丙酮酸的作用及合成方法
丙酮酸，又稱a-氧代丙酸，是一種有機物，化學式為C3H4O3，結構為CH3COCOOH，是所有生物細胞糖代謝及體內(nèi)多種物質(zhì)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(nóng)業(yè)及環(huán)保等各個領域中，可通過化學合成和生物技術多種方法制備。
化學性質(zhì)：
在空氣中顏色變暗。加熱時緩慢聚合，富有反應性，容易與氮化物、醛、鹵化物、磷化物等反應，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。當用力時，在肌肉中被還原為乳酸，休息時再次氧化并部分轉變?yōu)樘窃?。大鼠?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。
在代謝中的作用
丙酮酸是一種酸性較弱的有機酸,分子中同時具有羰基和羧基兩個官能團,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,在細胞漿中還原成乳酸供能,或進入線粒體內(nèi)氧化生成乙酰CoA,進入三羧酸循環(huán),被氧化成二氧化碳和水,完成葡萄糖的有氧氧化供能過程。丙酮酸還可通過乙酰CoA和三羧酸循環(huán)實現(xiàn)體內(nèi)糖、脂肪和氨基酸間的相互轉化,因此,丙酮酸在三大營養(yǎng)物質(zhì)的代謝聯(lián)系中起著重要的樞紐作用。
抗氧化作用
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,同時作為一種過氧化氫清除劑,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具有保護機體抗功能性損傷。丙酮酸可通過兩種機制起到抗氧化作用:其一,作為一種α-酮酸,丙酮酸可直接通過非酶促的去碳酸基反應抑制過氧化氫;其二,補充丙酮酸可增強檸檬酸循環(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,促進三羧酸循環(huán)反應。
合成方法：
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(jīng)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(xù)反應生成丙酮酸系列產(chǎn)品。其缺點是丙酮酸產(chǎn)率較底，得1g丙酮酸需消耗5g硫酸氫鉀。僅原料成本就達8萬元每噸，因成本過高而無法為大多數(shù)廠家所接受。
乳酸氧化法
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?？梢赃x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，適合工業(yè)化生產(chǎn)。其缺點是成本也較高，約6萬元每噸。
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(huán)的某些中間代謝產(chǎn)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(guī)模的微生物培養(yǎng),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。 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。
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(chǎn)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(chǎn)率大97.7%。本技術底物轉化率高，但技術難度大。
微生物發(fā)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(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)量無法達到工業(yè)化要求。該法生產(chǎn)丙酮酸真正取得突破，是在1988年時,日本東麗工業(yè)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(chǎn)量超過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2-3萬元每噸。
與化學合成法和酶轉化法相比,微生物發(fā)酵法因原料來源廣,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(chǎn)物,在細胞中,丙酮酸作為一種重要的中間代謝產(chǎn)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(lián)，可轉化為多種發(fā)酵產(chǎn)物而無法在體內(nèi)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(huán)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(xiàn)丙酮酸的大量積累。為達此目的，就必須對微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸的影響因素進行研究。
微生物發(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,其最關鍵的是菌種選育和營養(yǎng)條件。
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