用于制备氨基酸螯合物的方法,氨基酸螯合物和氨基酸螯合物的用途

摘要

一种用于制备氨基酸螯合物的方法，其特征在于固体形式的金属氧化物和/或金属碳酸盐和/或金属硫酸盐和/或金属氯化物和/或金属氢氧化物被机械地活化，然后，活化的金属氧化物和/或金属碳酸盐和/或金属氢氧化物和/或金属硫酸盐和/或金属氯化物与固体形式的氨基酸组合在一起，并以固态反应转化为氨基酸螯合物。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制备氨基酸螯合物的方法。此外，其涉及一种 氨基酸螯合物。最终，其涉及氨基酸螯合物的用途。

背景技术

当金属化合物与氨基酸进行反应时，产生所谓的螯合物。尤其是对 于金属铜、锌、锰、铁、钙、镁、钴、钒、硒和镍，以及对于氨基酸甘 氨酸、赖氨酸和甲硫氨酸存在螯合物。

尤其是，氨基酸螯合物被用于动物饲料和用于提供痕量元素的肥 料。近年来甘氨酸螯合物已经越来越多地被用于动物营养物中。在许多 动物试验中，观察到关于由无机化合物制成痕量元素的改善的性能和改 善的肠内吸收。可以提高食物中的痕量元素的效率，并且可以降低排泄 率。降低了生理供给不足和性能降低的风险。此外，已经公布了有机结 合的痕量元素的潜在的优点的信息，例如，改善的动物饲养学和繁殖性 能，更高的外和内卵品质，在体内器官或组织中的更高的结合性。

目前下述的甘氨酸螯合物在法律上许可用于食物产品中，并且在市 场上可以购买得到(根据EU食品添加剂规定的E数字分别列于括号中)：

·甘氨酸螯合铁水合物(E1)，短：甘氨酸铁

·甘氨酸螯合铜水合物(E4)，短：甘氨酸铜

·甘氨酸螯合锰水合物(E5)，短：甘氨酸锰

·甘氨酸螯合锌水合物(E6)，短：甘氨酸锌

市场上目前可得的甘氨酸盐的明显的差别特别是在于痕量元素含 量、甘氨酸含量、在水中的溶解性、颜色和结构、pH值、无机阴离子的 量和类型(硫酸根或氯离子)。目前为止在市场上出现的所有所谓的铜甘 氨酸盐或者混以阴离子和/或用填料稀释和/或包含太低的甘氨酸含量 以致难以真正两次配位。巨大的差异归因于各自使用的制备方法，使用 的原料和选择的痕量元素与甘氨酸之间的反应比。

甘氨酸螯合物的制备极其复杂。通常从对应的痕量元素化合物的溶 液与甘氨酸开始，使其在提高的温度下反应。最后蒸发、结晶、干燥和 磨粉。

例如，在US4,315,927A、US4,814,177A、US830,716A、US 4,599,152A和US5,516,925A中描述了现有技术。

专利申请CN2009/10030766.3描述了甘氨酸锌的制备。接着，在 第一步中，将5-15%的甘氨酸与5-10%的纳米ZnO与水在50℃至80℃的 搅拌3至24小时，然后保持静置6至10小时。在第二步中，在3,000 至8,000min^-1下离心，在烘箱中于80℃至120℃干燥离心物。第三步包 括当大于80-120目时粉碎并分类。在申请CN2009/10030767.8中，描 述了除了省略离心的用于甘氨酸钙的相同的制备方法。

EP1 529 775B1涉及一种用于制备金属与有机酸的螯合物的方法， 其主要在无水介质中加工。使用了金属氧化物、氢氧化物或盐。将有机 酸配体(尤其是例如甘氨酸、赖氨酸、谷氨酸)和相应的金属化合物(例 如氢氧化物，如氢氧化铜、氢氧化锌、氢氧化铁、氢氧化锰等)浸没在 非水液体中，例如甲醇、乙醇、异丙醇、己烷、石油醚等，并在室温和 升高的温度下混合在一起。由于水也为反应产物，必须借助水分离装置 (例如，Dean-Stark水分离器)除去水。从有机液体中除去相应的金属螯 合物是通过过滤实现的。在干燥后，相应的金属螯合物呈现非常细的粉 末作为成品。

