Лимонска киселина

Лимонската киселина е органско соединение со хемиска формула HOC(CO<sub>2</sub>H)(CH<sub>2</sub>CO<sub>2</sub>H)<sub>2</sub>. Тоа е безбојна слаба органска киселина. Природно се наоѓа во агрумите. Во биохемијата, е посредник во циклусот на лимонска киселина, кој се јавува во метаболизмот на сите аеробни организми.
Секоја година се произведуваат повеќе од два милиони тони лимонска киселина. Широко се користи како закиселувач, како арома и хелатен агенс.
Цитрат е дериват на лимонска киселина; односно солите, естрите и повеќеатомскиот анјон пронајдени во растворот. Пример за солта е тринатриум цитрат; естер е триетил цитрат. Кога е дел од сол, формулата на цитратниот анјон се запишува како или .
1 Природна појава и индустриско производство
Лимонската киселина се наоѓа во различни овошја и зеленчук, особено во агрумите. Лимоните и лиметите имаат особено високи концентрации на киселината; може да сочинува дури 8% од сувата тежина на овие плодови (околу 47 g/L во соковите). Концентрациите на лимонска киселина во агрумите се движат од 0,005 mol/L за портокали и грејпфрути до 0,30 mol/L во лимони и лимета; овие вредности варираат во видот во зависност од сортата и околностите под кои се одгледувал плодот.
Лимонската киселина првпат била изолирана во 1784 година од хемичарот Карл Вилхелм Шеле, кој ја кристализирал од сок од лимон.
Производството на лимонска киселина во индустриски размери првпат започнало во 1890 година врз основа на италијанската индустрија за цитрусно овошје, каде што сокот бил третиран со хидриран вар (калциум хидроксид) за да се таложи калциум цитрат, кој бил изолиран и повторно претворен во киселина користејќи разредена сулфурна киселина. Во 1893 година, C. Wehmer открил дека пеницилиумската мувла може да произведе лимонска киселина од шеќер. Сепак, микробното производство на лимонска киселина не станало индустриски важно сè додека не се нарушил италијанскиот извоз на цитрус за време на Првата светска војна.
Во 1917 година, американскиот хемичар за храна Џејмс Кари открил дека одредени видови на мувла Aspergillus niger може да бидат ефикасни производители на лимонска киселина, и фармацевтската компанија Pfizer започнала со производство на индустриско ниво користејќи ја оваа техника две години подоцна, проследено со Citrique Belge во 1929 год. сахароза или медиум што содржи гликоза за производство на лимонска киселина. Изворот на шеќер е пченкарен пијалак, меласа, хидролизиран пченкарен скроб или друг евтин, зашеќерен раствор. Откако мувлата се филтрира од добиениот раствор, лимонската киселина се изолира со таложење со калциум хидроксид за да се добие калциум цитратна сол, од која лимонската киселина се регенерира со третман со сулфурна киселина, како и при директното екстракција од сок од цитрусно овошје.
Во 1977 година, бил доделен патент на Lever Brothers за хемиска синтеза на лимонска киселина, почнувајќи или од аконитни или изоцитратни/алоидоцитратни калциумови соли под услови на висок притисок; ова произвело лимонска киселина во речиси квантитативна конверзија под она што изгледало како обратна, неензимска реакција на Кребсовиот циклус.
Глобалното производство било над 2.000.000 тони во 2018 година. Повеќе од 50% од овој волумен е произведен во Кина. Повеќе од 50% се користел како регулатор на киселост во пијалаци, околу 20% во други прехранбени апликации, 20% за детергенти и 10% за други апликации освен храна, како што се козметика, фармацевтски производи и во хемиската индустрија.
2 Хемиски одлики
Лимонската киселина може да се добие како анхидрид (без вода) или како монохидрат. Анхидридната форма се кристализира од топла вода, додека монохидратот се формира кога лимонската киселина се кристализира од ладна вода. Монохидратот може да се претвори во анхидридна форма на околу 78 °C. Лимонската киселина се раствора и во апсолутен (безводен) етанол (76 делови од лимонска киселина на 100 делови од етанол) на 15 °C. Се распаѓа со губење на јаглерод диоксид над околу 175 °C.
Лимонската киселина е трибазна киселина, со pKa вредности, екстраполирани на нула јонска јачина, од 3,128, 4,761 и 6,396 на 25 °C. Утврдено е, со помош на спектроскопија 13C NMR, дека pKa на хидроксилната група, е 14,4.
Специјацискиот дијаграм покажува дека растворите на лимонска киселина се пуферски раствори помеѓу околу pH 2 и pH 8. Во биолошките системи околу pH 7, присутни се двата вида, цитрат јон и моно-водороден цитрат јон. SSC 20X хибридизацискиот пуфер е пример за вообичаена употреба. Табели составени за биохемиски студии се достапни.
Од друга страна, pH на 1 mM раствор на лимонска киселина ќе биде околу 3,2. pH на овошните сокови од агруми како портокали и лимони зависи од концентрацијата на лимонска киселина, при што повисока концентрација на лимонска киселина резултира со пониска pH вредност.
