甘氨酸又称氨基乙酸，是最重要的基础氨基酸之一，广泛应用于农药、医药、食品及饲料等领域[1-4]。在农药领域，甘氨酸可用于生产有机磷类除草剂草甘膦，也可用于制备植物生长调节剂（如增甘膦）[2]。在医药领域，甘氨酸可用于合成降血压药（如盐酸地拉普利）和胃药（如碳酸钙制剂）[3]。在食品领域，甘氨酸可用作食品防腐剂，有效延长食品保质期，也可用作调味剂，提升食品风味[4]。在饲料领域，甘氨酸主要用作鸡、牛和羊饲料的添加剂，其不仅可为动物提供重要营养物质，而且能够防止饲料氧化变质，从而延长饲料保存期[5]。目前，我国是全球甘氨酸合成量（产能约为74 × 104 t/a）及消耗量最大的国家。近年来，随着下游农药、医药及食品产业的蓬勃发展，尤其是农药产业草甘膦市场需求的不断增大，相关行业对甘氨酸的需求持续上升。因此，研究甘氨酸的合成方法具有重要的现实意义。甘氨酸的合成方法主要包括3种，分别为蛋白质水解法、化学合成法和生物合成法。蛋白质水解法是工业领域早期用于制备甘氨酸的方法，由于原料受限，该方法已经基本被淘汰，目前甘氨酸的获取主要通过化学合成法。国内主要采用氯乙酸氨解法，该方法存在产品质量差、生产成本高和环境污染严重等问题。国外主要采用施特雷克法，该方法存在原料氢氰酸有毒和环境不友好等问题。生物合成法虽然合成条件温和，但存在酶活性低和合成速率慢等问题。近年来，随着国内安全环保政策的加强，甘氨酸合成方法面临更迫切的升级需求。本文对甘氨酸的化学合成法和生物合成法进行介绍，对比不同方法的优缺点，并对甘氨酸合成方法研究取得的主要进展、面临的问题及可能的改进方法进行分析，以期为甘氨酸合成技术未来的进一步优化提供参考。1甘氨酸化学合成法研究进展1.1氯乙酸氨解法氯乙酸氨解法是国内主要采用的甘氨酸化学合成法，该方法以乌洛托品（又称环六亚甲基四胺）为催化剂，以液氨（或氨水）和氯乙酸为主要合成原料，在溶剂（水或醇）中经氨解反应获得甘氨酸粗产品，通过醇析法对粗产品进行分离得到甘氨酸，同时副产氯化铵（工艺流程见图1）[6]。氯乙酸氨解法工艺主要包括氨解反应和醇析结晶等工序，氨解反应温度为50~80 ℃，反应压力为常压。该工艺主反应化学方程式见式(1)，甘氨酸进一步与氯乙酸发生副反应生成仲胺和叔胺的反应方程式分别见式(2)和式(3)。10.12434/j.issn.2097-2547.20240037.F001图1氯乙酸氨解法工艺流程[6]Fig. 1Process flow of chloro-acetic acid ammonolysis method[6]ClCH2COOH + 2NH3 = NH2CH2COOH + NH4Cl (1)NH2CH2COOH + ClCH2COOH = NH(CH2COOH)2 + HCl(2)NH(CH2COOH)2 + ClCH2COOH = N(CH2COOH)3 + HCl(3)氯乙酸氨解法的优点在于原料易得、工艺过程简单、操作方便和设备投资少。然而由于甘氨酸与氯化铵在甲醇中的溶解度差异相对较小，主产物甘氨酸与副产物氯化铵不易分离，导致精制成本较高，甘氨酸收率和纯度偏低，无法满足药品级、食品级甘氨酸的质量要求。此外，该方法会产生大量含铵离子和醛的废水，水处理费用较高，且催化剂环六亚甲基四胺的循环性能较差，导致生产成本较高[7]。目前许多国家已淘汰该工艺，但基于技术成熟度及原料方面的考虑，国内仍以该工艺为主制备甘氨酸。为解决催化剂催化活性低、易分解和难回收等问题，提高甘氨酸收率，降低分离成本，研究人员进行了大量研究[8-13]，并在催化体系设计、催化剂回收和分离溶剂开发等方面取得了一定进展。在催化体系设计方面，廖霞等[8]对不同催化剂进行了对比，发现采用3,5-二甲基吡啶代替乌洛托品作为催化剂，催化剂用量（质量分数）可由10%降低到3%，甘氨酸收率可提高至95%以上。