铁是机体内物质氧化供能过程所需的多种化合物的组合[1-2]。铁元素可直接参与细胞色素氧化酶、过氧化物酶及其辅酶的合成，铁离子是激活乙酰辅酶A、黄嘌呤氧化酶、细胞色素还原酶等碳水化合物代谢酶所不可缺少的活化因子[3-4]。铁参与蛋白质合成和能量代谢[5-6]，可作为细胞色素的组成参与细胞内能量代谢过程[7-9]，与生物机体的生理防卫、免疫机能也有关系[10]。乳铁蛋白是一种与铁结合的糖蛋白，与免疫球蛋白A（IgA）、DNA、酪蛋白等高分子物质结合存在于外分泌液，是机体合成的高效抗菌物质[11-13]。目前多采用铁的无机盐形式作为动物饲料添加剂，动物吸收利用时必须通过多种生物学屏障，吸收率低、添加量大、生物学效价低，大部分经粪便排出污染环境，且对饲料中维生素等活性物质具有破坏作用[14-16]。氨基酸螯合物可通过肠黏膜被机体直接吸收，利于微量金属元素以螯合物的形式被机体完整地转运吸收，还可在机体需要金属元素时有效释放[17]。与无机盐、有机盐相比，氨基酸微量元素螯合物具有良好的生化稳定性[18-19]，在动物胃肠pH值条件下溶解性好，易被机体吸收，生物利用率较高[20-22]，可抗干扰以及减少矿物质间的拮抗作用，还具有补充微量元素和氨基酸的双重作用[23-25]。谷氨酸亚铁是氨基酸螯合铁之一，具有补铁[26-27]和修复肠道上皮细胞双重效果[28]。本试验合成了一种具有动物修复肠道和补铁的双重作用的氨基酸螯合铁-谷氨酸亚铁，通过IR和XRD对产品进行了定性分析，为其在动物生产中的应用提供参考。1材料与方法1.1仪器和试剂饲料级五水硫酸亚铁，含Fe2＋19.5%（衡阳天玉）。食品级碳酸钠98%（山东海化）。食品级谷氨酸99%（山东中森）。IRTracer-100傅里叶变换红外光谱仪（岛津公司），XRD6000 X射线粉末衍射分析仪（岛津公司）。1.2谷氨酸亚铁合成方法的选择1.2.1L-谷氨酸性质谷氨酸（2-氨基戊二酸）有左旋体、右旋体和外消旋体。左旋体即L-谷氨酸是一种鳞片状或粉末状晶体，呈微酸性，无毒，无臭，有特殊滋味和酸味。在225 ℃下分解，难溶于水，溶解度（g/100 g水）：0.72（20 ℃）、1.51（40 ℃ ）、3.17（60 ℃）、6.66（80 ℃），饱和水溶液的pH值约3.2。不溶于乙醇和乙醚，易溶于甲酸。1.2.2合成方法选择选用硫酸亚铁和碳酸钠分别配成溶液，生成活性碳酸亚铁，活性碳酸亚铁与谷氨酸在加热、真空条件下反应生成谷氨酸亚铁，化学反应方程式为：合成碳酸亚铁：FeSO4·5H2O+Na2CO3=FeCO3↓+Na2SO4+5H2O。合成谷氨酸亚铁：FeCO3+C5H9NO4=C5H7NO4Fe+H2O+CO2↑。1.3测定指标及方法1.3.1制备方法称取碳酸钠加入水中搅拌溶解制成溶液，称取五水硫酸亚铁加入水中搅拌溶解制成溶液，将两溶液充分混合，搅拌20 min，真空抽滤得白色碳酸亚铁湿滤饼。将谷氨酸和碳酸亚铁湿滤饼用水搅匀，转移至2 L旋转蒸发仪中，调节反应液pH值，真空条件下加热反应一定时间，反应后将物料冷却至常温泄真空，抽滤得湿滤饼，真空干燥后得谷氨酸亚铁产品。对所得产品进行Fe2＋、谷氨酸、Fe3＋分析，分析结果比例合理的产品进行XRD和红外线检测，确定物质结构。1.3.2单因素试验1.3.2.1投料比对产品纯度的影响反应溶液的pH值5.4、-0.09 MPa真空、反应温度70 ℃、反应时间2.5 h，反应物经过滤后所处滤饼用适量水洗涤，真空干燥。选取不同的比例的L-谷氨酸和碳酸亚铁进行试验，研究投料比对产品纯度的影响。1.3.2.2反应溶液的pH值对产品纯度的影响在反应原料投料比为L-谷氨酸∶碳酸亚铁=1.02∶1.0、-0.09 MPa真空、反应温度70 ℃、反应时间2.5 h的条件下，反应物经过滤后所得滤饼用适量水洗涤，真空干燥。选取不同的反应溶液pH值进行试验，研究反应溶液pH值对产品纯度的影响。1.3.2.3反应真空对产品纯度的影响在反应原料的投料比为L-谷氨酸∶碳酸亚铁=1.02∶1.0、反应溶液pH值5.4、反应温度70 ℃、反应时间2.5 h的条件下，反应物经过滤后所得滤饼用适量水洗涤，真空干燥。选取不同的反应真空条件进行试验，研究反应真空度对产品纯度的影响。1.3.2.4反应温度对产品纯度的影响在反应原料的投料比为L-谷氨酸∶碳酸亚铁=1.02∶1.0、反应溶液pH值5.4、真空度-0.09 MPa、反应时间2.5 h的条件下，反应物经过滤后所得滤饼用适量水洗涤，真空干燥。选取不同的反应温度进行试验，研究反应温度对产品纯度的影响。