广东工业大学学报  2016, Vol. 33Issue (4): 69-73.  DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2016.04.012.
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引用本文 

舒绪刚, 吴春丽, 万轲, 李翠金, 邱桂雄, 高均勇. 响应面法优化蛋氨酸锰的合成[J]. 广东工业大学学报, 2016, 33(4): 69-73. DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2016.04.012.
Shu Xu-gang, Wu Chun-li, Wan Ke, Li Cui-jin, Qiu Gui-xiong, Gao Jun-yong. Optimization of Methionine Manganese Production by Response Surface Method[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2016, 33(4): 69-73. DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2016.04.012.

基金项目:

广东省科技计划项目(2013B090900007、2013B070704081)；广州市创新型企业专项(2013J1400006)

作者简介:

舒绪刚(1976-)，男，副教授，博士, 主要研究方向为食品和饲料添加剂.E-mail：xgshu@21cn.com。

文章历史

收稿日期：2015-05-07
Contents              Abstract             Full text              Figures/Tables              PDF
响应面法优化蛋氨酸锰的合成
舒绪刚1, 吴春丽1, 万轲2, 李翠金1, 邱桂雄3, 高均勇3    
1. 仲恺农业工程学院 化学化工学院，广东 广州 510225;
2. 广东工业大学 轻工化工学院, 广东 广州 510225;
3. 广州天科生物科技有限公司, 广东 广州 510689
收稿日期：2015-05-07
基金项目：广东省科技计划项目(2013B090900007、2013B070704081)；广州市创新型企业专项(2013J1400006)
作者简介：舒绪刚(1976-)，男，副教授，博士, 主要研究方向为食品和饲料添加剂.E-mail：xgshu@21cn.com。
摘要: 以蛋氨酸和一水硫酸锰为原料合成蛋氨酸锰，在单因素试验的基础上，选择氢氧化钠用量、反应温度和反应原料摩尔配比为影响实验结果因素，通过响应曲面中心复合法优化蛋氨酸锰的制备工艺条件，并建立二次回归方程.优化的最佳条件：n (蛋氨酸): n (MnSO4 · H2O)=2.006: 1，n (MnSO4 · H2O): n (NaOH)=1: 2，反应温度为80℃，产率可达85.37%.采用红外光谱、热重及XRD粉末衍射验证产物发生络合反应且不含结晶水，采用EDTA法和凯氏定氮法进行含量分析，得蛋氨酸锰的分子结构式为Mn(C5H11O2NS)2.
关键词: 蛋氨酸锰    合成    响应曲面法    表征    
Optimization of Methionine Manganese Production by Response Surface Method
Shu Xu-gang1, Wu Chun-li1, Wan Ke2, Li Cui-jin1, Qiu Gui-xiong3, Gao Jun-yong3    
1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Zhongkai University of Agriculture and Engineer, Guangzhou 510225, China;
2. School of Light Industry and Chemical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;
3. Guangzhou Tanke Biological Technology co., LTD, Guangzhou 510627, China
On the basis of a single-factor experiment, the affecting factors of the amount of NaOH, reaction temperature and molar ratio of raw material for the reaction are chosen. Synthesized for complex of methionine manganese by the raw materials of methionine and manganese sulfate monohydrate, through the response surface center methodology to optimize the reaction conditions: n (methionine): n (MnSO4 · H2O) = 2.006: 1 and n (MnSO4 · H2O): n (NaOH) = 1: 2, reaction temperature at 80 ℃, the yield can reach 85.37%, and a quadratic regression equation is established. The composition of the complex is characterized by content analysis, infrared spectra, thermogravimetric and XRD powder diffraction analysis. It is observed that the complex does not contain water of crystallization, and that content analysis of the complex by EDTA complexometric titration and kjeldahl determination obtains the formula of manganese methionine as Mn (C5H11O2NS)2.
Key words: methionine manganese    synthesis    response surface methodology    characterization    

目前，氨基酸微量元素螯合物是动物营养中应用最多的微量元素添加剂.氨基酸螯合物可缓解吸收微量元素之间的竞争拮抗作用，提高金属离子的利用率和各微量元素的吸收，而且对环境污染小，能明显促进动物的生长和生产性能，经济效益好[1].蛋氨酸锰是一种重要的添加剂，在食品应用方面，蛋氨酸锰与无机锰盐相比，不易催化油脂氧化酸败[2]，能够维持母乳化奶粉储藏过程中亚铁氧化稳定性，并增加储存一定时间后的母乳化奶粉的POV值[1].作为饲料添加剂，额外添加蛋氨酸锰作为机体内锰元素和蛋氨酸的补充，能促进饲料和家禽类动物的蛋白质利用率[8].此外，也有研究表明，蛋氨酸参与机体代谢并在一定程度上抑制疾病的发生[11]、癌症[12]、心血管疾病[13]、神经变性疾病[14].

