本文對(duì)近10a國內(nèi)化學(xué)合成法和生物技術(shù)法合成丙酮酸及系列產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的原理、工藝參數(shù)、產(chǎn)率等進(jìn)行了綜合介紹。 1 丙酮酸的合成

丙酮酸的合成主要為化學(xué)合成法和生物技術(shù)法。

1.1 化學(xué)合成法

1.1.1 酒石酸法

酒石酸法是以酒石酸為原料，與硫酸氫鉀共熔脫水脫羧制備丙酮酸的化學(xué)合成。

1997年張慶勇以反應(yīng)進(jìn)度通過改變加熱強(qiáng)度調(diào)節(jié)，并設(shè)計(jì)了尾氣吸收凈化裝置減低操作環(huán)境的污染。丙酮酸粗品減壓蒸餾。收集沸程為75-80℃/3.33kPa的餾分即為丙酮酸，產(chǎn)率：50%-55%。

2003年邱方利在減壓蒸餾(控制真空度約-0.005MPa)，溫度150℃，餾出液即為粗品丙酮酸，收集沸程70-75℃/3kPa的餾分，收率68.2%，含量為98.6%。此法的特點(diǎn)是加入導(dǎo)熱油之后，在一個(gè)均勻體系中進(jìn)行反應(yīng)，降低了反應(yīng)溫度，減少氧化程度，可操作性大幅度提高，適合繼續(xù)反應(yīng)生成丙酮酸系列產(chǎn)品。

1.1.2 乳酸氧化法

以乳酸或乳酸乙酯為原料，根據(jù)工藝不同催化劑可選用磷酸鐵、鉬酸碲鹽、Ag、Fremy鹽和Pt/Pb/C等。

2001年楊輝瓊以質(zhì)量組成比為3%：5%：92%的Pt/Pb(NO3)2/C作催化劑，通入氧氣氧化，在45℃反應(yīng)2h，丙酮酸產(chǎn)率66.0%。丙酮酸收率和反應(yīng)的選擇性都較好，工業(yè)生產(chǎn)中氧氣可用空氣代替，反應(yīng)條件溫和，生產(chǎn)成本低且無污染。

同年，陳蘇芳介紹了以Pb/Pd，磷酸鐵鹽，Ag，釩，F(xiàn)remy鹽作催化劑，用乳酸或乳酸乙酯作原料，氧化脫氫一步法以及電化學(xué)方法生產(chǎn)丙酮酸。當(dāng)Pb：Pd為0.4，pH=8，反應(yīng)溫度90℃，反應(yīng)時(shí)間35h，丙酮酸收率最高可達(dá)58.2%。當(dāng)磷酸鐵中P/Fe原子比為12時(shí)，反應(yīng)溫度230℃，反應(yīng)時(shí)間24h，氧氣濃度26.3%時(shí)，轉(zhuǎn)化率可達(dá)76%，選擇性為66%。當(dāng)Ag載量為64%，以乳酸乙酯作原料可得到91.1%的選擇性和80.25的產(chǎn)率，以釩作催化劑時(shí)，當(dāng)原料氣中乳酸乙酯：O2：N2的物質(zhì)的量比為1：2：8，反應(yīng)溫度200℃，乳酸乙酯的轉(zhuǎn)化率為97%，丙酮酸的選擇性為81%，收率為78%。當(dāng)pH=10時(shí)，用Fremy鹽氧化乳酸，反應(yīng)65h，得到丙酮酸的收率為32%，用Fremy鹽氧化丙氨酸，反應(yīng)24h，得到丙酮酸收率為37%，這種方法由于反應(yīng)進(jìn)行得過于緩慢，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)率低，因而失去工業(yè)價(jià)值。電化學(xué)法以乳酸為原料，內(nèi)含Bu4NBF4的N,N-二甲基酰胺為電解液，進(jìn)行電解，完畢，減壓蒸餾，蒸餾后的殘余物倒入鹽酸中，用Yi醚萃取，蒸掉Yi醚后得到丙酮酸，產(chǎn)率為60.12%，此法酒石酸的氧化脫羧法相比，具有能耗低、污染小、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

