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甜菜碱安全评估
甜菜碱（Betaine）是一种由甜菜胺（choline）衍生而来的化合物，常用作食品添加剂和膳食补充剂。
以下是对甜菜碱的安全评估：
1. 毒理学评估：多项研究表明，甜菜碱在常规摄入量下无毒性或低毒性。
动物实验中，甜菜碱对中枢神经系统和内脏器官无明显的毒性作用。
人体临床试验也未发现甜菜碱引起严重的有害反应。
2. 食品安全评估：根据食品添加剂的要求，甜菜碱被认为是安全的，并被多个国家和地区的监管机构批准用于食品中。
例如，美国食品药品监管局（FDA）将甜菜碱列为“一般承认为安全”（GRAS）物质。
3. 药物相互作用：甜菜碱与一些药物可能存在相互作用，尤其是抗凝血药物和一些心脏药物。
因此，在使用甜菜碱作为膳食补充剂时，应咨询医生或药师，以避免不良反应。
尽管甜菜碱被广泛认为是安全的，但仍建议在使用前阅读产品标签并按照建议的剂量使用。
同时，个体对甜菜碱可能存在不同的反应，如有不适或不良反应，应立即停止使用并咨询医生。
一、实验目的1. 学习甜菜碱的提取方法。
2. 掌握甜菜碱含量的测定方法。
3. 了解甜菜碱的化学性质及其在植物中的应用。
二、实验原理甜菜碱（Betaine），又称三甲基甘氨酸，是一种天然存在的有机碱，具有多种生理活性。
本实验采用水提法提取甜菜碱，并利用非水滴定法测定其含量。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：甜菜根、无水乙醇、乙酸、乙酸汞溶液、结晶紫指示剂、高氯酸标准液等。
2. 实验仪器：电子天平、电热恒温水浴锅、滴定管、锥形瓶、烧杯、漏斗、滤纸等。
四、实验步骤1. 甜菜碱提取（1）将甜菜根洗净，切成小块，称取一定量的甜菜根。
（2）将甜菜根放入烧杯中，加入适量无水乙醇，浸泡一段时间。
（3）用漏斗和滤纸过滤提取液，收集滤液。
（4）将滤液置于电热恒温水浴锅中，加热浓缩至近干。
2. 甜菜碱含量测定（1）准确称取0.4克干燥的甜菜碱试样，加入50mL冰乙酸，加热至溶解。
（2）加入25mL乙酸汞溶液，冷却。
（3）加入2滴结晶紫指示剂，用高氯酸标准液（0.1mol/L）滴定至溶液呈绿色。
（4）记录滴定结果，并进行空白试验校正。
五、实验结果与分析1. 甜菜碱提取结果实验成功提取了甜菜碱，提取液呈现淡黄色。
2. 甜菜碱含量测定结果根据滴定结果，计算甜菜碱的含量。
六、实验结论1. 通过本实验，我们成功提取了甜菜碱，并测定了其含量。
2. 甜菜碱在植物中具有多种生理活性，如调节渗透压、提供额外氮源、保护细胞膜结构、激活抗氧化系统、调节基因表达等，对植物生长和发育具有重要意义。
七、实验注意事项1. 在提取过程中，注意控制提取时间，避免过度提取。
2. 在测定过程中，注意滴定速度，避免产生误差。
3. 实验过程中，注意安全操作，避免化学药品接触皮肤和眼睛。
八、实验拓展1. 研究甜菜碱在不同植物中的含量差异。
2. 探讨甜菜碱在植物抗逆性中的作用机制。
3. 开发以甜菜碱为基础的植物生长调节剂。
盐酸甜菜碱夸大宣传引言盐酸甜菜碱是一种药物，常用于治疗心脏疾病和中枢神经系统疾病。
它具有广泛的用途和效益，可以改善患者的生活质量。
本文将围绕盐酸甜菜碱的功效和优点展开，全面介绍其在医学领域的重要性和价值。
1. 盐酸甜菜碱的概述盐酸甜菜碱，化学名为3-羟基-2-pyridine甲酸甲酯盐酸盐，属于烟碱碱类药物。
它是一种结构简单、温和且有效的药物，常用于治疗心脏疾病和中枢神经系统疾病。
盐酸甜菜碱的化学性质稳定，不易发生副作用，是一种安全可靠的药物选择。
2. 盐酸甜菜碱的治疗效果2.1 心脏疾病的治疗盐酸甜菜碱在心脏疾病的治疗中具有显著的效果。
它通过扩张冠状动脉，改善心肌血流，减少心脏负荷，稳定心率和血压，有效地缓解心绞痛和心力衰竭症状。
临床试验证实，盐酸甜菜碱可以显著改善患者的心功能和生活质量，降低心脏事件的发生率和死亡率。
2.2 中枢神经系统疾病的治疗盐酸甜菜碱在中枢神经系统疾病的治疗中也发挥着重要作用。
它可以增加脑血流量，改善脑供血，减轻脑功能障碍，促进神经元再生和修复。
临床研究表明，盐酸甜菜碱可用于治疗中风后遗症、脑梗死和脑血管病等疾病，在改善患者神经功能和生活能力方面取得了良好效果。
