賴氨酸鋅的合成工藝

nety 2007-7-1 18:34

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文章來源：中國飼料工業(yè)信息網
摘要：微量元素氨基酸螯合物作為飼料及營養(yǎng)添加劑，具有化學穩(wěn)定性適中、生物效價高、吸收方式和代謝途徑特殊等優(yōu)點、同時具有雙重營養(yǎng)及治療作用。賴氨酸作為第一限制性氨基酸，其微量元素螯合物有特殊的用途及廣泛的市場前景。本文介紹了以賴氨酸鹽酸鹽和L—賴氨酸為原料合成賴氨酸鋅螯合物的兩種方法。以賴氨酸鹽酸鹽為原料合成賴氨酸鋅螯合物的重要影響因素是反應體系的pH值，最佳pH值是8，產率可達到85％以上；以L—賴氨酸為原料合成賴氨酸鋅螯合物，體系無水，產率可達94％以上。
　　關鍵詞：賴氨酸；螯合物；飼料添加劑
　　氨基酸與金屬元素配合物的研究，無論是在配位化合物的理論研究還是動物飼養(yǎng)實踐應用方面都是當今研究的熱門課題之一。微量元素氨基酸螯合物的化學穩(wěn)定性適中，氨基酸對金屬離子起保護作用，可防止微量元素在腸道內形成不溶性化合物或被吸附在有礙元素吸收的不溶性膠體上，同是二價離子的微量元素與鈣有競爭吸收作用，而體外先行絡合的微量元素氨基酸螯合物則可另辟消化吸收途徑，使效率大增。同時，也在相當大程度上防止了自然飼料中所含的植酸、草酸、鞣酸等抗營養(yǎng)因子的不良干擾，因此有利于機體的吸收。而無機態(tài)微量元素穿過細胞膜，需要載體分子把金屬離子包被起來，在細胞膜外形成一種有機的脂溶性復合體，才能使陽離子穿過細胞膜。
　　Founed(1974年)認為，螯合物中心的金屬離子可通過小腸絨毛刷狀緣，而且所有氨基酸螯合物都可以以氨基酸的形式吸收。通常，動物對氨基酸的分子量限制范圍較寬，螯合物的分子量在1000以下都可以通過細胞膜吸收，這說明氨基酸的螯合物比無機物的微量元素有較高的生物利用率。
　　微量元素氨基酸螯合物進入機體以后，按不同組織和酶系統(tǒng)對某種氨基酸需要比例和數量的不同，可把相應氨基酸螯合的微量元素，直接輸送到各特定的靶組織和酶系統(tǒng)中，通過靶組織的作用釋放出微量元素，以滿足機體的需要，這就省去了吸收無機態(tài)衍生物所需的生化過程，從而提高了微量元素的吸收利用率。據研究報道，氨基酸可以作為“單獨單元”在生物體內起特殊作用，如改變動物皮毛狀況，減少早期胚胎死亡等。微量元素氨基酸螯合物有增強殺菌能力，提高免疫應答反應，降低乳汁中體細胞數和提高繁殖能力等抗病和抗應激的功能。與此同時，與氨基酸類配位體形成的微量元素螯合物，既具有全營養(yǎng)意義又是最適合的。而EDTA和植酸等作為配位形成體的微量元素螯合物，則不適于這一目的。
　　微量元素氨基酸螯合物作為飼料添加劑已經取得了較好的效果。據報道，飼喂微量元素氨基酸螯合物對雞的增重，產蛋率及提高飼料轉化率等有較好的效果。另外，添加氨基酸螯合鐵飼喂早期斷奶仔豬，比添加劑硫酸亞鐵增重明顯提高，添加甘氨酸鐵提高7.0％，添加蛋氨酸鐵提高12.9％。而添加蛋氨酸銅和添加等量硫酸銅，增重率前者為后者的1.2倍。
　　總之，氨基酸螯合物在體內的吸收方式，代謝途徑等均有別于無機態(tài)礦物鹽，一定量的微量元素氨基酸螯合物可刺激一定生物學過程，因此，氨基酸螯合物的有機態(tài)微量元素比無機態(tài)微量元素更有益于機體生長。
　　賴氨酸(Lysine)是人體第一必需的氨基酸，它是合成核蛋白，血紅蛋白及促進大腦神經細胞再生的重要氨基酸。體內脂肪代謝的重要載體一肉毒堿是賴氨酸和甲硫氨酸形成的。食物中加入少量賴氨酸，可增加胃蛋白酶及胃酸的分泌，因而能促進老人及兒童的食欲。L—賴氨酸對營養(yǎng)不良，乙型肝炎，支氣管炎等有一定的輔助療效，賴氨酸與亞鐵化合物一起，治療貧血效果顯著。
　　鋅(zine)在人體和其它有機體中，其含量在微量元素中僅次于鐵，占第二位，而且，在6 大類酶中，都有鋅酶的存在。因此細胞中的鋅量直接調節(jié)著這些酶的活性，也就控制著各種代謝過程，特別是蛋白質、糖及脂肪的代謝過程，以及核酶的合成和降解作用。鋅的態(tài)勢也影響到生物體的激素調節(jié)，特別是對胰島素，生長激素，性激素有很大的影響，在微量元素中，鋅對免疫功能的影響最明顯。人和動物機體內鋅含量的減少均可引起細胞免疫功能低下。機體缺鋅，會引起依朗村病，腸原性肢體皮炎，糖尿病，類風濕性關節(jié)炎，厭食，不正常的氨代謝，味覺減退，結締組織代謝受損等疾病。還會導致男性生殖腺功能不足；女性貧血，發(fā)育遲緩和第二性征不全。由于賴氨酸是生命體必需而又無法自身合成的限制性氨基酸，在人體和動物中有重要作用，而鋅則是人和動物必需的微量元素，賴氨酸鋅具有吸收快、利用率高等優(yōu)點，還具有雙重營養(yǎng)性和治療作用，可以作為理想的營養(yǎng)強化劑和飼料添加劑。而且，就我們目前已查閱的氨基酸螯合物的文獻來看，蛋氨酸、甘氨酸的金屬螯合物的合成制備方法報道較多，而國內還未見賴氨酸金屬螯合物制備方法的報道。
1 試驗

