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クエン酸は、化学式C 6 H 8 O 7で表される有機化合物です。[ 10 ]無色の弱有機酸です。[ 10 ]柑橘類に天然に存在します。生化学では、すべての好気性生物の代謝で起こるクエン酸回路の中間体です。[ 10 ]
毎年200万トン以上のクエン酸が製造されています。クエン酸は、酸味料、香料、保存料、キレート剤として広く使用されています。[ 11 ]
クエン酸塩はクエン酸の誘導体であり、クエン酸の溶液や塩に含まれる塩、エステル、多原子陰イオンを指します。前者の例としては、塩としてクエン酸三ナトリウム、エステルとしてクエン酸トリエチルが挙げられます。クエン酸三陰イオンが塩の一部である場合、クエン酸三陰イオンの式は C 6 H 5 O 7 3–または C 3 H 5 O(COO) 3 3–と表記されます。
クエン酸は、さまざまな果物や野菜に含まれており、特に柑橘類に多く含まれています。レモンとライムは特にクエン酸の濃度が高く、これらの果物の乾燥重量の最大8%を占めることがあります（ 果汁では約47 g/L [ 12 ]）。[ a ] 柑橘類のクエン酸濃度は、オレンジやグレープフルーツの0.005 mol/Lからレモンやライムの0.30 mol/Lまで幅広く、これらの値は品種や果物が栽培された環境によって種内で変動します。
クエン酸は1784年に化学者のカール・ヴィルヘルム・シェーレによって初めて単離され、レモン果汁から結晶化されました。[ 13 ] [ 14 ]
工業規模でのクエン酸生産は、1890年にイタリアの柑橘類産業を基盤として初めて開始されました。この産業では、果汁を水酸化カルシウムで処理してクエン酸カルシウムを沈殿させ、それを分離して希硫酸を用いて酸に戻していました。[ 15 ] 1893年、C. Wehmerはペニシリウム菌が糖からクエン酸を生成できることを発見しました。 [ 16 ]しかし、微生物によるクエン酸生産が工業的に重要になったのは、第一次世界大戦によってイタリアの柑橘類輸出が途絶えた時でした。
1917年、アメリカの食品化学者ジェームズ・カリーは、アスペルギルス・ニガーというカビの特定の株がクエン酸を効率的に生産できることを発見し[ 17 ] 、2年後に製薬会社ファイザーがこの技術を使用して工業規模の生産を開始し、 1929年にはシトリック・ベルジュがそれに続いた。現在でもクエン酸の主要な工業的製造ルートとして使用されているこの製造技術では、アスペルギルス・ニガーの培養物をショ糖またはグルコースを含む培地で培養してクエン酸を生産する。糖の供給源は、コーンスティープリカー、糖蜜、加水分解コーンスターチ、またはその他の安価な炭水化物溶液である[ 18 ]。得られた懸濁液からカビを濾過した後、水酸化カルシウムで沈殿させてクエン酸カルシウム塩を生成することによりクエン酸を分離し、柑橘類の果汁からの直接抽出と同様に、硫酸で処理してクエン酸を再生する。
1977年、レバー・ブラザーズ社は、高圧条件下でアコニット酸カルシウム塩またはイソクエン酸カルシウム塩（アロイソクエン酸カルシウム塩とも呼ばれる）からクエン酸を化学合成する特許を取得しました。この方法では、逆の非酵素的クレブス回路反応と思われる反応により、ほぼ定量的にクエン酸が生成されました。[ 19 ]
クエン酸の工業規模生産は、化学合成または柑橘類からの抽出のどちらも可能であるが、実際に行われている方法は、カビ（および場合によっては酵母）による発酵がほぼ唯一の方法である。[ 20 ]
2018年の世界生産量は200万トンを超えました。[ 21 ]この量の50%以上は中国で生産されました。50%以上が飲料の酸度調整剤として、約20%がその他の食品用途、20%が洗剤用途、10%が化粧品、医薬品、化学工業などの食品以外の用途に使用されました。[ 15 ]
クエン酸は一水和物として存在することが知られているが、熱水からの結晶化によって無水物を得ることができる。
一水和物から水分を蒸発させて無水物を生成するには、約80 ℃まで加熱すればよいが、これは湿度が約50％以下の範囲であれば、常温でも時間をかけてゆっくりと風解によって起こることもある。
クエン酸は、15 ℃では無水エタノールに溶解する（エタノール100部に対しクエン酸76部） 。約175 ℃以上では二酸化炭素を放出して分解する。
