Citric acid là gì?

Citric acid ( axit citric) là một hợp chất hữu cơ yếu, có công thức hóa học là HOC(CO2H)(CH2CO2H)2. Nó thường xuất hiện ở dạng rắn màu trắng, có ở họ cam chanh. Trong sinh hóa, nó là chất trung gian trong chu trình citric acid, xảy ra ở quá trình trao đổi chất của tất cả sinh vật hiếu khí.

citric acid la gi

Hơn hai triệu tấn axit xitric được sản xuất mỗi năm. Nó được sử dụng rộng rãi như một chất axit hóa, một hương liệu và một chất tạo chelat.

Xitrat là một dẫn xuất của axit xitric; nghĩa là muối, este và anion đa nguyên tử có trong dung dịch. Một ví dụ trước đây, một loại muối là trisodium citrate; một este là trietyl xitrat. Khi là một phần của muối, công thức của anion xitrat được viết là C6H5O3−7 hoặc C3H5O(COO)3−3.

Sự xuất hiện trong tự nhiên và sản xuất công nghiệp

Axit citric tồn tại trong nhiều loại trái cây và rau quả, đáng chú ý nhất là trái cây họ cam quýt. Chanh và chanh có nồng độ axit đặc biệt cao; nó có thể chiếm tới 8% trọng lượng khô của những loại trái cây này (khoảng 47 g / L trong nước ép [10]). [a] Nồng độ axit citric trong trái cây họ cam quýt nằm trong khoảng 0,005 mol / L đối với cam và bưởi. đến 0,30 mol / L trong chanh và chanh; những giá trị này khác nhau giữa các loài tùy thuộc vào giống cây trồng và hoàn cảnh mà trái cây được trồng.

Axit citric lần đầu tiên được phân lập vào năm 1784 bởi nhà hóa học Carl Wilhelm Scheele, người đã kết tinh nó từ nước chanh.

Sản xuất axit xitric quy mô công nghiệp lần đầu tiên bắt đầu vào năm 1890 dựa trên ngành công nghiệp trái cây có múi của Ý, nơi nước trái cây được xử lý bằng vôi ngậm nước (canxi hydroxit) để kết tủa canxi xitrat, được phân lập và chuyển đổi trở lại thành axit bằng cách sử dụng axit sulfuric pha loãng. Năm 1893, C. Wehmer phát hiện ra nấm mốc Penicillium có thể tạo ra axit xitric từ đường. Tuy nhiên, vi sinh vật sản xuất axit xitric không trở nên quan trọng về mặt công nghiệp cho đến khi Chiến tranh thế giới thứ nhất làm gián đoạn hoạt động xuất khẩu cam quýt của Ý.

Vào năm 1917, nhà hóa học thực phẩm người Mỹ James Currie đã phát hiện ra một số chủng nấm mốc Aspergillus niger có thể là những nhà sản xuất axit citric hiệu quả, và công ty dược phẩm Pfizer bắt đầu sản xuất cấp công nghiệp bằng kỹ thuật này hai năm sau đó, tiếp theo là Citrique Belge vào năm 1929. Trong sản xuất này kỹ thuật, vẫn là con đường công nghiệp chính để sử dụng axit xitric ngày nay, nuôi cấy A. niger được nuôi trên môi trường chứa đường sucrose hoặc glucose để tạo ra axit xitric. Nguồn đường là rượu ngô, mật đường, tinh bột ngô thủy phân hoặc dung dịch có đường rẻ tiền khác. Sau khi nấm mốc được lọc ra khỏi dung dịch thu được, axit xitric được phân lập bằng cách kết tủa nó với hydroxit canxi để tạo ra muối canxi xitrat, từ đó axit xitric được tái sinh bằng cách xử lý với axit sulfuric, như trong quá trình chiết xuất trực tiếp từ nước trái cây họ cam quýt.

Năm 1977, một bằng sáng chế đã được cấp cho Lever Brothers để tổng hợp hóa học axit xitric bắt đầu từ muối canxi aconitic hoặc isocitrat / alloisocitrat trong điều kiện áp suất cao; axit xitric này được tạo ra trong quá trình chuyển đổi định lượng gần như là một phản ứng đảo ngược, không phải của chu trình Krebs.

Sản lượng toàn cầu vượt quá 2.000.000 tấn vào năm 2018. Hơn 50% khối lượng này được sản xuất ở Trung Quốc. Hơn 50% được sử dụng làm chất điều chỉnh độ axit trong đồ uống, khoảng 20% ​​trong các ứng dụng thực phẩm khác, 20% cho các ứng dụng chất tẩy rửa và 10% cho các ứng dụng khác ngoài thực phẩm, chẳng hạn như mỹ phẩm, dược phẩm và trong ngành công nghiệp hóa chất.

