Ca2+-Lys螯合物的合成與表征

鈣是人體必需的礦物元素之一，它參與生命體的多種生理活動(dòng)，被譽(yù)為“生命之本”[1,2]。缺鈣容易誘發(fā)多種疾病，如何合理補(bǔ)鈣已成為醫(yī)藥界、營(yíng)養(yǎng)界和食品界極為關(guān)注的熱點(diǎn)課題[3,4]。與傳統(tǒng)的鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑相比，賴(lài)氨酸鈣的五元環(huán)螯合結(jié)構(gòu)[5]，使其具有水溶性好、吸收率高、毒副作用小、生物利用度高等優(yōu)點(diǎn)，在補(bǔ)鈣的同時(shí)也為機(jī)體補(bǔ)充必需氨基酸[6,7]，因而是一種理想的鈣源[8,9]，可用作食品添加劑和營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑，有治療和營(yíng)養(yǎng)的雙重功效。

作者在此以L(fǎng)-賴(lài)氨酸鹽酸鹽(L-Lys)和氫氧化鈣為原料合成了L-賴(lài)氨酸鈣螯合物，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)研究了螯合物的最佳合成工藝，并通過(guò)元素分析、紅外光譜分析、X-射線(xiàn)粉末衍射分析等對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

L-賴(lài)氨酸鹽酸鹽，分析純，晉州冀榮氨基酸有限公司；氫氧化鈣，分析純，上海埃彼化學(xué)試劑有限公司；EDTA，分析純，青島合力興化玻有限公司；無(wú)水乙醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%)；實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水；其它試劑均為分析純。

DK-98-1型恒溫水浴鍋、DZ-1A型真空干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵，上海亞榮生化儀器廠；JB300-S型數(shù)字顯示轉(zhuǎn)速電動(dòng)攪拌機(jī)、WRS-1B型數(shù)字顯示熔點(diǎn)儀，上海精密科學(xué)儀器有限公司；AVATAR 360型FTIR，美國(guó) Thermo Nicolet；PE-2400型元素分析儀；Bruker/Axs D8 Advance型X-射線(xiàn)粉末衍射儀。

1.2 L-賴(lài)氨酸鈣的合成

準(zhǔn)確稱(chēng)取3.6538 g(0.02 mol)L-賴(lài)氨酸鹽酸鹽溶解在20 mL去離子水中，分批加入0.7409 g(0.01 mol)氫氧化鈣，在70℃水浴中攪拌反應(yīng)2.5 h，趁熱過(guò)濾，得無(wú)色澄清濾液。將濾液減壓蒸餾直至有白色固體析出；冷卻靜置，有大量白色固體析出；過(guò)濾，用無(wú)水乙醇反復(fù)洗滌濾餅，抽濾，至濾液與茚三酮試劑不顯藍(lán)紫色為止；將白色固體低溫烘干后，稱(chēng)重，得產(chǎn)物3.305 g,產(chǎn)率90.18%。于真空干燥器中保存。

L-賴(lài)氨酸鈣螯合物為白色粉末，易溶于水，水溶液呈微弱堿性，不溶于乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑，m.p.為227.6～227.9℃。

1.3 合成條件正交實(shí)驗(yàn)

以產(chǎn)率為指標(biāo)，通過(guò)L9(33)正交實(shí)驗(yàn)研究原料配比(L-賴(lài)氨酸鹽酸鹽與氫氧化鈣的摩爾比，下同)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)螯合反應(yīng)的影響，確定最佳螯合工藝條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳合成條件的確定

采用3因素3水平正交實(shí)驗(yàn)確定最佳合成條件，結(jié)果與分析見(jiàn)表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從表1可知，原料配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間3個(gè)因素對(duì)L-賴(lài)氨酸鈣螯合物產(chǎn)率影響的主次順序?yàn)椋涸吓浔?反應(yīng)時(shí)間>反應(yīng)溫度。合成螯合物的最佳工藝條件為：n(L-Lys)∶n[Ca(OH)2]=2∶1、反應(yīng)溫度70℃、反應(yīng)時(shí)間2.5 h。原料配比是影響螯合反應(yīng)的關(guān)鍵因素，若原料配比過(guò)低(L-賴(lài)氨酸鹽酸鹽用量過(guò)少)，所形成螯合物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且穩(wěn)定性較低；若原料配比過(guò)高(L-賴(lài)氨酸鹽酸鹽用量過(guò)多)，則造成L-賴(lài)氨酸資源的浪費(fèi)[10]。