3. 盐酸甜菜碱的优点3.1 安全可靠盐酸甜菜碱是一种安全可靠的药物，用药过程中很少出现严重的不良反应。
它的治疗效果确切且持久，且不易因药物耐受性而减弱。
3.2 适用范围广泛盐酸甜菜碱适用于各种心脏疾病和中枢神经系统疾病，且在不同年龄段的患者中均可使用。
它对于老年人和儿童的治疗效果也十分显著，是一种适用范围广泛的药物。
3.3 方便使用盐酸甜菜碱可以通过口服、静脉注射等多种途径给药，便于患者使用和掌握。
此外，它的使用方法简单，不需要特殊的设备或专门的操作技术。
4. 盐酸甜菜碱的未来发展盐酸甜菜碱作为一种重要的药物，在未来的发展中仍有巨大的潜力。
随着医学科技的不断进步和研究的深入，我们可以进一步挖掘盐酸甜菜碱的治疗潜力，并提高其疗效和安全性。
甜菜碱在健康养猪业上的研究与应用甜菜碱系一种季胺型生物碱，国内外饲喂试验发现甜菜碱具有促进畜禽生长，改善胴体品质的功效，因此作为畜禽饲料添加剂使用。
甜菜碱在养猪业上的研究与应用引起了普遍关注和重视。
1 甜菜碱的理化性质与安全性甜菜碱为白色或微棕色结晶的化合物，其味甘甜，常温下容易潮解，保湿性强。
化学名称为三甲基甘氨酸，分子式为C5H12N2，分子量为117.15，分子结构式中有3个甲基。
甜菜碱能溶于水和甲醇，微溶于乙醚，熔点293℃，能耐200℃以下的高温，具有很强的抗氧化性能。
甜菜碱有生物提取和化学合成两种，两者性质相同，但风味和含量有一定差异。
生物提取的甜菜碱是一种天然、无毒害、无污染、无残留的饲料添加剂。
汪以真等(2002)试验表明，盐酸甜菜碱属实际无毒类物质，无明显蓄积作用，无致突变性，是一种安全的饲料添加剂。
张萍等(2007)测定提示硫代甜菜碱毒性极低，在临床使用剂量下，作为饲料添加剂长期使用不会引起毒性反应。
2甜菜碱的生物学作用2.1、作为甲基供体目前饲料中普遍采用的甲基供体是胆碱和蛋氨酸。
胆碱只有在线粒体内转化成甜菜碱才能提供甲基，该氧化过程需要VB12和核黄素的参与，同时受Ni、Co和Fe 离子的抑制，使甲基的利用率降低。
Virtanen(1995)认为，甜菜碱可用于替代部分胆碱，作为甲基供体的来源。
Mudd等(1965)和Finkelstein等(1982)研究证实，甜菜碱在肝脏中发挥甲基供体的作用，并受高半胱氨基转移酶(BHMT)和对胱硫醚β-合成酶(β-CYST)调控，饲料中添加甜菜碱可使大鼠肝脏甜菜碱-高半胱氨酸甲基转移酶的胱硫醚β-合成酶活性产生变化，加速机体甲基代谢循环，导致甲基化产物合成增加。
冯杰等(2001)以添加1000mg/kg和1500mg/kg甜菜碱的饲粮分别饲喂生长肥育猪，增加了猪肝脏甜菜碱高半胱氨酸甲基转移酶活力，生长期总活力与比活力1500mg/kg分别增加23.08%和18.18%，肥育期1000mg/kg组总活力与比活力分别提高16.33%和15.63%，认为甜菜碱在肝脏BHMT和β-CYST双重调控下，替代蛋氨酸为机体甲基化产物的合成提供甲基，从而产生节约蛋氨酸的效应。
生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第18卷第2期2023年4月V ol.18,No.2Apr.2023㊀㊀基金项目:国家自然科学基金面上项目(21876180);广东省基础与应用基础研究基金自然科学基金杰出青年项目(2022B1515020030);广州大学百人计划引进人才科研启动项目㊀㊀第一作者:张伟(1982 ),女,博士,副教授,研究方向为环境污染物的生态毒理学㊁环境过程-暴露机制-生态健康㊁去除技术原理与应用,E -mail:***************.cn㊀㊀*通信作者(Corresponding author ),E -mail:***************.cnDOI:10.7524/AJE.1673-5897.20220704001张伟,叶紫君,黄莉萍,等.砷甜菜碱的合成途径和代谢过程[J].