张锁江等[9]开发了一种新型离子液体类催化剂，在均相反应体系中催化氯乙酸氨解合成甘氨酸。结果显示，该催化体系中的氯乙酸转化率大于90%，甘氨酸收率大于90%。并且催化剂可循环利用，甘氨酸易分离，有利于工业化生产。该研究为新型催化体系的设计提供了新思路。在催化剂回收方面，李小力等[10]提出采用甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）改性的硅藻土回收甘氨酸生产废水中的催化剂乌洛托品，即采用乙酸将甲醇回收母液pH值调节至6.0左右，然后将GMA改性的硅藻土与母液混合，过滤，用乙醚洗涤滤渣并真空干燥可得到乌洛托品。该方法虽然可实现对废水中乌洛托品的回收，但工艺过于复杂，成本偏高。李永刚等[11]将陶瓷膜与多级纳滤系统相结合实现了对废水中催化剂的回收。该方法不仅可以处理废水，而且可回收利用催化剂乌洛托品，因此具有一定的工业应用前景。在分离溶剂开发方面，任丽君等[12]开发了一种高沸点极性混合溶剂，该溶剂可用于甘氨酸与氯化铵混晶的分离，获得较高的甘氨酸与氯化铵回收率（均大于95%）。高沸点溶剂不易挥发，溶剂损失率低，且回收过程的能耗较低（无蒸发过程），因此可降低产品分离成本。王慧等[13]开发了一种基于新型离子液体类萃取剂的分离方法，即先通过萃取分离甘氨酸和氯化铵，然后利用醇析法可获得纯度超过99%的甘氨酸。该方法基于绿色环保的离子液体进行设计，可获得高纯度甘氨酸，能满足医药及食品行业要求，具有较好的工业应用前景。综上可知，氯乙酸氨解法主要存在产品不易分离、产品纯度低、催化剂回收困难和废水处理成本高等问题。未来针对该方法的重点研究方向为高性能、易回收催化剂的开发，高效、低成本分离方法的开发及优化。1.2施特雷克法传统施特雷克法工艺以甲醛、氰化钠及氯化铵为初始原料，首先反应生成亚甲基氨基乙腈，然后在硫酸与乙醇存在下反应生成腈类硫酸盐，再利用氢氧化钡将硫酸盐转化为甘氨酸钡盐，利用硫酸使钡离子形成沉淀，最后经过滤、冷却结晶得到甘氨酸产品，该方法涉及的主要化学反应见式(4)~式(7)。传统施特雷克法工艺的优点是适于规模化生产，产品易于精制处理，甘氨酸质量高，缺点在于合成原料为剧毒物，合成路线复杂，操作条件苛刻，在国外逐渐被淘汰。3NaCN + 6HCHO + 3NH4Cl = 3CH2== N-CH2CN + 3NaCl + 6H2O(4)3CH2== NCH2CN + C2H5OH + 3H2SO4 = 3(NH2CH2CN)H2SO4 + 3CH2(OCH2CH3)2 (5)2(NH2CH2CN) H2SO4 + 3Ba(OH)2 = (NH2CH2COO)2Ba + 2BaSO4 + 2NH3 + 2H2O(6)(NH2CH2COO)2Ba + H2SO4 = 2NH2CH2COOH + BaSO4 (7)为提高产品甘氨酸经济效益，国外研究人员对传统施特雷克法工艺进行了优化，开发了施特雷克法改进工艺，即以氢氰酸、氨和甲醛等为反应原料，避免使用剧毒物氰化钠。施特雷克法改进工艺涉及的主要化学反应见式(8)~式(10)，工艺流程见图2，该工艺主要包括羟基乙腈的合成、氨解及水解等工序[14]。国内研究人员刘建慧等[15]开发了以氰化氢、甲醛及碳酸铵为原料的施特雷克法改进工艺，该工艺的甘氨酸收率为73%，产品纯度大于95%。HCHO + HCN = H2C(OH)CN (8)10.12434/j.issn.2097-2547.20240037.F002图2施特雷克法改进工艺流程Fig. 2Process flow of improved Strecker methodH2C(OH)CN + NH3 = H2C(NH2)CN + H2O(9)H2C(NH2)CN + 2H2O = NH2CH2COOH + NH3 (10)施特雷克法改进工艺可充分利用丙烯腈装置副产物氢氰酸，具有生产成本低、甘氨酸收率高和工艺流程短等优点，是目前国外生产甘氨酸的主要工艺。