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【摘 要】 综述了丙酮酸生产技术现状，对乳酸转化生产丙酮酸工艺中存在的问题进行了探讨，概括性提出了解决方案，并对乳酸转化生产丙酮酸的前景进行了展望。
【关键词】 乳酸；丙酮酸；酶转化；化学催化氧化
乳酸又称为2-羟基丙酸，是被世界公认的三大有机酸之一，主要是以淀粉生物质为原料经微生物发酵或采用化学合成法制取，广泛应用于食品、医药、化工、新材料、饲料等诸多重要产业领域[1]。由于乳酸产品的原料易得，工艺环保，乳酸的深加工已成为世界各国重点研究的课题。
丙酮酸（Pyruvic acid，简称PA）是一种重要的有机合成中间体，原称焦性葡萄酸，是参于整个生物体基本代谢的中间产物之一，浅黄色至黄色的透明液体，天然品存在于薄荷及蔗糖发酵液中。在农药方面可作杀虫剂、除菌剂；在医药方面可作镇静剂、抗病毒剂以及合成治疗高血压的药物；在化妆品方面可作增白剂、抗氧剂等[2]。丙酮酸的应用越来越广泛，需求量也越来越大。由于原料、工艺等条件限制，造成了目前丙酮酸的价格非常昂贵。而采用乳酸为原料生产丙酮酸，以期解决丙酮酸的污染重、价格高等问题，成为目前化工和生物技术领域的一大热点。
1 丙酮酸的生产现状
国内外丙酮酸生产方法主要有化学合成法和生物技术法[3]。化学合成法包括酒石酸盐法、丙酮法、乳酸（盐）法、电化学法等，虽然收率较高，但催化剂昂贵，成本居高不下，寻找合适的催化剂降低生产成本成为行业未来发展趋势。生物技术法包括生物发酵法和生物酶催化法，生物发酵法利用微生物中特定功能的酶完成由底物向丙酮酸的转化，但丙酮酸是三羧酸循环的活泼中间体，在细胞中容易继续转化成其他物质，存在产率低、分离难度大、成本高等问题。生物酶催化法是以价格比较低廉的有机酸为底物，通过生物转化生产丙酮酸，具有设备投资小、能耗低、转化率和纯度高等优点，是目前研究的热点。酶法生产丙酮酸的底物有乳酸、酒石酸、富马酸等，其中乳酸价格较为低廉。
目前，国内丙酮酸大都采用传统的酒石酸脱水脱羧生产工艺，污染严重，生产成本高，产量低，远远满足不了国内市场需求，主要依靠进口。以乳酸为原料通过衍生转化生产丙酮酸技术，目前处于研究阶段，可解决传统生产工艺中的污染重，产量低等问题，我国正在加大研发力度，以期实现丙酮酸生产技术的升级换代。
2 乳酸酶转化法生产丙酮酸的问题探讨
由于发酵法生产丙酮酸存在诸多缺陷，这就使人们想到通过固定化酶直接转化底物生成丙酮酸，这其中最合适的底物就是乳酸。用酶或微生物细胞（酶系）为催化剂，使乳酸在一定条件下转化为丙酮酸的技术为乳酸酶转化法。乳酸脱氢酶和乳酸氧化酶都可转化乳酸一步生成丙酮酸，而且乳酸和丙酮酸的价格相差很大（约20倍），这就使乳酸酶转化法生产丙酮酸成为最具活力的研究热点之一[4]。
乳酸酶转化法生产丙酮酸工艺中存在的主要问题有酶的选择、固定、再生、价格、反应系统中的丙酮酸稳定性和丙酮酸与辅酶的分离等。
2.1酶的选择
乳酸脱氢酶的催化反应平衡倾向乳酸一边，辅酶NAD+为小分子化合物，难固定、不易再生及价格昂贵，且丙酮酸和辅酶的分离困难，则限制了乳酸脱氢酶的应用。自上世纪50年代，Sutton等[5]和Yamamura等[6]发现乳酸氧化酶以来，乳酸氧化酶的应用得到快速发展，它能催化L-乳酸转化为丙酮酸，不需要添加外源的辅酶参与，彻底解决了辅酶再生问题。因此，各研究机构多采用乳酸氧化酶作为酶源生产丙酮酸，但乳酸氧化酶的专一性和稳定性仍是现在研究的重点。
