赖氨酸锌的合成工艺
关键词：赖氨酸；螯合物；饲料添加剂
氨基酸与金属元素配合物的研究，无论是在配位化合物的理论研究还是动物饲养实践应用方面都是当今研究的热门课题之一。微量元素氨基酸螯合物的化学稳定性适中，氨基酸对金属离子起保护作用，可防止微量元素在肠道内形成不溶性化合物或被吸附在有碍元素吸收的不溶性胶体上，同是二价离子的微量元素与钙有竞争吸收作用，而体外先行络合的微量元素氨基酸螯合物则可另辟消化吸收途径，使效率大增。同时，也在相当大程度上防止了自然饲料中所含的植酸、草酸、鞣酸等抗营养因子的不良干扰，因此有利于机体的吸收。而无机态微量元素穿过细胞膜，需要载体分子把金属离子包被起来，在细胞膜外形成一种有机的脂溶性复合体，才能使阳离子穿过细胞膜。
Founed(1974年)认为，螯合物中心的金属离子可通过小肠绒毛刷状缘，而且所有氨基酸螯合物都可以以氨基酸的形式吸收。通常，动物对氨基酸的分子量限制范围较宽，螯合物的分子量在1000以下都可以通过细胞膜吸收，这说明氨基酸的螯合物比无机物的微量元素有较高的生物利用率。
微量元素氨基酸螯合物进入机体以后，按不同组织和酶系统对某种氨基酸需要比例和数量的不同，可把相应氨基酸螯合的微量元素，直接输送到各特定的靶组织和酶系统中，通过靶组织的作用释放出微量元素，以满足机体的需要，这就省去了吸收无机态衍生物所需的生化过程，从而提高了微量元素的吸收利用率。据研究报道，氨基酸可以作为“单独单元”在生物体内起特殊作用，如改变动物皮毛状况，减少早期胚胎死亡等。微量元素氨基酸螯合物有增强杀菌能力，提高免疫应答反应，降低乳汁中体细胞数和提高繁殖能力等抗病和抗应激的功能。与此同时，与氨基酸类配位体形成的微量元素螯合物，既具有全营养意义又是最适合的。而EDTA和植酸等作为配位形成体的微量元素螯合物，则不适于这一目的。
微量元素氨基酸螯合物作为饲料添加剂已经取得了较好的效果。据报道，饲喂微量元素氨基酸螯合物对鸡的增重，产蛋率及提高饲料转化率等有较好的效果。另外，添加氨基酸螯合铁饲喂早期断奶仔猪，比添加剂硫酸亚铁增重明显提高，添加甘氨酸铁提高7.0％，添加蛋氨酸铁提高12.9％。而添加蛋氨酸铜和添加等量硫酸铜，增重率前者为后者的1.2倍。
总之，氨基酸螯合物在体内的吸收方式，代谢途径等均有别于无机态矿物盐，一定量的微量元素氨基酸螯合物可刺激一定生物学过程，因此，氨基酸螯合物的有机态微量元素比无机态微量元素更有益于机体生长。
赖氨酸(Lysine)是人体第一必需的氨基酸，它是合成核蛋白，血红蛋白及促进大脑神经细胞再生的重要氨基酸。体内脂肪代谢的重要载体一肉毒碱是赖氨酸和甲硫氨酸形成的。食物中加入少量赖氨酸，可增加胃蛋白酶及胃酸的分泌，因而能促进老人及儿童的食欲。L—赖氨酸对营养不良，乙型肝炎，支气管炎等有一定的辅助疗效，赖氨酸与亚铁化合物一起，治疗贫血效果显著。
锌(zine)在人体和其它有机体中，其含量在微量元素中仅次于铁，占第二位，而且，在6 大类酶中，都有锌酶的存在。因此细胞中的锌量直接调节着这些酶的活性，也就控制着各种代谢过程，特别是蛋白质、糖及脂肪的代谢过程，以及核酶的合成和降解作用。锌的态势也影响到生物体的激素调节，特别是对胰岛素，生长激素，性激素有很大的影响，在微量元素中，锌对免疫功能的影响最明显。人和动物机体内锌含量的减少均可引起细胞免疫功能低下。机体缺锌，会引起依朗村病，肠原性肢体皮炎，糖尿病，类风湿性关节炎，厌食，不正常的氨代谢，味觉减退，结缔组织代谢受损等疾病。还会导致男性生殖腺功能不足；女性贫血，发育迟缓和第二性征不全。由于赖氨酸是生命体必需而又无法自身合成的限制性氨基酸，在人体和动物中有重要作用，而锌则是人和动物必需的微量元素，赖氨酸锌具有吸收快、利用率高等优点，还具有双重营养性和治疗作用，可以作为理想的营养强化剂和饲料添加剂。而且，就我们目前已查阅的氨基酸螯合物的文献来看，蛋氨酸、甘氨酸的金属螯合物的合成制备方法报道较多，而国内还未见赖氨酸金属螯合物制备方法的报道。