由于该工艺使用的原料（氢氰酸）有毒且易挥发，不适合长距离输送，装置一般建在原料生产装置附近，这在一定程度上制约了该工艺的应用。1.3氨基乙腈法氨基乙腈法工艺是以羟基乙腈为原料，经氨化、碱解、酸化、浓缩、脱色和结晶分离等工序生产甘氨酸[16-17]。具体而言是以甲醛和氢氰酸为起始原料，先反应生成羟基乙腈，然后与氨气发生氨化反应生成氨基乙腈，进一步在氢氧化钠溶液中水解生成甘氨酸钠盐和氨气，最后经盐酸或者硫酸酸化处理生成甘氨酸和盐。氨基乙腈法工艺涉及的主要反应见式(11)~式(14)。HCHO + HCN = HOCH2CN(11)HOCH2CN + NH3 = NH2CH2CN + H2O(12)NH2CH2CN + NaOH + H2O = NH2CH2COONa + NH3 (13)NH2CH2COONa + HCl = NH2CH2COOH + NaCl(14)查正炯等[16]报道了一种由羟基乙腈与氨合成甘氨酸的路线。作者发现在羟基乙腈与氨的物质的量之比为1:2、氨化温度为40 ℃的条件下反应0.5 h，甘氨酸收率可达82%以上。王友仁等[17]通过提高碱解温度缩短了氨化时间并减少了副反应，同时通过母液套用进一步将甘氨酸收率提高至94%（图3）。该方法不仅可缩短反应时间，减少原料分解，还可减少产品损失，提高甘氨酸收率，降低生产成本。为进一步缩短工序，AOKI等[18]采用氧化铈类催化剂直接水解氨基乙腈制备了甘氨酸。结果表明，在氨基乙腈质量分数为11%、催化剂质量分数为5.0%、反应温度为70 ℃的条件下反应1.0 h，甘氨酸收率可达88.1%。在该方法中，直接催化水解氨基乙腈不仅可以避免碱液的使用，而且可以省去后续酸化及脱盐过程，工艺更加安全、环保和经济。10.12434/j.issn.2097-2547.20240037.F003图3羟基乙腈法工艺流程[17]Fig. 3Process flow of amino acetonitrile method[17]氨基乙腈法工艺的优点是原料成本低、三废少和产品质量较好，缺点是工艺路线较长，操作条件苛刻，反应过程会产出无机盐（氯化钠），不利于产品精制，并且母液难以套用，生产成本较高。目前，氨基乙腈法工艺尚未工业化，还处于实验室中试阶段。氨基乙腈法工艺存在流程长、环境不友好和设备腐蚀严重等问题，因此未来重点关注的方向是氨基乙腈直接催化水解，其中高性能水解催化剂的开发是关键。1.4直接海因法直接海因法的开发初衷是为了寻找能替代氢氰酸的原料，避免甘氨酸工业合成过程受原料地域影响。该方法具有原子利用率高和清洁环保等优点，是目前国内外重点关注的甘氨酸合成方法之一。在直接海因法工艺中，氢氰酸与甲醛加成反应生成羟基乙腈，再以羟基乙腈、氨和二氧化碳为原料在高温、高压条件下合成海因（乙内酰脲），海因在一定条件下水解生成甘氨酸，并释放出氨气与二氧化碳，直接海因法涉及的主要反应见式(15)~式(17)。NC—CH2—OH + NH3 = NC—CH2—NH2 + H2O(15)NC—CH2—NH2 + CO2 = C3H4N2O2 (16)C3H4N2O2 + H2O = NH2—CH2—COOH + NH3 + CO2 (17)吴传隆等[19]提出了在含氨水溶液中碱解海因的方法。结果表明，在155 ℃、4.1 MPa下反应3.0 h，海因转化率为100%，甘氨酸收率为85%。该方法解决了直接海因法水解不彻底、杂质含量高和产品质量差等问题。吴传隆等[20]还采用氧化钙或氢氧化钙水解了甘氨酸粗品结晶母液，使母液中的杂质有效地转化为甘氨酸，进一步提高了甘氨酸收率。