微波固相合成賴氨酸螯合錳的研究

張 娜, 周民杰, 閻建輝

(1. 湖南理工學(xué)院 物理與電子學(xué)院, 湖南 岳陽 414006; 2. 湖南理工學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

錳是動物生長和合成骨組織過程中所必需的物質(zhì). 氨基酸螯合錳與無機(jī)錳添加劑相比, 具有生化穩(wěn)定性高、生物學(xué)效價高、能提高動物體繁殖力等特點(diǎn). 目前氨基酸螯合微量元素的制備主要通過液相方法,它存在水解周期長、成本高、純化工藝復(fù)雜、污染環(huán)境等缺點(diǎn)[1～3].

近年來, 微波輻射技術(shù)以其效率高、廢液排放少、污染小、成本低等優(yōu)點(diǎn), 在氨基酸螯合微量元素方面得到了廣泛的應(yīng)用[4～10]. 本實(shí)驗(yàn)以賴氨酸與硫酸錳為原料, 通過單因素和正交試驗(yàn)優(yōu)化了微波法合成賴氨酸螯合錳的制備工藝, 為氨基酸螯合錳的開發(fā)利用提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

主要試劑: 硫酸錳(天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心, 分析純)、賴氨酸(食用級, 賴氨酸＞99%)、鹽酸(天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心, 分析純)、甲醛(天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心, 分析純)等.

主要儀器: MAS-1型微波輔助合成/萃取反應(yīng)儀(上海新儀微波化學(xué)科技有限公司)、Mettler toledo 320-S型pH計(瑞士).

1.2 實(shí)驗(yàn)合成方法

按一定的摩爾配比稱取賴氨酸與硫酸錳, 高速粉碎機(jī)粉碎并充分混合, 然后準(zhǔn)確稱取20g混合物于燒杯中, 加入適量水作為引發(fā)劑, 進(jìn)行微波催化反應(yīng); 反應(yīng)結(jié)束后, 加適量水并調(diào)節(jié) pH值, 抽濾、濾渣經(jīng)105℃下烘干稱重產(chǎn)品.

1.3 檢測方法

氨基酸含量: 采用凱氏定氮法測定賴氨酸含量[11].

錳含量: 采用EDTA法滴定[12].

圖1 水添加量對螯合反應(yīng)的影響

圖2 微波時間對螯合反應(yīng)的影響

圖3 微波功率對螯合反應(yīng)的影響

圖4 配體摩爾比對螯合反應(yīng)的影響

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 水添加量對螯合反應(yīng)的影響

固相反應(yīng)體系中賴氨酸和硫酸錳均不能有效吸收微波,所以需加入微量引發(fā)劑水來吸收微波. 在一定的微波時間、微波功率以及賴氨酸與錳摩爾比條件下, 水添加量對螯合反應(yīng)的影響, 結(jié)果見圖1. 由圖1可以看出, 水添加量增大, 螯合率提高, 在水添加量為4mL時, 螯合率達(dá)最大, 繼續(xù)增加水添加量反而使螯合率降低.

2.1.2 微波時間對螯合反應(yīng)的影響

在一定的水添加量、微波功率以及賴氨酸與錳摩爾比條件下, 微波時間對螯合反應(yīng)的影響, 結(jié)果見圖2. 由圖2可知, 微波時間延長可增加螯合率, 但時間增至 4min后, 再延長微波時間螯合率反而降低. 這可能是微波時間太長, 物料內(nèi)部溫度過高, 無法快速散熱, 導(dǎo)致產(chǎn)物分解的緣故.

2.1.3 微波功率對螯合反應(yīng)的影響

在一定的水添加量、微波時間以及賴氨酸與錳摩爾比條件下, 微波功率對螯合反應(yīng)的影響, 結(jié)果見圖3. 由圖3可以看出,隨著微波功率增大, 螯合率逐漸提高, 微波功率為500W, 螯合率達(dá)最大, 繼續(xù)增大微波功率, 螯合率略有下降. 這主要因?yàn)槲⒉ň哂幸欢ǖ拇┩改芰? 可以對物體進(jìn)行“整體”加熱. 當(dāng)微波進(jìn)入物料時, 物料會吸收微波能并將其轉(zhuǎn)化為熱能, 同時隨著微波進(jìn)入物料內(nèi)部, 微波的場強(qiáng)和功率就不斷地衰減. 因此,適當(dāng)提高微波功率可以加強(qiáng)微波的穿透能力, 加快反應(yīng)速度,但微波功率過高, 物料局部溫度多高, 反而造成產(chǎn)物分解.

2.1.4 配體摩爾比對螯合反應(yīng)的影響在一定的水添加量、微波時間以及微波功率條件下, 賴氨酸與錳摩爾比對螯合反應(yīng)的影響, 結(jié)果見圖4. 如圖4所示, 配體摩爾比對螯合反應(yīng)有重要影響, 當(dāng)配體摩爾比為 2:1時, 螯合率達(dá)最大. 配體摩爾比太小, 形成的螯合物不穩(wěn)定, 配體摩爾比太高, 會造成賴氨基酸過剩, 增加了生產(chǎn)成本.

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 設(shè)計4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)(表1), 以確定賴氨酸螯合錳的最佳實(shí)驗(yàn)條件. 表2為正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 由極差分析可知, 各因素對微波螯合率的影響程度依次為: 水添加量＞微波時間＞微波功率＞配體摩爾比. 微波法合成賴氨酸螯合錳的最佳條件為 A2B2C3D1, 即水添加量4mL、微波時間4 min、微波功率500W、賴氨酸與硫酸錳摩爾比為2:1. 按上述優(yōu)化條件進(jìn)行了3次微波合成實(shí)驗(yàn), 得賴氨酸螯合錳的螯合率為73.15%, 重復(fù)實(shí)驗(yàn)相對偏差為1.02%.

表1 正交實(shí)驗(yàn)的因素水平表

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本試驗(yàn)通過單因素和正交實(shí)驗(yàn)得出微波法合成賴氨酸螯合錳的最佳工藝條件為: 水添加量 4mL、微波時間4 min、微波功率500W、賴氨酸與硫酸錳摩爾比為2:1, 在此條件下合成賴氨酸螯合錳的螯合率為73.15%.

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