Ca2+-Lys螯合物的合成与表征

钙是人体必需的矿物元素之一，它参与生命体的多种生理活动，被誉为“生命之本”[1,2]。缺钙容易诱发多种疾病，如何合理补钙已成为医药界、营养界和食品界极为关注的热点课题[3,4]。与传统的钙营养强化剂相比，赖氨酸钙的五元环螯合结构[5]，使其具有水溶性好、吸收率高、毒副作用小、生物利用度高等优点，在补钙的同时也为机体补充必需氨基酸[6,7]，因而是一种理想的钙源[8,9]，可用作食品添加剂和营养强化剂，有治疗和营养的双重功效。

作者在此以L-赖氨酸盐酸盐(L-Lys)和氢氧化钙为原料合成了L-赖氨酸钙螯合物，通过正交实验研究了螯合物的最佳合成工艺，并通过元素分析、红外光谱分析、X-射线粉末衍射分析等对其结构进行了表征。

1 实验

1.1 试剂与仪器

L-赖氨酸盐酸盐，分析纯，晋州冀荣氨基酸有限公司；氢氧化钙，分析纯，上海埃彼化学试剂有限公司；EDTA，分析纯，青岛合力兴化玻有限公司；无水乙醇(质量分数为99.7%)；实验用水为二次蒸馏水；其它试剂均为分析纯。

DK-98-1型恒温水浴锅、DZ-1A型真空干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；RE-52A型旋转蒸发器、SHZ-Ⅲ型循环水真空泵，上海亚荣生化仪器厂；JB300-S型数字显示转速电动搅拌机、WRS-1B型数字显示熔点仪，上海精密科学仪器有限公司；AVATAR 360型FTIR，美国 Thermo Nicolet；PE-2400型元素分析仪；Bruker/Axs D8 Advance型X-射线粉末衍射仪。

1.2 L-赖氨酸钙的合成

准确称取3.6538 g(0.02 mol)L-赖氨酸盐酸盐溶解在20 mL去离子水中，分批加入0.7409 g(0.01 mol)氢氧化钙，在70℃水浴中搅拌反应2.5 h，趁热过滤，得无色澄清滤液。将滤液减压蒸馏直至有白色固体析出；冷却静置，有大量白色固体析出；过滤，用无水乙醇反复洗涤滤饼，抽滤，至滤液与茚三酮试剂不显蓝紫色为止；将白色固体低温烘干后，称重，得产物3.305 g,产率90.18%。于真空干燥器中保存。

L-赖氨酸钙螯合物为白色粉末，易溶于水，水溶液呈微弱碱性，不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂，m.p.为227.6～227.9℃。

1.3 合成条件正交实验

以产率为指标，通过L9(33)正交实验研究原料配比(L-赖氨酸盐酸盐与氢氧化钙的摩尔比，下同)、反应温度、反应时间对螯合反应的影响，确定最佳螯合工艺条件。

2 结果与讨论

2.1 最佳合成条件的确定

采用3因素3水平正交实验确定最佳合成条件，结果与分析见表1。

表1 正交实验结果与分析

从表1可知，原料配比、反应温度、反应时间3个因素对L-赖氨酸钙螯合物产率影响的主次顺序为：原料配比>反应时间>反应温度。合成螯合物的最佳工艺条件为：n(L-Lys)∶n[Ca(OH)2]=2∶1、反应温度70℃、反应时间2.5 h。原料配比是影响螯合反应的关键因素，若原料配比过低(L-赖氨酸盐酸盐用量过少)，所形成螯合物的结构复杂且稳定性较低；若原料配比过高(L-赖氨酸盐酸盐用量过多)，则造成L-赖氨酸资源的浪费[10]。

2.2 重现性实验

重现性是指在不同的实验室不同分析人员测定结果的精密度。精密度一般用相对标准偏差(RSD)表示：

在最佳工艺条件下进行3次重复实验，结果见表2。

表2 重复性实验结果

根据公式及表2数据可得：

标准偏差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，正交实验优化后的合成工艺，条件稳定且具有良好的重现性。

2.3 元素分析和分子组成推测

利用PE-2400型元素分析仪得到螯合物的元素含量。实测值(理论值，%)：C 39.47(39.32)，H 8.70(8.25)，N 15.25(15.29)；通过EDTA络合滴定法[11]测定了螯合物中钙离子含量(理论值，%)：Ca 11.72(10.94)。测定结果表明，各元素的含量与带两分子结晶水的分子组成非常吻合，由此推测L-赖氨酸钙螯合物可能的分子组成为Ca[NH2(CH2)4CHNH2COO]2·2H2O。

2.4 红外光谱分析

用KBr压片法测定L-赖氨酸和L-赖氨酸钙在400～4000 cm-1的红外光谱,如图1所示。

图1 L-赖氨酸(a)和L-赖氨酸钙(b)的红外光谱

由图1可知，L-赖氨酸与钙离子形成螯合物后，其主要吸收峰同配体相比发生了明显位移，相对强度也有所改变。L-赖氨酸在3166.86 cm-1处的ν(N-H)吸收峰在形成螯合物后移至3449.53 cm-1处；3449.53 cm-1和3189.84 cm-1处分别对应于νas(N-H)和νs(N-H)的伸缩振动吸收峰，表明α-氨基的N原子参与了配位；1567.39 cm-1和1407.77 cm-1处分别是羧酸根反对称伸缩振动νas(COO-)吸收峰和羧酸根对称伸缩振动νs(COO-)吸收峰；出现在538.18 cm-1和395.23 cm-1处的新振动吸收峰[12]，说明L-赖氨酸与金属离子形成了Ca-N和Ca-O键，进一步表明了L-赖氨酸钙的形成；3400 cm-1处的宽吸收峰表明螯合物中有水分子存在。

2.5 X-射线粉末衍射分析

采用高强度Cuκα射线(λ=0.1540562 nm)，扫描速度0.2°·s-1，测定L-赖氨酸和L-赖氨酸钙的X-射线粉末衍射图谱，于室温下收集3°～50°(2θ)衍射数据，结果见图2。

图2 L-赖氨酸(a)和L-赖氨酸钙(b)的X-射线粉末衍射图谱

从图2可知，L-赖氨酸与钙离子螯合后，其X-射线粉末衍射的主要吸收峰位置(2θ)和相对强度(I/I0)均发生了改变。在螯合物中，配体L-赖氨酸在2θ为20.58°和18.10°的主强峰和次强峰消失，而在18.14°和9.03°处分别出现了新的主强峰和次强峰，由此可以表明新螯合物L-赖氨酸钙的形成。

3 结论

以L-赖氨酸盐酸盐和氢氧化钙为原料合成了L-赖氨酸钙螯合物。采用正交实验得到了L-赖氨酸钙的最佳合成工艺为：n(L-Lys)∶n[Ca(OH)2]=2∶1、反应温度70℃、反应时间2.5 h，此时螯合物的产率可达90.18%；并通过元素分析、红外光谱分析、X-射线粉末衍射分析等对产品结构进行了表征，推测出L-赖氨酸钙螯合物可能的分子组成为Ca[NH2(CH2)4CHNH2COO]2·2H2O。

参考文献：

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