有機微量元素是指微量元素的無機鹽與有機物及其分解產物形成的化合物簡稱絡合物。絡合物是由作為中心離子的金屬離子與氨基酸配位體(離子或分子)通過配位鍵的結合形成的化合物,根據絡合物的組成,絡合物可以分成簡單絡合物、螯合物,多核絡合物等多種,簡單絡合物分子或離子只有一個中心離子,每個配位體只有一個配位原子與中心離子成鍵。螯合物中每個配體至少有兩個或兩個以上的配位原子同時與中心離子成鍵,形成環狀結構。根據美國飼料管理官員協會(AAFCO,2001)關于有機微量元素的定義,有機微量元素化合物可以分成5類:(1)由可溶性金屬鹽與某種或幾種氨基酸形成的金屬氨基酸絡合物;(2)由可溶性金屬鹽與一種特定氨基酸形成的金屬氨基酸絡合物,如賴氨酸銅絡合物;(3)由可溶性金屬鹽與氨基酸按1:1~1:3(最好1:2)比例以共價鍵結合而成的金屬氨基酸螯合物;(4)由可溶性金屬鹽與多糖溶液形成的金屬多糖絡合物;(5)由可溶性金屬鹽與部分水解的蛋白質螯合而成的金屬蛋白鹽。一般來說,簡單配合物的穩定性較差,由于螯合效應的影響,螯合物比具有相同配位原子的簡單配合物穩定。螯合物作為絡合物的特殊形式亦廣泛的存在于自然界中,作為飼料添加劑的微量元素氨基酸螯合物從化學結構上區分可有以下不同:
(1) 中心離子與配位體摩爾比例不同,M/M=1:1~1:3,分別形成單環,雙環,三環,一般形成的五元或六元環。
(2) 內絡鹽型和絡離子型,(絡陰離子或絡陽離子)
(3) 單核-單一配位體和單核—混合配位體型
而對于以上形式的絡合物如何進行評判,目前存在很多的爭議,以下是對于有機微量元素評判較為認可的一些方法的說明。
一、“螯合率”
是指有機微量元素產品中螯合元素量占總元素量的比例。在螯合物的實際應用中,人們經常把“螯合率”看作一種反應得率。檢測螯合率的方法目前有兩種,一種是國標GB/T13080.2~2005中運用凝膠色譜法進行檢測,通過將氨基酸螯合物試樣在水中加熱、離心后,分成沉淀和溶液兩部分。溶液中所含的可溶性氨基酸鰲合物及金屬離子經過凝膠分離,在規定條件下洗脫,金屬離子形成氫氧化物沉淀,將固定在凝膠柱頂端無法洗脫,可溶性氨基酸螯合物則可通過配體氨基酸的攜帶從凝膠柱上洗脫下來,實現和金屬離子的分離;可溶性氨基酸螯合物洗脫分離完成后,加人EDTA溶液洗脫,使金屬離子從色譜柱上洗脫。用原子吸收光譜法測定沉淀態氨基酸螯合物、可溶性氨基酸螯合物及金屬離子的含量,分別計算出沉淀態氨基酸螯合物、可溶性氨基酸螯合物占金屬元素總量的比例即可計算出相應的氨基酸螯合物的螯合率。但是此方法在實際生產應用中檢測極不穩定,容易出現同一批樣品多次檢測結果不一致的現象。另外一種方法就是采用甘氨酸亞鐵國標(GB/T21996~2008)中檢測甘氨酸進行評判,因為某一種特異性氨基酸螯合物中只存在一種氨基酸,如甘氨酸亞鐵中只存在甘氨酸,那么我們就可以檢測總甘氨酸的含量,再檢測游離甘氨酸的含量,用總甘氨酸的含量減除游離甘氨酸的含量,再除以總甘氨酸的含量就可以間接折算出螯合率。此種方法簡單易行,準確性高,適合飼料企業實驗室操作。但事實上,“螯合率”概念的提出是不充分的,(絡合物化學中沒有“螯合率”概念)因為在不考慮螯合物穩定程度的情況下,配位體螯合金屬離子的反應很容易發生,只要是混合配位體和金屬離子的溶液就可以實現螯合。但是,衡量螯合是否很“徹底”,則應以螯合物的穩定常數來表示。螯合物穩定常數的是有條件的,也稱為 “條件穩定常數”。
二、“穩定常數”
是指有機微量元素產品中已經絡合部分的穩定程度,即穩定常數。螯合物在溶液中的穩定性通常以螯合物的穩定常數(Formation cotlstant,Kf)來表示。穩定常數有活度穩定常數和濃度穩定常數,一般常用濃度穩定常數。在一定溫度下。只有在溶液中離子強度恒定的條件下,濃度穩定常數才是常數。
