甘氨酸螯合铁的合成的方式方法

摘要：本文探讨了铁盐直接配位法、铁粉直接反应法、复分解反应法三种合成甘氨酸螯合铁的工艺。重点研究了铁粉直接反应合成法,考察了反应温度、反应时间、柠檬酸的加入量等反应条件对产率的影响，探索了铁粉直接反应合成法的基本规律。对产物进行了定性分析、定量测试和红外表征，对比了三种产品的吸湿返潮性，并用DSC对产物进行了热性能测试。

关键词：甘氨酸; 铁;甘氨酸螯合铁

Study on Synthesis Technics of Ferrous Glycinate

Student’s name: Zhengyin Zhao    Advisor: Yinbang Zhu
（School of Biological and Chemical Engineering Zhejiang Univ. of Science and Technology）
Abstract: Three methods of synthesizing technics of ferrous glycinate chelate using ferrous chloride with glycin, iron with glycin and calcium oxide with glycin as raw materials were studied in this paper. The experiments focus on the synthesizing technics of ferrous glycinate chelate using iron with glycin. The effect of reaction temperature, time and the quantity of citric acid as one way to explore the basic rule of the technics was studied. The products were analyzed by qualitative analysis, quantitative analysis and infrared analysis. The moisture absorption ability of products from three different methods was compared. The thermo ability of products was characterized by DSC.

Keywords: Glycin; iron; ferrous glycinate chelate

目  录

中文摘要 I
英文摘要 II
目录 III
1．绪论 1
1.1 微量元素及螯合物的概述 1
1.1.1 微量元素氨基酸螯合物的定义 1
1.1.2 人体对微量元素的两种吸收途径 1
1.2 甘氨酸螯合铁的概述 2
1.2.1 铁的生理作用 2
1.2.2 甘氨酸螯合铁作为铁添加剂的理论依据 3
1.3 甘氨酸螯合铁的研究进展 4
1.4 甘氨酸螯合铁的发展优势 5
1.5 课题的提出 6
2．实验部分 7
2.1 原料和仪器 7
2.1.1 原料和试剂 7
2.1.2 实验设备 7
2.2 实验步骤 8
2.2.1 铁盐直接配位合成法 8
2.2.1.1合成反应 8
2.2.1.2产物的后处理 8
2.2.1.3铁盐直接配位合成法制备工艺流程 8
2.2.2 铁粉直接合成法 9
2.2.2.1合成反应 9
2.2.2.2产物的后处理 9
2.2.2.3铁粉直接合成法制备工艺流程 9
2.2.3复分解合成法 9
2.2.3.1合成反应 9
2.2.3.2产物的后处理 10
2.3定性定量分析 10
2.3.1定性试剂的配制 10
2.3.2定量测定铁含量 10
2.3.2.1标准铁溶液与定量所需试剂的配制 10
2.3.2.2标准曲线的绘制 10
2.3.2.3总铁含量的测定 11
2.3.2.3亚铁含量的测定 11
2.3.3红外分析 12
2.3.4 DSC热性能测试 12
3．结果与讨论 13
3.1工艺条件的确定 13
  3.1.1铁盐直接配位反应法配比的选取 13
  3.1.2喷雾干燥法 13
3.2三种不同工艺制备的甘氨酸螯合铁的比较 14
3.2.1反应产物的定性分析比较 14
3.2.2 反应产物的定量分析比较 15
3.2.3 三种工艺吸湿返潮性对比 15
3.3 铁粉直接反应法的研究 16
3.4 红外谱图与DSC分析 17
3.4.1红外谱图 17
3.4.2 DSC谱图 19
4．总结与展望 20
致谢 21
参考文献 22

