氨酸微量元素螯合物的制备方法研究

1、赖氨酸微量元素螯合物的制备方法研究第11期赖氨酸微量元素螯合物的制备方法研究科研开发赖氨酸微量元素螯合物的制备方法研究刘飞飞李群于岚(青岛大学化学化工与环境学院应用化学系,青岛266071)摘要:利用有机溶剂沉淀分离法,以L一赖氨酸盐酸盐和金属盐酸盐为原料,通过氨水调节体系pH值合成了高纯度的赖氨酸铜,赖氨酸锌螫合物;以螯合率为指标考察了合成工艺的主要影响因素,确定了最佳原料配比,pH值及反应温度和时间;并通过化学分析,红外光谱,紫外光谱及热重等一系列分析手段对其进行了表征,确定了赖氨酸金属螯合物的合成.关键词:赖氨酸铜;赖氨酸锌;制备方法;表征中图分类号:Q517文献标识码:A文章编号:16

2、72-8114(2009)11-0027-06氨基酸与微量金属元素螯合物的研究,无论是螯合物的合成工艺,结构表征的理论研究还是动物饲养的营养学,医药学应用研究都是当今氨基酸研究的热门课题.氨基酸微量元素螯合物的研究最早源于美国饲料添加剂的开发ll1,在1996年美国饲料检测局(MFCO,1996)明确定义了微量元素氨基酸螯合物的概念:由某种可溶性金属元素离子同氨基酸按一定的摩尔比以共价键结合而成.水解氨基酸的平均相对分子质量约为150,生成的螯合物的相对分子质量不超过800l21.与无机离子相比,氨基酸微量元素螯合物以金属离子为中心的环状结构对金属离子形成了有效的保护,分子内电荷趋于中性I3l

3、,使其具有化学性质稳定,生物利用率高;避免了金属元素的氧化从而减少了金属元素之间的拈抗和对维生素的破坏;适用性好,使用方便,对机体不良作用少;促进生长,提高抵抗力等优点,是理想的营养强化剂和饲料添加剂4-61.赖氨酸作为维持人体氮平衡8种必需的氨基酸之一,是人体必需而又无法自身合成的第一限制性氨基酸,也是衡量食品营养价值的和总要指标之一7,8l.赖氨酸可以维持体内酸碱平衡;合成核蛋白,血红蛋白并能促进大脑神经细胞再生;作者简介:刘飞飞(1985一),女,”I东泰安人,硕士,主要从事昆布氨酸螯合物的研究.通讯联系人作为合成肉毒碱的前体物,参与脂肪代谢;另外,赖氨酸还可以提高机体抵抗应激的能力9A

4、o.赖氨酸也是禽畜极其重要的必需氨基酸,常作为评估其它必需氨基酸需要量的基准氨基酸,其缺乏将直接或间接影响动物的生长,繁殖和发育.在典型的玉米一豆粕型日粮中,氨基酸被认为是继总含硫氨基酸后的第二限制性氨基酸,在提高禽畜生产性能和改善机体品质方面起重要作用【11,12.铜是动物和人体必须的微量元素,对造血,中枢神经系统的发育,骨骼及结缔组织的形成具有重要作用【l3.铜的缺乏会影响动物及人体对铁元素的吸收和利用,从而导致贫血J.锌普遍存在于动植物体内,是人体必需的14种微量元素之一.锌是许多酶的重要组成成分,具有加速生长发育,增进食欲,调节机体免疫,防止感染和促进伤口愈合等功能.儿童缺锌会影响其智

5、力发展及生长发育,成人及老年人缺锌则影响正常代谢,从而导致免疫力降低,引发多种疾病【15,16.赖氨酸金属螯合物作为新一代的营养添加剂,具有性质稳定,吸收快,生物利用率高等优点.本文以赖氨酸盐酸盐,氯化铜和氯化锌为原料合成了高纯度的赖氨酸铜和赖氨酸锌螯合物,并通过化学分析,红外光谱,紫外光谱及热重等一系列分析手段对其进行了表征.1实验部分1.1合成原理利用赖氨酸中氨基能与cu,zn,Fe等过渡性化工中间体ChemicalIntermediate2009年第11期元素形成配位键,羧基能与金属离子以离子键结合形成较稳定氨基螯合物的性质来合成赖氨酸铜和赖氨酸锌,反应原理见图1.<一oo

