一种高能湿法球磨制备氨基酸螯合锌的方法与流程

1.本发明属于氨基酸微量元素螯合物的技术领域，具体涉及一种高能湿法球磨制备氨基酸螯合锌的方法。


背景技术：

2.锌作为生命体的一种基本微量元素，几乎存在于所有动物细胞中，包括人类。锌是生命体成长、组织修复、蛋白质合成等生命活动的重要参与者。缺乏锌将导致伤口的康复时间延长、智力发育迟缓、疲劳、易受病毒感染等。人体的补锌剂大致经历了三个阶段：第一阶段以硫酸锌为主的无机锌盐，尽管它价格低廉，但是其生物利用率低、口感不适，服用后副作用较多。第二阶段是以葡萄糖酸锌为代表的有机弱酸补锌剂，虽然比无机锌盐有较好的吸收，但是其合成复杂，产率低。第三阶段是以氨基酸作配体与锌盐合成而得到的氨基酸螯合锌，其具有在体内ph条件下溶解性好，易吸收，化学稳定性好，生物利用率高以及双重营养的优点。
3.目前，国内外关于氨基酸螯合锌的生产制备工艺主要采用磷酸化技术，硫醇化技术，超声技术和固相合成技术等。如专利cn94114854.8公开了一种氨基酸锌的制备方法，在烧杯中加入蒸馏水，将氨基酸溶解后加入氧化锌，然后在电炉上加热浓缩，冷却到室温后向混合液加入酒精搅拌至有大量的白色晶体析出，静置后过滤得到白色氨基酸锌螯合物晶体。专利cn201510807515.7中将复合氨基酸废液过滤后送入浓缩罐浓缩，然后脱色后得到复合氨基酸液体。同时将硫酸锌粉碎，然后和复合氨基酸液体送入化学反应釜于80℃条件下搅拌进行螯合反应，反应完成后，添加木质素，搅拌反应0.125小时后降温至常温，再添加控释剂，搅拌反应0.125小时，最后将上述反应物浓缩后进行干燥，粉碎即得氨基酸螯合锌粉末。
4.这些方法的影响因素多且不易控制，易产生杂质，收率低（产率《70%），耗能大，产品的纯度低，分离困难。目前，高能球磨技术主要应用于生产粉尘、无定形化合物和金属化合物合金等。有研究发现，在高能球磨后，纳米鱼骨（nfb）悬浮液中的钙离子浓度显著增加，这表明钙在研磨过程中，从鱼骨释放到了悬浮液中，并在鱼骨粒径大小稳定后，释放量仍随球磨时间的延长而逐渐增加。


技术实现要素：

5.本发明人发现高能湿法球磨可能成为制备氨基酸螯合锌的有效新方法。本发明提供了一种高效、快速、简便、规模化的高能湿法球磨制备氨基酸螯合锌的方法。本发明的目的是提供用于制备氨基酸螯合锌的简单、稳定和适用于工业化生产的方法。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种氨基酸螯合锌是将氨基酸配成水溶液，然后按照一定的比例与锌原料混合均匀，再转入高能球磨机的研磨腔进行球磨，过滤后经由喷雾干燥或结晶制备而成。本发明提供了一种高能湿法球磨制备氨基酸螯合锌的生产方法，包括以下步骤：
（1）称取水于反应釜中升温并保持至30～70℃，按照比例加入一定量的氨基酸原料，搅拌至溶解或成均一乳液状态； (2)按照比例加入一定量的锌原料，搅拌混合均匀；(3)将料液转入高能球磨机的研磨腔，在填充率为50%～90%，转速为2000r/min的条件下进行球磨1～5h后，用孔径为0.1～0.45mm的滤膜过滤，备用；(4)采用喷雾干燥法或结晶法对滤液进行处理制备氨基酸螯合锌成品。
7.作为优选，所述氨基酸是两种或两种以上氨基酸单体的混合物，包括甘氨酸、苏氨酸、天门冬氨酸、缬氨酸、丝氨酸、赖氨酸盐酸盐、丙氨酸、脯氨酸中的两种或两种以上的氨基酸混合物。
8.作为优选，所述氨基酸是天门冬氨酸和苏氨酸的混合物。
9.作为优选，所述锌原料选自氧化锌、硫酸锌、氯化锌、碳酸锌中的一种或几种混合物。