 
1绪论
1.1微量元素及螯合物概述
1.1.1微量元素氨基酸螯合物的定义
自17世纪初，化学界发现并制备出螯合物以来，螯合物的研究和应用在很多行业都得到了很大的发展。20世纪70年代，微量元素氨基酸螯合物的研究推动了螯合物在人类营养和动物营养中的应用。微量元素氨基酸螯合物是金属元素以配位键及离子键和氨基酸结合形成的具有环状结构的络合物，螯合物稳定常数一般在104～1015之间，既有利于微量元素以螯合物形式完整地被转运吸收，需要时又能有效地把金属离子释放出来。
1.1.2人体对微量元素的两种吸收途径
人的身体是由化学元素组成的，占人体总重量万分之一以下的元素称为微量元素，微量元素又可分为必需微量元素、非必需微量元素和有害微量元素。目前公认的必需微量元素有:铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、钴(Co)、锰(Mn)、铬(Cr)、镍（Ni)、钒(V)、锡(Sn)、硅(Si)、硒(Se)、碘(I)、氟(F)。可能必需的微量元素有:砷(As)和硼(B)等。微量元素主要有以下几种生理作用:(1)微量元素的抗氧化和抗衰老作用。(2)微量元素的解毒作用。(3)微量元素的代谢调控作用。(4)微量元素的免疫促进作用。
在人体内，矿物元素存在两种吸收途径：
1.离子吸收模式：同位素研究表明，小肠吸收金属离子的最主要部位是在十二指肠，小肠对二价金属离子的吸收机理非常相似。钙和细胞膜上的蛋白质以特定的几何形式(可以假定为环状结构)结合起来，吸收是通过主动转运体系；锌和一个比血浆白蛋白小的，分子量在800左右的蛋白质分子紧密结合在一起，这个分子不是一个简单氨基酸而是一个肽，锌的吸收是主动过程需要能量；铁和粘膜细胞上的低分子量蛋白质配体结合，通过这个螯合过程可防止或阻碍小肠中碱性条件下摄入的铁发生沉淀。
这些金属离子都以类似的方式透过小肠，它们的吸收行为可用相似的途径来表示，即离子吸收模式：（1）金属离子化；（2）阳离子和粘膜细胞表面的蛋白质络合；（3）结合离子主要利用矿物质泵主动转运透过膜，同时也可能有少量扩散；（4）进入粘膜细胞，完整的蛋白质复合物受到pH变化的影响而释放出离子；（5）阳离子和位于末端网状组织的储藏肽重新络合；（6）离子迁移至底膜；（7）原生质中pH变化导致金属离子从储藏肽中释放并还原；（8）离子和位于底膜的外围蛋白再次结合；（9）离子进入血浆。
2.金属离子螯合物吸收模式：如果金属离子和膳食中的蛋白质结合，那它们在肠腔内通常是不经过电离而被吸收的，即通过金属离子螯合物吸收模式。（1）二价金属离子和氨基酸形成低分子螯合物并经稳定化；（2）氨基酸螯合物与特殊的载体肽（可能是谷胱甘肽）结合；（3）主动转运透过粘膜细胞的刷状缘；（4）吸收进入粘膜后：A.完全或部分水解为氨基酸和离子，离子在细胞内和储藏肽螯合由离子途径进入血液。B.完整的螯合物不经水解而转运到底膜，在底膜完全或部分水解，离子和膜上的完整蛋白结合进入血液。C.以原始的肽类似物结合底膜上的谷胱甘肽进入血液。从这个吸收模式可以推知，矿物元素氨基酸螯合物要优于有机酸矿物盐和无机盐，氨基酸螯合物金属离子 通过氨基酸的吸收途径进入肠细胞。而无机盐金属离子走离子吸收途径，有机酸矿物盐能部分改善金属盐的溶解性，也可能减少无机盐常遇到的杂质离子干扰，但它们的最终吸收途径都是走离子吸收途径，吸收速度和效率低于氨基酸螯合物。
1.2甘氨酸螯合铁的概述
1.2.1铁的生理作用
铁（Iron）在地球表面，主要的稳定氧化数为+2和+3。它在地壳中丰度居第4位，但在生物物质中的含量相当低。但是铁是人和动物体所必须的微量元素之一，制造血红素、肌红蛋白和细胞色素都必须依赖铁。正常人体内铁的含量为35～60mg/kg。其中65～70%存在于循环红细胞的血红蛋白中，25～30%为贮存铁，以铁蛋白及含铁血红素的形式存在于网状内皮系统（肝、脾、骨髓等）中，约5%存在于肌红蛋白及各种含铁的酶（过氧化氢酶、过氧化物酶、细胞色素等）中。在血浆中转运的铁仅占0.1%左右。
人体需要的铁来源于食物和衰老红细胞破坏后释放的铁。一般食物中所含的铁仅5%～10%能被吸收。植物中的铁盐吸收率低，而肉类中，铁吸收率高，二价铁比三价铁容易吸收。维生素C、果糖，氨基酸以及胃液中的盐酸均有利于铁的吸收，而食物中的磷酸、草酸，植酸则阻碍铁的吸收。
铁的吸收主要在十二指肠及空肠上段进行。肠粘膜细胞有调节铁吸收的功能。这种细胞寿命为2～3天，在肠腔和血液之间形成一个暂时保存铁的地带。体内铁过多时，大量保存铁的肠粘膜细胞在肠腔内脱落排出体外，使铁吸收减少。相反，在缺铁和造血功能增强时，铁通过肠粘膜进入血循环的量增多。
由衰老红细胞破坏后释放的血红蛋白及其他铁蛋白分解代谢释放出来的铁又可有效地用于重新合成血红蛋白和铁化合物。正常小孩每日损失的铁量极微，不超过15μg/kg/day。主要由胆汁、尿液、汗液和脱落的粘膜细胞排出。但小儿时期由于不断生长发育，故每日需自饮食中补充的铁量较成人多，约需6～16mg/day[1]。
铁是合成血红蛋白的原料。血浆中转运的铁到达骨髓造血组织时，铁即进入红细胞内，被线粒体摄取而形成铁血红素。当体内缺铁或铁的利用发生障碍时，因铁血红素的合成不足，使血红蛋白合成减少，新生的红细胞中血红蛋白量不足。明显缺铁时对红细胞的分裂增殖也有一定影响，但远不如对血红蛋白合成的影响明显，故新生的红细胞胞体变小，胞浆中血红蛋白量减少，从而形成小细胞低色素性贫血。严重缺铁时不仅发生贫血，也可引起体内含铁的酶类缺乏，导致细胞呼吸发生障碍，影响组织器官的功能，临床上可发生胃肠道、循环、神经等系统的功能障碍。由于贫血，携氧不足，更使功能障碍加重。
1.2.2甘氨酸螯合铁作为铁添加剂的理论依据
Hooping研究认为铁是以螯合物形式被吸收的。Saltman等通过一系列研究，提出了铁的吸收转运机制，他们认为在动物的肠腔内，不论是Fe2+还是Fe3+，都必须与内源或外源配位体结合形成络合物，再以此形式吸收并进一步转运，而氨基酸就是这些配位体中较合适的一种。以后，许多研究者研究了氨基酸对铁吸收的影响，进一步证实了Saltman提出的铁吸收理论。从另一角度讲，细胞膜是由蛋白质和类脂组成，它是细胞内外环境的天然屏障。铁离子要穿过细胞膜，需要载体分子将之包被起来，形成一种有机的脂溶性表面，才能穿过细胞膜。Found研究表明，位于具有五元环或六元环螯合物中心的金属离子，可以直接通过小肠绒毛刷状缘。可见，氨基酸螯合铁是铁吸收的原始模式之一[2]。
