柠檬酸，英文名（Citric acid），又名枸 酸， 分子式 为C₆H₈O₇， 属于天然 有机酸 ，广泛存在于 柑橘属 果实或者 寒香蜜葡萄 、 盐水凤梨 、梅、梨、桃等果实中，也是动物体 代谢产物 之一。 无色 晶体 ，无臭，易溶于水，微溶于乙醚，不溶于苯、 甲苯 、 四氯化碳 等有机 溶剂 ，有很强的酸味， 加热易分解、 具有金属 合能力。 柠檬酸在工业上常采用微生物发酵法来制取，是食品、医药、化工等领域应用最广泛的有机酸之一。 此外，柠檬酸也作为重要中间产物参与了 柠檬酸循环 过程，从而使得该循环成为生物体最为重要的代谢循环之一。
历史
1784年， 瑞典 化学家 卡尔·舍勒 （Scheel）首次从柠檬汁中提出柠檬酸并结晶出固体柠檬酸。而后在1838年， 德国 化学家 李比希 （Liebig）鉴别柠檬酸为带有一个 羟基 的 三元酸 。
在1860年， 意大利 开发了在 果汁 中添加 石灰乳 的办法得到柠檬酸的方法，并开始推行工业化生产， 此后该法逐渐推广，到1880年，美、法、德等国也实现了利用果汁生产柠檬酸的工业化方法。直到20世纪初，从果汁中提取柠檬酸的一直是工业化生产柠檬酸的主要方法，然而，该法产量很低。
直至1893年，德国微生物学者韦默（Wehmer）发现一种 青霉菌 能够产柠檬酸，但因菌种易退化、易感染 杂菌 ，导致该法在1903 年经过试生产后便停止。 虽然青 霉菌 产柠檬酸并未全面工业化生产，但该法为后来者提供了利用霉菌生产柠檬酸的思路。到1913年时，Zahorski首次筛选出 黑曲霉 为发酵微生物来生产柠檬酸。 该法的突破性发展则是在1916年，Currie从大量菌株中分离获得 黑曲霉 ，制备了大量柠檬酸，并发现低pH和高 底物 浓度条件是产生大量柠檬酸的重要原因，为柠檬酸发酵生产工业化生产奠定了基础。
黑曲霉法的首次正式工业化生产是 比利时 一家工厂在1919年实现的，该厂首次使用黑曲霉浅盘法成功工业化生产了大量柠檬酸。随后在1923年，美国 辉瑞公司 公司也采用黑曲浅盘发酵法成功工业化生产柠檬酸。此后， 黑曲霉 发酵法被世界各国相继采用，在1951年，世界柠檬酸年产量达到25000吨左右。 但是到了1952年，美国Miles公司率先使用深层发酵法大规模生产柠檬酸后，该法便逐渐替代浅层发酵法成为主流。 1977年，Lever Brothers公司获得了化学合成柠檬酸的专利，从而推动世界柠檬酸工业的迅速发展。
而柠檬酸不仅仅只是工业生产，生物体内也会有柠檬酸的生成，该过程为 柠檬酸循环 ，由生物化学家 汉斯·克雷布斯 提出，该项成就也使得他在1953年获得了 诺贝尔奖 。 2018年，柠檬酸全球产量超过200万吨。
分布
柠檬 酸因最初来自柠檬而得名。广泛存在于 柑橘属 果实及 葡萄 、 醋栗 、 覆盆子 、 盐水凤梨 、梅、梨、桃等果实中，尤以未成熟的果实居多，其中，柠檬酸在未成熟的柠檬中含量可达6%。此外，在烟叶和菜豆叶等一些植物的叶子里也含有柠檬酸。柠檬酸也能以游离状态或以金属盐的形式存在于动物的骨骼、肌肉、血液、乳汁、唾液、汗和尿中，是主要 代谢产物 之一。
理化性质
物理性质
柠檬酸为无色透明或半透明 晶体 ，或（微）粒状粉末，无臭，有强烈酸味。 柠檬酸的结构中同时存在 羟基 和 羧基 ，因此在水中溶解性非常好。 在一些有机 溶剂 中，它可溶于 乙醇 ，微溶于 乙醚 ，不溶于苯、 甲苯 、 四氯化碳 。 柠檬酸晶体可由较高温度（>36.6℃）的 水溶液 中结晶析出的。其晶体形态为 单斜晶系 的 棱柱 形-双 棱锥 体。
