Ca2+-Lys螯合物的合成與表征

鈣是人體必需的礦物元素之一，它參與生命體的多種生理活動，被譽為“生命之本”[1,2]。缺鈣容易誘發多種疾病，如何合理補鈣已成為醫藥界、營養界和食品界極為關注的熱點課題[3,4]。與傳統的鈣營養強化劑相比，賴氨酸鈣的五元環螯合結構[5]，使其具有水溶性好、吸收率高、毒副作用小、生物利用度高等優點，在補鈣的同時也為機體補充必需氨基酸[6,7]，因而是一種理想的鈣源[8,9]，可用作食品添加劑和營養強化劑，有治療和營養的雙重功效。

作者在此以L-賴氨酸鹽酸鹽(L-Lys)和氫氧化鈣為原料合成了L-賴氨酸鈣螯合物，通過正交實驗研究了螯合物的最佳合成工藝，并通過元素分析、紅外光譜分析、X-射線粉末衍射分析等對其結構進行了表征。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

L-賴氨酸鹽酸鹽，分析純，晉州冀榮氨基酸有限公司；氫氧化鈣，分析純，上海埃彼化學試劑有限公司；EDTA，分析純，青島合力興化玻有限公司；無水乙醇(質量分數為99.7%)；實驗用水為二次蒸餾水；其它試劑均為分析純。

DK-98-1型恒溫水浴鍋、DZ-1A型真空干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；RE-52A型旋轉蒸發器、SHZ-Ⅲ型循環水真空泵，上海亞榮生化儀器廠；JB300-S型數字顯示轉速電動攪拌機、WRS-1B型數字顯示熔點儀，上海精密科學儀器有限公司；AVATAR 360型FTIR，美國 Thermo Nicolet；PE-2400型元素分析儀；Bruker/Axs D8 Advance型X-射線粉末衍射儀。

1.2 L-賴氨酸鈣的合成

準確稱取3.6538 g(0.02 mol)L-賴氨酸鹽酸鹽溶解在20 mL去離子水中，分批加入0.7409 g(0.01 mol)氫氧化鈣，在70℃水浴中攪拌反應2.5 h，趁熱過濾，得無色澄清濾液。將濾液減壓蒸餾直至有白色固體析出；冷卻靜置，有大量白色固體析出；過濾，用無水乙醇反復洗滌濾餅，抽濾，至濾液與茚三酮試劑不顯藍紫色為止；將白色固體低溫烘干后，稱重，得產物3.305 g,產率90.18%。于真空干燥器中保存。

L-賴氨酸鈣螯合物為白色粉末，易溶于水，水溶液呈微弱堿性，不溶于乙醇、丙酮等有機溶劑，m.p.為227.6～227.9℃。

1.3 合成條件正交實驗

以產率為指標，通過L9(33)正交實驗研究原料配比(L-賴氨酸鹽酸鹽與氫氧化鈣的摩爾比，下同)、反應溫度、反應時間對螯合反應的影響，確定最佳螯合工藝條件。

2 結果與討論

2.1 最佳合成條件的確定

采用3因素3水平正交實驗確定最佳合成條件，結果與分析見表1。

表1 正交實驗結果與分析

從表1可知，原料配比、反應溫度、反應時間3個因素對L-賴氨酸鈣螯合物產率影響的主次順序為：原料配比>反應時間>反應溫度。合成螯合物的最佳工藝條件為：n(L-Lys)∶n[Ca(OH)2]=2∶1、反應溫度70℃、反應時間2.5 h。原料配比是影響螯合反應的關鍵因素，若原料配比過低(L-賴氨酸鹽酸鹽用量過少)，所形成螯合物的結構復雜且穩定性較低；若原料配比過高(L-賴氨酸鹽酸鹽用量過多)，則造成L-賴氨酸資源的浪費[10]。

2.2 重現性實驗

重現性是指在不同的實驗室不同分析人員測定結果的精密度。精密度一般用相對標準偏差(RSD)表示：

在最佳工藝條件下進行3次重復實驗，結果見表2。

表2 重復性實驗結果

根據公式及表2數據可得：

標準偏差s={[(90.18-89.61)2+(88.97-89.61)2+(89.68-89.61)2]/2}1/2=0.7798

由此可以表明，正交實驗優化后的合成工藝，條件穩定且具有良好的重現性。

2.3 元素分析和分子組成推測

利用PE-2400型元素分析儀得到螯合物的元素含量。實測值(理論值，%)：C 39.47(39.32)，H 8.70(8.25)，N 15.25(15.29)；通過EDTA絡合滴定法[11]測定了螯合物中鈣離子含量(理論值，%)：Ca 11.72(10.94)。測定結果表明，各元素的含量與帶兩分子結晶水的分子組成非常吻合，由此推測L-賴氨酸鈣螯合物可能的分子組成為Ca[NH2(CH2)4CHNH2COO]2·2H2O。

2.4 紅外光譜分析

用KBr壓片法測定L-賴氨酸和L-賴氨酸鈣在400～4000 cm-1的紅外光譜,如圖1所示。

圖1 L-賴氨酸(a)和L-賴氨酸鈣(b)的紅外光譜

由圖1可知，L-賴氨酸與鈣離子形成螯合物后，其主要吸收峰同配體相比發生了明顯位移，相對強度也有所改變。L-賴氨酸在3166.86 cm-1處的ν(N-H)吸收峰在形成螯合物后移至3449.53 cm-1處；3449.53 cm-1和3189.84 cm-1處分別對應于νas(N-H)和νs(N-H)的伸縮振動吸收峰，表明α-氨基的N原子參與了配位；1567.39 cm-1和1407.77 cm-1處分別是羧酸根反對稱伸縮振動νas(COO-)吸收峰和羧酸根對稱伸縮振動νs(COO-)吸收峰；出現在538.18 cm-1和395.23 cm-1處的新振動吸收峰[12]，說明L-賴氨酸與金屬離子形成了Ca-N和Ca-O鍵，進一步表明了L-賴氨酸鈣的形成；3400 cm-1處的寬吸收峰表明螯合物中有水分子存在。

2.5 X-射線粉末衍射分析

采用高強度Cuκα射線(λ=0.1540562 nm)，掃描速度0.2°·s-1，測定L-賴氨酸和L-賴氨酸鈣的X-射線粉末衍射圖譜，于室溫下收集3°～50°(2θ)衍射數據，結果見圖2。

圖2 L-賴氨酸(a)和L-賴氨酸鈣(b)的X-射線粉末衍射圖譜

從圖2可知，L-賴氨酸與鈣離子螯合后，其X-射線粉末衍射的主要吸收峰位置(2θ)和相對強度(I/I0)均發生了改變。在螯合物中，配體L-賴氨酸在2θ為20.58°和18.10°的主強峰和次強峰消失，而在18.14°和9.03°處分別出現了新的主強峰和次強峰，由此可以表明新螯合物L-賴氨酸鈣的形成。

3 結論

以L-賴氨酸鹽酸鹽和氫氧化鈣為原料合成了L-賴氨酸鈣螯合物。采用正交實驗得到了L-賴氨酸鈣的最佳合成工藝為：n(L-Lys)∶n[Ca(OH)2]=2∶1、反應溫度70℃、反應時間2.5 h，此時螯合物的產率可達90.18%；并通過元素分析、紅外光譜分析、X-射線粉末衍射分析等對產品結構進行了表征，推測出L-賴氨酸鈣螯合物可能的分子組成為Ca[NH2(CH2)4CHNH2COO]2·2H2O。

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