丙酮酸

中文名稱：丙酮酸。

中文同義詞：2-氧代丙酸；乙酰甲酸；丙酮酸；A-酮基丙酸；乙醯甲酸；丙酮酸 PYRUVIC ACID；乙酰基甲酸；丙酮酸。

英文名稱：Pyruvic acid。

淺黃色至黃色的透明液體。有醋酸氣味。有酸味。天然品存在于薄荷及蔗糖發(fā)酵液中。相對(duì)分子質(zhì)量88.06。相對(duì)密度1.2271。熔點(diǎn)13.8℃。沸點(diǎn)165℃(分解)、106.5℃(13.332×103Pa)、85.3℃(5.333×103 Pa)、70.8℃(2.666×103Pa)、57.9℃(1.333×103 Pa)、45.8℃(0.667×103Pa)、21.4℃(0.133×103 Pa)。閃點(diǎn)82℃。折射率1.4280。與水、乙醇、乙醚等混溶。

在空氣中顏色變暗。加熱時(shí)緩慢聚合，富有反應(yīng)性，容易與氮化物、醛、鹵化物、磷化物等反應(yīng)，參與生物體的糖代謝、膠質(zhì)、氨基酸、蛋白質(zhì)等的生化合成、代謝、醇的發(fā)酵等。當(dāng)用力時(shí)，在肌肉中被還原為乳酸，休息時(shí)再次氧化并部分轉(zhuǎn)變?yōu)樘窃４笫蠼?jīng)口LD502100mg/kg。丙酮酸是人體的一種成分，在人體內(nèi)主要參與糖、脂肪等的代謝，也是碳水化合物代謝的中間產(chǎn)物之一。

丙酮酸是一種酸性較弱的有機(jī)酸, 分子中同時(shí)具有羰基和羧基兩個(gè)官能團(tuán), 它除具有羧酸和酮的性質(zhì)外, 還具有α- 酮酸的性質(zhì), 是最簡(jiǎn)單的α- 酮酸(屬于羰基酸)。丙酮酸是體內(nèi)產(chǎn)生的三碳酮酸, 它是糖酵解途徑的最終產(chǎn)物, 在細(xì)胞漿中還原成乳酸供能, 或進(jìn)入線粒體內(nèi)氧化生成乙酰CoA, 進(jìn)入三羧酸循環(huán), 被氧化成二氧化碳和水, 完成葡萄糖的有氧氧化供能過(guò)程。丙酮酸還可通過(guò)乙酰CoA 和三羧酸循環(huán)實(shí)現(xiàn)體內(nèi)糖、脂肪和氨基酸間的相互轉(zhuǎn)化, 因此, 丙酮酸在三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝聯(lián)系中起著重要的樞紐作用 。

有研究已表明, 丙酮酸能抑制鼠體內(nèi)氧自由基的氧化作用, 同時(shí)作為一種過(guò)氧化氫清除劑, 具有防止自由基損傷的作用, 已在心臟再灌注損傷和急性腎衰竭中證實(shí)具有保護(hù)機(jī)體抗功能性損傷。丙酮酸可通過(guò)兩種機(jī)制起到抗氧化作用: 其一, 作為一種α- 酮酸, 丙酮酸可直接通過(guò)非酶促的去碳酸基反應(yīng)抑制過(guò)氧化氫; 其二,補(bǔ)充丙酮酸可增強(qiáng)檸檬酸循環(huán), 檸檬酸產(chǎn)生增多后, 抑制磷酸果糖激酶, 從而進(jìn)入磷酸戊糖旁路, 產(chǎn)生還原型輔酶Ⅱ(NADPH) , 從而間接地增加谷胱甘肽(GSH) 抗氧化系統(tǒng)的能力。丙酮酸還可增加輔酶Ⅰ/ 還原型輔酶Ⅰ(NAD+/NADH) 的比值, 促進(jìn)三羧酸循環(huán)反應(yīng)。