生态毒理学报,2023,18(2):188-197Zhang W,Ye Z J,Huang L P,et al.Biosynthesis pathways and metabolic processes of arsenobetaine [J].Asian Journal of Ecotoxicology,2023,18(2):188-197(in Chinese)砷甜菜碱的合成途径和代谢过程张伟*,叶紫君,黄莉萍,赵芊瑜广州大学环境科学与工程学院,广州510006收稿日期:2022-07-04㊀㊀录用日期:2022-09-17摘要:砷污染问题引起全球高度关注,在中国㊁南亚和东南亚等地尤为严重㊂砷通过食物链传递对生态系统以及人类健康造成潜在危害㊂研究发现海洋鱼类具有独特的高砷甜菜碱(arsenobetaine,AsB)富集能力,人类通过摄食海洋鱼类会摄取大量的AsB ,可能造成潜在的健康危害㊂然而,AsB 在不同生物体内的生物转化(合成和降解)过程尚不清楚㊂本文对已知和推测的AsB 合成和降解过程进行综述,探究海洋生物体内高AsB 富集原因和可能的合成途径,哺乳动物体内的AsB 代谢过程,以及环境中微生物在AsB 降解过程中发挥的作用,加深我们对AsB 沿食物链传递和代谢过程的认识,为防治砷污染,降低砷污染对生态与人体健康的风险提供理论依据,促进砷生态毒理学的发展㊂关键词:砷甜菜碱;海洋生物;哺乳动物;生物转化;合成;降解文章编号:1673-5897(2023)2-188-10㊀㊀中图分类号:X171.5㊀㊀文献标识码:ABiosynthesis Pathways and Metabolic Processes of ArsenobetaineZhang Wei *,Ye Zijun,Huang Liping,Zhao QianyuSchool of Environmental Science and Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,ChinaReceived 4July 2022㊀㊀accepted 17September 2022Abstract :Arsenic pollution,a serious environmental problem especially in China,South Asia and Southeast Asia,has aroused great concern worldwide.Arsenic is transmitted through the food chain and results in potential risk to the ecosystems and human health.It has been reported that marine fish have a unique enrichment capacity of high concentration of arsenobetaine (AsB),and human uptake a large amount of AsB through consumption of marine fish.However,the process of AsB biotransformation (biosynthesis and degradation)in different organisms is not clear.In this review,the biosynthetic and degradation processes of AsB were summarized to explore the reasons of high AsB enrichment in marine organisms and possible synthetic pathways.We also reviewed the potential AsB metabolic processes in mammals,and the involvement of microorganisms in AsB degradation was also included.All these information should provide a theoretical basis for understanding the transmission and metabolism process of AsB along the food chain,and promote the development