Лимонная кислота — органическое соединение со скелетной формулой H O C (CO 2 H)(CH 2 CO 2 H) 2 . [10] Это бесцветная слабая органическая кислота . [10] Она встречается в природе в цитрусовых фруктах . В биохимии это промежуточное вещество в цикле лимонной кислоты , который происходит в метаболизме всех аэробных организмов . [10]
Ежегодно производится более двух миллионов тонн лимонной кислоты . Она широко используется как подкислитель , ароматизатор , консервант и хелатирующий агент . [11]
Цитрат — это производное лимонной кислоты; то есть соли , эфиры и многоатомный анион, встречающийся в растворах и солях лимонной кислоты. Примером первого является соль тринатрийцитрат ; эфиром — триэтилцитрат . Когда трианион цитрата является частью соли, формула трианиона цитрата записывается как C
6ЧАС
5О3−
7или С
3ЧАС
5О(COO)3−
3.
Лимонная кислота встречается в различных фруктах и овощах, особенно в цитрусовых . Лимоны и лаймы имеют особенно высокую концентрацию кислоты; она может составлять до 8% от сухого веса этих фруктов (около 47 г/л в соках [12] ). [a] Концентрации лимонной кислоты в цитрусовых колеблются от 0,005 моль/л для апельсинов и грейпфрутов до 0,30 моль/л в лимонах и лаймах; эти значения различаются в зависимости от вида и условий, в которых выращивался фрукт.
Лимонная кислота была впервые выделена в 1784 году химиком Карлом Вильгельмом Шееле , который кристаллизовал ее из лимонного сока. [13] [14]
Промышленное производство лимонной кислоты впервые началось в 1890 году на основе итальянской цитрусовой промышленности, где сок обрабатывался гашеной известью ( гидроксидом кальция ) для осаждения цитрата кальция , который был выделен и преобразован обратно в кислоту с использованием разбавленной серной кислоты . [15] В 1893 году К. Вемер обнаружил, что плесень Penicillium может производить лимонную кислоту из сахара. [16] Однако микробное производство лимонной кислоты не стало промышленно важным, пока Первая мировая война не нарушила итальянский экспорт цитрусовых.
В 1917 году американский химик-пищевик Джеймс Карри обнаружил, что некоторые штаммы плесени Aspergillus niger могут быть эффективными производителями лимонной кислоты, [17] и фармацевтическая компания Pfizer начала промышленное производство с использованием этой технологии два года спустя, за ней последовала Citrique Belge в 1929 году. В этой технологии производства, которая до сих пор является основным промышленным путем получения лимонной кислоты, используемым сегодня, культуры Aspergillus niger питаются средой, содержащей сахарозу или глюкозу , для получения лимонной кислоты. Источником сахара является кукурузный экстракт , патока , гидролизованный кукурузный крахмал или другой недорогой углеводный раствор. [18] После того, как плесень отфильтровывается из полученной суспензии , лимонная кислота выделяется путем ее осаждения гидроксидом кальция для получения соли цитрата кальция, из которой лимонная кислота регенерируется путем обработки серной кислотой, как при прямой экстракции из сока цитрусовых.
В 1977 году компании Lever Brothers был выдан патент на химический синтез лимонной кислоты, начиная с аконитовой или изоцитратной (также называемой аллоизоцитратной) солей кальция в условиях высокого давления; это привело к получению лимонной кислоты в почти количественном преобразовании в ходе, по-видимому, обратной, неферментативной реакции цикла Кребса . [19]
Мировое производство превысило 2 000 000 тонн в 2018 году . [20] Более 50% этого объема было произведено в Китае. Более 50% использовалось в качестве регулятора кислотности в напитках, около 20% в других пищевых продуктах, 20% в моющих средствах и 10% в других, не связанных с продуктами питания, приложениях, таких как косметика, фармацевтика и химическая промышленность. [15]
Лимонную кислоту можно получить в безводной (безводной) форме или в виде моногидрата . Безводная форма кристаллизуется из горячей воды, в то время как моногидрат образуется при кристаллизации лимонной кислоты из холодной воды. Моногидрат может быть преобразован в безводную форму при температуре около 78 °C. Лимонная кислота также растворяется в абсолютном (безводном) этаноле (76 частей лимонной кислоты на 100 частей этанола) при температуре 15 °C. Она разлагается с потерей углекислого газа выше примерно 175 °C.
