甘氨酸錳的合成及工藝優(yōu)化

王秀茹，宋秋月，李前鋒，馮輝，徐志偉

（河北東華冀衡化工有限公司， 河北 衡水 053500）

錳作為人和動(dòng)物體必需的微量元素之一，在生命體中參與多種生物化學(xué)過程。錳可激活大量的酶，是碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)和膽固醇代謝中作為酶活化因子或組成部分。生物體錳缺乏時(shí)可引起骨骼發(fā)育異常，繁殖功能不正常等異常情況[1,2]。錳在動(dòng)物體內(nèi)有重要的營養(yǎng)作用，但無機(jī)錳被動(dòng)物利用的效率很低[3,4]。有文獻(xiàn)[5,6]表明氨基酸絡(luò)合錳較無機(jī)錳(硫酸錳等)能更好地增加肉仔雞體內(nèi)蛋白合成及膽固醇的代謝，且化學(xué)穩(wěn)定性好，利于生物體吸收，因而有機(jī)錳可以作為制備錳源飼料的有效途徑。

本實(shí)驗(yàn)研究了甘氨酸和硫酸錳合成甘氨酸錳的工藝條件，設(shè)計(jì)了三因素三水平正交試驗(yàn)，考察了反應(yīng)物配比，反應(yīng)溫度，反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)收率的影響，確定了最佳反應(yīng)條件。實(shí)驗(yàn)表明優(yōu)化條件下反應(yīng)收率可達(dá)80.7%，產(chǎn)物中錳含量24%，甘氨酸含量36%。并對(duì)合成的產(chǎn)品進(jìn)行了鑒定及 IR，TG-DTA，XRD表征，為進(jìn)一步優(yōu)化合成工藝奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

試劑：一水硫酸錳，甘氨酸，冰乙酸、氨水、鉻黑T、EDTA，pH計(jì)，凱氏定氮儀，水為二次蒸餾水。

1.2 甘氨酸錳的合成

將甘氨酸 12 g (0.16 mol)溶于50 mL水中，加入一水硫酸錳 16.9 g (0.1 mol)，85 ℃下水浴加熱攪拌反應(yīng) 90 min，反應(yīng)完成后趁熱抽濾，并用熱水洗滌2、3次，得到微粉色固體18.1 g，產(chǎn)率80.7%。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)配位比的確定

根據(jù) Ashmead的氨基酸螯合物化學(xué)理論[7]，螯合物的穩(wěn)定性受立體化學(xué)和陽離子價(jià)態(tài)的影響，考慮到錳的價(jià)態(tài)較多，在反應(yīng)中可能會(huì)呈現(xiàn)不同的配位方式，故在初步試驗(yàn)條件下，通過控制反應(yīng)條件，并對(duì)產(chǎn)物中錳及絡(luò)合甘氨酸含量進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，在該設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件下，反應(yīng)配位比經(jīng)計(jì)算為 1:1。

實(shí)驗(yàn)選擇85 ℃下，反應(yīng)時(shí)間90 min，甘氨酸與錳的摩爾比在 1:1、1.5:1、2:1，反應(yīng)完成后，經(jīng)熱過濾、洗滌。干燥，得最終產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 反應(yīng)物配比對(duì)產(chǎn)率影響Table 1 Theeffect of molar ratio on reaction yield

從表 1中可以得出。隨著反應(yīng)物配比的增大，產(chǎn)率也增大，這是因?yàn)樵黾臃磻?yīng)物的濃度會(huì)促進(jìn)螯合反應(yīng)向正方向進(jìn)行。但反應(yīng)物配比繼續(xù)增大，產(chǎn)率反而會(huì)下降，因而在正交試驗(yàn)中選擇1.4:1、1.6:1、1.8:1三個(gè)水平進(jìn)行優(yōu)選。

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響

溫度變化直接影響到螯合反應(yīng)的速度和進(jìn)程。因此，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了不同溫度下的螯合反應(yīng)，并計(jì)算其收率。將反應(yīng)物按 1.6:1的比例，控制反應(yīng)時(shí)間90 min，經(jīng)熱過濾、洗滌。干燥，得最終產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 反應(yīng)溫度對(duì)轉(zhuǎn)化率影響Table 2 Theeffect of temperature on reaction yield

從表2中可以得出，反應(yīng)收率在一定程度上隨反應(yīng)溫度升高而增大。但螯合反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，過分提高溫度對(duì)反應(yīng)不利。且通過初步試驗(yàn)還得知，甘氨酸錳的溶解度隨溫度的升高而降低。在反應(yīng)過程中，即要保證反應(yīng)的充分進(jìn)行，又要使產(chǎn)物盡可能多沉淀出來。故而選取80、85、90 ℃ 3個(gè)水平進(jìn)行優(yōu)選。

