شیمی گستر آریا

اسید سیتریک در یک نگاه

اسيد سيتريك يا 2- هيدروكسي 1- 2- 3 - پروپان تري كربوكسيليك اسيدو يا جوهر ليمو يكي از مهمترين اسيدهاي آلي است كه فراواني آن درگياهان به خصوص مركبات، گيلاس، آلو، توت فرنگي، سيب وذغال اخته بيانگر غيرسمي بودن آن است و به عنوان ترش كننده، طعم دهنده و پايداركننده مورد استفاده قرار مي‎گيرد.

اسيد سيتريک در بسیاری از ميوه‏جات و سبزيجات نظير مرکبات، سيب زميني، گوجه فرنگي، شلغم، چغندر و حتي در دانه وعصاره گل‌ها هم يافت مي‌شود. همچنين دربسياری از بافت‌ها و مايعات حيواني مثل خون، ادرار، مايع آمنيوتيك جنینی، غده تيروييد، بزاق، اشك، كبد، قلب، مغز، ماهيچه‌ها و لوزالمعده نيز يون سيترات وجود دارد. اسيد سيتريک داراي مصارف متعددی در صنايع غذايي، دارويي، بهداشتي، آرايشي و سایر صنایع مي‎باشد و هر سال به ميزان 2 تا 3% بر مصرف آن افزوده مي‎شود. آمارهاي جهاني نشان مي‎دهند در سال 1960 مصرف جهاني آن 103×300 تن در سال بود كه با افزايش تقاضاهاي جهاني پيش بيني شده بود تا اواخر قرن بيستم به حدود 103×500 تن در سال برسد. كشور ما نيز از جمله كشورهايي است كه ميزان زیادی از اين ماده را مصرف مي‎کند.

ویژگی:

اين اسيد داراي سه عامل كربوكسيلي است که مي تواند با قلزات قليايي و قليايي خاكي تشكيل نمك دهد. در محيط‌هاي آبي اسيد سيتريك مي تواند باعث خوردگي وسایل فلزی و حتی فولاد ضد زنگ (استیل) شود و در صورت وجود pH نامناسب در اين محيط‌ها، گروه‌هاي هيدروكسيل و كربوكسيليك موجود در ساختار اسيد با يون‌های فلزی كمپلكس مي‌شوند.

موارد كاربرد:

الف) صنايع غذايی

اين اسيد در صنايع غذايي به طور گسترده استفاده می شود. دارا بودن ویژگی هایی مانند حلاليت بالا در آب، ترش كنندگي و ایجاد طعم دلپذير، خواص بافری و غير سمی بودن آن درحجم زياد باعث كاربرد وسيع آن شده است وحدود 70درصد از اين اسيد ونمك‌هايش در صنايع غذايي استفاده مي‌شود. در نوشابه‌سازی براي ايجاد طعم ترش و مطبوع و نيز براي بازدارندگي فعاليت ميكروبي و تنظيم اسيديته به كار مي‌رود. براي ایجاد طعم ميوه‌اي و تنظيم pH در ژله‌‌ها، مرباجات و دسرها نیز از اين اسيد استفاده می‌شود. در غذاهاي منجمد، چربي‌ها و روغن‌ها با تنظيمpH و ايجاد كمپلكس نمك (شلات یا چلات كردن بين سيترات‌ها و فلزات كمياب به عنوان آنتي اكسيدان و نگهدارنده عمل مي‌كند، به طوري كه زمان نگهداري ماهي منجمد و فرآورده‌هاي دريايي زياد مي‌شود. همچنين از كاهش رنگ و طعم در ميوه‌هاي منجمد با خاصيت آنتي اكسيداني و به دام انداختن فلزات كمياب جلوگيری مي كند. دركنسرو سبزيجات نيز براي جلوگيری از رشد ميكروب‌ها و كاهش pH استفاده می‌شود. مونواستيل سيترات مي‌تواند به عنوان يك آنتي اكسيدان در چربي‌ها و روغن‌ها استفاده شود. اين تركيب نسبت به اسيد خالص راحت‌تر تركيب مي‌شود.

