桑诚诚 陶建军 彭红星 周长虹

（长沙兴嘉生物工程股份有限公司，湖南 长沙 410000）

近年来，如何提高矿物质微量元素的生物利用效率成为畜禽生产中关注的热点话题[1-3]。直接给机体补锌不宜吸收，还会带来负面影响[4]。与传统的硫酸锌（ZnSO4）和葡萄糖酸锌（Zn(C6H11O7)2）相比，甘氨酸锌是一种更好的补充剂[5-7]。甘氨酸锌纯品中锌含量为30.28%，是一种锌含量较高的补锌试剂。国内外学者对不同水平的甘氨酸锌的合成方法及晶体结构进行研究[8-10]。锌与配体形成四配位的配合物时，其外层原子轨道采用sp3杂化；形成六配位的八面体配合物时采用sp3d2杂化。根据配位场理论，Zn2+为d10组态，各配位场晶体场稳定化能在强场和弱场中均为0，由于不同的合成条件及特殊的配位体影响，锌可采用sp3d杂化形成五配位的配合物。因此，在不同的化学反应条件下能够得到不同配位结构的螯合物[11-14]。

氨基酸系列补锌产品甘氨酸锌在食品营养强化剂国标GB 1903.2—2015中分子式为Zn(C2H4NO2)2·H2O，理论锌含量为31.8%。农业农村部公告第1126 号批准甘氨酸锌能够作为饲料添加剂使用，甘氨酸锌标准中分子式为［Zn(C2H5NO2)2·4H2O］ SO4·ZnSO4·6H2O，锌含量大于21%。甘氨酸锌的吸收机制与普通的无机盐存在很大区别，其在螯合物中心的金属元素可通过小肠绒毛刷状缘，在通过氨基酸分子通道从肠黏膜吸收，免遭一些理化因素的影响，如草酸、植酸、磷酸盐及霉菌毒素等，能够高效吸收，因此具有较高的生物学效价[15-17]。目前常见合成甘氨酸锌的方法主要有水合成法、固相合成法、电解法和相平衡法等，锌源为ZnCl2、ZnSO4和ZnCO3等，其合成的产物均为单斜晶体的五配位甘氨酸螯合物[18-19]。本试验中通过调节pH 值得到了一种四配位的甘氨酸锌五元螯合物，与之前报道得到的甘氨酸锌相比是不同的晶系，丰富了甘氨酸锌的晶体结构库，为不同晶型之间的转变提供了可能性。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

甘氨酸、氧化锌、稀盐酸、氢氧化钠、无水乙醇均购自阿拉丁公司。

单晶X-射线衍射仪（德国Bruker 公司）、电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）、PHS-3BpH计（上海精科实业有限公司）、SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸易有限公司）、Elementar Corporation Vario EL Ⅲ元素分析仪（德国elementar 公司）、磁力搅拌油浴（水浴）搅拌器（湖南双新仪器仪表有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 甘氨酸锌合成

甘氨酸与不同锌源发生反应时可以形成不同的产物[13]，本文中使用氧化锌为锌源，其化学反应方程式为：ZnO+2C2H5NO2=Zn(C2H4NO2)2·H2O。

具体步骤为：将10 g C2H5NO2用水溶解，调节pH值至9～10，加热至90 ℃，加入4.5 g 氧化锌进行反应，反应搅拌3 h，过滤未反应的粉末，得到澄清母液；将母液稀释，加入44%乙醇进行结晶，得到白色晶体，晶体用乙醇继续清洗，低温烘干，得到纯的甘氨酸锌晶体粉末。

1.2.2 反应条件筛选

本研究选择pH值、原料物质的量的比、温度进行单因素试验，观察反应体系溶液状态，记录产物的重量，检测产物锌及甘氨酸含量，计算产物中锌及甘氨酸的物质的量的比，筛选最优反应条件。

1.2.2.1 甘氨酸∶锌对产率的影响

根据配体的配位点及金属中心，并保证能够发生反应，遵循节省物料的原则，在反应过程中选择甘氨酸∶锌物质的量的比为1.0∶1、2.0∶1、2.5∶1、3.0∶1。

具体步骤为：将10 g C2H5NO2用水溶解，调节pH值至9～10，加热至90 ℃，加入11.1 g（甘氨酸∶锌物质的量的比为1.0∶1）、5.6 g（甘氨酸：锌物质的量的比为2.0∶1）、4.5 g（甘氨酸∶锌物质的量的比为2.5∶1）、3.7 g（甘氨酸∶锌物质的量的比为3.0∶1）氧化锌进行反应，搅拌3 h，过滤未反应的粉末，得到母液，加入44%乙醇进行结晶，得到甘氨酸锌粉末。

