微波固相合成谷氨酸鋅的工藝研究

盧 昊 王春維 張 怡 王兆鈞

(武漢工業學院動物營養與飼料科學湖北省重點實驗室,武漢 430023)

微波固相合成谷氨酸鋅的工藝研究

盧 昊 王春維 張 怡 王兆鈞

(武漢工業學院動物營養與飼料科學湖北省重點實驗室,武漢 430023)

以谷氨酸鈉和氧化鋅為原料,研究了在固體狀態下,通過微波輻射一步快速合成谷氨酸鋅,并對其合成工藝條件進行研究。結果表明最佳反應條件為配體物質的量比為 1.2∶1,引發劑量為 12 mL,微波時間為 150 s,微波功率為 500 W,在此條件下合成的谷氨酸鋅螯合物的螯合率為 83.02%。同時采用紅外光譜對產品結構進行了分析確認,試驗結果表明,制得的為谷氨酸鋅內絡鹽,其中谷氨酸質量分數為 63.28%,Zn質量分數為 26.43%,在水溶液中,谷氨酸鋅非常穩定;生理條件下,產品溶解性優于 ZnO和 ZnSO4·H2O。

谷氨酸鋅 微波 固相合成

鋅是動物體內許多酶的組分,參與了氨基酸、核酸等代謝,在改善機體消化機能和食欲,保護動物皮膚和毛發的健康,維護正常的繁殖機能、骨骼的生長、大腦神經系統的生長發育都發揮著重要功能。鋅的缺乏會引起動物機體物質代謝紊亂、生長發育受阻;機體免疫功能降低;繁殖機能受到損傷[1]。目前,微量元素添加劑的研究已進入以微量元素氨基酸螯合物為產品的階段。谷氨酸是動、植物體內必需的營養成分,它進入體內,可以進一步合成其他營養成分。在生產技術上,氨基酸螯合物的制備主要通過液相方法,它存在水解周期長,成本高,廢液污染,純化工藝復雜等缺點。微波輻射可使按電場方向取向的極性分子、離子隨電場變化而急劇運動,增加反應物分子的碰撞頻率,產生熱量,從而提高反應速度和效率[2-3]。大量的研究表明,利用微波輻射進行有機合成,不僅顯著提高反應速率,大大縮短反應時間,而且提高產品的質量、回收率,節省耗能[4]。目前,微波固相合成微量元素氨基酸螯合物的原料主要是醋酸鹽[5],配合反應生成的副產物是易揮發的弱酸,但對于氨基酸鋅螯合物的合成,由于醋酸鋅價格昂貴,不利于其推廣應用。本試驗以氧化鋅與谷氨酸鈉為原料,合成谷氨酸鋅螯合物,并探討了最適反應工藝條件,通過組分分析、紅外光譜分析等,對其結構和性狀進行了研究。

1 試驗材料與方法

1.1 主要試劑與儀器

氧化鋅:天津天明化學試劑供應站;谷氨酸鈉(食用谷氨酸鈉,質量分數 >99%):河南蓮花味精股份有限公司。

MAS-I型常壓微波輔助合成 /萃取反應儀:上海新儀微波化學科技有限公司;NEXUS 670傅里葉紅外光譜儀:美國尼高力儀器公司。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 谷氨酸含量

凱式定氮法 [GB/T5009.5—1985]測定:谷氨酸螯合鋅中,只有谷氨酸是唯一的氮源,因此,用凱式定氮法測定谷氨酸的含量,方法簡單,結果準確。

1.2.2 Zn+含量:EDTA法滴定[6]

于 100 mL容量瓶中稱取產品結晶 250 mg左右,加水 50 mL,加入 6 mol/L HCl數滴,搖勻后水浴加熱使之完全溶解,冷卻后定容至 100 mL,從中吸取 10 mL于三角瓶,平行 3份,加入 NH3-NH4Cl緩沖液(pH=10)10 mL;鉻黑 T指示劑適量;用 0.01 mol/L EDTA滴至呈藍色;記錄消耗 EDTA的體積并計算產物含鋅量。

鋅含量計算公式為

式中:V1、V0分別為滴定試樣和空白組消耗的乙二胺四乙酸二鈉的體積 (mL);C為乙二胺四乙酸二鈉標準滴定溶液的實際濃度/mol/L;0.065 39為與1.00 mL乙二胺四乙酸鈉標準滴定溶液 C(EDTA=1.000 mol/L)相當的以克表示的鋅的質量。m:試樣的質量 /g。