从在EP1 529 775B1中的实施例可以看出所描述的制备方法需要 对使用的金属化合物进行预处理。因此，例如，氢氧化铜的制备是由 CuSO₄·5H₂O开始的，其是使用KOH在pH10-11稳定化的，从而沉淀 Cu(OH)₂。接着两次离心，其伴随在乙醇中洗涤的步骤。为了制备甘氨酸 铜，然后使Cu(OH)₂与甘氨酸混合，并使该混合物在乙醇中蒸煮5小时。 过滤在这些条件下产生的甘氨酸铜，并干燥成粉末。

专利申请CN92107282.1和CN2007/130121.0描述了乙酸铜和甘 氨酸的混合物在球磨机中的以单步固态反应转化。基于此，乙酸铜和甘 氨酸的混合物与水和碳酸钠混合，然后在球磨机中进行湿磨。在数小时 的碾磨之后，干燥悬浮液，用乙醇洗涤，离心并再次干燥。

DE10 2004 039 486A1描述了用于制备有机痕量元素化合物的干 法。金属氧化物和固体有机酸的任何干燥混合物暴露于通过来自粉碎机 的冲击和压力的机械应力下，使得释放的焓量引发固态反应至金属盐样 化合物。

该公开文献的焦点为由ZnO和甲硫氨酸的混合物制备双甲二磺酸 锌，其在混合物中一起碾磨。这是通过总共七个实施例证明。其它三个 实施例包含CuO和天冬氨酸(总共二十一种氨基酸之一)的混合物、MnO 与苹果酸(羧酸酯)的混合物和Cr(OH)₃和烟酸(以盐样结合到植物酸的 生物碱)的混合物。

这些方法的测试已经显示通过磨料在磨机壁上的粘结可能发生运 行干扰。这些粘结可以导致磨室的完全固结，其仅可以借助压气锤再次 补救，因而排除了工业使用。此外，产品质量是不可再现的。

发明内容

针对该背景，本发明的目的是提供用于制备氨基酸螯合物的简单、 稳定和适合于工业的方法。此外，本发明的目的在于形成氨基酸螯合物， 其具有有利的制备性能。最后，应提供氨基酸螯合物的有利用途。

本发明的目的是通过具有权利要求1中的特征的方法实现的。所述 方法的有利的实施方式列于从属权利要求中。

在用于制备氨基酸螯合物的根据本发明的方法的情况下，固体形式 的金属氧化物和/或金属碳酸盐和/或金属硫酸盐和/或金属氯化物和/ 或金属氢氧化物被机械地活化，然后，活化的金属氧化物和/或金属碳 酸盐和/或金属硫酸盐和/或金属氯化物和/或金属氢氧化物与固体形式 的氨基酸组合在一起，并以固态反应转化为氨基酸螯合物。

发现金属化合物和氨基酸的混合物的机械活化不是合适的途径。金 属化合物与有机酸的转化是非常自发的链式连续反应。从能量的观点 看，因此在混合物的机械活化的过程中发生很大程度的能量损失，混合 物的较大的质量分数不需要机械活化。其为混合比例数量级。在1:2的 (CuO比甘氨酸)混合比例的情况下，待非机械活化的份额超过50%。在 用有机酸的转化过程中关键的反应物为金属化合物。根据本发明，其首 先被机械地活化。金属化合物和与氨基酸的固态反应的去耦合导致对在 金属螯合物的合成过程中的反应机制的决定性的影响。在金属化合物的 分开的机械活化之后，通过加入氨基酸引发螯合物固态反应。通过金属 化合物的分开的机械活化显著提高了反应的总转化率。在固态反应中存 在固体形式的金属化合物和氨基酸。在此反应配对物质是干燥的或基本 上干燥，即，具有尽可能低的湿含量。它们的湿含量优选至多5wt%。

根据优选的实施方式，将松散颗粒混合物形式的金属化合物供给至 机械活化。根据另一实施方式，将氨基酸供给至其它的松散颗粒混合物 形式的机械活化的金属化合物。机械活化或固态反应是通过使用松散颗 粒混合物形式的金属化合物或松散颗粒混合物形式的氨基酸而促进。然 而，原则上还可以向所述方法供给大的连接块形式的反应配对物质，其 中实施所述方法时可以碾磨。

根据所述方法的一个实施方式，至少一种反应参与物是热活化的。 所述热活化加速了固态反应。在热活化的情况下，至少一种反应参与物 被加热。如果反应温度超过水的沸点(在常压下实施所述方法的过程中 为100℃)，则游离的反应水蒸发，并与反应参与物分离。

