Lexikon Citronensäure

Citronensäure (auch Zitronensäure, systematisch nach IUPAC: 2-Hydroxypropan-1,2,3-tricarbonsäure) ist eine farblose, wasserlösliche Carbonsäure, die zu den Fruchtsäuren zählt. Mit dem Begriff Citrat bezeichnet man ein Salz der Citronensäure, sowie das darin enthaltene Anion, also die deprotonierte Form.

Neben der wasserfreien Variante existiert das Citronensäuremonohydrat (C₆H₈O₇ · H₂O), das pro Molekül Citronensäure ein Molekül Kristallwasser enthält.

Inhaltsverzeichnis

1 Geschichte
2 Vorkommen
3 Gewinnung und Darstellung
- 3.1 Herstellung aus Zitrusfrüchten
- 3.2 Biotechnische Herstellung
4 Eigenschaften
- 4.1 Chemische Eigenschaften
5 Verwendung
6 Biologische Bedeutung
7 Einzelnachweise
8 Literatur
9 Weblinks

Geschichte

Citronensäure wurde 1784 von Carl Wilhelm Scheele erstmals aus dem Saft der Zitrone – daher der Name – isoliert. Allerdings dürfte Citronensäure schon den ersten Alchemisten bekannt gewesen sein, wenn auch unter anderem Namen. Bereits im 9. Jahrhundert soll der arabische Alchemist Dschābir ibn Hayyān (Geber) Citronensäure entdeckt haben.

Vorkommen

Citronensäure ist eine der am weitesten verbreiteten Säuren im Pflanzenreich und tritt als Stoffwechselprodukt in allen Organismen auf. Zitronensaft enthält beispielsweise 5–7 % Citronensäure. Sie kommt aber auch in Äpfeln, Birnen, Sauerkirschen, Himbeeren, Brombeeren, Johannisbeeren, in Nadelhölzern, Pilzen, Tabakblättern, im Wein und sogar in der Milch vor.

Diese Verbreitung kommt daher, dass die Citronensäure als namengebendes Zwischenprodukt im sog. Citratzyklus (auch Tricarbonsäurezyklus, Krebszyklus) auftritt, der eine Schlüsselrolle im Kohlenhydrat- und Fettsäure-Stoffwechsel aller sauerstoffverbrauchenden Lebewesen, einschließlich des Menschen einnimmt. Dieser Zyklus liefert auch die molekularen Grundstrukturen für den Aufbau der meisten Aminosäuren.

Gewinnung und Darstellung

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18:57, 15. Mär. 2012 (CET)

Herstellung aus Zitrusfrüchten

Nach dem ursprünglichen Verfahren wurde Citronensäure aus Zitrusfrüchten gewonnen: Zitronensaft wird mit konzentrierter Ammoniaklösung versetzt, eingedickt und filtriert. Das leicht lösliche Ammoniumcitrat wird durch Fällung mit Calciumchlorid in schwerer lösliches Calciumcitrat umgewandelt. Die Lösung wird erneut filtriert und der Filterkuchen in 25%-iger Schwefelsäure gelöst, wobei noch schlechter lösliches Calciumsulfat (Gips) ausfällt. Nach erneuter Filtration wird eine Citronensäurelösung gewonnen. Die reine Citronensäure erhält man durch Kristallisation.

Biotechnische Herstellung

Citronensäure wird industriell durch die Fermentation zuckerhaltiger Rohstoffe wie Melasse und Mais hergestellt. Für die Fermentation werden Aspergillus niger-Stämme verwendet. Dabei kommen vor allem in den USA und in China oft transgene Varianten des Schimmelpilzes zum Einsatz, in Europa ist dies nicht gestattet. Bei der Citronensäure-Produktion müssen besonders drei Bedingungen erfüllt sein:

Hoher Glucose- und Sauerstoffgehalt im Nährmedium
Niedriger pH-Wert (pH < 3). Dieser bewirkt zum einen, dass das Folgeenzym der Citratsynthetase im Citratzyklus, die Aconitase, gehemmt wird. Ein solch niedriger pH-Wert liegt fern des pH-Optimums des Enzyms und dadurch sinkt dessen Aktivität stark ab. Dies führt dazu, dass die gebildete Citronensäure von den Pilzen nur in geringem Maße weiter verstoffwechselt wird. Zum anderen wird die Außenmembran der Pilzzellen instabil und die Citronensäure wird in das Außenmedium abgegeben. Hinzu kommt, dass die Kontaminationsgefahr durch unerwünschte Fremdorganismen bei derart niedrigem pH-Wert niedrig ist.
Niedrige Fe²⁺-Konzentration (< 5 mg/l). Dadurch fehlt der Aconitase der Cofaktor. Die Fe²⁺-Ionen werden durch Zugabe von Kaliumhexacyanidoferrat(III) gebunden. Mn²⁺-Konzentrationen (< 2 µg/l) führen ebenfalls zu hohen Citrat-Ausbeuten.