关于蛋氨酸铁、锌、铜、锰的合成均有报道，蛋氨酸锰的合成多采用LiOH·H2O或者氨水调节体系pH，用时较长、条件要求较高 [2,5].本文以蛋氨酸和一水合硫酸锰为原料、氢氧化钠调节反应体系pH合成了蛋氨酸锰，并在单因素基础上利用响应面分析法对该合成工艺进行优化[16]，得到最佳合成条件和软件模拟最优选择条件.该工艺简单易行、合成时间短且产率较高.

1 材料与方法 1.1 主要仪器与试剂

380型红外光谱仪(美国NICOLET)；STA 409 PC综合热分析仪器(德国NETZSCH)；BRUKER红外光谱仪(德国BRUKER)；X-射线衍射仪(锐影, 荷兰帕纳科公司), 采用Cu Kα射线(λ=0.154 nm)，Ni为X-射线过滤材料，工作电压40 kV，工作电流40 mA，扫描速度0.2(°)/s，扫描范围3~50°.所用试剂均为分析纯.

1.2 试验方法

称取蛋氨酸14.9 g(0.1 mol)溶于100 mL水，加入一水硫酸锰8.4 g(0.05 mol)混匀，氢氧化钠(0.1 mol)，加热至80℃反应10 min，冷却、抽滤，滤饼用40 ℃水及无水乙醇洗涤至无硫酸根，80 ℃下烘干，产率为85.15%.含量分析值(%)：N(凯氏定氮法)，8.01；Mn(EDTA法)，15.74.理论值(按C10H22O4N2S2Mn分子式计算)：N，7.93；Mn，15.58.含量分析结果与理论分析结果基本吻合.

2 结果与讨论 2.1 工艺优化

根据单因素实验结果确定对实验显著影响的因素：氢氧化钠用量、原料配比(n(蛋氨酸):n(硫酸锰))和温度，创建响应曲面设计中的中心复合设计，进行响应面方法优化蛋氨酸锰的合成工艺.以A、B、C分别代表氢氧化钠物质的量n(NaOH)、温度T和原料配比e，产率w%为响应值，设计实验见表 1和表 2.

表 1 响应面实验编码水平和影响因素 Table 1 Coding levels and factors in RSM
表 2 响应曲面的中心复合实验设计 Table 2 Central composite design of experimental in RSM

采用Minitab 15软件分析表 2中响应值随反应因素变化进行回归分析，得到结果如表 3所示.进行多元回归拟合，得到的二次回归方程为：Y=85.222 1 +3.574 20A+0.366 084B-6.449 74C-4.211 79A×A-0.812 372B×B-4.360 28C×C+0.368 750A×B+3.406 25A×C-0.386 250B×C，回归方程R2=97.03%，P=0.000＜0.01，说明此模型极为显著且与实验结果拟合较好.

表 3 回归方程方差分析 Table 3 Analysis of variance in the regression equation

由回归方程可知，A、C、A×A、C×C、A×C都很显著，B、B×B、A×B、B×C不显著，并且各因素的影响顺序为原料配比＞氢氧化钠用量＞反应温度.响应面分析(RSM)结果如图 1~图 6所示.