科学研究和生产实践都已证明，某些氨基酸可以促进铁的吸收和利用。对于其中的机理，从文献来看共有三种观点。第一，氨基酸对肠腔内pH值起缓冲作用，可延缓小肠内容物pH值的升高；第二，氨基酸可能与铁形成螯合物；第三，氨基酸刺激了特定或非特定的肠道转运系统。随着铁吸收代谢机制及螯合物理论研究的深入，人们发现第二种观点更具说服力。
许多研究结果也支持这一点，认为氨基酸螯合铁的形成增加了铁在肠腔中的溶解度，或者氨基酸起着铁离子的载体作用，因此氨基酸促进了铁的吸收。Adelia等指出，某些氨基酸能促进铁的吸收，主要在于这些氨基酸与铁结合，形成了螯合物[3]。
螯合稳定常数指螯合物中螯合剂（配位体）对金属离子（如铁离子）的亲和力。研究表明，金属螯合物中金属元素的利用情况取决于它的稳定常数，稳定常数过低，其中的金属元素在肠道环境中易解离成为金属离子，从而失去了螯合物的优越性；稳定常数过高，则当机体需要时，螯合物不能及时释放金属元素，造成机体只能吸收却不能有效利用其中的金属元素。表1列出了几种常见的氨基酸螯合铁的稳定常数。
表1  Fe2+与某些配位体螯合的稳定常数（lgk）
螯合剂 甘氨酸 半胱氨酸 赖氨酸 组氨酸 蛋氨酸 植酸 EDTA
稳定常数 4.3 6.2 4.5 5.8 6.7 17.6 14.3
表1表明，氨基酸螯合铁的稳定常数均界于4～10之间，这有利于铁的吸收、转运和利用。当EDTA为配位体时，稳定常数过高，从而使其在食品应用中失去优势。动物试验已经证明了甘氨酸螯合铁的有效性，它的分子量为206。甘氨酸是分子量最小的氨基酸，甘氨酸铁具有肠道吸收的最佳分子结构，它更容易被机体吸收。因此，甘氨酸螯合铁是一种比较优良的补铁化合物。
1.3氨基酸螯合铁的研究进展
微量元素氨基酸络合物在60年代就开始研究。70年代后期，最先由美国Albion实验室，以动植物蛋白和铁元素为原料合成了蛋白铁（IronProteinase）的复合物，由此开始了氨基酸螯合物的研究和开发。从文献报道来看，关于氨基酸螯合铁的研究多集中于生物学效价评定和实际应用效果上，而且有关蛋氨酸铁和甘氨酸铁的研究报道较多，研究结果也有很大变差。Ashmead也研究了蛋氨酸铁对哺乳仔猪的相对生物学效价，结果为180%～227%（硫酸亚铁为100%）。许丽指出，添加甘氨酸螯合铁可以预防仔猪贫血。同时也有相反的报道：Kessler分别对肉用仔鸡和猪的研究表明，蛋氨酸铁的生物学效价并不高于硫酸亚铁。然而，有些研究指出，氨基酸螯合铁对畜禽的作用不仅仅是其中的铁元素或氨基酸的生物学效价提高，他们还对动物有特殊的营养作用，如参与细胞内氧化、增强动物的免疫力等。以上报道，大多是关于氨基酸螯合铁作为饲料添加剂在动物营养中的应用研究，而对于其作为食品铁强化剂，有关理化性质及应用性能的研究尚不多见。近年来，在英国和美国，对氨基酸螯合铁做为铁营养强化剂应用于食品中的研究逐渐增 多。Garcia研究了pH值改变对甘氨酸螯合铁溶解度的影响，结果表明，pH从2改变到6，甘氨酸螯合铁的溶解度没有大的变化，基本上是100%溶解。Karrar也报导了甘氨酸螯合铁作为铁强化剂在牛奶中的应用。
在我国，80年代中期开始研究微量元素氨基酸螯合物，并在氨基酸螯合铁方面已取得很大进展。杨文炳和姚芬英在90年代初报道了用酸解豆饼得到的复合氨基酸液与硫酸亚铁螯合制备复合氨基酸螯合铁[4]。秦卫东等人[5]在此基础上，研究了用脱脂豆粕酶解成复合氨基酸液，与亚铁盐螯合制备复合氨基酸螯合铁的工艺。徐海青和明霞[6]介绍了以鸡羽毛为原料，用盐酸水解，然后与铁盐络合制备复合氨基酸铁螯合物的方法。
在应用方面，靳雅笙等观察了甘氨酸亚铁对改善儿童营养性贫血的效果，发现儿童口服甘氨酸亚铁一个月后，血红蛋白含量显著升高，平均升高了10g/L，而红细胞游离原叶琳含量显著降低。
1.4氨基酸螯合铁的发展优势
根据世界卫生组织（World Health Organization WHO）的报告，全世界约30%的人口存在铁缺乏，是全球最为普遍的营养性疾病，发达国家以及发展中国家均受其影响。
迄今为止，人们已认识到铁缺乏和缺铁性贫血是一个极其严重的问题。目前控制缺铁性贫血的策略主要包括膳食途径、食物强化等。现今，越来越多的国家开始致力于食物强化计划的发展。对于强化食物而言，铁是最难以加入食物的矿物质，铁强化食物的开发和制作过程存在一些技术障碍，主要是铁强化剂和食物载体这两者如何进行选择。首先必须选择最适合的铁强化剂，既无口感和颜色的变化，又能确保食物具有较高的铁生物利用率；其次必须选择良好的食物载体，避免食物载体中含有植酸等抑制铁吸收的物质，尽量平衡影响铁吸收的促进因子和抑制因子。总之，所加入铁剂的可吸收性及其避免与膳食中铁吸收抑制剂反应是一个铁食物强化项目能否成功的关键。
在发达国家，人们已经可以通过市场获得高含量微量元素的机能性食品，这些微量元素中包括铁。许多早餐谷物食品中至少含有每日推荐摄入铁量的25%，美国有些食品甚至含有100%的推荐摄入铁量。另外，还有许多针对婴幼儿的各种铁强化饼干和果汁。铁强化乳和谷物在对抗缺铁性补血中已初步显示出其效果。
多年来各国研究人员一直在探求副作用小、生物利用率高的铁营养强化剂[9-17]。本世纪初铁元素作为饲料及食品添加剂以来，已经历了三个发展阶段[18]。第一代铁强化剂是硫酸亚铁等无机铁盐，第二代铁强化剂是乳酸亚铁、葡萄糖酸亚铁、富马酸亚铁等有机酸铁盐。国内外现在常用的食品铁强化剂主要是第一、第二代产品。第三代铁营养强化剂为氨基酸螯合铁。前两类产品均存在其应用弊端，无机盐类不仅吸收利用率差，而且容易造成环境污染、资源浪费、影响饲料中其他活性营养物质的吸收利用;而简单的有机化合物亦仍然难以克服吸收利用率低的缺陷，不能充分满足动物体生长的需要。因此，半个世纪以来，动物营养科技工作者致力于研究开发安全高效的饲用铁添加剂新产品，以克服一直沿用的微量元素无机盐类添加剂的弊端。甘氨酸是动物必需的营养源之一，动物营养研究工作者用其作为络合剂，研究开发出新一代氨基酸微量元素营养性[19]添加剂-甘氨酸亚铁(Ferrous-inate)。研究表明，甘氨酸亚铁具有较高的生物学效价，是接近于动物体内天然形态的微量元素补充剂，可以完全被动物吸收和利用，比硫酸亚铁、EDTA铁等具有更高的生物吸收率和利用度，且与其它食物几乎无反应性，对肌体没有危害，更具稳定性，在饲料、食品工业中得到了广泛地应用。
1.5课题的提出
1.由于国内尚未有甘氨酸螯合铁作为食品添加剂较成熟的合成工艺，所以本论文主要研究了铁盐直接配位法，铁粉直接反应合成法，复分解反应合成法这几种合成甘氨酸螯合铁的方法，尝试这几种方法的合成过程，比较这几种方法的产率大小，分析这几种方法的优缺点，得出较好方案。
2.对较好方案进行进一步的详细研究，摸索其的反应配比，反应温度及其他反应条件对合成甘氨酸螯合铁产率的影响。

