L-α-氨基酸金屬螯合物的制備模型研究

徐懷春，解成駿，劉俊

（文山學(xué)院 化學(xué)與工程學(xué)院，云南 文山 663099）

L-α-氨基酸金屬螯合物的制備模型研究

徐懷春，解成駿，劉俊

（文山學(xué)院 化學(xué)與工程學(xué)院，云南 文山 663099）

建立以L-α-氨基酸和金屬鹽為原料，制備L-α-氨基酸金屬螯合物的研究模型。用L-α-氨基酸與金屬鹽制備L-α-氨基酸金屬螯合物，探究制備適合的物料比 、最佳的pH值、適宜的溫度、最佳的反應(yīng)時(shí)間等，根據(jù)L-α-氨基酸和L-α-氨基酸金屬螯合物的結(jié)構(gòu)特征以及它們理化性質(zhì)的差異，用紅外光譜法來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)物，建立了以L-α-氨基酸和金鹽屬為原料，制備L-α-氨基酸金屬螯合物及IR法表征的研究模型，為復(fù)雜背景條件下制備L-α-氨基酸金屬螯合物提供依據(jù)。

L-α-氨基酸金屬螯合物；制備模型

大豆、花生富含蛋白的植物果實(shí)中含有18種氨基酸，其中賴氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸等8種為必須氨基酸，人體或動(dòng)物體不能合成或合成速度及數(shù)量不能滿足正常生長(zhǎng)需要［1］。L-α-氨基酸金屬螯合物作為金屬微量元素的載體，既有補(bǔ)充微量元素，又有補(bǔ)充氨基酸的作用，而且由于其結(jié)構(gòu)與生物體催化酶具有結(jié)構(gòu)相似性，能排除無(wú)機(jī)鹽陰離子的污染，具有吸收速率快，穩(wěn)定性好，抗干擾，毒性小，生物利用率高的特點(diǎn)，為雙重營(yíng)養(yǎng)素。

由于L-α-氨基酸的特殊結(jié)構(gòu)，可以接納的金屬離子是特定的［2］。通過(guò)人為控制條件，可以獲得L-α-氨基酸金屬螯合物，又由于L-α-氨基酸與L-α-氨基酸金屬螯合物的結(jié)構(gòu)是特定、穩(wěn)定的，因而應(yīng)用IR法對(duì)L-α-氨基酸與L-α-氨基酸金屬螯合物合成的光譜圖特征基團(tuán)峰的變化可以快速表征，為生產(chǎn)控制提供依據(jù)。

傳統(tǒng)生產(chǎn)L-α-氨基酸金屬螯合物的方法是利用富含蛋白的動(dòng)物材料，酸水解得到L-α-氨基酸，再與金屬鹽螯合，這種方法產(chǎn)率低，工藝控制困難，成本高，污染嚴(yán)重，分離純化困難。

研究表明，可以在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下先使蛋白質(zhì)立體空間結(jié)構(gòu)中的縱向聯(lián)接被解離而得直鏈蛋白質(zhì)，恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間加金屬離子，此時(shí)金屬離子可把直鏈蛋白質(zhì)分子中的L-α-氨基酸基團(tuán)拖出而與之螯合成L-α-氨基酸金屬螯合物，L-α-氨基酸與L-α-氨基酸金屬螯合物的結(jié)構(gòu)的特殊性與理化性質(zhì)的差異性等，可應(yīng)用IR法等快速表征所制備的產(chǎn)物，該方法工藝簡(jiǎn)單，制備和檢測(cè)條件易于控制，產(chǎn)率高，可減少設(shè)備投入，降低能耗，無(wú)污染，容易分離純化，縮短了工藝時(shí)間，很多富含蛋白質(zhì)的農(nóng)作物能得到有效利用。

為更好地研究復(fù)雜背景條件下L-α-氨基酸金屬螯合物的制備，先制備出純的L-α-氨基酸金屬螯合物，研制出L-α-氨基酸金屬螯合物的IR圖，便于對(duì)照檢測(cè)。