In der Reinheit und Verträglichkeit gibt es bei Zitronensäure auf dem Markt sehr große Unterschiede. Verschiedene Aspergillus-Niger-Stämme produzieren unter bestimmten Bedingungen so genannte Mykotoxine (Pilzgifte). Die Produktion dieser Stoffe hängt von den Wachstumsbedingungen und dem Pilz-Stamm ab und findet unter kontrollierten Bedingungen nicht statt. In hoch aufgereinigter Citronensäure finden sich keine Rückstände von Schimmelpilzen.

Eigenschaften

Citronensäurekristalle

Citronensäure bildet im wasserfreien Zustand rhombische Kristalle, die leicht sauer schmecken. In geringen Mengen eingenommen fördert Citronensäure indirekt das Knochenwachstum, weil sie die Aufnahme von Calcium begünstigt. In größeren Mengen wirkt sie jedoch toxisch (LD₅₀ bei Ratten: 3 g/kg).

Citronensäure wird aufgrund ihrer drei Carboxygruppen (–COOH) zu den organischen Tricarbonsäuren gezählt. Zudem weist die Hydroxygruppe (–OH) an Position 3 des Kohlenstoffrückgrates sie als Hydroxycarbonsäure aus.

Eine wässrige Lösung der Citronensäure leitet den elektrischen Strom, da die Carboxygruppen Protonen abspalten und somit bewegliche Ladungsträger (Ionen) in der Lösung vorliegen. Die drei Säuredissoziationskonstanten der Citronensäure sind pK_s₁ = 3,13, pK_s₂ = 4,76 und pK_s₃ = 6,4. Der teilweise beziehungsweise vollständig dissoziierte Säurerest der Citronensäure wird als Citrat bezeichnet.

Chemische Eigenschaften

Citronensäure kann viele Reaktionen eingehen, die für Carbonsäuren beschrieben werden, unter anderem

Citronensäure kann mit verschiedenen Oxidationsmitteln (beispielsweise Peroxiden oder Hypochloriten) oxidiert werden. In Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen können dabei β-Ketoglutarsäure, Oxalsäure, Kohlendioxid und Wasser entstehen.

Verwendung

Citronensäure wirkt nicht nur durch die saure Wirkung kalklösend, sondern auch durch Bildung eines Calcium-Komplexes und wird häufig in Reinigungsmitteln eingesetzt. Damit wird der unangenehme Geruch von Essigreinigern vermieden. Allerdings sind die Komplexe nicht hitzebeständig und zerfallen beim Erhitzen zu relativ schwer löslichem Calciumcitrat. Citronensäure kann beispielsweise für die Entkalkung von Wasserkochern, Tauchsiedern, Wasserhähnen, Duschköpfen, Geschirrspülern oder Waschmaschinen verwendet werden.

Citronensäure und ihre Salze werden zur Konservierung und als Säuerungsmittel von Lebensmitteln verwendet, beispielsweise in Getränken. In Brausepulver und -stäbchen ist sie zusammen mit Natriumhydrogencarbonat enthalten. Citronensäure wird insbesondere in Limonaden und Eistee verwendet, kommt in Fruchtsäften aber auch natürlich vor. Die Citronensäure ist in der EU als Lebensmittelzusatzstoff unter der Nummer E 330 in den meisten Lebensmitteln unbegrenzt zugelassen. Eine Ausnahme bilden zum Beispiel Schokoladenerzeugnisse und Fruchtsäfte, für die nur eine begrenzte Zulassung vorliegt, und einige Lebensmittel, wie zum Beispiel Honig, Milch und Butter, für die keine Zulassung vorliegt.^[5] Da sie auch als Peptisator wirkt, wird sie auch zur Herstellung von stabilen Suspensionen eingesetzt. Der Zusatz zu Fischgerichten kann biogene Amine in nicht flüchtige Salze überführen und so den Fischgeruch mindern.