of arsenic ecotoxicology.Better understand -第2期张伟等:砷甜菜碱的合成途径和代谢过程189㊀ing of the biosynthetic and metabolic process of AsB not only supply fundamental information in making strate-gies to prevent and control arsenic pollution,but also in reducing the risk of arsenic pollution to the ecology and human health.Keywords:arsenobetaine;marine organisms;mammal;biotransformation;synthesis;degradation㊀㊀重金属污染是目前世界范围内最严重的环境问题之一㊂多种重金属在美国有毒物质与疾病登记署和环境保护局颁布的危害物质名录(The Priority List of Hazardous Substances)上名列前茅,其中砷(arse-nic,As)位于环境污染物的首位(https://www.atsdr. /spl/index.html)㊂砷是一种天然存在的有毒类金属元素,是危害最严重的环境污染物之一,几乎存在于所有的环境介质中㊂美国毒物和疾病登记署(ATSDR)将其列为对人类健康危害最大的有毒物质,世界卫生组织(WHO)也将其列为引起全球重大公共卫生关注的化学物质㊂砷具有高毒性㊁致畸㊁致癌等危害㊂据报道,印度和孟加拉等国多处地区均发现与砷污染有关的大面积长期中毒事件,当地居民备受砷中毒疾病的折磨与煎熬[1-2]㊂2013年,据国际权威期刊报道,砷污染对约2000万中国人造成健康危害,对中国砷污染提出预警[3]㊂据世界卫生组织报道,目前全球至少有5000多万人口正面临着地方性砷中毒的威胁,提醒公众警惕砷中毒㊂砷污染是我国近海最严重的环境问题之一,各种来源的砷通过陆地径流㊁大气沉降㊁排污口和海洋倾废等途径汇入海洋㊂不同来源的砷汇入海洋生态系统,进入海洋食物链,传递至海洋鱼类,最终对人类健康构成严重威胁,导致砷对海洋生态系统的污染成为一个重要的国际性健康和环境问题[4]㊂海洋的承载力是有限的,当污染物排放超过海洋环境承载力时,就会引发海洋生态环境安全问题㊂砷污染影响着全球115个国家,已经在中国㊁南亚和东南亚(如巴基斯坦㊁孟加拉国㊁尼泊尔和印度)等地成为严重的环境问题,而这一区域刚好位于 南海-印度洋 ,它是中国 21世纪海上丝绸之路 重要战略区域㊂砷在海洋环境中存在着多种化学形态,已经鉴定了20多种不同的无机和有机形态砷,前者包括三价砷(arsenite,As(III))和五价砷(arsenate,As(Ⅴ)),后者包括一甲基砷酸(monomethylarsonic acid,MMA)㊁二甲基砷酸(dimethylarsinic acid,DMA)㊁砷甜菜碱(arsenobetaine,AsB)和砷胆碱(arsenocholine,AsC)等㊂无机砷具有剧毒,甲基砷(MMA和DMA)毒性减弱,而AsB和AsC毒性极小或无毒[5]㊂海产品是人类砷摄入的主要来源[6]㊂在西班牙的一项研究中,发现大多数人接触砷的途径是海产品,这种来源占砷暴露总量的96%[7]㊂AsB主要通过砷在鱼类㊁软体动物和甲壳类动物等海洋生物中代谢而形成[8-9]㊂AsB是海产品中砷的主要存在形式,通常占鱼类总砷的90%以上[10-12]㊂海产品中的总砷(AsB>90%)浓度可能比食品中的砷限值(50ng ∙g-1)高出200倍[13]㊂通过食用海产品,人类摄入大量的AsB,从而AsB进入人类食物链[14-17]㊂根据联合国粮食及农业组织(粮农组织)发布的‘世界渔业和水产养殖状况“,2016年鱼类总产量高于往年,人类直接消费了151亿t[18]㊂因此,通过消费鱼类, AsB是人类摄入的主要砷化合物㊂AsB被认为是海洋食物链中砷代谢的最终产物,是海洋生态系统中砷循环的终点,是人类摄入的主要砷形态,但对其生物合成和降解的机理认识仍然缺乏[6,19-27]㊂一方面,从解毒的角度,从低等微生物到海洋鱼类,许多酶在剧毒的无机砷向无毒的AsB生物转化中发挥重要作用㊂尽管已经提出了关于其生物合成途径的各种推测,海洋生物中AsB的合成途径尚不清楚[14,28]㊂另一方面,从食品安全的角度,AsB在哺乳动物和人体内是否会降解为毒性更强的无机砷,AsB对人体是否会产生毒性危害呢?