檸檬酸鋅螯合物的合成與應(yīng)用

王美玲，龔玉瓊，鐘國(guó)清

（西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽621010）

科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

檸檬酸鋅螯合物的合成與應(yīng)用

王美玲，龔玉瓊，鐘國(guó)清*

（西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽621010）

檸檬酸鋅螯合物作為新型的食品及飼料添加劑，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、生物利用率高，且對(duì)人體及動(dòng)物無毒副作用，可同時(shí)提供人和動(dòng)物體生長(zhǎng)發(fā)育所需微量元素鋅和代謝所需的檸檬酸。本文介紹了檸檬酸鋅的基本性質(zhì)、合成方法以及在食品、農(nóng)業(yè)及醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用，并對(duì)檸檬酸鋅的應(yīng)用開發(fā)前景進(jìn)行了展望。

微量元素螯合物；檸檬酸鋅；合成

鋅是人和動(dòng)物的必需微量元素，是體內(nèi)多種酶的組成成分或激活劑，缺鋅會(huì)導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生，如小兒生長(zhǎng)停滯、智力障礙、生殖功能下降甚至不孕、食欲不振、免疫功能降低等（Prasad，2013）。檸檬酸是一種三羧酸類化合物，可與二價(jià)、三價(jià)金屬離子進(jìn)行螯合，有較強(qiáng)的螯合能力。檸檬酸鋅廣泛應(yīng)用于飼料、食品、醫(yī)藥和日化等行業(yè)。作為新型的功能性微量元素螯合物，檸檬酸鋅具有吸收速率快、生物利用度高、無毒性、添加量少、無苦澀味等特點(diǎn)，是目前較理想的有機(jī)鋅制劑。相比傳統(tǒng)的單獨(dú)添加無機(jī)微量元素所帶來的金屬元素間的相互拮抗作用、金屬離子的氧化還原對(duì)維生素的破壞作用以及對(duì)資源的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染，檸檬酸鋅螯合物具有效果明確性、有效成分可測(cè)性、生物利用率高、吸收率好和質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)比氨基酸的微量元素螯合物更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

1　檸檬酸鋅的基本性質(zhì)

檸檬酸鋅又名枸櫞酸鋅，化學(xué)名為2-羥基丙烷-l，2，3-三羧酸鋅，中心鋅原子與兩個(gè)檸檬酸的羥基及中間羧基和每個(gè)檸檬酸的一個(gè)末端羧基鍵合，構(gòu)成鋅的八面體結(jié)構(gòu)（李衛(wèi)平等，1995）。檸檬酸鋅的組成為Zn3（C6H5O7）2·nH2O（n=0～4），以2個(gè)或3個(gè)結(jié)晶水形式存在較為常見，熱穩(wěn)定性能好，約在265℃失去結(jié)晶水。含2個(gè)結(jié)晶水的檸檬酸鋅相對(duì)分子質(zhì)量為610.37，含鋅32.13%，白色結(jié)晶或粉末，熔點(diǎn)334℃，無臭無味，溶于水，易溶于稀鹽酸和稀氫氧化鈉，難溶于乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑。檸檬酸鋅中鋅含量可用鉻黑T為指示劑、pH=10的NH3·H2O-NH4Cl緩沖溶液中用EDTA配位滴定法測(cè)定。檸檬酸鋅的小鼠灌胃給藥LD50為（1693±159）mg/kg，是硫酸鋅灌胃給藥LD50的9.7倍（王振發(fā)等，1998）。檸檬酸鋅口服后在消化道內(nèi)緩慢吸收，相對(duì)生物利用度是葡萄糖酸鋅的1.36倍（王振發(fā)等，1997）。檸檬酸鋅是人體母乳中唯一的一種鋅配合物，也存在于前列腺和精液中。檸檬酸鋅在胃酸的作用下，溶解形成檸檬酸和鋅離子，檸檬酸參與三羧酸循環(huán)，在體內(nèi)徹底氧化為二氧化碳和水，部分鋅離子被人體吸收。