根据优选的实施方式，热活化与机械活化和/或与以固态反应的转 化同时进行。在此热活化所需的热能有目的地供给至固态反应。此外， 在机械活化过程中或在实施固态反应的过程中释放的热能可以被用于 热活化。特别是在实施机械活化和/或在磨机或其它混合反应器中固态 反应的过程中就是这种情况下。

根据另一实施方式，将在转化过程中产生的水与反应参与物分离。 由此避免了反应参与物粘结在固体表面上和与此相关的反应缺陷。还避 免了在反应器中的与粘结相关的运行干扰或维修工作。这特别适用于在 磨机或其它混合反应器进行固态反应。

特别是可以通过蒸发将水与氨基酸螯合物分离。在此，在实施所述 固态反应下，可以供给热和/或可以降低压力。通过热供给还可以进行 热活化。此外，在吸收性固体的存在下可以实施固态反应。

根据另一实施方式，将原料干燥地供给至所述方法中。由此进一步 避免了在固体表面上粘结的风险。为此所述原料优选具有最多5%的水含 量。此外，水含量优选最多为2.5%。

根据另一实施方式，在相同的反应器中进行所述活化和转化。在间 歇式反应器中，可以首先加入金属化合物并活化，然后可以加入氨基酸， 并且可以实施固态反应。在连续的流通式反应器（Durchlaufreaktor） 中，在第一供给位置可以供给所述金属化合物，在流经活化段后，可以 在第二供给位置供给氨基酸，以便与活化的金属化合物一起流经反应 段。

根据另一实施方式，在不同的反应器中进行所述活化和转化。不同 的反应器可以为间歇式反应器，其中，分开地和分批地实施机械活化和 转化。此外，不同的反应器可以为连续式反应器，其中，机械活化和转 化彼此分开地连续进行。

根据另一实施方式，在振动磨机和/或搅拌磨机和/或滚筒式磨机和 /或其它混合反应器中进行所述活化和/或转化。

为了活化和任选地固态反应，所述金属化合物和任选的氨基酸优选 暴露于通过来自粉碎机的冲击和压力的机械应力。这优选在偏心振动磨 机中进行。

在偏心振动磨机中，将处理的料物暴露于特别地通过冲击和压力的 机械应力。偏心振动磨机目前能够最有效地机械活化金属化合物，并且 还非常好地适合于实施固态反应。通过在偏心振动磨机中释放的热能可 以同时造成热活化。

在DE43 35 797 C2中描述了适合在根据本发明的方法中使用的偏 心振动磨机。合适的偏心振动磨机由公司Siebtechnik,Mülheim an der  Ruhr，德国，售卖。

可以在相同的混合反应器中、相同类型的不同的反应器中或不同类 型的混合反应器中进行所述活化和转化。特别地，可以在偏心振动磨机 中实施活化，以及在另一种类型的混合反应器中实施转化。

根据一个实施方式，混合反应器运行所产生的热被用于热活化和/ 或水的蒸发。特别地，单用偏心振动磨机运行所产生的热就可以造成热 活化和/或水的蒸发。为了加热混合反应器，如有必要，首先在加热阶 段加热。所述加热阶段可以与机械活化同时发生。

根据一个实施方式，将用于热活化和/或水的蒸发的热量供给至反 应器。热活化和/或蒸发所需的热量可以完全由外部供给至反应器。如 有必要，除了由反应器产生的热量之外，还可以从外部供给热量。

根据另一实施方式，在30℃至150℃的温度下实施热活化和/或蒸 发。此外，在80℃至120℃的温度下实施热活化和/或蒸发。

根据另一实施方式，将在转化过程中产生的水从反应器中排出。在 转化过程中可以一次性地，间歇地或连续地排出水。

根据另一实施方式，在反应产物在反应器外部的存储过程中转化继 续进行。在使用前反应产物的存储可以用于反应继续进行。由此可以提 高反应器用于活化的利用率。

根据优选的实施方式，所述反应产物包含游离的反应水，以用于在 从反应器中移除之后在存储过程中转化继续进行。在低于沸点的温度下 的存储过程中，特别是在室温下，游离的反应水通过离子运输促进继续 反应。因此，在存储过程中反应可以继续进行。在反应器中的转化过程 中，可以控制水与反应参与物的分离使得避免粘结在固体表面上，并且 保留足够份额的游离水用于在反应产物的后续存储过程中的转化。

根据另一实施方式，在所述产物中的游离水含量为1%至5%。产物 的水含量优选最多为3%。此外，优选大约2.5%。在这些水份额的情况 下避免产物胶着和妨碍进一步加工。可以控制在转化过程中或在后续存 储过程中水的分离使得产物中的水含量相应地降低。