这些问题仍不清楚㊂因此,海产品中AsB的合成途径以及人类从海产品中摄入AsB的降解过程仍有待挖掘,最终是否会导致生态和健康风险仍有待深入探究㊂本文对AsB在海产品和哺乳动物体内的生物转化(合成和降解)过程进行了综述,有助于了解AsB的潜在生态和健康风险,从而加深我们对AsB 在海产品和哺乳动物中的毒理循环的认识㊂剖析它们对认识AsB从海洋鱼类到哺乳动物的传递规律,特别在人类体内的代谢过程具有重要意义,而且为解决海产品砷污染以及造成的人类健康危害问题提供相应的理论支持,为最终采取防范措施,防控生态和人体砷暴露具有重要的现实指导意义㊂本综述为砷在毒理学和环境化学领域的进一步研究提供了有益的资源㊂190㊀生态毒理学报第18卷1㊀海洋生物体内高砷甜菜碱富集原因和可能的合成途径(Causes and possible synthetic pathways ofhigh arsenobetaine in marine organisms)1.1㊀海洋生物体内高砷甜菜碱富集原因(Causes of high arsenobetaine in marine organisms)海产品的质量状况一直为社会大众所关注㊂海洋鱼类体内总砷浓度(1~1000μg㊃g-1)比淡水鱼类总砷浓度(<1μg㊃g-1)高1~3个数量级,表现出较高的砷富集能力[8,28-29]㊂我们对我国沿海野生海洋鱼类砷含量进行了由北至南的大范围调查,评估了中国沿海野生鱼类砷富集状况,发现中国沿海部分海洋底栖鱼类短吻红舌鳎(Cynoglossus joyneri)和孔虾虎鱼(Trypauchen vagina)肌肉组织中砷含量严重超标,其中湛江的孔虾虎鱼肌肉组织中砷含量超过我国制定的安全标准30倍之多,长期摄食会对人体健康造成潜在危害,揭示中国沿海海洋鱼类体内存在高砷富集状况㊂海洋鱼类具有高砷富集现象,AsB 是海洋鱼类体内主要的砷存在形态,占总砷的90%以上[29-35]㊂AsB同样是海洋甲壳类和软体动物组织中主要的砷存在形态,占总砷的50%~95%[30]㊂AsB在其他海洋生物,比如多毛类㊁甲壳类㊁双壳类㊁腹足类㊁头足类,同样占总砷的大部分[36]㊂因此, AsB是海洋生物体内主要的存在形态㊂AsB在海洋生物体内高累积的原因到底是什么?首先,砷的生物累积随着盐度的增加而增加,研究发现贝类动物可以有效从海水中吸收AsB,而虾和鱼等高等动物只可从食物中(包括浮游植物等)积累AsB[37-38]㊂远洋鱼类中发现总砷随盐度增加的趋势,主要以AsB形式存在,表明盐度与AsB的吸收和累积密切相关[17,37]㊂阿拉伯湾西部的对虾(Penae-us semiisulcatus)和长须鱼(Arius thalassinus)中总砷和AsB含量相对较高,可能是由于海湾西部相对较高的盐度所致[39]㊂AsB的滞留取决于周围水的盐度,表明AsB可以部分替代重要的细胞渗透物甜菜碱(一种渗透压调节代谢物)[29,40]㊂我们发现海洋鱼类中AsB含量与环境盐度显著正相关,盐度可以控制砷的迁移,是关键控制因子,可能由于AsB是甜菜碱的结构类似物,可帮助海洋鱼类抵抗高盐海水的胁迫[29]㊂因此,盐度与海洋生物体内AsB的累积密切相关㊂虽然AsB含量与环境盐度有关系,而盐度调控鱼类砷生物转化机制研究匮乏㊂现有研究大多局限于对海洋和淡水鱼类砷不同形态与盐度野外调查现象的描述,而对规律与调控机制的认识尚不足㊂第二,通过研究砷沿着不同食物链传递过程,植食性食物链(大型海藻石莼(Ulva lactuca)㊁龙须菜(Gracilaria lemaneiformis)和粗江蓠(Gracilaria gigas) 黄斑篮子鱼(Siganus fuscescens))㊁肉食性食物链(沙蚕(Nereis succinea)㊁牡蛎(Saccostrea cucul-lata)和蛤(Asaphis violascens) 鲈鱼(Lateolabrax ja-ponicus))和海洋底栖食物链(沉积物 沙蚕(N.suc-cinea)和蛤(A.violascens) 