檸檬酸，英文名（Citric acid），又名枸酸，分子式為C?H?O?，屬于天然有機酸，廣泛存在于柑橘屬果實或者寒香蜜葡萄、鹽水鳳梨、梅、梨、桃等果實中，也是動物體代謝產物之一。無色晶體，無臭，易溶于水，微溶于乙醚，不溶于苯、甲苯、四氯化碳等有機溶劑，有很強的酸味，加熱易分解、具有金屬合能力。檸檬酸在工業上常采用微生物發酵法來制取，是食品、醫藥、化工等領域應用最廣泛的有機酸之一。此外，檸檬酸也作為重要中間產物參與了檸檬酸循環過程，從而使得該循環成為生物體最為重要的代謝循環之一。
歷史
1784年，瑞典化學家卡爾·舍勒（Scheel）首次從檸檬汁中提出檸檬酸并結晶出固體檸檬酸。而后在1838年，德國化學家李比希（Liebig）鑒別檸檬酸為帶有一個羥基的三元酸。
在1860年，意大利開發了在果汁中添加石灰乳的辦法得到檸檬酸的方法，并開始推行工業化生產，此后該法逐漸推廣，到1880年，美、法、德等國也實現了利用果汁生產檸檬酸的工業化方法。直到20世紀初，從果汁中提取檸檬酸的一直是工業化生產檸檬酸的主要方法，然而，該法產量很低。
直至1893年，德國微生物學者韋默（Wehmer）發現一種青霉菌能夠產檸檬酸，但因菌種易退化、易感染雜菌，導致該法在1903 年經過試生產后便停止。雖然青霉菌產檸檬酸并未全面工業化生產，但該法為后來者提供了利用霉菌生產檸檬酸的思路。到1913年時，Zahorski首次篩選出黑曲霉為發酵微生物來生產檸檬酸。該法的突破性發展則是在1916年，Currie從大量菌株中分離獲得黑曲霉，制備了大量檸檬酸，并發現低pH和高底物濃度條件是產生大量檸檬酸的重要原因，為檸檬酸發酵生產工業化生產奠定了基礎。
黑曲霉法的首次正式工業化生產是比利時一家工廠在1919年實現的，該廠首次使用黑曲霉淺盤法成功工業化生產了大量檸檬酸。隨后在1923年，美國 輝瑞公司 公司也采用黑曲淺盤發酵法成功工業化生產檸檬酸。此后，黑曲霉發酵法被世界各國相繼采用，在1951年，世界檸檬酸年產量達到25000噸左右。但是到了1952年，美國Miles公司率先使用深層發酵法大規模生產檸檬酸后，該法便逐漸替代淺層發酵法成為主流。1977年，Lever Brothers公司獲得了化學合成檸檬酸的專利，從而推動世界檸檬酸工業的迅速發展。
而檸檬酸不僅僅只是工業生產，生物體內也會有檸檬酸的生成，該過程為檸檬酸循環，由生物化學家漢斯·克雷布斯提出，該項成就也使得他在1953年獲得了諾貝爾獎。2018年，檸檬酸全球產量超過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及葡萄、醋栗、覆盆子、鹽水鳳梨、梅、梨、桃等果實中，尤以未成熟的果實居多，其中，檸檬酸在未成熟的檸檬中含量可達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或以金屬鹽的形式存在于動物的骨骼、肌肉、血液、乳汁、唾液、汗和尿中，是主要代謝產物之一。
理化性質
物理性質
檸檬酸為無色透明或半透明晶體，或（微）粒狀粉末，無臭，有強烈酸味。檸檬酸的結構中同時存在羥基和羧基，因此在水中溶解性非常好。在一些有機溶劑中，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℃）的水溶液中結晶析出的。其晶體形態為單斜晶系的棱柱形-雙棱錐體。
化學性質
檸檬酸是帶有一個羥基的三元羧酸，學名為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，其分子結構中存在羥基和羧基連接于一個碳原子，且羥基處于α位，因此檸檬酸也屬于α-羥基酸。檸檬酸的化學性質還包括：在15℃時，可溶解于無水乙醇，溶解度為每100份乙醇中含76份檸檬酸，且能與乙醇發生酯化反應生成檸檬酸乙酯；當溫度超過175℃時，會發生分解反應，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羧酸，因此可經過三步電離電離出3個H?而具有酸性（電離方程式和電離常數如下所示），可以使得藍色石蕊試紙變紅。。檸檬酸具有酸味純正，溫和芳香的特點，是最可口的有機酸。此外，檸檬酸也能和多種香料混合產生清爽的酸味。
與金屬螯合
檸檬酸結構中具有三個羧基，羧基上的氧原子又都含有孤對電子，因此它具有強螯合作用，可以螯合金屬離子形成穩定的螯合物。
與堿反應