文獻(xiàn)所提及的方法還有α,α-二氯丙酸或α,α-二溴丙酸水解，蒸餾甘油酸的衍生物，氧化丙酮醛的亞硫酸氫鹽衍生物，2,4,6-三甲苯基氧化物氧化法，異丁烯酸氧化法，三乙氧基乙腈法，乙酰氯法，多羥基醇化合物氧化法，異戊二烯空氣氧化法等，但工業(yè)價(jià)值均不大。

1.2 生物技術(shù)法

生物技術(shù)法生產(chǎn)丙酮酸，由于成本低、產(chǎn)品質(zhì)量高、對(duì)環(huán)境友好而得到發(fā)展，主要有直接發(fā)酵法和酶催化法。以底物為葡糖糖的例子說明生物技術(shù)法丙酮酸代謝途徑見圖1(略)。

1.2.1 直接發(fā)酵法

直接發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸的影響因素有：菌種選育，營養(yǎng)條件，維生素水平，供氧模式，葡萄糖的質(zhì)量濃度等等。

2003年劉立明等在維生素限制的條件下，研究了添加三羧酸(TCA)循環(huán)中間產(chǎn)物對(duì)光滑球擬酵母多重維生素營養(yǎng)缺陷型菌株CCTCCM 202019生長(zhǎng)和積累丙酮酸的影響。該菌株能以TCA循環(huán)中間產(chǎn)物為唯一碳源進(jìn)行生長(zhǎng)，且在以葡萄糖、乙酸和TCA循環(huán)中間產(chǎn)物為復(fù)合碳源的平板上菌落數(shù)高于分別以葡萄糖和乙酸或TCA循環(huán)中間產(chǎn)物為唯一碳源時(shí)的菌落數(shù)。與其它TCA循環(huán)中間產(chǎn)物相比，草酰乙酸更能促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)、提高丙酮酸產(chǎn)量和對(duì)葡萄糖的得率，并使發(fā)酵結(jié)束時(shí)間縮短。

2004年劉立明提出一種基于途徑分析提高丙酮酸產(chǎn)量的育種策略，通過亞硝基胍誘變，獲得1株乙酸需求型突變株CCTCCM 202019，在外加乙酸的培養(yǎng)基中表現(xiàn)出高于出發(fā)株21%的丙酮酸生產(chǎn)能力和良好的遺傳穩(wěn)定性。檢測(cè)突變株CCTCCM 202019中丙酮酸代謝相關(guān)酶的活性發(fā)現(xiàn)：①丙酮酸脫羧酶活性降低了40%；②外加乙酸與否的條件下，乙酰輔酶A合成酶的活性分別提高了103.5%和57.4%：③添加乙酸和突變對(duì)丙酮酸羧化酶、丙酮酸脫氫酶系、乙醇脫氫酶和乙醛脫氫酶的活性沒有顯著影響。在含有乙酸的培養(yǎng)基中突變株細(xì)胞干重比出發(fā)株高21.7%。在7L罐中含有6g/L乙酸鈉的培養(yǎng)基中發(fā)酵62h，丙酮酸產(chǎn)量達(dá)到68.7g/L，對(duì)葡萄糖的產(chǎn)率為0.651g/g。

為了提高發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸的競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)T.glabrata發(fā)酵生產(chǎn)丙酮酸的工業(yè)化在發(fā)酵部分還需要：①進(jìn)一步改善丙酮酸生產(chǎn)菌的產(chǎn)酸能力和遺傳穩(wěn)定性，提高糖酸轉(zhuǎn)化率，縮短發(fā)酵時(shí)間；②提高生產(chǎn)菌對(duì)高濃度丙酮酸的耐受性，以期進(jìn)一步提高丙酮酸濃度，便于下游處理；③目前原料成本中葡萄糖的費(fèi)用占了很大的比例，因此，要提高生產(chǎn)菌株對(duì)廉價(jià)底物(如糖蜜、淀粉糖)等的利用能力。

