盧 昊 王春維 張 怡 王兆鈞

(武漢工業(yè)學(xué)院動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yè)學(xué)院動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430023)

以谷氨酸鈉和氧化鋅為原料,研究了在固體狀態(tài)下,通過(guò)微波輻射一步快速合成谷氨酸鋅,并對(duì)其合成工藝條件進(jìn)行研究。結(jié)果表明最佳反應(yīng)條件為配體物質(zhì)的量比為 1.2∶1,引發(fā)劑量為 12 mL,微波時(shí)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(shí)采用紅外光譜對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析確認(rèn),試驗(yàn)結(jié)果表明,制得的為谷氨酸鋅內(nèi)絡(luò)鹽,其中谷氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 63.28%,Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 26.43%,在水溶液中,谷氨酸鋅非常穩(wěn)定;生理?xiàng)l件下,產(chǎn)品溶解性?xún)?yōu)于 ZnO和 ZnSO4·H2O。

谷氨酸鋅 微波 固相合成

鋅是動(dòng)物體內(nèi)許多酶的組分,參與了氨基酸、核酸等代謝,在改善機(jī)體消化機(jī)能和食欲,保護(hù)動(dòng)物皮膚和毛發(fā)的健康,維護(hù)正常的繁殖機(jī)能、骨骼的生長(zhǎng)、大腦神經(jīng)系統(tǒng)的生長(zhǎng)發(fā)育都發(fā)揮著重要功能。鋅的缺乏會(huì)引起動(dòng)物機(jī)體物質(zhì)代謝紊亂、生長(zhǎng)發(fā)育受阻;機(jī)體免疫功能降低;繁殖機(jī)能受到損傷[1]。目前,微量元素添加劑的研究已進(jìn)入以微量元素氨基酸螯合物為產(chǎn)品的階段。谷氨酸是動(dòng)、植物體內(nèi)必需的營(yíng)養(yǎng)成分,它進(jìn)入體內(nèi),可以進(jìn)一步合成其他營(yíng)養(yǎng)成分。在生產(chǎn)技術(shù)上,氨基酸螯合物的制備主要通過(guò)液相方法,它存在水解周期長(zhǎng),成本高,廢液污染,純化工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。微波輻射可使按電場(chǎng)方向取向的極性分子、離子隨電場(chǎng)變化而急劇運(yùn)動(dòng),增加反應(yīng)物分子的碰撞頻率,產(chǎn)生熱量,從而提高反應(yīng)速度和效率[2-3]。大量的研究表明,利用微波輻射進(jìn)行有機(jī)合成,不僅顯著提高反應(yīng)速率,大大縮短反應(yīng)時(shí)間,而且提高產(chǎn)品的質(zhì)量、回收率,節(jié)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(yīng)生成的副產(chǎn)物是易揮發(fā)的弱酸,但對(duì)于氨基酸鋅螯合物的合成,由于醋酸鋅價(jià)格昂貴,不利于其推廣應(yīng)用。本試驗(yàn)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(yīng)工藝條件,通過(guò)組分分析、紅外光譜分析等,對(duì)其結(jié)構(gòu)和性狀進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 主要試劑與儀器

氧化鋅:天津天明化學(xué)試劑供應(yīng)站;谷氨酸鈉(食用谷氨酸鈉,質(zhì)量分?jǐn)?shù) >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(yīng)儀:上海新儀微波化學(xué)科技有限公司;NEXUS 670傅里葉紅外光譜儀:美國(guó)尼高力儀器公司。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.2.1 谷氨酸含量

凱式定氮法 [GB/T5009.5—1985]測(cè)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(cè)定谷氨酸的含量,方法簡(jiǎn)單,結(jié)果準(zhǔn)確。

1.2.2 Zn+含量:EDTA法滴定[6]

于 100 mL容量瓶中稱(chēng)取產(chǎn)品結(jié)晶 250 mg左右,加水 50 mL,加入 6 mol/L HCl數(shù)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(lán)色;記錄消耗 EDTA的體積并計(jì)算產(chǎn)物含鋅量。

鋅含量計(jì)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(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的實(shí)際濃度/mol/L;0.065 39為與1.00 mL乙二胺四乙酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液 C(EDTA=1.000 mol/L)相當(dāng)?shù)囊钥吮硎镜匿\的質(zhì)量。m:試樣的質(zhì)量 /g。