2　檸檬酸鋅的合成

檸檬酸鋅傳統(tǒng)制備方法一般用鋅的無機(jī)鹽先與堿作用制得氫氧化鋅，再與檸檬酸反應(yīng)得到檸檬酸鋅（鄭洪江等，1994）。這種工藝方法存在以下問題：氫氧化鋅為無定形膠狀沉淀，過濾、洗滌較難；反應(yīng)產(chǎn)物中容易存在其他雜質(zhì)；反應(yīng)過程繁瑣，產(chǎn)率及產(chǎn)品質(zhì)量難以提高。目前，普遍以氧化鋅為原料合成檸檬酸鋅。例如，將10.5 g（0.05 mol）檸檬酸溶于100 mL蒸餾水，分批加入6.1 g（0.075 moL）氧化鋅，在60～80℃水浴中加熱攪拌反應(yīng)2 h，然后趁熱過濾，濾液減壓濃縮至原體積的1/3，加入10 mL 95%乙醇，室溫下靜置結(jié)晶6 h，過濾、洗滌、真空干燥，得白色粉末狀檸檬酸鋅產(chǎn)品14.8 g，產(chǎn)率96.2%，純度99.6%。張富強(qiáng)（2016）報(bào)道了一種檸檬酸鋅的制備方法，將檸檬酸、氧化鋅、引發(fā)劑、水按物質(zhì)的量比1∶0.5～0.6∶15∶0.02～0.05投入反應(yīng)釜中，在攪拌的同時(shí)加熱至70～80℃，反應(yīng)5～7 h，然后離心分離，干燥箱中烘干，過篩得成品檸檬酸鋅。該工藝產(chǎn)品純度高、呈顆粒狀，分離后易于干燥，得到的產(chǎn)品無需粉碎。姚建飛等（2015）報(bào)道了一種三水合檸檬酸鋅的合成方法，將檸檬酸和去離子水加入反應(yīng)釜，攪拌升溫至55～65℃，加入鋅化合物，再加入催化劑和助劑，攪拌升溫進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)完畢經(jīng)離心、過濾，所得固體依次進(jìn)行水洗、無水乙醇洗滌，最后真空干燥得檸檬酸鋅三水合物。王元達(dá)（2012）將檸檬酸、氧化鋅、水按3∶2∶1的比例混勻，放入溫度40～60℃反應(yīng)釜內(nèi)，反應(yīng)60～70 min，停機(jī)熟化30～40 min，再開機(jī)40～50 min，放出結(jié)晶溫度下的可溶檸檬酸鋅，過濾、烘干，得白色結(jié)晶粉末產(chǎn)品Zn3（C6H5O7）2·3H2O。

程琳娜等（1995）以水為介質(zhì)，將氧化鋅制成比例適宜的乳濁液與一定濃度的檸檬酸溶液反應(yīng)，該工藝簡(jiǎn)短、產(chǎn)率高、無副產(chǎn)物，消除了傳統(tǒng)方法中氫氧化物膠狀沉淀過濾、洗滌及對(duì)副產(chǎn)物的后處理問題。蔣金芝等（1997）也用檸檬酸和氧化鋅為原料合成檸檬酸鋅，最佳工藝條件為：n（檸檬酸）∶n（氧化鋅）=2∶3，60℃反應(yīng)2 h，95%乙醇為結(jié)晶沉淀劑，結(jié)晶6 h，產(chǎn)率96.2%，純度99.6%。高天榮等（1997）用檸檬酸和氧化鋅為原料，在pH＜3水溶液中制得一種可溶性檸檬酸鋅｛2［C6H8O7· H2O］·［（C6H7O7）2Zn·2H2O］｝。尹繼廣（2006）以檸檬酸和堿式碳酸鋅為原料制得檸檬酸鋅，用正交試驗(yàn)探索了物料配比、反應(yīng)時(shí)間和溫度等對(duì)產(chǎn)率的影響，最佳工藝條件是檸檬酸和堿式碳酸鋅的物質(zhì)的量比為1.0∶0.8，60℃反應(yīng)2 h，產(chǎn)率95%，純度99.8%以上。Che等（2005）以Zn（NO3）2· 6H2O、檸檬酸為原料，在乙醇-水（體積比7∶1）體系中控制pH=6，通過水熱合成法在150℃反應(yīng)20 h制得二維的檸檬酸鋅配合物C12H14O16Zn3晶體，該配合物中鋅離子有兩種不同的配位環(huán)境。一種是鋅離子與2個(gè)檸檬酸中的羥基、中間的羧基和一個(gè)末端羧基氧原子配位，形成六配位的八面體構(gòu)型；另一種是鋅離子與3個(gè)檸檬酸中的3個(gè)羧基中的6個(gè)氧原子和1個(gè)配位水分子中的氧原子形成七配位。Li等（2009）以乙酸鋅（0.26 g，1.0 mmoL）、檸檬酸（0.49 g，1.5 mmol）為原料，弱酸性條件下將其溶在15 mL乙醇-水溶劑中，轉(zhuǎn)入30 mL聚四氟乙烯內(nèi)襯反應(yīng)釜，160℃反應(yīng)3 d，得到［Zn3（C6H6O7）（H2O）2］n晶體，產(chǎn)率63%，該配合物含有八面體和四面體兩種配位環(huán)境的鋅原子。