此法工藝簡(jiǎn)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(jīng)真空精餾即得丙酮酸。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。其缺點(diǎn)是丙酮酸產(chǎn)率較底，得1g丙酮酸需消耗5g硫酸氫鉀。僅原料成本就達(dá)8萬(wàn)元每噸，因成本過(guò)高而無(wú)法為大多數(shù)廠家所接受。

以乳酸為原料，氧化脫氫一步法生產(chǎn)丙酮酸。但乳酸直接制取丙酮酸非常困難,根據(jù)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。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)。其缺點(diǎn)是成本也較高，約6萬(wàn)元每噸。

用酶或微生物細(xì)胞作催化劑,使葡萄糖或三羧酸循環(huán)的某些中間代謝產(chǎn)物,在一定條件下,轉(zhuǎn)化為丙酮酸的技術(shù),稱為酶催化法。其主要過(guò)程是先進(jìn)行小規(guī)模的微生物培養(yǎng),菌體收集,直接轉(zhuǎn)化或用載體包埋成固定化酶,然后轉(zhuǎn)化生成丙酮酸。  酶催化法設(shè)備投資小,能耗低,轉(zhuǎn)化率高,但底物來(lái)源較窄、成本比較高約5萬(wàn)元每噸，因此其進(jìn)一步推廣受到限制。

利用基因重組技術(shù)構(gòu)建高表達(dá)乙醇酸氧化酶、過(guò)氧化氫酶等的基因工程菌，用于生產(chǎn)丙酮酸的技術(shù)。這些酶能催化乳酸與氧反應(yīng)生成丙酮酸。其技術(shù)是先將乙醇酸氧化酶基因和過(guò)氧化氫酶基因分別與DNA載體重組，構(gòu)成重組子，并分別轉(zhuǎn)入宿主細(xì)胞，分別獲得兩種酶高表達(dá)的基因工程酵母，按0.713m ol/LL-乳酸鈉溶液每100ml加濕重轉(zhuǎn)化體5g,同時(shí)加一定量滲透劑,在5個(gè)大氣壓下,以70psig氧壓通入氧氣,5℃攪拌轉(zhuǎn)化4小時(shí)，丙酮酸產(chǎn)率大97.7%。本技術(shù)底物轉(zhuǎn)化率高，但技術(shù)難度大。

微生物代謝過(guò)程中,利用葡萄糖積累丙酮酸的過(guò)程稱為微生物發(fā)酵法。微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸研究已有50年歷史，但因丙酮酸高產(chǎn)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(chǎn)量無(wú)法達(dá)到工業(yè)化要求。該法生產(chǎn)丙酮酸真正取得突破，是在1988年時(shí),日本東麗工業(yè)株式會(huì)社的研究人員宮田令子和米原轍選育出一系列丙酮酸產(chǎn)量超過(guò)50g/L的球擬酵母菌株,使微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸的工業(yè)化成為可能。1992年,日本開(kāi)始采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸。產(chǎn)量為400噸每年,成本約為2-3萬(wàn)元每噸。

與化學(xué)合成法和酶轉(zhuǎn)化法相比,微生物發(fā)酵法因原料來(lái)源廣,能耗低,污染少,成本低而更具有優(yōu)越性。但微生物發(fā)酵法缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)化率比較低,這是因?yàn)楸崾翘墙徒馔緩降年P(guān)鍵中間產(chǎn)物,在細(xì)胞中,丙酮酸作為一種重要的中間代謝產(chǎn)物連接了EM P和TCA中心代謝途徑，又與多條分支代謝途徑相關(guān)聯(lián)，可轉(zhuǎn)化為多種發(fā)酵產(chǎn)物而無(wú)法在體內(nèi)積累。因此需要切斷或弱化其進(jìn)一步代謝,才能使其在細(xì)胞中大量積累。即加快葡萄糖向丙酮酸的轉(zhuǎn)化率，減弱向TCA循環(huán)的通量，切斷或減弱其分支代謝途徑，促進(jìn)分泌，減弱丙酮酸的再利用，最終實(shí)現(xiàn)丙酮酸的大量積累。為達(dá)此目的，就必須對(duì)微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸的影響因素進(jìn)行研究。