1.2.3 螯合率

螯合率 =(螯合態(tài)鋅的質(zhì)量 /鋅元素的總質(zhì)量)×100%

式中:M0、M1、m分別為原料、產(chǎn)品和取樣的質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的實(shí)際濃度/mol/L;65.39為 Zn的分子質(zhì)量;0.212 8為配位比為 1.2∶1時(shí)原料中的 Zn的質(zhì)量 /g。

1.2.4 螯合物產(chǎn)物鑒定:紅外光譜法 (KBr晶體壓片法測(cè)定)

1.3 主要合成路線(xiàn)

按一定的物質(zhì)的量比稱(chēng)取谷氨酸鈉和氧化鋅,微量高速粉碎機(jī)粉碎并充分混合,然后準(zhǔn)確稱(chēng)取10 g左右混合物于燒杯中,加入適量的引發(fā)水分,進(jìn)行微波催化合成;反應(yīng)完成后,加適量蒸餾水并調(diào)節(jié) pH(pH=6.0),抽濾,濾渣于 105℃下烘干稱(chēng)重得產(chǎn)品[8-9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 谷氨酸鋅螯合反應(yīng)工藝條件的單因素分析

2.1.1 配合反應(yīng)條件

微波加熱時(shí)間 150 s,微波功率 500 W,引發(fā)劑量13 mL時(shí),配體物質(zhì)的量比對(duì)螯合率的影響見(jiàn)圖 1。

圖 1 配體物質(zhì)的量比對(duì)螯合率的影響

由圖 1可知,當(dāng)配體物質(zhì)的量比為 1.2∶1時(shí),反應(yīng)螯合率達(dá)到 81%左右,繼續(xù)增加谷氨酸鈉的添加量,并沒(méi)有提高反應(yīng)的螯合率。不同配體物質(zhì)的量比對(duì)螯合反應(yīng)有重要影響,配體物質(zhì)的量比是指配位體與金屬離子的物質(zhì)的量之比。配體物質(zhì)的量比太小,不能形成穩(wěn)定的螯合環(huán)狀結(jié)構(gòu),螯合物不穩(wěn)定;配體物質(zhì)的量比太高,會(huì)造成氨基酸過(guò)剩,增加了生產(chǎn)成本。研究結(jié)果表明,最佳配體物質(zhì)的量比為 1.2 ∶1。

2.1.2 不同引發(fā)劑量對(duì)螯合反應(yīng)的影響

分別采用 9、10、11、12、13、14、15 mL的水作為引發(fā)劑,考察引發(fā)劑用量對(duì)螯合反應(yīng)的影響。結(jié)果表明 (圖 2),反應(yīng)螯合率隨引發(fā)劑量的增加而提高,引發(fā)劑量為 13 mL時(shí)達(dá)到最大值 (80.11%),即螯合率并沒(méi)有隨水分添加量升高而一直增加。因此,大量的添加水分無(wú)助于提高螯合率,反而增加了能量的損耗。

一般物質(zhì)對(duì)微波吸收能力主要是由介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角的正切值來(lái)決定的。為了更好地吸收微波,引發(fā)反應(yīng),需要加入微量引發(fā)劑來(lái)加速反應(yīng),且適量的引發(fā)劑可以避免產(chǎn)物的焦糊、分解,有利于反應(yīng)的進(jìn)行。理論上,引發(fā)劑量主要影響初始反應(yīng)速度,并不影響反應(yīng)進(jìn)行的程度[10]。故試驗(yàn)中選用引發(fā)劑量為 13 mL為宜。

圖 2 引發(fā)劑量對(duì)螯合率的影響

2.1.3 微波輻射時(shí)間對(duì)螯合反應(yīng)的影響

選擇配體物質(zhì)的量比 1.2∶1、微波功率 500 W、引發(fā)水劑量 13 mL,考慮微波輻射時(shí)間對(duì)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(shí)間也是影響螯合率的一個(gè)重要因素,隨著輻射時(shí)間的增加,谷氨酸鋅螯合率也隨之升高。但是可以看出,過(guò)長(zhǎng)的輻射時(shí)間反而會(huì)降低產(chǎn)率,主要是因?yàn)檩椛鋾r(shí)間太長(zhǎng),反應(yīng)體系溫度過(guò)高,無(wú)法快速散熱,導(dǎo)致產(chǎn)物分解的緣故。因此,試驗(yàn)中選用微波輻射時(shí)間為 150 s為宜。