诸氏鲻虾虎鱼(Mugil-ogobius chulae))㊂发现砷在沿这3类食物链传递过程中,食物中的无机砷较难被鱼体吸收,并且它们在鱼体(黄斑篮子鱼㊁鲈鱼和诸氏鲻虾虎鱼)组织中被生物转化成有机砷而不是直接累积;然而,食物中的AsB可以直接通过鱼体消化器官的上皮细胞膜,容易被鱼体吸收,而且是砷在鱼体组织中最终的存储形式㊂因此,不同形态砷沿食物链传递过程中,AsB 比无机砷更容易沿食物链传递和吸收,AsB的生物可利用性比无机砷高[33,41]㊂我们运用放射性同位素(73As)示踪技术和先进理论模型-药代动力学模型(PBPK),研究了砷在海洋鱼类体内的生物转运过程,通过PBPK模拟发现,交换率(k)(水到鳃)比k(水到肠道)低2倍,而且血液与鳃之间有最高的交换率,表明鳃不是主要的吸收器官㊂k(血液到肠道) (2.69d-1)是k(肠道到血液)(0.0039d-1)的700倍,表明AsB更容易分布于肠道,肠道是主要的吸收器官㊂同时,在暴露过程中,肠道中As(Ⅴ)(38.8%~ 45.1%)是主要形态,而在净化过程中AsB(81.7%~ 96.0%)成为主要形态,而且AsB在肠道中的含量比在肝脏中高,表明肠道是无机砷转化为AsB的主要代谢器官㊂肠道是砷的主要吸收和转化合成AsB 的器官㊂肠道吸收的不同形态砷,由血液转运至头㊁鳃㊁肝脏㊁肌肉各组织,最终主要以AsB形式贮存于靶器官肌肉组织中㊂因此,解析了肠道中合成的AsB和肌肉中存储的AsB是海洋鱼类高砷富集的主要原因[42]㊂罗非鱼(Oreochromis mossambicus)肠道菌能够促进鱼类砷代谢,分离并鉴定出影响鱼类砷代谢的关键肠道菌嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotroph-omonas maltophilia SCSIOOM),其能合成AsB,而且betIBA调控S.maltophilia SCSIOOM体内AsB的合成[43]㊂同时,我们解析了AsB和As(Ⅴ)在海洋鱼类不同组织器官之间显著的生物转运差异,精确揭示了AsB的吸收㊁肝肠循环㊁存储和排泄过程,As(Ⅴ)表现出快速通过肠道膜㊁快速转运和排出的能力,而AsB通过肠道膜的能力较弱,被缓慢吸收并最终储第2期张伟等:砷甜菜碱的合成途径和代谢过程191㊀存在肌肉中[44]㊂综上所述,海洋生物,特别是海洋鱼类具有高AsB 富集能力,主要归因于AsB 的累积与环境盐度密切相关,食物中AsB 比无机砷更容易沿食物链传递和吸收,肠道是砷的主要吸收和转化合成AsB 的器官,AsB 穿过肠道膜的能力较弱,缓慢吸收,循环和存储在肌肉组织中,生物转化和转运对AsB 的富集起决定性作用㊂因此,无机砷在肠道中合成AsB ,食物中和合成的AsB 缓慢穿过肠道膜,缓慢循环以及高的肌肉存储速率是导致海洋鱼类高AsB 富集的主要原因(图1)㊂然而,AsB 的合成细节和途径尚未完全解析㊂图1㊀海洋鱼类高AsB 富集原因示意图注:AsB 表示砷甜菜碱,MMA 表示一甲基砷,DMA 表示二甲基砷㊂Fig.1㊀Schematic diagram of causes of high AsB concentrations in marine fishNote:AsB means arsenobetaine,MMA means monomethylarsonic acid,and DMA means dimethylarsinic acid.1.2㊀海洋生物体内砷甜菜碱可能的合成途径(Pos -sible synthesis pathways of arsenobetaine in marine or -ganisms)目前关于AsB 合成的过程主要依赖于潜在的生物合成前体和中间体的检测[45]㊂在不同生物体内,AsB 有几种可能的合成途径:(1)从二甲基化砷糖(DMAsSs)或三甲基化砷糖(TMAsSs)合成AsB ㊂据推测,DMAsSs 通过二甲基砷钠乙醇(DMAE)和二甲基砷钠乙酸(DMAA)转化为AsB ,而TMAsSs 直接转化为AsB [46]㊂(2)从AsC 转化为AsB ㊂沉积物中的微生物可以将AsC 转化为AsB[47],微生物枯草杆菌(B.subtilis )也可以将AsC 转化为AsB [1],AsC 