有机铬的合成及其产品质量评价

   日期:2019-07-12     来源:互联网    作者:admin    浏览:0    评论:0    
核心提示:作者:钟国清张国庆 摘要三价铬离子是构成葡萄糖耐量因子的重要组成部分,能够增强胰岛素的作用,是人和动物不可缺少的微量元素之

作者:钟国清张国庆
摘要三价铬离子是构成葡萄糖耐量因子的重要组成部分,能够增强胰岛素的作用,是人和动物不可缺少的微量元素之一。有机铬化合物在生物机体中具有多种极其重要的活性功能,如果人体缺铬,将导致糖尿病和其它相关疾病;动物缺铬,则会导致对应激敏感、免疫功能受抑制、繁殖功能下降以及胴体品质下降等。本文综述了有机铬化合物的生物功能及其合成方法,介绍了产品的检测及质量评价方法,并对其发展前景做了一定的展望。
关键词饲料添加剂;有机铬;生物功能;合成;质量评价
中图分类号S816.72
Schwarz和Mertz在啤酒酵母中发现一种新的营养素——葡萄糖耐量因子(GlucoseToleranceFactor,简称GTF),后来又鉴定出GTF为含有烟酸、甘氨酸、谷氨酸、半胱氨酸的三价有机铬配合物。GTF作为铬的活性形式,具有增强胰岛素活性的作用。家禽集约化饲养中,动物的营养应激、环境应激、免疫应激和代谢应激等可导致动物糖代谢、矿物质代谢发生一系列改变,引起糖原降解和糖异生作用加强,葡萄糖利用的加强导致铬动员增加并最终排出体外。动物如果缺乏铬,会产生葡萄糖、脂质和蛋白质代谢障碍。对应激动物补充铬,可增加免疫力,改善内分泌,减少发病率和提高生产性能。
铬盐一般分为三价铬盐和六价铬盐,以及有机铬盐和无机铬盐。六价铬毒性较大,三价铬毒性较小,但在目前饲料法规定条件下,在畜禽饲料中添加无机铬是不允许的。而吡啶甲酸的三价铬盐是无毒的,可用于饲料的添加。在吡啶甲酸的三价铬盐中,2-吡啶甲酸的三价铬盐(俗称有机铬)是最常用的饲料添加剂。目前国际上作为饲料抗应激添加剂的有机铬主要为GTF组成相类似的配合物,如烟酸铬、酵母铬、吡啶甲酸铬、氨基酸螯合铬和蛋白质铬等。无机铬的吸收率很低,约0.4%~3%或更低(杨凤,1991),六价铬比三价铬易吸收,一般要高3~5倍(张乔,1994);有机铬的吸收率相对较高,例如畜禽对啤酒酵母中的铬-葡萄糖耐量因子(GTF)的吸收率高达10%~25%[1]。
β-兴奋剂曾在我国的养猪业中使用,它可使生猪臀腿肌肉发达丰满,背脂厚度降低,瘦肉率提高。可是,添加β-兴奋剂后,易发生后肢腿软、肌肉震颤、心跳加快、不耐受运输应激,甚至有的宰后出现苍白、柔软、渗水猪肉或干、硬黑猪肉。由于β-兴奋剂在猪肉中残留,人食用后可出现不同程度的中毒现象,症状包括心悸、肌颤抖、头昏、呕吐、出汗等。鉴于这种情况,不少西方国家已禁止在动物生产中使用β-兴奋剂,现在我国农业部也已明令禁止使用。有机铬是β-兴奋剂的理想替代品。
