丙酮酸合成工藝的研究進展
 
　　【摘 要】丙酮酸是藥物合成與有機合成的重要中間體。本文本要闡述其化學合成法和生物技術法合成的現狀、研究進展及其發展前景，并將各種方法進行對比，目的為以后的生產、研究提供參考。

　　【關鍵詞】丙酮酸；化學合成；生物技術；酶催化法；生物工程；微生物發酵法
　　
　　丙酮酸[1]，又稱ａ-氧代丙酸，結構為CH3COCOOH，是所有生物細胞糖代謝及體內多種物質相互轉化的重要中間體，因分子中包含活化酮和羧基基團，所以作為一種基本化工原料廣泛應用于化學、制藥、食品、農業及環保等各個領域中[2]。丙酮酸可通過化學合成和生物技術多種方法制備。
　　1、化學合成法
　　1.1 酒石酸脫水脫羧法
　　此法工藝簡單易行：將酒石酸與硫酸氫鉀混合物在220℃下蒸餾，餾出物再經真空精餾即得丙酮酸。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，降低了反應溫度，減少氧化程度，可操作性大幅度提高，適合繼續反應生成丙酮酸系列產品。其缺點是丙酮酸產率較底，得1g丙酮酸需消耗5g硫酸氫鉀。僅原料成本就達8萬元每噸，因成本過高而無法為大多數廠家所接受。
　　1.2 乳酸氧化法
　　以乳酸為原料，氧化脫氫一步法生產丙酮酸[3]。但乳酸直接制取丙酮酸非常困難,根據工藝不同必須選用合適的催化劑。可以選擇的催化劑有磷酸鐵、鉬酸碲鹽、銀、釩等[4]。此法酒石酸的氧化脫羧法相比，具有能耗低、污染小、產率高等優點，適合工業化生產。其缺點是成本也較高，約6萬元每噸。
　　2、生物技術法
　　生物技術法生產丙酮酸，由于成本較低、產品質量較高、對環境污染小而得到發展，主要有酶催化法和微生物發酵法。
　　2.1 酶催化法
　　用酶或微生物細胞作催化劑,使葡萄糖或三羧酸循環的某些中間代謝產物,在一定條件下,轉化為丙酮酸的技術,稱為酶催化法。其主要過程是先進行小規模的微生物培養,菌體收集,直接轉化或用載體包埋成固定化酶,然后轉化生成丙酮酸[5]。酶催化法設備投資小,能耗低,轉化率高,但底物來源較窄、成本比較高約5萬元每噸，因此其進一步推廣受到限制。
　　2.2 基因工程技術
　　利用基因重組技術構建高表達乙醇酸氧化酶、過氧化氫酶等的基因工程菌，用于生產丙酮酸的技術。這些酶能催化乳酸與氧反應生成丙酮酸。其技術是先將乙醇酸氧化酶基因和過氧化氫酶基因分別與DNA載體重組，構成重組子，并分別轉入宿主細胞，分別獲得兩種酶高表達的基因工程酵母，按0.713mol/LL-乳酸鈉溶液每100ml加濕重轉化體5g,同時加一定量滲透劑,在5個大氣壓下,以70psig氧壓通入氧氣,5℃攪拌轉化4小時，丙酮酸產率大97.7%[6]。本技術底物轉化率高，但技術難度大。
　　2.3 微生物發酵法
　　微生物代謝過程中,利用葡萄糖積累丙酮酸的過程稱為微生物發酵法。微生物發酵法生產丙酮酸研究已有50年歷史，但因丙酮酸高產菌株選育十分困難，雖有一些微生物能夠積累丙酮酸，但其產量無法達到工業化要求[7]。該法生產丙酮酸真正取得突破，是在1988年時,日本東麗工業株式會社的研究人員宮田令子和米原轍選育出一系列丙酮酸產量超過50g/L的球擬酵母菌株,使微生物發酵法生產丙酮酸的工業化成為可能。1992年,日本開始采用微生物發酵法生產丙酮酸[8]。產量為400噸每年,成本約為2-3萬元每噸。
　　與化學合成法和酶轉化法相比,微生物發酵法因原料來源廣,能耗低,污染少,成本低而更具有優越性[9]。但微生物發酵法缺點是轉化率比較低,這是因為丙酮酸是糖酵解途徑的關鍵中間產物,在細胞中,丙酮酸作為一種重要的中間代謝產物連接了EMP和TCA中心代謝途徑，又與多條分支代謝途徑相關聯，可轉化為多種發酵產物而無法在體內積累。因此需要切斷或弱化其進一步代謝,才能使其在細胞中大量積累。即加快葡萄糖向丙酮酸的轉化率，減弱向TCA循環的通量，切斷或減弱其分支代謝途徑，促進分泌，減弱丙酮酸的再利用，最終實現丙酮酸的大量積累。為達此目的，就必須對微生物發酵法生產丙酮酸的影響因素進行研究。
　　微生物發酵法生產丙酮酸的影響因素有：菌種選育，營養條件，維生素水平，供氧模式，葡萄糖的質量濃度等等,其最關鍵的是菌種選育和營養條件[10]。
　　為了提高微生物發酵法生產丙酮酸的競爭力，對微生物發酵生產丙酮酸的工業化在發酵部分還需要：①進一步改善丙酮酸生產菌的產酸能力和遺傳穩定性，提高糖酸轉化率，縮短發酵時間；②提高生產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化，這是獲得丙酮酸高產量和高產率的必要條件；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強度。
　　隨著人民生活水平的不斷提高，丙酮酸的應用范圍日漸擴大，需求不斷增長，但丙酮酸系列產品大多需要進口且價位較高。其生產工藝的改革并實現工業化勢在必行。傳統工藝生產的產品質量差、成本高且對環境污染大。而生物技術法的工藝更為綠色，更為對環境友好，生物技術法新工藝取代傳統工藝指日可待，前景廣闊，值得進一步研究。
　　
　　參考文獻
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