Citronensäure und ihre Salze (Citrate) verhindern die Blutgerinnung. Deshalb konserviert man Blutspenden in Beuteln, die eine Citratpufferlösung enthalten. Für Gerinnungsanalysen verwendet man sogenanntes Citratblut, bei dem Blut mit Citrat im Verhältnis 9:1 (9 Teile Blut + 1 Teil 0,11 Mol/l Natriumcitrat) gemischt wird. Eine spezielle Verwendung ist der Einsatz in Zellseparatoren. Dabei wird aus einer Vene Blut entnommen, im Gerät werden die gewünschten Blutbestandteile (zum Beispiel Thrombozyten) abgetrennt, und das restliche Blut wird in die Vene zurückgeführt. Damit das Blut im Gerät keine gefährlichen Gerinnsel bildet, wird es mit Citratpuffer versetzt.

Citronensäure wird auch als Spüllösung bei Wurzelkanalbehandlungen in der Zahnmedizin verwendet.

Weitere Einsatzgebiete der Salze der Citronensäure:

Citronensäure wird als Wasserenthärter und alternativer Weichspüler eingesetzt.
Citronensäure wird zur Passivierung von Edelstahl eingesetzt. Bei diesem Verfahren werden die freien Eisenanteile aus der Edelstahloberfläche gelöst. Dadurch wird das Chrom-Eisen-Verhältnis positiv beeinflusst, das zu einer Verbesserung der Passivschicht und damit zur Verbesserung des Korrosionsschutzes von Edelstahl führt.
Calciumcitrat-haltige Präparate werden in der Wellness-Industrie als Nahrungsergänzungsstoff verwendet.
Ähnliche Präparate werden auch Hunden zur Kräftigung von Gebiss und Knochen verabreicht.
Magnesiumcitrat soll als Präparat oder als Nahrungsergänzung den Magnesiumspiegel im Körper erhöhen und so beispielsweise Wadenkrämpfen vorbeugen, sowie die allgemeine Leistungsfähigkeit steigern.
Citronensäure wird auch als Katalysator bei der Biokohleherstellung durch Hydrothermale Carbonisierung verwendet.^[6]
Die Salze Trinatriumcitrat und Trilithiumcitrat werden in der Bauchemie – je nach zugesetzter Menge – als Verzögerer oder Beschleuniger für die Aushärtung zementärer Massen eingesetzt.
Viele basische Arzneimittelwirkstoffe werden als Citrate dargereicht (beispielsweise Sildenafil-Citrat in Viagra).
Citronensäure wird zur pH-Wert-Einstellung von Kosmetika, z.B. Hautpflegelotion oder -creme, verwendet.^[7]^[8]
In hoher Dosierung wird Citronensäure auch als Rostentferner eingesetzt.

Biologische Bedeutung

Citrat gilt als einer der wichtigsten Inhibitoren der Harnsteinbildung. Erhöhte Werte an Citrat im Urin senken also das Risiko der Bildung von Harnsteinen. Das im Urin ausgeschiedene Citrat stammt einerseits aus dem Stoffwechsel (Citratzyklus), andererseits wird es mit der Nahrung aufgenommen.

Einzelnachweise

↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h Eintrag zu Zitronensäure in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 2. Dezember 2007 (JavaScript erforderlich).
↑ ^a ^b ^c Christian Beyer: Quantitative anorganische Analyse: ein Begleiter für Theorie und Praxis. Springer Science & Business, 1996, ISBN 3-528-06779-9, S. 96 (eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
↑ ^a ^b ^c Datenblatt Citronensäure bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 30. November 2009.
↑ Citric acid bei ChemIDplus.
↑ Anlage 4 (zu § 5 Abs. 1 und § 7) Begrenzt zugelassene Zusatzstoffe.
↑ Peter Brandt: Die „Hydrothermale Carbonisierung“: eine bemerkenswerte Möglichkeit, um die Entstehung von CO₂ zu minimieren oder gar zu vermeiden?, in: Journal für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit, 2009, 4 (2), S. 151–154; doi:10.1007/s00003-009-0472-7.
↑ Vollrath, Hopp: Citronensäure: Beispiel für ein biotechnisches Produkt, in: Grundlagen der Life Sciences, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2000, ISBN 978-3-527-29560-9.
↑ Professor Blumes Medienangebot: Citronensäure in der Kosmetik.