Sitrik Asit

Sitrik asit, C₆H₈O₇ moleküler formülüne ve 192,12 g/mol moleküler ağırlığa sahip zayıf bir organik trikarboksilik asittir.^[1] Asidik bir tada sahip, renksiz, kokusuz kristaller halinde bulunur ve suda yüksek oranda çözünür (20°C’de 59,2 g/100 mL’ye kadar).^[1]

Doğal olarak limon ve misket limonu gibi narenciye meyvelerinde bulunan sitrik asit, aerobik organizmalarda enerji üretimi için gerekli olan Krebs döngüsü olarak da bilinen trikarboksilik asit (TCA) döngüsünde önemli bir ara maddedir.^[1] Yapısı (2-hidroksipropan-1,2,3-trikarboksilik asit), metal şelasyonu, pH tamponlama ve antimikrobiyal aktivite gibi özelliklere olanak tanıyan üç karboksil grubu ve bir hidroksil grubu içerir.^[2] Bu fonksiyonel gruplar nedeniyle, 3,13, 4,76 ve 6,40 pKa değerleri sergiler ve bir asitlik düzenleyici olarak rolüne katkıda bulunur.^[3]

Endüstriyel olarak sitrik asit, 1917’den beri öncelikle, melas, glikoz veya gliserol ve manyok küspesi gibi tarımsal endüstriyel atıklar gibi substratlarla filamentli mantar Aspergillus niger kullanılarak batık (submerged) fermantasyon yoluyla üretilmektedir.^[3] Bu biyoteknolojik süreç, küresel üretimin %80’inden fazlasını oluşturmakta olup, 2022 itibariyle yıllık yaklaşık 2,8 milyon ton verim sağlamaktadır ve 2028 yılına kadar 3,3 milyon tona ulaşması öngörülmektedir.^[3] Sodyum, potasyum ve kalsiyum sitrat dahil olmak üzere sitrat tuzları, sitrik asidin ilgili bazlarla nötralize edilmesiyle elde edilir.^[4]

Sitrik asit, ABD Gıda ve İlaç Dairesi tarafından “genel olarak güvenli kabul edilen” (GRAS) olarak sınıflandırılmıştır ve mikrobiyal fermantasyon yoluyla üretildiğinde USDA düzenlemeleri kapsamında organik gıdalarda kullanım için onaylanmıştır.^[4] Gıda endüstrisinde, içeceklerde, reçellerde, şekerlemelerde ve süt ürünlerinde asit düzenleyici, antioksidan, koruyucu ve lezzet arttırıcı olarak işlev görür, renk bozulmasını önler ve raf ömrünü uzatır.^[3]^[4] İlaçlarda, şuruplarda, efervesan tabletlerde ve kan saklama için sitrat-fosfat-dekstroz çözeltileri gibi antikoagülanlarda tamponlama, tat maskeleme ve stabilizasyon için bir eksipiyan (yardımcı madde) olarak görev yapar.^[2] Ek uygulamalar, bir pH ayarlayıcı ve stabilizatör olarak kozmetikleri, bir yapıcı (builder) olarak deterjanları ve biyopolimer çapraz bağlama ve derin ötektik çözücülerdeki gelişmekte olan kullanımları kapsar.^[3]

Tarihçe

Keşif

Sitrik asit ilk olarak 1784 yılında İsveçli kimyager Carl Wilhelm Scheele tarafından saf formunda izole edildi. Scheele, limon suyuna kireç (kalsiyum oksit veya hidroksit) ekleyerek kalsiyum sitratın çökeltilmesi ve ardından serbest asidi serbest bırakmak için sülfürik asit ile muamele edilip kristalleştirilmesi işlemini içeren bir yöntemle bunu elde etti.^[5] Scheele’nin yöntemi, bileşiğin narenciye meyvelerindeki doğal kaynağından ilk laboratuvar ölçekli izolasyonunu işaret ediyordu; burada ekşilik vermesiyle uzun süredir tanınıyordu ancak henüz ayrı bir kimyasal varlık olarak tanımlanmamıştı.^[6]

Scheele’nin analizi, sitrik asidi mineral asitlerden farklı, zayıf bir organik asit olarak tanımladı ve çözünürlük testleri, nötralizasyon reaksiyonları ve tartarik ve malik gibi bilinen asitlerle karşılaştırmalar yoluyla limon ve diğer narenciye çeşitlerindeki birincil asidik bileşen olarak rolünü doğruladı.^[7] Çalışmaları, metallerle tuz oluşturma yeteneği ve belirli koşullar altındaki kararlılığı da dahil olmak üzere sitrik asidin kimyasal davranışını anlamak için zemin hazırladı.^[8]

Bileşik, sistematik adı olan “acide citrique” (sitrik asit) ismini 1787 yılında, simyasal terimler yerine kökenleri ve bileşimi vurgulayan Guyton de Morveau, Antoine Lavoisier, Claude Louis Berthollet ve Antoine François de Fourcroy’un dahil olduğu bir komite tarafından geliştirilen devrim niteliğindeki kimyasal isimlendirme sisteminin bir parçası olarak aldı.^[9] Bu isimlendirme, onun Citrus türlerinden türetildiğini yansıtıyordu ve gelişmekte olan organik kimyaya entegrasyonunu kolaylaştırdı. 19. yüzyılın başlarında, meyve özlerinde malik veya tartarik asitler içeren karışımlardan sitrik asidi ayırmak için bazik kurşun asetat kullanılarak yapılan seçici çöktürme gibi izolasyon tekniklerindeki iyileştirmeler, analitik çalışmalar için saflığı artırdı, ancak bunlar doğrudan Scheele’nin temel yaklaşımı üzerine inşa edildi.^[10]

