摘要：柠檬酸以其独特的性质在食品加工业中广泛应用，是一种用量较大的食品添加剂。本文概述了柠檬酸的性状、限量标准、生产工艺、检测及其在食品工业中的主要用途。

关键词：限量标准、生产工艺、来源、检测、应用

引言：

柠檬酸是一种有机化合物，天然柠檬酸在自然界分布很广。在生物化学中，它是柠檬酸循环的中间体，发生在所有需氧生物的代谢中。柠檬酸是食品工业中用量最大的酸味剂。柠檬酸的超过200万吨的生产每年，被广泛用作酸化剂、调味剂和螯合剂。我国的酸味剂消费也以柠檬酸为主。

1 性状特点[1]

柠檬酸，又名枸橼酸、3-羧基-3-羟基戊二酸、2-羟基丙烷-1,2,3-三羧酸，分子式为C?H?O?，结构式如下图1所示，是一种重要的有机酸，有3个H+可以电离，为无色晶体，无臭，有很强的酸味，易溶于水、乙醇、乙醚，不溶于苯，微溶于氯仿，相对密度1.542 g/m3，熔点 153℃，是天然防腐剂和食品添加剂。

图1 柠檬酸分子的结构式

图2 柠檬酸球棍模型

图3 柠檬酸外观图

1.%2 结晶形态

柠檬酸结晶形态因结晶条件不同而不同，柠檬酸种类有一水合物和无水物两种。柠檬酸可从无水形式或一水合物形式获得。柠檬酸在热水中结晶成无水形式，而在冷水中结晶时形成一水合物。一水合物可在约 78℃ 下转化为无水形式，柠檬酸在 15℃ 时也溶于无水乙醇，它在约 175 ℃ 以上分解并失去二氧化碳。

2.%2 酸味纯正

1% 的无水柠檬酸溶液pH 值为 2.31，呈酸性，其刺激阀值(感官上能尝出酸味的最低浓度)最大为 0.08%，最小为0.0025%。柠檬酸酸味纯正，在所有有机酸中是最适宜人食用的 ,并能与多种香料混合产生清爽的酸味，故适用于许多食品。

3.%2 螯合力强

柠檬酸分子中有三个羧基，是多元酸，羧基中的氧原子能提供孤对电子，因而柠檬酸可作为螯合剂，它能与可接受电子的金属离子相键合形成稳定的环状鳌合物，由于螯合效应，形成这些复合物的稳定常数非常大，从而封锁金属离子使其失去催化能力，延缓油脂的酸败、变味，果蔬的褐变等，而且柠檬酸能与本身量之20% 的金属离子螯合，是食用酸中螯合作用最强的酸。

4.%2 能与碱或盐组成缓冲剂

柠檬酸是一种三元酸，外推至零离子强度的pKa值在 25 ℃下分别为 3.128、4.761 和 6.396，[2] 能与碱组成广泛 pH 范围的缓冲溶液。

5.%2 毒性小

在人体中柠檬酸为三羧酸循环的重要中间体，毒性小。联合国FAO/WHO（1994）对柠檬酸的ADI不做限制性规定，我国规定柠檬酸可按正常生产需要添加。柠檬酸为食用酸类，可增强体内正常代谢，适当的剂量对人体无害。

2 限量标准

虽然柠檬酸除了在葡萄酒标准中有明确限量以外，在其它产品中没有限量要求，但是已有报道柠檬酸如果过量的加入能够引起一些疾病，在某些食品中加入柠檬酸后口感好，并可促进食欲，在中国允许果酱、饮料、罐头和糖果中使用柠檬酸。虽然柠檬酸对人体无直接危害，但它可以促进体内钙的排泄和沉积，如长期食用含柠檬酸的食品，有可能导致低钙血症，并且会增加患十二指肠癌的几率[3]。其理化指标如下表1所示。

表1 理化指标[4]

表2 柠檬酸作为食品添加剂的限量标准[5]