有關(guān)其他形式的檸檬酸鋅配合物的合成的相關(guān)報(bào)道也較多。Deng等（2009）在pH 1.5～3.0水溶液中以Zn（NO3）2·6H2O和檸檬酸反應(yīng)制得［Zn（H2cit）（H2O）］n晶體，該配合物中鋅離子處于六配位的八面體配位環(huán)境。Lin等（2014）以檸檬酸、Zn（NO3）2·6H2O及KOH為原料，于水-乙醇體系中120℃水熱反應(yīng)3 d，合成了一種檸檬酸鋅的配位聚合物｛K［Zn（C6H5O7）（H2O）］｝n，鋅離子為五配位的三角雙錐幾何構(gòu)型，該配合物在272℃失去配位水分子。Kim等（2010）以ZnCl2和檸檬酸為原料，用KOH調(diào)節(jié)溶液pH為7，并加入甲醇合成了配合物K4［Zn（C6H5O7）2］晶體，鋅離子為八面體配位。梅志恒等（2015）報(bào)道了一種檸檬酸鋅銨的制備方法，由水100份、檸檬酸17～18份、氧化鋅10～11份和氨水35～40份制備而成，將水和氧化鋅置于攪拌設(shè)備中分散均勻，加入檸檬酸攪拌至溶液變透明，再加入3/4重量的氨水，并將其加熱沸騰，濃縮，自然冷卻，將剩余的氨水繼續(xù)緩慢加入，得到透明溶液，置于烘箱中烘干，冷卻粉碎后得到檸檬酸鋅銨。

3　檸檬酸鋅的應(yīng)用

3.1食品領(lǐng)域中的應(yīng)用檸檬酸鋅作為食品強(qiáng)化劑，吸收效果優(yōu)于無機(jī)鋅，可用于面粉、奶粉、食鹽、食品、谷類制品、固體及果汁飲料、果茶、保健品等補(bǔ)充強(qiáng)化鋅。作為常見的鋅營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑，檸檬酸鋅的吸收速度快，性能穩(wěn)定，屬實(shí)際無毒物，有生物降解功能，無環(huán)境污染，有抗黏結(jié)劑功能性，特別適用于制造片狀營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化補(bǔ)劑和粉狀混合食品。當(dāng)鐵、鋅同時(shí)嚴(yán)重缺乏時(shí)，選用檸檬酸鋅可避免與鐵起拮抗作用。檸檬酸鋅的含鋅量高，添加量少，使用成本低，適用范圍廣，可用于糖尿病人補(bǔ)鋅，彌補(bǔ)了葡萄糖酸鋅的不足。檸檬酸鋅對(duì)胃刺激小，是人體內(nèi)一種重要的生理活性物質(zhì)，其經(jīng)濟(jì)效益為乳酸鋅的2倍，葡萄糖酸鋅的6倍。利用檸檬酸鋅生產(chǎn)的加鋅鹽無苦澀味，口感好，而葡萄糖酸鋅、乳酸鋅有澀味。李道榮等（2003）報(bào)道，檸檬酸鋅在常溫下與食鹽混合后能穩(wěn)定存在，在烘烤條件及油炸條件下檸檬酸鋅穩(wěn)定，葡萄糖酸鋅150℃開始分解，乳酸鋅190℃開始分解，而檸檬酸鋅280℃仍很穩(wěn)定。