铬的主要生理作用是通过强化胰岛素功能而影响碳水化合物、脂类及蛋白质的代谢。近年来的研究证明,在动物高强度生长期,铬不仅可调节蛋白质代谢,而且还可作为免疫调节剂来影响动物的健康和生长性能。铬可以激活某些酶,并表现出与蛋白合成、核酸和脂类代谢有关。铬可以减少动物的发病率和抗生素的使用量。如雏鸡日粮中添加三价铬可提高生长性能和饲料效率。如果给猪补充铬可提高或加强能量代谢,改善胴体性状,提高生长率,还可使血清胆固醇和皮质醇量下降,免疫球蛋白浓度提高。如果缺铬,动物一般会引起生长不良,生命缩短,葡萄糖、脂类和蛋白质代谢紊乱,畜产品品质下降。在我国的粮食结构中,由于精制、加工和土壤被淋洗,铬的摄取量很少。因此,不论是人类还是动物一般都缺铬,这种效果可以从补铬后动物生产能力的有利反应中容易看出,可以说畜牧生产所用的日粮中含铬量都不够,铬的补给应该提到日

程上来。如果缺乏足够的GTF,胰岛素的作用会受到抑制。借助于GTF,胰岛素可以将葡萄糖和重要氨基酸迅速传输,通过细胞膜,进入细胞,产生能量和形成组织。血糖浓度因此得以维持正常水平,氨基酸用于蛋白质的合成,产生肌肉。除了参与蛋白质和碳水化合物的新陈代谢,铬还在脂类的新陈代谢中起重要作用,它似乎是动物体内血清胆固醇浓度调节剂,从而防止脂肪组织的堆积。它可以增加胰岛素的活性,参与蛋白质的合成和核酸、脂肪的代谢,降低体内脂肪含量,提高瘦肉率。铬还可以使动物体内免疫系统加强,提高机体对不良状况与应激状况的抵抗力,提高瘦肉比例,降低脂肪,提高抗应激能力和机体免疫力。改善饲料报酬,促进动物生长。提高母猪产仔率,降低乳猪的死亡率。近年来,随着铬在畜禽生物学研究方面的进展,发现铬(Ⅲ)在降低畜禽应激、促进生长、提高酮体品质、增强免疫力、改善繁殖性能等方面表现出强大的优势,铬在未来养殖生产实践中具有极大的发展潜力和应用前景。铬(Ⅲ)作为饲料添加剂可促进生长育肥猪的增重,提高采食量并且缩短饲养周期。
1铬的生物学功能
1.1提高胴体品质
研究表明,补铬降低了饲喂缺铬日粮的试验动物及畜禽血液中循环胆固醇水平,胆固醇又是合成皮质醇的前体,故补充铬可以改善肉质。在育肥猪饲粮中补铬,提高了胴体品质和瘦肉率,降低背膘厚、脂肪率。铬改善胴体品质的原因目前认为是铬增强了外周组织对葡萄糖的有效利用,减少了蛋白质的降解,提高了生长激素的浓度。很多试验表明,在生长期补铬对增重和饲料效率无作用,在育肥期可提高日增重。Harper(1995)以断奶仔猪为试验对象,在玉米-豆粕-乳清粉的基础日粮中添加200μg/kg有机铬,结果仔猪生产性能得以改善,肥育期背膘厚明显下降(p<0.01)。page等(1992)在生长育肥猪饲料中补加200μg/kg的吡啶羧酸铬,也显著提高了胴体品质和瘦肉率,降低了第10肋背膘厚。Lindemann等(1995)证实了猪14.5~104.3kg体重阶段添加200μg/kg有机铬时,背最长肌面积提高2.0cm2,第10肋骨处背膘厚降低3.4mm,瘦肉率提高2.1%。另外还有许多学者研究了不同来源的铬和不同饲喂周期对生长育肥猪和胴体品质的影响,结果都确认了铬的效果。其它畜禽,如鸡、鸭、牛、羊等动物中都证明铬能显著改善胴体品质。
1.2促进生长
铬的利用可以促进畜禽增重、提高采食量和缩短饲养周期。Lindemann等(1995)在对14.5~104.3kg体重的猪进行试验时,不仅研究了铬对胴体性状的影响,还研究了猪生长性能的变化,其结果显示,饲料中添加200、500、1000μg/kg的有机铬时,200、500μg/kg组日增重由0.83kg分别增加到0.84、0.86kg,1000μg/kg组日增重没有变化。