1　模型設(shè)計(jì)

1.1制備流程設(shè)計(jì)

按圖1所示流程，研究制備的最佳條件。

圖1　制備流程圖

1.2單因素影響試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

1.2.1物料配比對(duì)螯合反應(yīng)的影響

L-α-氨基酸與金屬離子的配位比是影響螯合反應(yīng)的重要因素。配體的濃度過(guò)低則螯合率不高，不能形成穩(wěn)定的螯合結(jié)構(gòu)，不能形成穩(wěn)定的螯合物，且浪費(fèi)金屬鹽；配位比太大則形成多配體螯合物，穩(wěn)定性過(guò)高，微量元素難以被生物體吸收利用，同時(shí)也會(huì)造成氨基酸的浪費(fèi)。故要求螯合反應(yīng)既能達(dá)到一定程度的最小配位比以保證產(chǎn)品質(zhì)量，又要能充分利用L-α-氨基酸。為探究螯合反應(yīng)最佳原料配比，按照 L-α-氨基酸鹽酸鹽和金屬鹽摩爾比從 1∶ 1 到 4∶1對(duì)比合成實(shí)驗(yàn)，并對(duì)產(chǎn)物的量或螯合率進(jìn)行了分析，確定單因素的最佳值，模型見(jiàn)表1。產(chǎn)物的量或螯合程度達(dá)到最大值時(shí)為螯合反應(yīng)體系最佳物料配比。

表1　物料配比對(duì)螯合反應(yīng)的影響設(shè)計(jì)

1.2.2pH值對(duì)螯合反應(yīng)的影響

螯合反應(yīng)受酸堿條件的影響較大，在pH值較低的酸性條件下，由于酸效應(yīng)的影響，體系中的氫離子將與金屬離子競(jìng)爭(zhēng)氨基酸提供的供電子基團(tuán)，L-α-氨基酸難以解離，因而螯合困難；而在pH值較高的堿性條件下，金屬離子則會(huì)發(fā)生水解，以氫氧化物的形式沉淀析出來(lái)。表2的對(duì)比合成實(shí)驗(yàn)（不同的原料，可增減）對(duì)產(chǎn)物的量或螯合程度進(jìn)行了分析，確定單因素的最佳值。產(chǎn)物的量或螯合率達(dá)到最大值時(shí)的pH值為螯合反應(yīng)體系最佳酸堿條件。

表2　pH值對(duì)螯合反應(yīng)的影響

1.2.3反應(yīng)溫度對(duì)螯合反應(yīng)的影響

溫度的變化直接影響反應(yīng)的速度和螯合的程度，L-α-氨基酸與金屬離子螯合反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，因而反應(yīng)溫度越高對(duì)反應(yīng)越有利，但溫度太高容易破壞L-α-氨基酸及其螯合物；溫度過(guò)低則反應(yīng)速度較慢，產(chǎn)率較低。因此，設(shè)計(jì)不同溫度的螯合反應(yīng)見(jiàn)表3（不同的原料，可增減）進(jìn)行分析。產(chǎn)物的量或螯合率達(dá)到最大值時(shí)的反應(yīng)溫度即為螯合反應(yīng)體系的最佳反應(yīng)溫度。

表3　反應(yīng)溫度對(duì)螯合反應(yīng)的影響設(shè)計(jì)

1.2.4反應(yīng)時(shí)間對(duì)螯合反應(yīng)的影響

反應(yīng)時(shí)間直接影響到螯合反應(yīng)是否進(jìn)行得完全，反應(yīng)時(shí)間過(guò)短將導(dǎo)致反應(yīng)不徹底，反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，產(chǎn)物復(fù)雜多變，而且造成浪費(fèi)。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間增加時(shí)，產(chǎn)物的產(chǎn)率也隨之升高，在某一時(shí)間反應(yīng)已基本完成，再延長(zhǎng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響不大，因此可確定最佳螯合反應(yīng)時(shí)間。設(shè)計(jì)不同反應(yīng)時(shí)間情況見(jiàn)表4（不同的原料，可增減）。產(chǎn)物的量或螯合率達(dá)到最大值時(shí)的反應(yīng)時(shí)間為螯合反應(yīng)體系最佳反應(yīng)時(shí)間。

