Zitronensäure

Strukturformel
Zitronensäure - Citric acid.png
Allgemeines
Name	Zitronensäure
Andere Namen	Citronensäure, 3-Carboxy-3-hydroxypentandisäure, 2-Hydroxy-1,2,3-propantricarbonsäure, E 330
Summenformel	C₆H₈O₇
CAS-Nummer	77-92-9
Kurzbeschreibung	weißer, geruchloser Feststoff
Eigenschaften
Molmasse	192,43 g/mol
Aggregatzustand	fest
Dichte	1,665 g/cm³
Schmelzpunkt	- ; beginnende Zersetzung: 153 °C
Siedepunkt	- ; Zersetzung: 200 °C
Dampfdruck	< 0,1 hPa (20 °C)
Löslichkeit	leicht löslich in Wasser: 771 g/l, bei 20°C; löslich in Ethanol: 383 g/l, bei 25°C, unlöslich in Chloroform
Sicherheitshinweise

R- und S-Sätze	R: 36 S: 26
MAK	nicht festgelegt aufgrund unzureichender Bewertungsgrundlage

Zitronensäure (auch, besonders fachsprachlich: Citronensäure), nach IUPAC als 3-Carboxy-3-hydroxy-pentan-1,5-disäure bezeichnet, ist ein farbloser, wasserlöslicher Feststoff. Mit dem Begriff Citrat bezeichnet man ein Salz der Zitronensäure.

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.

Geschichte

Zitronensäure wurde 1784 von Carl Wilhelm Scheele erstmals aus dem Saft der Zitrone - daher der Name - isoliert.

Vorkommen

Zitronensäure ist eine der am weitesten verbreiteten Säuren im Pflanzenreich und tritt als Stoffwechselprodukt in allen Organismen auf. Zitronensaft enthält beispielsweise 5 bis 7% Zitronensäure. Sie kommt aber auch in Äpfeln, Birnen, Himbeeren, Johannisbeeren, in Nadelhölzern, Pilzen, Tabakblättern, im Wein und sogar in der Milch vor. Noch bedeutender ist die Zitronensäure (beziehungsweise ihre Salze, die Citrate) als wichtiges Zwischenprodukt im Kohlenhydrat-Stoffwechsel aller sauerstoffverbrauchenden Lebewesen einschließlich des Menschen. Die Stoffwechselfolge (siehe Biochemie) ist als Citratzyklus (Tricarbonsäurezyklus, Krebszyklus) bekannt.

Gewinnung und Darstellung

Herstellung aus Zitrusfrüchten

Nach dem ursprünglichen Verfahren wurde Zitronensäure aus Zitrusfrüchten gewonnen: Zitronensaft wird mit konzentrierter Ammoniaklösung versetzt und filtriert. Das lösliche Ammoniumcitrat wird mittels einer Fällungsreaktion mit Calciumchlorid in unlösliches Calciumcitrat umgewandelt. Die Lösung wird erneut filtriert und der Filterkuchen in 25%-iger Schwefelsäure gelöst. Nach der anschließenden Filtration wird eine Zitronensäurelösung gewonnen. Als Nebenprodukt entsteht Gips. Die reine Zitronensäure erhält man durch Kristallisation.

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.

Eigenschaften

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: 3g/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.

Chemische Eigenschaften

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

Deprotonierung/Salzbildung
Substitutionsreaktionen am Carbonylkohlenstoff:

Verwendung

Die gelöste Säure wirkt kalklösend und wird in ökologischen Reinigungsmitteln eingesetzt. Kalk wird dabei nicht nur durch die saure Wirkung, sondern auch durch Bildung eines Komplexes gelöst, so dass Citronensäure besonders gut kalklösend wirkt. Im Gegensatz zum beißenden Geruch der ebenfalls für diesen Zweck verwendeten Essigsäure entsteht keine Geruchsbelästigung. Allerdings sind die Komplexe nicht hitzebeständig und zerfallen beim Erhitzen zu unlöslichem Calciumcitrat.

Zitronensäure und ihre Salze werden von der Lebensmittelindustrie als Säuerungsmittel und zur Konservierung verwendet, beispielsweise in Getränken. Sie ist in Brausepulver und -stäbchen enthalten. Als Lebensmittelzusatzstoff trägt Zitronensäure die Bezeichnung E 330.

Die Zitronensäure hat die Eigenschaft, dass sie die Blutgerinnung verhindert. Deshalb konserviert man Blutspenden in Beuteln, die eine Zitronensäure-Lösung enthalten. Auch verdünnt man das normalerweise dickflüssige Blut in einer Zitronensäurelösung, damit man es analysieren kann.

Eine spezielle Verwendung ist der Einsatz in Zellseparatormaschinen. Dabei wird einer Person über eine Vene Blut entnommen, in der Maschine die gewünschten Blutbestandteile (zum Beispiel Blutplättchen, welche für die Blutgerinnung (Hämostase) notwendig sind) herausgefiltert und das restliche Blut dem Patienten über einen Schlauch in die Vene zurückgegeben. Damit das Blut in der Maschine nicht gerinnt - Blutgerinnsel können für die angeschlossene Person lebensgefährlich sein - wird dem Blut Zitronensäure zugegeben.

Als Heilmittel ist Zitronensäure nicht geeignet, da selbst Personen, die an eine Zellseparatormaschine angeschlossen sind, ein unangenehmes Kribbeln im Gesicht und in den Armen verspüren.

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

Einsatzgebiete der Salze der Zitronensäure:

Citrate werden als Wasserenthärter eingesetzt.
Natriumcitrat wird in der Medizin verwendet, um die Gerinnung einer Blutprobe zu verhindern. Als Lebensmittelzusatzstoff E 331 bildet es einen Bestandteil von Brausepulver.
Calciumcitrat-haltige Präparate werden von der Wellness-Industrie als Nahrungsergänzungsstoff angepriesen. Ähnliche Präparate werden auch Hunden verabreicht, weil man erwartet, dass die darin enthaltenen Calcium-Ionen ein kräftiges Gebiss und starke, gesunde Knochen erzeugen.
Die Nahrungsergänzung Magnesiumcitrat soll den Magnesiumspiegel im Körper erhöhen.
Die Salze Trinatriumcitrat und Trilithiumcitrat werden in der Bauchemie - je nach zugesetzter Menge - als Verzögerer oder Beschleuniger für zementäre Massen eingesetzt.
Sildenafil-Citrat ist der Wirkstoff des Potenzmittels Viagra.

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.

Literatur

Rolf D. Schmid: Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. 2., akt. u. erw. Aufl.. Wiley VCH, 2006, ISBN 3527313109

Wiki/Weblinks

Chemische Verbindung | Carbonsäure

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