2.2酶或细胞的固定化
固定化酶或细胞是自20世纪50年代发展起来的一项新技术，它能很好的提高酶的稳定性和使用效率，增加产物的收率，提高产物产量。酶或细胞固定化的方法主要包括：非共价结合法、化学结合法以及包埋法等，其载体的选择则是目前固定化酶或细胞面临的难题。固定化酶或细胞的载体材料主要有：明胶、卡拉胶、琼脂、海藻酸钠、聚乙烯醇P（VA）以及不同的固定化材料联合使用。由于载体成本高、固定化效率低、难以连续操作等，致使固定化酶或细胞不易工业化应用，但寻找更简便、更适用的固定化方法以及性能更加优异的载体材料，成为该领域追求的目标[7-8]。
2.3丙酮酸的分离和纯化
乳酸转化生产丙酮酸过程，其产物丙酮酸中含有一定量的残留乳酸，如何分离纯化丙酮酸是丙酮酸生产的一项关键研究课题。目前主要研究方向为分子蒸馏技术和萃取技术，由于成本原因，则萃取技术成为人们的首选。萃取剂选择、萃取工艺优化、萃取剂再生等是萃取丙酮酸技术的主要研究课题。
3 乳酸酶转化法与化学催化氧化法
由于酶活等条件限制，单一乳酸酶转化法生产丙酮酸的产品收率有着限值，造成丙酮酸产品成本高，不易工业化生产。部分研究机构对化学催化氧化乳酸生产丙酮酸进行了研究，但同样丙酮酸的收率无法满足工业化生产需求，作者建议，可以研究乳酸酶转化法和化学催化氧化法结合的方式生产丙酮酸，解决丙酮酸产品收率限值的问题，降低生产成本，由于化学催化氧化工艺中，催化剂为固定的，这并没有在产物丙酮酸中引入新的物质，不会对丙酮酸的分离和纯化增加压力。
4 结束语
传统的酒石酸脱水脱羧生产丙酮酸工艺中，产品质量差、成本高、污染严重，已成为丙酮酸行业发展的制约。合成法、发酵法、酶转化法、化学催化氧化法等新技术生产丙酮酸应势而生，但合成法和发酵法生产丙酮酸工业化生产受限制或对环境构成污染。而乳酸酶转化法和化学催化氧化法存在设备投资小，能耗低，可实现连续化，对环境污染小等优势，此两种技术均是丙酮酸行业未来发展趋势。
参考文献：
[1]刘喆.我国乳酸的生产技术及研发现状[J].河南化工，2010，27（4）：29～31
[2]王天元，刘艳，徐学甫，李焕兴.丙酮酸及其盐的应用研究进展[J].哈尔滨学院学报，2003，24（6）：138-140
[3]李继珩，李肃.丙酮酸研究的进展[C]，2007年全国生化与生物技术药物学术年会论文集，2007：331-333
[4]谷劲松，曲音波.丙酮酸的酶法转化及乳酸氧化酶的研究进展[J]，微生物学通报，2003，30（1）：86～90
[5] Sutton W B.Isolation and properties of a lactic oxidative decarboxylase from Mycobacterium phlei. Journal of Biological Chemistry，1954，210：309-320
[6] Yamamura Y，Kusunose M，Kusunose E. Lactic oxidase of Mycobacterium tuberculosis avium. Nature，1952，170：207-208
[7]陳建龙，祁建城，曹仪植等.固定化酶研究进展[J].化学与生物工程，2006，23（2）：7-9
[8] Yesim Y.Utilization of bentonite as a support material for immobi-lization of Candida rugosa Iopase.Process Biochemistry，2005，40：2155-2159