1.3.2.5反应时间对产品纯度的影响在反应原料的投料比为谷氨酸∶碳酸亚铁=1.02∶1.0、反应溶液pH值5.4、真空度-0.09 MPa、反应温度70 ℃的条件下，反应物经过滤后所得滤饼用适量水洗涤，真空干燥。选取不同的反应时间进行试验，研究反应时间对产品纯度的影响。1.3.3正交试验正交试验因素及水平见表1。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.024.T001表1正交试验因素及水平水平A投料比B pH值C真空度/MPaD反应温度/℃E反应时间/h10.95∶1.03.40601.021.00∶1.04.4-0.03701.531.02∶1.05.4-0.05802.041.05∶1.06.4-0.07902.551.10∶1.07.4-0.09953.02结果与分析2.1单因素试验2.1.1投料比对产品纯度的影响（见表2）由表2可知，目标产物谷氨酸亚铁的纯度先随着投料比增加而上升，升至1.02∶1.0时，产物纯度达到95.3%。随着L-谷氨酸添加量增加，未反应的L-谷氨酸进入产品，使纯度呈下降趋势。研究表明，L-谷氨酸∶碳酸亚铁=1.02∶1.0时，谷氨酸亚铁的纯度最高，但Fe3+含量随L-谷氨酸比例的增加而减少。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.024.T002表2投料比对产品纯度的影响投料比Fe2+C5H9NO4Fe3+C5H7NO4Fe0.95∶1.0030.759.11.380.81.00∶1.0028.368.11.193.11.02∶1.0026.670.00.495.31.05∶1.0023.073.00.382.81.10∶1.0021.076.20.275.5%2.1.2反应溶液的pH值对产品纯度的影响（见表3）由表3可知，谷氨酸亚铁纯度在pH值5.4时达到最佳值95.3%。pH值偏低时，大部分谷氨酸未参与反应，呈结晶状进入抽滤滤饼中，导致产品中谷氨酸浓度偏高，而pH值偏高时，大部分碳酸亚铁以固体形式进入抽滤滤渣中，导致产品中亚铁离子含量偏高。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.024.T003表3反应溶液pH值对产品纯度的影响pH值Fe2+C5H9NO4Fe3+C5H7NO4Fe3.45.691.10.220.14.425.973.10.393.15.426.670.00.495.36.432.252.91.472.37.432.145.93.362.8%2.1.3反应真空度对产品纯度的影响（见表4）由表4可知，谷氨酸亚铁纯度随真空度增加而增加；真空度越大，Fe2+氧化成Fe3+的比例越少，产品中Fe3+浓度越低。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.024.T004表4反应真空度对产品纯度的影响真空度/MPaFe2+C5H9NO4Fe3+C5H7NO4Fe019.158.63.2015.4-0.0322.566.02.6058.5-0.0525.770.91.3087.1-0.0726.270.80.4594.1-0.0926.670.00.4095.3%2.1.4反应温度对产品纯度的影响（见表5）由表5可知，谷氨酸亚铁纯度随反应温度增加而增加，反应温度超过80 ℃时，再提高温度，Fe2+氧化成Fe3+的比例明显增加，产品纯度下降；反应温度为70 ℃时，Fe2+氧化成Fe3+的比例降低，产品中Fe2+含量低。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.024.T005表5反应温度对产品纯度的影响反应温度/℃Fe2+C5H9NO4Fe3+C5H7NO4Fe6025.870.80.380.47026.670.00.495.38026.469.40.694.79026.068.50.993.39525.567.21.091.5%2.1.5反应时间对产品纯度的影响（见表6）由表6可知，谷氨酸亚铁纯度随反应时间增加而增加，反应时间超过2.5 h时，产品纯度反而下降；反应时间越长，Fe2+氧化成Fe3+的比例越多，产品中Fe3+越高。