3 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 正交試驗(yàn)表(表 3）

表3 正交試驗(yàn) L9(34) 參數(shù)Table3 The factor andlevel of the L9(34) orthogonal test

3.2 正交結(jié)果及分析

表4 反應(yīng)物配比對(duì)產(chǎn)率影響Table4 Theeffect of molar ratio on reaction yield

表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差分析表明，反應(yīng)時(shí)間是影響反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的主要因素，反應(yīng)配比和反應(yīng)溫度為次要因素，在所選試驗(yàn)條件下，甘氨酸與硫酸錳摩爾比為1.6:1，反應(yīng)溫度為85 ℃，反應(yīng)時(shí)間為90分鐘為最佳條件組合。此時(shí)產(chǎn)品收率為80.7 %。

4 產(chǎn)物鑒定

4.1 產(chǎn)物的紅外光譜 (IR)鑒定

采用Nicolet iS50紅外光譜儀測(cè)得甘氨酸 (b)及甘氨酸錳 (a)的紅外光譜圖 (如圖1)。甘氨酸與錳離子絡(luò)合后，產(chǎn)物的一些主要吸收峰位置及強(qiáng)度同配體相比均相應(yīng)的發(fā)生了變化，從而也證實(shí)了錳離子與甘氨酸發(fā)生了配位作用[8]。甘氨酸在間2500 cm-1到 3100 cm-1之間有較強(qiáng)的寬吸收峰，這是NH3+特征吸收峰，而甘氨酸錳螯合物在此處峰形變化明顯，僅在3155 cm-1處有一強(qiáng)的窄吸收峰。說明螯合物中無游離甘氨酸存在。在1601 cm-1和1419 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰分別為羧酸根離子的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)，較甘氨酸配體1580 cm-1，1330 cm-1分別向高波數(shù)移動(dòng)，說明羧酸氧參與了配位，在1074 cm-1和649 cm-1處的中強(qiáng)峰為硫酸根的特征吸收峰。

圖1 甘氨酸 (b)及甘氨酸錳 (a)的紅外光譜圖Fig.1 IR of glycine (b) and glycine manganese (a)

4.2 產(chǎn)物TG分析

圖2 甘氨酸錳的TG圖Fig.2TG of Glycine manganese

采用Netzsch STA 449C型熱天平對(duì)螯合物進(jìn)行熱重分析。以α-Al2O3為參比在氮?dú)夥罩袦y(cè)定，溫升速率為10 K/min。從圖2中可以看出，甘氨酸錳熱穩(wěn)定性較好，在300℃前基本不分解，TG曲線中的 28%的失重與文獻(xiàn)[9]報(bào)道的數(shù)據(jù)一致。螯合物分子式為 C2H15NO11MnS，TG曲線在400 ℃之后一直在失重，說明螯合物在此溫度左右開始慢慢分解。

4.3 產(chǎn)物XRD粉末衍射分析

采用D8 Advance多晶X射線粉末衍射儀對(duì)螯合物進(jìn)行測(cè)定，通過對(duì)比螯合物 (a)及甘氨酸 (b)的XRD粉末衍射圖 (圖3)，可以得出，在螯合物的XRD圖譜中并未出現(xiàn)甘氨酸的衍射峰[10]，且與甘氨酸形成螯合物后，衍射峰的位置和強(qiáng)度都發(fā)生了變化。衍射峰高而尖銳，說明螯合物純度高且不存在游離氨基酸雜質(zhì)。故而根據(jù)IR，TG等分析數(shù)據(jù)判斷得出生成的為以單一螯合物。

圖3 甘氨酸錳 (a)及甘氨酸 (b)的XRD粉末衍射Fig.3 XRD of glycine manganese (a) and glycine (b)

5 結(jié) 論

通過甘氨酸與硫酸錳的水熱反應(yīng)，得到了甘氨酸錳，通過IR、TG和XRD粉末衍射確定了甘氨酸錳的生成，并對(duì)其合成工藝進(jìn)行了正交優(yōu)化，確定了最佳反應(yīng)條件：甘氨酸與硫酸錳摩爾比為1.6:1，反應(yīng)溫度為85 ℃，反應(yīng)時(shí)間為90 min為最佳條件組合。此時(shí)產(chǎn)品收率為 80.7%。該項(xiàng)制備工藝方法簡(jiǎn)單，條件溫和，產(chǎn)品純度高，無副產(chǎn)物。可以廣泛應(yīng)用于飼料添加劑行業(yè)。

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