檸檬酸，屬于天然有機(jī)酸，廣泛存在于柑橘類水果或葡萄中、菠蘿、梅、梨、桃等水果也是動物的代謝產(chǎn)物之一。無色晶體，無味，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，加熱容易分解、具有金屬螯合能力。檸檬酸在工業(yè)上常通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)，是一種食品、醫(yī)藥、在化學(xué)工業(yè)和其他領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的有機(jī)酸之一。此外，檸檬酸作為一種重要的中間產(chǎn)物，也參與了檸檬酸循環(huán)，這使其成為生物最重要的代謝循環(huán)之一。

檸檬酸得名于檸檬。廣泛分布于柑橘類水果和葡萄中、醋栗、覆盆子、菠蘿、梅、梨、桃等水果，尤其是未成熟的水果，其中未成熟檸檬中檸檬酸的含量可達(dá)6%此外，煙葉蕓豆葉等一些植物的葉片中也含有檸檬酸。檸檬酸也可以以游離狀態(tài)或金屬鹽的形式存在于動物骨骼中、肌肉、血液、乳汁、唾液、汗液和尿液是主要代謝物之一。

物理性質(zhì)

檸檬酸是無色透明或半透明的晶體，或（微）顆粒狀粉末，無臭，有強(qiáng)烈的酸味。檸檬酸的結(jié)構(gòu)中既有羥基又有羧基，所以在水中的溶解性很好。在某些有機(jī)溶劑中，溶于乙醇，微溶于乙醚，不溶于苯、甲苯、四氯化碳。檸檬酸晶體可以通過更高的溫度來制備（36.6℃）在水溶液中結(jié)晶和沉淀。它的晶體形態(tài)是單斜晶系的棱柱-雙棱錐體。

化學(xué)性質(zhì)

檸檬酸是帶有一個羥基的三羧酸，學(xué)名為2-羥基丙烷三酸、2-羥基丙烷-1，2，3-三酸，具有酸的共性。另外，其分子結(jié)構(gòu)中有羥基和羧基連接在一個碳原子上，羥基在α位，所以檸檬酸也屬于α-羥基酸。

酸性：一個檸檬酸分子有三個羧酸，所以可以電離成三個H s經(jīng)過三步，所以是酸性的（電離方程式和電離常數(shù)如下），能使藍(lán)色石蕊試紙變紅。檸檬酸是最美味的有機(jī)酸，因為它的酸味純正，香氣溫和。此外，檸檬酸還可以與各種香料混合，產(chǎn)生清爽的酸味。

與金屬螯合：檸檬酸的結(jié)構(gòu)中有三個羧基，羧基上的氧原子都含有孤對電子，因此具有很強(qiáng)的螯合作用，能螯合金屬離子形成穩(wěn)定的螯合物。

與堿反應(yīng)：檸檬酸不僅能與堿反應(yīng)生成鹽和水，還能在堿性溶液中煮沸得到丙烯酸（C?H?O?）檸檬酸也可以與碳酸鉀混合（K?CO?）或氫氧化鉀（KOH）或者將硝酸共熔得到草酸和乙酸或其他鹽。檸檬酸與鈉鹽（NaCl）丙酮可以用石灰通過干餾得到。此外，檸檬酸還能與堿或鹽形成pH范圍較大的緩沖液。

與酸反應(yīng)：室溫下，檸檬酸和發(fā)煙硫酸混合可得烏頭酸，稍加加熱可生成3-酮戊二酸。在40℃時，檸檬酸和濃硫酸反應(yīng)可以生成丙酮、CO?、CO等當(dāng)溫度升至150℃時，可生成烏頭酸酐，當(dāng)溫度進(jìn)一步升至200℃時，可生成二壬酸（C?H??O?）及CO、CO?等。當(dāng)硫酸與檸檬酸混合的濃度不同時，會得到不同的產(chǎn)品，當(dāng)濃度低于94%當(dāng)硫酸混合時，在低溫下會形成3-酮戊二酸；當(dāng)濃度低于60時%與硫酸混合，加熱生成烏頭酸。

