本文对近10a国内化学合成法和生物技术法合成丙酮酸及系列产品生产工艺的原理、工艺参数、产率等进行了综合介绍。 1 丙酮酸的合成
丙酮酸的合成主要为化学合成法和生物技术法。
1.1 化学合成法
1.1.1 酒石酸法
酒石酸法是以酒石酸为原料，与硫酸氢钾共熔脱水脱羧制备丙酮酸的化学合成。
1997年张庆勇以反应进度通过改变加热强度调节，并设计了尾气吸收净化装置减低操作环境的污染。丙酮酸粗品减压蒸馏。收集沸程为75-80℃/3.33kPa的馏分即为丙酮酸，产率：50%-55%。
2003年邱方利在减压蒸馏(控制真空度约-0.005MPa)，温度150℃，馏出液即为粗品丙酮酸，收集沸程70-75℃/3kPa的馏分，收率68.2%，含量为98.6%。此法的特点是加入导热油之后，在一个均匀体系中进行反应，降低了反应温度，减少氧化程度，可操作性大幅度提高，适合继续反应生成丙酮酸系列产品。
1.1.2 乳酸氧化法
以乳酸或乳酸乙酯为原料，根据工艺不同催化剂可选用磷酸铁、钼酸碲盐、Ag、Fremy盐和Pt/Pb/C等。
2001年杨辉琼以质量组成比为3%：5%：92%的Pt/Pb(NO3)2/C作催化剂，通入氧气氧化，在45℃反应2h，丙酮酸产率66.0%。丙酮酸收率和反应的选择性都较好，工业生产中氧气可用空气代替，反应条件温和，生产成本低且无污染。
同年，陈苏芳介绍了以Pb/Pd，磷酸铁盐，Ag，钒，Fremy盐作催化剂，用乳酸或乳酸乙酯作原料，氧化脱氢一步法以及电化学方法生产丙酮酸。当Pb：Pd为0.4，pH=8，反应温度90℃，反应时间35h，丙酮酸收率最高可达58.2%。当磷酸铁中P/Fe原子比为12时，反应温度230℃，反应时间24h，氧气浓度26.3%时，转化率可达76%，选择性为66%。当Ag载量为64%，以乳酸乙酯作原料可得到91.1%的选择性和80.25的产率，以钒作催化剂时，当原料气中乳酸乙酯：O2：N2的物质的量比为1：2：8，反应温度200℃，乳酸乙酯的转化率为97%，丙酮酸的选择性为81%，收率为78%。当pH=10时，用Fremy盐氧化乳酸，反应65h，得到丙酮酸的收率为32%，用Fremy盐氧化丙氨酸，反应24h，得到丙酮酸收率为37%，这种方法由于反应进行得过于缓慢，反应时间长，产率低，因而失去工业价值。电化学法以乳酸为原料，内含Bu4NBF4的N,N-二甲基酰胺为电解液，进行电解，完毕，减压蒸馏，蒸馏后的残余物倒入盐酸中，用Yi醚萃取，蒸掉Yi醚后得到丙酮酸，产率为60.12%，此法酒石酸的氧化脱羧法相比，具有能耗低、污染小、产率高等优点，适合工业化生产。
文献所提及的方法还有α,α-二氯丙酸或α,α-二溴丙酸水解，蒸馏甘油酸的衍生物，氧化丙酮醛的亚硫酸氢盐衍生物，2,4,6-三甲苯基氧化物氧化法，异丁烯酸氧化法，三乙氧基乙腈法，乙酰氯法，多羟基醇化合物氧化法，异戊二烯空气氧化法等，但工业价值均不大。
1.2 生物技术法
生物技术法生产丙酮酸，由于成本低、产品质量高、对环境友好而得到发展，主要有直接发酵法和酶催化法。以底物为葡糖糖的例子说明生物技术法丙酮酸代谢途径见图1(略)。
1.2.1 直接发酵法
直接发酵法生产丙酮酸的影响因素有：菌种选育，营养条件，维生素水平，供氧模式，葡萄糖的质量浓度等等。