今后的研究工作應(yīng)集中在：①在保證細(xì)胞正常代謝的前提下，盡可能減少丙酮酸的降解或轉(zhuǎn)化，這是獲得丙酮酸高產(chǎn)量和高產(chǎn)率的必要條件；②加快從葡萄糖到丙酮酸的代謝速度，以確保獲得丙酮酸的高生產(chǎn)強(qiáng)度；③T.glabata的多種維生素營養(yǎng)缺陷型具有大量積累丙酮酸的潛力，學(xué)術(shù)界對(duì)該菌株在過量合成丙酮酸的生理生化特征和如何防止產(chǎn)物進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化還應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

1.2.2 酶催化法

文獻(xiàn)介紹pH值為7時(shí)酶丙酮酸鹽脫羧酶，連同輔酶焦磷酸硫胺素可催化丙酮酸的脫羧，產(chǎn)生乙醛和CO2。AIST Kyushu研究者發(fā)現(xiàn)，在pH值為11下會(huì)產(chǎn)生逆向反應(yīng)，使用上述生物催化劑，在25℃時(shí)乙醛與碳酸鈉一碳酸氫鹽緩沖液反應(yīng)可合成丙酮酸，收率為81%。緩沖液起到CO2源的作用。在超臨界CO2進(jìn)行反應(yīng)可獲更高的收率。

2001年谷勁松從土壤樣品中富集、篩選和純化獲得3株能產(chǎn)生乳酸氧化酶的菌株，其中SM210#菌株的產(chǎn)酶活力最高，4h酶液的底物最高轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%，該研究結(jié)果為酶催化法合成丙酮酸的這種有價(jià)值的酶源推向生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。隨后，谷勁松還介紹了當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于丙酮酸的酶法轉(zhuǎn)化及乳酸氧化酶的研究進(jìn)展。

日本清水昌等發(fā)現(xiàn)有些微生物在琥珀酰亞胺代謝過程中，琥珀酰亞胺經(jīng)過琥珀酸，延胡索酸以及蘋果酸等生成丙酮酸，由此建立了通過微生物環(huán)狀酰亞胺代謝的丙酮酸生產(chǎn)新方法，見圖2(略)。

由此2004年穆曉清經(jīng)誘變得到惡臭假單胞菌的纈氨酸或(與)亮氨酸營養(yǎng)缺陷型變異株M29，該菌株在最優(yōu)條件下作用72h，將1mol/L延胡索酸轉(zhuǎn)化成為821mmol/L丙酮酸。通過篩選纈氨酸或(與)亮氨酸營養(yǎng)缺陷型變異株，從而切斷丙酮酸向這些氨基酸代謝的途徑，提高丙酮酸的轉(zhuǎn)化效率。此法通過酶促催化延胡索酸，以蘋果酸為中間產(chǎn)物，通過類似于三羧酸循環(huán)中的反應(yīng)生產(chǎn)丙酮酸，具有一般發(fā)酵方

法所不能夠達(dá)到的高產(chǎn)物濃度以及高轉(zhuǎn)化率，同時(shí)副產(chǎn)物少，降低了產(chǎn)物提取的費(fèi)用，是一條經(jīng)濟(jì)可行的新途徑。研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)過程中pH值及反應(yīng)時(shí)間對(duì)丙酮酸生產(chǎn)有重要影響。

2 丙酮酸系列產(chǎn)品的合成

2.1 丙酮酸鈣的合成

圖3(略)是2000年河北威遠(yuǎn)集團(tuán)合成丙酮酸鈣的工藝流程。該工藝過程簡(jiǎn)便，易于控制，對(duì)設(shè)備要求低。

2003年邱方利利用在上述丙酮酸中加入碳酸鈣進(jìn)一步反應(yīng)生成丙酮酸鈣，收率為96%，用HPLC法測(cè)定，丙酮酸鈣折于含量為98.2%。

2004年張富捐以蛋殼為原料制備丙酮酸鈣，產(chǎn)率可達(dá)92%。該工藝制備的丙酮酸鈣系用生物組織——蛋殼為原料，加之丙酮酸本身是在人體代謝過程中大量產(chǎn)生的物質(zhì)，同時(shí)廣泛存在于多種蔬菜和水果中，可以正常代謝而不蓄積在人體內(nèi)，所以無毒、無害、無副作用，安全性極高，可用于食品和藥物。

