微波固相合成谷氨酸锌的工艺研究

卢 昊 王春维 张 怡 王兆钧

(武汉工业学院动物营养与饲料科学湖北省重点实验室,武汉 430023)

微波固相合成谷氨酸锌的工艺研究

卢 昊 王春维 张 怡 王兆钧

(武汉工业学院动物营养与饲料科学湖北省重点实验室,武汉 430023)

以谷氨酸钠和氧化锌为原料,研究了在固体状态下,通过微波辐射一步快速合成谷氨酸锌,并对其合成工艺条件进行研究。结果表明最佳反应条件为配体物质的量比为 1.2∶1,引发剂量为 12 mL,微波时间为 150 s,微波功率为 500 W,在此条件下合成的谷氨酸锌螯合物的螯合率为 83.02%。同时采用红外光谱对产品结构进行了分析确认,试验结果表明,制得的为谷氨酸锌内络盐,其中谷氨酸质量分数为 63.28%,Zn质量分数为 26.43%,在水溶液中,谷氨酸锌非常稳定;生理条件下,产品溶解性优于 ZnO和 ZnSO4·H2O。

谷氨酸锌 微波 固相合成

锌是动物体内许多酶的组分,参与了氨基酸、核酸等代谢,在改善机体消化机能和食欲,保护动物皮肤和毛发的健康,维护正常的繁殖机能、骨骼的生长、大脑神经系统的生长发育都发挥着重要功能。锌的缺乏会引起动物机体物质代谢紊乱、生长发育受阻;机体免疫功能降低;繁殖机能受到损伤[1]。目前,微量元素添加剂的研究已进入以微量元素氨基酸螯合物为产品的阶段。谷氨酸是动、植物体内必需的营养成分,它进入体内,可以进一步合成其他营养成分。在生产技术上,氨基酸螯合物的制备主要通过液相方法,它存在水解周期长,成本高,废液污染,纯化工艺复杂等缺点。微波辐射可使按电场方向取向的极性分子、离子随电场变化而急剧运动,增加反应物分子的碰撞频率,产生热量,从而提高反应速度和效率[2-3]。大量的研究表明,利用微波辐射进行有机合成,不仅显著提高反应速率,大大缩短反应时间,而且提高产品的质量、回收率,节省耗能[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盐[5],配合反应生成的副产物是易挥发的弱酸,但对于氨基酸锌螯合物的合成,由于醋酸锌价格昂贵,不利于其推广应用。本试验以氧化锌与谷氨酸钠为原料,合成谷氨酸锌螯合物,并探讨了最适反应工艺条件,通过组分分析、红外光谱分析等,对其结构和性状进行了研究。

1 试验材料与方法

1.1 主要试剂与仪器

氧化锌:天津天明化学试剂供应站;谷氨酸钠(食用谷氨酸钠,质量分数 >99%):河南莲花味精股份有限公司。

MAS-I型常压微波辅助合成 /萃取反应仪:上海新仪微波化学科技有限公司;NEXUS 670傅里叶红外光谱仪:美国尼高力仪器公司。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 谷氨酸含量

凯式定氮法 [GB/T5009.5—1985]测定:谷氨酸螯合锌中,只有谷氨酸是唯一的氮源,因此,用凯式定氮法测定谷氨酸的含量,方法简单,结果准确。

1.2.2 Zn+含量:EDTA法滴定[6]

于 100 mL容量瓶中称取产品结晶 250 mg左右,加水 50 mL,加入 6 mol/L HCl数滴,摇匀后水浴加热使之完全溶解,冷却后定容至 100 mL,从中吸取 10 mL于三角瓶,平行 3份,加入 NH3-NH4Cl缓冲液(pH=10)10 mL;铬黑 T指示剂适量;用 0.01 mol/L EDTA滴至呈蓝色;记录消耗 EDTA的体积并计算产物含锌量。