化学性质
柠檬酸是带有一个羟基的三元羧酸，学名为2-羟基丙烷[wán]三酸、2-羟基丙烷-1，2，3-三酸，具有酸的通性。此外，其分子结构中存在羟基和羧基连接于一个碳原子，且羟基处于α位，因此柠檬酸也属于α-羟基酸。柠檬酸的化学性质还包括：在15℃时，可溶解于无水乙醇，溶解度为每100份乙醇中含76份柠檬酸，且能与乙醇发生酯化反应生成柠檬酸乙酯；当温度超过175℃时，会发生分解反应，释放出二氧化碳；在pH约为7的生物体系中，主要以柠檬酸根离子（C₆H₅O₇³⁻）和柠檬酸单氢根离子（C₆H₆O₇²⁻）两种形式存在。
酸性
一分子的柠檬酸具有三个 羧酸 ，因此可经过三步 电离 电离出3个H⁺而具有酸性（ 电离方程式 和电离 常数 如下所示），可以使得蓝色 石蕊试纸 变红。 。柠檬酸具有酸味纯正，温和芳香的特点，是最可口的 有机酸 。此外，柠檬酸也能和多种香料混合产生清爽的酸味。
与金属螯合
柠檬酸结构中具有三个 羧基 ，羧基上的 氧原子 又都含有 孤对 电子 ，因此它具有强 螯合作用 ，可以螯合金属离子形成稳定的螯合物。
与碱反应
柠檬酸不仅可以和碱发生酸碱 中和反应 生成盐类物质和水，还可以在 碱液 中煮沸得到 丙烯酸 （C₃H₄ O₂ ）。柠檬酸也可与 碳酸钾 （K₂CO₃）或 氢氧化钾 （ KOH ）或 硝酸 共熔得到 草酸 和 醋酸 或其他盐类。柠檬酸与 钠盐 （ NaCl ）加 生石灰 干馏 可得到 丙酮 。此外，柠檬酸也能与碱或盐组成pH范围较大的 中和剂 。
与酸反应
在常温下，柠檬酸和 发烟硫酸 混合反应即可得到 乌头酸 ，微热后则生成 3- α-酮戊二酸 。在温度为40 ℃下，柠檬酸和 硫酸 反应可产生丙 、 CO₂ 、CO等，当温度升至150 ℃ ，则可生成 乌头 酸酐 ，进一步加热至200 ℃时，则生成双康酸 （C₉H₁₀O₆）及CO、 CO₂ 等。
当与柠檬酸相混合的 硫酸 浓度不同时会得到不同的产物，当与浓度低于94%的硫酸混合时，低温下会生成 3-酮戊二酸；当与浓度低于60%的硫酸混合时，加热时生成乌头酸。
柠檬酸与1份酸及2份硫酸反应生成硝酸 C₃H₅(ONO₂）(COOH)₃。
受热分解
柠檬酸受热可以分解成多种产物，各产物之间可相互转化。
与甘油作用
柠檬酸与 甘油 混合 干馏 可得到 丙酮 、CO、 CO₂ 和 甘油 内醚 丙酮酸 。当柠檬酸与 甘油 混合共热至 100 ℃，可生成玻璃状物质柠檬酸甘油酯。当温度加热至170 ℃时且 甘油 用量较多时，产物可得 香茅属 二甘油 (C₂H₁₈O₁₁)。
一份柠檬酸与三份 甘油 共热时可反应生成柠檬酸三甘油酯。当调整反应当量比时，产物呈现胶状或者固体状的 没药树 状物质，有的不溶于水，也有的溶于水。
其他反应
柠檬酸溶于 氯化钠 浓溶液中与氯作用生成 六氯丙酮 及 三氯甲烷 。100 ℃时，柠檬酸与 高锰酸钾 （KMnO₄）反应生成3- α-酮戊二酸 及 CO₂ ，在60 ℃时不生成 丙酮 ，仅有 甲醛 与CO₂，在35 ℃以上时生成酸，其中氧化生成的3-酮戊二酸与溴反应生成五 溴丙酮 沉淀，可作为定性或者定量柠檬酸的方法。此外，柠檬酸在日光下还能被高铁离子氧化为丙酮、水及 CO₂ 。对于柠檬酸 水溶液 来说，滴加数滴 15%TiCl₃溶液后，在常温下无反应，煮沸会产生白色沉淀。
同分异构
柠檬酸：柠檬酸还与 异柠檬酸 互为同分异构体。其中，柠檬酸是 叔醇 ，不易氧化。而异柠檬酸是 仲醇 ，容易氧化。异柠檬酸是 三羧酸循环 途径中的中间产物。用酵母菌发酵柠檬酸会产生大量的异柠檬酸，可通过诱变手段选育出只生成极少量的异柠檬酸的突变株。