檸檬酸不僅可以和堿發生酸堿中和反應生成鹽類物質和水，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
在常溫下，檸檬酸和發煙硫酸混合反應即可得到烏頭酸，微熱后則生成 3-α-酮戊二酸。在溫度為40 ℃下，檸檬酸和硫酸反應可產生丙、CO?、CO等，當溫度升至150 ℃ ，則可生成烏頭酸酐，進一步加熱至200 ℃時，則生成雙康酸 （C?H??O?）及CO、CO?等。
當與檸檬酸相混合的硫酸濃度不同時會得到不同的產物，當與濃度低于94%的硫酸混合時，低溫下會生成 3-酮戊二酸；當與濃度低于60%的硫酸混合時，加熱時生成烏頭酸。
檸檬酸與1份酸及2份硫酸反應生成硝酸C?H?(ONO?）(COOH)?。
受熱分解
檸檬酸受熱可以分解成多種產物，各產物之間可相互轉化。
與甘油作用
檸檬酸與甘油混合干餾可得到丙酮、CO、CO?和甘油內醚丙酮酸。當檸檬酸與甘油混合共熱至 100 ℃，可生成玻璃狀物質檸檬酸甘油酯。當溫度加熱至170 ℃時且甘油用量較多時，產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可反應生成檸檬酸三甘油酯。當調整反應當量比時，產物呈現膠狀或者固體狀的沒藥樹狀物質，有的不溶于水，也有的溶于水。
其他反應
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，檸檬酸與高錳酸鉀（KMnO?）反應生成3-α-酮戊二酸及 CO?，在60 ℃時不生成丙酮，僅有甲醛與CO?，在35 ℃以上時生成酸，其中氧化生成的3-酮戊二酸與溴反應生成五溴丙酮沉淀，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?。對于檸檬酸水溶液來說，滴加數滴 15%TiCl?溶液后，在常溫下無反應，煮沸會產生白色沉淀。
同分異構
檸檬酸：檸檬酸還與異檸檬酸互為同分異構體。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途徑中的中間產物。用酵母菌發酵檸檬酸會產生大量的異檸檬酸，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。檸檬酸循環又稱為三羧酸循環或 krebs 循環，因該循環中第一個中間產物是檸檬酸，而檸檬酸是有三個羧基的羧酸，因此被發現者生物化學家克雷布斯所命名，該項成就也使得他在1953年獲得了諾貝爾獎。
檸檬酸循環普遍存在于動物、植物和微生物細胞中，這一過程中的一系列酶促反應的場所均為線粒體基質。其反應過程如下：當細胞處于有氧條件下的時候，糖酵解過程產生的丙酮酸會進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形成檸檬酸，這便是該循環的起始步驟。檸檬酸經過2步異構化反應得到異檸檬酸，然后經進一步氧化為6碳化合物草酰琥珀酸，再脫羧會形成五碳化合物α-酮戊二酸。然后，α-酮戊二酸再經歷氧化脫羧會得到四碳化合物琥珀酰輔酶A。此后，琥珀酰-CoA經歷四次轉化，最后重新形成草酰乙酸，從而完成檸檬酸循環。其中，過程中脫去的羧基形成 CO?，氫原子則隨著載體（NAD+、FAD）進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，檸檬酸循環可與糖酵解共同構成糖的有氧氧化途徑，成為生物機體分解糖類氧化其他物質并獲得能量的主要途徑。此外，檸檬酸酸循環也是糖、脂肪和蛋白質等物質代謝和轉化的樞紐。另一方面，該循環中產生乙酰 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，從而成為各種物質代謝的樞紐。
工業生產檸檬酸
發酵法生產
原料
工業上生產檸檬酸主要依靠微生物發酵法。其中，發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。
發酵菌
產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。工業生產上，原料不同，對應使用的微生物也會不同。其中，黑曲霉是食品級安全的褐腐菌，具有酶系豐富、發酵效率高、副產物少等優勢，是工業生產檸檬酸的最重要的菌種。
發酵工藝