杨仁俊等[21]基于微通道反应器开发了一种连续化合成工艺（图4），该工艺以羟基乙腈、碳酸氢铵为合成原料，先合成海因，再水解得到甘氨酸溶液，然后通过汽提回收氨气和二氧化碳，再经三效蒸发浓缩、结晶、离心分离、脱色及干燥获得最终产品，甘氨酸收率大于97%。该工艺虽然可实现甘氨酸的海因法连续化合成，但体量偏小，难以满足工业化生产要求。10.12434/j.issn.2097-2547.20240037.F004图4基于微通道反应器的连续化合成工艺流程[21]Fig. 4Process flow of continuous synthesis based on microchannel reactor[21]冯志武等[22]将管式与釜式反应器进行了串联，开发了海因法连续化生产甘氨酸工艺（图5）。该工艺主要包括海因合成、蒸馏提浓、水解反应、结晶、醇析、分离及过滤等工序，甘氨酸收率可达86%以上。10.12434/j.issn.2097-2547.20240037.F005图5基于管式与釜式反应器串联的连续化合成工艺流程[22]Fig. 5Process flow of continuous synthesis based on cascade of tubular and kettle reactors[22]直接海因法工艺以羟基乙腈为原料，规避了有毒原料氢氰酸的储存和运输问题，同时省去了碱解及酸化处理工序，具有安全、环保和流程简洁等优点。此外，直接海因法工艺中的水、二氧化碳及氨气可循环使用，因此原子利用利率较高。然而，直接海因法工艺仍存在原料羟基乙腈热稳定性较差、海因水解不彻底和副产物偏多等问题[23]。尽管直接海因法工艺研究目前已取得了一定进展，但主要以间歇式、实验室小试和中试连续化合成为主，尚未实现工业化。该工艺未来研究的重点方向为提高甘氨酸收率，以及实现大型连续化生产。1.5醇胺催化氧化法醇胺催化氧化法工艺是以醇胺（如乙醇胺）为原料，在碱性溶液中、铜系催化剂的作用下将乙醇胺催化氧化为甘氨酸盐，再经酸化处理生成甘氨酸和对应的盐，最后通过结晶分离获得甘氨酸[24-30]。醇胺催化氧化法工艺流程见图6，主要包括催化氧化、酸化处理及结晶分离等工序。该工艺的反应温度为140~200 ℃，压力为0.8~1.2 MPa，涉及的主要化学反应方见式(18)和式(19)。NH2CH2CH2OH + NaOH = NH2CH2COONa + 2H2 (18)NH2CH2COONa + HCl = NH2CH2COOH + NaCl(19)10.12434/j.issn.2097-2547.20240037.F006图6醇胺催化氧化法工艺流程Fig. 6Process flow of alcohol ammoxidation method研究人员曾采用在无催化剂的碱金属溶液中直接氧化乙醇胺的方式制备甘氨酸盐，该方法存在反应耗时长、甘氨酸盐收率低等问题。随后，研究人员开发了多种催化剂用于催化醇胺氧化制备氨基酸盐。BISHOP等[24]以三乙醇胺为原料，氧化锌作催化剂，在一定条件反应制备了氨基酸盐，但产物收率偏低。为提高甘氨酸盐收率，SCHULZE等[25]换用了氧化镉类催化剂催化反应，虽然催化活性较好，但镉有毒，存在水污染问题。GOTO等[26]以雷尼铜或铜/氧化锆为催化剂进行反应，获得了较高的乙醇胺转化率（大于97%）和甘氨酸盐收率（大于95%），但延长反应时间后，催化剂的催化活性逐渐降低，同时副产物逐渐增多。OCHOA等[27]提出了采用甲酸回流再生催化剂的方法，发现再生后的催化剂可重复使用，醇氨转化率为87%。为了延长铜基催化剂寿命并提高目标产物选择性，研究人员认为可在铜基催化剂中添加不同金属类助剂[28-30]。近年来，除铜基催化剂外，研究人员还开发了其他催化剂。王慧等[31]报道了一种离子液体催化剂，可用于催化乙醇胺合成甘氨酸，该催化剂的乙醇胺转化率可达95%，甘氨酸钠收率为90%。