Đặc điểm hóa học

Axit xitric có thể thu được ở dạng khan (không chứa nước) hoặc ở dạng monohydrat. Dạng khan kết tinh từ nước nóng, trong khi monohydrat tạo thành khi axit xitric được kết tinh từ nước lạnh. Monohydrat có thể được chuyển thành dạng khan ở khoảng 78 ° C. Axit xitric cũng hòa tan trong etanol tuyệt đối (khan) (76 phần axit xitric trên 100 phần etanol) ở 15 ° C. Nó bị phân hủy khi mất đi lượng carbon dioxide trên khoảng 175 ° C.

Axit xitric là một axit tribasic, với các giá trị pKa, được ngoại suy cho cường độ ion bằng không, là 3,128, 4,761 và 6,396 ở 25 ° C. PKa của nhóm hydroxyl đã được tìm thấy, bằng phương pháp quang phổ 13C NMR, là 14,4. Sơ đồ đặc tả cho thấy các dung dịch axit xitric là dung dịch đệm giữa khoảng pH 2 và pH 8. Trong các hệ thống sinh học xung quanh pH 7, hai loài có mặt là ion citrate và ion mono-hydro citrate. Bộ đệm lai ghép SSC 20X là một ví dụ được sử dụng phổ biến. Các bảng được biên soạn cho các nghiên cứu sinh hóa có sẵn.

Mặt khác, pH của dung dịch axit xitric 1 mM sẽ vào khoảng 3,2. Độ pH của nước trái cây từ trái cây họ cam quýt như cam và chanh phụ thuộc vào nồng độ axit xitric, với nồng độ axit xitric cao hơn sẽ dẫn đến độ pH thấp hơn.

Các muối axit của axit xitric có thể được điều chế bằng cách điều chỉnh cẩn thận độ pH trước khi kết tinh hợp chất. Ví dụ, xem natri xitrat.

Ion xitrat tạo phức với cation kim loại. Hằng số ổn định cho sự hình thành các phức chất này là khá lớn vì hiệu ứng chelate. Do đó, nó tạo phức ngay cả với các cation kim loại kiềm. Tuy nhiên, khi một phức chelate được tạo thành bằng cách sử dụng cả ba nhóm cacboxylate, thì các vòng chelate có 7 và 8 thành viên, thường kém bền về mặt nhiệt động học hơn các vòng chelate nhỏ hơn. Do đó, nhóm hydroxyl có thể bị deproto hóa, tạo thành một phần của vòng 5 cạnh ổn định hơn, như trong amoni sắt citrat,(NH4)5Fe(C6H4O7)2·2H2O

Axit xitric có thể được este hóa ở một hoặc nhiều trong ba nhóm axit cacboxylic của nó để tạo thành bất kỳ trong số nhiều loại este đơn chức, di-, tri- và hỗn hợp.

Hóa sinh


Chu trình axit xitric

Citrate là chất trung gian trong chu trình TCA (hay còn gọi là chu trình Axit TriCarboxylic, hoặc chu trình Krebs, Szent-Györgyi), một con đường trao đổi chất trung tâm của động vật, thực vật và vi khuẩn. Citrate synthase xúc tác sự ngưng tụ của oxaloacetate với acetyl CoA để tạo thành citrate. Sau đó citrate đóng vai trò là chất nền cho aconitase và được chuyển thành axit aconitic. Chu kỳ kết thúc với sự tái sinh của oxaloacetate. Chuỗi phản ứng hóa học này là nguồn cung cấp 2/3 năng lượng từ thức ăn ở sinh vật bậc cao. Hans Adolf Krebs đã nhận giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 1953 cho khám phá này.

Một số vi khuẩn (đặc biệt là E. coli) có thể sản xuất và tiêu thụ citrate bên trong như một phần của chu trình TCA của chúng, nhưng không thể sử dụng nó làm thức ăn vì chúng thiếu các enzym cần thiết để nhập nó vào tế bào. Sau hàng chục nghìn lần tiến hóa trong môi trường glucose tối thiểu cũng chứa citrate trong Thí nghiệm Tiến hóa Dài hạn của Richard Lenski, một biến thể E. coli đã tiến hóa với khả năng phát triển hiếu động trên citrate. Zachary Blount, một sinh viên của Lenski, và các đồng nghiệp đã nghiên cứu E. coli “Cit +” này như một mô hình cho cách các đặc điểm mới phát triển. Họ đã tìm thấy bằng chứng cho thấy, trong trường hợp này, sự đổi mới là do một đột biến nhân đôi hiếm gặp do sự tích tụ của một số đột biến “tăng cường” trước đó, danh tính và ảnh hưởng của chúng vẫn đang được nghiên cứu. Sự tiến hóa của tính trạng Cit + đã được coi là một ví dụ đáng chú ý về vai trò của sự bất thường lịch sử trong quá trình tiến hóa.

