クエン酸：構造、特性、製造および用途 - 化学 - 2025

クエン酸はその化学式であり、弱酸からなる有機化合物であるC ₆ H ₈ O ₇。その名前が示すように、その主な天然源の1つは柑橘系の果物であり、苦いという意味のラテン語「柑橘類」からも派生しています。

弱酸であるだけでなく、多塩基性でもあります。つまり、複数の水素イオンH ^+を放出できます。それは正確にトリカルボン酸なので、H ⁺イオンを提供する3つの–COOHグループを持っています。彼らはそれぞれ自分の環境に自分自身を解放する独自の傾向があります。

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したがって、その構造式はC ₃ H ₅ O（COOH）₃としてより適切に定義されます。これは、たとえばオレンジセグメントの特徴的なフレーバーへの寄与の化学的理由です。それは果物に由来しますが、その結晶は1784年までイギリスのレモンジュースから分離されませんでした。

レモンやグレープフルーツなどの柑橘類の約8質量％を占めます。ピーマン、トマト、アーティチョーク、その他の食品にも含まれています。

クエン酸はどこにありますか？

それはすべての植物や動物に低い比率で見られ、生物の代謝産物です。これは、トリカルボン酸回路またはクエン酸回路に存在する好気性代謝の中間化合物です。生物学または生化学では、このサイクルは代謝の両親媒性経路であるクレブスサイクルとしても知られています。

植物や動物に自然に見られることに加えて、この酸は発酵により大規模に合成的に得られます。

食品業界、医薬品、化学薬品で広く使用されており、天然の防腐剤として機能します。それとその派生物は、固体および液体食品に風味を付けるために、産業レベルで大量に製造されています。

さまざまな皮膚美容製品の添加剤としての使用を見つけます。それはまたキレート剤、酸性化および酸化防止剤として使用されます。ただし、高濃度または純粋な濃度での使用は推奨されません。それは刺激、アレルギー、さらには癌を引き起こす可能性があるので。

クエン酸の構造

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上の画像では、クエン酸の構造が球と棒のモデルで表されています。よく見ると、3つの炭素の骨格であるプロパンを見つけることができます。

中央の炭素原子は、-OH基にリンクしています。これは、カルボキシル基の存在下で、-COOHは「ヒドロキシ」という用語を採用しています。3つの–COOHグループは、左端と右端、および構造の上部で簡単に認識できます。H ⁺が解放されるのはこれらからです。

一方、–OHグループは酸性プロトンを失う可能性もあるため、合計で3つのH ⁺ではなく4つになります。しかし、後者はかなり強い塩基を必要とし、その結果、クエン酸の酸性特性へのその寄与は、-COOH基のそれに比べてはるかに低くなります。

上記のことから、クエン酸は2-ヒドロキシ-1,2,3-トリカルボン酸プロパンとも呼ばれます。

C-2には–OHグループがあり、–COOHグループに隣接しています（構造の上部中央を見てください）。このため、クエン酸もアルファヒドロキシ酸の分類に該当します。ここで、アルファは「隣接」を意味します。つまり、–COOHと–OHを分離する炭素原子は1つだけです。

分子間相互作用

理解できるように、クエン酸構造は水素結合を供与および受容する高い能力を有する。これにより、水との関連性が高くなり、一水和物固体の菱面体晶が非常に簡単に形成される理由にもなります。

これらの水素結合は、クエン酸の無色の単斜晶を生成する原因でもあります。熱水で形成し、完全に蒸発させると、無水結晶（水なし）が得られます。

物理的及び化学的性質

分子量

210.14 g / mol。

外見

無色無臭の酸結晶。

味

酸味と苦味。

融点

153°C

沸点

175°C

密度

1.66 g / mL。

溶解度

水溶性の高い化合物です。また、エタノールや酢酸エチルなどの他の極性溶媒にも非常によく溶けます。ベンゼン、トルエン、クロロホルム、キシレンなどの非極性および芳香族溶媒では不溶性です。

pKa

-3.1

-4.7

-6.4

これらは、3つの–COOHグループのそれぞれのpKa値です。3番目のpKa（6,4）はわずかにわずかに酸性であるため、ほとんど解離しないことに注意してください。

分解

極端な温度または175°Cを超えると分解してCO ₂と水を放出します。したがって、液体は最初に分解するため、大きな沸騰には至りません。

デリバティブ

それはH ^+を失うので、他の陽イオンが代わりになりますが、イオン的な方法で。すなわち、-COOの負電荷である^-基は、Naなどの正電荷、他の種引き付ける^+します。脱プロトン化されたクエン酸が多いほど、クエン酸塩と呼ばれるその誘導体が持つカチオンが多くなります。