10.作为优选，所述锌原料是氧化锌。
11.作为优选，所述步骤(1)氨基酸与锌原料的质量为190～210:75～200，总的反应物浓度为35%～75%（干物质与水的质量比）。
12.作为优选，所述步骤(4)中采用喷雾干燥法制备氨基酸螯合锌的工艺为: 进风口温度150～300℃，出风口温度50～150℃，进料速度为40～80kg/h。
13.进一步优选，所述步骤(4)中采用喷雾干燥法制备氨基酸螯合锌的工艺为: 进风口温度200℃，出风口温度103℃，进料速度为40kg/h。
14.喷雾干燥过程中滤液通过雾化器雾化成颗粒，与热空气直接接触进行热交换干燥，得到氨基酸螯合锌固体粉末。优选的喷雾干燥转速为560r/min。
15.作为优选，所述步骤(4)中采用结晶法制备氨基酸螯合锌的工艺为：滤液在40～90℃进行蒸发浓缩至有氨基酸螯合锌晶体析出时，停止浓缩，控制搅拌速度10～25r/min，以5～15℃/h的梯度进行降温，待有大量结晶逐渐析出完毕后，过滤，将滤饼洗涤干燥，可得到颗粒均匀的氨基酸螯合锌晶体。
16.本发明相比现有技术具有以下有益效果：本发明的原料利用率高，损失少，所制得的氨基酸螯合锌符合食品级要求，采用高能湿法球磨制备氨基酸螯合锌，流程简单易操作，纯度高、质量稳定、节能环保，适合工业化生产。
17.本发明采用的方法制备氨基酸螯合锌，不使用任何有机溶剂，与传统需醇析得到终产品相比，实现了节能环保的目的，并且终产品无醇类物质残留，更符合食品级要求。
18.本发明制备的氨基酸螯合锌具有良好的稳定性，在体内溶解性好、容易被吸收、生物利用率高、无毒副作用、具有补充氨基酸和矿物质的双重作用，可作为食品添加剂或营养补充剂的用途，广泛用于食品、饮料、化妆品、生物医药、健康医疗等领域。
19.本发明所述湿法球磨通过高速旋转球之间的摩擦、碰撞和挤压将料液研磨成纳米级，省去了干法球磨中的抽真空和氩气保护等复杂工艺，降低了生产成本，环保性强，生产条件易于控制，易于实现产业化。本发明通过湿法球磨工艺在机械碰撞和物理剪切作用下，氨基酸和锌原料的粒径不断降低，暴露带电基团增加，有利于锌离子和氨基与羧基配位，从而促进螯合反应。相对于普通湿法合成，进一步提高了氨基酸螯合锌的螯合率；并且该方法
制备得到的氨基酸螯合锌的生物利用率和水溶液稳定性高。
附图说明
20.图1为实施例与对比例分别采用高能湿法球磨和普通湿法对制备氨基酸螯合锌的螯合率影响；图2~图5为分别为反应物浓度、填充率、温度、球磨时间对氨基酸螯合锌螯合率的影响；图6为l-天门冬氨酸的红外光谱图；图7为苏氨酸的红外光谱图；图8为实施例1氨基酸螯合锌的红外光谱图；图9为温度对实施例1氨基酸螯合锌溶液透光率的影响；图10为温度对实施例1氨基酸螯合锌溶液ph的影响；图11为实施例1氨基酸螯合锌和硫酸锌经胃部和肠道消化后的溶解率；图12为实施例1氨基酸螯合锌和硫酸锌经胃部和肠道消化后的透析率。
21.具体实施方式
22.为了更好地理解本发明的内容，下面结合具体实施例作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于对本发明进一步说明，而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明所述的内容后，该领域的技术人员对本发明作出一些非本质的改动或调整，仍属于本发明的保护范围。
