花生粕制备复合氨基酸螯合锌的研究
2019-08-22解成骏李洪潮张文强徐怀春
解成骏，李洪潮，张文强，刘 俊，徐怀春
(文山学院 化学与工程学院， 云南 文山 663009)
微量元素氨基酸金属螯合物有特定的生化特性，其吸收方式、代谢途径、安全性均优于无机微量元素，具有较高的生物学效价，有益于动物的吸收利用。特定的氨基酸金属螯合物是合成动物、人体体液及各种脏器细胞的重要原料，被广泛用于食品、医药、农药、饲料等行业，其前景广阔[1]。
花生粕中蛋白质含量高达48%～50%，氨基酸种类齐全，其中天门冬氨酸、谷氨酸、精氨酸含量分别为4.426%、7.572%、4.919%[2]，以花生粕为原料，制备氨基酸金属螯合物，可综合利用花生粕等富含蛋白质的废弃物，应用前景好。
成人体内锌含量为1.4～3.0 g，广泛分布于人体的各种组织、器官中，对人体的免疫系统、神经系统、代谢系统、生长发育、智力等方面有重要的影响[3-4]。
构成蛋白质的各种氨基酸与各种金属盐形成金属螯合物的能力不同，螯合物稳定性也有差异[5]。本研究在大豆粕制备复合氨基酸螯合铜的基础上[6]，研究花生粕制备复合氨基酸螯合锌，扩展了应用研究，该工艺成熟、简单，条件易控，产率高。
1 材料与方法
1.1 实验材料
花生粕，购自云南昆明农贸市场。
复合氨基酸(98%)(LR 250 g)(ID 242405；No 141819)，北京北纳创联研究院；氯化锌、乙二胺四乙酸二钠、溴化钾等均为分析纯。
瑞士Precisa XA220A电子天平；IRprestige-21傅里叶变换红外光谱仪，日本岛津。
1.2 实验方法
1.2.1 复合氨基酸的制备
取花生粕50.0 g，用200 mL、6 mol/L盐酸恒温90℃回流8 h，热滤，滤液用5.0 g活性炭恒温50℃搅拌10 min，趁热抽滤除杂质、脱色，所得滤液用氢氧化钠调节pH为5～6，浓缩结晶得到复合氨基酸粗品。将氨基酸粗品用50 mL冰乙酸恒温85℃回流50 min，趁热抽滤除盐，滤液用其8倍体积的丙酮结晶、抽滤，再用无水乙醇洗涤晶体2～3次除油脂，干燥，得到较纯复合氨基酸。
1.2.2 复合氨基酸螯合锌的制备
称取一定量自制的复合氨基酸溶解于50 mL水中，再加入一定量氯化锌，滴加3 mol/L醋酸溶液，调节pH到一定值，在一定的螯合温度下充分搅拌反应一定时间后，将滤液冷却到室温，抽滤除去不溶性杂质，滤液加入其8倍体积的甲醇，静置20 min充分结晶，抽滤得到白色结晶，用无水乙醇洗涤2～3次，真空干燥，得到目标产品复合氨基酸螯合锌。
1.2.3 复合氨基酸螯合锌制备工艺探究
选择复合氨基酸标准品，根据其含量计算平均氨基酸的物质的量。将复合氨基酸标准品与氯化锌在一定的物质的量比、螯合温度、螯合时间、体系pH等螯合条件下，改变其中1个因素，固定其余3个因素，制备复合氨基酸螯合锌，以锌的螯合率为衡量标准确定制备复合氨基酸螯合锌的单因素条件，在单因素实验的基础上设计正交实验确定最佳工艺条件。
1.2.4 复合氨基酸、复合氨基酸螯合锌的红外光谱(IR)表征
先用纯溴化钾进行背景扫描，再将压好的压片放到红外光谱仪上进行扫描，分别测定复合氨基酸标准品，制备的复合氨基酸、复合氨基酸螯合锌在4 000～400 cm-1的红外光谱。
1.2.5 EDTA法测定金属锌含量
称取一定量的复合氨基酸螯合锌产品于250 mL锥形瓶中，加入2.0 mL 1 mol/L的硫酸溶液，搅拌溶解，加50 mL蒸馏水，再加入20 mL pH 5.4六亚甲基四胺缓冲溶液和2～3滴二甲酚橙指示剂，用0.021 2 mol/L的EDTA标准溶液滴定至终点，重复3次。按下式计算产品中锌含量。
WZn=CEDTA×VEDTA×65.41/(1 000×m)×100%
式中：WZn为锌含量，%；CEDTA为EDTA标准溶液的浓度，mol/L；VEDTA为滴定消耗EDTA标准溶液的体积，mL；65.41为锌的摩尔质量，g/mol；m为产品试样的质量，g。
2 结果与分析
2.1 单因素实验
2.1.1 复合氨基酸标准品与氯化锌物质的量比对螯合反应的影响
选取复合氨基酸标准品与氯化锌物质的量比按1∶1、2∶1、3∶1、4∶1(总量小于10.0 g)，用醋酸控制螯合体系pH为4，螯合温度60℃，螯合时间1 h，按1.2.2方法制备复合氨基酸螯合锌，考察复合氨基酸标准品与氯化锌物质的量比对螯合反应的影响，结果见表1。
表1 复合氨基酸标准品与氯化锌物质的量比对螯合反应的影响
由表1可知，当复合氨基酸标准品与氯化锌物质的量比为2∶1时，复合氨基酸螯合锌中锌的螯合率最大，为80.23%。
2.1.2 体系pH对螯合反应的影响
选取复合氨基酸标准品与氯化锌的物质的量比2∶1，用醋酸调控螯合体系pH分别为4、5、6、7，控制螯合温度60℃，螯合时间1 h，按1.2.2方法制备复合氨基酸螯合锌，考察体系pH对螯合反应的影响，结果见表2。
