甘氨酸

甘氨酸生产工艺综述以及新工艺的研究

作者：邢维明、徐伟、陈清平

摘要：

甘氨酸是结构最简单的α—氨基酸，它的用途非常广泛，主要用于农药、农业、医药、食品、饲料以及制取其它氨基酸，合成表面活性剂等。甘氨酸的生产方法有很多种，本资料简要介绍了甘氨酸的主要生产工艺以及新工艺的研究进展和未来的发展趋势。

关键词：甘氨酸，新工艺，生物合成法，生物酶解法，收率，生产工艺

引言

目前国内主要采用氯乙酸氨解法制备甘氨酸，60年代以前，德国的 Kraut 用氯乙酸和氨水反应，在缓慢搅拌、室温下反应 48小时以上，再经一系列复杂的后处理，才得到粗品，收率很低，成本高且再生能力很低。70年代后，法国人 Henri Martin 以乌洛托品、氯乙酸、氨水为原料在水相中合成，反应后，经醇析、过滤、精制、干燥制得。只有 70%左右的收率，生产周期长达40小时，纯度在90%左右。后来用液氨代替氨水，收率达80%以上，此工艺成熟，目前国内生产厂家都在此方法前提下不断的进行改进。自1969年实现工业化以来，国内许多专家对其进行了众多改进性研究，使甘氨酸收率由约70%提高至85%以上，产品甘氨酸含量从95%提高到98.5%。

1.1甘氨酸的基本性质

中文名: 甘氨酸（氨基乙酸）

英文名：GLYCINE

分子式：C2H5NO2

分子量：75.07

结构式：NH2CH2COOH

CAS号：56-40-6

毒性防护：本品无毒，无腐蚀性。

物化性质：白色单斜晶系或六方晶系晶体，或白色结晶粉末。无臭、有特殊甜味，相对密度 1.1607。熔点248℃（分解）。易溶于水，在水中的溶解度25℃时为 25g/100ml，

50℃时为 39.1g/100ml75℃时为 54.4g/100ml100℃时为 67.2g/100ml。极难溶于乙醇，在100g无水乙醇中约溶解0.06g。几乎不溶于丙酮和乙醚。

1.2 甘氨酸的发展前景

甘氨酸在氨基酸类中结构最简单的化合物,是一种重要的有机合成中间体,广泛应用于医药、食品、农药、农业、饲料等行业,随着人们生活水平的提高,食品、医药行业逐渐成为使用甘氨酸的用户,其市场潜力很大,因此国内科研机构和企业要借鉴国外的研究思路,加强提高生物合成生物酶解等新技术的开发与研究。

1.3  甘氨酸的生产工艺

甘氨酸生产工艺路线很多,目前工业化和具有工业化前景的生产工艺主要有氯乙酸氨

解法,施特雷克法(cstercker法),氢氰法,生物合成法以及生物酶解法等。

1.3.1氯乙酸氨解法

该法根据原料不同,又可分两种工艺:(1)水相或醇相中以乌洛托品,氯乙酸、氨水(氨气或液氨均可)为原料合成;(2)水相中以碳酸铵或氨基甲酸胺、氯乙酸、氨水为原料合成。目前国内的生产方法以前者为主,收率在70%左右,后者收率较低(约42%),故很少用于工业化生产。由于水相合成甘氨酸中乌洛托品消耗较大,且乌洛托品价格较高,无法回收,故成本较高,而以醇溶液代替水溶液则会大大降低乌洛托品的消耗量,从而降低生产成本,因此,目前国内普遍采用醇相法合成甘氨酸,反应方程式如下。

主反应:ClCH2COOH+2NH3 → NH2CH2COOH+NH4Cl

副反应:NH2CH2COOH+ClCH2COOH → NH(CH2COOH)2+HCl

NH(CH2COOH)2+ClCH2COOH → N(CH2COOH)3+HCl

氯乙酸氨解法的优点是原料易得,合成工艺简单,对设备要求不高,易操作,基本无公害,缺点是反应时间较长,副产氯化铵等无机盐类物质难以除去,产品质量差,精制成本高,作为催化剂的乌洛托品难以回收循环使用,造成原料的极大浪费,使生产成本增加。国内甘氨酸生产厂家及一些科研机构本着优化反应条件降低生产成本,提高产品质量的原则,对氯乙酸法合成甘氨酸的工艺进行了大量的研究工作,并取得一定的进展。

1.3.2施特雷克法(cstercker 法)

施特雷克法的反应过程是,以甲醛、氰化钠,氯化铵为原料反应,在硫酸存在下醇解,然

后与氢氧化钡一起加水分解而得甘氨酸产品,主要化学反应如下:

6HCHO+3NaCN+3NH4Cl→(CH2=N-CH2CN)+3NaCl+6H2O

将产物过滤,在硫酸存在下加乙醇分解,得到氨基乙腈硫酸盐。

3(CH2=N-CH2CN)+C2H5OH+3H2S04 →3(H2NCH2CN)H2SO4 +3CH2(C2H5)2

将上述产物用氢氧化钡分解,得到氨基乙酸钡:

2(H2NCH2CN)2SO2+3Ba(OH)2 →(NH2CH2COO)2Ba+2BaS04 +2NH3+2N2O

然后加入定量的硫酸,使钡沉淀,过滤液浓缩,放置冷却,析出甘氨酸结晶。

(NH2CH2COO)2Ba+H2S04 →2NH2CH2COOH+BaS04

此工艺路线较长,原料NaCN为剧毒物,反应的脱盐操作较复杂,操作条件比较苛刻,其

优点是易于精制,成本低,适用于大规模工业化生产。

1.3.3氢氰酸法合成法

以氢氰酸、甲醛、碳酸氢铵为主要原料生产，产品收率可达到90%，产品含量可达到95%以上，但三废排放超标。

1.3.4 生物合成法

21世纪是生物合成的世纪， 生物合成甘氨酸成为十分重要潜力巨大的合成路线，美国、日本、欧洲长期以来坚持开发生物合成甘氨酸的研究。以前由于存在酶的活性低，合成甘氨酸的微生物菌需求量大， 甘氨酸的产率低等因素，使生物合成法的工业化受到限制。20世纪80年代后期， 日本三菱公司把过筛选的好氧土壤杆菌属，短杆菌属，棒状杆菌属等微生物加入到含有碳源、氮源及无机营养液的介质中进行培植， 然后将该类菌种在25-45度， PH在4-9的情况下，使乙醇胺转化为甘氨酸，用浓缩中和离子交换处理得到甘氨酸。进入20世纪90年代以后，国外合成甘氨酸的技术有了新的进展。日本Nitto化学工业公司将培养的假细胞菌属、酪蛋白菌属、产碱杆菌属等菌属以0.5%（质量分数，干重）加入到含甘氨酸胺基质中，在30度，PH7.9-8.1情况下反应45h，几乎所有的甘氨酸胺水解生产甘氨酸。转化率达99%。

1.3.5 生物酶解法新工艺

此工艺是以豆粕、葡萄糖为主要原料，先用木瓜蛋白酶将豆粕中的大分子蛋白质酶解为胨，再继续酶解为小分子的肽，再酶解成游离的复合氨基酸液体。在复合氨基酸液体中加入特定的牛奶酪蛋白酶去除氨基酸的支键，侧键，特定的牛奶蛋白酶在特定的环境中具有靶向消耗氨基酸中的β-氨基酸（第二位）及γ-氨基酸（第三位）以上的碳原子，而不会为α位（位）氨基酸的氨基与羧基进行消耗，保留了最小氨基酸的结构，这是特异牛奶蛋白酶酶选择性消耗氨基酸支键及侧键的结果，将所有的氨基酸分子中的支键与侧键靶向切断并消耗，并用电离出的氢离子来代替，同时氨基与羧基又得到了很好的保护，便得到最小分子量的甘氨酸，产品收率达到95%以上，含量达到99%以上的，通过浓缩，结晶，干燥得到甘氨酸成品。目前生物酶解法无污染，因此将是极具发展潜力的路线。

1、本方法为新型的前沿生产甘氨酸技术，由归国邢维明生物学博士带领相关技术团队，通过多年研究选育的特定酶做出来的，仅在国外的日本文献有少量的提及此方法。与日本味之素公司先用特殊菌种生产甘氨酸的方法类似。特异性酶的选育，特异性菌种的选育是本方法的关键与核心技术。

2、靶向去除氨基酸支键”（去除β-氨基酸（第二位）及γ-氨基酸（第三位）以上的碳原子，而不会对α位（位）氨基酸的氨基与羧基进行消耗），氨基酸的分子通式是： R-NH2-CH-COOH，分子结构式为：α位（位）氨基酸的氨基与羧基中的碳原子键能是最强的，也是最牢固的。而且在水中还容易电离出氢离子与氢氧根离子，对α位的碳原子具有很强的保护作用，基本就形成了一个整体，这也是为什么氨基酸具有螯合功能的原因，酶是根本拆解不了的。但远离氨基与羧基中的碳原子键能相对就要弱的多，也没有基团进行保护，最容易被生物酶攻击并拆分。氨基酸支链与侧链中的大量的有机碳原料是保持酶活性的理想载体，深度酶解，消耗掉所有的支链碳原子，得到分子量最小的，最简单的甘氨酸产品。

参考文献：

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5. 杨文炳. 化学通报，1991