ب) صنايع داروسازی، آرايشی و بهداشتی

از اين اسيد و نمك‌هايش در تهيه محلول‌هاي ضد انعقاد خون مانند تری سديم سيترات استفاده مي‌شود که از طريق تشکیل كمپلكس يون كلسيم از انعقاد خون جلوگيري مي‌كند. همچنين از سيترات فريك آمونياكي دردرمان بيماري ناشي از فقر آهن (آنمی) هنوز هم استفاده مي‌شود هر چند كه درحال حاضر ترجيح داده مي‌شود از نمكهاي ديگر آهن استفاده شود. درتهيه آسپرين و براي خوش طعم كردن داروها و قرص‌هاي جوشان نيز استفاده مي‌شود زيرا در هنگام حل شدن در اثر اتصال با كربنات‌ها و بي كربنات‌ها توليد دی اكسيد كربن مي‌كند و به عنوان حلال در تهيه برخي داروها و به عنوان چاشني جهت خوش‌طعم كردن داروها به كار می‌رود. در فرمولاسيون محصولات بهداشتي و آرايشي نيز اسيد سيتريك كاربرد دارد و براي تنظيم pHو شلات كردن يون‌هاي فلزی در سيستم آنتي اكسيداني شوينده‌هاي اسيدي موي سر استفاده می‌شود. در شامپوهاي ضد شوره سر به مقدار25/0 تا 86/1درصد به منظورتنظيم pHو بهبود درخشندگي و شفافيت به كار مي‌رود. ميزان مصرف كل اين اسيد در اين صنايع حدود 12درصد مي‌باشد.

پ) در سایر صنايع

از ترکیب سيترات با فلزات، به دليل تاثير كم براي پاك كردن وجرم‌زدايي ديگ‌هاي بخاراستيل به طور وسيع استفاده مي‌شود. همچنین از محلول بافري این اسید به عنوان پاك كننده براي حذف دی اكسيد گوگرد از سوخت‌هاي گازي كارخانجات برق وتصفيه‌خانه‌ها استفاده می‌شود. از سایر موارد کاربرد آن می‌توان به صنايع رنگ‌سازی، استخراج نفت و آب فلزكاری اشاره نمود. استرهاي اسيد سيتريك با الكل‌ها درمحدوده وسيعي شناخته شده‌اند. استرهاي تری اتيل، تري بوتيل و استيل تری بوتيل به عنوان يك نرم كننده غيرسمي در پلاستيك‌سازي به ویژه در پلاستيك‌هاي صنعت بسته‌بندي غذايي استفاده مي‌شوند.

ميكروارگانيسم‌های تولید کننده اسيدسيتريك:

اسيد سيتريك به ميزان زیاد توسط بعضی از قارچ ها ، مخمرها، باكتري‌ها و آن هم در شرایط خاص توليد مي‌شود. البته انتخاب سويه‌هاي مناسب میکروبی كه متابوليسم سلولی آنها مستعد توليد این اسيد باشد به اين مساله كمك قابل توجهی مي‌كند. بيشتر آزمايشات و تحقيقات انجام شده به منظور توليد این اسيد روي محيط‌هاي کشت مناسب رشد و نمو آسپرژيلوس نايجر انجام شده است.

آسپرژيلوس نايجر:

اين قارچ از رده آسكوميست‌ها بوده، توليد مثل آن به طور طبیعی غيرجنسي است و ميسيليوم آن به مقدار زيادي منشعب شده، ديواره عرضي بي‌رنگي را ايجاد مي‌كند. سلول‌هاي اين قارچ چندهسته‌ای مي‌باشند. ميسيليوم هوايي آن در انتهاي خود برجسته بوده و منتهي به وزيكول با استريگماهاي متعدد مي‌شود و از انتهاي اين استريگماها كنيدی‌ها به صورت دانه‌هاي تسبيح به دنبال هم قرار گرفته‌اند. به اين ميكروارگانیسم كپك سياه هم مي‌گويند كه در مواردی به دليل ایجاد منظره سياه‌ رنگي است كه در محيط كشت پس از اسپورزايي پديد می‌آید. اصولا رنگ كلوني‌هاي اين قارچ ارتباط مستقيم با عناصر كمياب محيط كشت دارد. در بسياري از موارد كه به روش‌های شيميايي يا فيزيكي تشخیص وجود يا عدم وجود بعضي از عناصر ممکن نیست توسط این قارچ كميت و كيفيت آنها تعیین مي‌شود.

روش‌های توليد اسيد سيتريك:

اين روش‌ها به دو نوع اصلي تقسیم می‌شوند که عبارتند از: كشت سطحي (بستر جامد) و كشت غوطه‌وری.

الف) روش كشت سطحی (بستر جامد)

اين روش براي نخستين بار در سال1920 به كار گرفته شد، ولي با كاربرد روش كشت غوطه‌وری (به دليل روش اجرایی و بازده تولید مناسب‌تر)، امروزه روش كشت سطحي به طور معمول در درجه دوم اهميت قرار دارد.