HU等[32]开发了螯型钌络合物催化剂，在碱性溶液中，该催化剂可将醇胺转化为氨基酸盐。黄义争等[33]开发了一种金属负载型催化剂，该催化剂以固体碱为载体，以钴、钯、铂和金等金属为主要活性组分，其中在氮掺杂碳/NaY分子筛负载钴催化剂作用下，乙醇胺转化率和甘氨酸选择性最高可达99%。综上可知，目前关于醇胺催化氧化法工艺的研究主要集中在催化剂（主要为铜系催化剂）开发，虽已取得一定成果，但仍存在催化剂不稳定、寿命短等问题。醇胺催化氧化法工艺目前处在实验室中试研究阶段，尚未见工业化报道，未来重点研究方向是长寿命、高稳定性催化剂的开发。1.6羟基乙酸甲酯法羟基乙酸甲酯法工艺是一条新型的煤化工法制备甘氨酸路线，该工艺可利用煤制乙二醇中间体草酸二甲酯半加氢制得的羟基乙酸甲酯为原料，再经催化氨化转化为甘氨酸甲酯，然后进一步水解为甘氨酸。该工艺具有原料成本低廉、工业化体量较大、过程无废水排放和经济效益显著等优点，近年来受到了广泛关注。羟基乙酸甲酯法工艺涉及的主要反应见式(20)~式(22)，工艺流程（图7）中包括半加氢制备羟基乙酸甲酯、氨化反应及水解反应等工序。CH3OOC—COOCH3 + H2 = OHCH2COOCH3 + CH3OH(20)OHCH2COOCH3 + NH3 = NH2CH2COOCH3 + H2O (21) NH2CH2COOCH3 + H2O = NH2CH2COOH + CH3OH(22)10.12434/j.issn.2097-2547.20240037.F007图7羟基乙酸甲酯法工艺流程Fig. 7Process flow of methyl glycolate method陕西延长石油（集团）有限责任公司在草酸二甲酯体制甘氨酸甲酯及甘氨酸方面进行了相关研究[34-35]。针对草酸二甲酯制羟基乙酸甲酯传统生产技术存在的催化剂（银基催化剂）成本高、易失活等缺点，杨东元等[34]开发了一种新型非贵金属催化剂，可使草酸二甲酯高选择性加氢转化为羟基乙酸甲酯，草酸二甲酯转化率及羟基乙酸甲酯选择性较高（均为99%左右）。在此基础上，杨东元等[35]开发了羟基乙酸甲酯氨化制甘氨酸甲酯及甘氨酸催化剂（以Co、Ni为主要活性成分，二氧化硅为载体）并研究了其催化性能。结果表明，该催化剂具有优异的催化性能，羟基乙酸甲酯转化率高于90%，甘氨酸甲酯选择性高于95%。席秋波等[36]开发了一种以Co和Ni为主要活性组分，Cu、Zn和Fe为助剂的金属负载型催化剂，在该催化剂作用下可实现乙醇酸甲酯与氨源一步反应制甘氨酸甲酯和/或甘氨酸。在最优条件下，乙醇酸甲酯转化率为97.8%，甘氨酸选择性为98.5%。王誉蓉等[37]开发了一种金属负载型催化剂（Ru、Rh、Co及Ni）并研究了其催化性能。结果表明，以乙醇酸和氨水为原料，在最优条件下，催化剂的乙醇酸转化率为89%，甘氨酸选择性为44%。黄义争等[38]开发了一种乙醛酸制甘氨酸技术，所用催化剂为金属负载型催化剂（以Ni、Ru为主要活性组分），在以醇为溶剂、氨气及氢气存在的条件下，催化剂的目标产物收率为98%。羟基乙酸甲酯法工艺可充分利用煤化工乙二醇装置中间体草酸二甲酯，具有原料来源广泛、成本低廉等优势，与氯乙酸氨化法工艺、施特雷克法工艺等相比，该工艺的路线更简洁，环保性更好，原子经济效益更高，未来有望成为甘氨酸工业生产的主要技术之一。目前，羟基乙酸甲酯法工艺处于实验中试研究阶段，未来研究重点是高性能、高稳定性催化剂的研发。2甘氨酸的生物合成方法研究进展2.1以氨基乙腈为原料典型的生物合成法制备甘氨酸是以氨基乙腈（又称甘氨腈）为原料，基于微生物酶，通过催化水解氨基乙腈生成甘氨酸。20世纪70年代COMMEYRAS等[39]最早提出了采用短杆菌属或棒状杆菌属的微生物水解氨基乙腈制氨基酸的方法。