阳离子交换树脂法制备L-组氨酸钙工艺

第9卷第6期过程工程学报Vol.9No.62009年12月TheChineseJournalofProcessEngineeringDec.2009收稿日期：2009−08−25，修回日期：2009−9−23基金项目：福建省泉州市科技计划重点基金资助项目(编号：2005G6)作者简介：甘林火(1979−)，女，江西省南昌市人，硕士，讲师，从事生化物质提取分离及其食品添加剂的合成制备研究，E-mail:[e-mail].阳离子交换树脂法制备L-组氨酸钙工艺甘林火1，翁连进1,2，陈金河1(1.华侨大学化工学院，福建厦门361021；2.泉州市泉港南元化工有限公司，福建泉州362811)摘要：采用阳离子交换树脂法制备L-组氨酸螯合钙，测定了D151和110两种弱酸型阳离子交换树脂的钙离子交换容量及其在26℃下的交换动力学曲线，并考察了温度、NaOH与L-组氨酸摩尔比、L-组氨酸初始浓度和树脂量对2种树脂钙交换过程的影响.结果表明，D151和110的钙交换容量分别为1.12和2.59mmol/g；交换过程迅速，工业上交换0.5h即可达到平衡；钙离子交换是一个放热过程，工业生产中可在室温下或低温下进行；适宜的NaOH与L-组氨酸摩尔比为(1∼1.25):1；用D151树脂时适宜的L-组氨酸初始浓度和树脂量分别约为0.46mol/L和0.125g/mL；用110树脂时分别约为0.4mol/L和0.15g/mL.关键词：阳离子交换树脂；离子交换；L-组氨酸；钙；螯合中图分类号：O629.7文献标识码：A文章编号：1009−606X(2009)06−1103−061前言钙是生物体中含量最丰富的矿物元素，其作用除了作为机体骨骼和牙齿的成分外，还参与多种生理活动，对生物的生命活动起着极其重要的作用.目前国内市场上钙类添加剂从钙源组成来看主要有以无机盐为主的产品、以普通有机盐为主的产品和具有生物活性的氨基酸钙三大类[1].由于氨基酸特有的生理生化功能，临床前药理学研究表明，实验动物对以氨基酸螯合钙为代表的第三代补钙制剂的吸收利用效果明显优于无机、有机钙制剂；且临床研究也表明分子型氨基酸螯合钙相对无机、有机钙制剂具有吸收率高、存留率高、缓释、与骨有高度亲合性和无毒副作用等特点，是目前较理想的钙源[2−4].同时L-组氨酸(L-Histidine)是一种半必需氨基酸，对幼儿生长发育则是必需氨基酸，它在食品、医药、临床等领域应用越来越广，尤其对慢性尿毒症有明显疗效，成为尿毒症患者的必需氨基酸[5,6].L-组氨酸螯合钙既能补钙又能补充人体必需的氨基酸，对人体健康具有营养和治疗的双重功效，且氨基酸等小分子生物配体的金属配合物不仅具有重要生物功能，而且往往也是金属蛋白、金属酶等生命大分子配合物为维持其结构和功能所必需的活性中心[7,8].因此研制L-组氨酸螯合钙有巨大的社会经济效益，可改善人们的健康水平.本课题组近10年来致力于研究利用离子交换树脂法从蛋白水解液中分离提取L-组氨酸等贵重蛋白氨基酸[9−12]，并取得了工业化成果，近几年开展了氨基酸螯合钙的研究.目前国内外氨基酸钙的生产方法主要有水体系合成法[13−21]、微波固相合成法[22]、电解合成法[23,24]等.氨基酸与过渡金属和稀土易配位[25]，在溶液中可以直接发生螯合反应，而采用水体系合成法制备氨基酸钙较适用于酸性氨基酸，但后续处理工艺复杂，产生大量的废水，造成环境污染.微波固相法在反应过程中需要将反应物不断地取出来研磨，虽然产率较高，但过程烦琐，较适于实验室合成，很难工业化.电解合成法耗能高，同时离子选择性透过膜再生困难.甘林火等[1]提出一种新的制备氨基酸螯合钙的方法⎯阳离子交换树脂法，并成功利用该方法制备了L-亮氨酸螯合钙，对其进行了表征，确定了其化学结构[26]；同时通过动物实验对其进行生物利用度研究[27]，其相对生物利用度是葡萄糖酸钙的175.3%，效果很好.