本文對近10a國內(nèi)化學合成法和生物技術(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)率等進行了綜合介紹。 1 丙酮酸的合成

丙酮酸的合成主要為化學合成法和生物技術(shù)法。

1.1 化學合成法

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合成。

1997年張慶勇以反應(yīng)進度通過改變加熱強度調(diào)節(jié)，并設(shè)計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%。此法的特點是加入導熱油之后，在一個均勻體系中進行反應(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方法生產(chǎn)丙酮酸。當Pb：Pd為0.4，pH=8，反應(yīng)溫度90℃，反應(yīng)時間35h，丙酮酸收率最高可達58.2%。當磷酸鐵中P/Fe原子比為12時，反應(yīng)溫度230℃，反應(yīng)時間24h，氧氣濃度26.3%時，轉(zhuǎn)化率可達76%，選擇性為66%。當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，當原料氣中乳酸乙酯：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pH=10時，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)進行得過于緩慢，反應(yīng)時間長，產(chǎn)率低，因而失去工業(yè)價值。電化學法以乳酸為原料，內(nèi)含Bu4NBF4的N,N-二甲基酰胺為電解液，進行電解，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，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

文獻所提及的方法還有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)物對光滑球擬酵母多重維生素營養(yǎng)缺陷型菌株CCTCCM 202019生長和積累丙酮酸的影響。該菌株能以TCA循環(huán)中間產(chǎn)物為唯一碳源進行生長，且在以葡萄糖、乙酸和TCA循環(huán)中間產(chǎn)物為復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，草酰乙酸更能促進細胞的生長、提高丙酮酸產(chǎn)量和對葡萄糖的得率，并使發(fā)酵結(jié)束時間縮短。

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)量達到68.7g/L，對葡萄糖的產(chǎn)率為0.651g/g。

為了提高發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸的競爭力，對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)酵時間；②提高生產(chǎn)菌對高濃度丙酮酸的耐受性，以期進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用占了很大的比例，因此，要提高生產(chǎn)菌株對廉價底物(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，學術(shù)界對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)物進一步被轉(zhuǎn)化還應(yīng)該進行進一步的研究。

1.2.2 酶催化法

文獻介紹pH值為7時酶丙酮酸鹽脫羧酶，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下會產(chǎn)生逆向反應(yīng)，使用上述生物催化劑，在25℃時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)化率達到80%，該研究結(jié)果為酶催化法合成丙酮酸的這種有價值的酶源推向生產(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

法所不能夠達到的高產(chǎn)物濃度以及高轉(zhuǎn)化率，同時副產(chǎn)物少，降低了產(chǎn)物提取的費用，是一條經(jīng)濟可行的新途徑。研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)過程中pH值及反應(yīng)時間對丙酮酸生產(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年河北威遠集團合成丙酮酸鈣的工藝流程。該工藝過程簡便，易于控制，對設(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一步反應(yīng)生成丙酮酸鈣，收率為96%，用HPLC法測定，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年楊永泰等對乳酸乙酯催化氧化合成丙酮酸乙酯進行了重要改進。以NaY分子篩作為載體，通過沉淀負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。

本法是針對亞芐基海因水解體系建立的一種高效實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)對此體系中的亞芐基海因和苯丙酮酸進行了初步檢測。該方法簡便、快速，結(jié)果準確，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被酸化時會轉(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會呈現(xiàn)空前的繁榮。但丙酮酸系列產(chǎn)品大多需要進口且價位較高。其生產(chǎn)工藝的改革并實現(xiàn)工業(yè)化勢在必行。而生物技術(shù)法的工藝更為綠色，更為對環(huán)境友好，加之日本在這個領(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。