1 试验
1.1 主要仪器及试剂
DF-10lB集热恒温磁力搅拌器；SHZ-D循环水泵式真空泵；恒温干燥箱。
赖氨酸盐酸盐(饲料级)，氯化锌[ZnCl2·7H20](分析纯)，氯化锌[ZnCl2](分析纯)，L—赖氨酸(L—Lysine)(生化试剂)，硫酸锌[ZnS04·7H20](分析纯)，氢氧化钠[NaOH](化学纯)，甲醇[CH30H](分析纯)，乙醇[CH3CH20H](分析纯)，氢氧化锂[LiOH·H20](化学纯)。
1.2 赖氨酸锌的合成
1.2.1 方法1 称取18.2g赖氨酸盐酸盐(0.lmo1)，加15ml水，加热到70oC使之完全溶解，再称取6.82g氯化锌(0.05mo1)溶于20ml水中，加人到上述赖氨酸盐酸盐溶液中，用2mol／1的氢氧化钠溶液调整反应体系的pH值至8，在80~C下于集热恒温磁力搅拌器上反应1h趁热过滤，滤液加热浓缩至有晶膜，冷却，静置过夜，析出大量固体，抽滤，所得固体用乙醇洗涤两次，干燥，得淡黄色固体23.86g，产率为85.83％。
1.2.2 方法2 称取3.0gL—赖氨酸置于250ml圆底瓶中，加100ml甲醇和0.84g(0.02mo1)氢氧化锂(LiOH·H2O)，加热回流1h，冷却，过滤除去过量的L—赖氨酸，得到赖氨酸的锂盐。在滤液中加入1.36g(0.01mo1)的氯化锌(ZnCl2)与30ml的甲醇配成的溶液，迅速产生沉淀，得产物2.0g，为乳白色粉末状固体，产率为94.79％。产物放置在空气中很快潮解，并且变黄，变得粘稠。
2 结果与讨论
2.1 几种合成方法的比较
作者曾尝试用价廉易得的赖氨酸盐酸盐采合成含锌量高的Zn(Lsy)2。方法是先破坏赖氨酸盐酸盐，使之成为赖氨酸，再与锌螯合。但是，在体系的pH值内无法合成赖氨酸锌，而是生成了大量的氢氧化锌沉淀。经改进，本试验中用另外两种方法合成了赖氨酸锌。方法l是用赖氨酸盐酸盐、氢氧化钠及相应的锌盐在水溶液中合成，反应条件易于控制，原料价廉易得，产物性质稳定，但产率只能达到85％左右，最终产物为赖氨酸锌盐酸盐水合物。方法2是用纯赖氨酸与氢氧化锂在甲醇中合成赖氨酸锂盐，再与氯化锌反应得赖氨酸锌，该方法要求体系无水，条件苛刻，原料昂贵，产物性质很不稳定，不易保存，但产率高，可达95％以上，产品纯度高。
2.2 赖氨酸锌的组成和有关性质
2.2.1 方法1 所得产物为淡黄色固体，溶于水，不
溶于乙醇，锌的含量为11.84％，为赖氨酸锌盐酸盐水合物，分子式为Zn(Lsy)2·2HCl·7H20，分子量为556，锌的理论百分含量为11.73％，与实际测量值比较接近。
2.2.2 方法2 所得产物为乳白色粉末，不溶于甲醇，锌的含量为17.86％，为L—赖氨酸锌，分子式为Zn(Lsy)2，锌的理论百分含量为18.41％，与实际测量值比较接近。但是，由于L—赖氨酸易吸水生成水合物，易吸收空气中的二氧化碳形成碳酸盐，且因有游离氨基，易发黄变质，因此，L—赖氨酸锌在空气中极易潮解，并且与空气中的二氧化碳反应，生成碳酸盐和水合物，并且呈浅黄色。
2.3 体系pH值对合成的影响