2实验部分
2.1原料和仪器
2.1.1原料和试剂：
无水乙醇, 分析纯, 安徽安特生物化学有限公司
柠檬酸, 分析纯, 无锡市展望化工试剂有限公司
盐酸, 分析纯, 衢州巨化试剂有限公司
硫酸, 分析纯, 衢州巨化试剂有限公司
硫酸亚铁铵, 分析纯, 湖北湖试化学试剂有限公司
邻菲啰啉, 分析纯, 上海三爱思试剂有限公司
氧化钙, 分析纯,浙江省建德县新安江重钙厂
硫酸亚铁, 分析纯, 天津市大茂试剂厂
还原铁粉, 天津市福晨化学试剂厂
盐酸羟胺, 天津市博迪化工有限公司
甘氨酸, 天津市博迪化工有限公司
无水乙酸钠, 天津市博迪化工有限公司
铁氰化钾, 天津市博迪化工有限公司
硫氰酸钾, 天津市博迪化工有限公司
硫酸亚铁, 天津市博迪化工有限公司
2.1.2实验设备
电子天平(梅特勒-托利多常州称重设备系统有限公司)
S—212恒速搅拌器(上海申胜技术有限公司)
TC—15套式恒温器(海宁市新华医疗器械厂)
RE-52旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂)
循环水式多用真空泵(河南省太康科教器材厂)
QZX-9140MBE数显鼓风干燥箱(上海博迅实业有限公司医疗设备厂)
DZF-6020型真空干燥箱(上海博迅实业有限公司)
722光栅分光光度计(上海第三分析仪器厂)
数显恒温水浴锅HH-2型(江苏金坛市荣华仪器制造有限公司)
实验型喷雾干燥机YC-015(上海雅程仪器设备有限公司)
红外谱图AVATAR370/FT-CR(Thermo Nicolet)
YP-2压片机（上海山岳科学仪器有限公司）
DSC示差量热扫描仪 204F1（德国NETISCH公司）
2.2实验步骤
2.2.1铁盐直接配位合成法
2.2.1.1合成反应
称取一定量的甘氨酸，溶解在250mL四口烧瓶中，水浴加热至50℃恒温。待甘氨酸完全溶解后，充氮气使四口瓶中的溶液处于无氧状态。加入一定量的氯化亚铁，用40%氢氧化钠溶液调节pH值，反应30min后，用布氏漏斗抽滤生成产物，取滤液。
2.2.1.2产物的后处理
将得到的产品（滤液）放入RE-52旋转蒸发仪中进行浓缩脱水减压蒸馏，温度控制在50℃,得到黏稠状物体用无水乙醇除去氯化铁和氯化亚铁。使用实验型 喷雾干燥机干燥，具体操作如下：样品溶于蒸馏水，设定进风口温度为210℃，出风口温度为90℃。当喷头温度接近于210℃时，将皮管放入产物溶液，开始进行喷雾干燥。得到的产品置于密封样品袋中保藏。
2.2.1.3铁盐直接配位合成法制备工艺流程
 
