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| 丙酮酸盐的生理功效及其应用研究进展 |
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原文作者:佚名 文章录入：admin 发布时间：2007-03-19 00:09:32  |
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丙酮酸（pyruvic acid）是一种酸性较弱的有机酸，分子中同时具有羰基和羧基两个官能团，它除具有羧酸和酮的性质外，还具有α-酮酸的性质，是最简单的α-酮酸(属于羰基酸)。丙酮酸是体内产生的三碳酮酸，它是糖酵解途径的最终产物，在细胞浆中还原成乳酸供能，或进入线粒体内氧化生成乙酰CoA，进入三羧酸循环，被氧化成二氧化碳和水，完成葡萄糖的有氧氧化供能过程。丙酮酸还可通过乙酰CoA和三羧酸循环实现体内糖、脂肪和氨基酸间的相互转化，因此，丙酮酸在三大营养物质的代谢联系中起着重要的枢纽作用[1]。
丙酮酸盐(pyruvate，主要是丙酮酸钙)作为一类新型的膳食补充剂自投放市场以来，因其既能有效燃烧脂肪，又能补钙的生理功效已经成为国外主要减肥产品的原料。丙酮酸不仅可用于合成丙酮酸钙，还在医药（如合成噻咪药物）、农药（如杜邦公司生产的除草剂、噻咪类杀菌剂）、食品（可用作保鲜剂、防腐剂等）、香精香料、化妆品等领域有广泛用途[2]。近年来，关于丙酮酸及其盐的开发利用已成为国内外研究的热点，发展前景十分广阔。
1 丙酮酸盐的生理功效
1.1 减肥
丙酮酸的减肥作用一直是人们关注的热点，关于丙酮酸用途的大量报道都是应用于减肥方面。在动物试验方面，Goheen等[3]研究了丙酮酸盐和二羟丙酮联用(简称DHA-P)能抑制食用含乙醇饲料的大鼠脂肪肝的发展，结果表明，DHA-P能减少脂肪存储量。在正常膳食条件下，Stanko等[4～5]将DHA-P添加到大鼠和猪的饲料中，喂养一定的时间，发现大鼠体脂含量下降32 %，猪的体脂量显著下降，而机体蛋白质和肌肉含量基本不变。在人体试验方面，Stanko等考察了丙酮酸盐对身体的影响，结果显示人体补充丙酮酸盐后，脂肪消耗有明显的增加趋势。Stanko等[6]发现通过低能量膳食实现体重减轻的女性，在食用添加丙酮酸(24 g/d)的高能膳食时体重的增加明显低于对照组(1.8～2.9 kg)，体脂增加亦如此(0.8～1.8 kg)，添加丙酮酸对蛋白质代谢没有影响。鉴于Stanko等试验中丙酮酸补充剂量较高，缺少说服力，Kalman等[7]进行了低剂量的双盲试验，受试者仅摄入6 g/d丙酮酸钙持续6周，与安慰剂组、对照组相比，丙酮酸盐组体脂减少2.2 kg，瘦体体重增加1.5 kg。其结果亦证实了丙酮酸盐能抑制体脂的增加，但不抑制瘦体重增加的结论。
丙酮酸盐具有减肥效果的机理可能为：一方面，丙酮酸有助于防止脂肪过量储存。食物被消化后，进入血液已被吸收，这时身体分泌胰岛素，用来储存碳水化合物。如果分泌太多的胰岛素，血液中过量的葡萄糖转化为脂肪，添加的丙酮酸有助于将血液中过量的葡萄糖吸入细胞，从而保持低浓度的血糖，并减少胰岛素的分泌。胰岛素量下降，转变为脂肪储存的碳水化合物量就会减少；另一方面，通过节食减少热量吸收的方法通常经过一段时间后不再奏效，这是身体自我保护的自然响应。因为身体处于饥饿状态，于是降低代谢速率以适应这种情况。此时，若进一步降低热量的摄取，肌肉就会作为燃料，体内代谢继续下降；若恢复至节食前的热量摄取量，又会出现脂肪的储存。添加的丙酮酸增加肝脏中的ATP，维持控制代谢的主要激素含量，使代谢保持高水平。代谢速率越高，消耗的脂肪越多，节食持续时间越长，得到的结果也越好[8]。