表4　反應(yīng)時(shí)間對(duì)螯合反應(yīng)的影響設(shè)計(jì)

1.2.5其它因素（如，抗氧化劑）對(duì)螯合反應(yīng)的影響

由于有的金屬離子容易被氧化，在反應(yīng)過(guò)程中，需要加入抗氧化劑，可根據(jù)金屬離子選擇（如亞鐵鹽還原鐵粉）。

1.3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用物料配比A（n酸∶nM）、反應(yīng)的PH值B、反應(yīng)溫度C（T/℃）、反應(yīng)時(shí)間D（t/h），進(jìn)行4因素3水平L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，見(jiàn)表5。

表5　L-α-氨基酸金屬螯合物制備的最佳條件設(shè)計(jì)

1.4產(chǎn)品分離純化

根據(jù)原料及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的差異采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行純化。利用某溶劑來(lái)沉降純化產(chǎn)品，控制單一溶劑或復(fù)合溶劑提取，或控制pH值分離純化 ，或低溫結(jié)晶等。

表6　正交試驗(yàn)方案

1.4表征研究

有機(jī)化合物的成鍵能級(jí)差決定了有機(jī)化合物的紫外吸收，共軛體系的能極差決定了有機(jī)化合物的紅外吸收，有機(jī)化合物的極性決定了有機(jī)化合物的色譜性質(zhì)，因而有機(jī)化合物特殊的結(jié)構(gòu)決定了有機(jī)化合物的光譜吸收及色譜性，故可以用L-α-氨基酸特征的UV圖、IR圖以及色譜表征L-α-氨基酸。

根據(jù)L-α-氨基酸與L-α-氨基酸金屬螯合物的結(jié)構(gòu)的特殊性與理化性質(zhì)的差異性等，應(yīng)用IR法、UV法、薄層色譜法等表征所制備的產(chǎn)物。

各種L-α-氨基酸不同就在于R-不同，R-的大小、極性、吸電子、供電子等、NH2-與COO-的相互影響、COO-的吸電子等決定了有機(jī)化合物的各成鍵的能級(jí)差、共軛體系的能級(jí)差、有機(jī)化合物的極性等。

從L-α-氨基酸與金屬鹽螯合形成了L-α-氨基酸金屬螯合物，L-α-氨基酸金屬螯合物形成了特殊的螯合鍵，參見(jiàn)圖2，因而影響了它的共軛體系的能級(jí)差，影響了各種成鍵的能級(jí)差，還影響著有機(jī)物的極性，因而改變了IR光譜圖、UV光譜圖、改變了薄層色性質(zhì)。故比較L-α-氨基酸與某產(chǎn)物的IR光譜圖、UV光譜圖、薄層色譜，可以表征螯合物的形成。

本研究模型主要研究了IR法的表征。

紅外光譜是由于分子的振動(dòng)能級(jí)的躍遷而產(chǎn)生的，當(dāng)物質(zhì)吸收一定波長(zhǎng)的紅外光的能量時(shí)，就發(fā)生振動(dòng)能級(jí)的躍遷。

圖2　L-α-氨基酸轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)-α-氨基酸金屬螯合物

分子的振動(dòng)有伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)兩種類(lèi)型。分子伸縮振動(dòng)是紫外吸收，影響著羧基（COO-）的指成鍵原子沿著鍵軸的伸長(zhǎng)或縮短（鍵長(zhǎng)發(fā)生改變，鍵角不變），而彎曲振動(dòng)是指鍵角改變的振動(dòng)。

