花生粕制備復(fù)合氨基酸螯合鋅的研究

解成駿，李洪潮，張文強(qiáng)，劉 俊，徐懷春

(文山學(xué)院 化學(xué)與工程學(xué)院， 云南 文山 663009)

微量元素氨基酸金屬螯合物有特定的生化特性，其吸收方式、代謝途徑、安全性均優(yōu)于無機(jī)微量元素，具有較高的生物學(xué)效價(jià)，有益于動(dòng)物的吸收利用。特定的氨基酸金屬螯合物是合成動(dòng)物、人體體液及各種臟器細(xì)胞的重要原料，被廣泛用于食品、醫(yī)藥、農(nóng)藥、飼料等行業(yè)，其前景廣闊[1]。

花生粕中蛋白質(zhì)含量高達(dá)48%～50%，氨基酸種類齊全，其中天門冬氨酸、谷氨酸、精氨酸含量分別為4.426%、7.572%、4.919%[2]，以花生粕為原料，制備氨基酸金屬螯合物，可綜合利用花生粕等富含蛋白質(zhì)的廢棄物，應(yīng)用前景好。

成人體內(nèi)鋅含量為1.4～3.0 g，廣泛分布于人體的各種組織、器官中，對(duì)人體的免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、代謝系統(tǒng)、生長(zhǎng)發(fā)育、智力等方面有重要的影響[3-4]。

構(gòu)成蛋白質(zhì)的各種氨基酸與各種金屬鹽形成金屬螯合物的能力不同，螯合物穩(wěn)定性也有差異[5]。本研究在大豆粕制備復(fù)合氨基酸螯合銅的基礎(chǔ)上[6]，研究花生粕制備復(fù)合氨基酸螯合鋅，擴(kuò)展了應(yīng)用研究，該工藝成熟、簡(jiǎn)單，條件易控，產(chǎn)率高。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

花生粕，購(gòu)自云南昆明農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。

復(fù)合氨基酸(98%)(LR 250 g)(ID 242405；No 141819)，北京北納創(chuàng)聯(lián)研究院；氯化鋅、乙二胺四乙酸二鈉、溴化鉀等均為分析純。

瑞士Precisa XA220A電子天平；IRprestige-21傅里葉變換紅外光譜儀，日本島津。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 復(fù)合氨基酸的制備

取花生粕50.0 g，用200 mL、6 mol/L鹽酸恒溫90℃回流8 h，熱濾，濾液用5.0 g活性炭恒溫50℃攪拌10 min，趁熱抽濾除雜質(zhì)、脫色，所得濾液用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH為5～6，濃縮結(jié)晶得到復(fù)合氨基酸粗品。將氨基酸粗品用50 mL冰乙酸恒溫85℃回流50 min，趁熱抽濾除鹽，濾液用其8倍體積的丙酮結(jié)晶、抽濾，再用無水乙醇洗滌晶體2～3次除油脂，干燥，得到較純復(fù)合氨基酸。

1.2.2 復(fù)合氨基酸螯合鋅的制備

稱取一定量自制的復(fù)合氨基酸溶解于50 mL水中，再加入一定量氯化鋅，滴加3 mol/L醋酸溶液，調(diào)節(jié)pH到一定值，在一定的螯合溫度下充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)一定時(shí)間后，將濾液冷卻到室溫，抽濾除去不溶性雜質(zhì)，濾液加入其8倍體積的甲醇，靜置20 min充分結(jié)晶，抽濾得到白色結(jié)晶，用無水乙醇洗滌2～3次，真空干燥，得到目標(biāo)產(chǎn)品復(fù)合氨基酸螯合鋅。

1.2.3 復(fù)合氨基酸螯合鋅制備工藝探究

選擇復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品，根據(jù)其含量計(jì)算平均氨基酸的物質(zhì)的量。將復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品與氯化鋅在一定的物質(zhì)的量比、螯合溫度、螯合時(shí)間、體系pH等螯合條件下，改變其中1個(gè)因素，固定其余3個(gè)因素，制備復(fù)合氨基酸螯合鋅，以鋅的螯合率為衡量標(biāo)準(zhǔn)確定制備復(fù)合氨基酸螯合鋅的單因素條件，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)確定最佳工藝條件。

1.2.4 復(fù)合氨基酸、復(fù)合氨基酸螯合鋅的紅外光譜(IR)表征

先用純溴化鉀進(jìn)行背景掃描，再將壓好的壓片放到紅外光譜儀上進(jìn)行掃描，分別測(cè)定復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品，制備的復(fù)合氨基酸、復(fù)合氨基酸螯合鋅在4 000～400 cm-1的紅外光譜。