1.1 主要儀器及試劑
　　DF-10lB集熱恒溫磁力攪拌器；SHZ-D循環(huán)水泵式真空泵；恒溫干燥箱。
　　賴氨酸鹽酸鹽(飼料級)，氯化鋅[ZnCl2·7H20](分析純)，氯化鋅[ZnCl2](分析純)，L—賴氨酸(L—Lysine)(生化試劑)，硫酸鋅[ZnS04·7H20](分析純)，氫氧化鈉[NaOH](化學純)，甲醇[CH30H](分析純)，乙醇[CH3CH20H](分析純)，氫氧化鋰[LiOH·H20](化學純)。
1.2 賴氨酸鋅的合成
1.2.1 方法1 稱取18.2g賴氨酸鹽酸鹽(0.lmo1)，加15ml水，加熱到70oC使之完全溶解，再稱取6.82g氯化鋅(0.05mo1)溶于20ml水中，加人到上述賴氨酸鹽酸鹽溶液中，用2mol／1的氫氧化鈉溶液調整反應體系的pH值至8，在80~C下于集熱恒溫磁力攪拌器上反應1h趁熱過濾，濾液加熱濃縮至有晶膜，冷卻，靜置過夜，析出大量固體，抽濾，所得固體用乙醇洗滌兩次，干燥，得淡黃色固體23.86g，產率為85.83％。
1.2.2 方法2 稱取3.0gL—賴氨酸置于250ml圓底瓶中，加100ml甲醇和0.84g(0.02mo1)氫氧化鋰(LiOH·H2O)，加熱回流1h，冷卻，過濾除去過量的L—賴氨酸，得到賴氨酸的鋰鹽。在濾液中加入1.36g(0.01mo1)的氯化鋅(ZnCl2)與30ml的甲醇配成的溶液，迅速產生沉淀，得產物2.0g，為乳白色粉末狀固體，產率為94.79％。產物放置在空氣中很快潮解，并且變黃，變得粘稠。
2 結果與討論
2.1 幾種合成方法的比較
　　作者曾嘗試用價廉易得的賴氨酸鹽酸鹽采合成含鋅量高的Zn(Lsy)2。方法是先破壞賴氨酸鹽酸鹽，使之成為賴氨酸，再與鋅螯合。但是，在體系的pH值內無法合成賴氨酸鋅，而是生成了大量的氫氧化鋅沉淀。經改進，本試驗中用另外兩種方法合成了賴氨酸鋅。方法l是用賴氨酸鹽酸鹽、氫氧化鈉及相應的鋅鹽在水溶液中合成，反應條件易于控制，原料價廉易得，產物性質穩(wěn)定，但產率只能達到85％左右，最終產物為賴氨酸鋅鹽酸鹽水合物。方法2是用純賴氨酸與氫氧化鋰在甲醇中合成賴氨酸鋰鹽，再與氯化鋅反應得賴氨酸鋅，該方法要求體系無水，條件苛刻，原料昂貴，產物性質很不穩(wěn)定，不易保存，但產率高，可達95％以上，產品純度高。
2.2 賴氨酸鋅的組成和有關性質
2.2.1 方法1 所得產物為淡黃色固體，溶于水，不