一個(gè)化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率υ與化學(xué)鍵的強(qiáng)度κ及振動(dòng)原子的折合質(zhì)量μ有關(guān)，它們的關(guān)系式為：

振動(dòng)頻率與成鍵原子折合質(zhì)量倒數(shù)的平方根成正比，與鍵的力常數(shù)的平方根成反比。上述公式可以看出，吸收頻率隨鍵的強(qiáng)度的增加而增加，力常數(shù)越大即鍵越強(qiáng)，鍵振動(dòng)所需要的能量就越大，振動(dòng)頻率就越高，吸收峰將出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)；相反，吸收峰則出現(xiàn)在低波數(shù)區(qū)。

化學(xué)鍵越強(qiáng)，原子越輕，IR的波數(shù)越高，越往可見(jiàn)光移動(dòng)。 不同化合物中相同化學(xué)鍵或官能團(tuán)的紅外吸收頻率近似一致。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在該模型的指導(dǎo)下，以L-α-精氨酸螯合鈣的合成為例，驗(yàn)證該模型。

2.1制備

2.1.1單因素對(duì)螯合率的影響

物料配比對(duì)螯合率的影響。選取不同L-α-精氨酸與氯化鈣的物質(zhì)的量比，于pH 7.0，60 ℃條件下螯合反應(yīng)3 h。用無(wú)水乙醇沉淀后，測(cè)定反應(yīng)體系中游離鈣含量，并計(jì)算鈣離子螯合率， 結(jié)果見(jiàn)表7。

表7　物料配比對(duì)螯合物的影響

由表7可知，隨著L-α-精氨酸的用量不斷增加，螯合后游離鈣逐漸減少，螯合率逐漸增大。當(dāng)L-α-精氨酸與鈣離子的摩爾比為2∶1時(shí)，鈣離子利用最充分，螯合率最高。若繼續(xù)增加L-α-精氨酸的用量，則難于完全溶解。

pH對(duì)螯合率的影響。按L-α-精氨酸與鈣含量摩爾比為2∶1，分別在不同pH條件下，在70 ℃螯合反應(yīng)3 h。用無(wú)水乙醇沉淀產(chǎn)品后，測(cè)定反應(yīng)體系中游離鈣含量，并計(jì)算鈣離子螯合率，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8　pH對(duì)螯合率的影響

由表8可知，隨著pH的增大，鈣離子的螯合率先增大后減少。當(dāng)pH為7.0時(shí)，鈣離子的螯合率達(dá)到最大值；若繼續(xù)增大pH，螯合環(huán)境引起副反應(yīng)，鈣離子螯合率降低，所以最適pH為7.0。

反應(yīng)溫度對(duì)螯合率的影響。按L-α-精氨酸與鈣含量摩爾比為2∶1，于pH 7.0條件下，在不同溫度下分別螯合3 h。用無(wú)水乙醇產(chǎn)品后，測(cè)定反應(yīng)體系中游離鈣含量，并計(jì)算鈣離子螯合率，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9　反應(yīng)溫度對(duì)螯合率的影響

由表9看出，隨著螯合溫度的增大，鈣離子的螯合率先增大后減小。當(dāng)螯合溫度為70 ℃時(shí)，鈣離子的螯合率達(dá)到最大值；若繼續(xù)提高螯合溫度，會(huì)引起螯合物的降解，導(dǎo)致鈣離子螯合率降低，所以螯合的最佳溫度為70 ℃。

反應(yīng)時(shí)間對(duì)螯合率的影響 按L-α-精氨酸與鈣含量摩爾比為2∶1，于pH 7.0條件下，在70 ℃下分別螯合不同時(shí)間。用無(wú)水乙醇沉淀產(chǎn)品后，測(cè)定反應(yīng)體系中游離鈣含量，并計(jì)算鈣離子螯合率，結(jié)果見(jiàn)表10。