Киселите соли на лимонската киселина може да се подготват со внимателно прилагодување на pH вредноста пред да се кристализира соединението. Видете, на пример, натриум цитрат.
Цитратниот јон формира комплекси со метални катјони. Константите на стабилност за формирање на овие комплекси се доста големи поради хелатниот ефект. Следствено, формира комплекси дури и со катјони на алкални метали. Меѓутоа, кога се формира хелатен комплекс со користење на сите три карбоксилатни групи, хелатните прстени имаат 7 и 8 членови, кои генерално се помалку стабилни термодинамички од помалите хелатни прстени. Како последица на тоа, хидроксилната група може да се депротонира, формирајќи дел од постабилен 5-член прстен, како кај амониум железен цитрат,·2.
Лимонската киселина може да се естерифицира во една или повеќе од нејзините три групи на карбоксилна киселина за да формира која било од различните моно-, ди-, три- и мешани естри.
3 Биохемија
3.1 Циклус на лимонска киселина
Цитратот е посредник во циклусот на лимонска киселина, исто така познат како циклус TCA (TriCarboxylic Acid) или циклус на Кребс, централен метаболички пат за животните, растенијата и бактериите. Цитрат синтаза ја катализира кондензацијата на оксалоацетат со ацетил CoA за да формира цитрат. Цитратот потоа делува како супстрат за аконитаза и се претвора во аконитна киселина. Циклусот завршува со регенерација на оксалоацетат. Оваа серија на хемиски реакции е извор на две третини од енергијата добиена од храна во повисоките организми. За ова откритие Ханс Адолф Кребс ја доби Нобеловата награда за физиологија или медицина во 1953 година.
Некои бактерии (особено ''E. coli'') можат внатрешно да произведуваат и консумираат цитрат како дел од нивниот циклус на TCA, но не можат да го користат како храна бидејќи им недостасуваат ензими потребни за да го внесат во клетката. По десетици илјади еволуции во медиум со минимална гликоза кој исто така содржел цитрат за време на долгорочниот експеримент за еволуција на Ричард Ленски, варијантата ''E. coli'' еволуирала со способност да расте аеробно на цитрат. Захари Блаунт, студент на Ленски и неговите колеги ги проучувале овие „Cit+“ ''E. coli'' како модел за тоа како еволуираат новите особини. Тие пронашле докази дека, во овој случај, иновацијата е предизвикана од ретка мутација за дуплирање поради акумулацијата на неколку претходни „поттикнувачки“ мутации, чиј идентитет и ефекти се уште се испитуваат. Еволуцијата на одликата Cit+ се смета за значаен пример за улогата на историската непредвидливост во еволуцијата.
3.2 Други биолошки улоги
Цитратот може да се транспортира надвор од митохондриите и во цитоплазмата, потоа да се разложи на ацетил-CoA за синтеза на масни киселини и во оксалоацетат. Цитратот е позитивен модулатор на оваа конверзија и алостерски го регулира ензимот ацетил-CoA карбоксилаза, кој е регулирачки ензим во конверзијата на ацетил-CoA во малонил-CoA (чекор на посветеност во синтезата на масни киселини). Накратко, цитратот се транспортира во цитоплазмата, се претвора во ацетил-CoA, кој потоа се претвора во малонил-CoA со ацетил-CoA карбоксилаза, која е алостерски модулирана со цитрат.
Високите концентрации на цитозолен цитрат може да ја инхибираат фосфофруктокиназата, катализаторот на чекорот на гликолиза со ограничување на брзината. Овој ефект е поволен: високите концентрации на цитрат покажуваат дека постои голема понуда на биосинтетички прекурсорски молекули, така што нема потреба фосфофруктокиназата да продолжи да испраќа молекули од својот супстрат, фруктоза 6-фосфат, во гликолиза. Цитратот делува така што го зголемува инхибиторниот ефект на високите концентрации на ATP, уште еден знак дека нема потреба да се спроведува гликолиза.
Цитратот е витална компонента на коските, помагајќи да се регулира големината на кристалите на апатит.
4 Апликација
4.1 Храна и пијалаци
Бидејќи е една од посилните киселини за јадење, доминантната употреба на лимонската киселина е како ароматизирање и конзерванс во храната и пијалаците, особено безалкохолните пијалаци и бонбоните. Во рамките на Европската Унија се означува со Е број E330. Цитратните соли на различни метали се користат за доставување на тие минерали во биолошки достапна форма во многу додатоци во исхраната. Лимонска киселина има 247 kcal на 100 g. Во Соединетите Држави, барањата за чистота за лимонската киселина како додаток на храна се дефинирани со Кодексот за хемикалии за храна, кој е објавен од Фармакопеја на Соединетите Американски Држави (USP).