1.2.2.2 不同温度对产率的影响

螯合反应为吸热反应，升温可加速分子间的碰撞，造成有效碰撞加剧，反应温度提高能够有效增加化学反应速度，平衡常数增大，但温度过高也容易造成副反应产生；反应温度太低，则不利于配位反应。因此，本试验中氨基酸螯合反应温度选择50～100 ℃。

具体步骤：将10 g C2H5NO2用水溶解，调节pH值至9～10，加热至50～100 ℃，加入4.5 g（甘氨酸∶锌物质的量的比为2.5∶1）氧化锌进行反应，将反应搅拌3 h，过滤未反应的粉末，得到母液，加入44%乙醇进行结晶操作，得到甘氨酸锌粉末。

1.2.2.3 pH值对产率的影响

反应的pH值一般需要精准调节，酸性氨基酸一般在脱氢后，易与金属盐发生反应。舒绪刚等[9]研究表明，在加热的条件下，甘氨酸与氧化锌可生成五配位的2∶1型甘氨酸锌。因此，本试验调节pH值7～11。

具体步骤：将10 g C2H5NO2用水溶解，调节pH值至7～11，加热至90 ℃，加入4.5 g（甘氨酸∶锌物质的量的比为2.5∶1）氧化锌进行反应，搅拌3 h，过滤未反应的粉末，得到母液，加入44%乙醇进行结晶操作，得到甘氨酸锌粉末。

1.2.3 锌含量定量分析

甘氨酸锌中锌含量采用（DB 43/T 888—2014）。称取0.2 g 试样（精确至 0.000 2 g），置于 250 mL 锥形瓶中，加 20 mL（1+3）盐酸溶液，加热煮沸5 min，使试样全部溶解，用少量水冲洗瓶口，冷却，加 10 mL 水，5 mL 氟化钾溶液，2 滴二甲酚橙指示液，摇匀。用氨水溶液调节至溶液呈浅红色，加10 mL 硫脲饱和溶液，20 mL乙酸-乙酸钠缓冲溶液，4 g碘化钾，摇匀。用乙二胺四乙酸二钠标准滴定液滴定至溶液呈亮黄色即为终点。记录所消耗的乙二胺四乙酸二钠的体积，计算锌含量。锌含量计算公式参考DB 43/T 888—2014。

1.2.4 甘氨酸含量定量分析

甘氨酸锌中氨基酸含量采用凯氏定氮法测定，称取甘氨酸锌样品，加入无水硫酸铜和无水硫酸钠混合指示剂，10 mL 浓硫酸，450 ℃消解2 h，定氮，继续加入甲基红-溴甲酚绿，用0.1 mol/L 稀盐酸滴定，由深绿色滴定至绿色消失。记录稀盐酸的消耗量，计算甘氨酸含量。甘氨酸含量计算公式参考DB 43/T 888—2014。

1.2.5 红外分析

红外光谱法可研究化合物中的不同结构及化学键，利用溴化钾压片法对配体与螯合物的红外光谱图进行对比分析，利用谱图进行鉴定官能团，找出差异在，分析结构区别。红外光谱图是定性鉴定的依据之一。

取甘氨酸和甘氨酸锌粉末各10 mg，分别与1 g 溴化钾粉末混合研磨，研磨时，不断用小不锈钢铲，把样品刮至研钵中心，以便研磨得更细，避免颗粒不均匀产生散射，造成基线不平。将处理好的样本置于压片机上压片后，置于红外光谱仪上测试，扫描4 000～400 cm-1红外光谱。

1.2.6 晶体结构

选择合适尺寸的单晶测试，置于Bruker Smart 1000 CCD型单晶衍射仪上，使用石墨单色化钼靶（λ=0.071 073 nm）辐射光源，在296 K 条件下，2.560°≤θ≤24.990°范围内共收集了675个独立衍射点，其中可观测点657个。晶体结构采用直接法给出，对所有非氢原子坐标及各向异性参数进行全矩阵最小二乘法修正。

1.2.7 元素分析

根据使用仪器C、H、N等元素测试范围，用锡罐称取均匀的30 mg甘氨酸锌粉末，精确至±0.001 mg，试样在纯氧的条件下进行高温燃烧，生产二氧化碳、水蒸气、氮氧化物及氮，将混合气体以氦气作为载气，使用热铜管除去剩余的氧，将氮氧化物还原成氮，采用合适的吸收方法分离出N2、CO2、H2O，采用Elementar Corporation Vario EL Ⅲ元素分析仪（德国elementar 公司）的检测器检测，分别计算得到含量。