与前述方法相比，阳离子交换树脂法具有不需供能、树脂可反复再生、工艺条件简单、对环境无污染、易实现工业化生产等优势.目前国内外对离子交换树脂应用于氨基酸方面的研究主要还集中于分离多种氨基酸[28−30]、离子交换过程的动力学研究[31]和氨基酸与树脂之间力的作用[32]等.L-组氨酸金属螯合物的制备主要集中在组氨酸与稀土之间[33−35].现阶段本课题组继续利用阳离子交换树脂法制备另一种氨基酸螯合钙⎯L-组氨酸螯合钙，在钙离子与钠离子的交换过程中完成钙与L-组氨酸的螯合.本工作拟通过单因子静态实验法，分别考察主要因素对D151和110两种弱酸型阳离子交换树脂制备L-组氨酸螯合钙过程中钙离子交换的影响，得到制备L-组氨酸螯合钙的适宜工艺参数，为上柱动态研究和工业开发1104过程工程学报第9卷离子交换树脂法制备L-组氨酸螯合钙产品的工艺过程奠定基础.2实验2.1仪器与试剂BS-210S电子天平(德国赛多利斯公司)，501型超级恒温槽(上海市实验仪器厂)，HJ-6多头磁力加热搅拌器(常州国华电器有限公司)，DZF-6020型真空干燥箱(上海博讯实业有限公司).L-组氨酸(生化试剂，上海惠兴生化试剂有限公司)，D151和110弱酸型阳离子交换树脂(广东西陇化工厂)，其性能如表1所示，氯化钙(分析纯，上海化学试剂公司)，其他均为分析纯试剂.表1离子交换树脂的性能Table1TypicalphysicalpropertiesofionexchangeresinsusedintheexperimentsResinFunctionalityExchangecapacity(mmol/g)Pearlsize(%)Availablesize(mm)D151⎯COONa≥8.0≥950.315∼1.25110⎯COONa≥11.5≥950.315∼1.252.2树脂的预处理、转型及钙交换容量的测定工业上需要大量的树脂，为了提高树脂利用率，一般采用动态交换法进行转型.由于实验所需树脂量较少，且无机离子间交换速率快，因此采用静态法进行钙型树脂的转型.分别将D151和110弱酸型阳离子交换树脂用水浸泡，漂至上液澄清，用2mol/LHCl溶液和2mol/LNaOH溶液反复浸泡3次，洗至中性后将树脂转化为钙型.首先用一定浓度CaCl2溶液浸泡、搅拌树脂一次后过滤并测定滤液中钙离子浓度和滤液体积，然后继续用一定浓度CaCl2溶液再浸泡、搅拌一次后过滤并测定滤液中钙离子浓度和滤液体积，最后用蒸馏水洗3次至洗液中基本无氯离子、钙离子，每次都测定洗液过滤后的钙离子浓度和滤液体积，最终抽滤至干后备用.阳离子交换树脂的钙交换容量m0按下式计算：m0=[CCa10V10+CCa20V20−CCa1V1−CCa2V2−=3ww=1()∑niiiCV]/Wr0,(1)其中，CCai0,Vi0和CCai,Vi是第i次CaCl2溶液浸泡搅拌树脂前、后溶液中钙离子浓度和体积，Cwi和Vwi是第i(i=1,2,3)次水洗树脂后滤液中钙离子浓度和滤液体积.2.3溶液中钙离子的定量测定方法交换后溶液中钙离子的定量测定采用EDTA络合滴定法[36].2.4实验方法采用静态实验法，配制一定浓度的L-组氨酸钠溶液，加入到具塞锥形瓶中，再加入一定量的钙型离子交换树脂，搅拌30min后过滤.取一定量滤液，用EDTA络合滴定法测定钙离子的洗脱浓度CCa、洗脱率E和理论最大螯合率e，计算公式如下：E=[(CCaV)/(Wrm0)]×100%,(2)e=2CCa/CL-His×100%.(3)3结果与讨论3.1树脂总钙交换容量的测定分别实验测定D151和110弱酸型阳离子交换树脂转化成钙型的交换容量，结果如表2所示.由表可知，D151和110弱酸型阳离子交换树脂的钙交换容量分别为1.12和2.59mmol/g.