6、ccNH,IH2Nj.图1赖氨酸蝥合物的合成Fig.1Synthesisoflysinecomplex1.2试剂和仪器L一赖氨酸盐酸盐(AR,晋州冀荣氨基酸有限公司);氯化铜(AR,上海埃彼化学试剂有限公司);氯化锌(AR,上海埃彼化学试剂有限公司);EDTA(AR,青岛合力兴化玻有限公司);无水乙醇;实验用水为二次蒸馏水;其他试剂均为分析纯.WRS一1B数字显示熔点仪(上海精密科学仪器有限公司);AVATAR360FTIR(美国ThermoNicolet);UV一3010PC紫外可见分光光度计(日本日立有限公司);PerkinElmerTGA一7型热重分析仪.1.3赖氨酸螯合物的合成取一定量

7、的L一赖氨酸盐酸盐溶解在去离子水中,逐滴加人定量的氯化铜/氯化锌溶液,滴加氨水维持体系pH值为8,60水浴中搅拌反应2h后趁热过滤,滤液减压蒸馏后用乙醇反复洗涤抽滤,至滤液与茚三酮不显蓝紫色为止,低温烘干,放入真空干燥器中保存.1.4微量元素螯合率的测定用EDTA标准溶液分别滴定螯合态金属元素和总金属元素的方法来测定螫合率.测定铜时,以PAN为指示剂,滴定终点时溶液由紫红变为黄绿色;测定锌时,以二甲酚橙为指示剂,滴定终点时,溶液由紫红变为亮黄色I”I.螯合率(%)=(螯合态微量元素的含量/微量元素总量1×100%=(CV1/CV21X100%其中,cEDTA标准溶液浓度,mol/L;

8、V1一滴定螯合态微量元素所消耗EDTA溶液的体积,mL;V2一滴定微量元素总量所消耗EDTA溶液的体积,mL;2结果与分析2.1合成工艺条件的选择以螯合率为指标,研究了原料配比,pH值,反应温度及时间对赖氨酸微量元素螯合物合成的影响.2.1.1原料配比对螯合反应的影响为研究螯合反应最佳原料配比,设计按赖氨酸盐酸盐和金属盐酸盐摩尔比从1:1到4:1的对比合成实验,并对产物的螯合率进行了分析,其结果见表1.赖氨酸与金属离子的配位比是影响螯合反应的重要因素.配体的浓度过低则螯合程度不高,不能形成稳定的螯合结构,且螯合物的螯合率也会随之降低;在一定范围内增加配体的量可使与金属离子接触的配体数量增加,提

9、高反应的螯合率;配位比达到一定程度后,螯合率增加不明显,反而造成赖氨酸资源的浪费.从表1数据可知,赖氨酸元金属离子摩尔比为2:1时,产物的螯合率达到最大值,为螯合反应最佳原料配比.2.1.2DH值对螯合反应的影响螯合反应受酸碱条件的影响较大,设计反应体系pH值分别为6,7,8,9的对比合成实验,并对产物的螯合率进行了分析,其结果见表2.在pH较低的酸性条件下,体系中的氢离子将与铜离子竞争赖氨酸提供的供电子基团而影响赖氨酸金属螯合物的合成;而在pH较高的碱性条件下,金属离子则会以氢氧化物的形式沉淀析出,螯合率也会相应降低.因此,根据表2实验结果,选择螯合率取得最大值时的酸碱度,即pH=8为螯合反

10、应体系最佳酸碱条件.2.1.3反应温度对螯合反应的影响温度的变化直接影响反应的速度和螯合的程度,因此,本文设计了不同温度的螯合反应并对比了螯合率,结果见表3.赖氨酸与金属离子的螯合反应为吸热反应,反应体系温度越高对反应越有利,但若反应温度过高,反应时间过短将导致反应不彻底,且温度太第l1期赖氨酸微量元素螯合物的制备方法研究表1原料配比对螯合率的影响Table1Theeffectofrnaterialratioonchelateratio螯合率(1ysCu)/%螯合率(1ysZn)/%72-5568.0484-5683.7892.4690.7685.1084-42高容易破坏赖氨酸及其螯合物;温度