200、500μg/kg日采食量由2.43kg分别增长到2.48、2.55kg,1000μg/kg组日采食量没有变化。添加剂量以500μg/kg效果最显著,但考虑到对胴体性状的影响,作者认为添加200μg/kg最理想。也有人在育肥猪中分添加与不添加两个组研究铬对日增重的影响,结果在60~90kg阶段和60~110kg阶段,添加组比不添加组的日增重分别提高22.7%和15%,证明有机铬的添加有利于促进生长。其它许多学者(Shbiyatno等,1993;Wang等,1995;Boleman等,1995)也得出类似的结论。
1.3改善繁殖性能
铬能改善母猪繁殖性能,显著提高繁殖力,在猪的日粮中添加含铬有机化合物,可提高母猪的产仔数。Lindemann等(1994)的研究成果表明,含铬有机化合物可以明显提高初产母猪的产仔数[2]。大量结果显示,有机铬的应用改善了畜禽繁殖性能的众多指标,繁殖力显著提高。Lindemann等(1994)的研究结果表明,吡啶羧酸铬可以显著

提高初产母猪的窝产仔数。翟桂玉(1992)对兔的研究表明,缺铬会增加精子畸形率、降低精液品质和母兔的产活仔数。Lindemann等(1995)也研究了有机铬对繁殖母猪及其后代的影响,结果再次肯定了有机铬在改善繁殖性能上的益处。
1.4增强免疫力
铬能够增强免疫力,这是由加拿大Guelph大学首次报道的。后来许多学者对这一领域进行了大量研究,主要集中于对牛的研究(Chang等,1992;Sartin等,1988;Bunting等,1994)。Burton等(1993)给小肉牛补加铬,结果显著提高了传染性牛鼻气管炎疫苗的效价。同年,他用泌乳牛做试验,结果发现补铬也能提高许多抗原抗体反应。Chang等(1992)也证实补铬可以提高牛血清中免疫球蛋白水平。很明显,铬在某些特殊免疫反应中充当免疫调节因子的作用,它通过对免疫反应的调节,增强机体的抗病力和适应性。
1.5加强抗应激作用
现在发现,有机铬的添加作用是广泛的,除了能改善胴体品质和繁殖性能,促进生长和增强免疫力之外,还表现在改善内分泌、降低应激等方面。随着集约化养殖的出现,各种因素(如热、运输、饥饿、拥挤、病原袭击等)都会引起应激。有人(Orr等,1990;Nockels等,1990)研究证明,牛因运输、禁食等因素出现应激时,尿中铬的排泄量增加,人和大鼠中也有类似现象(Borel等,1984;Anderson等,1988),说明应激条件下铬的需要量增加。Chang等(1994)在应激牛的日粮中补铬,发现牛的外周淋巴细胞增殖作用加强,说明抗应激作用加强。
2有机铬的合成
有机铬是近年来发展起来的一类重要的饲料及食品添加剂,尤其是在饲料工业方面有着广泛的用处。据资料介绍,对于一位成年人,每日铬的摄取量至少为50μg,对于动物来说,每日有机铬的摄取量为1μg/kg。这可以看出,有机铬用量是很大的。有机铬可显著促进动物的生长,可大大提高动物的瘦肉率,鸡、鸭的产蛋率。该产品无毒无害,生产工艺基本无三废,符合环保要求。该产品的合成工艺有多种,但根据最新资料报导,生产有机铬使用的主要原料为2-甲基吡啶,产品经两步反应而得:首先是2-甲基吡啶经氧化反应得2-吡啶甲酸,然后2-吡啶甲酸再与铬盐反应即得产品。
2.1烟酸铬的合成[3]