در يكی از حالت های این روش، اسپورهاي آسپرژيلوس نايجر در شرایط محیطی کنترل شده به ظروف حاوي محيط كشت مناسب مانند ضایعات محصولات کشاورزی تلقيح شده، سپس این ظروف درمكان مناسب با دمای حدود 30 درجه سانتيگراد قرار می‌گیرند. اسپورها 24 ساعت پس از تلقيح جوانه مي‌زنند و ميسيليوم سفيد چين داري سطح محيط را مي‌پوشاند. پس از دوره زمانی چند روزه و طی مراحل رشد و نمو میکروارگانیسم، به تدریج محیط کشت از اسپورهای تیره رنگ پر می شود (پایان تولید اسید سیتریک).

ب) روش كشت غوطه‌وری

در این روش از سوبسترا یا محیط کشت مایع و در شرایط کنترل شده جهت رشد و نمو قارچ استفاده می‌شود. از سال 1940 میلادی تاکنون روش کشت غوطه‌وری به منظور تولید اسید سیتریک در كشورهاي صنعتي توسعه و پيشرفت زيادي نموده است. به دلايلي نظير بازده بيشتر نسبت به روش كشت سطحي، زمان كمتر براي رشد و نموميكروبي، آسانی كار به دلیل وجود وسايل خودكار و كنترل كننده‌هاي مداوم و دقيق و در نتيجه راحتی بيشتر در زمان ورود و خروج سوبسترا و محصول اين روش رواج بيشتري يافته است

فعالیت های علمی انجام شده:

اسيد سیتریک براي نخستين بار در سال 1784 ازعصاره ليمو استخراج و متبلور شد. در سال 1893 براي نخستين بار از محيط کشت پني‎سيليوم كه قبلا سيترومايسس ناميده مي‏شد اسيد سيتريك ناچيزي استخراج شد. اگرچه این کار در مقیاس صنعتي انجام نشد ولي زمينه تحقيقات بعدی شد. اولين فرآيند صنعتي توليد اسيد سيتريك با آسپرژيلوس نايجر در سال 1919 در بلژيك آغاز شد.

تا سال 1926 بيشتر از90درصد اسيد سيتريك مورد نياز درايتاليا تولید و صادر مي‏شد تا اين كه محققین درهمان سال توانستند از سيترات كلسيم وارداتي اين اسيد را تولید نمايند. در سال 1940 کاربرد روش كشت غوطه‎وری و استفاده از ملاس رواج يافت. محققین در سال 1949 با کاربرد آسپرژیلوس نایجر، روش کشت غوطه‌وری و ملاس چغندر قند و نیشکر اسید سیتریک تولید نمودند. دانشمندان در سال 1963 در تحقیقات خود متوجه شدند عمل هم زدن در فرمانتورهای همزن‌دار باعث پخش و گسترش میکروارگانیسم در محیط و در نتیجه افزایش تولید اسید سیتریک شده است. در سال 1965 برای تولید اسید سیتریک از مخمرها استفاده شد. در اوايل كار به دليل ارزاني از منابع كربن آلي نظير آلكان‌هاي طبیعی و هيدروكربن‌هاي مشتق شده از منابع نفتي استفاده مي‌شد ولي به تدريج با گراني قيمت اين تركيبات، به سمت استفاده از سایر منابع كربوهيدراتي ارزان قیمت مثل ملاس و ساكارز روی آورده شد. امروزه با كاربرد ميكروارگانیسم‌هايي مانند آسپرژيلوس‏نايجر در شرايط ویژه مي‏توان مقدار زيادي اسيد سيتريك توليد و روانه بازار مصرف نمود.

محققین در سال 2006 گزارش کردند که جوانه‌زنی اسپورهای آسپرژیلوس نایجر، تاثیر مهمی بر رشد و نمو و قابلیت تولید متابولیت‌های ساخته شده نظیر اسید سیتریک در محیط کشت داشته و این مرحله(جوانه زنی) به طور عمده خصوصیات مرفولوژیکی میکروارگانیسم و مراحل رشد و نمو و توسعه آن را کنترل نموده است. در تحقیقی که توسط نگارنده در موسسه تحقیقات خرما و میوه های گرمسیری کشور اجرا شد، با استفاده از عصاره خرما، قارچ آسپرژیلوس نایجر سویه BC1، روش کشت غوطه وری و روش آماری تاگوچي اسید سیتریک تولید شد.

روش تاگوچی عبارتست از روشي كه براي طراحي و اجراي آزمايشات به صورت كسري از فاكتوريل و با استفاده از جداولي به نام آرايه‎هاي متعامد انجام مي‎شود. ترتيب انجام آزمايشات به صورت كاملا تصادفي بوده و با توجه به تعداد فاكتورها و سطوح آنها، آزمايشاتي كه بيشترين اثر عوامل مربوطه را در خود دارند، مشخص و اجرا مي‌شود.