受熱分解：檸檬酸在加熱時可以分解成許多產(chǎn)物，產(chǎn)物之間可以相互轉(zhuǎn)化。

與甘油作用：丙酮可以通過檸檬酸和甘油的干餾得到、CO、一氧化碳和甘油醚丙酮酸鹽。當(dāng)檸檬酸和甘油混合并加熱到100℃時，可以產(chǎn)生玻璃狀物質(zhì)檸檬酸甘油酯。當(dāng)溫度加熱到170℃且甘油量較大時，產(chǎn)物可以得到香茅雙甘醇(C2H18O11)，當(dāng)一份檸檬酸和三份甘油一起加熱時，它們可以反應(yīng)生成檸檬酸三甘油酯。當(dāng)調(diào)節(jié)反應(yīng)當(dāng)量比時，產(chǎn)物呈現(xiàn)凝膠狀或固體樹脂狀物質(zhì)，其中一些不溶于水，一些溶于水。

其他反應(yīng)：檸檬酸溶于濃氯化鈉溶液中，與氯反應(yīng)生成六氯丙酮和氯仿。在100℃時，檸檬酸和高錳酸鉀（KMnO?）反應(yīng)生成3-酮戊二酸和co在60℃不生成丙酮，35℃以上只有甲醛和co生成酸，其中3為氧化生成-酮戊二酸與溴反應(yīng)生成的五溴丙酮沉淀可用作檸檬酸的定性或定量方法。此外，檸檬酸在陽光照射下可被三價鐵離子氧化成丙酮、水及CO?。對于檸檬酸水溶液，添加幾滴15%TiCl?溶解后，室溫下無反應(yīng)，煮沸時會產(chǎn)生白色沉淀。

同分異構(gòu)：檸檬酸：檸檬酸和異檸檬酸也是彼此的異構(gòu)體。其中檸檬酸是叔醇，不容易被氧化。異檸檬酸是一種仲醇，容易被氧化。異檸檬酸是三羧酸循環(huán)中的中間產(chǎn)物。酵母發(fā)酵檸檬酸會產(chǎn)生大量的異檸檬酸，通過誘變可以篩選出只產(chǎn)生極少量異檸檬酸的突變菌株。

檸檬酸

檸檬酸主要參與生物體內(nèi)的檸檬酸循環(huán)過程。檸檬酸循環(huán)也稱為三羧酸循環(huán)或三羧酸循環(huán)因為這個循環(huán)的第一個中間產(chǎn)物是檸檬酸，而檸檬酸是有三個羧基的羧酸，所以被發(fā)現(xiàn)者生物化學(xué)家克雷布斯命名這一成就也使他獲得了1953年的諾貝爾獎。檸檬酸循環(huán)在動物中普遍存在、在植物和微生物細(xì)胞中，這一過程中一系列酶促反應(yīng)的位點(diǎn)是線粒體基質(zhì)。

其反應(yīng)過程如下：當(dāng)細(xì)胞處于有氧狀態(tài)時，糖酵解過程中產(chǎn)生的丙酮酸會進(jìn)入線粒體降解為乙酰輔酶a，然后與四碳化合物草酰乙酸反應(yīng)生成檸檬酸，這是這個循環(huán)的初始步驟。檸檬酸分兩步異構(gòu)化得到異檸檬酸，異檸檬酸進(jìn)一步氧化成6碳化合物草酰琥珀酸，然后脫羧形成5碳化合物α-酮戊二酸。然后，α-酮戊二酸經(jīng)過氧化脫羧得到琥珀酰，一種四碳化合物-CoA。此后，琥珀酰-CoA經(jīng)過四次轉(zhuǎn)化，最后再次形成草酰乙酸，從而完成檸檬酸循環(huán)。其中，過程中去除的羧基形成Co，氫原子跟隨載體（NAD+、FAD）進(jìn)入電子傳遞鏈后被氧化磷酸化得到水分子并釋放能量形成ATP。