1.2.3 螯合率

螯合率 =(螯合態鋅的質量 /鋅元素的總質量)×100%

式中:M0、M1、m分別為原料、產品和取樣的質量/g;V為滴定試樣和空白組消耗的乙二胺四乙酸二鈉的體積/mL;C為乙二胺四乙酸二鈉標準滴定溶液的實際濃度/mol/L;65.39為 Zn的分子質量;0.212 8為配位比為 1.2∶1時原料中的 Zn的質量 /g。

1.2.4 螯合物產物鑒定:紅外光譜法 (KBr晶體壓片法測定)

1.3 主要合成路線

按一定的物質的量比稱取谷氨酸鈉和氧化鋅,微量高速粉碎機粉碎并充分混合,然后準確稱取10 g左右混合物于燒杯中,加入適量的引發水分,進行微波催化合成;反應完成后,加適量蒸餾水并調節 pH(pH=6.0),抽濾,濾渣于 105℃下烘干稱重得產品[8-9]。

2 結果與分析

2.1 谷氨酸鋅螯合反應工藝條件的單因素分析

2.1.1 配合反應條件

微波加熱時間 150 s,微波功率 500 W,引發劑量13 mL時,配體物質的量比對螯合率的影響見圖 1。

圖 1 配體物質的量比對螯合率的影響

由圖 1可知,當配體物質的量比為 1.2∶1時,反應螯合率達到 81%左右,繼續增加谷氨酸鈉的添加量,并沒有提高反應的螯合率。不同配體物質的量比對螯合反應有重要影響,配體物質的量比是指配位體與金屬離子的物質的量之比。配體物質的量比太小,不能形成穩定的螯合環狀結構,螯合物不穩定;配體物質的量比太高,會造成氨基酸過剩,增加了生產成本。研究結果表明,最佳配體物質的量比為 1.2 ∶1。

2.1.2 不同引發劑量對螯合反應的影響

分別采用 9、10、11、12、13、14、15 mL的水作為引發劑,考察引發劑用量對螯合反應的影響。結果表明 (圖 2),反應螯合率隨引發劑量的增加而提高,引發劑量為 13 mL時達到最大值 (80.11%),即螯合率并沒有隨水分添加量升高而一直增加。因此,大量的添加水分無助于提高螯合率,反而增加了能量的損耗。

一般物質對微波吸收能力主要是由介電常數和介質損耗角的正切值來決定的。為了更好地吸收微波,引發反應,需要加入微量引發劑來加速反應,且適量的引發劑可以避免產物的焦糊、分解,有利于反應的進行。理論上,引發劑量主要影響初始反應速度,并不影響反應進行的程度[10]。故試驗中選用引發劑量為 13 mL為宜。

圖 2 引發劑量對螯合率的影響

2.1.3 微波輻射時間對螯合反應的影響

選擇配體物質的量比 1.2∶1、微波功率 500 W、引發水劑量 13 mL,考慮微波輻射時間對螯合效果的影響。由圖 3可知,在一定的微波功率下,微波輻射時間也是影響螯合率的一個重要因素,隨著輻射時間的增加,谷氨酸鋅螯合率也隨之升高。但是可以看出,過長的輻射時間反而會降低產率,主要是因為輻射時間太長,反應體系溫度過高,無法快速散熱,導致產物分解的緣故。因此,試驗中選用微波輻射時間為 150 s為宜。

圖 3 微波輻射時間對螯合率的影響

2.1.4 微波功率對螯合反應的影響

選擇配體物質的量比 1.2∶1、微波輻射時間150 s、引發水劑量 13 mL,考慮微波功率對螯合效果的影響 (圖 4)。

圖 4 微波功率對螯合率的影響

如圖 4所示,在一定的輻射時間下,隨著微波功率的提高,谷氨酸鋅的螯合率隨之增加。微波是一種電磁波,具有穿透能力,當進入物料時,物料會吸收微波能并將其轉化為熱能,同時,微波的場強和功率就不斷地衰減,因此,通常提高微波的功率可以加強微波的穿透能力,加速反應的進行。但當微波功率過高時,會導致物料內部溫度過高而焦化,發生分解反應。故微波功率選用 500 W。