一例は、クエン酸ナトリウムであり、凝固剤として非常に有用なキレート効果を持っています。したがって、これらのクエン酸塩は溶液中で金属と錯体を形成します。

一方、-COOH基のH ⁺は、R側鎖などの他の共有結合された種で置換することもでき、クエン酸エステルC ₃ H ₅ O（COOR）_{3が生成され}ます。

すべてのHを必ずしもRで置き換える必要があるわけではなく、陽イオンで置き換える必要があるため、多様性は非常に優れています。

製造

クエン酸は炭水化物の発酵によって自然にそして商業的に得られるように作り出すことができます。その生産は、今日ではあまり普及していない化学プロセスを使用して合成的に行われています。

この化合物は世界中で高い需要があるため、いくつかのバイオテクノロジープロセスがその製造に使用されています。

化学合成または合成

-これらの化学合成プロセスの1つは、イソクエン酸カルシウム塩から高圧条件下で行われます。柑橘類から抽出した果汁を水酸化カルシウムで処理し、クエン酸カルシウムを得る。

次に、この塩を抽出し、希硫酸溶液と反応させます。その機能は、クエン酸塩を元の酸の形にプロトン化することです。

-また、クエン酸は、グリセリンからその成分をカルボキシル基で置き換えることにより合成されました。今述べたように、これらのプロセスは大規模なクエン酸生産には最適ではありません。

ナチュラル

体内では、クエン酸は好気性代謝で自然に生成されます：トリカルボン酸サイクル。アセチルコエンザイムA（アセチル-CoA）がサイクルに入ると、オキサロ酢酸と結合してクエン酸を形成します。

そして、アセチル-CoAはどこから来るのでしょうか？

脂肪酸、炭水化物、その他の基質の異化反応では、アセチルCoAがO _2の存在下で生成されます。これは、脂肪酸のベータ酸化、解糖で生成されるピルビン酸の変換の産物として形成されます。

クレブス回路またはクエン酸回路で形成されたクエン酸は、アルファケトグルタル酸に酸化されます。このプロセスは、両親媒性の酸化還元経路を表しており、そこからエネルギーまたはATPを生成する等価物が生成されます。

しかしながら、好気性代謝の中間体としてのクエン酸の商業生産は、利益も満足のいくものでもなかった。有機的な不均衡の条件下でのみ、この代謝産物の濃度を上げることができますが、これは微生物にとっては実行可能ではありません。

発酵により

菌類やバクテリアなどの微生物は、糖を発酵させることでクエン酸を生成します。

微生物発酵からのクエン酸の生産は、化学合成によってそれを得るよりも良い結果をもたらしました。研究ラインは、この大規模な商業的生産方法に関連して開発され、大きな経済的利点を提供しています。

産業レベルでの栽培技術は時間とともに変化してきました。表面発酵および液中発酵の培養が使用されています。液中培養は、微生物が液体培地に含まれる基質から発酵を生成する培養です。

嫌気性条件下で行われる液中発酵によるクエン酸製造プロセスは最適でした。

Aspergillus niger、Saccahromicopsis spなどの一部の菌類、およびBacillus licheniformisなどの細菌は、このタイプの発酵で高収量を得ることができました。

Aspergillus nigerやcandida spなどの真菌は、糖蜜や澱粉の発酵の結果としてクエン酸を生成します。とりわけ、サトウキビ、トウモロコシ、ビート糖も発酵基質として使用されます。