生物作用
柠檬酸主要在生物体中的参与过程是柠檬酸循环。柠檬酸循环又称为三羧酸循环或 krebs 循环，因该循环中第一个中间产物是柠檬酸，而柠檬酸是有三个 羧基 的羧酸，因此被发现者生物化学家 克雷布斯 所命名，该项成就也使得他在1953年获得了 诺贝尔奖 。
柠檬酸循环普遍存在于动物、植物和微生物细胞中，这一过程中的一系列 酶促反应 的场所均为 线粒体基质 。 其反应过程如下：当 细胞 处于有氧条件下的时候， 糖酵解 过程产生的 丙酮酸 会进入 线粒体 中并被降解为乙 CoA，然后与四碳化合物 草酰乙酸 反应形成柠檬酸，这便是该循环的起始步骤。柠檬酸经过2步异构化反应得到 异柠檬酸 ，然后经进一步氧化为6碳化合物草酰琥珀酸，再脱羧会形成 五碳化合物 α-酮戊二酸 。然后，α-酮戊二酸再经历 氧化脱羧 会得到四碳化合物 琥珀酰辅酶A 。此后，琥珀酰-CoA经历四次转化，最后重新形成草酰乙酸，从而完成 柠檬酸循环 。 其中，过程中脱去的 羧基 形成 CO₂， 氢原子 则随着载体（NAD+、FAD）进入 电子传递链 后被氧化和 磷酸化 后得到 水分子 并释放出能量形成 ATP 。
因此，柠檬酸循环可与 糖酵解 共同构成糖的有氧氧化途径，成为生物机体分解 糖类 氧化其他物质并获得能量的主要途径。此外，柠檬酸酸循环也是糖、脂肪和 蛋白质 等物质代谢和转化的枢纽。另一方面，该循环中产生乙酰 CoA 、 草酰乙酸 、 α-酮戊二酸 、柠檬酸、 琥珀酸 CoA 和 延胡索酸 等中间产物也是合成糖、 脂肪酸 、和氨基酸和 卟啉 等的原料和碳 骨架 ，从而成为各种物质代谢的枢纽。
工业生产柠檬酸
发酵法生产
原料
工业上生产柠檬酸主要依靠微生物发酵法。其中，发酵原料主要为 糖类 和正 烷烃 。 糖类 在自然界分布十分广泛，可分为薯类、谷类、淀粉、 淀粉糖 。正烷烃原料可以是10~20碳链的石油馏出物。
发酵菌
产生柠檬酸的微生物有很多，例如 黑曲霉 、 棒曲霉 、淡黄 青霉 、橘青霉、 绿色木霉 及 假丝酵母属 中的一些种。工业生产上，原料不同，对应使用的微生物也会不同。 其中， 黑曲霉 是食品级安全的 褐腐菌 ，具有酶系丰富、发酵效率高、副产物少等优势，是工业生产柠檬酸的最重要的菌种。
发酵工艺
微生物发酵产柠檬酸是一个好氧发酵过程，因此存在发酵工艺有深层法、表面法、固体法、半固体法、生化 反应器 法。深层法是将 氧气 通入到液相中，使微生物利用溶解氧来发酵，表面和固体法是微生物利用环境 中气 相氧来发酵。其中，已经工业化的方法为表面法和深层法，但是表面法存在生成效率低下和劳动强度大的缺陷，因此，工业生产柠檬酸最先进的是深层法。
为得到高质量高产量的柠檬酸，在发酵过程中还得注意控制适宜的微生物发酵温度（35~37 ℃）、 黑曲霉 的生长pH（约4.5）以及适量的溶解氧度。
发酵机理
黑曲霉 利用 糖类 发酵生成柠檬酸的发酵机理是： 葡萄糖 经 糖酵解 途径 （EMP）、 戊糖磷酸途径 (HMP) 途径分解转化为 丙酮酸 ，丙酮酸一部分 氧化脱羧 得到 乙酰辅酶A （ 乙酰CoA ），另一部分与CO₂反应生成 草酰乙酸 ，生成的草酰乙酸与乙酰CoA 缩合生成柠檬酸并进入 柠檬酸循环 ，并通过该循环不断累积柠檬酸。
提取方法
经过微生物发酵后，发酵液除含有柠檬酸和水，还包括发酵过程残存的其他杂质，因此，需要利用提取手段从 混合物 中分离提取出柠檬酸产品。 常见的提取方法有： 钙盐 交换法 、萃取法 、离子交换法 、色谱分离法 、 电渗析 法 。