图1 铁盐配位合成法流程示意图

2.2.2铁粉直接合成法
2.2.2.1合成反应
称取一定量的甘氨酸，溶解在250mL四口烧瓶中，水浴加热至一定温度，恒温。待甘氨酸完全溶解后，加入少量柠檬酸，同时充氮气使四口瓶中的溶液处于无氧状态。加入一定量的还原铁粉，反应24-48小时，间隔一段时间就测一次pH值，一般反应体系到中性即可停止反应，反应后产物用布氏漏斗抽滤生成产物，取滤液。
2.2.2.2产物的后处理
将得到产品（滤液），使用实验型喷雾干燥机干燥，得到产品置于密封样品袋中保藏。2.2.2.3铁粉直接合成法制备工艺流程
 
图2 铁粉直接合成法流程示意图
2.2.3复分解合成法
2.2.3.1合成反应
该法也是在水相中进行的，通过以甘氨酸亚铁硫酸复合物与钙的氢氧化物复分解反应制备甘氨酸亚铁螯合物，在反应中也需要加入还原铁粉或稳定剂替代铁粉作还原剂。该法主要是通过加入Ca2+使以SO42-沉淀出来，使其与产物甘氨酸亚铁螯合物得以分离，但是氢氧化钙的加入会使溶液的pH值增大，在某种程度上会降低螯合物的产率。其反应如下：
 
 
或者

 
 
