微量元素氨基酸螯合物的研究進展

1、微量元素氨基酸螯合物的研究 進展微量元素氨基酸螯合物的研究進展滕冰 舒緒剛廣州天科科技有限公司1. “螯合率”問題1.1 微量元素氨基酸螯何物結構一般描述 絡合物是由作為中心離子的金屬離子與氨基酸配位體（離子或分子）通過 配位鍵的結合形成的化合物，根據絡合物的組成，絡合微量元素氨基酸螯合物 的研究進展物可以分成簡單絡合物、螯合物，多核絡合物等多種，簡單絡合物 分子或離子只有一個中心離子，每個配位體只有一個配位原子與中心離子成鍵。 螯合物中每個配體至少有兩個或兩個以上的配位原子同時與中心離子成鍵，形 成環(huán)狀結構。一般來說，簡單配合物的穩(wěn)定性較差，由于螯合效應的影響，螯 合物比具有相同配位原子的簡

2、單配合物穩(wěn)定。螯合物作為絡合物的特殊形式亦 廣泛的存在于自然界中，作為飼料添加劑的微量元素氨基酸螯合物從化學結構 上區(qū)分可有以下不同：（ 1） 中心離子與配位體摩爾比例不同， M/M=1:11:3，分別形成單環(huán)，雙環(huán)， 三環(huán)，一般形成五元或六元環(huán)穩(wěn)定，螯環(huán)越多，越穩(wěn)定。（ 2） 內絡鹽型和絡離子型，（絡陰離子或絡陽離子）（ 3） 單核單一配位體和單核混合配位體型微量元素氨基酸螯合物的理化性質有以下不同：（ 1） 絡合物的穩(wěn)定常數不同（測定方法不同其結果亦有差異）（ 2） 絡合物的溶解度不同（實驗室條件和生理條件）（ 3） 絡合物的結晶不同1.2 “螯合率” 在螯合物的實際應用中，人們經常把“螯

3、合率”看作一種反應得率。事實 上，“螯合率”概念的提出是不正確的，（絡合物化學中沒有“螯合率”概念） 因為在不考慮螯合物穩(wěn)定程度的情況下，配位體螯合金屬離子的反應很容易發(fā) 生，只要是混合配位體和金屬離子的溶液就可以實現(xiàn)螯合。但是，衡量螯合是 否很“徹底”，則應以螯合物的穩(wěn)定常數來表示。螯合物穩(wěn)定常數的是有條件 的，也稱為 “條件穩(wěn)定常數”。例如，一個螯合物在中性 pH時穩(wěn)定常數很大， 但在酸性和堿性受到了 H和 OH- 濃度的影響，會解離成配位體和金屬離子或生 成羥合絡離子和配位體。絡合物化學中研究穩(wěn)定常數測定的方法很多，基本上 都是研究絡合逐級配位過程中的金屬離子、配位體濃度變化，再計算出穩(wěn)

4、定常 數。而不是將產物逐級分解，研究分解過程的各個組分的濃度變化。人們往往出于經濟觀點認為氨基酸比微量元素價格高，在螯合物產品中如 有過剩的金屬離子則有“抽條”之嫌。事實上從化學合成角度看，氨基酸和微 量元素任何一者過量許多都是不合理的，而且生產廠家做到氨基酸稍稍過量是 完全可以的，不存在成本問題。在同樣條件下，螯合物的穩(wěn)定常數是螯合物的 理化性質，其常數的大小是由化學結構和熱力學原理決定的，測定方法不同其 常數將有微弱不同，但是決不以人的意志為轉移。實際上這種產品多半是以甘氨酸：鐵的摩爾比 1： 1，由于甘氨酸分子量 小及未移去質子氫，具有可溶性。但這只是一種化學反應中的一種過渡形態(tài)， 在溶