根据另一实施方式，转化进行至完全化学计量地发生。双配位的甘 氨酸铜是由29.7wt%的铜和70.3wt%的甘氨酸组成。因此，铜与甘氨酸 的质量比为1：2.37。在CuO的机械活化过程中，根据甘氨酸盐反应达 到提高的溶解度。由此，甘氨酸铜的可溶性铜含量可以为超化学计量的， 并且达到超过35%。

根据另一实施方式，将氨基酸超化学计量地供给至转化过程。由此 促进转化进行至完全化学计量。

根据另一实施方式，金属氧化物和/或金属碳酸盐和/或金属硫酸盐 和/或金属氯化物和/或金属氢氧化物与氨基酸的质量比为1:2至1:5。

根据一个实施方式，制备了铜和/或锌和/或锰和/或铁和/或镁和/ 或钙和/或镍和/或钴的氨基酸螯合物。根据另一实施方式，制备了甘氨 酸和/或赖氨酸和/或甲硫氨酸和/或其它氨基酸和/或氨基酸混合物的 氨基酸螯合物。

对于复杂的应用，例如，作为发酵添加剂和作为肥料添加剂，根据 本发明的方法允许制备金属组合螯合物，其中，金属(例如铜、锌、铁 或锰)化合物的混合物被机械地活化，并且使之与例如甘氨酸通过热活 化反应。

此外，通过具有权利要求28至31中的特征的氨基酸螯合物实现所 述目的。

根据权利要求28，所述氨基酸螯合物含有具有典型的针状晶体结构 的粒子。这种结构在扫描电子显微镜下是可见的；图1显示了由扫描电 子显微镜(REM)得到的照片的实例。

根据权利要求29，所述氨基酸螯合物不包含硫酸盐和/或氯化物， 并且具有在4-9范围内的pH值。对于用作饲料添加剂，食品添加剂、 营养补充剂和电镀添加剂的用途，其具有不会引入不合意的阴离子的优 点。

根据权利要求30，氨基酸螯合物具有40至60μm，优选大约50μm 的平均粒径，以及至多80%的粒子处在0-100μm的范围内，以及至多2% 的大于500μm的粒子。这种粒径对用作饲料添加剂、食品添加剂、营养 补充剂是特别有利的，因为在低浓度时还提供了良好的分布性和混合质 量。

根据权利要求31，根据上述类型的方法可以制备氨基酸螯合物。

根据权利要求28至31所述的氨基酸螯合物具有如下优点：可以以 相对简单、稳定和工业适用的方法制备它们。

最后，通过权利要求32实现所述目的。

根据权利要求32，根据本发明的氨基酸螯合物被用作饲料添加剂和 /或发酵添加剂和/或肥料添加剂和/或食品添加剂和/或营养补充剂和/ 或作为电镀添加剂的用途。

根据本发明的方法的操作性是由例如在化学计量条件下的对CuO甘 氨酸体系表示。

可以使用下面的机制描述干法合成：

第一步

CuO的单独机械活化

第二步

添加甘氨酸

用机械活化的CuO的热活化和温度决定的转化程度。

然后，在第一步中，在偏心振动磨机中在仅需要大约30至60分钟 的时间进行CuO的单独机械活化，其中能量消耗例如大约300kWh/t。 所述磨机填充率为30%。由于在碾磨过程中大约90%的施用的能量被转 化为热，对于非恒温磨机而言产生30℃至150℃的温度。

在完成CuO的机械活化之后，在第二步中，通过添加甘氨酸磨机填 充率提高到100%。使用仅为大约5kWh/t的能量消耗，在数分钟内使 CuO与甘氨酸反应。反应的速率取决于磨机的运行温度，其导致热活化。 热活化的程度是由运行温度的水平决定的。在磨机中在间歇运行的情况 下，该程序适用。

