L-α-氨基酸金屬螯合物的制備模型研究

徐懷春，解成駿，劉俊

（文山學院 化學與工程學院，云南 文山 663099）

L-α-氨基酸金屬螯合物的制備模型研究

徐懷春，解成駿，劉俊

（文山學院 化學與工程學院，云南 文山 663099）

建立以L-α-氨基酸和金屬鹽為原料，制備L-α-氨基酸金屬螯合物的研究模型。用L-α-氨基酸與金屬鹽制備L-α-氨基酸金屬螯合物，探究制備適合的物料比 、最佳的pH值、適宜的溫度、最佳的反應時間等，根據L-α-氨基酸和L-α-氨基酸金屬螯合物的結構特征以及它們理化性質的差異，用紅外光譜法來驗證產物，建立了以L-α-氨基酸和金鹽屬為原料，制備L-α-氨基酸金屬螯合物及IR法表征的研究模型，為復雜背景條件下制備L-α-氨基酸金屬螯合物提供依據。

L-α-氨基酸金屬螯合物；制備模型

大豆、花生富含蛋白的植物果實中含有18種氨基酸，其中賴氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸等8種為必須氨基酸，人體或動物體不能合成或合成速度及數量不能滿足正常生長需要［1］。L-α-氨基酸金屬螯合物作為金屬微量元素的載體，既有補充微量元素，又有補充氨基酸的作用，而且由于其結構與生物體催化酶具有結構相似性，能排除無機鹽陰離子的污染，具有吸收速率快，穩定性好，抗干擾，毒性小，生物利用率高的特點，為雙重營養素。

由于L-α-氨基酸的特殊結構，可以接納的金屬離子是特定的［2］。通過人為控制條件，可以獲得L-α-氨基酸金屬螯合物，又由于L-α-氨基酸與L-α-氨基酸金屬螯合物的結構是特定、穩定的，因而應用IR法對L-α-氨基酸與L-α-氨基酸金屬螯合物合成的光譜圖特征基團峰的變化可以快速表征，為生產控制提供依據。

傳統生產L-α-氨基酸金屬螯合物的方法是利用富含蛋白的動物材料，酸水解得到L-α-氨基酸，再與金屬鹽螯合，這種方法產率低，工藝控制困難，成本高，污染嚴重，分離純化困難。

研究表明，可以在適當的工藝條件下先使蛋白質立體空間結構中的縱向聯接被解離而得直鏈蛋白質，恰當的時間加金屬離子，此時金屬離子可把直鏈蛋白質分子中的L-α-氨基酸基團拖出而與之螯合成L-α-氨基酸金屬螯合物，L-α-氨基酸與L-α-氨基酸金屬螯合物的結構的特殊性與理化性質的差異性等，可應用IR法等快速表征所制備的產物，該方法工藝簡單，制備和檢測條件易于控制，產率高，可減少設備投入，降低能耗，無污染，容易分離純化，縮短了工藝時間，很多富含蛋白質的農作物能得到有效利用。

為更好地研究復雜背景條件下L-α-氨基酸金屬螯合物的制備，先制備出純的L-α-氨基酸金屬螯合物，研制出L-α-氨基酸金屬螯合物的IR圖，便于對照檢測。

1　模型設計

1.1制備流程設計

按圖1所示流程，研究制備的最佳條件。

圖1　制備流程圖

1.2單因素影響試驗模型設計

1.2.1物料配比對螯合反應的影響

L-α-氨基酸與金屬離子的配位比是影響螯合反應的重要因素。配體的濃度過低則螯合率不高，不能形成穩定的螯合結構，不能形成穩定的螯合物，且浪費金屬鹽；配位比太大則形成多配體螯合物，穩定性過高，微量元素難以被生物體吸收利用，同時也會造成氨基酸的浪費。故要求螯合反應既能達到一定程度的最小配位比以保證產品質量，又要能充分利用L-α-氨基酸。為探究螯合反應最佳原料配比，按照 L-α-氨基酸鹽酸鹽和金屬鹽摩爾比從 1∶ 1 到 4∶1對比合成實驗，并對產物的量或螯合率進行了分析，確定單因素的最佳值，模型見表1。產物的量或螯合程度達到最大值時為螯合反應體系最佳物料配比。

表1　物料配比對螯合反應的影響設計

1.2.2pH值對螯合反應的影響

螯合反應受酸堿條件的影響較大，在pH值較低的酸性條件下，由于酸效應的影響，體系中的氫離子將與金屬離子競爭氨基酸提供的供電子基團，L-α-氨基酸難以解離，因而螯合困難；而在pH值較高的堿性條件下，金屬離子則會發生水解，以氫氧化物的形式沉淀析出來。表2的對比合成實驗（不同的原料，可增減）對產物的量或螯合程度進行了分析，確定單因素的最佳值。產物的量或螯合率達到最大值時的pH值為螯合反應體系最佳酸堿條件。