5、液環(huán)境中 Fe2+與配位體甘氨酸的摩爾比會由 1：1 自發(fā)反應到 2：1 或 3： 1 的穩(wěn)定狀態(tài)，此時，部分鐵解離出來以離子形態(tài)存在，這過程是符合配位化學 熱力學的原理，而不是以人們的想象而定義。1.3 穩(wěn)定常數和不穩(wěn)定常數仍以 Fe2+ 和 CH2(NH2)COOH的絡合反應為例：Fe2+ + 3CH2(NH2)COOH Fe (CH2(NH2)COOH3) 該生成反應是可逆的，在一定的條件下，達到平衡。在溶液中生成配合物 的反應是分級進行，絡合反應有相應的逐級穩(wěn)定常數 K1、K2、K3 其乘積 3， 3表示配位數為 3 的累積穩(wěn)定常數，分級絡合反應和相應的逐級穩(wěn)定常數表述如 下：Fe(C

6、H2NH2COOH)2+Fe 2+ CH 2NH2COOH(2)CH2NH2COOH + Fe(CH2NH2COOH)2+ Fe (CH2NH2COO)H 2相應的平衡常數為 :Fe(CH2NH2COOH2)2+CH2NH2COOH Fe(CH2NH2COOH)2+(3) CH 2NH2COOH + Fe(CH2NH2COOH2) Fe(CH 2NH2COOH3)相應的平衡常數為 :Fe(CH2NH2COOH3)2+CH2NH2COOH Fe(CH2NH2COOH2) 2+1=K1， 2=K1.K 2， =K1.K 2.K 3例如在水中：Fe（CH2NH2COOH）2+ Fe2+ + CH2N

7、H2COOHFe 2+和CH2 NH2COOH分 別表示平衡時的 Fe2+ 和 CH2 NH2COOH的摩爾濃 度，常數 K稱為絡離子的離解常數， 數值越大越不穩(wěn)定，這個常數稱為絡 離子的不穩(wěn)定常數 , 即 K 不，絡離子可在水中解離如 Fe （CH 2 NH2COOH3） 的解離可分三級，分別有 K1 不、K2不、K3 不、3 個不穩(wěn)定常數，其乘積 K不 其不穩(wěn)定常數為： K 不=由上述可知，人們容易把“反應得率”認作“螯合率”，并把螯合率作為 質量象征 .事實上在進行螯合反應時只要提高配位體 （如氨基酸 ）的用量可實現(xiàn) 完全的螯合。需要說明的是由于螯合工藝的不同，產物的理化性質也不同，主

8、要表現(xiàn)在溶解度不同、結晶形態(tài)不同及產品穩(wěn)定性的不同。在自然界中（如在飼料中），在動物消化道中微量金屬元素離子與氨基酸 類物質形成 1:1 （M/M）的螯合物是很普通的事，也由于 1:1 （M/M）的不穩(wěn)定螯 合物（ H+和強配位體的影響）金屬離子可以與其他非氨基酸配合物（如植酸、草 酸、磷酸）形成穩(wěn)定而“無效” 的螯合物不容易被動物吸收利用。表 1 部分絡合物的穩(wěn)定常數 log 配位體名稱金屬離子LogK1LogK1K2富馬酸Fe2+2賴氨酸4甘氨酸4.37.8蛋氨酸3.246.7EDTA14.3甘氨酸Cu2+8.2215.6蛋氨酸14.7富馬酸2.51甘氨酸Mn2+3.446.63富馬酸0.

9、99EDTA13.4賴氨酸2.18蛋氨酸2甘氨酸Zn2+5.16,5.529.96蛋氨酸4.38EDTA16.1甘氨酸Co2+5.239.25EDTA16.1亮氨酸組氨酸蛋氨酸4.97.38.2511.67.9從表 1 的數據可以看到微量元素氨基酸螯合物的穩(wěn)定常數 （ LogK1 或 LogK1.K2 ）都在 1036或 10310，而有機酸的穩(wěn)定常數大于 102，EDTA的穩(wěn)定 常數（ LogK1 ）都大于 1013，螯合物的穩(wěn)定常數過低和過高都會影響動物 的吸收和利用， 同時我們也看到同一種氨基酸 （配位體） 與不同金屬元素 形成的螯合物穩(wěn)定常數亦有差別； 金屬元素與氨基酸的摩爾比 （MM