2 结果与分析

2.1 反应条件筛选结果

2.1.1 甘氨酸∶锌对甘氨酸锌产率的影响（见表1）

由表1可知，当甘氨酸∶锌的物质的量的比为1.0∶1时，氧化锌出现了剩余，溶液中可明显观察到白色浑浊物，而2.0∶1时仅有少许沉淀，2.5∶1、3.0∶1的溶液澄清透明，表明2.0∶1 时基本反应完全，2.5∶1 及3.0∶1完全反应；当甘氨酸∶锌的物质的量的比为2.5∶1 反映的收率最高，达84.6%，这组甘氨酸含量为63.7%（理论值64.90%），锌含量28.2%（理论值28.24%），与理论值接近；产物中甘氨酸∶锌的物质的量的比为1.97∶1，接近理论值2∶1。

因此，选择甘氨酸∶锌物质的量的比为2.5∶1 较合适。

2.1.2 不同温度对甘氨酸锌产率的影响（见表2）

表2 不同温度对甘氨酸锌产率的影响

由表2可知，50～90 ℃时，随着反应温度升高，甘氨酸锌收率逐渐提高，由67.8%升高至84.6%，90 ℃时甘氨酸锌反应产物甘氨酸∶锌物质的量的比为1.97∶1，接近于理论值2∶1；在100℃时，收率基本维持不变；当反应温度低于90 ℃时，会有不溶物产生，表明原料氧化锌未完全参与化学反应，最终产物会减少，收率降低，使甘氨酸∶锌的物质的量的比偏离理论值2∶1。因此，为了保证产物能达到甘氨酸∶锌物质的量的比接近理论值，避免能耗浪费，选择90 ℃作为反应温度。

2.1.3 不同pH值对甘氨酸锌产率的影响（见表3）

表3 不同pH值对甘氨酸锌产率的影响

由表3 可知，pH 值在9、10 时才会产生棒状晶体，其大小足够进行晶体测试，晶体较大，更容易实现工业生产。pH值为7、11时不会产生晶体，可能是由于pH值为7时，甘氨酸上羧酸氢没有与碱反应生成羧酸根离子，也就不能与锌进行配位；而pH值为11时，可能甘氨酸上羧酸氢与碱反应生成羧酸根离子，能够与锌进行配位，但由于碱性太强，造成锌与碱形成了氢氧化锌，成为沉淀被过滤，所以后续无甘氨酸锌晶体产生，pH值为8时，晶体过小，不易测试。因此，选择pH值为9～10进行试验。

2.2 定性分析结果

称取0.1 g 甘氨酸锌螯合物粉末，加入100 g 水使溶解，取5 mL甘氨酸锌溶液，加入1 mL乙酸-乙酸钠缓冲液（pH 值6.0），加入1mL 茚三酮溶液，煮沸约5 min，可看到溶液显示明显蓝紫色，符合α-氨基酸与茚三酮的典型显色反应，表明含有α-氨基酸的结构。

称取0.2 g 甘氨酸锌螯合物粉末，加10 mL 稀盐酸溶液，加热至试样全部溶解，加5 mL水，使用氨水调节试验溶液pH 值为4～5，加两滴硫酸钠溶液，加数滴双硫腙四氯化碳溶液和1 mL 三氯甲烷，振摇，有机层显紫红色，表明含有锌离子。

2.3 红外分析结果

光谱分析是一种根据物质的光谱鉴别物质并确定其化学组成、结构或相对含量的方法。本研究采用KBr 压片法测定甘氨酸及甘氨酸锌在波数为4 000～400 cm-1红外光谱，结果见图1、图2。

图1 甘氨酸的红外光谱

图2 甘氨酸锌的红外光谱

钟国清[10]报道，甘氨酸具有特征峰。由图1可知，甘氨酸的特征峰在2 227 cm-1NH3＋，而特征峰在甘氨酸锌螯合物红外谱图中完全消失。甘氨酸在2 600～3 100 cm-1具有较宽的吸收峰，1 629 cm-1为羧酸根的反对称振动，1 390 cm-1为羧酸根的对称振动，甘氨酸中羧酸根的反对称振动与对称振动差值为239 cm-1。1 436 cm-1为C—C伸缩振动，1 126 cm-1为C—H伸缩振动。