【关键词】 乳酸；丙酮酸；酶转化；化学催化氧化
乳酸又称为2-羟基丙酸，是被世界公认的三大有机酸之一，主要是以淀粉生物质为原料经微生物发酵或采用化学合成法制取，广泛应用于食品、医药、化工、新材料、饲料等诸多重要产业领域[1]。由于乳酸产品的原料易得，工艺环保，乳酸的深加工已成为世界各国重点研究的课题。
丙酮酸（Pyruvic acid，简称PA）是一种重要的有机合成中间体，原称焦性葡萄酸，是参于整个生物体基本代谢的中间产物之一，浅黄色至黄色的透明液体，天然品存在于薄荷及蔗糖发酵液中。在农药方面可作杀虫剂、除菌剂；在医药方面可作镇静剂、抗病毒剂以及合成治疗高血压的药物；在化妆品方面可作增白剂、抗氧剂等[2]。丙酮酸的应用越来越广泛，需求量也越来越大。由于原料、工艺等条件限制，造成了目前丙酮酸的价格非常昂贵。而采用乳酸为原料生产丙酮酸，以期解决丙酮酸的污染重、价格高等问题，成为目前化工和生物技术领域的一大热点。
1 丙酮酸的生产现状
国内外丙酮酸生产方法主要有化学合成法和生物技术法[3]。化学合成法包括酒石酸盐法、丙酮法、乳酸（盐）法、电化学法等，虽然收率较高，但催化剂昂贵，成本居高不下，寻找合适的催化剂降低生产成本成为行业未来发展趋势。生物技术法包括生物发酵法和生物酶催化法，生物发酵法利用微生物中特定功能的酶完成由底物向丙酮酸的转化，但丙酮酸是三羧酸循环的活泼中间体，在细胞中容易继续转化成其他物质，存在产率低、分离难度大、成本高等问题。生物酶催化法是以价格比较低廉的有机酸为底物，通过生物转化生产丙酮酸，具有设备投资小、能耗低、转化率和纯度高等优点，是目前研究的热点。酶法生产丙酮酸的底物有乳酸、酒石酸、富马酸等，其中乳酸价格较为低廉。
目前，国内丙酮酸大都采用传统的酒石酸脱水脱羧生产工艺，污染严重，生产成本高，产量低，远远满足不了国内市场需求，主要依靠进口。以乳酸为原料通过衍生转化生产丙酮酸技术，目前处于研究阶段，可解决传统生产工艺中的污染重，产量低等问题，我国正在加大研发力度，以期实现丙酮酸生产技术的升级换代。
2 乳酸酶转化法生产丙酮酸的问题探讨
由于发酵法生产丙酮酸存在诸多缺陷，这就使人们想到通过固定化酶直接转化底物生成丙酮酸，这其中最合适的底物就是乳酸。用酶或微生物细胞（酶系）为催化剂，使乳酸在一定条件下转化为丙酮酸的技术为乳酸酶转化法。乳酸脱氢酶和乳酸氧化酶都可转化乳酸一步生成丙酮酸，而且乳酸和丙酮酸的价格相差很大（约20倍），这就使乳酸酶转化法生产丙酮酸成为最具活力的研究热点之一[4]。
乳酸酶转化法生产丙酮酸工艺中存在的主要问题有酶的选择、固定、再生、价格、反应系统中的丙酮酸稳定性和丙酮酸与辅酶的分离等。
2.1酶的选择
乳酸脱氢酶的催化反应平衡倾向乳酸一边，辅酶NAD+为小分子化合物，难固定、不易再生及价格昂贵，且丙酮酸和辅酶的分离困难，则限制了乳酸脱氢酶的应用。自上世纪50年代，Sutton等[5]和Yamamura等[6]发现乳酸氧化酶以来，乳酸氧化酶的应用得到快速发展，它能催化L-乳酸转化为丙酮酸，不需要添加外源的辅酶参与，彻底解决了辅酶再生问题。因此，各研究机构多采用乳酸氧化酶作为酶源生产丙酮酸，但乳酸氧化酶的专一性和稳定性仍是现在研究的重点。
2.2酶或细胞的固定化