Các vai trò sinh học khác

Citrate có thể được vận chuyển ra khỏi ty thể và vào tế bào chất, sau đó được phân hủy thành acetyl-CoA để tổng hợp axit béo và thành oxaloacetate. Citrate là một chất điều biến tích cực của quá trình chuyển đổi này, và điều chỉnh một cách ngẫu nhiên enzyme acetyl-CoA carboxylase, là enzyme điều chỉnh trong việc chuyển đổi acetyl-CoA thành malonyl-CoA (bước cam kết trong quá trình tổng hợp axit béo). Tóm lại, citrate được vận chuyển vào tế bào chất, được chuyển thành acetyl CoA, sau đó được chuyển thành malonyl CoA bởi acetyl CoA carboxylase, được điều chế allosteric bởi citrate.

Nồng độ cao của cytosolic citrate có thể ức chế phosphofructokinase, chất xúc tác của một bước giới hạn tốc độ đường phân. Hiệu ứng này là thuận lợi: nồng độ citrate cao cho thấy có một nguồn cung cấp lớn các phân tử tiền chất sinh tổng hợp, do đó không cần phosphofructokinase để tiếp tục gửi các phân tử cơ chất của nó, fructose 6-phosphate, vào quá trình đường phân. Citrate hoạt động bằng cách làm tăng tác dụng ức chế nồng độ cao của ATP, một dấu hiệu khác cho thấy không cần thực hiện quá trình đường phân.

Citrate là một thành phần quan trọng của xương, giúp điều chỉnh kích thước của các tinh thể apatit

Các ứng dụng

Đồ ăn thức uống

Axit xitric dạng bột được sử dụng để chế biến gia vị tiêu chanh
Bởi vì nó là một trong những axit ăn mạnh hơn, công dụng chính của axit citric là làm hương liệu và chất bảo quản trong thực phẩm và đồ uống, đặc biệt là nước ngọt và bánh kẹo. Trong Liên minh Châu Âu, nó được ký hiệu bằng số E E330. Muối citrate của các kim loại khác nhau được sử dụng để cung cấp các khoáng chất đó ở dạng sinh học sẵn có trong nhiều loại thực phẩm chức năng. Axit citric có 247 kcal trên 100 g. Tại Hoa Kỳ, các yêu cầu về độ tinh khiết đối với axit xitric làm phụ gia thực phẩm được xác định bởi Bộ luật Hóa chất Thực phẩm, được xuất bản bởi Dược điển Hoa Kỳ (USP).

Axit citric có thể được thêm vào kem như một chất nhũ hóa để giữ cho chất béo không bị phân tách, vào caramel để ngăn chặn sự kết tinh của đường sucrose, hoặc trong các công thức nấu ăn thay cho nước chanh tươi. Axit xitric được sử dụng với natri bicacbonat trong một loạt các công thức sủi bọt, cả để uống (ví dụ: bột và viên nén) và chăm sóc cá nhân (ví dụ, muối tắm, bom tắm và làm sạch dầu mỡ). Axit xitric được bán ở dạng bột khô thường được bán ở chợ và cửa hàng tạp hóa với tên gọi “muối chua”, do đặc tính vật lý của nó tương tự như muối ăn. Nó được sử dụng trong các ứng dụng ẩm thực, như một chất thay thế cho giấm hoặc nước chanh, những nơi cần axit tinh khiết. Axit xitric có thể được sử dụng trong màu thực phẩm để cân bằng độ pH của thuốc nhuộm cơ bản thông thường

Chất làm sạch và chelating

Axit xitric là một chất chelat tuyệt vời, liên kết các kim loại bằng cách làm cho chúng hòa tan. Nó được sử dụng để loại bỏ và ngăn chặn sự tích tụ cặn vôi từ nồi hơi và thiết bị bay hơi. Nó có thể được sử dụng để xử lý nước, giúp cải thiện hiệu quả của xà phòng và chất tẩy giặt. Bằng cách khử kim loại trong nước cứng, nó cho phép các chất tẩy rửa này tạo ra bọt và hoạt động tốt hơn mà không cần làm mềm nước. Axit citric là thành phần tích cực trong một số dung dịch vệ sinh phòng tắm và nhà bếp. Dung dịch có nồng độ sáu phần trăm axit xitric sẽ loại bỏ các vết nước cứng trên kính mà không cần cọ rửa. Axit citric có thể được sử dụng trong dầu gội đầu để rửa sạch sáp và màu trên tóc. Minh họa cho khả năng chelat hóa của nó, axit xitric là chất rửa giải thành công đầu tiên được sử dụng để phân tách trao đổi ion hoàn toàn của các lantan, trong Dự án Manhattan vào những năm 1940. Vào những năm 1950, nó được thay thế bằng EDTA hiệu quả hơn nhiều.