クエン酸は三塩基酸であり、 25 °Cでイオン強度ゼロに外挿したp Ka値は 3.128、4.761、および 6.396 である。 [ 22 ]ヒドロキシル基のp Kaは13 C NMR 分光法により14.4 であることがわかっている。[ 23 ] 化学種図は、クエン酸溶液がpH 2 ～ pH 8付近の緩衝溶液であることを示している。pH 7 付近の生物系では、存在する 2 つの化学種はクエン酸イオンと一水素クエン酸イオンである。SSC 20X ハイブリダイゼーションバッファーは、よく使用される例である。[ 24 ] [ 25 ]生化学研究用にまとめられた表が利用可能である。[ 26 ]
逆に、1 mMのクエン酸溶液のpHは約3.2になります。オレンジやレモンなどの柑橘類 の果汁のpHはクエン酸の濃度によって異なり、クエン酸の濃度が高いほどpHは低くなります。
クエン酸の酸塩は、化合物を結晶化する前にpHを慎重に調整することによって調製できる。例えば、クエン酸ナトリウムを参照のこと。
クエン酸イオンは金属カチオンと錯体を形成する。これらの錯体の形成の安定定数はキレート効果のためかなり大きい。したがって、アルカリ金属カチオンとも錯体を形成する。しかし、3つのカルボキシレート基すべてを使用してキレート錯体が形成されると、キレート環は7員環と8員環になり、一般的に小さなキレート環よりも熱力学的に不安定になる。その結果、水酸基は脱プロトン化され、クエン酸鉄アンモニウム、[ NH + 4 ] 5 Fe 3+ (C 6 H 4 O 4− 7 ) 2 · 2H 2 Oのように、より安定な5員環の一部を形成することができる。[ 27 ]
クエン酸は、その3つのカルボン酸基のうち1つ以上でエステル化されて、さまざまなモノエステル、ジエステル、トリエステル、および混合エステルを形成することができる。[ 28 ]
クエン酸は、動物、植物、細菌の中心的な代謝経路であるクエン酸回路（トリカルボン酸回路、またはクレブス回路とも呼ばれる）の中間体です。クレブス回路では、クエン酸シンターゼがオキサロ酢酸とアセチルCoAの縮合を触媒してクエン酸を生成します。クエン酸はアコニターゼの基質として働き、アコニット酸に変換されます。このサイクルはオキサロ酢酸の再生で終了します。この一連の化学反応は、高等生物における食物由来エネルギーの3分の2の源となっています。放出された化学エネルギーは、アデノシン三リン酸（ATP）の形で利用可能です。ハンス・アドルフ・クレブスは、この発見により1953年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。
クエン酸はミトコンドリアから細胞質へと輸送され、脂肪酸合成のためのアセチルCoAとオキサロ酢酸に分解されます。クエン酸はこの変換の正の調節因子であり、アセチルCoAカルボキシラーゼという酵素をアロステリックに調節します。この酵素は、アセチルCoAからマロニルCoAへの変換（脂肪酸合成における決定的な段階）を調節する酵素です。つまり、クエン酸は細胞質へと輸送され、アセチルCoAに変換され、その後、アセチルCoAカルボキシラーゼによってマロニルCoAに変換されます。このアロステリック調節はクエン酸によって行われます。
細胞質内の高濃度のクエン酸は、解糖系の律速段階の触媒であるホスホフルクトキナーゼを阻害する可能性がある。この効果は有利である。高濃度のクエン酸は、生合成前駆体分子が豊富にあることを示しているため、ホスホフルクトキナーゼが基質であるフルクトース6-リン酸分子を解糖系に送り続ける必要がない。クエン酸は、解糖系を行う必要がないことを示すもう一つの兆候である高濃度のATPの阻害効果を増強することによって作用する。 [ 29 ]
クエン酸は骨の重要な成分であり、アパタイト結晶の大きさを調節するのに役立つ。[ 30 ]
クエン酸は最も強い食用酸の一つであるため、食品や飲料、特に清涼飲料水やキャンディーの香料および保存料として主に使用されています。[ 15 ]欧州連合では、E番号E330で示されています。さまざまな金属のクエン酸塩は、多くの栄養補助食品で、それらのミネラルを生物学的に利用可能な形で供給するために使用されます。クエン酸は 100gあたり247kcalです 。[ 31 ]米国では、食品添加物としてのクエン酸の純度要件は、米国薬局方（USP）が発行する食品化学規格で定義されています。