Лимонная кислота является трехосновной кислотой со значениями pK a , экстраполированными к нулевой ионной силе, 3,128, 4,761 и 6,396 при 25 °C. [21] С помощью спектроскопии ЯМР 13 C было обнаружено, что pK a гидроксильной группы составляет 14,4. [22] Диаграмма видообразования показывает, что растворы лимонной кислоты являются буферными растворами между pH 2 и pH 8. В биологических системах около pH 7 присутствуют два вида: ион цитрата и ион моногидроцитрата. Гибридизационный буфер SSC 20X является примером, который широко используется. [23] [24] Доступны таблицы, составленные для биохимических исследований. [25]
Наоборот, pH 1 мМ раствора лимонной кислоты будет около 3,2. pH фруктовых соков из цитрусовых, таких как апельсины и лимоны, зависит от концентрации лимонной кислоты, причем более высокая концентрация лимонной кислоты приводит к более низкому pH.
Кислые соли лимонной кислоты можно приготовить путем тщательной регулировки pH перед кристаллизацией соединения. См., например, цитрат натрия .
Цитрат-ион образует комплексы с металлическими катионами. Константы устойчивости для образования этих комплексов довольно велики из-за хелатного эффекта . Следовательно, он образует комплексы даже с катионами щелочных металлов. Однако, когда хелатный комплекс образуется с использованием всех трех карбоксилатных групп, хелатные кольца имеют 7 и 8 членов, которые, как правило, менее стабильны термодинамически, чем меньшие хелатные кольца. В результате гидроксильная группа может быть депротонирована, образуя часть более стабильного 5-членного кольца, как в цитрате аммония и железа , [NH+4] 5 Fe3 + ( C6H4O4−7) 2 ·2H 2 O. [26 ]
Лимонная кислота может быть этерифицирована по одной или нескольким из трех ее карбоксильных групп с образованием любого из множества моно-, ди-, три- и смешанных эфиров. [27]
Цитрат является промежуточным звеном в цикле лимонной кислоты , также известном как цикл TCA ( TriCarboxylic Acid ) или цикл Кребса, центральный метаболический путь для животных, растений и бактерий. Цитратсинтаза катализирует конденсацию оксалоацетата с ацетил-КоА с образованием цитрата. Затем цитрат действует как субстрат для аконитазы и превращается в аконитовую кислоту . Цикл заканчивается регенерацией оксалоацетата. Эта серия химических реакций является источником двух третей энергии, получаемой из пищи, у высших организмов. Высвобождаемая химическая энергия доступна в форме аденозинтрифосфата (АТФ). Ганс Адольф Кребс получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1953 года за это открытие.
Цитрат может транспортироваться из митохондрий в цитоплазму, затем расщепляться на ацетил-КоА для синтеза жирных кислот и на оксалоацетат. Цитрат является положительным модулятором этого преобразования и аллостерически регулирует фермент ацетил-КоА-карбоксилазу , который является регулирующим ферментом в преобразовании ацетил-КоА в малонил-КоА (этап приверженности в синтезе жирных кислот). Короче говоря, цитрат транспортируется в цитоплазму, преобразуется в ацетил-КоА, который затем преобразуется в малонил-КоА ацетил-КоА-карбоксилазой, которая аллостерически модулируется цитратом.
Высокие концентрации цитозольного цитрата могут ингибировать фосфофруктокиназу , катализатор лимитирующего скорость этапа гликолиза . Этот эффект выгоден: высокие концентрации цитрата указывают на то, что имеется большой запас молекул-предшественников биосинтеза, поэтому нет необходимости для фосфофруктокиназы продолжать отправлять молекулы своего субстрата, фруктозо-6-фосфата , в гликолиз. Цитрат действует, усиливая ингибирующий эффект высоких концентраций АТФ , еще один признак того, что нет необходимости проводить гликолиз. [28]
Цитрат является жизненно важным компонентом костей, помогая регулировать размер кристаллов апатита . [29]
Поскольку это одна из самых сильных пищевых кислот, лимонная кислота в основном используется в качестве ароматизатора и консерванта в продуктах питания и напитках, особенно в безалкогольных напитках и конфетах. [15] В Европейском Союзе она обозначается номером E330 . Цитратные соли различных металлов используются для доставки этих минералов в биологически доступной форме во многие диетические добавки . Лимонная кислота содержит 247 ккал на 100 г. [30] В Соединенных Штатах требования к чистоте лимонной кислоты как пищевой добавки определены Кодексом пищевых химикатов , который публикуется Фармакопеей США (USP).
