微波固相合成赖氨酸螯合锰的研究

张 娜, 周民杰, 阎建辉

(1. 湖南理工学院 物理与电子学院, 湖南 岳阳 414006; 2. 湖南理工学院 化学化工学院, 湖南 岳阳 414006)

锰是动物生长和合成骨组织过程中所必需的物质. 氨基酸螯合锰与无机锰添加剂相比, 具有生化稳定性高、生物学效价高、能提高动物体繁殖力等特点. 目前氨基酸螯合微量元素的制备主要通过液相方法,它存在水解周期长、成本高、纯化工艺复杂、污染环境等缺点[1～3].

近年来, 微波辐射技术以其效率高、废液排放少、污染小、成本低等优点, 在氨基酸螯合微量元素方面得到了广泛的应用[4～10]. 本实验以赖氨酸与硫酸锰为原料, 通过单因素和正交试验优化了微波法合成赖氨酸螯合锰的制备工艺, 为氨基酸螯合锰的开发利用提供理论参考.

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

主要试剂: 硫酸锰(天津市科密欧化学试剂开发中心, 分析纯)、赖氨酸(食用级, 赖氨酸＞99%)、盐酸(天津市科密欧化学试剂开发中心, 分析纯)、甲醛(天津市科密欧化学试剂开发中心, 分析纯)等.

主要仪器: MAS-1型微波辅助合成/萃取反应仪(上海新仪微波化学科技有限公司)、Mettler toledo 320-S型pH计(瑞士).

1.2 实验合成方法

按一定的摩尔配比称取赖氨酸与硫酸锰, 高速粉碎机粉碎并充分混合, 然后准确称取20g混合物于烧杯中, 加入适量水作为引发剂, 进行微波催化反应; 反应结束后, 加适量水并调节 pH值, 抽滤、滤渣经105℃下烘干称重产品.

1.3 检测方法

氨基酸含量: 采用凯氏定氮法测定赖氨酸含量[11].

锰含量: 采用EDTA法滴定[12].

图1 水添加量对螯合反应的影响

图2 微波时间对螯合反应的影响

图3 微波功率对螯合反应的影响

图4 配体摩尔比对螯合反应的影响

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 水添加量对螯合反应的影响

固相反应体系中赖氨酸和硫酸锰均不能有效吸收微波,所以需加入微量引发剂水来吸收微波. 在一定的微波时间、微波功率以及赖氨酸与锰摩尔比条件下, 水添加量对螯合反应的影响, 结果见图1. 由图1可以看出, 水添加量增大, 螯合率提高, 在水添加量为4mL时, 螯合率达最大, 继续增加水添加量反而使螯合率降低.

2.1.2 微波时间对螯合反应的影响

在一定的水添加量、微波功率以及赖氨酸与锰摩尔比条件下, 微波时间对螯合反应的影响, 结果见图2. 由图2可知, 微波时间延长可增加螯合率, 但时间增至 4min后, 再延长微波时间螯合率反而降低. 这可能是微波时间太长, 物料内部温度过高, 无法快速散热, 导致产物分解的缘故.

2.1.3 微波功率对螯合反应的影响

在一定的水添加量、微波时间以及赖氨酸与锰摩尔比条件下, 微波功率对螯合反应的影响, 结果见图3. 由图3可以看出,随着微波功率增大, 螯合率逐渐提高, 微波功率为500W, 螯合率达最大, 继续增大微波功率, 螯合率略有下降. 这主要因为微波具有一定的穿透能力, 可以对物体进行“整体”加热. 当微波进入物料时, 物料会吸收微波能并将其转化为热能, 同时随着微波进入物料内部, 微波的场强和功率就不断地衰减. 因此,适当提高微波功率可以加强微波的穿透能力, 加快反应速度,但微波功率过高, 物料局部温度多高, 反而造成产物分解.

2.1.4 配体摩尔比对螯合反应的影响在一定的水添加量、微波时间以及微波功率条件下, 赖氨酸与锰摩尔比对螯合反应的影响, 结果见图4. 如图4所示, 配体摩尔比对螯合反应有重要影响, 当配体摩尔比为 2:1时, 螯合率达最大. 配体摩尔比太小, 形成的螯合物不稳定, 配体摩尔比太高, 会造成赖氨基酸过剩, 增加了生产成本.

2.2 正交实验

根据单因素分析的实验结果, 设计4因素3水平正交实验(表1), 以确定赖氨酸螯合锰的最佳实验条件. 表2为正交实验结果. 由极差分析可知, 各因素对微波螯合率的影响程度依次为: 水添加量＞微波时间＞微波功率＞配体摩尔比. 微波法合成赖氨酸螯合锰的最佳条件为 A2B2C3D1, 即水添加量4mL、微波时间4 min、微波功率500W、赖氨酸与硫酸锰摩尔比为2:1. 按上述优化条件进行了3次微波合成实验, 得赖氨酸螯合锰的螯合率为73.15%, 重复实验相对偏差为1.02%.

表1 正交实验的因素水平表

表2 正交实验结果

3 结论

本试验通过单因素和正交实验得出微波法合成赖氨酸螯合锰的最佳工艺条件为: 水添加量 4mL、微波时间4 min、微波功率500W、赖氨酸与硫酸锰摩尔比为2:1, 在此条件下合成赖氨酸螯合锰的螯合率为73.15%.

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