Endüstriyel Gelişim

20. yüzyılın başlarından önce, sitrik asit öncelikle limon ve misket limonu gibi narenciye meyvelerinden, endüstriyel kullanım için mevcudiyetini sınırlayan emek yoğun ve maliyetli bir işlemle elde ediliyordu. Bu ekstraksiyon yöntemi, meyve sularının preslenmesine ve asidin kireçle çökeltilmesine dayanıyordu, düşük miktarlar veriyordu ve büyük ölçekli üretimi ekonomik olmayan hale getiriyordu.^[11]

Önemli bir ilerleme, 1917 yılında Amerikalı gıda kimyageri James Currie’nin, filamentli mantar Aspergillus niger suşlarının fermantasyon yoluyla yüksek konsantrasyonlarda sitrik asidi verimli bir şekilde üretebileceğini keşfetmesiyle gerçekleşti. USDA’da çalışırken yapılan Currie’nin keşfi, 1919’da Pfizer tarafından işe alındıktan sonra ticarileştirildi; glikoz gibi şeker substratlarında büyütülen A. niger‘in asidik koşullar altında kuru ağırlıkça %50’ye kadar sitrik asit verebileceği gösterildi ve daha ölçeklenebilir ve uygun maliyetli bir alternatif sağlandı.^[11]^[12] Bu atılım, mevsimsel meyve kaynaklarına olan bağımlılığı ortadan kaldırdığı ve üretim maliyetlerini önemli ölçüde düşürdüğü için endüstriyel fermantasyonun temelini attı.

Ticari üretim 1923 yılında Pfizer’in Brooklyn, New York’ta ilk büyük ölçekli tesisi kurmasıyla başladı; burada Currie’nin A. niger suşu, substrat olarak melas ile yüzey fermantasyon teknelerinde kullanıldı. 1926 yılına gelindiğinde, bu tesis tek başına küresel arzın yarısından fazlasını oluşturuyor, gıda koruma, içecekler ve ilaç sektörlerindeki talebi karşılamak için hızla genişliyordu. Başarı, 1929’dan itibaren Belçika’daki Citrique Belge de dahil olmak üzere diğer şirketleri benzer süreçleri benimsemeye teşvik ederek uluslararası büyümeyi destekledi.^[12]

1940’larda önemli bir dönüm noktası, Shu ve Johnson gibi araştırmacılar tarafından öncülük edilen batık (submerged) fermantasyon tekniklerinin benimsenmesiydi; bu teknikler, A. niger‘in daha yüksek verim ve verimlilik için sürekli havalandırma ve çalkalama ile derin tanklarda kültürlenmesine izin verdi.^[13] Bu yöntem, daha iyi oksijen transferi ve besin dağılımı sağlayarak, emek yoğun yüzey tepsilerinden otomatik biyoreaktörlere geçişle üretkenliği artırdı.^[13] 20. yüzyılın sonlarına gelindiğinde, bu yenilikler küresel üretimi yıllık 1 milyon tonun üzerine çıkardı; 2007’de yaklaşık 1,6 milyon tona ve 2010’larda 2 milyon tonun üzerine ulaştı ve Çin baskın üretici olarak ortaya çıktı.^[14]^[5]

Kimyasal Özellikler

Moleküler Yapı

Sitrik asit, C₆H₈O₇ moleküler formülüne ve 2-hidroksipropan-1,2,3-trikarboksilik asit sistematik IUPAC adına sahiptir.^[1]^[15]

Molekül, her karbona bağlı karboksilik asit grupları ve merkezi karbonda bir hidroksil grubu içeren, dallı bir yapı oluşturan üç karbonlu bir omurgaya sahiptir: merkezi üçüncül karbon, bir hidroksil grubuna (-OH), bir karboksilik asit grubuna (-COOH) ve iki özdeş metilen karboksilik asit koluna (-CH₂COOH) bağlıdır. Bu düzenleme, merkezi karbon, hidroksil ve doğrudan bağlı karboksilik asitten geçen bir simetri düzlemi oluşturur ve benzer yapılarda stereoizomerizm potansiyeline rağmen molekülü akiral (kiral olmayan) hale getirir.^[1]^[16]

Bir Fischer projeksiyonunda, sitrik asit tipik olarak merkezi karbon dikey olacak şekilde ve simetrik kolları göstererek tasvir edilir:

  COOH
   |
HO-C-COOH
   |
  CH2COOH

(Simetri için uyarlanmıştır; iki -CH₂COOH grubu eşdeğerdir.) 3 boyutlu bir model, hidroksil ve yakındaki karboksilik gruplar arasındaki hidrojen bağı nedeniyle kompakt, küresel bir konformasyon ortaya koyar.^[15]

İzositrik asit, hidroksil grubunun merkezi karbona bitişik metilen karbonlarından birine göç ederek simetriyi bozduğu ve iki kiral merkez oluşturduğu, sitrik asidin yapısal bir izomeri olan önemli bir ilişkili bileşiktir. Biyolojik sistemlerde doğal olarak oluşan form, treo-D-izositrik asit olarak da bilinen (2R,3S)-enantiyomeridir.^[19]

Fiziksel Özellikler

Sitrik asit iki temel formda bulunur: susuz ve monohidrat; her ikisi de beyaz kristal toz veya renksiz kristaller olarak görünür. Susuz form monoklinik holohedral kristallerden oluşurken, monohidrat formu rombik kristaller içerir.^[20]^[1]

Susuz sitrik asidin erime noktası 153 °C’dir, bu sıcaklıktan sonra kaynamadan 175 °C’nin üzerinde bozunarak su ve karbondioksit açığa çıkarır. Monohidrat formu yaklaşık 100 °C’de dehidrate olur ve hidrasyon suyunu kaybederek susuz çeşidi oluşturur.^[20]^[1]^[21]