10、 2） 時穩(wěn)定常數增大很多。動物實驗表明：螯合物 （ 內絡鹽和某些絡陽離子 ） 在單胃動物胃中的不溶性， 有利于螯合物保持穩(wěn)定性， 然而在胃中不易溶 解的螯合物可在小腸中溶解吸收，在消化道中溶解的螯合物有利于吸收。2鑒別方法2.1 問題的提出 人們往往很關心螯合物產品是螯合物還是混合物？螯合了多少？ 通過較為復雜理化分析方法紅外光譜、 示差測熱、 X射線衍射可以鑒定螯合 物產品和混合物，這些方法并不能測定出產品中“少量”存在的游離金屬離子。 通常用來研究絡合物穩(wěn)定常數的各種測定方法（分光光度法、電化學法、層析 法），都是通過配位體和金屬離子絡合過程的濃度變化來計算穩(wěn)定常數。事實 上螯合物產品可

11、以用簡單的物理、化學鑒定方法定性，如：如觀察螯合前后化 合物顏色的改變、用顯微鏡觀察產品結晶的不同，并結合定量鑒定分析來鑒別。圖 1 蛋氨酸的紅外光譜圖圖 2 蛋氨酸鋅的紅外光譜圖2.2 化學的鑒定方法例1 蛋氨酸鉻與無機鉻、無機鉻蛋氨酸，用甲醇提取后觀察提取液顏色，蛋 氨酸鉻為紅紫色，無機鉻和無機鉻蛋氨酸為深綠色（ Cr3的顏色）例2 甘氨酸鐵與硫酸亞鐵、硫酸亞鐵甘氨酸在鏡檢時可以觀察到各個化合物 結晶的不同，用甲醇提取上述樣品，可以觀察到不同的顏色反應（見表2）表2鄰菲羅啉試劑溴酚藍試劑吡啶試劑KOH試劑1:1Gly-Fe 提取橙紅藍紫色藍色天藍渾濁液2:1Gly-Fe 提取淺粉橙紅淺棕黃

12、色藍色天藍渾濁液FeSO4提取液橙紅沉淀橙色，沉淀藍紫色、酒紅沉 淀灰綠渾濁FeSO4 +Gly 提取 液橙紅沉淀橙色，沉淀藍紫色、酒紅沉 淀灰綠渾濁空白（甲醇）0.1ml無色透明黃綠色藍色天藍渾濁3. 關于摩爾比和配位體 在溶液中進行螯合反應時控制產物摩爾比的辦法是控制物料的摩爾比、物 理條件、結晶方法。摩爾比 1:1 的螯合物產品在國外普遍應用，由于其配位體 含量高和界外離子的關系絡合物的溶解度一般都比較大，摩爾比2:1 3:1 的螯合物除了內絡鹽型之外溶解度也比較大，但其穩(wěn)定常數要高得多，溶解度與穩(wěn) 定性有互相影響。不同的配位體、不同的摩爾比、配位的方式決定了其穩(wěn)定常 數、溶解度，在生物體系中上述問題也發(fā)生（但應區(qū)別于“蛋白鹽”） 動物利用微量元素的基本過程：口服溶解吸收代謝沉積，由于用 量較低，在飼料中、水體中、動物消化道中螯合物受到溶劑、 pH、配位場的影 響，相對而言溶解度都是較大的。在生物體中配位體的含量絕對大于微量元素， 微量元素在發(fā)揮生物化學作用的過程中是不斷地與各種配位體絡合，其交換的 過程也決定了絡合物的體內運轉、利用的效率。摩爾比高的螯合物相對于低的穩(wěn)定 , 這只是化學穩(wěn)定性，在飼料的生產過程 其性質有利于提高產品質量，在生物體內如何衡