2003年刘立明等在维生素限制的条件下，研究了添加三羧酸(TCA)循环中间产物对光滑球拟酵母多重维生素营养缺陷型菌株CCTCCM 202019生长和积累丙酮酸的影响。该菌株能以TCA循环中间产物为唯一碳源进行生长，且在以葡萄糖、乙酸和TCA循环中间产物为复合碳源的平板上菌落数高于分别以葡萄糖和乙酸或TCA循环中间产物为唯一碳源时的菌落数。与其它TCA循环中间产物相比，草酰乙酸更能促进细胞的生长、提高丙酮酸产量和对葡萄糖的得率，并使发酵结束时间缩短。
2004年刘立明提出一种基于途径分析提高丙酮酸产量的育种策略，通过亚硝基胍诱变，获得1株乙酸需求型突变株CCTCCM 202019，在外加乙酸的培养基中表现出高于出发株21%的丙酮酸生产能力和良好的遗传稳定性。检测突变株CCTCCM 202019中丙酮酸代谢相关酶的活性发现：①丙酮酸脱羧酶活性降低了40%；②外加乙酸与否的条件下，乙酰辅酶A合成酶的活性分别提高了103.5%和57.4%：③添加乙酸和突变对丙酮酸羧化酶、丙酮酸脱氢酶系、乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶的活性没有显著影响。在含有乙酸的培养基中突变株细胞干重比出发株高21.7%。在7L罐中含有6g/L乙酸钠的培养基中发酵62h，丙酮酸产量达到68.7g/L，对葡萄糖的产率为0.651g/g。
为了提高发酵法生产丙酮酸的竞争力，对T.glabrata发酵生产丙酮酸的工业化在发酵部分还需要：①进一步改善丙酮酸生产菌的产酸能力和遗传稳定性，提高糖酸转化率，缩短发酵时间；②提高生产菌对高浓度丙酮酸的耐受性，以期进一步提高丙酮酸浓度，便于下游处理；③目前原料成本中葡萄糖的费用占了很大的比例，因此，要提高生产菌株对廉价底物(如糖蜜、淀粉糖)等的利用能力。
今后的研究工作应集中在：①在保证细胞正常代谢的前提下，尽可能减少丙酮酸的降解或转化，这是获得丙酮酸高产量和高产率的必要条件；②加快从葡萄糖到丙酮酸的代谢速度，以确保获得丙酮酸的高生产强度；③T.glabata的多种维生素营养缺陷型具有大量积累丙酮酸的潜力，学术界对该菌株在过量合成丙酮酸的生理生化特征和如何防止产物进一步被转化还应该进行进一步的研究。
1.2.2 酶催化法
文献介绍pH值为7时酶丙酮酸盐脱羧酶，连同辅酶焦磷酸硫胺素可催化丙酮酸的脱羧，产生乙醛和CO2。AIST Kyushu研究者发现，在pH值为11下会产生逆向反应，使用上述生物催化剂，在25℃时乙醛与碳酸钠一碳酸氢盐缓冲液反应可合成丙酮酸，收率为81%。缓冲液起到CO2源的作用。在超临界CO2进行反应可获更高的收率。
2001年谷劲松从土壤样品中富集、筛选和纯化获得3株能产生乳酸氧化酶的菌株，其中SM210#菌株的产酶活力最高，4h酶液的底物最高转化率达到80%，该研究结果为酶催化法合成丙酮酸的这种有价值的酶源推向生产打下了基础。随后，谷劲松还介绍了当前国内外关于丙酮酸的酶法转化及乳酸氧化酶的研究进展。
日本清水昌等发现有些微生物在琥珀酰亚胺代谢过程中，琥珀酰亚胺经过琥珀酸，延胡索酸以及苹果酸等生成丙酮酸，由此建立了通过微生物环状酰亚胺代谢的丙酮酸生产新方法，见图2(略)。
由此2004年穆晓清经诱变得到恶臭假单胞菌的缬氨酸或(与)亮氨酸营养缺陷型变异株M29，该菌株在最优条件下作用72h，将1mol/L延胡索酸转化成为821mmol/L丙酮酸。通过筛选缬氨酸或(与)亮氨酸营养缺陷型变异株，从而切断丙酮酸向这些氨基酸代谢的途径，提高丙酮酸的转化效率。此法通过酶促催化延胡索酸，以苹果酸为中间产物，通过类似于三羧酸循环中的反应生产丙酮酸，具有一般发酵方