因此，檸檬酸循環(huán)和糖酵解可以形成糖的有氧氧化途徑，成為生物體分解糖和氧化其他物質(zhì)并獲得能量的主要途徑。另外，檸檬酸循環(huán)也是糖、脂肪和蛋白質(zhì)等物質(zhì)的代謝和轉(zhuǎn)化中心。另一方面，乙酰輔酶a在這個循環(huán)中產(chǎn)生、草酰乙酸、α-酮戊二酸、檸檬酸、中間產(chǎn)物如琥珀酸CoA和富馬酸也是合成糖、脂肪酸、以及氨基酸卟啉等原料和碳骨架，從而成為各種物質(zhì)代謝的樞紐。

原料：檸檬酸的工業(yè)生產(chǎn)主要依靠微生物發(fā)酵。其中，發(fā)酵原料主要是糖類和正構(gòu)烷烴。糖在自然界分布很廣，可以分為土豆、谷類、淀粉、淀粉糖。正構(gòu)烷烴的原料可以是具有1020個碳鏈的石油餾分。

發(fā)酵菌：產(chǎn)生檸檬酸的微生物有很多，比如黑曲霉、棒曲霉、淡黃青霉、橘青霉、綠色木霉和假絲酵母的一些種類。在工業(yè)生產(chǎn)中，不同的原料會導(dǎo)致不同的微生物。其中黑曲霉是一種食品級安全絲狀真菌，具有豐富的酶系統(tǒng)、發(fā)酵效率高、它是工業(yè)生產(chǎn)檸檬酸最重要的菌株。

發(fā)酵工藝：微生物發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸是一個好氧發(fā)酵過程，因此有深層發(fā)酵過程、表面法、固體法、半固體法、生化反應(yīng)器法。浸沒法是在液相中引入氧氣，使微生物利用溶解氧進(jìn)行發(fā)酵，而表面和固體法是利用環(huán)境中的氣相氧氣進(jìn)行發(fā)酵。其中，工業(yè)化的方法有表面法和深度法，但表面法存在生產(chǎn)效率低勞動強(qiáng)度大的缺陷，所以檸檬酸最先進(jìn)的工業(yè)化生產(chǎn)是深度法。為了獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的檸檬酸，在發(fā)酵過程中需要控制合適的微生物發(fā)酵溫度（35~37℃）黑曲霉生長pH值（約4.5）和適當(dāng)?shù)娜芙庋酢?/p>

發(fā)酵機(jī)理：黑曲霉通過糖發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸的發(fā)酵機(jī)理如下：糖酵解途徑中的葡萄糖（EMP）磷酸戊糖途徑(HMP)該途徑分解轉(zhuǎn)化為丙酮酸，一部分丙酮酸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輔酶a縮合生成檸檬酸，進(jìn)入檸檬酸循環(huán)，通過這個循環(huán)不斷積累檸檬酸。

提取方法：微生物發(fā)酵后，發(fā)酵液中不僅含有檸檬酸和水，還含有發(fā)酵過程中殘留的其他雜質(zhì)因此，有必要通過萃取的方式從混合物中分離和提取檸檬酸產(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。

食品工業(yè)：在飲料和釀造領(lǐng)域，添加檸檬酸不僅可以增加飲料的果味，還可以增強(qiáng)飲料的增溶作用、緩沖等效果。檸檬酸也可以混合和協(xié)調(diào)顏料、香氣、糖等成分，形成和諧的口感和香氣。檸檬酸作為第一種食用酸味劑，具有酸味柔和的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于蘇打水、果汁、水果罐頭等。在果醬和果凍的生產(chǎn)中，檸檬酸可用于將產(chǎn)品的pH調(diào)節(jié)至果膠凝結(jié)的窄范圍，并賦予產(chǎn)品酸味。在糖果生產(chǎn)中，還可以改善風(fēng)味，防止蔗糖結(jié)晶。此外，檸檬酸不僅可以調(diào)節(jié)食品的風(fēng)味，還可以增加食品的抗氧化性和穩(wěn)定性，如提高冷凍食品的穩(wěn)定性，防止脂肪、油和腌制食品會變質(zhì)、氣味等，如果與檸檬酸鈉配合使用，還可以增加冰淇淋和酸奶的乳化穩(wěn)定性。