1.2 增强运动耐力、改善疲劳状态
关于丙酮酸对运动耐力的影响，人们也进行了深入的研究。Bagby等研究了一次性补充丙酮酸对鼠耐力运动能力的影响。Stanko等发现鼠经长期喂食丙酮酸和二羟丙酮后的糖元含量增加。此后，Stanko等[9]又研究了短期补充丙酮酸和二羟丙酮对有氧运动能力的影响。试验结果表明，短期补充丙酮酸和二羟丙酮能提高运动耐力。其作用机制目前尚不明确，一种可能是补充丙酮酸和二羟丙酮减慢了肌糖元的利用速度；由于丙酮酸和二羟丙酮的作用，在运动前和运动中，上肢对血糖利用增加，但运动中糖的氧化却不受影响，补充丙酮酸和二羟丙酮增加血糖的利用，从而减少肌糖元的分解。另一种可能是，补充丙酮酸和二羟丙酮引起的肌糖元增加，为有氧运动提供了充足的糖而对有氧耐力的增加发生了积极的作用，但是，由于研究中没有对肌糖元的利用率进行评定，运动能力增加的原因不能被最终确定[1]。在进一步的研究中，Stone等[10]研究了长期(5周)单独补充丙酮酸、肌酸或丙酮酸(60 %)和肌酸(40 %)联用对足球运动员1RM卧推，1RM深蹲上推举、原地纵跳以及原地纵跳力量变化的峰值的影响，发现单独补充丙酮酸对最大力量和无氧功率的发展没有效果，但丙酮酸与肌酸联用，或单独补充肌酸可明显提高最大力量和无氧功率。
此外，补充丙酮酸对运动中疲劳状态也有所影响。Kalman等[11]在一个持续6周，每周运动3 d的研究中发现，按推荐剂量补充丙酮酸(6 g/d)，可使无训练的超重男性和女性受试的运动情绪和疲劳感觉得到明显改善。在丙酮酸组中，POMS（疲劳指数）的减少量在第4周（4.2；P=0.004）、第6周（4.7；P=0.003）后均达到显著水平，6周后总减少量达71.2 %。
1.3 降血脂、降胆固醇
Cortez等[12]发现补充DHA-P可明显降低肥胖Zucker大鼠血浆中的甘油三脂(TG)水平。单独补充丙酮酸盐对胆固醇总量(TC)和高密度脂蛋白胆固醇(HDLC)水平无影响，而补充DHA-P可引起TC和HDLC的同步增加。Stanko等[13]研究表明，高血脂症病人使用添加丙酮酸盐的高脂肪、高胆固醇膳食可导致TC下降4 %和LDLC下降5 %，但HDLC和TG水平没有变化。而使用添加了丙酮酸盐的低脂肪、低胆固醇膳食，对血浆胆固醇或胆固醇分解产物水平均没有影响。因此在正常膳食中添加丙酮酸盐或丙酮酸和二羟丙酮可降低血脂水平，但影响不大。
1.4 保护心肌
哺乳动物心肌细胞对能量需求高，但能量转化能力极其有限。因此，为了维护心脏的收缩性能，需要氧化外源性燃料供能。心肌能利用多种燃料，包括脂肪酸葡萄糖、乳酸、氨基酸和酮酸等，通过调节心脏的燃料供应可以使心脏的收缩性能得以增强[14]。缺血后心肌功能低下和受损由多种因素造成，其中高能磷酸盐的代谢耗竭是一主要因素。整个缺血期没有三羧酸循环供能，能量供应仅由无氧氧化的糖酵解来产生。丙酮酸作为一种被广泛研究的糖酵解中间产物，可生成更多的胞内NAD+，后者作为辅酶接受氢和电子，使3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸，而磷酸甘油酸激酶将1,3-二磷酸甘油酸酶解为3-磷酸甘油酸，生成ATP，从而增加心肌细胞的能量[15]。
1.5 抗氧化