11、过低则反应速度较慢,产率较低.因此结合表3数据,确定60为最佳螯合反应温度.2.1.4反应时间反应时间直接影响到螯合反应是否进行得完全,因此设计不同反应时间的对比实验以确定最佳螯合时问,结果见表4.从表4可以看出,当反应时间增加时,产物的产率也随之升高,在合成时间为2h时,反应已基本完成,再延长时间对产率的影响不大,因此确定最佳螯合反应时间为2h.2.2螯合物的物理性质赖氨酸铜螯合物为蓝色粉末状固体,无异味,极易潮解,易溶于水,难溶于乙醇,丙酮等有机溶剂,室温下稳定存在,经测定,熔点为233.2oC233.9.赖氨酸锌螯合物为白色针状晶体,无异味,不易潮解,易溶于水,难溶于乙醇,丙酮等有机溶剂

12、,室温下稳定存在,经测定,熔点为237.2237.6oC.2.3红外光谱分析用KBr压片法测定赖氨酸,赖氨酸铜和赖氨酸锌在4004000em的红外光谱.赖氨酸与金属离子形成螯合物后,它的一些主要吸收峰同配体相比发生了明显位移,相对强度也有所改变,如图2,3,4所示.从红外光谱看出:赖氨酸螯合物的红外吸收中无一氨基酸的特征吸收峰2125.28em_;赖氨化工中间体ChemicalIntermediate2009年第11期.201918m罢一178.1615.1440003530002500200015001000500Wayel3umbers(cm,图2赖氨酸的红外光谱Fig.2Infrared

13、spectrumoflysinem8昱.1740003530002田0200015001000500Wavenumbers(cm,图4赖氨酸锌的红外光谱Fig.4Infraredspectrumofzinclysinatechelate酸在3166.86cm处的NH键特征吸收峰,在形成赖氨酸铜,赖氨酸锌螯合物后发生了明显位移,分别出现在3264.77cm,3294.22cm处,表明金属离子取代了羧基中的H+与仅一氨基发生了配位;在587.38cm一,536.61cm处出现了CuN,ZnN的伸缩峰l18,也说明一N原子参与了配位;在1595.20cm和1343.67cm出现的吸收峰分别是羧酸根离

14、子的反对称伸缩振动uasCOO一和对称伸缩振动usCOO一,在形成螯合物后均向高波数移动(赖氨酸铜,赖氨酸锌的反对称伸缩振动1JasCOO一和对称伸缩振动usCOO一分别在1664.42cm和1396.00cm一和1629.45em和1511.06cm);在496.23cm,485.61cm处出现了400035003OOO25002000150010005OOWavenumbers(c,图3赖氨酸铜的红外光谱Fig.3Infraredspectrumofcopperlysinatechelate200200300300400Wavelength(nm)图5赖氨酸及赖氨酸锌的紫外吸收光谱Fig.

15、5UVspectrumoflysineandlysinecomplexcu一0,zn一0伸缩振动吸收峰ll9】,这又进一步说明羧基参与了配位.2.4紫外光谱分析分别配制1%.的赖氨酸,赖氨酸铜和赖氨酸锌溶液,在uV一3010PC紫外可见分光光度计上测定其紫外吸收光谱(见图5).从紫外光谱可知:赖氨酸的最大吸收峰位于209.20nm,赖氨酸铜,赖氨酸锌的最大吸收峰分别位于235.43nm,208.00nm,且最大吸收峰高度与赖氨酸相比有明显增高.一般螯合物的生成会使其配位体对光吸收性能发生改变2Ol,由此亦可证明赖氨酸螯合物的生成.2.5热重分析m2eqL80第11期赖氨酸微量元素螯合物的制备方

16、法研究1Iemperdnjre/图6赖氨酸铜的TGDTG曲线Fig.6TG-DTGeHesofcopperlysinatechelate在升温速率2O/rain及N气体流速为40mL/min的条件下,对螯合物进行了热重分析,其TGDTG分析结果见图6,7.由螯合物TGDTG图可以看出,在室温到700范围内,螯合物的热分解分两步进行,首先在80qC124的热分解温度区问,螯合物失去2分子结晶水,由于失水温度较低,可认为是结晶水;在225qC700区间内,TG曲线一直失重,说明螯合物在此温度开始熔化分解,这也与赖氨酸螯合物的熔点相吻合.3结论以有机溶剂沉淀法制备赖氨酸微量元素螯合物的合成工艺,具有