在醫(yī)學(xué)美容化妝品中的應(yīng)用：在制藥工業(yè)中，檸檬酸可用作起泡劑，它與碳酸鈉水溶液反應(yīng)生成大量的CO（泡騰）從而使藥物中的有效成分快速溶出，改善口感效果。在美容化妝領(lǐng)域，檸檬酸是一種果酸，可以加速皮膚角質(zhì)的更新，是一種乳液、乳霜、洗發(fā)水的成分之一；在發(fā)蠟的制備中，作為金屬離子螯合劑，可以增強(qiáng)發(fā)蠟的防腐效果。

化學(xué)清洗中的應(yīng)用：檸檬酸可作為一種高效清洗劑，能有效去除金屬表面的氧化物，常用于清洗金屬表面的鈣、鎂、鐵、鉻、銅等污垢。此外，檸檬酸還可以作為助洗劑，提高洗滌劑的性能，實現(xiàn)金屬離子的快速沉淀、保持洗滌所需的堿度、污垢和灰塵的分散和懸浮作用使污漬與衣物分離。

在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用：在動物飼料中添加檸檬酸可以改善飼料的適口性，刺激動物食欲的味蕾細(xì)胞，進(jìn)一步增強(qiáng)動物的食欲的食物攝入量，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收能力攝入的檸檬酸還可以抑制動物腸道內(nèi)細(xì)菌的生長，從而維持動物腸道菌群的健康；檸檬酸還可用作飼料的防霉劑和抗氧化劑，能抑制有害微生物的生長和毒素的產(chǎn)生，提高抗氧化效果，防止或延緩飼料的氧化，延長飼料的貨架期。

其他：檸檬酸可用作混凝土緩凝劑，延長混凝土的凝結(jié)時間，防止開裂；在電鍍中，檸檬酸用于鍍鎳、鉻、金等場穩(wěn)定電鍍過程，因此可用作電鍍緩沖劑和絡(luò)合劑；檸檬酸可用作螯合劑以提高乙烯聚合的橡膠產(chǎn)量。檸檬酸用作聚丙烯塑料發(fā)泡劑時，具有發(fā)泡均勻缺陷少的優(yōu)點(diǎn)；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，降低原材料消耗；檸檬酸也可以作為酯來生產(chǎn)塑料薄膜增塑劑（三乙酯丁酯和乙酰三丁酯）的合成原料；在脫除煙氣中二氧化硫的過程中，檸檬酸絡(luò)合離子可以與硫化氫反應(yīng)生成硫和檸檬酸鹽，從而脫除有害氣體。

檸檬酸是人體內(nèi)檸檬酸循環(huán)的重要中間體，毒性較低。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織世界衛(wèi)生組織(FAO/WHO)1994)檸檬酸的ADI不受限制，美國食品和藥物管理局(FDA)美國香料制造商協(xié)會(FEMA)檸檬酸是公認(rèn)的安全產(chǎn)品(GRAS)、雖然檸檬酸在人體內(nèi)沒有蓄積作用，但大量口服含有高檸檬酸的飲料會腐蝕牙釉質(zhì)。所以食物中檸檬酸不宜過量，取一個適中的數(shù)值：例如，各種飲料中的劑量一般為1.2~1.5g/公斤，濃縮果汁13克/kg；在一些水果和蔬菜的調(diào)味中，例如，新鮮的蘑菇、芹菜罐頂沸液中檸檬酸的量為0.7~1g/kg；水果硬糖中檸檬酸的用量為4~14g/kg；水果味冰棍冰淇淋的消費(fèi)為0.5~0.65g/kg。