2.2 重現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)

重現(xiàn)性是指在不同的實(shí)驗(yàn)室不同分析人員測(cè)定結(jié)果的精密度。精密度一般用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)表示：

在最佳工藝條件下進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)公式及表2數(shù)據(jù)可得：

標(biāo)準(zhǔn)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，正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后的合成工藝，條件穩(wěn)定且具有良好的重現(xiàn)性。

2.3 元素分析和分子組成推測(cè)

利用PE-2400型元素分析儀得到螯合物的元素含量。實(shí)測(cè)值(理論值，%)：C 39.47(39.32)，H 8.70(8.25)，N 15.25(15.29)；通過(guò)EDTA絡(luò)合滴定法[11]測(cè)定了螯合物中鈣離子含量(理論值，%)：Ca 11.72(10.94)。測(cè)定結(jié)果表明，各元素的含量與帶兩分子結(jié)晶水的分子組成非常吻合，由此推測(cè)L-賴(lài)氨酸鈣螯合物可能的分子組成為Ca[NH2(CH2)4CHNH2COO]2·2H2O。

2.4 紅外光譜分析

用KBr壓片法測(cè)定L-賴(lài)氨酸和L-賴(lài)氨酸鈣在400～4000 cm-1的紅外光譜,如圖1所示。

圖1 L-賴(lài)氨酸(a)和L-賴(lài)氨酸鈣(b)的紅外光譜

由圖1可知，L-賴(lài)氨酸與鈣離子形成螯合物后，其主要吸收峰同配體相比發(fā)生了明顯位移，相對(duì)強(qiáng)度也有所改變。L-賴(lài)氨酸在3166.86 cm-1處的ν(N-H)吸收峰在形成螯合物后移至3449.53 cm-1處；3449.53 cm-1和3189.84 cm-1處分別對(duì)應(yīng)于νas(N-H)和νs(N-H)的伸縮振動(dòng)吸收峰，表明α-氨基的N原子參與了配位；1567.39 cm-1和1407.77 cm-1處分別是羧酸根反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)νas(COO-)吸收峰和羧酸根對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)νs(COO-)吸收峰；出現(xiàn)在538.18 cm-1和395.23 cm-1處的新振動(dòng)吸收峰[12]，說(shuō)明L-賴(lài)氨酸與金屬離子形成了Ca-N和Ca-O鍵，進(jìn)一步表明了L-賴(lài)氨酸鈣的形成；3400 cm-1處的寬吸收峰表明螯合物中有水分子存在。

2.5 X-射線(xiàn)粉末衍射分析

采用高強(qiáng)度Cuκα射線(xiàn)(λ=0.1540562 nm)，掃描速度0.2°·s-1，測(cè)定L-賴(lài)氨酸和L-賴(lài)氨酸鈣的X-射線(xiàn)粉末衍射圖譜，于室溫下收集3°～50°(2θ)衍射數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 L-賴(lài)氨酸(a)和L-賴(lài)氨酸鈣(b)的X-射線(xiàn)粉末衍射圖譜

從圖2可知，L-賴(lài)氨酸與鈣離子螯合后，其X-射線(xiàn)粉末衍射的主要吸收峰位置(2θ)和相對(duì)強(qiáng)度(I/I0)均發(fā)生了改變。在螯合物中，配體L-賴(lài)氨酸在2θ為20.58°和18.10°的主強(qiáng)峰和次強(qiáng)峰消失，而在18.14°和9.03°處分別出現(xiàn)了新的主強(qiáng)峰和次強(qiáng)峰，由此可以表明新螯合物L(fēng)-賴(lài)氨酸鈣的形成。

3 結(jié)論

以L(fǎng)-賴(lài)氨酸鹽酸鹽和氫氧化鈣為原料合成了L-賴(lài)氨酸鈣螯合物。采用正交實(shí)驗(yàn)得到了L-賴(lài)氨酸鈣的最佳合成工藝為：n(L-Lys)∶n[Ca(OH)2]=2∶1、反應(yīng)溫度70℃、反應(yīng)時(shí)間2.5 h，此時(shí)螯合物的產(chǎn)率可達(dá)90.18%；并通過(guò)元素分析、紅外光譜分析、X-射線(xiàn)粉末衍射分析等對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，推測(cè)出L-賴(lài)氨酸鈣螯合物可能的分子組成為Ca[NH2(CH2)4CHNH2COO]2·2H2O。

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