表10　反應(yīng)時(shí)間對(duì)螯合率的影響

由表10看出，隨著螯合時(shí)間的增大，鈣離子的螯合率先增大后減小。當(dāng)螯合時(shí)間為3 h時(shí)，鈣離子的螯合率達(dá)到最大值；若繼續(xù)增加螯合時(shí)間，可能由于攪拌作用引起螯合物的降解，導(dǎo)致鈣離子螯合率降低，所以最適螯合時(shí)間為3 h。

2.1.2正交試驗(yàn)

為了進(jìn)一步確定最佳反應(yīng)條件，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取了反應(yīng)溫度、反應(yīng) pH、氯化鈣與L-α-精氨酸物料配比、反應(yīng)時(shí)間作為反應(yīng)條件。選用L9（34）型正交表進(jìn)行了正交試驗(yàn)。具體結(jié)果見(jiàn)表11、表12。

表11　正交設(shè)計(jì)的因素水平表

表12　正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案及實(shí)施結(jié)果

通過(guò)正交試驗(yàn)， 確定合L-α-精氨酸鈣的最佳工藝條件為：C2B1D1A2，即反應(yīng)溫度為70 ℃，pH為6，反應(yīng)物物料配比為n氯化鈣∶ nL-α-精氨酸=1∶ 1 ，反應(yīng)時(shí)間控制在2 h。

2.2表征研究

用KBr壓片法測(cè)定L-α-精氨酸和產(chǎn)品在400～4000 cm-1的紅外光譜，見(jiàn)表13和圖 3所示。

表13　L-α-精氨酸與產(chǎn)品的紅外光譜特征峰

圖3　L-α-精氨酸與L-α-精氨酸鈣的紅外光譜圖

由圖3及表6知，O-H鍵消失，C-O、N-H等鍵的吸收峰都發(fā)生明顯的變化，這說(shuō)明—COOH和—NH2與Ca2+形成了配位鍵，發(fā)生了螯合反應(yīng)。

3　結(jié)論

通過(guò)研究模型的建立，提供從大豆糟粕或花生糟粕等富含蛋白質(zhì)的材料中制備出各種L-α-氨基酸、各種L-α-氨基酸金屬螯和物的思路，通過(guò)消除背景干擾，可以快速、簡(jiǎn)便、可靠地用IR法表征所得到的產(chǎn)物。該研究模型的建立也可以為受物料、PH值、溫度、時(shí)間等諸要素影響的天然產(chǎn)物的提取、純化以及制備、合成、表征等的研究工作提供參考。

［1］ 寧海龍，李文霞，潘相文，等.大豆氨基酸組分影響蛋白質(zhì)含量的通徑分析［J］.大豆科學(xué)，2002（4）：259-262.

［2］ 朱中煌，李健民，張懋森，等.由陽(yáng)離子半徑估算氨基酸過(guò)渡金屬螯合物的穩(wěn)定常數(shù)［J］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，1983（增）：63-67.

A Study on the Model of Producing L-α- Amino Acid Metal Complexes

XU Huaichun， XIE Chengjun， LIU Jun
（School of Chemistry and Chemical Engineering， Wenshan University， Wenshan Yunnan 663099， China）

The paper studies the model of producing L-α- amino acid metal complexes with L-α- amino acid and metal salt. Material ratio， the optimal pH value， suitable temperature and the optimal reaction time are studied in the production process and the product are tested using infrared spectrometry based on the structural features and differences between their physical and chemical features of L-α- amino acid metal complexes. The study model of producing L-α- amino acid metal complexes and IR representation is made， which provides

for producing the complexes and their representation under the complex condition.

L-α- amino acid metal complexes； producing model

S816.72

A

1674 - 9200（2015）06 - 0044 - 05

（責(zé)任編輯 張鐵）

2015 - 07 - 08

云南省教育廳科研基金項(xiàng)目“從大豆餅或花生餅中制備氨基酸金屬螯合物”（2014Y475）。

徐懷春， 文山學(xué)院化學(xué)與工程學(xué)院教授。