1.2.5 EDTA法測(cè)定金屬鋅含量

稱取一定量的復(fù)合氨基酸螯合鋅產(chǎn)品于250 mL錐形瓶中，加入2.0 mL 1 mol/L的硫酸溶液，攪拌溶解，加50 mL蒸餾水，再加入20 mL pH 5.4六亞甲基四胺緩沖溶液和2～3滴二甲酚橙指示劑，用0.021 2 mol/L的EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點(diǎn)，重復(fù)3次。按下式計(jì)算產(chǎn)品中鋅含量。

WZn=CEDTA×VEDTA×65.41/(1 000×m)×100%

式中：WZn為鋅含量，%；CEDTA為EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；VEDTA為滴定消耗EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；65.41為鋅的摩爾質(zhì)量，g/mol；m為產(chǎn)品試樣的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品與氯化鋅物質(zhì)的量比對(duì)螯合反應(yīng)的影響

選取復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品與氯化鋅物質(zhì)的量比按1∶1、2∶1、3∶1、4∶1(總量小于10.0 g)，用醋酸控制螯合體系pH為4，螯合溫度60℃，螯合時(shí)間1 h，按1.2.2方法制備復(fù)合氨基酸螯合鋅，考察復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品與氯化鋅物質(zhì)的量比對(duì)螯合反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。

表1 復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品與氯化鋅物質(zhì)的量比對(duì)螯合反應(yīng)的影響

由表1可知，當(dāng)復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品與氯化鋅物質(zhì)的量比為2∶1時(shí)，復(fù)合氨基酸螯合鋅中鋅的螯合率最大，為80.23%。

2.1.2 體系pH對(duì)螯合反應(yīng)的影響

選取復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品與氯化鋅的物質(zhì)的量比2∶1，用醋酸調(diào)控螯合體系pH分別為4、5、6、7，控制螯合溫度60℃，螯合時(shí)間1 h，按1.2.2方法制備復(fù)合氨基酸螯合鋅，考察體系pH對(duì)螯合反應(yīng)的影響，結(jié)果見表2。

表2 體系pH對(duì)螯合反應(yīng)的影響

由表2可知，當(dāng)螯合體系pH為4時(shí)，復(fù)合氨基酸螯合鋅中鋅的螯合率最大，為80.24%。

2.1.3 螯合溫度對(duì)螯合反應(yīng)的影響

選取復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品與氯化鋅的物質(zhì)的量比2∶1，用醋酸調(diào)控螯合體系pH為4，控制螯合溫度分別為40、50、60、70℃，螯合時(shí)間1 h，按1.2.2方法制備復(fù)合氨基酸螯合鋅，考察螯合溫度對(duì)螯合反應(yīng)的影響，結(jié)果見表3。

表3 螯合溫度對(duì)螯合反應(yīng)的影響

由表3可知，當(dāng)螯合溫度為50℃時(shí)，復(fù)合氨基酸螯合鋅中鋅的螯合率最大，為83.46%。

2.1.4 螯合時(shí)間對(duì)螯合反應(yīng)的影響

選取復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品與氯化鋅的物質(zhì)的量比2∶1，用醋酸調(diào)控螯合體系pH為4，控制螯合溫度為50℃，螯合時(shí)間分別為0.5、1.0、1.5、2.0 h，按1.2.2方法制備復(fù)合氨基酸螯合鋅，考察螯合時(shí)間對(duì)螯合反應(yīng)的影響，結(jié)果見表4。

表4 螯合時(shí)間對(duì)螯合反應(yīng)的影響

由表4可知，當(dāng)螯合時(shí)間為1 h時(shí)，復(fù)合氨基酸螯合鋅中鋅的螯合率最大，為80.86%。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品與氯化鋅的物質(zhì)的量比(A)、體系pH(B)、螯合溫度(C)、螯合時(shí)間(D)為考察因素，以鋅的螯合率為指標(biāo)，進(jìn)行四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，以確定最佳螯合工藝條件，正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表5，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表6。

表5 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表6 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

由表6可知，各因素對(duì)螯合反應(yīng)影響的主次順序?yàn)锳>C>B>D,即復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品與氯化鋅的物質(zhì)的量比影響最大，其次是螯合溫度，體系pH影響次之，螯合時(shí)間影響最小。最優(yōu)工藝組合為A2B3C1D1，即復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品與氯化鋅的物質(zhì)的量比2∶1，體系pH 5，螯合溫度40℃，螯合時(shí)間0.5 h。螯合溫度過低，不利于螯合，但溫度太高，氨基酸螯合物不穩(wěn)定；螯合時(shí)間太短，螯合率低，螯合時(shí)間太長(zhǎng)，產(chǎn)物復(fù)雜；體系pH太低，不利于螯合，體系pH太高，金屬鹽水解，不利于螯合；復(fù)合氨基酸與氯化鋅的物質(zhì)的量比為2∶1時(shí)，原料盡可能用完，不會(huì)浪費(fèi)。