然而，还可以通过串联连接分开机械活化和热活化。在这种情况下， 去耦合的热活化可以在第二恒温振动磨机中或恒温常规滚筒式磨机或 恒温搅拌球磨机或在恒温混合器中实施。

在大于100℃的温度下，转化率为，例如，在95%至100%之间。在 100℃以下，残留的反应水能够通过存储继续反应至完全化学计量地转 化。

作为对转化程度的对照，用水的溶解度测试非常可靠，其中，四胺 配合物的蓝色将变得可见。通过X-射线显微图像可以进一步证明：根据 有效的ASTM索引，产生的化合物为对应于甘氨酸铜螯合物的双(甘氨酸 合)铜。图2显示X射线衍射图谱的实例。所述X-射线衍射是基于使用 单色X射线光照射粉末样品；根据衍射角测量反射的照射强度。在确定 的晶体表面在给定角度(2Θ)得到强度最大值，在这种情况下甘氨酸铜的 晶体表面反射X-射线。通过比较具有确定的衍射图案的甘氨酸铜的最纯 的参考样品，可以清楚地将结晶物质归类。

本发明的主题延及锌螯合物、锰螯合物、铁螯合物、镍螯合物以及 镁螯合物、钙螯合物和钴螯合物的干法合成，并确认相同方式的反应机 理。

具体实施方式

下面将基于实施例证明根据本发明所述的方法。

实施例1：

根据本发明的方法的实验是在具有2.7升容积的卫星式碾磨容器 中进行，其以凸缘安装在656-0.5ks型偏心振动磨机上。卫星式碾磨 容器的碾磨室加有陶瓷衬，以避免污染。

在下面的运行条件下进行所述工作：

转速：960min^-1

振幅12mm

研磨体钢

使150g的具有＜100μm粒径的氧化铜粉末在上述的卫星式碾磨 容器中进行机械活化15分钟。在活化开始时，磨机30℃。然后，停止 磨机，向经活化的氧化铜加入额外的350g甘氨酸。然后，磨机的运行 温度为130℃。在所述混合物的10分钟的热活化之后，结束所述过程， 通过排放阀释放水蒸汽。产品淡蓝色显示固态反应必然已经发生，其为 一种新的物质。分析产品的水溶性、晶体晶格结构、粒子形状和粒径。 在室温下在10分钟后，水溶性为58%，以及在60分钟后为98%；因此， 溶解的Cu在NH₃离子的存在下转化为已知的蓝色四胺配合物 [Cu(NH₃)₄]^-2。使用Philips公司的X‘Pert X-射线衍射仪检查晶体结构 显示在X-射线衍射角度2Θ10.3处的双(甘氨酸合)铜（C₄H₈CuN₂O₄）的 主峰，其以编号00-018-1714列于ESTM索引。

X-射线衍射仪测量的结果示于图2中。

使用扫描电子显微镜检查粒子形状，并提供典型的、针状的甘氨酸 盐的晶体和它们的附聚物。这示于图1中。关于散料的性能，粒子分布 分析发现d₅₀值为50μm。所述材料能自由流动，并具有＜2%的水含量， 且是稳定的。

实施例2：

根据本发明的方法应用于产生铜、锌、铁、锰和镍的甘氨酸盐的用 途依据CuO、ZnO、FeSO₄·H₂O、MnCO₃和NiO的混合物展示。基于此，将 150g的上述的混合物(其中各组分组成20%)在与实施例1中相同的研 究设备中机械活化25分钟。然后打开卫星式研磨容器，并加入300g的 甘氨酸。接着，在105℃的运行温度下热活化5分钟。通过排出阀释放 所产生的水蒸汽。

在25℃下用水的溶解度测试在60分钟后得到了所有使用的金属的 全利用度。水溶液澄清并且具有轻微的橄榄油混合物色。未获得X-射线 结构照片，因为所使用的金属的甘氨酸盐的线重叠。

实施例3

作为根据本发明的方法用途的另一实施例，描述了碱土金属甘氨酸 盐、甘氨酸镁和甘氨酸钙的制备。

使用在实施例1中使用的相同的研究设备。两个合成的程序相同， 因此此处进行了概述。将54g的CaO或MgO各自进行10-分钟的机械活 化。为了具有对于热活化而言足够高的运行温度，在实验之前，使磨机 在空转情况下就达到110℃的运行温度。在机械活化之后，在两种情况 下分别热活化15分钟。作为溶解度测试，各自在45℃下经10分钟的时 间段测试水溶解性。

在将产生的甘氨酸钙加入到水中之后，得到自发完全溶解性，并在 玻璃般透明溶液中产生7.5的pH值。

产生的甘氨酸镁在加入水中之后导致pH值为8，其中，得到轻微混 浊的溶液。用HCl(胃酸的组分)调节到pH6得到澄清溶液，而没有即使 痕量的不溶解的使用成分。在相同的溶解条件下，在HCl存在下，纯MgO 在直至pH值为0时都是稳定的。