将甘氨酸溶与水中通氮气，加入CaO，搅拌溶解，待溶解后再加入一定量的硫酸亚铁；在一定温度下，于搅拌器中搅拌反应。反应结束后，用布氏漏斗抽滤。
2.2.3.2产物的后处理
将得到产品（滤液），使用实验型喷雾干燥机干燥，得到产品置于密封样品袋中保藏。
2.3定性定量分析
使用特定试剂，检测是否存在某些特定离子
2.3.1定性试剂的配制
测定三价铁：硫氰化钾溶液 遇三价铁形成血红色
测定二价铁：铁氰化钾溶液 遇二价铁形成蓝色络合物
测定氯离子：硝酸银溶液 遇氯离子生成白色的沉淀
测定硫酸根离子：氯化钡溶液 遇硫酸根离子生成白色沉淀
2.3.2定量测定铁含量
邻菲罗啉比色法[20]（测定铁时要对样品用酸处理）
2.3.2.1标准铁溶液与定量所需试剂的配制
使用硫酸亚铁铵配制10μg/mL的标准铁溶液。
配制浓度为10%的盐酸羟铵溶液，作为抗氧化剂。
配制1mol/L的醋酸钠溶液，作为缓冲溶液。
配制0.1%的邻菲啰啉溶液。
2.3.2.2标准曲线的绘制
于一组25mL容量瓶中，分别注入0.00mL、2.00mL、4.00mL、6.00mL、8.00mL、10.0mL铁标准溶液，加2mL盐酸羟胺和5mL醋酸－醋酸钠缓冲溶液，混匀，放置半小时，再加入1mL邻菲啰啉溶液，定容，以空白为参比，于510nm波长下，测定吸光度，绘制标准曲线。Y = 0.01123 * X-0.00047619，所制得的标准曲线如图4所示：
 
图3 标准曲线
图中A表示吸光度，X表示加入铁标溶液的毫升数
2.3.2.3总铁含量测定
样品溶液的准备：准确称取0.05g左右的样品置于100mL烧杯中，加入2mL浓盐酸，待样品完全溶解后，用蒸馏水定容至100mL容量瓶中。
样品测定：准确吸取1mL样品溶液于25mL容量瓶中，加2mL盐酸羟胺和5mL醋酸－醋酸钠缓冲溶液，混匀，放置半小时，再加入1mL邻菲啰啉溶液，定容，以空白为参比，于510nm波长下，测定吸光度。
测定时，试剂加入顺序不可颠倒。一定要先加还原剂和缓冲溶液，使Fe3+还原为Fe2+后，再加显色剂，并且在15min之内比色。
2.3.2.4亚铁含量测定
样品溶液的准备：准确称取0.05g左右的样品置于100mL烧杯中，加入2mL浓盐酸，待样品完全溶解后，用蒸馏水定容至100mL容量瓶中。取10mL至150mL分液漏斗中，加入1mL1:1硫酸，2mL浓度为20%的硫氰酸钾，混匀。再加入30mL无水乙醚，振摇提取由三价铁形成的硫氰酸铁，反复数次，直至乙醚层无色，除去乙醚层。余下的水层转入100mL容量瓶中，定容。
样品测定：准确吸取5mL样品溶液于25mL容量瓶中，加2mL盐酸羟胺和5mL醋酸－醋酸钠缓冲溶液，混匀，放置半小时，再加入1mL邻菲啰啉溶液，定容，以空白为参比，于510nm波长下，测定吸光度。
2.3.3红外分析
首先碾磨KBr至粉末，然后根据KBr的量加入1/100的样品，同样碾磨至粉末，使用YP-2压片机，进行压片，然后用红外分析仪AVATAR370/FT-CR，进行红外分析。
2.3.4 DSC热性能测试
称取5-10mg样品，使用铝制坩埚装样，压制成片，放入DSC示差量热扫描仪，升温速率为10℃/min，温度范围是30℃-350℃,记录分析曲线，得出热分析图。

3结果与讨论
3.1工艺条件的确定选择
3.1.1铁盐直接配位反应法配比的选取
配比即配位体与金属离子的摩尔数之比。它是影响金属离子与氨基酸配位反应的一个重要因素，配比太小，不能形成稳定的环状结构，配合物不稳定；配比太大，会造成氨基酸的浪费，不经济。从动力学的角度来看，较高的反应物浓度可使反应向生成物方向进行得更加彻底，产率得以提高，但当反应物浓度增加到一定浓度时，产率不再提高，过高的反应物浓度反而会造成原料的浪费。因此要确定一定的配比。
甘氨酸亚铁的结构式如图4所示：
 