　　溶于乙醇，鋅的含量為11.84％，為賴氨酸鋅鹽酸鹽水合物，分子式為Zn(Lsy)2·2HCl·7H20，分子量為556，鋅的理論百分含量為11.73％，與實際測量值比較接近。
2.2.2 方法2 所得產物為乳白色粉末，不溶于甲醇，鋅的含量為17.86％，為L—賴氨酸鋅，分子式為Zn(Lsy)2，鋅的理論百分含量為18.41％，與實際測量值比較接近。但是，由于L—賴氨酸易吸水生成水合物，易吸收空氣中的二氧化碳形成碳酸鹽，且因有游離氨基，易發(fā)黃變質，因此，L—賴氨酸鋅在空氣中極易潮解，并且與空氣中的二氧化碳反應，生成碳酸鹽和水合物，并且呈淺黃色。
2.3 體系pH值對合成的影響
　　在溶液中，賴氨酸主要以兼性離子的形式存在?？杀硎緸椋?br>　　當溶液中酸性很強時，氨基酸多以-NH3+的形式存在，羥基則以-COOH形式存在，顯然不利于配合物的形成；但當溶液堿性過強時，金屬離子會生成氫氧化物沉淀，也不利于配合物的生成，因此，合適的PH值是制備產物的關鍵條件。本文中選取pH值6~9的范圍變化，考察pH值對螯合反應的影響程度(按方法1 操作，反應溫度為80oC，反應時間lh)。
表1 不同pH值對賴氨酸鋅產率的影響

項目

PH值 6 7 8 9

產量（g） 20.50 22.20 23.86 20.36
產率（%） 73.74 79.86 85.83 73.24
　當溶液pH≥10時，產物中Zn大于54.8％，由此可見，此時的Zn2+大部分為沉淀。由表中數據可知，生成產物的最佳pH值是8左右，而賴氨酸的等電點為9，47，其配合物生成的最佳pH值略小于等電點這可解釋為賴氨酸配合物形成時，賴氨酸分子中未配位的s位氨基仍以-NH3+的形式存在，由此可以推斷賴氨酸鋅分子中尚含有兩個HCl分子，即可表示為Zn(Lys)2·2HCl，這與前面分析的產物的組成是一致的。
2.4反應溫度對合成的影響
　　按方法1操作，用5M的氫氧化鈉溶液調整反應體系的pH值為8，反應時間為1h。

表2 溫度對賴氨酸鋅的影響
項目

反應溫度（oC） 80 90 100

產量（g） 23.86 23.12 22.86

產率（%） 85.83 83.16 82.23

由表中數據可知，在賴氨酸及氯化鋅完全溶解的情況下，體系的溫度越低越有利于螯合反應的進行，但影響并不顯著。

2.5 不同鋅源對合成的影響

　　在用方法l合成賴氨酸鋅時，用硫酸鋅[ZnSO4·7H20]和氯化鋅[ZnCl2·7H20]作為鋅源。賴氨酸和硫酸鋅的摩爾比是2：1，在pH值為 8，溫度為80oC，反應時間為1h，得到的產物的Zn為10.6％，而由氯化鋅得到的產物的Zn為11.84％，由此可以推斷，由硫酸鋅得到的產物是 Zn(Lys)2·2HCl·7H20，Zn(Lys)2·2H2S04·7H20和Zn(Lys)2·HCl·H2S04·7H20的復雜混合物，給產率計算及研究帶來了不必要的麻煩，而用氯化鋅[ZnCl2·7H20]作鋅源則避免了S042-的干擾，而且從機體吸收利用角度來講，有機物分子量越小越有利于機體的吸收，因此，用氯化鋅作鋅源更為合理