有研究已表明，丙酮酸能抑制鼠体内氧自由基的氧化作用[16]，同时作为一种过氧化氢清除剂，具有防止自由基损伤的作用，已在心脏再灌注损伤和急性肾衰竭中证实具有保护机体抗功能性损伤。丙酮酸可通过两种机制起到抗氧化作用：其一，作为一种α-酮酸，丙酮酸可直接通过非酶促的去碳酸基反应抑制过氧化氢；其二，补充丙酮酸可增强柠檬酸循环，柠檬酸产生增多后，抑制磷酸果糖激酶，从而进入磷酸戊糖旁路，产生还原型辅酶Ⅱ（NADPH），从而间接地增加谷胱甘肽（GSH）抗氧化系统的能力。丙酮酸还可增加辅酶Ⅰ/还原型辅酶Ⅰ（NAD+/NADH）的比值，促进三羧酸循环反应[17]。
2 丙酮酸盐的应用
2.1 在功能性食品中的应用
丙酮酸盐尤其是丙酮酸钙最主要的功效是加速脂肪燃烧，因此它主要应用于减肥食品中。市场上已经有不少以丙酮酸为主要功效成分的减肥产品，如联邦减肥朵朵粑、NBA旋风减肥软胶囊、风暴减肥胶囊、纤姿素胶囊、甲壳瘦纤体胶囊等产品[18]，这些产品大多制成胶囊，便于食用，也有冲剂、口香糖等类型。丙酮酸钙还可以与壳聚糖配伍制成降脂食品，也可与焦糖色甜味剂酸味剂等配伍制成无热量运动专用功能饮料，或与螺旋藻制成体能块。此外，丙酮酸盐还被开发成能缓解骨质疏松症的保健食品[19]、抗疲劳保健品[20]、增加运动耐力的食品补充剂等[21]。
2.2 在医药临床上的应用
丙酮酸在医药工业中被合成治疗高血压新药血管紧张肽Ⅱ抗药、系列蛋白酶抑制剂、镇静剂、消炎镇痛药辛可芬、抗结核药异烟肼丙酮酸钙、解热药2-苯基喹啉-4-羧酸、驱虫药恩波吡维胺、药物磷酸烯醇丙酮酸、4-甲唑甲酸、抗病毒剂氮杂喹喔啉以及抗癌药物比卡鲁胺等[22]。丙酮酸在临床上常和乳酸一同测定，并用二者的比值推测循环衰竭的严重程度，它还对维生素B1缺乏有一定的诊断意义。丙酮酸在心肺旁路外科手术中能发挥很强的心肌保护功能。此外，丙酮酸乙酯(EP)对烫伤延迟复苏动物多器官功能有一定的保护作用，并能降低其死亡率，严重腹腔感染时过氧化损伤导致肠黏膜屏障功能障碍,丙酮酸乙酯还具有减轻大鼠肠黏膜过氧化损伤的作用[23]。
2.3 在生化试验分析中的应用
胆汁酸的生成和代谢与肝脏有十分密切的关系，血清胆汁酸水平是反映肝实际损伤的一个重要指标，在传统的胆汁酸检测试剂盒中添加丙酮酸盐等提高了临床低值的准确性和对血清中甘氨酸的灵敏度[24]。肝性昏迷、肝性脑病、重型肝炎、尿毒症都可引起血氨升高，因而血氨升高也是肝性脑病诊断的重要依据，临床上检测血氨试剂盒大多以磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸激酶为主要成分[25]。生化研究丙酮酸盐还用于伯醇及仲醇的检定，转氨酶的测定，肌酐含量的测定，血液、血液衍生物或尿中高半胱氨酸和/或胱硫醚的量检测，脂肪族胺的显色剂等。
2.4 在化妆品农药等方面的应用
丙酮酸乙酯对抑制表皮中酪氨酶的形成具有良好的功效，因此可以阻止表皮黑色素的形成，美白皮肤。丙酮酸系列产品可以作为防腐剂和抗氧剂添加到化妆品中，有效阻止化妆品中易酸败的物质吸收氧后发生变质，可以有效地预防、治疗以开裂、剥落、鳞化为特征的皮肤病，改善干性皮肤，减轻皮肤的不适应症状，促进伤口愈合[26]。丙酮酸乙酯还可以作为一种高效的活性成分添加到空气清新剂中，能有效清除空气中的氨及甲硫醇，而且气味清新自然。