表2 体系pH对螯合反应的影响
由表2可知，当螯合体系pH为4时，复合氨基酸螯合锌中锌的螯合率最大，为80.24%。
2.1.3 螯合温度对螯合反应的影响
选取复合氨基酸标准品与氯化锌的物质的量比2∶1，用醋酸调控螯合体系pH为4，控制螯合温度分别为40、50、60、70℃，螯合时间1 h，按1.2.2方法制备复合氨基酸螯合锌，考察螯合温度对螯合反应的影响，结果见表3。
表3 螯合温度对螯合反应的影响
由表3可知，当螯合温度为50℃时，复合氨基酸螯合锌中锌的螯合率最大，为83.46%。
2.1.4 螯合时间对螯合反应的影响
选取复合氨基酸标准品与氯化锌的物质的量比2∶1，用醋酸调控螯合体系pH为4，控制螯合温度为50℃，螯合时间分别为0.5、1.0、1.5、2.0 h，按1.2.2方法制备复合氨基酸螯合锌，考察螯合时间对螯合反应的影响，结果见表4。
表4 螯合时间对螯合反应的影响
由表4可知，当螯合时间为1 h时，复合氨基酸螯合锌中锌的螯合率最大，为80.86%。
2.2 正交实验
在单因素实验的基础上，以复合氨基酸标准品与氯化锌的物质的量比(A)、体系pH(B)、螯合温度(C)、螯合时间(D)为考察因素，以锌的螯合率为指标，进行四因素三水平正交实验，以确定最佳螯合工艺条件，正交实验因素水平见表5，正交实验设计及结果见表6。
表5 正交实验因素水平
表6 正交实验设计及结果
由表6可知，各因素对螯合反应影响的主次顺序为A>C>B>D,即复合氨基酸标准品与氯化锌的物质的量比影响最大，其次是螯合温度，体系pH影响次之，螯合时间影响最小。最优工艺组合为A2B3C1D1，即复合氨基酸标准品与氯化锌的物质的量比2∶1，体系pH 5，螯合温度40℃，螯合时间0.5 h。螯合温度过低，不利于螯合，但温度太高，氨基酸螯合物不稳定；螯合时间太短，螯合率低，螯合时间太长，产物复杂；体系pH太低，不利于螯合，体系pH太高，金属盐水解，不利于螯合；复合氨基酸与氯化锌的物质的量比为2∶1时，原料尽可能用完，不会浪费。
以花生粕为原料制备复合氨基酸，在最佳螯合工艺即螯合温度40℃、螯合时间0.5 h、体系pH 5、复合氨基酸与氯化锌的物质的量比2∶1条件下，制备复合氨基酸螯合锌，测定其IR图谱进行表征，用EDTA法测定复合氨基酸螯合锌中的锌含量，以进一步确定目标。
2.3 IR表征
2.3.1 复合氨基酸的IR图谱
按1.2.4方法测绘的复合氨基酸标准品、自制复合氨基酸的IR图谱以及解成骏等[6]测绘的复合氨基酸IR图谱，见图1。
图1 复合氨基酸标准品(1)、自制复合氨基酸(2)、文献[6](3)的复合氨基酸IR图谱
2.3.2 制备的复合氨基酸和复合氨基酸螯合锌的IR图谱(见图2)
由图2可知，伸缩振动区的复合氨基酸在3 371.57 cm-1处有N—H键的特征吸收峰，而复合氨基酸与锌螯合后N—H键吸收峰出现在3 151.80 cm-1处，螯合物中明显发生了化学反应而产生吸收峰红移，复合氨基酸在2 988.87 cm-1处出现较强的O—H键吸收峰，在3 057.81 cm-1处有C—H键吸收峰。复合氨基酸与锌螯合后无O—H键吸收峰，C—H键吸收峰出现在2 962.86 cm-1处。复合氨基酸中N—H、C—H、O—H键的特征吸收峰比较明显，而复合氨基酸螯合锌的红外光谱中N—H键比较明显、C—H键峰减弱、无O—H键的吸收峰，故判断复合氨基酸已经与锌离子螯合。
图2 自制复合氨基酸(1)、复合氨基酸螯合锌(2)的IR图谱
2.4 复合氨基酸螯合锌中锌含量(见表7)
表7 螯合物中锌含量测定结果
由表7可知，螯合物中锌含量的平均值为29.34%，由于铜离子与锌离子的摩尔质量分别为63.55 g/mol和65.41 g/mol，解成骏等[6]在研究大豆粕制备复合氨基酸螯合铜的研究中，铜含量平均值为29.97%(误差在容量分析范围之内) ，两者相似，产品可信。
由于复合氨基酸的粒径与锌盐有固定的值，因而螯合是固定的，螯合物中的锌含量是固定的[5]，因而测定产品中锌含量，复合氨基酸的含量也就可以算出，从而可对生产进行控制。
3 结 论
以花生粕为原料，通过特定温度下酸水解、活性炭脱色、有机试剂纯化制备复合氨基酸，然后与氯化锌螯合制备复合氨基酸螯合锌，对产品进行IR表征，用EDTA法测定金属锌含量，进一步确定目标产物。在生产实际控制过程中，先对产品进行IR表征，再用EDTA法测定金属锌含量，计算复合氨基酸的含量或用化学法测定氨基酸的含量，实现生产控制。
该工艺易操作、成本低，制得的产品纯度较高，螯合物的结构稳定，分析测试、生产控制简便易行。制备的产品经进一步纯化，可广泛应用于食品、饲料、农药等行业。该方法可供富含蛋白质的原料综合开发参考。