Лимонную кислоту можно добавлять в мороженое в качестве эмульгатора, чтобы жиры не разделялись, в карамель, чтобы предотвратить кристаллизацию сахарозы, или в рецепты вместо свежего лимонного сока. Лимонная кислота используется с бикарбонатом натрия в широком спектре шипучих формул, как для приема внутрь (например, порошки и таблетки), так и для личной гигиены ( например , соли для ванн , бомбочки для ванн и очистка от жира ). Лимонная кислота, продаваемая в виде сухого порошка, обычно продается на рынках и в продуктовых магазинах как «кислая соль» из-за ее физического сходства с поваренной солью. Она используется в кулинарии в качестве альтернативы уксусу или лимонному соку, где требуется чистая кислота. Лимонную кислоту можно использовать в пищевых красителях для балансировки уровня pH обычно основного красителя. [ требуется цитата ]
Лимонная кислота является отличным хелатирующим агентом , связывающим металлы, делая их растворимыми. Она используется для удаления и предотвращения образования известкового налета из котлов и испарителей. [15] Ее можно использовать для очистки воды, что делает ее полезной для повышения эффективности мыла и моющих средств для стирки. Хелатируя металлы в жесткой воде , она позволяет этим чистящим средствам производить пену и работать лучше без необходимости смягчения воды. Лимонная кислота является активным ингредиентом в некоторых чистящих средствах для ванной и кухни. Раствор с шестипроцентной концентрацией лимонной кислоты удалит пятна от жесткой воды со стекла без мытья. Лимонную кислоту можно использовать в шампуне для смывания воска и краски с волос. Иллюстрируя ее хелатирующие способности, лимонная кислота была первым успешным элюентом, использованным для полного ионообменного разделения лантаноидов во время Манхэттенского проекта в 1940-х годах. [33] В 1950-х годах его заменил гораздо более эффективный [34] ЭДТА .
В промышленности его используют для растворения ржавчины на стали и пассивации нержавеющей стали . [35]
Лимонная кислота используется в качестве подкислителя в кремах, гелях и жидкостях. При использовании в пищевых продуктах и диетических добавках она может быть классифицирована как технологическая добавка, если она была добавлена для технического или функционального эффекта (например, подкислитель, хелатор, загуститель и т. д.). Если она все еще присутствует в незначительных количествах, а технический или функциональный эффект больше не присутствует, она может быть освобождена от маркировки <21 CFR §101.100(c)>.
Лимонная кислота — это альфа-гидроксикислота , которая является активным ингредиентом химических пилингов кожи. [36]
Лимонная кислота обычно используется в качестве буфера для повышения растворимости коричневого героина . [37]
Лимонная кислота используется в качестве одного из активных ингредиентов при производстве салфеток для лица с противовирусными свойствами. [38]
Буферные свойства цитратов используются для контроля pH в бытовых чистящих средствах и фармацевтических препаратах .
Лимонная кислота используется как не имеющая запаха альтернатива белому уксусу при окрашивании тканей кислотными красителями .
Цитрат натрия является компонентом реагента Бенедикта , используемого как для качественной, так и для количественной идентификации восстанавливающих сахаров. [39]
Лимонную кислоту можно использовать в качестве альтернативы азотной кислоте при пассивации нержавеющей стали . [40]
Лимонная кислота может использоваться в качестве слабопахнущей стоп-ванны в процессе проявки фотопленки . Фотопроявители являются щелочными, поэтому для нейтрализации и быстрой остановки их действия используется слабая кислота, но обычно используемая уксусная кислота оставляет в темной комнате сильный запах уксуса. [41]
Лимонная кислота/цитрат калия-натрия может использоваться в качестве регулятора кислотности крови. Лимонная кислота включена для улучшения вкусовых качеств [42]
Лимонная кислота — отличный флюс для пайки , [43] как в сухом виде, так и в виде концентрированного раствора в воде. Ее следует удалять после пайки, особенно тонкой проволоки, так как она обладает слабой коррозионной активностью. Она быстро растворяется и смывается в горячей воде.
Щелочной цитрат может быть использован в качестве ингибитора почечных камней путем повышения уровня цитрата в моче, полезного для профилактики кальциевых камней, и повышения pH мочи, полезного для профилактики мочевой кислоты и цистиновых камней. [44]
Лимонная кислота является универсальным предшественником многих других органических соединений. Пути дегидратации дают итаконовую кислоту и ее ангидрид. [45] Цитраконовую кислоту можно получить путем термической изомеризации ангидрида итаконовой кислоты. [46] Требуемый ангидрид итаконовой кислоты получают путем сухой перегонки лимонной кислоты. Аконитовую кислоту можно синтезировать путем дегидратации лимонной кислоты с использованием серной кислоты : [47]
Ацетондикарбоновую кислоту можно также получить путем декарбоксилирования лимонной кислоты в дымящей серной кислоте. [48]
Хотя это слабая кислота, воздействие чистой лимонной кислоты может вызвать неблагоприятные эффекты. Вдыхание может вызвать кашель, одышку или боль в горле. Чрезмерное проглатывание может вызвать боль в животе и боль в горле. Воздействие концентрированных растворов на кожу и глаза может вызвать покраснение и боль. [49] Длительное или многократное потребление может вызвать эрозию зубной эмали . [49] [50] [51]