xué)名為2-羥基丙烷[wán]三酸、2-羥基丙烷-1，2，3-三酸，具有酸的通性。此外，其分子結(jié)構(gòu)中存在羥基和羧基連接于一個(gè)碳原子，且羥基處于α位，因此檸檬酸也屬于α-羥基酸。檸檬酸的化學(xué)性質(zhì)還包括：在15℃時(shí)，可溶解于無水乙醇，溶解度為每100份乙醇中含76份檸檬酸，且能與乙醇發(fā)生酯化反應(yīng)生成檸檬酸乙酯；當(dāng)溫度超過175℃時(shí)，會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，釋放出二氧化碳；在pH約為7的生物體系中，主要以檸檬酸根離子（C?H?O?3?）和檸檬酸單氫根離子（C?H?O?2?）兩種形式存在。
酸性
一分子的檸檬酸具有三個(gè)羧酸，因此可經(jīng)過三步電離電離出3個(gè)H?而具有酸性（電離方程式和電離常數(shù)如下所示），可以使得藍(lán)色石蕊試紙變紅。。檸檬酸具有酸味純正，溫和芳香的特點(diǎn)，是最可口的有機(jī)酸。此外，檸檬酸也能和多種香料混合產(chǎn)生清爽的酸味。
與金屬螯合
檸檬酸結(jié)構(gòu)中具有三個(gè)羧基，羧基上的氧原子又都含有孤對(duì)電子，因此它具有強(qiáng)螯合作用，可以螯合金屬離子形成穩(wěn)定的螯合物。
與堿反應(yīng)
檸檬酸不僅可以和堿發(fā)生酸堿中和反應(yīng)生成鹽類物質(zhì)和水，還可以在堿液中煮沸得到丙烯酸（C?H?O?）。檸檬酸也可與碳酸鉀（K?CO?）或氫氧化鉀（KOH）或硝酸共熔得到草酸和醋酸或其他鹽類。檸檬酸與鈉鹽（NaCl）加生石灰干餾可得到丙酮。此外，檸檬酸也能與堿或鹽組成pH范圍較大的中和劑。
與酸反應(yīng)
在常溫下，檸檬酸和發(fā)煙硫酸混合反應(yīng)即可得到烏頭酸，微熱后則生成 3-α-酮戊二酸。在溫度為40 ℃下，檸檬酸和硫酸反應(yīng)可產(chǎn)生丙、CO?、CO等，當(dāng)溫度升至150 ℃ ，則可生成烏頭酸酐，進(jìn)一步加熱至200 ℃時(shí)，則生成雙康酸 （C?H??O?）及CO、CO?等。
當(dāng)與檸檬酸相混合的硫酸濃度不同時(shí)會(huì)得到不同的產(chǎn)物，當(dāng)與濃度低于94%的硫酸混合時(shí)，低溫下會(huì)生成 3-酮戊二酸；當(dāng)與濃度低于60%的硫酸混合時(shí)，加熱時(shí)生成烏頭酸。
檸檬酸與1份酸及2份硫酸反應(yīng)生成硝酸C?H?(ONO?）(COOH)?。
受熱分解
檸檬酸受熱可以分解成多種產(chǎn)物，各產(chǎn)物之間可相互轉(zhuǎn)化。
與甘油作用
檸檬酸與甘油混合干餾可得到丙酮、CO、CO?和甘油內(nèi)醚丙酮酸。當(dāng)檸檬酸與甘油混合共熱至 100 ℃，可生成玻璃狀物質(zhì)檸檬酸甘油酯。當(dāng)溫度加熱至170 ℃時(shí)且甘油用量較多時(shí)，產(chǎn)物可得香茅屬二甘油 (C?H??O??)。
一份檸檬酸與三份甘油共熱時(shí)可反應(yīng)生成檸檬酸三甘油酯。當(dāng)調(diào)整反應(yīng)當(dāng)量比時(shí)，產(chǎn)物呈現(xiàn)膠狀或者固體狀的沒藥樹狀物質(zhì)，有的不溶于水，也有的溶于水。
其他反應(yīng)