以花生粕為原料制備復(fù)合氨基酸，在最佳螯合工藝即螯合溫度40℃、螯合時(shí)間0.5 h、體系pH 5、復(fù)合氨基酸與氯化鋅的物質(zhì)的量比2∶1條件下，制備復(fù)合氨基酸螯合鋅，測(cè)定其IR圖譜進(jìn)行表征，用EDTA法測(cè)定復(fù)合氨基酸螯合鋅中的鋅含量，以進(jìn)一步確定目標(biāo)。

2.3 IR表征

2.3.1 復(fù)合氨基酸的IR圖譜

按1.2.4方法測(cè)繪的復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品、自制復(fù)合氨基酸的IR圖譜以及解成駿等[6]測(cè)繪的復(fù)合氨基酸IR圖譜，見圖1。

圖1 復(fù)合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品(1)、自制復(fù)合氨基酸(2)、文獻(xiàn)[6](3)的復(fù)合氨基酸IR圖譜

2.3.2 制備的復(fù)合氨基酸和復(fù)合氨基酸螯合鋅的IR圖譜(見圖2)

由圖2可知，伸縮振動(dòng)區(qū)的復(fù)合氨基酸在3 371.57 cm-1處有N—H鍵的特征吸收峰，而復(fù)合氨基酸與鋅螯合后N—H鍵吸收峰出現(xiàn)在3 151.80 cm-1處，螯合物中明顯發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生吸收峰紅移，復(fù)合氨基酸在2 988.87 cm-1處出現(xiàn)較強(qiáng)的O—H鍵吸收峰，在3 057.81 cm-1處有C—H鍵吸收峰。復(fù)合氨基酸與鋅螯合后無O—H鍵吸收峰，C—H鍵吸收峰出現(xiàn)在2 962.86 cm-1處。復(fù)合氨基酸中N—H、C—H、O—H鍵的特征吸收峰比較明顯，而復(fù)合氨基酸螯合鋅的紅外光譜中N—H鍵比較明顯、C—H鍵峰減弱、無O—H鍵的吸收峰，故判斷復(fù)合氨基酸已經(jīng)與鋅離子螯合。

圖2 自制復(fù)合氨基酸(1)、復(fù)合氨基酸螯合鋅(2)的IR圖譜

2.4 復(fù)合氨基酸螯合鋅中鋅含量(見表7)

表7 螯合物中鋅含量測(cè)定結(jié)果

由表7可知，螯合物中鋅含量的平均值為29.34%，由于銅離子與鋅離子的摩爾質(zhì)量分別為63.55 g/mol和65.41 g/mol，解成駿等[6]在研究大豆粕制備復(fù)合氨基酸螯合銅的研究中，銅含量平均值為29.97%(誤差在容量分析范圍之內(nèi)) ，兩者相似，產(chǎn)品可信。

由于復(fù)合氨基酸的粒徑與鋅鹽有固定的值，因而螯合是固定的，螯合物中的鋅含量是固定的[5]，因而測(cè)定產(chǎn)品中鋅含量，復(fù)合氨基酸的含量也就可以算出，從而可對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行控制。

3 結(jié) 論

以花生粕為原料，通過特定溫度下酸水解、活性炭脫色、有機(jī)試劑純化制備復(fù)合氨基酸，然后與氯化鋅螯合制備復(fù)合氨基酸螯合鋅，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行IR表征，用EDTA法測(cè)定金屬鋅含量，進(jìn)一步確定目標(biāo)產(chǎn)物。在生產(chǎn)實(shí)際控制過程中，先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行IR表征，再用EDTA法測(cè)定金屬鋅含量，計(jì)算復(fù)合氨基酸的含量或用化學(xué)法測(cè)定氨基酸的含量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制。

該工藝易操作、成本低，制得的產(chǎn)品純度較高，螯合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，分析測(cè)試、生產(chǎn)控制簡(jiǎn)便易行。制備的產(chǎn)品經(jīng)進(jìn)一步純化，可廣泛應(yīng)用于食品、飼料、農(nóng)藥等行業(yè)。該方法可供富含蛋白質(zhì)的原料綜合開發(fā)參考。