Sitrik asit suda oldukça çözünürdür; 20 °C’de %59,2 w/w (yaklaşık 100 g suda 147 g’a eşdeğer) çözünürlüğe sahiptir ve çözünürlüğü sıcaklıkla artarak 100 °C’de yaklaşık %84 w/w’ye ulaşır. Etanolde daha az çözünür (20 °C’de 100 g’da yaklaşık 62 g) ve eterde sınırlı çözünürlük gösterir. Bu yüksek suda çözünürlük, higroskopik doğasına katkıda bulunur.^[1]^[20]^[22]

Susuz sitrik asidin yoğunluğu 20 °C’de 1,665 g/cm³ iken, monohidratın aynı sıcaklıkta yoğunluğu 1,542 g/cm³’tür. Sitrik asit kokusuzdur ve karakteristik ekşi, asidik bir tada sahiptir.^[20]^[1]

Kimyasal Reaktivite

H₃C₆H₅O₇ moleküler formülüne sahip sitrik asit, sulu çözeltide kademeli olarak ayrışarak üç proton salan zayıf bir organik trikarboksilik asittir. 25°C’de ölçülen asitlik sabitleri pKa1 = 3,13, pKa2 = 4,76 ve pKa3 = 6,40 olup, üç karboksilik asit grubunun ardışık deprotonasyonunu yansıtır.^[23] Bu değerler, sitrik asidin orta derecede asidik olduğunu ve ilk protonun nötr koşullar altında en kolay ayrıştığını gösterir. İlk ayrışma adımı şu şekilde temsil edilebilir:

$$ \text{H}_3\text{C}_6\text{H}_5\text{O}_7 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{H}_2\text{C}_6\text{H}_5\text{O}_7^- $$

Sonraki adımlar benzer şekilde ilerleyerek di- ve trianyonik türleri oluşturur.^[23] Bu asit-baz davranışı, bazlarla veya alkollerle reaksiyonlardan türetilen tuzlar (sodyum veya kalsiyum sitrat gibi) veya esterler olan sitratların oluşumunu sağlar.^[23]

Üç karboksilat grubu ve merkezi bir hidroksil grubu içeren sitrik asidin yapısal özellikleri, çoklu oksijen donör atomları aracılığıyla metal iyonlarını bağlamasına izin vererek güçlü şelatlama özellikleri kazandırır. Ca²⁺ ve Fe³⁺ gibi iki değerlikli ve üç değerlikli metallerle, genellikle iki dişli veya üç dişli bir şekilde kararlı koordinasyon kompleksleri oluşturur. Örneğin, demir(III) sitrat kompleksleri yüksek kararlılık gösterir; oluşum sabitleri, Fe³⁺’ün düşük pH’ta bile etkili bir şekilde tutulduğunu gösterir.^[24] Benzer şekilde, kalsiyum sitrat, metal iyonu çözünürlüğünü artıran çözünür kompleksler oluşturur.^[25] Bu etkileşimler, moleküler yapı bölümünde ayrıntılı olarak açıklandığı gibi, molekülün esnek zincir yapısının metal merkezlerinin etrafını sarmasına izin vermesinden kaynaklanır.

Sitrik asit ayrıca, karboksilik gruplarının asidik kataliz veya yüksek sıcaklıklar altında alkollerle reaksiyona girerek trietil sitrat gibi mono-, di- veya triester türevleri ürettiği esterleşme reaksiyonlarına da katılır.^[26] Ek olarak, 150°C’nin üzerinde ısıtıldığında veya katalizörlerin varlığında dekarboksilasyona uğrayarak karbondioksit kaybeder ve beta-keto asit dekarboksilasyon mekanizmalarını içeren bir işlemle akonitik asit veya itakonik asit gibi ürünler oluşturur.^[27] Bu termal reaksiyonlar, sitrik asidin sentetik dönüşümlerdeki reaktivitesini vurgular.

Bulunuşu ve Üretimi

Doğal Bulunuşu

Sitrik asit en belirgin şekilde narenciye meyvelerinde bulunur; burada karakteristik ekşiliklerinden sorumlu birincil organik asit olarak görev yapar. Limonlar (Citrus limon), kuru meyve ağırlığının %8’ine kadarını oluşturan en yüksek konsantrasyonları içerirken, misket limonları (Citrus aurantifolia) ve portakallar (Citrus sinensis) biraz daha düşük ancak yine de önemli seviyelere sahiptir; tipik olarak kuru ağırlık bazında %5-7 civarındadır.^[28]^[2] Bu meyveler, sitrik asidin 18. yüzyılın sonlarında izole edildiği orijinal kaynaktı.^[28]

Narenciye dışında, sitrik asit çeşitli diğer bitkilerde daha küçük miktarlarda bulunur ve lezzet profillerine ve fizyolojik süreçlerine katkıda bulunur. Böğürtlen gibi meyveler kuru ağırlıkça %1,5-3,0 sitrik asit içerir, domatesler (Solanum lycopersicum) yaklaşık %0,5-0,8 taze ağırlık (veya 5-8 g/kg) konsantrasyonları sergiler ve ananaslar (Ananas comosus) toplam asitliklerinin bir parçası olarak yaklaşık %0,5-1,1 oranına sahiptir.^[3]^[29]^[30] Bu bitkilerde sitrik asit, şeker-asit dengesini etkileyen ve ekşilik gibi duyusal nitelikleri geliştiren asitlik seviyelerini modüle ederek meyve olgunlaşmasında önemli bir rol oynar.^[31]^[32]

Mikrobiyal sistemlerde, sitrik asit, mantarlar ve bakterilerdeki trikarboksilik asit (TCA) döngüsünde merkezi bir metabolik ara ürün olarak doğal olarak birikir ve aerobik koşullar altında enerji üretimini ve biyosentezi kolaylaştırır.^[3]^[33] Bu yaygın oluşum, doğal ortamlardaki çeşitli mikroorganizmalar için hücresel solunumdaki temel rolünün altını çizer.

Evrimsel olarak, bitkilerde sitrik asit birikimi, sitoplazmik pH homeostazını ve ozmotik basıncı düzenleyerek asit-baz dengesini destekler ve kuraklık ve ağır metal toksisitesi gibi çevresel streslere adaptasyonu sağlar; bu, bitki soyları arasında hayatta kalmayı artıran korunmuş bir özelliktir.^[34]^[35]

Biyosentez ve Endüstriyel Üretim

Sitrik asit, mikroorganizmalarda, asetil-koenzim A (asetil-CoA) ve oksaloasetatın yoğunlaşmasını katalize eden sitrat sentaz enzimi tarafından oluşturulan ilk ara ürün olarak sitratın görev yaptığı, Krebs döngüsü olarak da bilinen trikarboksilik asit (TCA) döngüsü yoluyla biyosentezlenir.^[6] Asetil-CoA, öncelikle glikoliz ve ardından pirüvat oksidasyonu yoluyla glikozdan türetilirken, oksaloasetat, pirüvat karboksilazın pirüvat üzerindeki etkisi gibi anaplerotik reaksiyonlar yoluyla yenilenir.^[6] Aspergillus niger mantarı gibi üretim organizmalarında, aşırı karbon kaynağı (örneğin, glikoz veya asetat), sınırlı nitrojen ve fosfat, düşük pH (yaklaşık 2) ve döngüdeki aşağı akış enzimlerini inhibe eden ve daha fazla metabolizma yerine sitrat birikimini teşvik eden demir ve manganez gibi kısıtlı iz metaller koşulları altında biyosentez artar.^[36] Bu yolak, sitrat sentaz gibi enzim aktivitelerinin normal hücresel koşullara kıyasla on kata kadar yukarı regüle edilmesiyle, aşırı üretilen bir metabolit olarak sitrat verir.^[6]

Sitrik asidin endüstriyel üretimi, gliserol veya aseton-dikarboksilik asit gibi öncülerden kimyasal sentezin daha yüksek maliyetleri ve daha düşük verimliliği nedeniyle, küresel üretimin %99’undan fazlasının kimyasal sentez yerine biyo-bazlı yöntemlerden elde edilmesiyle, ezici bir çoğunlukla mikrobiyal fermantasyona dayanır.^[6] Baskın süreç, amonyak gibi azot kaynakları ve magnezyum sülfat dahil minerallerle desteklenen pancar melası (%15–25 fermente edilebilir şeker içerir) veya hidrolize mısır nişastası gibi düşük maliyetli substratlar kullanan batık fermantasyonda Aspergillus niger kullanır.^[36] Temel adımlar şunları içerir: kontaminantları ortadan kaldırmak için ortamın pH 6–7’de sterilizasyonu; A. niger sporları veya miselyal peletlerle inokülasyon; sürekli çalkalama ve oksijen beslemesi ile 28–30°C’de 5–10 gün boyunca havalandırılmış paslanmaz çelik biyoreaktörlerde fermantasyon, bu süre zarfında pH doğal olarak 2’ye düşer ve sitrik asit 110–140 g/L konsantrasyonlarına birikir; ardından biyokütleyi ayırmak için filtrasyon, çözünmez kalsiyum sitrat çökeltisi oluşturmak için kalsiyum hidroksit ile nötralizasyon, ikincil filtrasyon, serbest sitrik asidi serbest bırakmak için sülfürik asit ile asitleştirme, aktif karbon ile renk giderme, çözeltiyi konsantre etmek için buharlaştırma ve saflaştırılmış sitrik asit monohidrat elde etmek için son kristalleştirme yoluyla geri kazanım.^[37] Verimler, tüketilen substrat şekerlerine göre %90’a ulaşırken, modern süreçler %70–90 genel verimliliğe ulaşmaktadır.^[6] Sığ tepsilerde yüzey fermantasyonu bugün daha az yaygındır, ancak parti başına metrekare başına 1,2–1,5 kg’lık benzer verimler için bazı tesislerde hala kullanılmaktadır.^[37]

Küresel üretim 2024 yılı itibariyle yıllık 3 milyon tonu aşmıştır ve 2025 yılında yaklaşık 3,1 milyon tona ulaşması beklenmektedir; bu artış, öncelikle gıda ve ilaç sektörlerindeki talep ile yönlendirilmektedir. Çin, bol melas kaynaklarından ve optimize edilmiş fermantasyon tesislerinden yararlanarak toplamın %70’inden fazlası (yaklaşık 2,5 milyon ton) ile üretime hakimdir.^[38]^[39]^[40] Bu biyo-bazlı hakimiyet, 20. yüzyılın ortalarından bu yana daha önceki kimyasal sentez yollarının yerini büyük ölçüde almıştır ve yenilenebilir ham maddeler ve azaltılmış enerji girdileri yoluyla çevresel avantajlar sunmaktadır.^[6]

Biyolojik Fonksiyonlar

Sitrik Asit Döngüsündeki Rolü

Sitrat olarak iyonize formundaki sitrik asit, ökaryotik hücrelerin mitokondriyal matrisinde meydana gelen temel bir aerobik metabolik yol olan ve Krebs döngüsü veya sitrik asit döngüsü olarak da bilinen trikarboksilik asit (TCA) döngüsündeki ilk ara ürün olarak hizmet eder. 1937’de Hans Adolf Krebs tarafından aydınlatılan bu döngü, karbonhidratlardan, yağlardan ve proteinlerden türetilen asetil-CoA’nın oksidasyonunu kolaylaştırarak, hücresel enerji üretimi için gerekli olan yüksek enerjili elektron taşıyıcıları ve ATP eşdeğerlerini üretir. Döngü, altı karbonlu sitratı oluşturmak için asetil-CoA’nın (iki karbonlu bir birim) ve oksaloasetatın (dört karbonlu bir molekül) geri dönüşümsüz yoğunlaşmasıyla başlar; bu reaksiyon, substratı yolağa adayan, oldukça negatif bir serbest enerji değişimi (ΔG°’ ≈ -32 kJ/mol) ile sitrat sentaz enzimi tarafından katalizlenir.^[41]^[42]

Sitrat oluşumunun ardından molekül, elektronları çıkaran ve karbondioksit salan bir dizi dönüşüme uğrar. Sitrat ilk olarak, bir sonraki oksidasyon için hidroksil grubunu yeniden düzenleyen, sis-akonitata dehidrasyon ve ardından rehidrasyonu içeren akonitazın etkisiyle izositrata izomerize edilir. İzositrat daha sonra izositrat dehidrojenaz tarafından oksidatif olarak α-ketoglutarata dekarboksilatlanır, bir NADH molekülü ve bir CO₂ üretilir; bu adım, ADP tarafından allosterik olarak aktive edilen ve ATP tarafından inhibe edilen döngüdeki önemli bir düzenleyici noktadır. Beş karbonlu α-ketoglutarat, α-ketoglutarat dehidrojenaz kompleksi (pirüvat dehidrojenaza benzer çok enzimli bir yapı) aracılığıyla süksinil-CoA’ya daha fazla oksidatif dekarboksilasyona uğrar ve bir başka NADH ve CO₂ verir. Süksinil-CoA, süksinil-CoA sentetaz tarafından süksinata ayrılır ve bu işlem GSYİH’nin GTP’ye fosforilasyonu ile eşleşir (bu fosfatını ADP’ye aktararak ATP oluşturabilir). Süksinat, süksinat dehidrojenaz (Kompleks II olarak elektron taşıma zincirinin bir parçası) tarafından fumarata oksitlenir ve FADH₂ üretir. Fumarat, fumaraz tarafından malata hidratlanır ve malat son olarak malat dehidrojenaz tarafından okzaloasetatı yenilemek üzere oksitlenir ve üçüncü bir NADH üretilir. Sitratı içeren bu adımlar, böylece döngü dönüşü başına iki dekarboksilasyonu ve üç NADH ve bir FADH₂ üretimini kapsar.^[42]^[43]

Bir asetil-CoA’yı iki CO₂’ye oksitleyen sitrik asit döngüsünün tam bir dönüşü için net reaksiyon şu şekilde özetlenir:

$$ \text{asetil-CoA} + 3\text{NAD}^+ + \text{FAD} + \text{GDP} + \text{P}_\text{i} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{CO}_2 + 3\text{NADH} + 3\text{H}^+ + \text{FADH}_2 + \text{GTP} + \text{CoA-SH} $$

Bu denklem, indirgeyici eşdeğerlerin (NADH ve FADH₂) oksidatif fosforilasyon için elektron taşıma zincirine beslenmesiyle sitratın giriş noktası olarak rolünü vurgular. Bir glikoz molekülünün iki asetil-CoA birimi verdiği (glikoliz ve pirüvat dehidrojenaz yoluyla) glikoz metabolizması bağlamında, döngünün iki dönüşü, substrat seviyesinde fosforilasyon ve elektron taşıma ile bütünleşerek, proton hareket gücü kullanımı ve mekik sistemlerindeki değişken verimlilikleri hesaba katarak glikoz başına yaklaşık 30-32 ATP moleküllük net bir enerji verimi üretir.^[43]^[42]^[44]

Diğer Biyolojik Roller

Sitrat olarak iyonize formundaki sitrik asit, özellikle kan ve idrarda bir tampon görevi görerek hücreler ve vücut sıvıları içindeki pH düzenlemesinde çok önemli bir rol oynar. Böbreklerde, sitrat geri emilimi asidoz sırasında NaDC1 gibi pH’a duyarlı sodyum-dikarboksilat ortak taşıyıcıları (kotransporterları) aracılığıyla artar, idrarla atılımı azaltır ve asit-baz homeostazına yardımcı olmak için potansiyel alkalileri korur.^[45] Tipik olarak günde 2–3 mmol atılan idrar sitratı, idrar pH’ını tamponlamak ve alkali atılımı sırasında aşırı alkalileşmeyi önlemek için kalsiyum ile kompleks oluşturur.^[45] Metabolik asidozda, kalsiyum veya potasyum sitrat gibi sitrat takviyesi, hücre dışı sıvılarda tamponlama kapasitesini geri kazandırarak hücresel süreçleri bozan 7,0’ın altındaki pH düşüşlerine karşı koyar.^[46]

Bitkilerde sitrat, metal iyonları için doğal bir şelatlama ajanı olarak işlev görür, topraktan besin alımını, özellikle eksiklik koşulları altında demir mobilizasyonunu kolaylaştırır. Sitrat, Fe³⁺ ile kararlı kompleksler oluşturarak (kararlılık sabiti log K = 11,0), rizosferde demir çözünürlüğünü artırır ve FRD3 gibi taşıyıcılar aracılığıyla ksilem yoluyla taşınmasını sağlar.^[47] MATE ailesi proteinleri (örneğin, AtMATE) aracılığıyla kökten salgılanan sitrat, metal toksisitesini azaltırken Mn ve Zn gibi temel mikro besinlerin alımını destekler; bu durum, sitrik asit uygulamasının soya fasulyesinde Fe alımını 789,8 μg/g kuru ağırlığa çıkardığı çalışmalarda gösterilmiştir.^[47]^[48]

Sitrat, reaktif oksijen türlerini (ROS) temizleyerek antioksidan özellikler sergiler, böylece biyolojik sistemlerdeki oksidatif stresi hafifletir. Hidrojen atomlarını transfer ederek hidrojen peroksiti, hidroksil radikallerini, süperoksit anyonlarını ve diğer ROS’ları etkili bir şekilde nötralize eder ve biyomoleküllerin zarar görmesini önler.^[49] Bu temizleme aktivitesi in vitro olarak nicelendirilmiştir; 8,0 g/L’deki sitrik asit, ROS aracılı oksidasyonu %90’ın üzerinde azaltarak oksidatif hasara karşı koruyucu rolünü vurgulamıştır.^[49]

Sitrat, kalsiyum bağlama afinitesi sayesinde kemik erimesine ve böbrek taşı önlenmesine katkıda bulunur. Vücut sitratının yaklaşık %90’ının depolandığı kemik dokusunda, osteoklast aracılı erime sırasında çökelmeyi önlemek için kalsiyumu bağlar, mineral bütünlüğünü korur ve yeniden modellemede bir sinyal görevi görür.^[50] Böbrek taşları için, idrar sitratı serbest kalsiyumu şelatlar, aşırı doygunluğu azaltır ve kalsiyum oksalat kristal çekirdeklenmesini ve agregasyonunu inhibe eder; kalsiyum taşı oluşturanların yaklaşık %60’ında hipositratüri mevcuttur.^[51] Sitrat tuzları ile takviye, idrar sitrat seviyelerini artırarak klinik çalışmalarda taş riskini %41 oranında düşürür.^[51]

Kullanım Alanları

Gıda ve İçecek Endüstrisi

Sitrik asit, gıda ve içecek endüstrisinde, öncelikle asit düzenleyici, koruyucu ve aroma arttırıcı olarak işlev gören çok yönlü bir gıda katkı maddesi olarak hizmet eder. Bir asit düzenleyici olarak, mikrobiyal büyümeyi inhibe etmek ve formülasyonları stabilize etmek için ürünlerin pH’ını düşürürken, koruyucu özellikleri bakteri ve küfler için elverişsiz asidik bir ortam yaratarak raf ömrünü uzatır. Avrupa Birliği’nde E330 olarak adlandırılır ve belirlenmiş güvenlik profili nedeniyle sayısal sınırlar olmaksızın çok çeşitli gıda kategorilerinde kullanımına izin verilir.

Soda ve alkolsüz içecekler gibi içeceklerde sitrik asit, genel lezzet profillerini artıran ve şekerlerden veya yapay tatlandırıcılardan gelen tatlılığı dengeleyen mayhoş, ferahlatıcı bir tat verir. Bu ürünlerdeki tipik konsantrasyonlar ağırlıkça %0,1 ila %0,5 arasında değişir ve diğer bileşenleri bastırmadan asitliğin hassas bir şekilde kontrol edilmesini sağlar. Ayrıca, meyve bazlı konservelerde jelleşmeye katkıda bulunduğu ve narenciye meyvelerinde bulunan doğal asitliği taklit eden keskin, meyvemsi bir tat sağladığı reçellere, jölelere ve şekerlemelere de yaygın olarak dahil edilir.^[52]

Sitrik asit, meyve suları ve konserve ürünler gibi işlenmiş gıdalarda oksidatif reaksiyonları katalize eden metal iyonlarını şelatlayarak oksidasyonu ve enzimatik kararmayı önlemede askorbik asit (C vitamini) gibi antioksidanlarla sinerji gösterir. Bu kombinasyon sadece rengi ve besin kalitesini korumakla kalmaz, aynı zamanda depolama sırasında ürün stabilitesini de uzatır.^[53] 2022 itibariyle küresel sitrik asit üretiminin yaklaşık %70’i gıda ve içecek uygulamalarına yönlendirilmiştir ve bu da modern işlemedeki vazgeçilmez rolünün altını çizmektedir.^[54]

Temizlik ve Şelatlama Ajanı

Sitrik asit, kirecin birincil bileşenleri olan ve sert su birikintilerine katkıda bulunan kalsiyum ve magnezyum başta olmak üzere metal iyonlarıyla kararlı kompleksler oluşturma yeteneği nedeniyle temizlik ürünlerinde etkili bir şelatlama ajanı olarak hizmet eder.^[55] Bu şelatlama işlemi, bu iyonları bağlayarak ve yeniden birikmelerini önleyerek yüzeylerden kireç ve metal bileşenlerden pasın giderilmesini kolaylaştırır; kalsiyum kompleksleşmesi için reaksiyon şu şekildedir:

$$ 2 \mathrm{H_3Cit} + 3 \mathrm{Ca^{2+}} \rightarrow \mathrm{Ca_3(Cit)_2} + 6 \mathrm{H^+} $$

Pratik uygulamalarda, sitrik asit yerel pH’ı düşürerek ve metalleri izole ederek bu birikintileri çözer ve pH 2-3 aralığında yüksek etkinlik gösterdiği kireç çözme görevleri için uygun hale getirir.^[56]

Biyolojik olarak parçalanabilir ve çevre dostu bir seçenek olarak sitrik asit, deterjanlarda ve temizleyicilerde fosfatlara tercih edilen bir alternatif olarak ortaya çıkmış ve 2017 AB direktifi gibi fosfatlara yönelik düzenleyici yasakların ardından su kütlelerinde ötrofikasyon gibi sorunların hafifletilmesine yardımcı olmuştur.^[55] Narenciye meyvelerinden doğal türevlenmesi ve çevrede hızla parçalanması, zararlı kalıntılar bırakmadan suyu yumuşatmak için zeolitlerle birlikte bir yardımcı yapıcı (co-builder) olarak işlev gördüğü çevre dostu formülasyonlar için cazibesini artırır.^[57]

Evsel ve endüstriyel ortamlarda sitrik asit; ısıtma elemanlarında ve mutfak eşyalarında kireç birikimini önlemek için bulaşık makinelerinde, verimliliği azaltan mineral birikintilerini gidermek için kazanlarda ve lekelenmeye veya bulanıklığa neden olan metalleri şelatlamak için havuz bakımında yaygın olarak uygulanır.^[55] Bu kullanımlar, toksik olmayan profilinden ve çeşitli yüzeylerle uyumluluğundan yararlanarak, uygun şekilde dozlandığında korozyon risklerini en aza indirirken etkili temizlik sağlar.^[7]

İlaç ve Kozmetik

Sitrik asit, farmasötik formülasyonlarda çok yönlü bir eksipiyan olarak hizmet eder ve öncelikle çeşitli dozaj formlarının stabilitesini ve etkinliğini optimize etmek için bir pH ayarlayıcı olarak işlev görür. Efervesan tabletlerde, karbondioksit üretmek için sodyum bikarbonat ile reaksiyona girerek hızlı dağılmayı ve çözünmeyi kolaylaştırır; bu özellikle oral rehidrasyon çözeltileri ve analjezik preparatlar için yararlıdır.^[2] Benzer şekilde, şuruplarda sitrik asit, epinefrin ve olopatadin gibi ilaçlardaki acı tatları maskeleyerek lezzeti artırırken, ilacın korunmasına elverişli asidik bir ortamı korur.^[2] Enjekte edilebilir ürünler için, fizyolojik koşullarla uyumluluğu sağlamak için pH’ı düzenler, ancak enjeksiyon bölgesi rahatsızlığını en aza indirmek için konsantrasyonlar kontrol edilmelidir.^[2]

Kozmetikte, sitrik asit, şampuanlar ve losyonlar gibi ürünlerde pH seviyelerini stabilize etmek, formülasyon kararsızlığını önlemek ve cilt ve saç üzerindeki ürün performansını desteklemek için bir tamponlama maddesi olarak görev yapar.^[58] Ayrıca, metal iyonlarını şelatlayarak cilt bakım formülasyonlarında bir koruyucu olarak işlev görür; bu da mikrobiyal büyümeyi inhibe eder ve güvenliği tehlikeye atmadan raf ömrünü uzatır.^[58] Kozmetik İçerik İnceleme Uzman Paneli, sitrik asidi tipik olarak %5’in altındaki konsantrasyonlarda bu kullanımlar için güvenli kabul etmiştir.^[59]

Diyet takviyeleri içinde sitrik asit, özellikle efervesan tabletlerde C vitamini formülasyonlarının etkinliğini artırır; burada optimal bir asidik ortam sağlayarak askorbik asit stabilitesini ve biyoyararlanımını sinerjistik olarak iyileştirir.^[60] Bir şelatör olarak, demir takviyelerinde kararlı demir(II) sitrat kompleksleri oluşturur, gastrointestinal sistemde ferröz demir emilimini teşvik eder ve eksiklikleri şelatsız formlardan daha etkili bir şekilde giderir.^[61]

Bu rollerin ötesinde, sitrik asit, kalsiyum sekestrasyonu yoluyla proteolizi inhibe ettiği peptit formülasyonlarında olduğu gibi, bozunmayı katalize edebilecek iyonları şelatlayarak genel ilaç stabilitesine katkıda bulunur.^[2] Ayrıca, ketokonazol ve teofilin gibi bileşiklerle gösterildiği gibi, ko-amorf sistemler veya ko-kristaller oluşturarak suda az çözünen ilaçlarda çözünürlüğü artırır, böylece çözünme oranlarını ve biyoyararlanımı iyileştirir.^[2]

Diğer Endüstriyel Kullanımlar

Sitrik asit, biyo-bazlı reçinelerin ve plastiklerin sentezinde, özellikle polyester elastomerlerde ve süper emici polimerlerde bir polimerizasyon başlatıcısı ve çapraz bağlayıcı olarak görev yapar; burada dioller veya epoksitlenmiş yağlar ile katalizörsüz polyesterifikasyon yoluyla ester bağı oluşumunu kolaylaştırır.^[62]^[63] Bu çok işlevli rol, kaplamalar ve yapıştırıcılar gibi endüstriyel uygulamalar için uygun elastik, biyobozunur malzemelerin oluşturulmasını sağlayan üç karboksilik grubundan kaynaklanmaktadır.^[64]

Tekstil boyama ve bitim işlemlerinde sitrik asit, renk haslığını ve kumaş dayanıklılığını artıran kararlı kompleksler oluşturarak pamuk ve ipek gibi doğal lifler üzerinde boya fiksasyonunu güçlendiren biyo-bazlı bir mordan ve çapraz bağlama ajanı olarak hareket eder.^[65]^[66] Örneğin, metal bazlı mordanlar gerektirmeden kırışıklık direncini ve boya alımını aynı anda teşvik ettiği kökboya veya kurkumin gibi doğal boyalarla tek adımlı işlemlerde uygulanır.^[67]