2.2 谷氨酸鋅螯合反應工藝條件的正交分析

根據單因素分析的試驗結果,設計了 4因素 3水平正交試驗 (表 1),以確定谷氨酸鋅螯合的最佳試驗條件,結果分析見表 2。

表 1 正交試驗因素水平表

表 2 正交試驗結果分析

極差分析的各因子變動時的波動情況見圖 5。

圖 5 因素水平與螯合率的關系圖

根據正交試驗結果,用 SPSS進行正交分析,得出最佳組合為A2B3C1D2,因素影響順序為:D>B>C>A,進一步試驗,得螯合率為:83.02%。因此,谷氨酸鈉與 ZnO的最佳螯合條件為:谷氨酸鈉∶ZnO=1.2∶1,微波功率為 500 W,引發劑量為 12 mL,微波時間為 150 s。

2.3 產品分析

2.3.1 組分分析

凱式定氮法測定產品中的 N含量,折算成谷氨酸質量分數為 63.28%,EDTA滴定法測得其中 Zn質量分數為 26.43%。

2.3.2 結構分析

分別稱取少量 L-谷氨酸和產品,加入 KBr研磨均勻壓片,然后進行紅外光譜測定,掃描范圍 4 000～400 cm-1,見圖 6、圖 7。

紅外光譜圖在 1 614.70 cm-1及 1 560 cm-1有 2個吸收峰,在 1 410.24 cm-1有 1個吸收峰,與羧酸鹽-COO-的吸收峰應在 1 610～1 550 cm-1,1 420～1 300 cm-1,基本相符合,所以證明 -COO-與 ZnO反應生成羧酸鹽。

在紅外光譜圖上,3 332.10 cm-1及 3 253.63 cm-1有 2個吸收峰,與伯胺在 3 500～3 300 cm-1有 2個吸收峰基本相符合。

2.3.3 產品性狀

產品為白色粉狀物,粒度較 ZnO更細,無特殊味道。

2.3.4 吸水性分析:

分別準確稱取 1 g ZnO、ZnSO4·H2O、產品置于25℃、相對濕度 90%培養箱中 24 h,稱重,比較其吸水性。得出產品的吸水性介于 ZnO和 ZnSO4·H2O之間,屬于微溶物。在實際應用中,易于保存。

2.3.5 溶解性分析[11]

分別準確稱取 0.1 g左右 ZnO、ZnSO4·H2O、產品,分別置于 10 mL蒸餾水,10 mL 0.4%HCl溶液,10 mL 2%檸檬酸溶液,攪拌數分鐘,過濾,稱取濾渣質量。溶解率 =(初始質量 -濾渣質量)/初始質量×100%。其結果見表 3。

表 3 溶解性比較結果

由表 3可知,產品在三種溶液中的溶解較 ZnO強,其在動物體內環境能更好吸收。

3 結論

國內外對谷氨酸鋅的合成做了大量的研究,在綜合國內外文獻資料基礎上,對谷氨酸鋅的合成工藝作了初步研究,確定微波固相合成谷氨酸鋅最適反應條件為:配位比 1.2∶1,引發劑量 12 mL,微波時間 150 s,微波功率 500 W。合成的谷氨酸鋅中含谷氨酸 63.28%,含鋅 26.43%。微波法合成操作簡單、耗時少、成本低廉,具有廣泛的應用前景。

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Synthesis of Sodium Glutamine by Solid State Reactions underMicrowave Irradiation

Lu hao Wang Chunwei Zhang Yi Wang Zhaojun
(Hubei KeyLaboratory forAnimalNutrition and Feed Science ofWuhan Polytechnic University,Wuhan 430023)

Zinc glutamine was rapidly synthesized from zinc oxide and sodium glutamate in solid state with mi2 crowave irradiation,and the processing condition during the synthesiswas studied.Results show that the optimal re2 action condition ismolar ratio of ligand 1.2∶1,initiator(water)12 mL,microwave irradiation time 150 s,and mi2 crowave power500W.The chelated percent is83.02%at this condition.Additionally,the product structurewas an2 alyzed and identified by IR spectrometry.Results show the product is zinc glutamine,an inner complex salt,contai2 ning glutamic acid 63.28%and Zn 26.43%.Hydrolyzing stability test shows that zinc glutamine has no hydrolyza2 tion in water.The solubility of the product in physiological condition is superior to ZnO and ZnSO4·H2O.

zinc glutamine,microwave,solid state synthesis

TQ262.3

A

1003-0174(2010)02-0121-05

2009-02-24

盧昊,女,1984年出生,碩士,動物營養

王春維,男,1958年出生,教授,碩士生導師,飼料資源的開發與應用