称取烟酸124g(1mol)置于1000ml烧杯中,用100ml水湿润,用6mol/lNaOH调pH值至8.0左右,同时加热至80℃。另称取CrCl3·6H2O88g(0.33mol)于500ml烧杯中,加300ml水,加热溶解并升温至80℃左右,在搅拌下倒入上述烟酸钠盐溶液中,用少量水洗烧杯后合并入上述反应液中,在搅拌下用6mol/lNaOH调pH值到6.8~7.2,加水至总体积900ml,冷却至室温。抽滤,滤饼用水洗涤,再用乙醇(95%)洗一次,抽滤干,于室温下挥发去乙醇,再用110℃充分干燥,得灰色烟酸铬(Ⅲ)140g。
2.22-吡啶甲酸铬的合成
2-吡啶甲酸铬,即为吡啶甲酸铬或吡啶羧酸铬。李新生等[4]在100ml三角瓶中加入4.3g(35mmol)2-吡啶甲酸的乙醇溶剂(溶于20ml无水乙醇)和2.0g(35mmol)氢氧化钾,加热搅拌10min,再滴加2.6g(10mmol)三氯化铬的乙醇溶液(溶于30ml无水乙醇),继续搅拌回流1h,有沉淀生成。过滤,真空干燥得3.7g玫瑰红粉末,产率90.2%,熔点>300℃。用类似方法也可制得3-吡啶甲酸铬(墨绿色粉末)和4-吡啶甲酸铬(灰蓝色粉末)配合物。周保学等[5]对合成方法进行改进,用2.66gCrCl3·6H2O与3.69g吡啶酸,溶于l00ml水中,在250ml烧瓶中混合,于80℃加热搅拌30min,溶液由绿变红,用浓NH3·H2O缓慢调节溶液pH值至6.0,继续搅拌1h,冰箱中5℃冷却过夜,

得深红色产物Cr(C6H4NO2)3·H2O,抽滤,用水反复洗涤,55℃真空干燥4d,产率为96%。
初文毅等[6]采用2-甲基吡啶为原料,经氧化和络合连续反应合成了2-吡啶羧酸铬,最佳反应条件:2-甲基吡啶与高锰酸钾及三氯化铬的最佳摩尔比为1:2.5:0.35,溶剂量为2-甲基吡啶的22倍,氧化温度为80~82℃,络合温度为40~45℃,收率为82.7%,不仅使得合成工艺简化,而且生产成本降低。
2.3蛋氨酸铬的合成[7]
称取DL-蛋氨酸150g(1mol)置于2000ml烧杯中,称取CrCl3·6H2O88g(0.33mol)与蛋氨酸混合,加入750ml水,搅拌并加热至80℃左右。在搅拌状态下用6mol/lNaOH调至溶液pH值为6.8~7.2,反应液由绿变成玫瑰红色。冷却至20℃以下抽滤,滤饼用水洗涤,抽干,再用95%乙醇洗涤后抽干,先于室温下干燥,再于100℃充分干燥,得玫瑰红色蛋氨酸铬(Ⅲ)152g。最佳的反应条件:pH值为7.0,温度为80℃,配体摩尔比为Met:Cr=3:1,蛋氨酸浓度为15%。该制备过程的蛋氨酸螯合铬产率为48.41%。蛋氨酸铬的分子式为CrC15H30N3O6S3,结构式为Cr(NH2CHCH2CH2SCH3COO)3,相对分子质量497.0。37℃时的溶解度为42mg/100ml,熔点为352~356℃。
3有机铬产品的质量评价
有机铬是由三价铬离子和有机配体组成的化合物,由于生产方法的不同,市售产品质量参差不齐,导致三价铬离子和有机配体的含量不吻合,即产品的纯度或含量不高,产品质量不好。由于在生产过程中一般采用调节pH值的方法来生产有机铬产品,必然会因操作工艺和条件的出入,使部分三价铬离子生成氢氧化铬沉淀,使产品中的铬含量偏高。如无水的吡啶甲酸铬及烟酸铬中铬的理论含量均为12.43%,而市售产品中铬的含量一般都在14%以上,有的更高。