23.实施例1称取一定量水于反应釜中升温并保持在60℃，控制反应物浓度为55%，边搅拌边加入20kg天门冬氨酸、2kg苏氨酸。待氨基酸溶液呈乳液状态后加入8.26kg氧化锌，搅拌混合均匀。然后将料液转入高能球磨机的研磨腔，在填充率为70%，转速为2000r/min的条件下进行球磨3h。用0.4mm的膜过滤后进行喷雾干燥制得氨基酸螯合锌干粉，所设置喷雾干燥的参数为进料速度40kg/h,转速为560r/min，进风温度为200℃，出风温度为103℃。
24.实施例2称取一定量水于反应釜中升温并保持在60℃，控制反应物浓度为55%，边搅拌边加入18kg天门冬氨酸、2kg苏氨酸。待氨基酸溶液呈乳液状态后加入7.5kg氧化锌，搅拌混合均匀。然后将料液转入高能球磨机的研磨腔，在填充率为70%，转速为2000r/min的条件下进行球磨3h。采用0.4mm的膜过滤后进行喷雾干燥制得氨基酸螯合锌干粉，所设置喷雾干燥的参数为进料速度40kg/h,转速为560r/min，进风温度为200℃，出风温度为103℃。
25.实施例3称取一定量水于反应釜中升温并保持在60℃，控制反应物浓度为55%，边搅拌边加入18kg天门冬氨酸、2kg苏氨酸。待氨基酸溶液呈乳液状态后加入16.47kg硫酸锌，搅拌混合均匀。然后将料液转入高能球磨机的研磨腔，在填充率为70%，转速为2000r/min的条件下进行球磨3h。采用0.4mm的膜过滤后进行蒸发浓缩，调节温度为60℃，搅拌速度为25r/min，降温梯度为10
°
c/h，浓缩至有晶体析出时，停止浓缩，开始以10
°
c/h缓慢降温，待有大量结晶
逐渐析出完毕后，过滤，将滤饼洗涤干燥，可得到颗粒均匀的氨基酸螯合锌晶体。
26.对比例1 普通湿法制备氨基酸螯合锌称取20kg天门冬氨酸粉末、2kg苏氨酸粉末和8.26kg氧化锌粉末混合均匀，缓慢加入5kg水，充分搅拌成湿品状态，然后将物料于60℃烘箱中进行固相合成3h即得氨基酸螯合锌成品。
27.对比例2普通湿法制备氨基酸螯合锌称取18kg天门冬氨酸粉末、2kg苏氨酸粉末和7.5kg氧化锌粉末混合均匀，缓慢加入5kg水，充分搅拌成湿品状态，然后将物料于60℃烘箱中进行固相合成3h即得氨基酸螯合锌成品。
28.对比例3普通湿法制备氨基酸螯合锌称取18kg天门冬氨酸粉末、2kg苏氨酸粉末和16.47kg硫酸锌粉末混合均匀，缓慢加入5kg水，充分搅拌成湿品状态，然后将物料于60℃烘箱中进行固相合成3h即得氨基酸螯合锌成品。
29.试验例试验例1本试验例说明实施例1～实施例3采用高能湿法球磨制备氨基酸螯合锌与对比例1～对比例3采用普通湿法对制备氨基酸螯合锌的螯合率影响。
30.（1）螯合率的测定方法如下：取相同数量的样品加无水乙醇进行沉淀，静置3h后微滤，浓缩，再用乙醇进行沉淀，再静置3h，稀释100倍后取样，用火焰原子吸收法测定氨基酸-锌原始物料的zn
2+
的总质量和滤液中的游离锌的质量，按照下式计算螯合率：螯合率(%)=（zn
t-znf）/zn
t
* 100%式中：zn
t
表示原料中加入zn
2+
的总质量(mg)；znf表示反应结束后未发生螯合反应的游离zn
2+
质量(mg)。
31.由试验所测得发明实施例1~3与对比例1~3氨基酸螯合锌的螯合率如图1所示，从图中可以看出实施例的螯合率均比对比例高，说明高能湿法球磨比普通湿法能更进一步促进氨基酸与锌离子的螯合，具有一定的优越性，所测得实施例1的螯合率为87.63%,实施例2的螯合率为83.87%，实施例3的螯合率为85.1%。
32.试验例2本实施例说明实验条件的筛选。