锌含量计算公式为

式中:V1、V0分别为滴定试样和空白组消耗的乙二胺四乙酸二钠的体积 (mL);C为乙二胺四乙酸二钠标准滴定溶液的实际浓度/mol/L;0.065 39为与1.00 mL乙二胺四乙酸钠标准滴定溶液 C(EDTA=1.000 mol/L)相当的以克表示的锌的质量。m:试样的质量 /g。

1.2.3 螯合率

螯合率 =(螯合态锌的质量 /锌元素的总质量)×100%

式中:M0、M1、m分别为原料、产品和取样的质量/g;V为滴定试样和空白组消耗的乙二胺四乙酸二钠的体积/mL;C为乙二胺四乙酸二钠标准滴定溶液的实际浓度/mol/L;65.39为 Zn的分子质量;0.212 8为配位比为 1.2∶1时原料中的 Zn的质量 /g。

1.2.4 螯合物产物鉴定:红外光谱法 (KBr晶体压片法测定)

1.3 主要合成路线

按一定的物质的量比称取谷氨酸钠和氧化锌,微量高速粉碎机粉碎并充分混合,然后准确称取10 g左右混合物于烧杯中,加入适量的引发水分,进行微波催化合成;反应完成后,加适量蒸馏水并调节 pH(pH=6.0),抽滤,滤渣于 105℃下烘干称重得产品[8-9]。

2 结果与分析

2.1 谷氨酸锌螯合反应工艺条件的单因素分析

2.1.1 配合反应条件

微波加热时间 150 s,微波功率 500 W,引发剂量13 mL时,配体物质的量比对螯合率的影响见图 1。

图 1 配体物质的量比对螯合率的影响

由图 1可知,当配体物质的量比为 1.2∶1时,反应螯合率达到 81%左右,继续增加谷氨酸钠的添加量,并没有提高反应的螯合率。不同配体物质的量比对螯合反应有重要影响,配体物质的量比是指配位体与金属离子的物质的量之比。配体物质的量比太小,不能形成稳定的螯合环状结构,螯合物不稳定;配体物质的量比太高,会造成氨基酸过剩,增加了生产成本。研究结果表明,最佳配体物质的量比为 1.2 ∶1。

2.1.2 不同引发剂量对螯合反应的影响

分别采用 9、10、11、12、13、14、15 mL的水作为引发剂,考察引发剂用量对螯合反应的影响。结果表明 (图 2),反应螯合率随引发剂量的增加而提高,引发剂量为 13 mL时达到最大值 (80.11%),即螯合率并没有随水分添加量升高而一直增加。因此,大量的添加水分无助于提高螯合率,反而增加了能量的损耗。

一般物质对微波吸收能力主要是由介电常数和介质损耗角的正切值来决定的。为了更好地吸收微波,引发反应,需要加入微量引发剂来加速反应,且适量的引发剂可以避免产物的焦糊、分解,有利于反应的进行。理论上,引发剂量主要影响初始反应速度,并不影响反应进行的程度[10]。故试验中选用引发剂量为 13 mL为宜。

图 2 引发剂量对螯合率的影响

2.1.3 微波辐射时间对螯合反应的影响

选择配体物质的量比 1.2∶1、微波功率 500 W、引发水剂量 13 mL,考虑微波辐射时间对螯合效果的影响。由图 3可知,在一定的微波功率下,微波辐射时间也是影响螯合率的一个重要因素,随着辐射时间的增加,谷氨酸锌螯合率也随之升高。但是可以看出,过长的辐射时间反而会降低产率,主要是因为辐射时间太长,反应体系温度过高,无法快速散热,导致产物分解的缘故。因此,试验中选用微波辐射时间为 150 s为宜。