固定化酶或细胞是自20世纪50年代发展起来的一项新技术，它能很好的提高酶的稳定性和使用效率，增加产物的收率，提高产物产量。酶或细胞固定化的方法主要包括：非共价结合法、化学结合法以及包埋法等，其载体的选择则是目前固定化酶或细胞面临的难题。固定化酶或细胞的载体材料主要有：明胶、卡拉胶、琼脂、海藻酸钠、聚乙烯醇P（VA）以及不同的固定化材料联合使用。由于载体成本高、固定化效率低、难以连续操作等，致使固定化酶或细胞不易工业化应用，但寻找更简便、更适用的固定化方法以及性能更加优异的载体材料，成为该领域追求的目标[7-8]。
2.3丙酮酸的分离和纯化
乳酸转化生产丙酮酸过程，其产物丙酮酸中含有一定量的残留乳酸，如何分离纯化丙酮酸是丙酮酸生产的一项关键研究课题。目前主要研究方向为分子蒸馏技术和萃取技术，由于成本原因，则萃取技术成为人们的首选。萃取剂选择、萃取工艺优化、萃取剂再生等是萃取丙酮酸技术的主要研究课题。
3 乳酸酶转化法与化学催化氧化法
由于酶活等条件限制，单一乳酸酶转化法生产丙酮酸的产品收率有着限值，造成丙酮酸产品成本高，不易工业化生产。部分研究机构对化学催化氧化乳酸生产丙酮酸进行了研究，但同样丙酮酸的收率无法满足工业化生产需求，作者建议，可以研究乳酸酶转化法和化学催化氧化法结合的方式生产丙酮酸，解决丙酮酸产品收率限值的问题，降低生产成本，由于化学催化氧化工艺中，催化剂为固定的，这并没有在产物丙酮酸中引入新的物质，不会对丙酮酸的分离和纯化增加压力。
4 结束语
传统的酒石酸脱水脱羧生产丙酮酸工艺中，产品质量差、成本高、污染严重，已成为丙酮酸行业发展的制约。合成法、发酵法、酶转化法、化学催化氧化法等新技术生产丙酮酸应势而生，但合成法和发酵法生产丙酮酸工业化生产受限制或对环境构成污染。而乳酸酶转化法和化学催化氧化法存在设备投资小，能耗低，可实现连续化，对环境污染小等优势，此两种技术均是丙酮酸行业未来发展趋势。
参考文献：
[1]刘喆.我国乳酸的生产技术及研发现状[J].河南化工，2010，27（4）：29～31
[2]王天元，刘艳，徐学甫，李焕兴.丙酮酸及其盐的应用研究进展[J].哈尔滨学院学报，2003，24（6）：138-140
[3]李继珩，李肃.丙酮酸研究的进展[C]，2007年全国生化与生物技术药物学术年会论文集，2007：331-333
[4]谷劲松，曲音波.丙酮酸的酶法转化及乳酸氧化酶的研究进展[J]，微生物学通报，2003，30（1）：86～90
[5] Sutton W B.Isolation and properties of a lactic oxidative decarboxylase from Mycobacterium phlei. Journal of Biological Chemistry，1954，210：309-320
[6] Yamamura Y，Kusunose M，Kusunose E. Lactic oxidase of Mycobacterium tuberculosis avium. Nature，1952，170：207-208
[7]陳建龙，祁建城，曹仪植等.固定化酶研究进展[J].化学与生物工程，2006，23（2）：7-9
[8] Yesim Y.Utilization of bentonite as a support material for immobi-lization of Candida rugosa Iopase.Process Biochemistry，2005，40：2155-2159