表2　pH值對螯合反應的影響

1.2.3反應溫度對螯合反應的影響

溫度的變化直接影響反應的速度和螯合的程度，L-α-氨基酸與金屬離子螯合反應為吸熱反應，因而反應溫度越高對反應越有利，但溫度太高容易破壞L-α-氨基酸及其螯合物；溫度過低則反應速度較慢，產率較低。因此，設計不同溫度的螯合反應見表3（不同的原料，可增減）進行分析。產物的量或螯合率達到最大值時的反應溫度即為螯合反應體系的最佳反應溫度。

表3　反應溫度對螯合反應的影響設計

1.2.4反應時間對螯合反應的影響

反應時間直接影響到螯合反應是否進行得完全，反應時間過短將導致反應不徹底，反應時間過長，產物復雜多變，而且造成浪費。當反應時間增加時，產物的產率也隨之升高，在某一時間反應已基本完成，再延長時間對產率的影響不大，因此可確定最佳螯合反應時間。設計不同反應時間情況見表4（不同的原料，可增減）。產物的量或螯合率達到最大值時的反應時間為螯合反應體系最佳反應時間。

表4　反應時間對螯合反應的影響設計

1.2.5其它因素（如，抗氧化劑）對螯合反應的影響

由于有的金屬離子容易被氧化，在反應過程中，需要加入抗氧化劑，可根據金屬離子選擇（如亞鐵鹽還原鐵粉）。

1.3正交試驗設計

采用物料配比A（n酸∶nM）、反應的PH值B、反應溫度C（T/℃）、反應時間D（t/h），進行4因素3水平L9（34）正交試驗設計，見表5。

表5　L-α-氨基酸金屬螯合物制備的最佳條件設計

1.4產品分離純化

根據原料及產品的結構及理化性質的差異采取適當的方法進行純化。利用某溶劑來沉降純化產品，控制單一溶劑或復合溶劑提取，或控制pH值分離純化 ，或低溫結晶等。

表6　正交試驗方案

1.4表征研究

有機化合物的成鍵能級差決定了有機化合物的紫外吸收，共軛體系的能極差決定了有機化合物的紅外吸收，有機化合物的極性決定了有機化合物的色譜性質，因而有機化合物特殊的結構決定了有機化合物的光譜吸收及色譜性，故可以用L-α-氨基酸特征的UV圖、IR圖以及色譜表征L-α-氨基酸。

根據L-α-氨基酸與L-α-氨基酸金屬螯合物的結構的特殊性與理化性質的差異性等，應用IR法、UV法、薄層色譜法等表征所制備的產物。

各種L-α-氨基酸不同就在于R-不同，R-的大小、極性、吸電子、供電子等、NH2-與COO-的相互影響、COO-的吸電子等決定了有機化合物的各成鍵的能級差、共軛體系的能級差、有機化合物的極性等。

從L-α-氨基酸與金屬鹽螯合形成了L-α-氨基酸金屬螯合物，L-α-氨基酸金屬螯合物形成了特殊的螯合鍵，參見圖2，因而影響了它的共軛體系的能級差，影響了各種成鍵的能級差，還影響著有機物的極性，因而改變了IR光譜圖、UV光譜圖、改變了薄層色性質。故比較L-α-氨基酸與某產物的IR光譜圖、UV光譜圖、薄層色譜，可以表征螯合物的形成。

本研究模型主要研究了IR法的表征。

紅外光譜是由于分子的振動能級的躍遷而產生的，當物質吸收一定波長的紅外光的能量時，就發生振動能級的躍遷。

圖2　L-α-氨基酸轉化為L-α-氨基酸金屬螯合物

分子的振動有伸縮振動和彎曲振動兩種類型。分子伸縮振動是紫外吸收，影響著羧基（COO-）的指成鍵原子沿著鍵軸的伸長或縮短（鍵長發生改變，鍵角不變），而彎曲振動是指鍵角改變的振動。

一個化學鍵的振動頻率υ與化學鍵的強度κ及振動原子的折合質量μ有關，它們的關系式為：

振動頻率與成鍵原子折合質量倒數的平方根成正比，與鍵的力常數的平方根成反比。上述公式可以看出，吸收頻率隨鍵的強度的增加而增加，力常數越大即鍵越強，鍵振動所需要的能量就越大，振動頻率就越高，吸收峰將出現在高波數區；相反，吸收峰則出現在低波數區。

化學鍵越強，原子越輕，IR的波數越高，越往可見光移動。 不同化合物中相同化學鍵或官能團的紅外吸收頻率近似一致。

2　實驗結果

在該模型的指導下，以L-α-精氨酸螯合鈣的合成為例，驗證該模型。

2.1制備

2.1.1單因素對螯合率的影響

物料配比對螯合率的影響。選取不同L-α-精氨酸與氯化鈣的物質的量比，于pH 7.0，60 ℃條件下螯合反應3 h。用無水乙醇沉淀后，測定反應體系中游離鈣含量，并計算鈣離子螯合率， 結果見表7。