柠檬酸作为添加剂的食品分类	功能	最大使用量g/kg
原味发酵乳	乳化剂	5.0
稀奶油	乳化剂	按生产需要适量使用
黄油和浓缩奶油	乳化剂	20.0
生湿面制品（面条、饺子皮、馄饨皮等）	乳化剂	按生产需要适量使用
生干面制品	乳化剂	30.0
其他糖和糖浆（如红糖）	乳化剂	6.0
香辛料类	乳化剂	5.0
婴幼儿配方食品	乳化剂	按生产需要适量使用
婴幼儿配方食品	酸度调节剂	按生产需要适量使用
婴幼儿断奶期食品	乳化剂、酸度调节剂	按生产需要适量使用
咖啡饮料类	乳化剂	按生产需要适量使用
葡萄酒	乳化剂	0.018

3 发展历史

（1）1784年，化学家卡尔·威廉·舍勒首次从柠檬汁中分离出柠檬酸[6]。

（2）1890年，工业规模的生产开始，以意大利柑橘业为基础，用熟石灰，即氢氧化钙处理果汁以沉淀柠檬酸钙，用稀硫酸将被分离出的柠檬酸钙转化为柠檬酸。1893年，化学家卡尔·韦莫发现青霉素可以从糖中生产柠檬酸。然而，柠檬酸在工业生产中的重要性是在第一次世界大战中断意大利柑橘出口才显现出来。

（3）1917年，美国食品化学家 James Currie 发现黑曲霉的某些菌株可以成为高效的柠檬酸生产菌，两年后，辉瑞制药公司开始使用这种技术进行工业级生产。这种技术仍然是当今使用的柠檬酸的主要工业路线，黑曲霉的培养物在含蔗糖或葡萄糖的培养基上喂养以生产柠檬酸。糖的来源是玉米浆、糖蜜、水解玉米淀粉或其他廉价的含糖溶液。[7]从所得溶液中滤出霉菌后，通过用氢氧化钙沉淀柠檬酸来分离柠檬酸，以产生柠檬酸钙盐，通过硫酸处理从中再生柠檬酸，如直接从柑橘类果汁中提取。

（4）1977年，Lever Brothers获得了一项专利，用于在高压条件下从乌头酸或异柠檬酸/异柠檬酸钙盐开始化学合成柠檬酸。[8]

（5）2018年全球产量超过 2,000,000 吨，预计到2024年市场规模将接近300万吨。[9]这一产量的50% 以上是在中国生产的。超过50% 的柠檬酸用作饮料中的酸度调节剂，约20% 用于其他食品应用，20% 用于洗涤剂应用，10% 用于食品以外的应用，如化妆品、药品和化学工业。

4 主要来源

天然的柠檬酸存在于植物如柠檬、柑橘、菠萝等果实和动物的骨骼、肌肉、血液中，人工合成的柠檬酸是用砂糖、糖蜜、淀粉、葡萄等含糖物质发酵而制得的。

通常情况下，淀粉类物质为柠檬酸的主要来源。首先将淀粉质的原料粉碎，然后给粉碎的原料加入适量的水并搅拌，将拌合料进行发酵，发酵之后通过过滤得到滤液，在滤液中加入碳酸钙发生中和反应，过滤出柠檬酸钙，使用硫酸对柠檬酸钙进行酸解并过滤，对滤液进行离子交换脱色，之后浓缩、结晶，再干燥就得到了白色粉末状的柠檬酸。[10]

橡子淀粉含量丰富，干果含50%以上的淀粉，在食品工业中目前主要集中在淀粉的加工应用上，但人类对橡子的利用率极低，只有少量的橡子用于加工淀粉生产凉粉、面条等，大量的果实散落腐烂，究其原因，橡子中含有一定的单宁，直接食用有很强的涩味，阻碍其被广泛食用。以脱单宁的橡子粉为发酵原料，结合柠檬酸产量和黑曲霉形态学特征来筛选发酵菌种，并对橡子粉发酵液成分以及发酵工艺条件进行优化，找到最适的橡子粉发酵液成分配比和最佳的发酵工艺条件，可提高柠檬酸产量。技术路线如下图所示。[11]