クエン酸は、乳化剤としてアイスクリームに加えることで脂肪の分離を防ぎ、キャラメルに加えることでショ糖の結晶化を防ぎ、またレシピでは生のレモン果汁の代わりに使用できます。クエン酸は、炭酸水素ナトリウムとともに、経口摂取用（粉末や錠剤など）およびパーソナルケア用（バスソルト、バスボム、油汚れの洗浄など）の幅広い発泡性製剤に使用されています。乾燥粉末状のクエン酸は、食卓塩と見た目が似ていることから、スーパーや食料品店で「酸っぱい塩」としてよく販売されています。純粋な酸が必要な料理用途では、酢やレモン果汁の代替品として使用されます。クエン酸は、通常はアルカリ性の染料のpHレベルを調整するために、食品着色料にも使用できます。
クエン酸は優れたキレート剤であり、金属と結合することで金属を溶解させます。ボイラーや蒸発器からの水垢の除去や蓄積防止に使用されます。 [ 15 ]水処理にも使用でき、石鹸や洗濯洗剤の効果を高めるのに役立ちます。硬水中の金属をキレートすることで、これらの洗剤は泡立ちが良くなり、軟水化の必要なくより効果的に機能します。クエン酸は、一部の浴室や台所用洗浄液の有効成分です。6%濃度のクエン酸溶液は、こすらずにガラスの硬水による汚れを除去します。クエン酸はシャンプーに使用して、髪からワックスや染料を洗い流すことができます。クエン酸のキレート能力を示す例として、1940年代のマンハッタン計画中に、クエン酸はランタニドの完全なイオン交換分離に使用された最初の成功した溶出剤でした。 [ 34 ] 1950年代には、はるかに効率的な[ 35 ] EDTAに取って代わられた。
クエン酸は、クリーム、ジェル、液体などの酸味料として使用されます。食品や栄養補助食品に使用される場合、技術的または機能的な効果（酸味料、キレート剤、増粘剤など）を目的として添加された場合は、加工助剤として分類されることがあります。微量しか残っておらず、技術的または機能的な効果がもはや存在しない場合は、表示義務が免除される場合があります（21 CFR §101.100(c)）。
クエン酸はアルファヒドロキシ酸であり、ケミカルピーリングの有効成分である。[ 37 ]
クエン酸は、ブラウンヘロインの溶解度を高める緩衝剤として一般的に使用されている。[ 38 ]
クエン酸は、抗ウイルス特性を持つフェイシャルティッシュの製造における有効成分の1つとして使用されています。[ 39 ]
クエン酸塩の緩衝特性は、家庭用洗剤や医薬品のpH調整に利用されている。[ 40 ] [ 41 ]
クエン酸は、酸性染料を用いた布地染色において、白酢の無臭代替品として使用される。[ 42 ]エステル化反応によって布地と染料を架橋し、媒染プロセスを促進することができる。[ 43 ]
クエン酸ナトリウムは、還元糖の定性的および定量的同定に使用されるベネディクト試薬の成分である。[ 44 ]
クエン酸は、ステンレス鋼の不動態化において硝酸の代替として使用できる。[ 45 ]
クエン酸は、写真フィルムの現像工程の一部として、低臭性の停止液として使用できます。写真現像液はアルカリ性なので、弱酸を使用して中和し、その作用を迅速に停止させますが、一般的に使用される酢酸は暗室に強い酢の臭いを残します。[ 46 ]
クエン酸は、乾燥状態でも濃縮水溶液としても優れたはんだ付け用フラックスです[ 47 ]。腐食性が弱いため、特に細いワイヤーをはんだ付けした場合は、はんだ付け後に除去する必要があります。熱湯に溶けやすく、すすぎも簡単です。
アルカリクエン酸塩は、尿中クエン酸塩濃度を上昇させることで腎結石の抑制剤として使用でき、カルシウム結石の予防に役立ち、尿pHを上昇させることで尿酸結石やシスチン結石の予防に役立ち、腎結石の抑制剤として使用できます。[ 48 ]
クエン酸は、他の多くの有機化合物の汎用性の高い前駆体です。脱水反応により、イタコン酸とその無水物が得られます。[ 49 ]シトラコン酸は、イタコン酸無水物の熱異性化によって製造できます。[ 50 ]必要なイタコン酸無水物は、クエン酸の乾留によって得られます。 アコニット酸は、硫酸を用いたクエン酸の脱水によって合成できます。[ 51 ]
アセトンジカルボン酸は、クエン酸を発煙硫酸中で脱炭酸することによっても調製できる。 [ 52 ]
クエン酸は弱酸ですが、純粋なクエン酸に曝露すると悪影響が生じる可能性があります。吸入すると、咳、息切れ、喉の痛みを引き起こす可能性があります。過剰摂取すると、腹痛や喉の痛みを引き起こす可能性があります。濃縮溶液が皮膚や目に触れると、発赤や痛みを引き起こす可能性があります。[ 53 ]長期または繰り返し摂取すると、歯のエナメル質の侵食を引き起こす可能性があります。[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]
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