檸檬酸溶于氯化鈉濃溶液中與氯作用生成六氯丙酮及三氯甲烷。100 ℃時(shí)，檸檬酸與高錳酸鉀（KMnO?）反應(yīng)生成3-α-酮戊二酸及 CO?，在60 ℃時(shí)不生成丙酮，僅有甲醛與CO?，在35 ℃以上時(shí)生成酸，其中氧化生成的3-酮戊二酸與溴反應(yīng)生成五溴丙酮沉淀，可作為定性或者定量檸檬酸的方法。此外，檸檬酸在日光下還能被高鐵離子氧化為丙酮、水及 CO?。對(duì)于檸檬酸水溶液來說，滴加數(shù)滴 15%TiCl?溶液后，在常溫下無反應(yīng)，煮沸會(huì)產(chǎn)生白色沉淀。
同分異構(gòu)
檸檬酸：檸檬酸還與異檸檬酸互為同分異構(gòu)體。其中，檸檬酸是叔醇，不易氧化。而異檸檬酸是仲醇，容易氧化。異檸檬酸是三羧酸循環(huán)途徑中的中間產(chǎn)物。用酵母菌發(fā)酵檸檬酸會(huì)產(chǎn)生大量的異檸檬酸，可通過誘變手段選育出只生成極少量的異檸檬酸的突變株。
生物作用
檸檬酸主要在生物體中的參與過程是檸檬酸循環(huán)。檸檬酸循環(huán)又稱為三羧酸循環(huán)或 krebs 循環(huán)，因該循環(huán)中第一個(gè)中間產(chǎn)物是檸檬酸，而檸檬酸是有三個(gè)羧基的羧酸，因此被發(fā)現(xiàn)者生物化學(xué)家克雷布斯所命名，該項(xiàng)成就也使得他在1953年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
檸檬酸循環(huán)普遍存在于動(dòng)物、植物和微生物細(xì)胞中，這一過程中的一系列酶促反應(yīng)的場所均為線粒體基質(zhì)。其反應(yīng)過程如下：當(dāng)細(xì)胞處于有氧條件下的時(shí)候，糖酵解過程產(chǎn)生的丙酮酸會(huì)進(jìn)入線粒體中并被降解為乙 CoA，然后與四碳化合物草酰乙酸反應(yīng)形成檸檬酸，這便是該循環(huán)的起始步驟。檸檬酸經(jīng)過2步異構(gòu)化反應(yīng)得到異檸檬酸，然后經(jīng)進(jìn)一步氧化為6碳化合物草酰琥珀酸，再脫羧會(huì)形成五碳化合物α-酮戊二酸。然后，α-酮戊二酸再經(jīng)歷氧化脫羧會(huì)得到四碳化合物琥珀酰輔酶A。此后，琥珀酰-CoA經(jīng)歷四次轉(zhuǎn)化，最后重新形成草酰乙酸，從而完成檸檬酸循環(huán)。其中，過程中脫去的羧基形成 CO?，氫原子則隨著載體（NAD+、FAD）進(jìn)入電子傳遞鏈后被氧化和磷酸化后得到水分子并釋放出能量形成ATP。
因此，檸檬酸循環(huán)可與糖酵解共同構(gòu)成糖的有氧氧化途徑，成為生物機(jī)體分解糖類氧化其他物質(zhì)并獲得能量的主要途徑。此外，檸檬酸酸循環(huán)也是糖、脂肪和蛋白質(zhì)等物質(zhì)代謝和轉(zhuǎn)化的樞紐。另一方面，該循環(huán)中產(chǎn)生乙酰 CoA 、草酰乙酸、α-酮戊二酸、檸檬酸、琥珀酸 CoA 和延胡索酸等中間產(chǎn)物也是合成糖、脂肪酸、和氨基酸和卟啉等的原料和碳骨架，從而成為各種物質(zhì)代謝的樞紐。
工業(yè)生產(chǎn)檸檬酸
發(fā)酵法生產(chǎn)
原料
工業(yè)上生產(chǎn)檸檬酸主要依靠微生物發(fā)酵法。其中，發(fā)酵原料主要為糖類和正烷烴。糖類在自然界分布十分廣泛，可分為薯類、谷類、淀粉、淀粉糖。正烷烴原料可以是10~20碳鏈的石油餾出物。