圖 3 微波輻射時(shí)間對(duì)螯合率的影響

2.1.4 微波功率對(duì)螯合反應(yīng)的影響

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

圖 4 微波功率對(duì)螯合率的影響

如圖 4所示,在一定的輻射時(shí)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(dāng)進(jìn)入物料時(shí),物料會(huì)吸收微波能并將其轉(zhuǎn)化為熱能,同時(shí),微波的場(chǎng)強(qiáng)和功率就不斷地衰減,因此,通常提高微波的功率可以加強(qiáng)微波的穿透能力,加速反應(yīng)的進(jìn)行。但當(dāng)微波功率過(guò)高時(shí),會(huì)導(dǎo)致物料內(nèi)部溫度過(guò)高而焦化,發(fā)生分解反應(yīng)。故微波功率選用 500 W。

2.2 谷氨酸鋅螯合反應(yīng)工藝條件的正交分析

根據(jù)單因素分析的試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)了 4因素 3水平正交試驗(yàn) (表 1),以確定谷氨酸鋅螯合的最佳試驗(yàn)條件,結(jié)果分析見(jiàn)表 2。

表 1 正交試驗(yàn)因素水平表

表 2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

極差分析的各因子變動(dòng)時(shí)的波動(dòng)情況見(jiàn)圖 5。

圖 5 因素水平與螯合率的關(guān)系圖

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果,用 SPSS進(jìn)行正交分析,得出最佳組合為A2B3C1D2,因素影響順序?yàn)?D>B>C>A,進(jìn)一步試驗(yàn),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(fā)劑量為 12 mL,微波時(shí)間為 150 s。

2.3 產(chǎn)品分析

2.3.1 組分分析

凱式定氮法測(cè)定產(chǎn)品中的 N含量,折算成谷氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 63.28%,EDTA滴定法測(cè)得其中 Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 26.43%。

2.3.2 結(jié)構(gòu)分析

分別稱(chēng)取少量 L-谷氨酸和產(chǎn)品,加入 KBr研磨均勻壓片,然后進(jìn)行紅外光譜測(cè)定,掃描范圍 4 000～400 cm-1,見(jiàn)圖 6、圖 7。

紅外光譜圖在 1 614.70 cm-1及 1 560 cm-1有 2個(gè)吸收峰,在 1 410.24 cm-1有 1個(gè)吸收峰,與羧酸鹽-COO-的吸收峰應(yīng)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(yīng)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(gè)吸收峰,與伯胺在 3 500～3 300 cm-1有 2個(gè)吸收峰基本相符合。

2.3.3 產(chǎn)品性狀

產(chǎn)品為白色粉狀物,粒度較 ZnO更細(xì),無(wú)特殊味道。

2.3.4 吸水性分析:

分別準(zhǔn)確稱(chēng)取 1 g ZnO、ZnSO4·H2O、產(chǎn)品置于25℃、相對(duì)濕度 90%培養(yǎng)箱中 24 h,稱(chēng)重,比較其吸水性。得出產(chǎn)品的吸水性介于 ZnO和 ZnSO4·H2O之間,屬于微溶物。在實(shí)際應(yīng)用中,易于保存。

2.3.5 溶解性分析[11]

分別準(zhǔn)確稱(chēng)取 0.1 g左右 ZnO、ZnSO4·H2O、產(chǎn)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(shù)分鐘,過(guò)濾,稱(chēng)取濾渣質(zhì)量。溶解率 =(初始質(zhì)量 -濾渣質(zhì)量)/初始質(zhì)量×100%。其結(jié)果見(jiàn)表 3。

表 3 溶解性比較結(jié)果

由表 3可知,產(chǎn)品在三種溶液中的溶解較 ZnO強(qiáng),其在動(dòng)物體內(nèi)環(huán)境能更好吸收。

3 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外對(duì)谷氨酸鋅的合成做了大量的研究,在綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)上,對(duì)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(yīng)條件為:配位比 1.2∶1,引發(fā)劑量 12 mL,微波時(shí)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(jiǎn)單、耗時(shí)少、成本低廉,具有廣泛的應(yīng)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(dòng)物營(yíng)養(yǎng)

王春維,男,1958年出生,教授,碩士生導(dǎo)師,飼料資源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用