随后，为解决微生物酶活性低和氨气难回收等问题，研究人员陆续开发了一系列菌属。TAKAKAZU等[40]提出了采用红球菌属、节杆菌属、干酪杆菌属、假单胞菌属、肠杆菌属、不动杆菌属、碱性菌属或链霉菌属的微生物酶水解氨基乙腈的方法。AOKI等[41]分别采用属于不动杆菌、钙碱杆菌、分枝杆菌、红假单胞菌和念珠菌属的微生物水解酶水解了甘氨腈。结果表明，该方法不仅可以获得高纯度甘氨酸和氨，还不会对环境造成严重影响。LEE等[42]基于基因策略，在棒杆菌属腺苷磷酸核糖基转移酶中引入突变，提升了棒杆菌属合成甘氨酸的性能。许正宏等[43]发现霉菌-尖孢镰孢可以高效地将甘氨腈水解为甘氨酸和氨。尽管生物酶催化分解氨基乙腈制甘氨酸具有目标产物选择性高、条件温和和能耗低等优点，但存在产物合成速率慢、收率较低等问题，目前仍处在实验室研究阶段。未来仍需进一步提高甘氨酸的合成效率，该领域的研究重点方向包括高活性菌属的筛选，以及通过基因策略对酶结构进行改造以提高生物酶活性。2.2以草酸和羟胺为原料FUKUSHIMA等[44]建立了以生物废弃物分解得到的草酸为原料的甘氨酸合成路线（图8）。作者以草酸和羟胺分别作为碳源和氮源，通过电化学合成法，先将草酸转化为乙醛酸，然后经乙醛酸肟实现了甘氨酸的合成。孙永福等[45]采用电化学合成策略，以草酸和羟胺原料，在串联双位点 Pb-Cu电催化剂的作用下实现了甘氨酸的高选择性的快速合成。10.12434/j.issn.2097-2547.20240037.F008图8以草酸和羟胺为原料合成甘氨酸的反应路线[44]Fig. 8Reaction pathway of synthesis of glycine from oxalic acid and hydroxylamine[44]目前，以草酸和羟胺为原料的电化学合成方法还处于实验室基础研究阶段，未来的研究重点为高效催化剂的开发。2.3以二氧化碳和氨气为原料近年来，以二氧化碳为碳源通过生物酶催化、生物酶催化+热化学和生物酶催化+电化学等方法制备甘氨酸的研究引起了广泛关注。朱之光等[46]以二氧化碳和氨为原料，采用化学热催化+体外多酶催化方法，实现了从二氧化碳经甲醇、甲醛、乙醇醛、乙醛酸到甘氨酸的合成。在此基础上，WU等[47]构建了一条体外多酶催化合成甘氨酸的路线，该路线以电能驱动，突破了热力学限制，实现了酶电催化二氧化碳和氨高效合成甘氨酸。该方法克服了生物催化法普遍存在的能量需求高、合成速率慢等问题，为甘氨酸的绿色低碳合成提供了新思路。LIU等[48]将化学催化与生物催化有机结合，实现了以甲醇和二氧化碳为原料的甘氨酸高效合成。该方法无需添加辅酶因子NAD(P)H，克服了热力学限制，具有较快的甘氨酸合成速率。KIM等[49]采用电化学合成策略，以二氧化碳为碳源，废弃硝酸盐为氮源，通过电化学反应将二氧化碳转化为草酸，再将草酸和硝酸盐反应生成的碳-氮中间体还原为甘氨酸（图9）。10.12434/j.issn.2097-2547.20240037.F009图9以二氧化碳和氨气为原料合成甘氨酸的反应路线[49]Fig. 9Reaction pathway of synthesis of glycine from carbon dioxide and ammonia[49]目前以二氧化碳和氨气为原料合成甘氨酸的研究还处于实验室研究阶段（以基础研究为主），该方法的合成速率及甘氨酸收率均较低，还需进一步深入研究，未来可重点关注电催化或热催化与生物酶催化相结合制甘氨酸的方法。综上可知，目前生物法合成甘氨酸的研究以实验室研究为主，尚无法实现工业化应用，仍有许多技术难题需要攻克，如生物酶活性低、合成速率慢和甘氨酸收率低等。近几年，以二氧化碳为碳源，将生物酶法与化学热催化或电催化相结合的甘氨酸制备技术受到了研究人员关注。