17、反应条件温和,生产设备简单,所得产品螯合率高,质量稳定,所用溶剂可以回收利用等特点,符合绿色化学发展的要求.所合成的赖氨酸微量元素螯合物,除可以用作饲料添加剂外也可以用于食品添加剂或医药保健品,因而具有具有良好的发展前景.参考文献1吴胜华,李吕木.微量元素氨基酸螯合物合成及螫合率测定的研究【JJ_饲料工业,2008,29(16):1112.【2】康小龙,连总强.微量元素氨基酸螯合物生理功能及在反刍动物的应用饲料研究,2008,(12):4649.【3】杨文平,李彩桃.微量元素氨基酸螫合物研究与应用【J】_饲料研究.2009.(05):4244.10080060l_4020OD01OO20034

18、005006007(13BOOTelllperature/36冈7赖氨酸锌的TGDTG曲线Fig.7TGDTGcunesofzinclysinatechelate三董墨望凸【4周建群,罗玉芳,李妍.赖氨酸螯合铜测定方法的研究【JJ_饲料工业,2008,29(1):3637.5FouadMT.Thephysiochemicalroleofchelatedmineralsinmaintainingoptimalbodybiologicalfun(xions.J.App1.Nutr,1976,28(23):5-26.6】WardTL.Organictracemineralexaminedinstar

19、terdietsJ.Feedstuffs,1997,69(21):1315.7李顺心,李群.L一赖氨酸锌螫合物的合成机表征IJ】.应用化工,2007,36(12):1218-1220.8周俊,宋代军.赖氨酸营养研究进展IJJ.饲料lT业,2006,27(8):4850.9胡新,占稳,张婷.微波相合成赖氨酸锌配合物【JI_化学与生物工程,2007,24(10):2527.10DebatoshD,AkshayB,VidyaC.Lysine:IsitworthmoreJ.Cytotechnology.2001.36-332.11】张中霞.日龄,性别,蛋白质沉积和日粮赖氨酸效率对快速生长肉鸡的赖氨酸需

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21、佳条件研究J1.广东微量元素科学,2001,8(12):5457.171钟国清.氨基酸微量元素螯合物的制备方法研究【JJ.饲料工业,化工中间体ChemicalIntermediate2009年第l1期2004.25f01):4749.【18NakamotoK.Infraredandramanspectraofinorganicandcoordinationcompounds【M.4thEd.NewYork:WileySons,TranslatedbyHuangDR,WangRQ,1986,287.,【19中本一雄着.黄德如,汪庆仁译.无机和配位化合物的红外和拉曼光谱ME京:化学工业出版社.19

22、86:208234.20张祥麟.络合物化学M.北京:冶金工业出版社,1979,166168StudyonchelateofL-lysinewithtraceelementLiuFeifeiLiQunYuLan(DepartmentofAppliedChemistry,QingdaoUniversity,Qingdao266071)收稿日期:2009.08.30Abstract:ThehighpurechelateofcopperL-lysinateandzincL-lysinatechelatecompoundweresynthesizedbyorganicsolventwithL-lysin

23、emon0hydrochloride,cupricchlorideandzincchlorideasrawmaterialsinwatermedium.Thesyntheticconditionswereinvestigatedaccordingtothemolarratioofmaterials,pHvalue,reactiontemperatureandtime.Inthemeantime,thepropertiesofthecomplexwerecharacterizedbyaseriesofanalysismethods,suchaschemicalanalysis,infraredspectrum,ultravioletspectrumandthermogravimetricanalysis.Keywords:copperL-lysinatechelate;zincLlysinatechelate;synthesis;characterization朗盛推出新一代凝胶型阳离子交换树脂改进的化学和物理稳定性延长产品使用寿命勒沃库森,2009年10月29日德国特殊化学品集团朗盛公司研发出用于工业水处理的新一代高性能凝胶型阳离子交换树脂.作为多年的研究成果,LewatitMonoPlusS108和LewatitMonoPlusS10