3.1有机铬产品中铬的含量测定与质量评价
从物质结构上分析,有机铬的分析可以通过无机和有机分析两种途径进行。无机分析可以直接检测其中铬元素,但缺点是无法区分是人体所必需的三价铬还是对人体有害的六价铬,且无法了解与铬相连的是何种基团。有机分析可以通过特征响应波长对整个有机铬分子进行合理准确地分析,因此属于比较理想的检验方法。有机铬含量较好的测定方法是采用高效液相色谱分析方法,将标准溶液及试样溶液注入色谱仪中,以保留时间定性,以试样峰高或峰面积与标准比较定量。但这种方法需要该种有机铬的标准样品,购买比较困难。
万玉萍等[8]采用高效液相色谱法测定保健食品中吡啶甲酸铬的含量,色谱条件:AgilentC18色谱柱(5μm,4.6mm×150mm),流动相为甲醇:乙睛:0.1mol/lNaH2pO4(H3pO4调节pH值为3)=10:5:85的溶液,检测波长为254nm,流速为1ml/min,柱温为30℃。试验结果表明,吡啶甲酸铬在0.232~1.16μg范围内色谱峰面积与进样量呈良好的线性关系,回归方程:y=2.27+1.96×103x,r=0.9999。
实际中一般采用测定样品中的三价铬含量来评价产品质量,测定方法比较多,有原子吸收法、ICp方法、分光光度法、滴定分析法等。如在万分之一电子天平上称取上述制备的各种铬螯合物内络盐各25mg左右(平行两份)于100ml三角瓶中,加入2.5ml浓HNO3和2ml浓HCl于电炉上小火消化,随之蒸发出大部分酸,冷却,用水洗入100ml容量瓶中,定容并摇匀(溶液呈Cr3+的蓝色)。用等离子发射光谱仪测定Cr含量,以50μg/ml的Cr3+标准液为标准品,按上述方法同等处理后的溶液做空白校正。金婵等[9]采用原子吸收法测定了铬的含量,取0.2~0.5g酵母干粉样品于消化瓶中,加入8ml左右的HClO4-HNO3(4:1)混合液,将消化瓶置于电炉上消化,当溶液

变为无色时即可停止消化。将消化液转移到10ml的容量瓶中,用5.0%浓度的HNO3溶液定容。测试条件为:灯电流I=12mA,通带AA=1.6nm,波长λ=357.8nm,燃烧器高度=7.5mm,空气流量=9.4L/min,乙炔气流量=2.5L/min。根据标准曲线即可得出待测样中的铬含量。王晴等[10]用ICp方法测定了烟酸铬(Ⅲ)中的铬含量,称取烟酸铬(Ⅲ)25mg于100ml三角瓶中,加入浓硝酸2.5ml和浓盐酸2ml置于电炉上小火消化,冷却后,用水定容至100ml容量瓶中(溶液呈Cr3+的蓝色),采用等离子发射光谱仪测定,以50μg/ml的Cr3+标准液对照,同法做空白试剂。
只秉文等[11]采用了两种容量分析方法测定烟酸铬中铬的含量。①湿法氧化法。准确称取约2.0000g样品,溶于100ml水中,加入15ml硫酸-磷酸混合液,加热至沸腾,浓缩至体积约为30ml,此时溶液为绿色透明溶液,冷却后转入250ml容量瓶中,加水至刻度,摇匀。用移液管准确移取上述液25.00ml于锥形瓶中,加0.1mol/l硝酸银溶液和10g/l硫酸锰溶液各1ml,加热至沸腾后分数次加入固体过硫酸铵直至出现高锰酸钾的紫红色后再煮沸10~15min,滴加氯化钠饱和溶液至溶液的紫红色消失,继续煮沸10min,冷却。