生物合成法因具有条件温和、目标产物选择性高、无环境污染和能耗低等优点，具有一定的发展潜力。对甘氨酸的不同合成方法进行了对比，结果见表1。由表1可知，目前工业主要使用的氯乙酸氨解和施特雷克工艺存在产品质量较差、原料有毒和安全风险高等问题，不符合未来化工行业的绿色、安全、低碳和环保发展理念。氨基乙腈法、直接海因法及乙醇胺氧化法存在副反应多、不易精制、收率低和催化剂稳定性差等问题。羟基乙酸甲酯法是一条新型的煤化工合成甘氨酸路线，具有原料来源广、无毒和价格低廉等优点，在未来具有很大的发展潜力。以氨基乙腈或二氧化碳与氨为原料的生物路线法具有合成条件温和、目标产物选择性高等优点，但存在合成酶活性偏低、产物含量低和合成效率低等缺点。10.12434/j.issn.2097-2547.20240037.T001表1甘氨酸的不同合成方法的对比Table 1Comparison of different synthesis methods of glycine方法主要原料主要工序优点缺点发展情况氯乙酸氨解法氯乙酸、氨气/液氨氨解反应、醇析结晶、离心分离及干燥等工艺过程简单、操作方便、设备投资低产品纯度低、品质差、催化剂难以循环使用、废水处理成本高工业化应用施特雷克法甲醛、氰化钠/氰化钾、氯化铵反应、分解、沉淀，过滤、冷却结晶及干燥等产品易精制、成本低、品质好、可大规模合成原料氰化钠剧毒、操作条件苛刻、工艺路线长工业化应用改进施特雷克法氢氰酸、甲醛、二氧化碳反应、氨解、水解、分离及干燥等工艺路线较短、收率高、环境污染较低原料有毒、工业合成受地域限制、不易推广工业化应用氨基乙腈法氨基乙腈、氨气/液氨氨化、碱解、酸化、浓缩、脱色、结晶分离等原料较安全、不受地域限制、易推广副反应多、产品精制困难、脱盐流程长实验室中试直接海因法羟基乙腈、氨及二氧化碳合成反应、水解、分离及干燥等原子利用率高、无无机盐生成，精制过程简洁原料羟基乙腈热稳定性较差、海因水解不彻底，副产物多，甘氨酸收率低工业中试乙醇胺氧化法乙醇氨、氢氧化钠氧化反应、酸化、分离及干燥等工艺过程简单、合成成本低、产品收率高、品质好催化剂寿命短、需消耗等物质的量的酸碱、不够环保实验室中试羟基乙酸甲酯法羟基乙酸甲酯、氨气/液氨氨解、水解、分离及干燥等原料丰富、价格低廉、绿色环保、工艺简洁、原子经济性好副产物不易分离、收率较低实验室中试氨基乙腈生物酶解法氨基乙腈酶解、离心分离、干燥等合成条件温和、选择性高、能耗低酶活性偏低、合成速率低、不易大规模工业合成实验室小试二氧化碳及氨生物合成法二氧化碳、氨反应、分离及干燥等绿色环保、条件温和、目标产物选择性高合成速率慢、产品收率低实验室研究3结语与展望本文综述了甘氨酸合成方法的研究进展，分析发现国内普遍采用的氯乙酸氨解法存在环境污染严重、成本高、产品纯度低和产品质量差等问题，国外使用的施特雷克法存在原料有毒、环境不友好和受地域限制等问题。羟基乙酸甲酯法可将煤化工产品融入甘氨酸合成路线中，具有原料来源广、无毒和成本低廉等优点，未来具有较好的发展潜力。其他合成甘氨酸的方法（如直接海因法、乙醇胺催化氧化法及生物合成法等），大多存在副产物多、目标产物收率低和催化剂稳定性差等问题，暂时难以满足工业大型化、连续化合成要求。针对上述甘氨酸合成方法存在的问题，未来可考虑进行以下研究：（1）对于直接海因法，需进一步优化反应条件，以提高海因水解度、减少副反应和提高甘氨酸收率，同时需要研发合适的反应器，以实现甘氨酸大型连续化合成；（2）对于乙醇胺氧化法，需通过各种改性策略提高催化剂重复使用寿命；（3）对于氨基乙腈生物酶水解法，一方面需要筛选高活性的菌属，另一方面可通过基因策略改造生物酶结构，进一步提升水解酶的活性，进而提高合成效率；（4）对于二氧化碳与氨生物法，需开发更加高效的生物酶催化剂，以及将热催化、电化学技术与生物酶有机结合，进而提高甘氨酸的合成效率。