Zitronensäure

Zitronensäure (fachsprachlich vorwiegend: Citronensäure, systematisch nach IUPAC: 2-Hydroxypropan-1,2,3-tricarbonsäure) ist eine farblose, wasserlösliche Festkörpersäure. Mit dem Begriff Citrat bezeichnet man ein Salz der Zitronensäure und allgemein deprotonierte Formen.

In der Biochemie spricht man auch oft von Citrat, wenn die im wässrigen Milieu einer Zelle vorkommende dissoziierte Ionenform der Zitronensäure gemeint ist.

Neben der wasserfreien Variante existiert das Zitronensäuremonohydrat (C₆H₈O₇ · H₂O, CAS-Nr.: 5949-29-1), das pro Molekül Zitronensäure ein Molekül Kristallwasser enthält.

Inhaltsverzeichnis

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

[Bearbeiten] Geschichte

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

[Bearbeiten] Vorkommen

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

Diese Verbreitung kommt daher, dass die Zitronensäure 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.

[Bearbeiten] Gewinnung und Darstellung

[Bearbeiten] Herstellung aus Zitrusfrüchten

Nach dem ursprünglichen Verfahren wurde Zitronensäure aus Zitrusfrüchten gewonnen: Zitronensaft wird mit konzentrierter Ammoniaklösung versetzt, eingedickt und filtriert. Das leicht lösliche Ammoniumcitrat wird mittels einer Fällungsreaktion 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 Zitronensäurelösung gewonnen. Die reine Zitronensäure erhält man durch Kristallisation.

[Bearbeiten] Biotechnologische Herstellung

Zitronensäure wird heutzutage industriell mit Hilfe einer transgenen Variante des Schimmelpilzes Aspergillus niger gewonnen, der bei niedrigen pH-Werten und unter Eisenmangel bei starker Glucose- und Sauerstoff-Zufuhr in und nach der späten logarithmischen Wachstumsphase Zitronensäure ausscheidet, da sein Citratzyklus gestört wird.

[Bearbeiten] Eigenschaften

Zitronensäurekristalle

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

Zitronensäure wird aufgrund ihrer drei Carboxylgruppen (-COOH) zu den organischen Tricarbonsäuren (siehe Carbonsäure) gezählt. Zudem weist die Hydroxylgruppe (-OH) an Position 3 des Kohlenstoffrückgrates sie als Hydroxycarbonsäure aus. Das Molekül weist keine Chiralität auf. In kristalliner Form wirkt Zitronensäure mit Wasser komplexbildend.

Eine wässrige Lösung der Zitronensäure leitet den elektrischen Strom, da die Carboxylgruppen Protonen abspalten und somit bewegliche Ladungsträger (Ionen) in der Lösung vorliegen. Die drei Säuredissoziationskonstanten der Zitronensäure sind pK₁ = 3,14, pK₂ = 4,76 und pK₃ = 6,39. Der teil- beziehungsweise vollständig dissoziierte Säurerest der Zitronensäure wird als Zitrat (Citrat) bezeichnet.

[Bearbeiten] Chemische Eigenschaften

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

Deprotonierung/Salzbildung
Substitutionsreaktionen am Carbonylkohlenstoff:

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

[Bearbeiten] Verwendung

Zitronensäre wirkt kalklösend nicht nur durch die saure Wirkung, sondern auch durch Bildung eines Kalzium-Komplexes und wird oft in Reinigungsmitteln eingesetzt. Damit wird der unangenehme Geruch von Essigreinigern vermieden. Allerdings sind die Komplexe nicht hitzebeständig und zerfallen beim Erhitzen zu unlöslichem Calciumcitrat.

Zitronensäure 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. Zitronensäure wird insbesondere in Limonaden und Eistee verwendet, kommt aber in Fruchtsäften auch natürlich vor. Die Zitronensäure ist in der EU als Lebensmittelzusatzstoff der Nummer E 330 zugelassen.

Wird durch gesäuerte Lebensmittel oder auch durch Säuren, die sich im Mund aus Zucker bilden können, der pH-Wert deutlich abgesenkt, so kann es zur Schädigung des Zahnschmelzes kommen (siehe Zahnkaries). Hierfür ist nicht speziell Zitronensäure verantwortlich, sondern auch andere in Lebensmitteln verwendete oder natürlich vorhandene Säuren (z.B.Phosphorsäure, Ascorbinsäure und die Fruchtsäuren). Bei normaler Ernährung werden diese Säuren aber durch die Speichelinhaltsstoffe so abgepuffert, dass kein Schaden entsteht. Dagegen hat die Füllung von Babyflaschen mit gezuckertem Zitronentee durch Dauerbelastung zu verheerenden Zahnschäden bei mehreren Jahrgängen von Kleinkindern geführt, bis das Problem erkannt und abgestellt wurde.

Zitronensäure und ihre Salze (Citrate) verhindern die Blutgerinnung. Deshalb konserviert man Blutspenden in Beuteln, die eine Citratpufferlösung enthalten. Auch verdünnt man das normalerweise dickflüssige Blut für Analysen mit Citratpuffer. Eine spezielle Verwendung ist der Einsatz in Zellseparatoren. Dabei wird aus einer Vene Blut entnommen, im Gerät die gewünschten Blutbestandteile (zum Beispiel Blutplättchen) herausgefiltert und das restliche Blut in die Vene zurückgeführt. Damit das Blut im Gerät keine gefährlichen Gerinnsel bildet, wird es mit Citratpuffer versetzt.

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

Weitere Einsatzgebiete der Salze der Zitronensäure:

Zitronensäure wird als Wasserenthärter und alternativer Weichspüler eingesetzt.
Calciumcitrat-haltige Präparate werden von der Wellness-Industrie als Nahrungsergänzungsstoff angepriesen. 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 z.B. Wadenkrämpfen vorbeugen sowie die allgemeine Leistungsfähigkeit steigern.
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 in einer Citratform dargereicht (z.B. Sildenafil-Citrat in Viagra).

[Bearbeiten] Biologische Bedeutung

Citrat gilt als einer der wichtigsten Inhibitoren der Harnsteinbildung. Erniedrigte Werte an Citrat im Urin erhöhen 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.