图4 橡子粉制柠檬酸路线图[11]

5 生产工艺

柠檬酸的生产方法可分为3种：水果提取法、化学合成法、生物发酵法。

5.1水果提取法[12]

柠檬酸可以从柠檬、橙、橘子、苹果等柠檬酸含量较高的水果中提取，特别是在水果加工过程中综合利用后排出的咸酸汁液，其含酸量可达4%~5%，制柑橘胚后排出的咸酸汁液都是提取柠檬酸很好的原料。

1）原料过滤

柑橘汁、橙汁等含有的果胶及杂质用果胶酶澄清，保持原果的芳香与滋味，降低果汁中总氨、总酚的含量，使其沉淀，后用压滤机压滤。

2）中和

中和的原理是基于一定温度和pH条件下，四水柠檬酸钠在水中溶解度极小的特性，用钙盐或钙碱与溶液中的柠檬酸发生中和反应，产生柠檬酸钙从溶液中沉淀析出，除去残液得到柠檬酸钙固体。

把柑橘汁、橙汁等咸酸水加热至75℃，加入碳酸钙乳浆，继续加热2小时，初温约为5℃，逐渐升高至100℃，待溶液呈绿色时，即已完成中和反应，静置使其沉淀，沉淀中主要为柠檬酸钙。

3）除盐

上述步骤所得到的柠檬酸钙含有盐分，先用清水清洗，再逐步加热至70-80℃，反复多次，直至盐分除净为止。将所得柠檬酸钙干燥备用。

4）酸解脱色

将上诉所得柠檬酸钙调成浆状，再将柠檬酸钙浆液加热至 60~70℃，加入浓度为 35% 的硫酸，持续沸腾 3 小时左右，待柠檬酸钙分解完成，静置沉淀，上层清液即为柠檬酸溶液。将红色的柠檬酸用活性炭脱色半小时，得无色清液柠檬酸。

5）浓缩晶析

将脱色后的柠檬酸溶液进行浓缩，直至固形物含量75%时，放置结晶缸内静置结晶，一般4~5天可完成柠檬酸溶液晶析。

6）离心干燥

柠檬酸结晶还含有一定水分和杂质，需用离心机除去杂质，再在75℃下干燥到含水量达1% 以下，最后通过过筛、分级、包装为成品。

当今,水果的生产已经产业化,水果产量也随之增加,并且比较集中,在考虑生态果园和综合利用时,可以利用这种方法来提取柠檬酸。但是这种方法成本较高，不适用于大规模的工业化生产。

5.2 化学合成法

化学合成法的原料为丙酮、二氯丙酮或乙烯酮。以二氯丙酮为原料的合成路线如下：

化学合成法工艺复杂，成本高，安全性低，因此在柠檬酸生产中较少使用。

5.3微生物发酵法[13]

在柠檬酸的工业生产中都采用微生物发酵法，而有价值的只有几种曲霉菌和酵母菌，其中黑曲霉菌是工业中具有竞争力的菌种，酵母中竞争力强的有解脂假丝酵母和季也蒙赤酵母等。发酵法是以淀粉和糖类为原料经过多种霉菌及黑曲菌的作用下发酵、沉淀，然后用石灰乳处理，获得的柠檬酸石灰用硫酸交换分解、精制而得。

1）菌种的培养

黑曲霉是在琼脂上培养的，在琼脂上成局限菌落，在室温下培养10~14天，成为丰富密集的孢子梗，菌落为黑色，有时也为深褐黑色。考虑到柠檬酸生产菌应具有产酸能力强和耐柠檬酸浓度高的特点，可采用酸性滤纸法、变色圈法和单孢子移植法将黑曲霉分离出来，以避免其他杂菌干扰，使其成为生产柠檬酸用黑曲霉。