發(fā)酵菌
產(chǎn)生檸檬酸的微生物有很多，例如黑曲霉、棒曲霉、淡黃青霉、橘青霉、綠色木霉及假絲酵母屬中的一些種。工業(yè)生產(chǎn)上，原料不同，對(duì)應(yīng)使用的微生物也會(huì)不同。其中，黑曲霉是食品級(jí)安全的褐腐菌，具有酶系豐富、發(fā)酵效率高、副產(chǎn)物少等優(yōu)勢(shì)，是工業(yè)生產(chǎn)檸檬酸的最重要的菌種。
發(fā)酵工藝
微生物發(fā)酵產(chǎn)檸檬酸是一個(gè)好氧發(fā)酵過程，因此存在發(fā)酵工藝有深層法、表面法、固體法、半固體法、生化反應(yīng)器法。深層法是將氧氣通入到液相中，使微生物利用溶解氧來發(fā)酵，表面和固體法是微生物利用環(huán)境中氣相氧來發(fā)酵。其中，已經(jīng)工業(yè)化的方法為表面法和深層法，但是表面法存在生成效率低下和勞動(dòng)強(qiáng)度大的缺陷，因此，工業(yè)生產(chǎn)檸檬酸最先進(jìn)的是深層法。
為得到高質(zhì)量高產(chǎn)量的檸檬酸，在發(fā)酵過程中還得注意控制適宜的微生物發(fā)酵溫度（35~37 ℃）、黑曲霉的生長pH（約4.5）以及適量的溶解氧度。
發(fā)酵機(jī)理
黑曲霉利用糖類發(fā)酵生成檸檬酸的發(fā)酵機(jī)理是： 葡萄糖經(jīng)糖酵解途徑（EMP）、戊糖磷酸途徑(HMP) 途徑分解轉(zhuǎn)化為丙酮酸，丙酮酸一部分氧化脫羧得到乙酰輔酶A（乙酰CoA），另一部分與CO?反應(yīng)生成草酰乙酸，生成的草酰乙酸與乙酰CoA 縮合生成檸檬酸并進(jìn)入檸檬酸循環(huán)，并通過該循環(huán)不斷累積檸檬酸。
提取方法
經(jīng)過微生物發(fā)酵后，發(fā)酵液除含有檸檬酸和水，還包括發(fā)酵過程殘存的其他雜質(zhì)，因此，需要利用提取手段從混合物中分離提取出檸檬酸產(chǎn)品。常見的提取方法有：鈣鹽交換法、萃取法、離子交換法、色譜分離法、電滲析法。
應(yīng)用領(lǐng)域
食品工業(yè)
在飲料和釀酒領(lǐng)域，添加檸檬酸不僅能增加飲品的水果味，而且還可以增強(qiáng)飲品的增溶、緩沖等效果。檸檬酸還可交融協(xié)調(diào)色素、香氣、糖分等組分，形成調(diào)和的口味和香氣。檸檬酸作為第一食用酸味劑，具有酸味柔和的特點(diǎn)，廣泛用于汽水、果汁、水果罐頭等。在果醬和果凍的生產(chǎn)中，檸檬酸可用于調(diào)節(jié)產(chǎn)品pH到果膠凝結(jié)的窄范圍并賦予產(chǎn)品酸味。在糖果生產(chǎn)中，還可以改進(jìn)風(fēng)味和防止蔗糖結(jié)晶析出。
此外，檸檬酸除了能夠調(diào)節(jié)食品風(fēng)味外，還可以增加食品的抗氧化性和穩(wěn)定性，例如提高冷凍食品的穩(wěn)定性，防止脂肪、油還有腌制品類食品變質(zhì)、發(fā)臭等，若和檸檬酸鈉并用也可增加冰激凌和酸奶的乳化穩(wěn)定性。
在醫(yī)藥，美容化妝品上的應(yīng)用
在醫(yī)藥行業(yè)，檸檬酸可作發(fā)泡劑，與碳酸鈉水溶液共同反應(yīng)產(chǎn)生大量 CO?（泡騰），使藥物中的活性配料能夠快速溶解并改善味覺效果。