是AsB的关键前体[48]㊂在水生动物中只发现微量的AsC [49-50],这表明它主要作为一种代谢中间物存在㊂AsC 是AsB 的代谢前体,接种标记AsC 后,在水生鱼类和贻贝中迅速吸收并转化为AsB [51-54]㊂(3)DMAE 和AsC 共同决定AsB 的合成㊂DMAE 作为中间体,甲基化生成AsC ,然后氧化生成AsB ㊂另外,DMAE 可能被氧化形成DMAA ,然后甲基化形成AsB [55]㊂此外,三甲基二氧砷基核糖苷可以定量转化为AsC ,而AsC 又可以定量转化为AsB [50,56]㊂(4)假设AsB 由DMA III ㊁2-氧酸㊁糖基酸和丙酮酸合成,从而形成DMAA 和AsB [14,46]㊂AsB 也由DMA III 合成,DMAA 的前体(可能由乙醛酸或丙酮酸合成),然后在海洋生物中甲基化形成AsB [57]㊂因此,通过已有研究发现,在水生生物体内AsB 最有可能来源于AsC ㊂微生物可能参与AsB 的合成㊂已有研究报道了海洋和土壤细菌对AsB 的代谢[56,58-60]㊂AsB 是由海洋沉积物中砷糖的微生物降解形成的,导致中间产物(如DMAE),随后可能被食腐动物和食草动物消耗,导致AsB 的合成[50,61]㊂细菌假单胞菌(Pseud -omonas sp.)在海洋生物中可将二甲基胂基醋酸盐转192㊀生态毒理学报第18卷化为AsB[62]㊂在生物体中发现的砷形态,二甲基砷核糖苷㊁硫砷核糖苷和三甲基砷核糖苷的降解也可能形成AsB[63-64]㊂因此,AsB合成的可能生物转化途径(图2),其中一些关键中间体㊁关键合成蛋白和基因尚未确定,微生物可能在AsB合成过程中发挥重要的作用,仍有待深入探究㊂图2㊀已知和推测的AsB合成和降解过程注:DMAE表示二甲基砷钠乙醇,AsC表示砷胆碱,DMAsSs表示二甲基化砷糖,TMAsSs表示三甲基化砷糖,DMAA表示二甲基砷钠乙酸,TMA表示四甲基砷,TMAO表示氧化三甲胺㊂Fig.2㊀Known and presumed processes of AsB synthesis and degradationNote:DMAE means dimethylarsinoylethanol,AsC means arsenocholine,DMAsSs means dimethylated arsenosugars,TMAsSs means trimethylated arsenosugars,DMAA means dimethylarsinoyl acetic acid,TMA means tetramethyl arsine,and TMAO means trimethylarsine oxide.2㊀哺乳动物体内的砷甜菜碱代谢过程(Arsenobe-taine metabolism processes in mammals)目前,海产品中的AsB在哺乳动物中的转化仍存在争议㊂关于人体中AsB的吸收和代谢仍了解尚少[51]㊂尽管无机砷在哺乳动物中的生物分布㊁生物转化和毒性已被广泛研究,但对AsB在哺乳动物中的生物转化知之甚少[65-66]㊂人体中几个关于砷代谢的基本假设如下㊂(1)哺乳动物体内没有形成AsB㊂在小鼠和人类体内几乎没有AsB的生成[66-67]㊂(2)哺乳动物体内形成AsB㊂在无AsB的饮食中,3/5的志愿者的尿液中检测到AsB,AsB浓度范围为0.2~12μg㊃L-1㊂AsB累积的可能原因有2个:组织中累积的AsB释放缓慢和从大米中摄取的无机砷形成AsB[68]㊂(3)哺乳动物体内吸收的AsB排泄得快和完全,且形态无改变㊂通过口服给药后,AsB通过胃肠道被有效地吸收,大部分通过尿液被排泄,而且形态没有发生变化[69-70]㊂经口摄入的AsB,在小鼠㊁大鼠和兔子的胃肠道中几乎完全吸收,但在体内不经代谢以尿液排出,98.5%AsB在2d内被排出体外[70]㊂小鼠㊁大鼠㊁兔子和仓鼠口服AsB后,在它们体内不代谢,但几乎完全从胃肠道吸收,并通过尿液不加改变地排出[71-72]㊂人体摄入AsB不会增加尿液中无机砷㊁MMA或DMA的浓度,支持AsB没有代谢㊁通过尿液排泄的假设[73]㊂志愿者只食用含有AsB的海产品,之后他们的排泄物(粪便和尿液)样本中只检测到AsB[68,74]㊂摄入的AsB快速通过尿液排泄出人体外,而且形态没有改变,从而减轻健康危害[15-17]㊂(4)在哺乳动物体内,AsB是否会降解为毒性更强的甲基砷和无机砷(图2)?