图4 甘氨酸亚铁的结构式
表2是文献对配比的分析:
表2 配比对产品组分的影响
配比（Gly/Fe） 1：1 2：1 3：1 4：1
亚铁/总铁质量分数（%） 63.5 71.6 64.6 66.5
    由图4，表2可知直接配位法在配比为Gly/Fe为2：1时为较优。之后即使Gly的量再增加，也不会提高亚铁含量，反而会降低。
3.1.2喷雾干燥法
由于得到的产物都是水相产物，使用普通的减压蒸馏只能得到黏稠状产物，无法得到干燥粉末，所以采用喷雾干燥法。喷雾干燥要求将料液分散成极细的雾滴，因此料液能形成很大的比表面积，使雾滴同热空气产生剧烈的热质交换，在几秒至几十秒内迅速排除物料水分而获得干燥。喷雾干燥是利用不同的喷雾器，将悬浮液或黏滞的液体喷成雾状，与热空气之间发生热量和质量传递而进行干燥的过程。成品以粉末状态沉陷于干燥室底部，连续或间断地从卸料器排出。适用于对热敏感性物的干燥如生物制品、生物农药、酶制剂等，因所喷出的物料只是在喷成雾状大小颗粒时才受到高温，故只是瞬间受热，能保持这些活性材料在干燥后仍维持其活性成份不受破坏。
3.2三种不同工艺制备的甘氨酸螯合铁比较
3.2.1反应产物的定性分析比较
由于合成的产物中可能会存在三价铁离子，二价铁离子，氯离子，硫酸根离子，所以选取与这些离子均有明显反应 的试剂来进行定性分析，这些试剂有硫氰化钾溶液，铁氰化钾溶液，硝酸银溶液和氯化钡溶液。具体反应如下：
测定三价铁：硫氰化钾溶液
   遇三价铁形成血红色络合物。
测定二价铁：铁氰化钾溶液
   遇二价铁形成蓝色络合物。
    测定氯离子：硝酸银溶液
   遇氯离子生成白色的沉淀。
测定硫酸根离子：氯化钡溶液
   遇硫酸根离子生成白色沉淀。
实验对铁盐配位合成法，铁粉直接合成法，复分解合成法这三种不同工艺合成的甘氨酸螯合物使用硫氰化钾溶液，铁氰化钾溶液，硝酸银溶液和氯化钡溶液进行了定性的分析，分析结果如表3所示：
表3  定性分析结果
合成方法 二价铁离子 三价铁离子 氯离子 硫酸根离子
铁盐配位合成法 有 有（少量） 有（少量） 无
铁粉直接合成法 有 无 无 无
复分解合成法 有 有（少量） 无 有
由上表可知铁盐配位合成法和复分解合成法均有杂质产生，铁盐配位合成法有三价铁离子和氯离子残余，可能是由于在用有机溶剂洗涤的过程中，没有洗净多余的氯化亚铁和氯化铁，而复分解法的杂质成分由加入反应的原料量决定，如CaO过量，则多余钙离子，如FeSO4过量则多余硫酸根离子，在反应时无法保证其能按理论完全反应。所以必定有过量多余离子生成，为分离制造麻烦。反应结果最好的是铁粉直接反应法，无多余杂质引入，而且多余的铁粉可以用布氏漏斗抽滤除去。
3.2.2反应产物的定量分析比较
实验对铁盐配位合成法，铁粉直接合成法，复分解合成法这三种不同的合成工艺制得的甘氨酸螯合铁进行喷雾干燥，然后对生成的粉末状产品使用邻菲啰啉比色法进行了定量分析，分析结果如表4所示：
表4 邻菲啰啉比色法定量分析结果
合成方法  二价铁             总铁含量(%)
铁盐配位合成法
铁粉直接合成法
复分解合成法 12.23
15.65
9.49 15.62
15.72
12.87
定量比较发现铁粉直接合成法的二价铁含量最高，三价铁含量几乎没有，而铁盐配位法和复分解法，含有相对较多量的三价铁离子。复分解合成法还含有大量的其他离子，较难除去，而铁粉直接合成法几乎没有三价铁离子，在定性过程中也检测不到三价铁离子的存在。经过比较发现在实验阶段最好的方法是铁粉直接合成法，产率最高。
3.2.3三种工艺产品吸湿返潮性对比
将三种不同工艺的制备的甘氨酸螯合铁完全暴露在空气中，观察其吸湿返潮的现象。使用恒重法测定其数值结果如图5所示：
 
图5 不同方法制备出的产物的吸湿返潮性对比
由图可以得出三种工艺中复分解合成法吸湿返潮率最低，铁盐配位合成法制得的产物吸湿返潮性最高，铁粉直接反应法相对与复分解法来说吸湿返潮率稍高。
3.3铁粉直接反应法的研究
由于铁粉直接反应合成法具有比较高的产率和比较容易分离的特性，针对这种方法进行深入分析。设计了七个不同的对比实验，前四组为理论加料加入甘氨酸7.50g，甘氨酸与铁粉反应摩尔比是2：1，所以铁粉1为2.80g, 加入柠檬酸为甘氨酸的5%，0.38g，柠檬酸与铁粉的反应摩尔比是1：3，所以铁粉2为0.33g，铁粉过量10%。后两组变化柠檬酸的量，理论加料加入柠檬酸为甘氨酸的2.5%，0.19g，柠檬酸与铁粉的反应摩尔比是1：3，所以铁粉2为0.16g。最后一组不加柠檬酸。实验条件结果如表5所示，图6是在一次试验型反应过程中pH值的变化，反应条件同实验1，反应时间为30小时左右：
 
