Wat is citroenzuur?
Citroenzuur is een zwak organisch zuur dat van nature voorkomt in citrusvruchten, met name citroenen en limoenen. Het is een kleurloze, kristallijne vaste stof bij kamertemperatuur met de formule C6H8O7.
Citroenzuur, een tricarbonzuur, werd oorspronkelijk verkregen en gekristalliseerd in 1784 door SCHEELE, door neerslag van calciumcitraat met limoen uit citroensap. De drie carboxyl- en één hydroxylgroep van het molecuul werden in 1838 geïdentificeerd door LIEBIG.
In het Verenigd Koninkrijk werd citroenzuur voor het eerst bereid uit calciumcitraat in 1860, en in 1880 was de productie ervan uit calciumcitraat begonnen in Frankrijk, Duitsland en de Verenigde Staten.
Citrusvruchten zijn overvloedige bronnen van citroenzuur, met fruit dat tussen de 5% en 9% citroenzuur in het sap bevat. Bovendien is citroenzuur aanwezig in verschillende andere vruchten en wordt het aangetroffen in bijna alle planten- en diersoorten.
De citroenzuurcyclus, ook wel de Krebs-cyclus of tricarbonzuurcyclus genoemd, is cruciaal bij de oxidatie van suikers en acetaten tot koolstofdioxide en water, waardoor energie vrijkomt voor fysiologische functies.
Inhoudsopgave
1. Productie van citroenzuur
Citroenzuur wordt al ongeveer 50 jaar traditioneel verkregen uit onrijpe citrusvruchten.
In Zuid-Italië was een hele industrie gewijd aan dit doel met boomgaarden en verwerkingsfaciliteiten. De procedure omvatte het persen van het sap uit onrijpe vruchten en het mengen ervan met kalk (CaO) om calciumcitraat te laten neerslaan.
De vaste stof werd vervolgens behandeld met zwavelzuur om calciumsulfaat te laten neerslaan en een oplossing te vormen waaruit citroenzuur werd gekristalliseerd.
De opbrengst van gezuiverd product was ongeveer 2-3 gew.% van het fruit en er werden ook citrusoliën verkregen. Deze methode is echter nu vervangen door fermentatie.
1.1. Productie van citroenzuur door fermentatie
Fermentatie is sinds de jaren 30 de meest kosteneffectieve methode voor het produceren van citroenzuur. Stammen van A. niger worden in dit proces gebruikt om koolhydraten om te zetten in citroenzuur.
Zowel oppervlaktefermentatie als ondergedompelde fermentatie worden gebruikt in grootschalige productie-installaties.
Sommige kleinere installaties gebruiken vaste-toestandfermentatie op basis van koolhydraten die aanwezig zijn in landbouwafval of bijproducten.
De biochemische processen die leiden tot de uitscheiding van citroenzuur zijn al meer dan een eeuw onderwerp van onderzoek door talloze onderzoekers.
De theoretische opbrengst van citroenzuurmonohydraat uit 100 kg sucrose is 123 kg, of 112 kg watervrij zuur. In het fermentatieproces gebruikt A. niger echter wat suiker voor groei en ademhaling, wat resulteert in een werkelijke industriële opbrengst die lager is dan de theoretische opbrengst.
De opbrengst varieert tussen 60 en 85% van de theoretische opbrengst, afhankelijk van factoren zoals de zuiverheid van het substraat, de specifieke stam van A. niger en de controle van de fermentatie.
1.1.1. Vaste-toestandfermentatie
Vaste-toestandfermentatie voor de productie van citroenzuur omvat het verspreiden van een landbouwresidu dat koolhydraten bevat in sleuven en het bevochtigen ervan met water.
Verschillende landbouwresten, zoals appelpulp, cassavebagasse, koffieschillen, maïskolven, druivenpulp, afval van kiwi, okara, sinaasappel, ananas en suikerriet, kunnen worden gebruikt als potentiële substraten voor de productie van citroenzuur.
Voedingsstoffen kunnen aan het water worden toegevoegd om microbiële groei te ondersteunen. De sleuf wordt vervolgens geënt met een geschikte Aspergillus-stam die de koolhydraten kan omzetten in citroenzuur.
Zodra de koolhydraten zijn uitgeput, wordt het medium gewassen met water om citroenzuur te extraheren. Het citroenzuur wordt vervolgens onderworpen aan een geschikt winnings- en zuiveringsproces.
1.1.2. Oppervlaktefermentatie
Oppervlaktefermentatie is een veelgebruikte methode voor de productie van citroenzuur, waarbij Aspergillus niger groeit op een vloeibaar substraat in verticaal gestapelde pannen in een gesteriliseerde kamer.
Het fermentatiesubstraat, meestal melasse of suikersiroop, bevat een wisselende concentratie suiker en er worden anorganische voedingsstoffen toegevoegd, zoals ammoniumnitraat, kaliumfosfaat, magnesiumsulfaat, zinksulfaat en kaliumferrocyanide.