33.称取一定量的水于反应釜中升温并保持至30～70℃，边搅拌边加入(前期研究好的比例)20kg天门冬氨酸、2kg苏氨酸。待氨基酸溶液呈乳液状态后加入8.26kg氧化锌，搅拌混合均匀。然后将料液转入高能球磨机的研磨腔，控制填充率，在转速为2000r/min进行一定时间的球磨。用0.4mm的膜过滤后进行喷雾干燥制得氨基酸螯合锌干粉，所设置喷雾干燥的参数为进料速度40kg/h,转速为560r/min,进风温度为200℃，出风温度为103℃。
34.影响螯合反应的因素主要有反应物浓度、温度、球磨机填充率、球磨时间等，以螯合率为指标分别研究各因素对螯合率的影响：
①
调节不同反应物浓度的料液温度为70℃，填充率为80%，控制球磨时间为3h，测螯合率，分析反应物浓度的影响。
②
调节反应物浓度为
50%，温度为70℃，在不同填充率下进行球磨3h，测螯合率，分析填充率的影响。
③
调节反应物浓度为50%，填充率为80%，控制不同料液的温度进行球磨3h，测螯合率，分析温度的影响。
④
调节反应物浓度为50%，温度为70℃，填充率为80%，通过控制不同的球磨时间来测定螯合率，分析球磨时间的影响。
35.结果如下：反应物浓度是螯合反应过程中的一个重要影响因子，在一定的浓度范围内，反应物浓度小，螯合过程中液相中溶质浓度增加快，两相之间的浓度差消失较快，从而使传质推动力很快衰减;反应物浓度大时，会明显提高传质推动力，但太高的反应物浓度，会造成球磨过程中魔球和球罐的损耗，造成球磨不充分，螯合率降低。结合试验结果如图2所示，可选择反应物浓度为55%为宜。
36.填充率对氨基酸螯合锌螯合率的影响如图3所示，从图中可以看出一定范围内随着填充率的增大，螯合率也呈现上升的趋势，但当填充率超过80%以后螯合率逐渐下降，这可能是填充率的增加促进了球磨时物料的充分接触，而过大的填充率会造成球磨过程中魔球和球罐的损耗，甚至引入杂质。
37.由图4可知，螯合率随着温度的升高而升高，说明螯合程度不断加深，当温度升高到60℃以后螯合率升高不明显，说明60℃为最佳反应温度，此时的螯合率最大。
38.由图5可知，随着反应时间的延长螯合率随之增加，当反应时间超过3h后螯合率增加不明显，所以反应时间为3h螯合率最大。这可能是由于在球磨初期，钢球之间，钢球与物料之间的相互碰撞碾压使物料细化甚至达到纳米级促进了螯合反应。随着球磨的进行，螯合反应进一步产生，减少了物料与钢球之间的碰撞，此时螯合率增加的不明显。
[0039] 在单因素试验的基础上，选取浓度(a)、填充率 (b)、温度(c)和球磨时间(d) 4个因素作为自变量，氨基酸螯合锌的螯合率(y)为因变量，进行四因素三水平的正交实验，水平编码见表1，正交实验结果见表2。
[0040]
表1 正交试验因素及水平编码表2正交实验结果
根据表2中的r可知，影响氨基酸锌螯合率的因素顺序为：a＞b＞c＞d。通过不同水平氨基酸锌的螯合率来看，最佳组合为a2b1c2d2，用a2b1c2d2组合做进一步的实验验证，螯合率为87.63%。因此氨基酸螯合锌的最佳合成工艺为：反应物浓度为55%、填充率70%、温度为60℃、球磨时间为3h。
[0041]
试验例3本试验例说明实施例1氨基酸螯合锌的红外光谱。
[0042]
采用nexus470智能型傅立叶变换红外光谱仪分别对l-天门冬氨酸、苏氨酸和实施例1制备的氨基酸螯合锌进行扫描分析，得到图6~图8的红外图谱。从图可以看出，氨基酸与锌离子发生螯合反应后，相应的特征峰位置发生了明显的位移。l-天门冬氨酸（图6）在2950cm-1
以及苏氨酸（图7）在3170cm-1
处的n-h键的特征吸收峰，在形成螯合物后发生明显的位移，出现在3330cm-1
、3280cm-1
。氨基酸螯合锌（图8）中的羧酸根离子1590cm-1
、1410cm-1