图6 在铁粉直接合成反应过程中pH值的变化情况
图6表明在30小时左右的反应中pH值一直上升，说明反应在一直进行，柠檬酸，甘氨酸在一直消耗。反应体系pH向中性靠拢。
表5 铁粉直接合成法在不同条件的下的反应及其结果
反应实验 温度(℃) 时间（h） 柠檬酸量（g） 甘氨酸量（g） 铁量（g） 亚铁量(%)
1 50 24 0.38 7.51 3.44 13.30
2 50 48 0.37 7.51 3.45 15.72
3 65 24 0.38 7.50 3.44 15.88
4 65 48 0.37 7.49 3.43 17.35
5 50 48 0.19 7.52 3.26 13.18
6 65 48 0.19 7.49 3.25 15.65
7 65 48 0 7.51 3.08 2.3
由上表和反应条件可以看出，实验七在没有加柠檬酸的情况下，产率非常低，说明甘氨酸直接和铁粉反应比较困难。其他实验在相同的原料加入下螯合物中的亚铁含量随着反应温度的上升而上升。同样的在其他条件一样的情况下，增长反应的时间会使产率上升，反应时间越长合成产物越多，柠檬酸的用量和螯合物中亚铁离子的量有直接的关系，温度相同反应时间相同的情况下，使用柠檬酸量多那组实验，得到的二价铁螯合物也比较多。至于加入柠檬酸的量会导致产率的变化，可能是因为甘氨酸很难直接和还原铁粉反应，形成螯合是因为还原铁粉先与柠檬酸发生反应，形成柠檬酸铁，柠檬酸铁不稳定又生成柠檬酸亚铁，而甘氨酸的螯合能力又强于柠檬酸亚铁的结合能力，所以可以从柠檬酸亚铁中夺取亚铁离子，形成甘氨酸亚铁螯合物。由此可知适当的增加柠檬酸的量可以提高产率。
3.4红外图谱与DSC分析
3.4.1红外图谱
甘氨酸、柠檬酸和甘氨酸螯合铁的红外图谱分别如图7、8、9所示：
 
图7 甘氨酸红外谱图 55
图8 柠檬酸红外图谱

 
图9 甘氨酸螯合铁红外图谱
甘氨酸螯合铁图谱在515.55cm-1Fe-N的伸缩振动峰出现，说明N原子参与了配位。甘氨酸在2500cm-1-3100cm-1间有一较强宽吸收峰，而甘氨酸螯合铁则是在3100cm-1-3500cm-1间有一较窄的吸收峰，较甘氨酸配体向高波数移动，表示甘氨酸螯合铁中已无游离的O-H和NH3+。在3162.65cm-1处的氨基出现在3181.18cm-1处，表明甘氨酸参与了螯合。但样品在2128.35cm-1上有氨基酸的特征吸收峰，说明有未反应的甘氨酸，反应还不够完全。
    3.4.2 DSC谱图
    对铁盐直接配位合成法和铁粉直接反应合成法所得的样品进行DSC热分析，结果分别如图10、11所示：
 
图10铁盐直接配位法制的甘氨酸螯合铁DSC图谱
 
图11铁粉直接反应法DSC图谱
在图10中出现的105.4℃处有一吸热峰，这可能是含有结晶水或者是潮解含有水分。在233.5℃处有一吸热峰，说明可能是螯合物在此温度开始发生熔融。在图11中在196.0℃中有一吸热峰，据推测这可能是柠檬酸亚铁在该点发生熔融，在230.5℃出现的吸热峰，说明可能螯合物在此温度开始发生熔融。
4总结与展望
通过本实验得到了以下结果:
（1）使用铁盐直接配位合成法，铁粉直接合成法，复分解反应合成法三种不同的工艺合成甘氨酸螯合铁。
（2）对三种反应工艺得到的产物进行铁含量对比分析，得出三种工艺中铁粉直接合成法较好，能得到含量较高的甘氨酸螯合铁。
（3）对三种工艺产物的吸湿返潮性进行比较，发现铁盐直接配位法制得的螯合物吸湿返潮性最大，其他两种反应抗吸湿性较好。
（4）通过对铁粉直接合成法的分析，得出该反应工艺的产率与反应时间、反应温度、加入柠檬酸的量有密切关系。反应温度提高，反应时间加长，柠檬酸的量增多均会使甘氨酸螯合铁量增多。
    通过本实验的研究，尝试了三种反应工艺的合成方法，并对在这次实验中效率最好的铁粉直接反应合成法进行了研究，虽然合成率还有待提高，但是鉴于国内尚未有甘氨酸螯合铁作为食品添加剂较成熟的合成工艺，使用该方法生产甘氨酸螯合铁不失为一种可行的办法。

致谢

此次毕业论文设计可以顺利完成，首先我要感谢朱银邦老师的指导和帮助，朱老师具备扎实的理论基础、丰富的实际工作经验和研究经验。在他的耐心指导下，不仅帮助我解决了试验和论文过程中的各种问题，同时他严谨的治学态度也给我留下了深刻的印象，使我终身受益。其次感谢李菊清老师在红外测试方面的帮助和指导。再次，还要感谢我的同组实杨佳同学在实验过程中对我的全力配合和帮助。
最后，衷心感谢朱老师在一年来的教诲。

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