表7　物料配比對螯合物的影響

由表7可知，隨著L-α-精氨酸的用量不斷增加，螯合后游離鈣逐漸減少，螯合率逐漸增大。當L-α-精氨酸與鈣離子的摩爾比為2∶1時，鈣離子利用最充分，螯合率最高。若繼續增加L-α-精氨酸的用量，則難于完全溶解。

pH對螯合率的影響。按L-α-精氨酸與鈣含量摩爾比為2∶1，分別在不同pH條件下，在70 ℃螯合反應3 h。用無水乙醇沉淀產品后，測定反應體系中游離鈣含量，并計算鈣離子螯合率，結果見表8。

表8　pH對螯合率的影響

由表8可知，隨著pH的增大，鈣離子的螯合率先增大后減少。當pH為7.0時，鈣離子的螯合率達到最大值；若繼續增大pH，螯合環境引起副反應，鈣離子螯合率降低，所以最適pH為7.0。

反應溫度對螯合率的影響。按L-α-精氨酸與鈣含量摩爾比為2∶1，于pH 7.0條件下，在不同溫度下分別螯合3 h。用無水乙醇產品后，測定反應體系中游離鈣含量，并計算鈣離子螯合率，結果見表9。

表9　反應溫度對螯合率的影響

由表9看出，隨著螯合溫度的增大，鈣離子的螯合率先增大后減小。當螯合溫度為70 ℃時，鈣離子的螯合率達到最大值；若繼續提高螯合溫度，會引起螯合物的降解，導致鈣離子螯合率降低，所以螯合的最佳溫度為70 ℃。

反應時間對螯合率的影響 按L-α-精氨酸與鈣含量摩爾比為2∶1，于pH 7.0條件下，在70 ℃下分別螯合不同時間。用無水乙醇沉淀產品后，測定反應體系中游離鈣含量，并計算鈣離子螯合率，結果見表10。

表10　反應時間對螯合率的影響

由表10看出，隨著螯合時間的增大，鈣離子的螯合率先增大后減小。當螯合時間為3 h時，鈣離子的螯合率達到最大值；若繼續增加螯合時間，可能由于攪拌作用引起螯合物的降解，導致鈣離子螯合率降低，所以最適螯合時間為3 h。

2.1.2正交試驗

為了進一步確定最佳反應條件，在單因素試驗的基礎上選取了反應溫度、反應 pH、氯化鈣與L-α-精氨酸物料配比、反應時間作為反應條件。選用L9（34）型正交表進行了正交試驗。具體結果見表11、表12。

表11　正交設計的因素水平表

表12　正交試驗的設計方案及實施結果

通過正交試驗， 確定合L-α-精氨酸鈣的最佳工藝條件為：C2B1D1A2，即反應溫度為70 ℃，pH為6，反應物物料配比為n氯化鈣∶ nL-α-精氨酸=1∶ 1 ，反應時間控制在2 h。

2.2表征研究

用KBr壓片法測定L-α-精氨酸和產品在400～4000 cm-1的紅外光譜，見表13和圖 3所示。

表13　L-α-精氨酸與產品的紅外光譜特征峰

圖3　L-α-精氨酸與L-α-精氨酸鈣的紅外光譜圖

由圖3及表6知，O-H鍵消失，C-O、N-H等鍵的吸收峰都發生明顯的變化，這說明—COOH和—NH2與Ca2+形成了配位鍵，發生了螯合反應。

3　結論

通過研究模型的建立，提供從大豆糟粕或花生糟粕等富含蛋白質的材料中制備出各種L-α-氨基酸、各種L-α-氨基酸金屬螯和物的思路，通過消除背景干擾，可以快速、簡便、可靠地用IR法表征所得到的產物。該研究模型的建立也可以為受物料、PH值、溫度、時間等諸要素影響的天然產物的提取、純化以及制備、合成、表征等的研究工作提供參考。

［1］ 寧海龍，李文霞，潘相文，等.大豆氨基酸組分影響蛋白質含量的通徑分析［J］.大豆科學，2002（4）：259-262.

［2］ 朱中煌，李健民，張懋森，等.由陽離子半徑估算氨基酸過渡金屬螯合物的穩定常數［J］.中國科學技術大學學報，1983（增）：63-67.

A Study on the Model of Producing L-α- Amino Acid Metal Complexes

XU Huaichun， XIE Chengjun， LIU Jun
（School of Chemistry and Chemical Engineering， Wenshan University， Wenshan Yunnan 663099， China）

The paper studies the model of producing L-α- amino acid metal complexes with L-α- amino acid and metal salt. Material ratio， the optimal pH value， suitable temperature and the optimal reaction time are studied in the production process and the product are tested using infrared spectrometry based on the structural features and differences between their physical and chemical features of L-α- amino acid metal complexes. The study model of producing L-α- amino acid metal complexes and IR representation is made， which provides

for producing the complexes and their representation under the complex condition.

L-α- amino acid metal complexes； producing model

S816.72

A

1674 - 9200（2015）06 - 0044 - 05

（責任編輯 張鐵）

2015 - 07 - 08

云南省教育廳科研基金項目“從大豆餅或花生餅中制備氨基酸金屬螯合物”（2014Y475）。

徐懷春， 文山學院化學與工程學院教授。