在美容化妝領(lǐng)域里，檸檬酸屬于果酸的一種，可以加快皮膚角質(zhì)更新，是乳液、乳霜、洗發(fā)精的配料之一；在發(fā)蠟的制備過程中，作為金屬離子合劑，可增強(qiáng)發(fā)蠟的防腐作用。
在化學(xué)清洗上的應(yīng)用
檸檬酸可作為高效清洗劑，能有效除去金屬表面的氧化物，常常被應(yīng)用于清洗金屬表面的鈣、鎂、鐵、鉻、銅等污垢。此外，檸檬酸也可以作為助洗劑來改善洗滌劑的性能，達(dá)到迅速沉淀金屬離子、保持洗滌必要的堿性、污垢和灰分散和懸浮的效果，使得污漬從洗滌物上脫離。
在動(dòng)物生產(chǎn)上的應(yīng)用
在動(dòng)物飼料中添加檸檬酸可提高飼料的適口性，激發(fā)動(dòng)物食欲的味蕾細(xì)胞，進(jìn)而增強(qiáng)動(dòng)物的采食量，并促進(jìn)對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收能力，食入的檸檬酸也會(huì)抑制動(dòng)物腸道內(nèi)的細(xì)菌生長從而保持動(dòng)物腸道菌群健康；檸檬酸還能作為飼料的防霉劑和抗氧化劑，抑制有害微生物的生長和毒素的產(chǎn)生，提高抗氧化效果， 阻止或延緩飼料氧化， 延長飼料的保質(zhì)期。
其他
檸檬酸可作為混凝土緩凝劑，延長混凝土凝結(jié)時(shí)間，防止龜裂；在電鍍中，檸檬酸在鍍、鉻、金等領(lǐng)域穩(wěn)定電鍍過程，因此可用作電鍍緩沖劑和絡(luò)合劑；檸檬酸可作為螯合劑用于乙烯聚合改良橡膠生產(chǎn)。當(dāng)檸檬酸作為聚丙烯塑料的發(fā)泡劑時(shí)，具有發(fā)泡均勻，缺陷少的優(yōu)勢(shì)；檸檬酸可作為衛(wèi)生襯紙的pH調(diào)節(jié)劑，調(diào)節(jié)生產(chǎn)環(huán)境從而降低原料用量；檸檬酸也可作為生產(chǎn)塑料膜增塑劑的酯類物質(zhì)（三乙酯，丁酯和乙酰三丁酯）的合成原料；在煙道氣中去除二氧化硫的工藝中，檸檬酸絡(luò)合離子可與硫化氫反應(yīng)生成硫和檸檬酸鹽來達(dá)到去除有害氣體的作用。
安全事宜
檸檬酸是人體中檸檬酸循環(huán)的重要中間體，毒性小。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織世界衛(wèi)生組織(FAO/WHO)(1994) 對(duì)檸檬酸的ADI不作限制性規(guī)定，美國食品和藥物管理局 (美國食品藥品監(jiān)督管理局)及美國食用香料制造者協(xié)會(huì) (FEMA)將檸檬酸列為一般公認(rèn)為安全品(GRAS)。
雖然檸檬酸在人體內(nèi)無累積作用，但多次內(nèi)服大量含高度檸檬酸的飲料，可腐蝕牙琺瑯質(zhì)。因此檸檬酸在食品中不應(yīng)過量，應(yīng)取一個(gè)適中值：例如在各類飲料中的用量一般為1.2~1.5 g/kg，濃縮果汁為1~3 g/kg；在一些水果蔬菜調(diào)味中，例如，鮮蘑菇、芹菜罐頭頂煮液的檸檬酸的用量為0.7~1 g/kg；在水果硬糖中的檸檬酸用量為4~14 g/kg；水果味冰棍雪糕的用量為0.5~0.65 g/kg。
參考資料 >
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