Trong công nghiệp, nó được sử dụng để hòa tan gỉ từ thép và thép không gỉ thụ động hóa

Mỹ phẩm, dược phẩm, thực phẩm chức năng và thực phẩm


Axit citric được sử dụng như một chất axit hóa trong các loại kem, gel và chất lỏng. Được sử dụng trong thực phẩm và chất bổ sung chế độ ăn uống, nó có thể được phân loại như một chất hỗ trợ chế biến nếu nó được thêm vào để có tác dụng kỹ thuật hoặc chức năng (ví dụ: axit, chất chelator, chất làm nhớt, v.v.). Nếu nó vẫn còn tồn tại với số lượng không đáng kể và tác dụng kỹ thuật hoặc chức năng không còn nữa, nó có thể được miễn ghi nhãn <21 CFR §101.100 (c)>.

Axit citric là một axit alpha hydroxy và là một thành phần tích cực trong lột da hóa học.

Axit xitric thường được sử dụng làm chất đệm để tăng khả năng hòa tan của bạch phiến nâu.

Axit citric được sử dụng như một trong những thành phần tích cực trong việc sản xuất các mô trên khuôn mặt có đặc tính kháng virus.

Các mục đích sử dụng khác

Đặc tính đệm của xitrat được sử dụng để kiểm soát độ pH trong chất tẩy rửa gia dụng và dược phẩm.

Axit xitric được sử dụng như một chất thay thế không mùi cho giấm trắng để nhuộm tại nhà bằng thuốc nhuộm axit.

Natri xitrat là một thành phần của thuốc thử Benedict, được sử dụng để xác định cả định tính và định lượng đường khử.

Axit xitric có thể được sử dụng thay thế cho axit nitric trong quá trình thụ động hóa thép không gỉ.

Axit xitric có thể được sử dụng như một dung dịch ngăn mùi thấp hơn như một phần của quá trình phát triển phim ảnh. Các nhà phát triển nhiếp ảnh có tính kiềm, vì vậy một loại axit nhẹ được sử dụng để trung hòa và ngăn chặn hành động của chúng nhanh chóng, nhưng axit axetic thường được sử dụng để lại mùi giấm nồng trong phòng tối.

Axit xitric / kali-natri xitrat có thể được sử dụng như một chất điều chỉnh axit trong máu.

Thông lượng hàn. Axit xitric là một chất trợ hàn tuyệt vời, ở dạng khô hoặc ở dạng dung dịch đậm đặc trong nước. Nó nên được loại bỏ sau khi hàn, đặc biệt là với dây tốt, vì nó ăn mòn nhẹ. Nó hòa tan và rửa sạch nhanh chóng trong nước nóng.

Tổng hợp các hợp chất hữu cơ khác


Axit citric là một tiền chất đa năng của nhiều hợp chất hữu cơ khác. Các con đường khử nước tạo ra axit itaconic và anhyride của nó. [36] Axit xitraconic có thể được sản xuất thông qua quá trình đồng phân hóa nhiệt của anhydrit axit itaconic. Anhydrit axit itaconic cần thiết thu được bằng cách chưng cất khô axit xitric. Axit aconitic có thể được tổng hợp bằng cách khử axit xitric bằng axit sunfuric:

(HO2CCH2) 2C (OH) CO2H → HO2CCH = C (CO2H) CH2CO2H + H2O
Axit axeticacboxylic cũng có thể được điều chế bằng cách khử cacbonyl hóa axit xitric trong axit sunfuric bốc khói:

Sự an toàn

Mặc dù là một axit yếu, việc tiếp xúc với axit citric nguyên chất có thể gây ra các tác dụng phụ. Hít phải có thể gây ho, khó thở hoặc đau họng. Ăn quá nhiều có thể gây đau bụng và đau họng. Dung dịch đậm đặc tiếp xúc với da và mắt có thể gây đỏ và đau. Tiêu thụ lâu dài hoặc lặp đi lặp lại có thể gây mòn răng

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *