丙酮酸合成工艺的研究进展
 
　　【摘 要】丙酮酸是药物合成与有机合成的重要中间体。本文本要阐述其化学合成法和生物技术法合成的现状、研究进展及其发展前景，并将各种方法进行对比，目的为以后的生产、研究提供参考。

　　【关键词】丙酮酸；化学合成；生物技术；酶催化法；生物工程；微生物发酵法
　　
　　丙酮酸[1]，又称ａ-氧代丙酸，结构为CH3COCOOH，是所有生物细胞糖代谢及体内多种物质相互转化的重要中间体，因分子中包含活化酮和羧基基团，所以作为一种基本化工原料广泛应用于化学、制药、食品、农业及环保等各个领域中[2]。丙酮酸可通过化学合成和生物技术多种方法制备。
　　1、化学合成法
　　1.1 酒石酸脱水脱羧法
　　此法工艺简单易行：将酒石酸与硫酸氢钾混合物在220℃下蒸馏，馏出物再经真空精馏即得丙酮酸。此法的特点是加入导热油之后，在一个均匀体系中进行反应，降低了反应温度，减少氧化程度，可操作性大幅度提高，适合继续反应生成丙酮酸系列产品。其缺点是丙酮酸产率较底，得1g丙酮酸需消耗5g硫酸氢钾。仅原料成本就达8万元每吨，因成本过高而无法为大多数厂家所接受。
　　1.2 乳酸氧化法
　　以乳酸为原料，氧化脱氢一步法生产丙酮酸[3]。但乳酸直接制取丙酮酸非常困难,根据工艺不同必须选用合适的催化剂。可以选择的催化剂有磷酸铁、钼酸碲盐、银、钒等[4]。此法酒石酸的氧化脱羧法相比，具有能耗低、污染小、产率高等优点，适合工业化生产。其缺点是成本也较高，约6万元每吨。
　　2、生物技术法
　　生物技术法生产丙酮酸，由于成本较低、产品质量较高、对环境污染小而得到发展，主要有酶催化法和微生物发酵法。
　　2.1 酶催化法
　　用酶或微生物细胞作催化剂,使葡萄糖或三羧酸循环的某些中间代谢产物,在一定条件下,转化为丙酮酸的技术,称为酶催化法。其主要过程是先进行小规模的微生物培养,菌体收集,直接转化或用载体包埋成固定化酶,然后转化生成丙酮酸[5]。酶催化法设备投资小,能耗低,转化率高,但底物来源较窄、成本比较高约5万元每吨，因此其进一步推广受到限制。
　　2.2 基因工程技术
　　利用基因重组技术构建高表达乙醇酸氧化酶、过氧化氢酶等的基因工程菌，用于生产丙酮酸的技术。这些酶能催化乳酸与氧反应生成丙酮酸。其技术是先将乙醇酸氧化酶基因和过氧化氢酶基因分别与DNA载体重组，构成重组子，并分别转入宿主细胞，分别获得两种酶高表达的基因工程酵母，按0.713mol/LL-乳酸钠溶液每100ml加湿重转化体5g,同时加一定量渗透剂,在5个大气压下,以70psig氧压通入氧气,5℃搅拌转化4小时，丙酮酸产率大97.7%[6]。本技术底物转化率高，但技术难度大。
　　2.3 微生物发酵法
　　微生物代谢过程中,利用葡萄糖积累丙酮酸的过程称为微生物发酵法。微生物发酵法生产丙酮酸研究已有50年历史，但因丙酮酸高产菌株选育十分困难，虽有一些微生物能够积累丙酮酸，但其产量无法达到工业化要求[7]。该法生产丙酮酸真正取得突破，是在1988年时,日本东丽工业株式会社的研究人员宫田令子和米原辙选育出一系列丙酮酸产量超过50g/L的球拟酵母菌株,使微生物发酵法生产丙酮酸的工业化成为可能。1992年,日本开始采用微生物发酵法生产丙酮酸[8]。产量为400吨每年,成本约为2-3万元每吨。
　　与化学合成法和酶转化法相比,微生物发酵法因原料来源广,能耗低,污染少,成本低而更具有优越性[9]。但微生物发酵法缺点是转化率比较低,这是因为丙酮酸是糖酵解途径的关键中间产物,在细胞中,丙酮酸作为一种重要的中间代谢产物连接了EMP和TCA中心代谢途径，又与多条分支代谢途径相关联，可转化为多种发酵产物而无法在体内积累。因此需要切断或弱化其进一步代谢,才能使其在细胞中大量积累。即加快葡萄糖向丙酮酸的转化率，减弱向TCA循环的通量，切断或减弱其分支代谢途径，促进分泌，减弱丙酮酸的再利用，最终实现丙酮酸的大量积累。为达此目的，就必须对微生物发酵法生产丙酮酸的影响因素进行研究。
　　微生物发酵法生产丙酮酸的影响因素有：菌种选育，营养条件，维生素水平，供氧模式，葡萄糖的质量浓度等等,其最关键的是菌种选育和营养条件[10]。
　　为了提高微生物发酵法生产丙酮酸的竞争力，对微生物发酵生产丙酮酸的工业化在发酵部分还需要：①进一步改善丙酮酸生产菌的产酸能力和遗传稳定性，提高糖酸转化率，缩短发酵时间；②提高生产菌对高浓度丙酮酸的耐受性，以期进一步提高丙酮酸浓度，便于下游处理；③目前原料成本中葡萄糖的费用占了很大的比例，因此，要提高生产菌株对廉价底物(如糖蜜、淀粉糖)等的利用能力。
　　今后的研究工作应集中在：①在保证细胞正常代谢的前提下，尽可能减少丙酮酸的降解或转化，这是获得丙酮酸高产量和高产率的必要条件；②加快从葡萄糖到丙酮酸的代谢速度，以确保获得丙酮酸的高生产强度。
　　随着人民生活水平的不断提高，丙酮酸的应用范围日渐扩大，需求不断增长，但丙酮酸系列产品大多需要进口且价位较高。其生产工艺的改革并实现工业化势在必行。传统工艺生产的产品质量差、成本高且对环境污染大。而生物技术法的工艺更为绿色，更为对环境友好，生物技术法新工艺取代传统工艺指日可待，前景广阔，值得进一步研究。
　　
　　参考文献
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　　[2] 刘立明，李寅，陈坚．光滑球拟酵母发酵生产丙酮酸[J]．精细与专用化学品，2003,23:15-18
　　[3] 顾劲松，许平，李铁林，等．乳酸氧化酶转化乳酸产丙酮酸[J]．应用与环境生物学报，2001(6): 617-620
　　[4] 杨辉琼，易翔，郭贤烙．乳酸氧气氧化法制备丙酮酸[J]．化工世界，2002,6:307-309
　　[5] 穆晓清．酶促生物转化丙酮酸生产的研究[J]．工业微生物，2004,34(4),38-41
　　[6] Davad L A，Robert D，Vincent G W．US5,538,875[J]．1996
　　[7] 牟弈，诸葛健．发酵法生产丙酮酸[J]．中国酿造，2000(5): 1-3
　　[8] 占桂荣，高年发．不利用丙酮酸的丙酮酸生产菌的选育[J]．生物加工过程，2006,4(4): 32-36
　　[9] 李寅，陈坚，伦世仪．维生素在丙酮酸过量合成中的重要作用[J]．微生物学报，2000,40(5): 528-534
　　[10] 袁辉，华子春．丙酮酸野生酵母菌的筛选及其生理生化特性研究[J]．微生物学杂志，2001,21: 12-14