De pH wordt aangepast tussen 3 en 7, afhankelijk van de koolhydraatbron. Inoculatie van het steriele substraat wordt uitgevoerd met A. niger-sporen, die ontkiemen en een mat van schimmel vormen op het vloeistofoppervlak. Na twee tot drie dagen begint de productie van citroenzuur en gaat door met een constante snelheid totdat ongeveer 80-90% van de suiker is verbruikt.
De fermentatie verloopt langzaam gedurende nog eens vier tot tien dagen voordat de pannen worden geleegd en het mycelium van de vloeistof wordt gescheiden. Het mycelium wordt meestal op de markt gebracht als een ingrediënt voor veevoer, terwijl de vloeistof een herstelproces ondergaat voor verdere zuivering van citroenzuur.
De kamer en pannen worden gesteriliseerd met stoom en vochtige en steriele lucht bij een gecontroleerde temperatuur wordt geïntroduceerd om de kamer tijdens de fermentatie te koelen.
Het substraat kan handmatig of automatisch worden ingebracht en kan indien nodig worden aangevuld met voedingsstoffen.
Sterilisatie kan batchgewijs of continu zijn, waarbij de laatste methode minder energie verbruikt en sneller is.
1.1.3. Ondergedompelde fermentatie
Ondergedompelde fermentatie wordt uitgevoerd in grote fermentatievaten, die sinds de tweede helft van de 20e eeuw het voorkeursproces zijn geworden voor nieuwe investeringen vanwege lagere arbeidskosten en kleinere investeringskosten, evenals compactere bouwgebieden.
De fermentatietanks zijn doorgaans hoog en smal om de zuurstofoverdracht te maximaliseren en kunnen worden uitgerust met mengapparaten.
Mengen is vooral belangrijk bij het hydrolyseren van de koolhydraatgrondstof in het fermentatievat. Voor minder viskeuze vloeibare grondstoffen zijn airlift-fermentatievaten zuiniger.
Spargers, die zich op de bodem van het vat of onder de roerder bevinden, leveren lucht die kan worden verrijkt met zuurstof. De lucht gaat door een steriel filter en wordt indien nodig gekoeld.
Omdat het proces exotherm is, moet het vat voorzien zijn van warmtewisselende oppervlakken. Dit kunnen buitenwanden of interne spoelen zijn.
Er zijn poorten voorzien voor het introduceren van substraat, inoculum en stoom of andere sterilisatiemiddelen; bemonsterings- en uitlaatpoorten zijn ook voorzien.
Het substraat wordt bereid in een aparte tank en de pH wordt aangepast.
De micronutriënten kunnen aan deze tank of direct aan de fermentor worden toegevoegd. Het substraat wordt gesteriliseerd door batchgewijs of, vaker, continu gebruik.
De fermentor wordt gesteriliseerd, gevuld met substraat en geënt. Het eigenlijke fermentatieproces verloopt in twee stappen. Een klein deel van het substraat wordt gebruikt om een zaadfermentor te vullen, die doorgaans een tiende van het volume van een hoofdfermentor bevat.
Na sterilisatie en afkoeling tot 25–35 °C worden sporen van A. niger toegevoegd. De sporen ontkiemen en myceliumpellets beginnen zich te ontwikkelen op de eerste dag van de werking. In de tussentijd wordt een hoofdfermentor gevuld met substraat, gesteriliseerd en gekoeld.
De inhoud van de zaadfermentator wordt vervolgens in de hoofdfermentator gepompt, waar de omzetting van de koolhydraten onmiddellijk begint. Fermentatie in de hoofdfermentator duurt 3-7 dagen, afhankelijk van het substraat en de gebruikte procesomstandigheden.
Nadat de fermentatie is voltooid, wordt de luchttoevoer gestopt om te voorkomen dat de micro-organismen het citroenzuur consumeren. De inhoud wordt vervolgens naar roterende vacuüm- of bandpersfilters gepompt om het mycelium van de vloeistof te scheiden.
Net als bij het oppervlaktefermentatieproces wordt het mycelium gewassen en wordt het doorgaans gecommercialiseerd als ingrediënt voor veevoer.
Bijna al het citroenzuur wereldwijd wordt verkocht als kristallijne producten. Om citroenzuurkristallen van voedingskwaliteit te produceren, wordt het citroenzuur eerst geïsoleerd uit de fermentatiebouillon, gevolgd door zuivering van de ruwe citroenzuuroplossing. Tot slot wordt de gezuiverde citroenzuuroplossing gekristalliseerd en verpakt.
2. Chemische reacties van citroenzuur
Bij een temperatuur van 175 °C ondergaat citroenzuur dehydratie om aconietzuur te vormen, dat vervolgens koolstofdioxide kan verliezen om itaconzuuranhydride te vormen. Dit laatste kan zich herschikken tot citraconzuuranhydride of kan water toevoegen om itaconzuur te vormen.