加8ml(1+1)硫酸,3滴N-苯基邻氨基苯甲酸指示剂,用0.1000mol/l硫酸亚铁铵标准溶液滴定,溶液由樱红色变为翠绿色即为终点。②干法氧化法。准确称取1.5000g样品于坩锅中,加5g氢氧化钠和3g过氧化钠混匀。在电炉上炭化至无烟后,将样品放入箱式炉中,于800℃灼烧2h后,取出冷却。用4mol/l硫酸及少量水分次浸取,将浸取物完全转入250ml容量瓶中,用水定容至刻度,混匀。用移液管准确吸取上述液50.00ml于碘量瓶中,加1g碘化钾和4mol/l硫酸20ml,摇匀,于暗处放置10min,加80ml水,用0.1000mol/l硫代硫酸钠标准溶液滴定,近终点时加入5g/l淀粉溶液指示剂3ml,继续滴定至溶液蓝色消失,同时作空白试验。
高铬酵母中的铬大部分以有机铬的形式存在,且有机铬的含量多少也是评价高铬酵母营养价值的标准之一。丁文军等[12]对高铬酵母中有机铬和无机铬进行了分离测定,将0.2~0.3g酵母干粉加入盛有9ml蒸馏水的离心管中,每隔一段时间进行彻底的搅拌,静置12h,然后以3500r/min转速离心20min,反复进行几次,吸取上清液用原子吸收法测定无机铬含量。将下层沉淀移出离心管,消化、定容,便可测得有机铬含量。
3.2有机铬产品中配体的含量测定
有机铬产品中配体的含量一般采用高效液相色谱分析方法测定。王晴等[10]测定了烟酸铬(Ⅲ)中的烟酸,称取烟酸铬(Ⅲ)30mg于50ml容量瓶中,加入草酸500mg,再加入水3ml,于沸水浴上加热直到溶液澄清并呈蓝色(说明烟酸铬中的铬为Cr3+)。冷却后加入0.02mol/l乙二胺四乙酸二钠20ml,摇匀后再加入6mol/l氢氧化钠2ml,定容、摇匀,放置30min,过滤后取滤液用高效液相色谱仪分析。分析条件如下,色谱柱:DupontSAX(高250mm,直径4.6mm);流动相:0.1mol/l磷酸二氢钾+0.01mol/l乙二胺四乙酸二钠,pH值为4.2;检测波长:λ=261nm;流速:1.0ml/min。
3.3有机铬产品中其它组分的测定
有机铬产品中其它组分,如氯离子、砷、铅可参考有关饲料标准进行测定。特别是砷、铅的含量应低于国家对饲料产品允许的范围之内。由于生产有机铬产品时,一般用三氯化铬与烟酸、吡啶甲酸、氨基酸、柠檬酸等有机配体反应,通过用碱(烧碱或纯碱)调节pH值的方法来得到产品,因此必然会有氯化钠之类的副产物生成,要使产品质量好,应把氯化钠分离除去,产品中的氯离子含量应较低。
因此,三价铬离子和有机配体的含量是否吻合;是否与其分子

结构组成一致;产品中的氯离子含量的高低;砷、铅等有毒元素的含量;六价铬离子含量等,这些都是评价有机铬产品质量好坏的重要标准。
总之,对含铬有机化合物的大量研究表明,它在生物机体中具有多种极其重要的活性功能。稳定常数相对小、溶解度相对大的铬(Ⅲ)螯合物对动物营养作用将可能更好。随着人们研究的深入和认识的提高,相信含铬有机化合物将会在我们生活中发挥越来越大的作用。从目前试验结果的报道来看,对有机铬的应用研究取得了令人鼓舞的效果,有机铬由此可能成为能够给人类健康和动物生产带来重大意义的新型营养型添加剂。

 
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