在溶液中，赖氨酸主要以兼性离子的形式存在。可表示为：
当溶液中酸性很强时，氨基酸多以-NH3+的形式存在，羟基则以-COOH形式存在，显然不利于配合物的形成；但当溶液碱性过强时，金属离子会生成氢氧化物沉淀，也不利于配合物的生成，因此，合适的PH值是制备产物的关键条件。本文中选取pH值6~9的范围变化，考察pH值对螯合反应的影响程度(按方法1 操作，反应温度为80oC，反应时间lh)。
表1 不同pH值对赖氨酸锌产率的影响
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项目 |
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PH值 |
6 |
7 |
8 |
9 |
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产量（g） |
20.50 |
22.20 |
23.86 |
20.36 |
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产率（%） |
73.74 |
79.86 |
85.83 |
73.24 |
当溶液pH≥10时，产物中Zn大于54.8％，由此可见，此时的Zn2+大部分为沉淀。由表中数据可知，生成产物的最佳pH值是8左右，而赖氨酸的等电点为9，47，其配合物生成的最佳pH值略小于等电点这可解释为赖氨酸配合物形成时，赖氨酸分子中未配位的s位氨基仍以-NH3+的形式存在，由此可以推断赖氨酸锌分子中尚含有两个HCl分子，即可表示为Zn(Lys)2·2HCl，这与前面分析的产物的组成是一致的。
2.4反应温度对合成的影响
按方法1操作，用5M的氢氧化钠溶液调整反应体系的pH值为8，反应时间为1h。
表2 温度对赖氨酸锌的影响
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项目 |
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反应温度（oC） |
80 |
90 |
100 |
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产量（g） |
23.86 |
23.12 |
22.86 |
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产率（%） |
85.83 |
83.16 |
82.23 |
由表中数据可知，在赖氨酸及氯化锌完全溶解的情况下，体系的温度越低越有利于螯合反应的进行，但影响并不显著。
2.5 不同锌源对合成的影响
在用方法l合成赖氨酸锌时，用硫酸锌[ZnSO4·7H20]和氯化锌[ZnCl2·7H20]作为锌源。赖氨酸和硫酸锌的摩尔比是2：1，在pH值为 8，温度为80oC，反应时间为1h，得到的产物的Zn为10.6％，而由氯化锌得到的产物的Zn为11.84％，由此可以推断，由硫酸锌得到的产物是 Zn(Lys)2·2HCl·7H20，Zn(Lys)2·2H2S04·7H20和Zn(Lys)2·HCl·H2S04·7H20的复杂混合物，给产率计算及研究带来了不必要的麻烦，而用氯化锌[ZnCl2·7H20]作锌源则避免了S042-的干扰，而且从机体吸收利用角度来讲，有机物分子量越小越有利于机体的吸收，因此，用氯化锌作锌源更为合理。