图5 黑曲霉菌

2）发酵

1940年三羧循环学说提出以来，柠檬酸的发酵机理逐渐进入人们的视野，被人们所认识糖质原料生成柠檬酸的生化过程中，由糖变成丙酮酸的过程与酒精发酵相同，即通过二磷酸己糖途径进行酵解。然后丙酮酸进一步氧化脱羧生成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A和丙酮酸羧化所生成的草酰乙酸缩合成为柠檬酸并进入三羧循环途径。柠檬酸是代谢过程中的中间产物。在发酵过程中，当微生物体内的乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶活性很低、而柠檬酸合成酶活性很高时，才有利于柠檬酸的大量积累。[14]

图6 柠檬酸发酵原理

发酵工艺分表面发酵和固体发酵，按不同工艺制备不同原料的培养基，然后进行蒸料。蒸料是为了将淀粉糊化，并进行灭菌。蒸料时要使物料受热均匀，蒸汽通畅，边蒸边加料，把料加在冒汽的地方，逐层加入。蒸好的物料要摊平摊凉，当温度降至37℃以下，即可补水接种，装盘发酵，发酵终点以酸度来决定，定期测定酸度，保证在酸度最高时出料，以免柠檬酸被细菌分解。[13]

3）提取

提取的流程：

发酵酸→过滤→中和、过滤→柠檬酸钙盐→酸解、过滤→粗酸液→净化→浓缩→结晶→离心→干燥→包装→成品。

具体过程为：

发酵结束后，要对发酵酸进行处理。表面发酵要即时把菌盖和发酵液分开，再用少量水洗涤菌盖和浅盘，发酵液和洗水合并；固体发酵中的柠檬酸要用水浸出，水温80℃，浸出2~3次，浸水合并。发酵酸用压滤机过滤，滤液和洗水合并，打入滤液槽。柠檬酸与钙盐和钙碱反应生成柠檬酸钙从溶液中沉淀出来，与可溶性杂质分开。柠檬酸钙用硫酸酸解，按溶液中柠檬酸含量确定硫酸的用量，一般硫酸过量不超过0.2%。酸解后，酸液进行过滤。柠檬酸溶液的净化通过吸附脱色和离子交换除去溶液中的色素、胶体和铁离子、钙离子、铜离子、镁离子等金属阳离子以及硫酸根离子等阴离子杂质。

净化多在色谱柱上进行，脱色炭是GH-15颗粒炭，离子树脂是阴、阳树脂。柠檬酸净化液的浓度仅20%~25%，只有浓缩到70% 以上才能进行结晶。浓缩时温度不能过高，以免柠檬酸分解，净化液的浓缩可在负压下进行，为了节能可采用双效或三效蒸发器。

浓缩分2段进行，第1次浓缩后，放入沉降槽中保温沉降，再除去大部分石膏；第2次浓缩液含柠檬酸约80%，及时放料结晶。第2次浓缩可用升降式或括板式蒸发器，以减少料液和热媒的接触时间，可提高产品质量。结晶方式不同可得不同产品，一水柠檬酸的结晶是将80%溶液，温度在55℃时，在结晶器中搅拌下自然冷却，当温度降至40℃时，加入晶种，开始结晶，控制温度不超过36℃，此时产品为一水柠檬酸；如果溶液在60℃条件下浓缩到83%，冷却至46℃加入晶种，维持温度在40~60℃慢慢结晶，最终降到38℃，产品为无水柠檬酸。

6 检测

如上文所诉，过量的食用柠檬酸会导致疾病，因此，对食品中柠檬酸的检测具有意义。以下简要介绍柠檬酸的测定常用方法及原理，即液相色谱法、离子色谱法、气相色谱法。

6.1 离子交换色谱法

离子色谱法是一种分析有机酸和无机阴离子的有效方法，离子排斥法与电导检测器联用对食品中的柠檬酸进行检测，不需要复杂的样品前处理，既简单又可靠，对于食品中柠檬酸定量分析的要求能够给予满足。吴飞燕等采用抑制电导检测法将酒中多种分子量有机酸同时分离和检测，建立了用亲水性阴离子交换分离柱［15］。