丙酮酸乙酯在构成杂环化合物方面性能优越，是农药合成中难以替代的原料和中间体，它被广泛应用于杀菌剂和除草剂的合成。嗅代丙酮酸乙酯是高效杀菌剂唾菌灵[化学名：2-(4-噻唑基)苯并咪哩]的主要中间体。噬菌灵是一种高效、广谱的内吸性杀菌剂，对植物有保护和治疗作用，还可以控制仓储水果、蔬菜的病害，延长保鲜期。由丙酮酸乙酯合成的噁唑酮衍生物也是一种很好的杀菌剂，在5.0×10-4的浓度下即可有效抑制、杀死真菌。Hirai[27]从丙酮酸出发合成了一种高效的除草剂，该除草剂选择性优良，对莎草、狗尾草等杂草除去效果良好，而对农作物则很安全。
2.5 化工原料的开发应用
丙酮酸是生产色氨酸、苯丙氨酸、蛋白糖和维生素B的主要原料，是生物合成 L-多巴的原料（多巴用来治疗帕金森综合症）是乙烯聚合物的起始剂，亦是制备谷物保护剂的原料[28]。丙酮酸作为饲料和食品添加剂，具有很好的防腐保鲜功能，目前国内少量用于饲料和果酒的保存中。丙酮酸乙酯本身具有特殊的香味，可以应用于香精、香料中，同时也是合成树脂和塑料的重要原料。丙酮酸酯类产品还可作为特种溶剂用于电子材料方面，在这方面的应用国外需求增加较快。
3 丙酮酸盐的发展
目前，我国开展丙酮酸的研究与开发已取得了一定的成果。现今，国内外丙酮酸产品的市场潜力巨大，要将我国产品进一步推广，走向国际化，必须降低成本，改进工艺流程和开发适应性强的产品。要解决以上难题可以从以下几个方面进行。
3.1 安全性探讨
丙酮酸作为机体代谢的正常组成部分存在于人体细胞中，安全性相当高，对人体无任何毒副作用, 但将丙酮酸应用于人体的研究尚只有10余年的时间，目前还没有资料表明对商销补品中丙酮酸的最小剂量建立过剂量反应关系，并且对不同人群和不同的试验条件下的反应研究很少，因此，丙酮酸对人体的副作用有待进一步的研究。
3.2 改进工艺路线
目前其生产主要还是以化学合成法（酒石酸法、乳酸盐法、丙酮法等）为主，而生物技术法（生物发酵法和酶转化法）具有原料成本低、来源广、产物纯度高、反应条件温和等许多优点，是极具推广价值的生产合成路线。
3.3 扩大应用领域
以丙酮酸为原料，开发丙酮酸盐新型衍生物，增强其产物作用功效，扩大应用领域。氨基酸丙酮酸盐产品如丙酮酰甘氨酸，在保护心肌方面比丙酮酸盐更有效(比后者好40 %～50 %到200 %不等)，丙酮酸盐与肌酸结合生成新型化合物肌酸丙酮酸盐，不仅能改善口感，而且能提高水溶性和稳定性，是十分理想的新型体育保健营养品。
3.4 提高检测方法
丙酮酸不同的应用途径对其产品的纯度、含量、杂质等质量指标有不同要求，根据需要选择检测方法。检测方法有相对滴定法、高效液相色谱法、紫外分光光度法等，因其检测方法的精度、成本、繁琐程度等[29]，逐步有柱后缓冲电导法、原子吸收法、酶测定法、结合生物传感器等[30]新方法的出现。
3.5 加强基础理论研究
丙酮酸的作用机制尚不十分明确，特别是减肥减脂、改善运动情绪等方面的作用机理还需进一步探讨，建立数学模型，达到能够控制丙酮酸和体脂减少、情绪变化等的关系。目前对丙酮酸盐的研究，主要集中在合成和应用上，而理论研究相对滞后，这在很大程度上会影响其发展。
随着人民生活水平的不断提高，人们对身体的重视程度越来越高，促使了药品市场和保健品市场的空前繁荣，特别是年轻女性对自己的身材越来越重视，使得减肥药品市场空前火爆，作为合成多种药物的中间体以及作为减肥药的主要成分之一的丙酮酸系列化合物，其需求势头强劲，且随着其技术工艺的不断完善，生产成本下降空间较大，近年来国内外市场需求增长极其迅速，因此丙酮酸发展前景极其广阔。
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