Bir beton katkısı olarak sitrik asit, bir geciktirici ve su azaltıcı olarak işlev görür, işlenebilirliği uzatmak için çimento hidratasyonunu geciktirirken optimum dozajlarda karışımlarda su talebini %13’e kadar azaltır, böylece inşaat uygulamalarında mukavemeti ve pompalanabilirliği artırır.^[68] Geciktirme mekanizması, özellikle yüksek sıcaklık veya hızlı sertleşme ortamlarında yararlı olan trikalsiyum alüminat gibi klinker minerallerinin çözünmesini yavaşlatarak çimento parçacıkları üzerine adsorpsiyonu içerir.^[69]

Gelişmiş petrol geri kazanımında sitrik asit, fruktoz gibi bileşenlerle doğal derin ötektik çözücüler oluşturarak emülsiyon stabilizasyonunu artırır; bu çözücüler, süpürme verimliliğini artıran ve karbonat rezervuarlarındaki artık petrolü yerinden oynatan kararlı yağ-su emülsiyonları oluşturur.^[70] Bu uygulama, rezervuar koşulları altında emülsiyon bütünlüğünü korumak için şelatlama özelliklerinden yararlanır.^[71]

Güvenlik ve Toksikoloji

Sağlık Etkileri

Sitrik asit, sıçanlarda 3 g/kg vücut ağırlığını aşan oral LD50 ile düşük akut toksisite gösterir, bu da tekli yüksek doz maruziyetlerinden kaynaklanan riskin minimal olduğunu gösterir.^[1] ABD Gıda ve İlaç Dairesi, uzun güvenli tüketim geçmişine ve tipik diyet seviyelerinde önemli yan etkilerin bulunmamasına dayanarak, gıda ürünlerinde doğrudan kullanım için “genel olarak güvenli kabul edilen” (GRAS) olarak sınıflandırmıştır.^[72]

Yüksek konsantrasyonlarda sitrik asit cildi tahriş edebilir, uzun süreli temasla hafif kızarıklığa veya rahatsızlığa neden olabilir ve kızarıklık, yaşarma ve ağrı dahil olmak üzere ciddi göz tahrişine yol açabilir.^[73] Yüksek miktarlarda yutulması, mide bulantısı, kusma veya ishal olarak kendini gösteren gastrointestinal tahrişi tetikleyebilir, ancak bu tür etkiler standart diyet bağlamlarında nadirdir.^[1]

Metabolik açıdan bakıldığında, sitrik asit, trikarboksilik asit (TCA) döngüsü yoluyla verimli bir şekilde parçalanır, dokularda veya çevrede birikmeden hücresel enerji üretiminde bir ara ürün olarak hizmet eder.^[1] Bu hızlı metabolizma, organizmalarda biyoakümülasyona uğramadığı için olumlu toksikolojik profiline katkıda bulunur.^[73]

Sitrik aside karşı alerjik reaksiyonlar nadirdir, çünkü tipik olarak narenciye meyvelerine karşı hassasiyetlerle karışıklık ortaya çıkabilse de gerçek alerjilere benzer bir bağışıklık tepkisini tetiklemez.^[74] Sitrik asit içeren asidik gıdaların ve içeceklerin sık tüketimi, asidin diş minesini demineralize ettiği, potansiyel olarak zamanla artan diş hassasiyetine ve çürümeye yol açan diş erozyonu riski oluşturur.^[75]

Düzenleyici Yönler

Sitrik asit, 1958’de yayınlanan ilk GRAS listesine dahil edilmesinden bu yana doğrudan insan gıdası bileşeni olarak kullanım için ABD Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) tarafından genel olarak güvenli kabul edilen (GRAS) olarak onaylanmıştır. Avrupa Birliği’nde sitrik asit, Komisyon Tüzüğü (AB) No 231/2012 uyarınca birçok uygulamada belirtilen maksimum seviyeler olmaksızın çeşitli kategorilerde kullanım için yetkilendirilmiş, E330 tanımı altında bir gıda katkı maddesi olarak onaylanmıştır.

Susuz sitrik asit için Birleşik Devletler Farmakopesi (USP) monografı, susuz bazda %99,5’ten az ve %100,5’ten fazla olmayan bir C₆H₈O₇ saflığı belirtir ve Yöntem II kullanılarak ağır metaller için 10 ppm’yi aşmayan sınırlar koyar.^[76] Benzer şekilde, susuz sitrik asit için Avrupa Farmakopesi (EP) monografı, %99,5 ila %100,5’lik bir içerik ve maksimum 20 ppm ile sınırlı ağır metaller gerektirirken, monohidrat formu %99,0 ila %101,0 saflık ve ağır metaller için 10 ppm zorunlu kılar.

Codex Alimentarius Gıda Katkı Maddeleri Genel Standardı (GSFA) kapsamında, sitrik asit (INS 330), işlenmiş gıdalarda güvenli ve etkili uygulamayı sağlamak için meyve sularında 3.000 mg/kg ve meyve nektarı için konsatrelerde 5.000 mg/kg gibi spesifik maksimum kullanım seviyeleri ile çoğu gıda kategorisinde iyi üretim uygulamaları (GMP) seviyelerinde izin verilir.

Özellikle mikrobiyal fermantasyon yoluyla biyo-bazlı üretim olan sitrik asit için ithalat ve ihracat düzenlemeleri, genetiği değiştirilmiş organizma (GDO) kaynaklı kaynaklar için incelemeyi içerir; örneğin, ABD Ulusal Organik Programı, sertifikalı organik ürünlerde GDO suşları kullanılarak üretilen sitrik asidi yasaklarken, AB, izlenebilir genetik materyal mevcutsa türevler için GDO etiketlemesini gerektirir, ancak saflaştırılmış sitrik asit tipik olarak bu tür materyallerden yoksundur. Endüstriyel üretim yöntemleri, bu düzenleyici gereksinimleri karşılamak için farmakope standartlarında belirtilen yüksek saflık seviyelerine ulaşır.^[77]