较两个氨基酸单体中羧酸根离子的特征峰1630cm-1
、1460cm-1
和1690cm-1
、1650cm-1
发生了明显的蓝移，说明羧基参与了配位反应，证明了氨基酸螯合锌的生成。
[0043]
试验例4本试验例说明实施例1氨基酸螯合锌水溶液的稳定性。
[0044]
精密称取200g(精确至0.0001g)氨基酸螯合锌置于1000ml容量瓶中, 加水溶解并定容至刻度，置于恒温水浴中密闭封存按经典恒温法进行稳定性实验。试验温度分别为35℃、40℃、45℃、50℃, 各温度取样时间间隔分别为1天,测定溶液的ph和透光率，结果如图 9和图10所示。
[0045]
从图9和图10可以看出，随着储藏温度的升高，ph总的趋势是逐渐升高，透光率总的趋势为逐渐降低，但这两种指标的变化幅度不是很大。
[0046]
试验例5 本试验例说明实施例1氨基酸螯合锌的体外模拟消化。
[0047] 将实施例1制备得到的氨基酸螯合锌和硫酸锌溶解在去离子水中，用1mol/l的hcl调节溶液ph值至2.0，加入一定比例的胃蛋白酶，混合均匀，37℃震荡水浴2h；反应结束
后，向混合体系中加入一定比例的胰酶和胆汁提取物，调节体系ph值至7.2，将此混合物移入到透析袋中(6000da)，37℃震荡水浴2h。(1)锌离子溶解率的测定在模拟消化过程中，在胃蛋白消化2h后和胃蛋白酶-胰酶消化4h后取上清液，利用edta络合滴定法测定其中锌离子含量，以表示不同消化阶段的锌离子溶解率。
[0048]
锌离子溶解率(%)= =v1：滴定上清液中锌离子所需要的edta溶液体积，ml；v2：滴定等体积溶液中锌离子所需要的edta溶液体积，ml；c：edta溶液的浓度，mol/l。
[0049]
(2)锌离子透析率的测定在胰酶消化后，取透析袋外的水溶液，利用edta络合滴定测定水溶液中锌离子含量，以表示透过模拟肠道的锌离子含量。
[0050]
锌离子透析率(%)==v1：滴定上清液中锌离子所需要的edta溶液体积，ml；v2：滴定等体积溶液中锌离子所需要的edta溶液体积，ml；c：edta溶液的浓度，mol/l。
[0051]
影响膳食中锌利用率的因素有很多，人体对饮食中锌的吸收率较低，主要原因是锌与植酸在小肠中可形成不溶的复合物，由于人类肠道缺少相应的植酸酶，这种不溶的锌-植酸复合物不能被人类吸收和利用，大大降低了锌的生物利用率，利用体外模拟胃肠道消化-透析法可以评价矿物质元素的生物利用率，氨基酸螯合锌和硫酸锌的透析率和溶解性依照wolfgor等描述的实验方法进行测定，经胃肠道消化后，两种物质的溶解率和透析率如图11和图12所示。由实验结果可知，实施例1氨基酸螯合锌中锌离子经胃部消化后的溶解率为98.86%,经肠道消化后的锌离子溶解率为54.3%；而硫酸锌中锌离子经胃、肠道消化后的溶解率分别为98.01％、33 .6％；实施例1和硫酸锌中锌离子的透析率分别为44.68％、26.79％，氨基酸螯合锌中锌离子的透析率显著高于硫酸锌中锌离子的透析率，虽然硫酸锌以溶解态存在于胃部环境中，但进入肠道环境后其溶解性显著下降，因此氨基酸螯合锌中的锌离子更容易进入到肠道环境中，这表明，与硫酸锌相比，氨基酸螯合锌的生物利用率更高。
[0052]
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对被发明进行了详细的说明，但对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而对这些修改或者替换同样落于本技术所附权利要求书所限定的保护范围之内。