图 1 反应温度和原料配比对产率影响的响应曲面图 Figure 1 Response surface plot of effects of temperature and raw material ratio on production
图 2 温度和原料配比的等值线图 Figure 2 Contour diagram of effects of temperature and raw material ratio on production
图 3 氢氧化钠的量和原料配比对产率的影响 Figure 3 Response surface plot of effects of n (NaOH) and raw material ratio on production
图 4 氢氧化钠的量和原料配比的等值线图 Figure 4 Contour diagram of effects of n (NaOH) and raw material ratio on production
图 5 氢氧化钠的量和温度对产率的影响 Figure 5 Response surface plot of effects of n (NaOH) and temperature on production
图 6 氢氧化钠的量和温度的等值线图 Figure 6 Contour diagram of effects of n (NaOH) and temperature on production

图 1~图 6显示了影响因素反应温度、原料配比和氢氧化钠物质的量的改变对蛋氨酸锰产率交互影响的等值线图.由图可知，当原料配比为2: 1，反应温度达到80℃，氢氧化钠物质的量为0.1 mol时，即n (NaOH): n (蛋氨酸): n (MnSO4·H2O)=2: 2: 1，蛋氨酸锰的产率最高.通过响应优化器模拟最佳条件得到A=0，B=0，C=0.011 095 1，即此实验中n (NaOH)为0.1 mol，反应温度为80 ℃，n (蛋氨酸) = 0.100 28 mol，根据回归方程理论产率为85.20%.

2.2 红外分析

用KBr压片法测定蛋氨酸和蛋氨酸锰在400~4 000 cm-1的红外光谱，谱图如图 7所示.从蛋氨酸的谱图中可以看到：蛋氨酸α-氨基酸的特征吸收峰2 123 cm-1且由于-NH2比较活泼易形成NH3+，在2 915.4 cm-1处NH3+的反对称伸缩振动和对称伸缩振动与C-H伸缩振动谱带重叠形成强且宽的铵谱带.蛋氨酸锰谱图较蛋氨酸发生很大变化，3 341.07 cm-1和3 269.08 cm-1处的吸收峰为N-H伸缩振动，说明NH2参与配位.1 581 cm-1和1 414 cm-1的峰为蛋氨酸的羧基(COO-)反对称伸缩振动和对称伸缩振动，而蛋氨酸锰的相应谱峰的位置分别为1 588 cm-1和1 409 cm-1，说明蛋氨酸的羧基参与了配位.

图 7 蛋氨酸和蛋氨酸锰的红外光谱图 Figure 7 Infrared spectrum of methionine and manganese methionine
2.3 TG-DSC分析

为了进一步了解蛋氨酸锰的结构，在N2气氛下对络合物进行TG-DSC曲线实验，反应容器为Al2O3坩埚，升温速率为10 ℃/min-1，试样主要为粉末状产物，结果如图 8所示.从图 8可知，在DSC曲线上210℃时有一放热峰，络合物失重31.16%，这可能是配体的氧化和分解导致.在500℃处有一较大放热峰，物质继续分解，最后残余量为27.94%，可能为二氧化锰，与理论值的24.62%基本符合.

图 8 蛋氨酸锰的TG-DSC分析图谱 Figure 8 TG-DSC analysis of manganese methionine
2.4 XRD衍射

蛋氨酸和蛋氨酸锰的XRD衍射如图 9所示.蛋氨酸主要的衍射峰出现在5.40°和20.36°；蛋氨酸锰的主要衍射峰出现在5.85°、17.59°和20.50°，强度和衍射峰的位置较蛋氨酸发生了变化，这均说明蛋氨酸与锰离子发生了络合.

图 9 蛋氨酸和蛋氨酸锰的XRD衍射图 Figure 9 XRD power diffraction analysis of methionine and manganese methionine
2.5 验证实验

根据建立的数学模型，优化后的实验条件为：反应温度T = 80 ℃，n (蛋氨酸) :n (MnSO4·H2O): n (NaOH) = 2.006: 1: 2.按照此实验条件重复3次实验，平均产率为85.37%接近理论计算值85.20%，而当n(蛋氨酸): n (MnSO4·H2O)=2: 1，n (MnSO4·H2O): n (NaOH)=1: 2，反应温度为80℃，产率85.15%，因此，蛋氨酸锰的最佳制备工艺条件为：反应温度T =80 ℃，n (蛋氨酸): n (MnSO4·H2O): n(NaOH) = 2.006: 1: 2.

3 小结

通过单因素和响应曲面优化实验得到蛋氨酸锰的最优合成工艺条件为：反应温度T=80 ℃，n (蛋氨酸): n (MnSO4·H2O): n (NaOH)=2.006: 1: 2，产率达到85.37%，此工艺简单、操作性强，蛋氨酸锰稳定且纯度高.蛋氨酸锰和蛋氨酸的红外谱图、热重分析表明蛋氨酸锰的分子结构为Mn(C5H11O2NS)2.

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