微生物發酵產檸檬酸是一個好氧發酵過程，因此存在發酵工藝有深層法、表面法、固體法、半固體法、生化反應器法。深層法是將氧氣通入到液相中，使微生物利用溶解氧來發酵，表面和固體法是微生物利用環境中氣相氧來發酵。其中，已經工業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強度大的缺陷，因此，工業生產檸檬酸最先進的是深層法。
為得到高質量高產量的檸檬酸，在發酵過程中還得注意控制適宜的微生物發酵溫度（35~37 ℃）、黑曲霉的生長pH（約4.5）以及適量的溶解氧度。
發酵機理
黑曲霉利用糖類發酵生成檸檬酸的發酵機理是： 葡萄糖經糖酵解途徑（EMP）、戊糖磷酸途徑(HMP) 途徑分解轉化為丙酮酸，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入檸檬酸循環，并通過該循環不斷累積檸檬酸。
提取方法
經過微生物發酵后，發酵液除含有檸檬酸和水，還包括發酵過程殘存的其他雜質，因此，需要利用提取手段從混合物中分離提取出檸檬酸產品。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。
應用領域
食品工業
在飲料和釀酒領域，添加檸檬酸不僅能增加飲品的水果味，而且還可以增強飲品的增溶、緩沖等效果。檸檬酸還可交融協調色素、香氣、糖分等組分，形成調和的口味和香氣。檸檬酸作為第一食用酸味劑，具有酸味柔和的特點，廣泛用于汽水、果汁、水果罐頭等。在果醬和果凍的生產中，檸檬酸可用于調節產品pH到果膠凝結的窄范圍并賦予產品酸味。在糖果生產中，還可以改進風味和防止蔗糖結晶析出。
此外，檸檬酸除了能夠調節食品風味外，還可以增加食品的抗氧化性和穩定性，例如提高冷凍食品的穩定性，防止脂肪、油還有腌制品類食品變質、發臭等，若和檸檬酸鈉并用也可增加冰激凌和酸奶的乳化穩定性。
在醫藥，美容化妝品上的應用
在醫藥行業，檸檬酸可作發泡劑，與碳酸鈉水溶液共同反應產生大量 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。
在美容化妝領域里，檸檬酸屬于果酸的一種，可以加快皮膚角質更新，是乳液、乳霜、洗發精的配料之一；在發蠟的制備過程中，作為金屬離子合劑，可增強發蠟的防腐作用。
在化學清洗上的應用
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。
在動物生產上的應用
在動物飼料中添加檸檬酸可提高飼料的適口性，激發動物食欲的味蕾細胞，進而增強動物的采食量，并促進對營養物質消化吸收能力，食入的檸檬酸也會抑制動物腸道內的細菌生長從而保持動物腸道菌群健康；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生，提高抗氧化效果， 阻止或延緩飼料氧化， 延長飼料的保質期。
其他
檸檬酸可作為混凝土緩凝劑，延長混凝土凝結時間，防止龜裂；在電鍍中，檸檬酸在鍍、鉻、金等領域穩定電鍍過程，因此可用作電鍍緩沖劑和絡合劑；檸檬酸可作為螯合劑用于乙烯聚合改良橡膠生產。當檸檬酸作為聚丙烯塑料的發泡劑時，具有發泡均勻，缺陷少的優勢；檸檬酸可作為衛生襯紙的pH調節劑，調節生產環境從而降低原料用量；檸檬酸也可作為生產塑料膜增塑劑的酯類物質（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，檸檬酸絡合離子可與硫化氫反應生成硫和檸檬酸鹽來達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的重要中間體，毒性小。聯合國糧食及農業組織世界衛生組織(FAO/WHO)(1994) 對檸檬酸的ADI不作限制性規定，美國食品和藥物管理局 (美國食品藥品監督管理局)及美國食用香料制造者協會 (FEMA)將檸檬酸列為一般公認為安全品(GRAS)。
雖然檸檬酸在人體內無累積作用，但多次內服大量含高度檸檬酸的飲料，可腐蝕牙琺瑯質。因此檸檬酸在食品中不應過量，應取一個適中值：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 >
COMPOUND SUMMARY:Citric acid.pubchem.2023-05-30
Chemical processes for preparing citric acid.Google Patents.2023-12-21
Global Citric Acid Markets Report, 2011-2018 & 2019-2024.Cision .2023-12-19