Op dezelfde manier kan citraconzuuranhydride worden omgezet in citraconzuur bij toevoeging van water. Mesaconzuur, het trans-isomeer van citraconzuur, kan worden verkregen door een citraconzuuroplossing te verdampen in aanwezigheid van salpeterzuur.
Wanneer citroenzuur wordt geoxideerd met kaliumpermanganaat, wordt 1,3-acetondicarbonzuur verkregen bij 35 °C, terwijl oxaalzuur wordt gevormd bij 85 °C. Fusie van citroenzuur met kaliumhydroxide levert een mengsel van oxaalzuur en azijnzuur op.
Citroenzuur kan mono-, di- en tribasische zouten vormen met verschillende kationen, en de mate van hydratatie van deze zouten kan variëren. Trinatriumcitraat kan bijvoorbeeld kristalliseren met 2 of 5,5 moleculen water. De combinatie van verschillende metaalkationen kan leiden tot complexe zouten, zoals ZnNa3H(C6H5O7)2 en ZnNa4(C6H5O7)2.
Talrijke metalen kunnen stabiele complexen vormen met citroenzuur, waarbij sommige complexen, zoals ferroammoniumcitraten, kunnen kristalliseren.
Het complex gevormd door koper en citroenzuur lijkt op het koper-wijnsteenzuurcomplex van Fehling’s oplossing, en verschillende klassieke methoden zijn gebruikt om deze complexen te bestuderen.
Citroenzuur kan veel metaalionen in oplossing cheleren door bindingen te vormen tussen de carboxyl- of hydroxylgroepen van het citroenzuurmolecuul en het metaalion.
Soms is er meer dan één citroenzuurmolecuul betrokken bij de interactie met het metaalion. Deze eigenschap is nuttig om neerslag te voorkomen, het chemische potentieel te veranderen en andere chemische eigenschappen te modificeren.
Citroenzuur kan onder normale omstandigheden worden veresterd met veel alcoholen in aanwezigheid van een katalysator, zoals zwavelzuur, p-tolueensulfonzuur of een zuurionenuitwisselingshars.
Verestering zonder katalysator met alcoholen die koken boven 150 °C is ook mogelijk. Benzylchloride en natriumcitraat kunnen bijvoorbeeld di- of tribenzylesters produceren, en trimethyl-, triethyl- en tributylcitraat worden vaak gebruikt als weekmakers in voedselverpakkingsmaterialen.
Polyesters kunnen worden gevormd door citroenzuur te laten reageren met dihydrische alcoholen, dihydrische fenolen en polyhydrische alcoholen zoals mannitol, sorbitol en glycerol.
De veresteringsreactie kan soms worden gestopt voordat deze is voltooid, waardoor een van de carbonzuurgroepen vrij is om een zout te vormen. De resulterende polyester kan oplosbaar zijn in water.
Citroenzuur kan reageren met zuurchloriden en anhydriden bij de hydroxylgroep, waardoor allylesters van citroenzuur ontstaan. Bis(citroenzuuresters) kunnen worden verkregen uit dicarbonzuurchloriden.
Epoxiden, waaronder ethyleenoxide, propyleenoxide en styreenoxide, kunnen polymeren vormen door te reageren met citroenzuur of zijn esters bij beschikbare hydroxyl- en carboxylgroepen.
Citroenzuur kan reageren met ammoniak, aminen, amiden en carbamiden op een manier die vergelijkbaar is met eenvoudige carbonzuren. Aldehyden kunnen ook adducten vormen met citroenzuur, zoals anhydromethyleencitroenzuur 5-oxo-1,3-dioxolaan-4,4-diazijnzuur.
3. Toepassingen van citroenzuur
Citroenzuur en de natrium- of kaliumzouten worden veel gebruikt in verschillende voedingsproducten, waaronder koolzuurhoudende dranken, droge dranken, vruchtendranken, jam, gelei en ingeblikt fruit.
Ze spelen ook een cruciale rol bij het behoud van de kleur, smaak en vitamine-inhoud van verse en bevroren groenten en fruit, evenals bij de productie van plantaardige oliën.
In farmaceutische toepassingen wordt citroenzuur voornamelijk gebruikt als anticoagulant bij bloedopslag en in bruistabletten.
Citroenzuur wordt veel gebruikt in reinigingsprocessen, met name bij het verwijderen van kalkaanslag uit boilers en warmtewisselaars vanwege het chelerende vermogen.
Talrijke industriële toepassingen van citroenzuur profiteren van de krachtige sequestrerende werking met verschillende overgangsmetalen, zoals ijzer, koper, nikkel, kobalt, chroom en mangaan.
Citroenzuur wordt veel gebruikt als detergentbuilder, met name in vloeibare formuleringen. Bovendien kunnen de oplossingen zwaveldioxide uit gassen verwijderen en micronutriënten in meststoffen chelateren.
Citroenzuuresters, zoals trimethyl-, triethyl- en tributylcitraat, worden gebruikt als weekmakers voor kunststofverpakkingen voor levensmiddelen.
Referentie
- Citric Acid; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a07_103.pub3