应用领域
食品工业
在饮料和酿酒领域，添加柠檬酸不仅能增加饮品的水果味，而且还可以增强饮品的增溶、缓冲等效果。柠檬酸还可交融协调色素、香气、糖分等组分，形成调和的口味和香气。柠檬酸作为第一食用酸味剂，具有酸味柔和的特点，广泛用于汽水、 果汁 、 水果罐头 等。 在 果酱 和 果冻 的生产中，柠檬酸可用于调节产品pH到 果胶 凝结 的窄范围并赋予产品酸味。在 糖果 生产中，还可以改进风味和防止 蔗糖 结晶析出。
此外，柠檬酸除了能够调节食品风味外，还可以增加食品的 抗氧化 性和稳定性，例如提高冷冻食品的稳定性，防止脂肪、油还有腌制品类食品变质、发臭等，若和 柠檬酸钠 并用也可增加 冰激凌 和酸奶的 乳化 稳定性。
在医药，美容化妆品上的应用
在医药行业，柠檬酸可作 发泡剂 ，与 碳酸钠 水溶液 共同反应产生大量 CO₂（泡腾），使药物中的活性配料能够快速溶解并改善味觉效果。
在美容化妆领域里，柠檬酸属于 果酸 的一种，可以加快皮肤 角质 更新，是乳液、乳霜、洗发精的配料之一；在 发蜡 的制备过程中，作为金属离子 合剂，可增强发蜡的防腐作用。
在化学清洗上的应用
柠檬酸可作为高效清洗剂，能有效除去金属表面的 氧化物 ，常常被应用于清洗金属表面的钙、镁、铁、铬、铜等污垢。 此外，柠檬酸也可以作为 助洗剂 来改善 洗涤剂 的性能，达到迅速沉淀金属离子、保持洗涤必要的碱性、污垢和灰分散和悬浮的效果，使得污渍从洗涤物上脱离。
在动物生产上的应用
在动物饲料中添加柠檬酸可提高饲料的适口性，激发动物食欲的味蕾 细胞 ，进而增强动物的采食量，并促进对营养物质消化吸收能力， 食入的柠檬酸也会抑制动物肠道内的细菌生长从而保持动物 肠道菌群 健康； 柠檬酸还能作为饲料的 防霉剂 和 抗氧化剂 ，抑制有害微生物的生长和毒素的产生，提高抗氧化效果， 阻止或延缓饲料氧化， 延长饲料的 保质期 。
其他
柠檬酸可作为混凝土 缓凝剂 ，延长混凝土 凝结 时间，防止龟裂； 在 电镀 中，柠檬酸在镀 、铬、金等领域稳定电镀过程，因此可用作电镀 缓冲剂 和 络合剂 ； 柠檬酸可作为螯合剂用于 乙烯 聚合改良橡胶生产。当柠檬酸作为 聚丙烯 塑料的 发泡剂 时，具有发泡均匀，缺陷少的优势； 柠檬酸可作为卫生衬纸的pH调节剂，调节生产环境从而降低原料用量； 柠檬酸也可作为生产塑料膜 增塑剂 的酯类物质（三 乙酯 ， 丁酯 和 乙酰 三丁酯）的合成原料； 在 烟道 气 中去除 二氧化硫 的工艺中，柠檬酸络合离子可与 硫化氢 反应生成硫和 柠檬酸盐 来达到去除有害气体的作用。
安全事宜
柠檬酸是人体中 柠檬酸循环 的重要 中间体 ，毒性小。 联合国粮食及农业组织 世界卫生组织 (FAO/WHO)(1994) 对柠檬酸的 ADI 不作限制性规定， 美国食品和药物管理局 ( 美国食品药品监督管理局 )及美国食用香料制造者协会 (FEMA)将柠檬酸列为一般公认为安全品(GRAS)。
虽然柠檬酸在人体内无累积作用，但多次内服大量含高度柠檬酸的饮料，可腐蚀牙珐琅质。因此柠檬酸在食品中不应过量，应取一个适中值：例如在各类饮料中的用量一般为1.2~1.5 g/kg，浓缩 果汁 为1~3 g/kg；在一些水果蔬菜调味中，例如，鲜蘑菇、 芹菜 罐头顶煮液的柠檬酸的用量为0.7~1 g/kg；在水果硬糖中的柠檬酸用量为4~14 g/kg；水果味 冰棍 雪糕 的用量为0.5~0.65 g/kg。