Лимонската киселина може да се додаде во сладолед како средство за емулгирање за да се спречи раздвојување на мастите, во карамела за да се спречи кристализација на сахарозата или во рецепти наместо свеж сок од лимон. Лимонската киселина се користи со натриум бикарбонат во широк опсег на шумливи формули, и за голтање (на пр., прашоци и таблети) и за лична нега (на пример, соли за капење, бомби за капење и чистење од маснотии). Лимонската киселина што се продава во сува прашкаста форма најчесто се продава на пазарите и намирниците како „кисела сол“, поради нејзината физичка сличност со кујнската сол. Се користи во кулинарски апликации, како алтернатива на оцет или сок од лимон, каде што е потребна чиста киселина. Лимонската киселина може да се користи во бојата на храната за да се балансира pH нивото на нормално основната боја
4.2 Средство за чистење
Лимонската киселина е одличен хелатен агенс, ги врзува металите така што ги прави растворливи. Се користи за отстранување и спречување на таложење на бигор од котлите и испарувачите. Може да се користи за третман на вода, што го прави корисен за подобрување на ефикасноста на сапуните и детергентите за перење. Со хелирање на металите во тврда вода, им овозможува на овие средства за чистење да произведуваат пена и да работат подобро без потреба од омекнување на водата. Лимонската киселина е активна состојка во некои раствори за чистење на бањи и кујна. Растворот со шест проценти концентрација на лимонска киселина ќе ги отстрани дамките од тврда вода од стаклото без чистење. Лимонската киселина може да се користи во шампон за миење на восокот и бојата од косата. Како илустрација за нејзините хелатни способности, лимонската киселина била првиот успешен елуент што се користел за целосно раздвојување на лантанидите со јонска размена, за време на проектот Менхетен во 1940-тите. In the 1950s, it was replaced by the far more efficient EDTA.
Во индустријата се користи за растворање на ’рѓа од челик и за пасивирање на нерѓосувачките челици.
4.3 Козметика, фармацевтски производи, суплементи и храна
Лимонската киселина се користи како ацидуланс во креми, гелови и течности. Се користи во храна и додатоци во исхраната, може да се класифицира како помагало за преработка доколку е додаден заради технички или функционален ефект (на пр. киселински, хелатор, вискозификатор итн.). Ако сè уште е присутен во незначителни количини, а техничкиот или функционалниот ефект повеќе не е присутен, може да биде ослободен од означување <21 CFR §101.100(c)>.
Лимонската киселина е алфа хидрокси киселина и е активна состојка во хемискиот пилинг на кожата.
Лимонската киселина најчесто се користи како пуфер за зголемување на растворливоста на кафеавиот хероин.
Лимонската киселина се користи како една од активните состојки во производството на марамици за лице со антивирусни својства.
4.4 Друга употреба
Пуферирачките својства на цитратите се користат за контрола на pH во средствата за чистење домаќинства и фармацевтските производи.
Лимонската киселина се користи како алтернатива на белиот оцет без мирис за боење на ткаенина со кисели бои.
Натриум цитратот е компонента на Бенедиктовиот реагенс, кој се користи и за квалитативна и за квантитативна идентификација на редукционите шеќери.
Лимонската киселина може да се користи како алтернатива на азотна киселина при пасивација на нерѓосувачки челик.
Лимонска киселина/калиум-натриум цитрат може да се користи како регулатор на киселина во крвта. Лимонската киселина е вклучена за да се подобри вкусноста
Лимонската киселина е одличен флукс за лемење, или сув или како концентриран раствор во вода. Треба да се отстрани по лемењето, особено со фини жици, бидејќи е благо корозивен. Се раствора и брзо се исплакнува во топла вода.
Алкалниот цитрат може да се користи како инхибитор на камења во бубрезите со зголемување на нивото на цитрат во урината, корисен за спречување на камења од калциум и зголемување на pH на урината, корисен за спречување на урична киселина и цистински камења.
5 Синтеза на други органски соединенија
Лимонската киселина е разновиден претходник на многу други органски соединенија. Патиштата на дехидрација даваат итаконска киселина и нејзиниот анхидрид. Цитраконската киселина може да се произведе преку топлинска изомеризација на анхидрид на итаконска киселина. Потребниот анхидрид на итаконска киселина се добива со сува дестилација на лимонска киселина. Аконитната киселина може да се синтетизира со дехидрација на лимонска киселина со употреба на сулфурна киселина::(HO<sub>2</sub>CCH<sub>2</sub>)<sub>2</sub>C(OH)CO<sub>2</sub>H → HO<sub>2</sub>CCH=C(CO<sub>2</sub>H)CH<sub>2</sub>CO<sub>2</sub>H + H<sub>2</sub>O
Ацетодикарбоксилната киселина може да се подготви и со декарбонилација на лимонска киселина во испарувана сулфурна киселина.
6 Безбедност
Иако е слаба киселина, изложеноста на чиста лимонска киселина може да предизвика негативни ефекти. Вдишувањето може да предизвика кашлица, отежнато дишење или болки во грлото. Прекумерното голтање може да предизвика абдоминална болка и болки во грлото. Изложеноста на концентрирани раствори на кожата и очите може да предизвика црвенило и болка. Долготрајното или повеќекратното консумирање може да предизвика ерозија на забната глеѓ.