法所不能够达到的高产物浓度以及高转化率，同时副产物少，降低了产物提取的费用，是一条经济可行的新途径。研究发现，反应过程中pH值及反应时间对丙酮酸生产有重要影响。
2 丙酮酸系列产品的合成
2.1 丙酮酸钙的合成
图3(略)是2000年河北威远集团合成丙酮酸钙的工艺流程。该工艺过程简便，易于控制，对设备要求低。
2003年邱方利利用在上述丙酮酸中加入碳酸钙进一步反应生成丙酮酸钙，收率为96%，用HPLC法测定，丙酮酸钙折于含量为98.2%。
2004年张富捐以蛋壳为原料制备丙酮酸钙，产率可达92%。该工艺制备的丙酮酸钙系用生物组织——蛋壳为原料，加之丙酮酸本身是在人体代谢过程中大量产生的物质，同时广泛存在于多种蔬菜和水果中，可以正常代谢而不蓄积在人体内，所以无毒、无害、无副作用，安全性极高，可用于食品和药物。
2.2 丙酮酸乙酯
1998年杨永泰等对乳酸乙酯催化氧化合成丙酮酸乙酯进行了重要改进。以NaY分子筛作为载体，通过沉淀负载法制备的一定含银量的Ag-NaY分子筛催化剂，能有效降低反应温度，提高选择性与产率。最佳反应条件为，催化剂含银60%，催化剂的焙烧温度应为500℃，反应温度为400℃，氧酯物质的量比为2：0，乳酸乙酯的液时空速在8.0-10.0h-1较为合适。
1999年李康制备了以TiO2、SiO2、α-Al2O3等为载体的钒氧化物催化剂，研究了催化剂对乳酸乙酯选择性氧化制丙酮酸乙酯反应的活性，并将催化剂的组成、结构、表面性质及载体性质的影响等与反应性能进行关联。研究发现：V2O5在载体上的分散使V＝O键变弱，端氧活性增加，使钒催化剂对乳酸乙酯选择性氧化制丙酮酸乙酯反应表现出较好的催化性能；酸可以催化反应物乳酸乙酯和产物丙酮酸乙酯的水解，酸性越强水解速度越快，而V/α-Al2O3和V/TO2催化剂酸性较弱，产物丙酮酸乙酯的选择性较高。
当乳酸乙酯为原料以高锰酸钾催化生成丙酮酸乙酯，收率为51%-54%，这种方法由于产率较低，污染严重而逐渐为空气氧化法所取代。
2.3 苯丙酮酸的合成
亚苄基海因水解生成苯丙酮酸的路线。
本法是针对亚苄基海因水解体系建立的一种高效实用的液相色谱分析方法，为生产工艺控制提供了依据。并应用液—质联用技术对此体系中的亚苄基海因和苯丙酮酸进行了初步检测。该方法简便、快速，结果准确，可以用于苯丙酮酸生产的质量控制。
2.4 顺丁烯二酸一单酰丙酮酸及反丁烯二酸一单酰丙酮酸
2004年刘东啓报道来自肺炎克氏杆菌M5a1菌株的龙胆酸1,2-双加氧酶(GDO，ECl.14.13)，能够催化龙胆酸产生顺丁烯二酸一单酰丙酮酸(MP)。利用龙胆酸1,2-双加氧酶基因工程菌以及MP被酸化时会转化成反丁烯二酸一单酰丙酮酸的特性，小量制备了纯度分别为97.7%以及96.4%的顺丁烯二酸一单酰丙酮酸和反丁烯二酸一单酰丙酮酸。
3 展望
随着人民生活水平的不断提高，丙酮酸钙的保健市场会呈现空前的繁荣。但丙酮酸系列产品大多需要进口且价位较高。其生产工艺的改革并实现工业化势在必行。而生物技术法的工艺更为绿色，更为对环境友好，加之日本在这个领域已取得了有目共睹的成果，生物技术法新工艺取代传统工艺指日可待，前景广阔。