用途

クエン酸は、食品業界、医薬品の製造で広く使用されています。また、無数の化学プロセスやバイオテクノロジープロセスで使用されています。

食品業界では

-クエン酸は、心地よい酸味を与えるため、主に食品業界で使用されます。水に非常に溶けやすいため、飲み物、お菓子、キャンディー、ゼリー、冷凍果物に添加されています。また、ワイン、ビール、その他の飲料の製造にも使用されます。

-酸味を追加することに加えて、アスコルビン酸またはビタミンCを保護する微量元素を不活性化します。また、アイスクリームやチーズの乳化剤としても機能します。食品のpHを下げることにより、酸化酵素の不活性化に貢献します。

-食品に添加された防腐剤の効果を高めます。比較的低いpHを提供することにより、微生物が加工食品中で生存する可能性を減らし、それによってそれらの貯蔵寿命を延ばします。

-油脂では、クエン酸は、このタイプの栄養素が持つ可能性のある（すべての脂肪成分の）相乗的な抗酸化効果を強化するために使用されます。

製薬業界では

-クエン酸はまた、医薬品の味と溶解を改善するために製薬業界の賦形剤として広く使用されています。

-重炭酸塩と組み合わせて、粉末製品や錠剤製品にクエン酸を添加して、発泡剤として機能させます。

-クエン酸の塩は、カルシウムをキレート化する能力があるため、抗凝固剤としての使用を可能にします。クエン酸は、クエン酸塩などのミネラルサプリメントで投与されます。

-腸レベルで吸収プロセスの媒体を酸性化することによるクエン酸は、ビタミンといくつかの薬物の摂取を最適化します。その無水形態は、結石の溶解において他の薬物の補助剤として投与されます。

-それはまた酸味料、収斂剤として、さまざまな医薬品の有効成分の溶解を促進する薬剤として使用されます。

化粧品業界および一般的に

-トイレタリーや化粧品では、金属イオンのキレート剤としてクエン酸が使用されます。

-一般的に金属を洗浄および研磨し、それらを覆う酸化物を除去するために使用されます。

-低濃度では、環境や自然に優しいエコロジークリーニング製品の添加剤として機能します。

-用途は多岐にわたります。写真試薬、テキスタイル、革のなめしに使用されます。

-印刷インキに追加。

毒性

その毒性の報告は、とりわけ、高濃度のクエン酸、曝露時間、不純物に関連しています。

希釈されたクエン酸溶液は、健康に危険や危険を及ぼすことはありません。ただし、純粋な、または濃厚なクエン酸は安全上の問題を引き起こすため、消費してはなりません。

純粋または濃縮されており、皮膚や目、鼻、喉の粘膜に接触すると腐食性で刺激性があります。摂取するとアレルギー性皮膚反応、急性毒性を引き起こすことがある。

純粋なクエン酸ダストの吸入も気道の粘膜に影響を与える可能性があります。吸入は、息切れ、アレルギー、呼吸器粘膜の感作を引き起こす可能性があり、喘息を引き起こす可能性さえあります。

生殖毒性の影響が報告されています。クエン酸は遺伝的欠陥を引き起こし、生殖細胞に変異を引き起こします。

そして最後に、それは水生生物にとって危険または有毒であると考えられており、一般に濃クエン酸は金属を腐食します。

参考文献

1. BellChem（2015年4月21日）。食品産業におけるクエン酸の使用。から回復：bellchem.com
2. ヴァンデンベルヘ、ルシアナP. S、ソッコール、カルロスR、パンデイ、アショク、ルボー、ジャンミッシェル。（1999）。クエン酸の微生物生産。ブラジルの生物学と技術のアーカイブ、42（3）、263-276。dx.doi.org/10.1590/S1516-89131999000300001
3. PubChem。（2018）。クエン酸。リカバリー元：pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. ウィキペディア。（2018）。クエン酸。から回復：en.wikipedia.org
5. Whitten、K.、Davis、R.、Peck M. and Stanley、G.（2008）。化学。（8 ^ava。Ed）。CENGAGE学習：メキシコ。
6. Berovic、M.およびLegisa、M.（2007）。クエン酸の生産。バイオテクノロジー年次レビュー。回収元​​：researchgate.net