2.2 丙酮酸乙酯

1998年楊永泰等對(duì)乳酸乙酯催化氧化合成丙酮酸乙酯進(jìn)行了重要改進(jìn)。以NaY分子篩作為載體，通過沉淀負(fù)載法制備的一定含銀量的Ag-NaY分子篩催化劑，能有效降低反應(yīng)溫度，提高選擇性與產(chǎn)率。最佳反應(yīng)條件為，催化劑含銀60%，催化劑的焙燒溫度應(yīng)為500℃，反應(yīng)溫度為400℃，氧酯物質(zhì)的量比為2：0，乳酸乙酯的液時(shí)空速在8.0-10.0h-1較為合適。

1999年李康制備了以TiO2、SiO2、α-Al2O3等為載體的釩氧化物催化劑，研究了催化劑對(duì)乳酸乙酯選擇性氧化制丙酮酸乙酯反應(yīng)的活性，并將催化劑的組成、結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)及載體性質(zhì)的影響等與反應(yīng)性能進(jìn)行關(guān)聯(lián)。研究發(fā)現(xiàn)：V2O5在載體上的分散使V＝O鍵變?nèi)酰搜趸钚栽黾樱光C催化劑對(duì)乳酸乙酯選擇性氧化制丙酮酸乙酯反應(yīng)表現(xiàn)出較好的催化性能；酸可以催化反應(yīng)物乳酸乙酯和產(chǎn)物丙酮酸乙酯的水解，酸性越強(qiáng)水解速度越快，而V/α-Al2O3和V/TO2催化劑酸性較弱，產(chǎn)物丙酮酸乙酯的選擇性較高。

當(dāng)乳酸乙酯為原料以高錳酸鉀催化生成丙酮酸乙酯，收率為51%-54%，這種方法由于產(chǎn)率較低，污染嚴(yán)重而逐漸為空氣氧化法所取代。

2.3 苯丙酮酸的合成

亞芐基海因水解生成苯丙酮酸的路線。

本法是針對(duì)亞芐基海因水解體系建立的一種高效實(shí)用的液相色譜分析方法，為生產(chǎn)工藝控制提供了依據(jù)。并應(yīng)用液—質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對(duì)此體系中的亞芐基海因和苯丙酮酸進(jìn)行了初步檢測(cè)。該方法簡(jiǎn)便、快速，結(jié)果準(zhǔn)確，可以用于苯丙酮酸生產(chǎn)的質(zhì)量控制。

2.4 順丁烯二酸一單酰丙酮酸及反丁烯二酸一單酰丙酮酸

2004年劉東啓報(bào)道來自肺炎克氏桿菌M5a1菌株的龍膽酸1,2-雙加氧酶(GDO，ECl.14.13)，能夠催化龍膽酸產(chǎn)生順丁烯二酸一單酰丙酮酸(MP)。利用龍膽酸1,2-雙加氧酶基因工程菌以及MP被酸化時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化成反丁烯二酸一單酰丙酮酸的特性，小量制備了純度分別為97.7%以及96.4%的順丁烯二酸一單酰丙酮酸和反丁烯二酸一單酰丙酮酸。

3 展望

隨著人民生活水平的不斷提高，丙酮酸鈣的保健市場(chǎng)會(huì)呈現(xiàn)空前的繁榮。但丙酮酸系列產(chǎn)品大多需要進(jìn)口且價(jià)位較高。其生產(chǎn)工藝的改革并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化勢(shì)在必行。而生物技術(shù)法的工藝更為綠色，更為對(duì)環(huán)境友好，加之日本在這個(gè)領(lǐng)域已取得了有目共睹的成果，生物技術(shù)法新工藝取代傳統(tǒng)工藝指日可待，前景廣闊。