虽然离子色谱法已经很普遍的应用于食品中有机酸的检测，但是离子色谱对样品中蛋白质含量有着严格的限定，这主要是由于淋洗液和柱填料的特殊性导致，不适合复杂的样品分析，加上柱子的容量小，而且不宜有过多的进样量。因此，此方法检测柠檬酸的含量不宜用于检测复杂成分的食品。

6.2 液相色谱法

食品中柠檬酸的检测利用高效液相色谱法来进行，可以避免色素和杂质的影响，测定结果准确，检测方法简单，并且条件也比较成熟，具有较高的灵敏度。但是高效液相色谱法在进行样品预处理时操作较复杂，且不能同时分析无机阴离子和有机酸，加之测定周期较长，测定完成后还需要对残留样品进行清除，而且仪器成本较高。因此，该方法如果能与其他技术联合应用，就能够使检测周期缩短，实验成本降低，更有利于食品中柠檬酸的检测。[16]

6.3 气相色谱法

气相色谱法的工作原理是使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相为固定相，另一相为流动相，携带混合物流过固定相，与固定相发生作用。在同一推动力下，不同组分在固定相中滞留的时间不同，依次从固定相中流出。在一定温度下，组分在两相之间分配达到平衡时的浓度比称为分配系数，以 K 表示。待测组分在固定相和流动相之间发生的吸附，脱附或溶解，挥发的过程叫做分配过程[17]。气相色谱分析中，某组分的完全分离取决于色谱柱的效能和选择性。

7 食品应用

柠檬酸可在洗涤剂工业中应用，用于金属清洗；还可用于精细化工领域，可加快角质更新，常用于乳液、乳霜、洗发精、美白用品、抗老化用品、青春痘用品等中，还可作化学分析用试剂，用作实验试剂、色谱分析试剂及生化试剂；柠檬酸与80℃温度联合作用具有良好杀灭细菌芽孢的作用，并可有效杀灭血液透析机管路中污染的细菌芽孢；动物采食柠檬酸可减少病原体的增殖和抑制有毒代谢产物产生，提高动物应激力，因此柠檬酸可用作动物养殖方面。本文主要介绍柠檬酸在食品中的应用。

柠檬酸广泛用于食品工业，是一种重要的食用有机酸，是饮料、糖果、罐头等食品的添加剂。

1.作风味调节剂。在水果罐头中添加柠檬酸可保持或改进水果的风味，提高某些酸度较低的水果罐藏时的酸度，减弱微生物的抗热性和抑制其生长，防止酸度较低的水果罐头常发生的细菌性胀罐和破坏。在糖果中加入柠檬酸作为酸味剂和果味协调。在凝胶食品如果酱、果冻中使用柠檬酸能有效降低果胶负电荷，从而使果胶分子间氢键结合而凝胶。在加工蔬菜罐头时，一些蔬菜呈碱性反应，用柠檬酸作pH调整剂，不但可以起到调味作用，还可保持其品质。柠檬酸所具有螯合作用和调节pH值的特性使其在速冻食品的加工中能增加抗氧剂的性能，抑制酶活性，延长食品保存期。[18]

2.作为抗氧化剂增效剂。金属离子如Fe、Cu只要有百万分之一存在于油脂中就会成为有效的氧化催化剂，柠檬酸可作为抗氧化剂增效剂添加到食品中，将金属离子鳌合，使之钝化。因此柠檬酸常作为酚型抗氧化剂，添加到动植物油脂、肉制品、人造奶油、蛋黄酱、油炸食品等富脂食品中，防止油脂的氧化酸败，延长货架期。

3.作缓冲剂。加入柠檬酸调节蔬菜、水果的pH值，控制酸度，抑制细菌生长，延长保存时间。一般当pH小于5.5时，大部分腐败细菌可被抑制。柠檬酸常单独使用或与抗坏血酸、异抗坏血酸及抗坏血酸钠合用作为新鲜肉、水产品的表面去污剂，或直接喷于熟肉表面，起到抑菌防腐作用。同时在果冻、橘皮果冻的生产中用柠檬酸调节pH 为 2.8~ 3.5 可使果胶分子更好地吸收水分,从而获得稠密度均匀一致的产品。