表1部分絡合物的穩定常數logK
配位體名稱 |
金屬離子 |
LogK1 |
LogK1K2 |
富馬酸 |
Fe2+ |
≤2 |
|
賴氨酸 |
≤4 |
|
|
甘氨酸 |
4.3 |
7.8 |
|
蛋氨酸 |
3.24 |
6.7 |
|
EDTA |
14.3 |
|
|
甘氨酸 |
Cu2+ |
8.22 |
15.6 |
蛋氨酸 |
|
14.7 |
|
富馬酸 |
2.51 |
|
|
甘氨酸 |
Mn2+ |
3.44 |
6.63 |
富馬酸 |
0.99 |
|
|
EDTA |
13.4 |
|
|
賴氨酸 |
2.18 |
|
|
蛋氨酸 |
≤2 |
|
|
甘氨酸 |
Zn2+ |
5.16,5.52 |
9.96 |
蛋氨酸 |
4.38 |
|
|
EDTA |
16.1 |
|
|
甘氨酸 |
Co2+ |
5.23 |
9.25 |
EDTA |
16.1 |
|
|
亮氨酸 |
4.9 |
8.25 |
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組氨酸 |
7.3 |
11.6 |
|
蛋氨酸 |
|
7.9 |
從表1的數據可以看到微量元素氨基酸螯合物的穩定常數(LogK1 或LogK1.K2 )都在103~6或103~10,而有機酸的穩定常數大于102,EDTA的穩定常數( LogK1 )都大于1013,螯合物的穩定常數過低和過高都會影響動物的吸收和利用,同時我們也看到同一種氨基酸(配位體)與不同金屬元素形成的螯合物穩定常數亦有差別;金屬元素與氨基酸的摩爾比(M/M=2)時穩定常數增大很多。動物實驗表明:螯合物(內絡鹽和某些絡陽離子)在單胃動物胃中的不溶性,有利于螯合物保持穩定性,然而在胃中不易溶解的螯合物可在小腸中溶解吸收,在消化道中溶解的螯合物有利于吸收。
三、“螯合強度”
盡管絡合物用穩定常數來進行評估得到了廣泛的應用,但對于成分較復雜的復合型有機微量元素,如蛋白螯合微量元素或肽類螯合微量元素,測定穩定常數較困難,因為溶液中配位體的濃度、配位數難以準確測定。因此,Holwerda等(1995)根據絡合平衡關系及絡合態和非絡合態金屬離子的半波電位差△E,提出了絡合強度(Qf)的參數法。絡合態金屬離子的半波電位差△E是采用極譜法進行檢測,極譜法是利用電化學技術來測定絡合物絡合強度的一種方法,其基本原理是根據金屬元素與配位體形成絡合物后,在電壓作用下還原為金屬-汞極的難度加大,電位向更負的方向移動。因此,根據絡合物與金屬離子還原為金屬(Hg)的E1/2差值,即可計算絡合物的絡合強度(Qf)。Holwerda等(1995)和Holwerda(1997)將這種方法應用于礦物元素金屬蛋白鹽絡合強度的測定,并提出金屬絡合物絡合強度的劃分方法,即絡合強度低于10的為弱絡合強度,介于10~100之間的為中等絡合強度,介于100~1000之間的為強絡合強度,超過1000的為極強絡合強度。此方法只可用于測定飽和溶液中有機微量元素的絡合強度(Holwerda,1997),而不能得出游離態和絡合態元素的比例,卻為鑒別復合有機微量元素產品質量提供了一種行之有效的檢測方法。
四、結論
由于絡合物的穩定常數Kf是反映絡合物穩定性最準確的參數,因此。測定有機微量元素的Kf是最理想的,在實驗室對單一氨基酸等簡單金屬絡(螯)合物進行研究測定是可行的,但對于復合型的有機微量元素。由于其成分復雜,測定Kf的困難較大。考慮到方法的準確性及可操作性,目前有機微量元素特別是復合型有機微量元素的穩定性,測定Qf值是較適宜的選擇。