3.2醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用檸檬酸鋅可增強(qiáng)機(jī)體免疫力，促進(jìn)傷口和創(chuàng)傷的愈合，可輔助治療缺鋅引起的兒童生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、反復(fù)呼吸道感染、厭食癥、腸炎、哮喘、皮炎等疾病。檸檬酸鋅可取代氧化鋅、磷酸氫鈣作為牙膏添加劑，添加檸檬酸鋅0.5%～1.0%的牙膏能有效地防治牙齦炎、牙結(jié)石、牙出血和齲齒，并對(duì)牙膏性能有良好的改善作用。王彥朋等（2007）用檸檬酸鋅輔治反復(fù)上呼吸道感染療效顯著，有效率達(dá)96.67%。田曉堂（2009）用檸檬酸鋅片佐治小兒輪狀病毒性腸炎，治療組總有效率達(dá)90.36%。楊志超等（2014）用含檸檬酸鋅的咀嚼片輔助治療變應(yīng)性鼻炎能明顯降低血清特異性IgE水平及過敏程度，療效明顯。鋅具有抗牙色斑的作用。梁玉伏等（2015）用含檸檬酸鋅的0.9%生理鹽水的漱液能安全有效地去除牙齒色斑。Sreenivasan等（2009）報(bào)道了一種含1%檸檬酸鋅的牙膏在臨床抗微生物的功效，該牙膏在14 d內(nèi)可減少厭氧菌和鏈球菌24%～52%，與對(duì)照組有顯著差異（P＜0.05）。此外，Bae等（2007）研究了檸檬酸鋅配合物對(duì)絨癌細(xì)胞系的細(xì)胞毒作用，證實(shí)檸檬酸鋅是惡性細(xì)胞凋亡的誘導(dǎo)因子。Hong等（2012）研究了檸檬酸鋅復(fù)合物對(duì)激素難治性前列腺癌細(xì)胞增殖的影響，結(jié)果顯示檸檬酸鋅能通過激活半胱天冬酶-3途徑誘導(dǎo)DU145細(xì)胞凋亡。

3.3農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用動(dòng)物僅靠在自然食物的攝取中獲得補(bǔ)充鋅是不夠的，需要在飼料中補(bǔ)充添加微量元素鋅。無機(jī)鋅來源廣泛、價(jià)格低廉，但易與飼料中的植酸等抗?fàn)I養(yǎng)因子形成配合物，難以被動(dòng)物吸收而使其生物利用率降低。檸檬酸鋅等有機(jī)鋅在消化道中能穩(wěn)定存在，易于被機(jī)體吸收，可減少礦物質(zhì)排放量及礦物質(zhì)與其他成分間的拮抗作用。此外，施用鋅肥可提高糧食作物鋅含量，從而通過食物達(dá)到補(bǔ)鋅的效果。張慶等（2015）研究了葉面噴施不同形態(tài)鋅化合物對(duì)水稻糙米鋅濃度的影響，用硫酸鋅、檸檬酸鋅、葡萄糖酸鋅和EDTA二鈉鋅處理使糙米鋅濃度可分別增加32%、29%、27%和27%。檸檬酸鋅銨可作為植物中微量元素調(diào)節(jié)劑，具有環(huán)保、無殘留，兼容性好、養(yǎng)分吸收好、原料成本低等優(yōu)點(diǎn)。

4　結(jié)語與展望

微量元素鋅在動(dòng)物體內(nèi)的生物學(xué)功能及其作用機(jī)制已經(jīng)研究得越來越深入，鋅元素也逐漸成為營(yíng)養(yǎng)學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一，低毒高效鋅補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)劑的研制與開發(fā)是微量元素鋅營(yíng)養(yǎng)劑研究的方向。檸檬酸鋅生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、無刺激性、吸收率高、安全可靠，作為食品添加劑、飼料添加劑，在食品工業(yè)、飼料工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域中的應(yīng)用廣泛。合成檸檬酸鋅的工藝方法較多，以氧化鋅或堿式碳酸鋅為原料具有更大的優(yōu)勢(shì)。目前，微波加熱技術(shù)以及室溫固相反應(yīng)已在合成反應(yīng)中廣泛應(yīng)用，具有節(jié)能、環(huán)保、反應(yīng)速率快、產(chǎn)率高、符合清潔生產(chǎn)要求等特點(diǎn)，采用微波加熱固相反應(yīng)合成檸檬酸鋅有助于提高經(jīng)濟(jì)效益，有潛在的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。

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Zinc citrate chelate as a new-type food and feed additive，which has stable chemical properties，high biological absorption and utilization rate，non-toxic side effects for human and animal.It can provide the necessary trace element zinc and citric acid required for metabolism of both human and animal.In this paper，the basic properties and synthetic technology methods of zinc citrate were presented，and its applications in food，agriculture and medicine fields were also introduced.The application and development prospect of zinc citrate was prospected.

trace element chelate；zinc citrate；synthesis

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20161604

S816.7

A

1004-3314（2016）16-0014-04

四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510619041）