图 3 微波辐射时间对螯合率的影响

2.1.4 微波功率对螯合反应的影响

选择配体物质的量比 1.2∶1、微波辐射时间150 s、引发水剂量 13 mL,考虑微波功率对螯合效果的影响 (图 4)。

图 4 微波功率对螯合率的影响

如图 4所示,在一定的辐射时间下,随着微波功率的提高,谷氨酸锌的螯合率随之增加。微波是一种电磁波,具有穿透能力,当进入物料时,物料会吸收微波能并将其转化为热能,同时,微波的场强和功率就不断地衰减,因此,通常提高微波的功率可以加强微波的穿透能力,加速反应的进行。但当微波功率过高时,会导致物料内部温度过高而焦化,发生分解反应。故微波功率选用 500 W。

2.2 谷氨酸锌螯合反应工艺条件的正交分析

根据单因素分析的试验结果,设计了 4因素 3水平正交试验 (表 1),以确定谷氨酸锌螯合的最佳试验条件,结果分析见表 2。

表 1 正交试验因素水平表

表 2 正交试验结果分析

极差分析的各因子变动时的波动情况见图 5。

图 5 因素水平与螯合率的关系图

根据正交试验结果,用 SPSS进行正交分析,得出最佳组合为A2B3C1D2,因素影响顺序为:D>B>C>A,进一步试验,得螯合率为:83.02%。因此,谷氨酸钠与 ZnO的最佳螯合条件为:谷氨酸钠∶ZnO=1.2∶1,微波功率为 500 W,引发剂量为 12 mL,微波时间为 150 s。

2.3 产品分析

2.3.1 组分分析

凯式定氮法测定产品中的 N含量,折算成谷氨酸质量分数为 63.28%,EDTA滴定法测得其中 Zn质量分数为 26.43%。

2.3.2 结构分析

分别称取少量 L-谷氨酸和产品,加入 KBr研磨均匀压片,然后进行红外光谱测定,扫描范围 4 000～400 cm-1,见图 6、图 7。

红外光谱图在 1 614.70 cm-1及 1 560 cm-1有 2个吸收峰,在 1 410.24 cm-1有 1个吸收峰,与羧酸盐-COO-的吸收峰应在 1 610～1 550 cm-1,1 420～1 300 cm-1,基本相符合,所以证明 -COO-与 ZnO反应生成羧酸盐。

在红外光谱图上,3 332.10 cm-1及 3 253.63 cm-1有 2个吸收峰,与伯胺在 3 500～3 300 cm-1有 2个吸收峰基本相符合。

2.3.3 产品性状

产品为白色粉状物,粒度较 ZnO更细,无特殊味道。

2.3.4 吸水性分析:

分别准确称取 1 g ZnO、ZnSO4·H2O、产品置于25℃、相对湿度 90%培养箱中 24 h,称重,比较其吸水性。得出产品的吸水性介于 ZnO和 ZnSO4·H2O之间,属于微溶物。在实际应用中,易于保存。

2.3.5 溶解性分析[11]

分别准确称取 0.1 g左右 ZnO、ZnSO4·H2O、产品,分别置于 10 mL蒸馏水,10 mL 0.4%HCl溶液,10 mL 2%柠檬酸溶液,搅拌数分钟,过滤,称取滤渣质量。溶解率 =(初始质量 -滤渣质量)/初始质量×100%。其结果见表 3。

表 3 溶解性比较结果

由表 3可知,产品在三种溶液中的溶解较 ZnO强,其在动物体内环境能更好吸收。

3 结论

国内外对谷氨酸锌的合成做了大量的研究,在综合国内外文献资料基础上,对谷氨酸锌的合成工艺作了初步研究,确定微波固相合成谷氨酸锌最适反应条件为:配位比 1.2∶1,引发剂量 12 mL,微波时间 150 s,微波功率 500 W。合成的谷氨酸锌中含谷氨酸 63.28%,含锌 26.43%。微波法合成操作简单、耗时少、成本低廉,具有广泛的应用前景。

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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

卢昊,女,1984年出生,硕士,动物营养

王春维,男,1958年出生,教授,硕士生导师,饲料资源的开发与应用