由图2 可知，甘氨酸锌中3 100～3 500 cm-1处出现了较宽的吸收峰，3 447 cm-1处的O—H 伸缩振动吸收峰，表明甘氨酸锌中存在结晶水。3 309 cm-1为N—H 的反对称伸缩振动吸收峰和3 268 cm-1为N—H 对称伸缩振动吸收峰，与甘氨酸中的N—H（3 106 cm-1处）相比发生了明显的蓝移，在530 cm-1处出现了Zn—N的伸缩振动峰，表明形成了配合物。1 594 cm-1为甘氨酸锌中的羧酸根反对称伸缩振动，1 409 cm-1是甘氨酸锌中的对称伸缩振动，甘氨酸锌中羧酸根的反对称振动与对称振动差值为185 cm-1（甘氨酸羧酸根的反对称振动与对称振动差值为239 cm-1），表明分子中存在螯环。因此，甘氨酸在形成甘氨酸锌晶体后红外谱图发生了明显变化。

2.4 元素分析结果

本试验进一步使用元素分析仪对该螯合物中的元素进行测定，发现C 含量20.89%，H 含量4.28%，N 含量11.87%，Zn含量28.35%；一水甘氨酸锌的理论值为C含量20.75%，H 含量4.35%，N 含量12.1%，Zn 含量28.24%。理论值与测定值接近，可该螯合物的化学式为Zn(NH2CH2COO)2·H2O。

2.5 单晶结构分析

取0.23 mm × 0.12 mm × 0.78 mm 大小的甘氨酸锌单晶置于Bruker Smart 1000 CCD 型单晶衍射仪上，甘氨酸锌螯合物晶体参数见表4。

表4 甘氨酸锌螯合物晶体参数

由表4可知，晶体为单斜晶系，空间群为c2/c，晶体的轴长为a=17.567(3)Å，b=5.207 3 (16)Å，c=9.829 9 (13)Å，晶体的轴角：α=90°，β=121.072(1)°，γ=90°，单位晶胞所含的分子数Z＝4，晶胞体积V＝770.205 Å3，晶体密度计算值Dc＝1.997 g/cm3，非权重一致性因子R1＝0.070 8（433），权重一致性因子wR2＝0.168 6（657）。

甘氨酸锌的化学结构、晶胞堆积见图3、图4。

图3 甘氨酸锌的化学结构

图4 甘氨酸锌的晶胞堆积

由图3、图4 可知，锌作为金属中心在配位中采取4配位的模式，分子中的水分子不参与配位，跟已报道的络合物中的锌原子采取五配位方式，形成畸变的三角双锥构型，是完全不同的结构；这里的锌与甘氨酸分子中的氮及氧形成2 个五元杂环，2 个五元杂环位于同一平面；该晶体中锌带2 个单位正电荷，甘氨酸由于脱氢，带有1 个单位负电荷，1 个锌中和2 个甘氨酸脱氢后的电荷，整个体系呈中性环境。

分子的主要键长键角见表5、表6，该甘氨酸锌螯合物的CCDC号为2155579。

表5 甘氨酸锌螯合物的键长 单位：nm

表6 甘氨酸锌螯合物的键角

3 讨论

本研究通过元素分析、单晶结构、红外光谱分析表明，改变液相反应的pH值，采用扩散法得到了甘氨酸锌晶体。Low 等[20]研究得到甘氨酸锌晶体分子式为Zn(NH2CH2COO)2·H2O，晶体结构为三斜晶系，锌离子为六配位，配体甘氨酸的羧基和氨基与锌离子形成五元螯合环。徐鑫[21]先用硫酸锌溶液和氢氧化钠间接法制得白色针状晶体，采用红外光谱和单晶X-射线衍射分析了甘氨酸锌晶体，结果得到，甘氨酸锌的分子式为Zn(NH2CH2COO)2·H2O，为单斜晶系，五配位的锌，配体的氨基与羧基与锌离子形成五元螯合环。本文得到的甘氨酸锌是单斜晶系，锌以四配位的方式与配体中的氧及氮配位，处于同一平面，与上述研究得到的五配位及六配位的空间结构存在很大的区别，这可能是由于本试验在合成过程中调节了反应体系的pH值，抑制了甘氨酸与氧化锌的反应速度，改变了甘氨酸锌的结晶过程，由于水分子不参与配位，使本试验得到的甘氨酸锌失去一分子结晶水所需要的能量更低，更易干燥，得到更高含量的甘氨酸锌，为今后合成不同结构的螯合物提供了思路。

4 结论

本试验确定了甘氨酸锌最佳合成条件为甘氨酸与氧化锌的物质的量的比为2.5∶1，反应温度为90 ℃，pH值为9～10；经过元素分析和X-射线单晶衍射仪分析确定了化学式为Zn(NH2CH2COO)2·H2O。