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.024.T006表6反应时间对产品纯度的影响反应时间/hFe2+C5H9NO4Fe3+C5H7NO4Fe1.021.175.50.275.71.524.372.10.387.32.025.971.80.393.02.526.670.00.495.33.026.169.61.093.7%2.2L25（56）正交试验结果（见表7）由表7可知，根据k值判断最优组合为A1B3C5D2E4，与表格中最优组合A3B3C5D2E4进行验证试验，发现在L-谷氨酸∶碳酸亚铁的比例为1.02∶1、溶液pH值5.4、-0.09 MPa真空、温度70 ℃、时间2.5 h合成反应条件下，产品纯度最高，因此选择A3B3C5D2E4为最优组合。由R值可知，对产品纯度影响排序为BCDAE。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.024.T007表7L25（56）正交试验结果项目ABCDE谷氨酸亚铁纯度/%11111118.121222250.431333375.641444468.151555560.262123428.372234536.482345190.992451267.9102512324.7113135219.7123241357.6133352495.3143413514.7153524155.5164142417.3174253118.5184314214.7194425354.7204531460.7215154317.8225215417.7235321554.2245432157.7255543256.1K1272.4101.289.9258.5240.7K2248.2180.6243.1245.5208.8K3242.8330.7250.1193.2230.4K4165.9263.1290192.5269.5K5203.5257.2290243.2182.8k154.520.218.051.748.1k249.636.148.649.141.8k348.666.150.038.646.1k433.252.658.038.553.9k540.751.458.028.636.6标准差8.417.616.59.36.5R21.345.940.023.117.32.3验证试验结果2.3.1产品红外分析取纯度高的所得产品做红外分析，得到相应图谱，见图2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.024.F001图2谷氨酸亚铁红外图谱由图2可知，3 300~3 000 cm-1处出现较宽且强的吸收峰属于羟基（—OH）与氨基（—NH2）伸缩振动吸收峰。与谷氨酸对应出现在3 100~2 900 cm-1相比，谷氨酸与亚铁离子配位后明显向高波数移动，1 584 cm-1属羰基不对称伸缩振动吸收峰；与谷氨酸（1 644 cm-1）相比，向高波数移动40 cm-1，1 402 cm-1属羧基（—COOH）对称伸缩振动吸收峰，原因是谷氨酸中的羧基与亚铁离子结合，羧基中的电子云分布发生变化；与谷氨酸（1 419 cm-1）相比，向低波数移动17 cm-1，1 352和1 320 cm-1属C—H面内弯曲振动吸收峰，1 165 cm-1属CH2面外弯曲振动吸收峰，1 095、1 043、952和927cm-1属C—N和C—C伸缩振动吸收峰，785、715和638 cm-1属氨基（—NH2）面内弯曲振动、羧基（—COOH）面内弯曲振动和—COOH变形振动吸收峰。谷氨酸与亚铁离子成功结合生成了谷氨酸亚铁螯合物。2.3.2产品XRD分析取纯度高的合成产品进行粉末衍射分析，得到相应XRD图谱，谷氨酸亚铁XRD图谱见图3。由图3可知，与谷氨酸标准图谱进行对比，本试验合成了新结构的产物。图3谷氨酸亚铁及谷氨酸XRD图谱10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.024.F2a1（a）谷氨酸亚铁10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.18.024.F2a2（b）谷氨酸3结论以硫酸亚铁、碳酸钠、谷氨酸为原料合成谷氨酸亚铁反应的佳合成反应条件为投料比为1.02∶1、pH值5.4、真空度-0.09 MPa、温度70 ℃、时间2.5 h。pH值和真空度是对产品纯度影响最大的因素。反应物经抽滤后真空干燥，得到高纯度谷氨酸亚铁产品，谷氨酸亚铁含量达95.3%，Fe3＋≤0.5%。红外图谱及XRD粉末衍射分析，确定反应生成了新物质谷氨酸亚铁。