表22种树脂的钙交换容量Table2CalciumexchangecapacityoftworesinsConcentrationofcalcium(mol/L)Solutionvolume(mL)ResinCCa10CCa1CCa20CCa2Cw1Cw2Cw3V10V1V20V2Vw1Vw2Vw3Resinquantity,Wr0(g)Calciumexchangecapacity,m0(mmol/g)D1510.920.1710.920.620.080.0070.001500670500714580578580281.61.121101.90.6240.980.460.030.0070.001500722500918510516406215.22.593.2交换动力学曲线在26℃下，先将0.03molNaOH与0.02molL-组氨酸加入250mL锥形瓶中，再加入100mL蒸馏水，搅拌待其完全溶解后，加入树脂10.0g，分别考察时间对D151和110弱酸型阳离子交换树脂钙离子洗脱浓度的影响，并对不加入L-组氨酸的空白溶液(D151∗,110*)的钙离子交换过程进行了对比，交换动力学曲线如图1所示.可知2种树脂交换过程速度快，D151和110弱酸型阳离子交换树脂钙离子达到交换平衡的时间分别约为20和10min.这主要是由于无机离子半径小，粒扩散速度大，从而使交换速度快，在实际工业生产中搅拌30min即可停止.另外，由2组对比实验可知，加入L-组氨酸的溶液中钙离子交换浓度明显高于不加L-组氨酸，D151比不加L-组氨酸时的钙离子洗脱浓度甚至高了1∼2倍，原因主要是加入L-组氨酸的溶液中被Na+交换下来的Ca2+与L-组氨酸发生了螯合反应.第6期甘林火等：阳离子交换树脂法制备L-组氨酸钙工艺1105图1吸附动力学曲线Fig.1KineticadsorptioncurvespH值较高(7.59)时，溶液中的L-组氨酸是以一价阴离子形式存在，当钙型树脂加入到含L-组氨酸的NaOH溶液中时，树脂上的Ca2+只与Na+发生阳离子之间的交换，如式(4)所示，而L-His−仍保留在溶液中.而且在较高的pH值下，氨基酸配体中的羧基和氨基可同时脱去质子而参与配位，配位方式主要是形成了氮氧五元螯合环而使配合物非常稳定[25,37].此时树脂上交换下来的Ca2+与L-组氨酸发生作用，不断反应生成L-组氨酸螯合钙，如式(5)所示.Ca2+不断消耗促使反应(4)向右进行，同时继续洗脱下来的Ca2+又促使反应(5)不断向右进行，生成L-组氨酸螯合钙，最终促使整个过程交换下来的Ca2+浓度大大高于只有反应(4)存在的交换过程(溶液中不加入L-组氨酸).而且2个反应相互促进，提高了L-组氨酸钙的螯合率，这也是阳离子交换树脂法制备L-组氨酸螯合钙的一大特点.如果将螯合生成的L-组氨酸钙不断移走，并不断加入反应溶液，将大大加快反应(4)和(5)的反应速率，进一步提高L-组氨酸钙的螯合率.[R(CH)2COO]2−Ca2++2Na+2R(CH)2COONa+Ca2+,(4)NCH2CH(NH2)COOHN2+Ca2+NCH2NCHNH2OCONH2NHCH2CNOOCaCHHH.(5)氨基酸与金属离子的螯合反应为吸热反应，反应温度越高对反应越有利，将反应温度控制在70∼80℃之间较好[38].而本实验采用的离子交换树脂法制备L-组氨酸螯合钙在常温下即可，对设备、能源等要求不高，有利于工业推广，这是该方法的另一大特点.3.3温度对钙离子洗脱浓度的影响温度对D151和110弱酸型阳离子交换树脂钙离子洗脱浓度的影响如图2所示，可见温度升高，2种树脂的钙离子洗脱浓度均呈下降趋势，其中低温时(293K)钙离子洗脱浓度下降较少.式(4)所示的离子交换反应是放热反应.实际工业生产中，冬春两季气温较低，操作可在室温下进行；而夏秋两季气温较高时则要适当降低原料初始温度，以保证较高的钙离子洗脱浓度和L-组氨酸钙螯合率.图2温度对钙离子洗脱浓度的影响Fig.2Effectoftemperatureonelutingconcentrationofcalciumion3.4摩尔比对钙离子洗脱浓度的影响NaOH与L-组氨