4.柠檬酸与脂肪酸单/双甘油脂合用作为乳化剂。在人造奶油、冰激凌生产中添加这种乳化剂有利于脂肪的破乳、凝结, 从而提高产品质量，使产品口感细腻。

5.作为护色剂。长期以来鲜虾等水产品贮藏要防止产品颜色的变化，若用柠檬酸和其他物质混合浸泡可防止表面组织变褐、发枯，抑制酶促褐变，解决变色变味问题。果蔬原料放在1%~2% 的食盐和0.1% 的柠檬酸混合液中浸渍，可抑制果蔬原料酶褐变引起的变色。

6.作香料和除味剂。[1]柠檬酸被美国食用香料制造者协会和我国食品添加剂使用卫生标准（GB2760-86）列为允许使用的香料，可添加到软饮料、冷饮、焙烤食品、糖果及胶姆糖中。柠檬酸作为香料稳定剂添加到许多食品包装材料中去，起到保鲜除异味作用，如将添加 1% 柠檬酸的聚乙烯制成的膜用于包装鱼及腌制品，三天后能明显降低异味。

8 总结

我国柠檬酸的来源丰富，且廉价易得，有世界上独特的发酵技术，生产工艺不复杂，随着科技水平的先进，生产技术不断提高，未来将促进柠檬酸产业的发展，促使产品不断增加，柠檬酸的质量不断提高。

参考文献：

[1]陈效兰.柠檬酸在食品工业.湘潭大学化学化工学院

[2] Goldberg,Robert N.; Kishore, Nand; Lennen, Rebecca M.(2002). "Thermodynamic Quantities for the Ionization Reactions of Buffers". J. Phys. Chem. Ref. Data. 31 (1): 231-370.doi:10.1063/1.1416902.

[3]如何健康吃藕？这几个问题你要弄清.央视网

[4]食品安全国家标准食品添加剂柠檬酸.GB 1886.235-2016

[5]王茂起，王竹天，陈君石，等.GB2760-2007 食品添加剂使用卫生标准[S]

[6]Graham, Thomas(1842).Elements of chemistry, including the applications of the science in the arts. Hippolyte Baillière, foreign bookseller to the Royal College of Surgeons, and to the Royal Society, 219, Regent Street. p.944. Retrieved June 4, 2010.

[7] Lotfy, Walid A.; Ghanem, Khaled M.; El-Helow, Ehab R.(2007). "Citric acid production by a novel Aspergillus niger isolate: II. Optimization of process parameters through statistical experimental designs". Bioresource Technology.98(18):3470–3477.

doi:10.1016/j.biortech.2006.11.032. PMID 17317159

[8] US 4056567-V.Lamberti and E.Gutierrez.

[9] "Global Citric Acid Markets Report, 2011-2018 & 2019-2024". prnewswire.com. March 19, 2019. Retrieved October 28, 2019.

[10]孙福新.柠檬酸生产废水处理技术.江苏国信协联能源有限公司

[11]朱莉莉. 柠檬酸生产柠檬酸加工工艺研究. 陕西师范大学

[12]郑华.柠檬酸的生产工艺及在食品中的应用.周口职业技术学院

[13]曾煜，赵泳瑜，柠檬酸的特性、现状与生产及存在问题与建议.广东省珠海出入境检验检疫局技术中心.519015

[14]何国庆，贾英民，丁立孝.食品微生物学第3版.中国农业大学出版社

[15]路敏．离子交换法分离提取发酵液中柠檬酸的研究［D］．广西大学，2006:20-25．

[16]樊惠民，余实，谭远方.食品中柠檬酸的检测.江西省食品质量监督检验站.南昌.330046

[17]李炳根，赵博谦．磷酸盐、柠檬酸钠、碳酸氢钠、加热对栀子红色素色价的影响[J]．现代食品科技，2006(4) 78-79．

[18]汪东风.食品化学：化学工业出版社，2007

附件：

CNS_01.101_柠檬酸_郑暖.docx 所需积分(1)