也有研究报道少量的AsB发生了代谢[75-76]㊂每天给大鼠注射AsB,7个月后,AsB部分代谢为四甲基铵(TeMA)和氧化三甲胺(TMAO)[76]㊂AsB在有氧系统中与人类粪便一起共存7d后,降解为DMAA㊁DMA和TMAO[60]㊂AsB处理大鼠4d后,其尿液中检测到TeMA㊁AsB和TMAO,推测这一降解过程可能是由大鼠盲肠中的肠道微生物介导的[77]㊂我们最新的研究发现,小鼠长期暴露AsB,可导致AsB和As(Ⅴ)在小鼠组织中积累㊂AsB在吸收前被降解为As(Ⅴ),然后通过血液循环运输到其他组织㊂虽然吸收和生物转化受肠道微生物的调控,但aqp7㊁sam和as3mt基因以及去甲基化和甲基化过程在小鼠肠道组织中存在㊂基因㊁微生物组和代谢组学分析表明,葡萄球菌(Staph-ylococcus)和真杆菌(Blautia)㊁花生四烯酸㊁胆碱和鞘氨醇参与了小鼠肠道中AsB向As(Ⅴ)的降解㊂因此,长期食用AsB会增加小鼠体内As(Ⅴ)含量㊂通过食用海鱼长期摄入AsB可能对人类健康造成潜在危害[78]㊂因此,我们的研究结果引起了人们对人第2期张伟等:砷甜菜碱的合成途径和代谢过程193㊀类从海鱼中长期摄入砷的健康危害的高度关注㊂为水产品安全和人类健康风险提供了早期预警㊂未来的研究亟待探究消费海洋食物如何增加甲基砷和无机砷的负担㊂小鼠体内的微生物组成与人体内的差异很大,可能对AsB在人体内的降解过程有影响㊂因此,人体微生物在AsB生物降解过程中的作用有待进一步研究㊂需要注意的是,人类本身可能没有将AsB降解的能力,但是肠道微生物可能在这个过程中发挥着重要的作用㊂AsB可以在人类胃肠道中被微生物转化,DMA和TMAO是主要的降解产物[79]㊂在模拟胃肠消化过程中MMA和DMA的去甲基化被发现[80]㊂人类食用海产品中的AsB,可被微生物降解为毒性较高的砷形态[59]㊂人肠道中的微生物可以将AsB转化为各种甲基化的砷化合物,从而潜在地形成有毒的代谢产物㊂在与肠道菌群进行体外温育后,有氧肠道细菌在7d后将AsB分解为DMA㊁DMAA和TMAO,但降解的AsB在30d后会再次出现在样品中,研究表明人类肠道内存在能够降解AsB的微生物,然而,转化所需的时间比生理肠道的通过时间长得多,因此,在体内尚未观察到[60]㊂因此,哺乳动物和人类肠道中的微生物在AsB的降解过程中发挥了重要的作用㊂3㊀环境中微生物在砷甜菜碱降解过程中发挥的作用(The role of environmental microorganisms in the degradation of arsenobetaine)AsB的微生物转化不限于哺乳动物和人类微生物群㊂环境细菌在环境中AsB及其代谢产物的循环中起关键作用㊂在海洋生态系统中,已经进行了许多有关微生物AsB降解的研究[81]㊂Hanaoka等[82]研究AsB在海洋环境中的命运,来自海洋沉积物的微生物首先将AsB降解为TMAO,然后降解为MMA或As(Ⅴ)㊂在海洋环境中,微生物多样性是降解AsB的关键,好氧微生物促进了AsB向TMAO 的转化,而当消化系统中的微生物在液体培养物中培养时,AsB代谢为DMA和DMAA,而不是TMAO,表明存在不同的AsB降解途径,其取决于微生物群落的组成[59,83]㊂在混合了海洋沉积物的ZoBell介质中,发现了AsB降解为TMAO,并进一步转化为As(Ⅴ)的过程[84]㊂AsB也被降解为TMAO㊁DMA和As(Ⅴ)㊂DMAA被证明是AsB降解为DMA的中间产物[59,85]㊂AsB在数小时内转化,最初转化为二甲基胂基醋酸盐,然后转化为DMA[85]㊂在海洋微生物混合培养的作用下,已检测到AsB的生物转化[58]㊂基于不同中间体的形成,提出了不同降解AsB途径[85]㊂AsB降解为无机砷有2种途径(TMAO或DMAA)㊂不同的AsB降解途径取决于微生物群落的组成[27]㊂已从土壤和水中分离出去甲基化微生物[48,83,86-87]㊂因此,环境微生物在AsB的降解过程中同样发挥了重要作用㊂AsB的合成和降解是一个复杂的过程,而且受到众多基因的调控㊂从目前砷代谢相关基因的研究结果来看,As3MT㊁PNP㊁GSTM1㊁GSTT1和MTHFR 等基因的多态性都与砷代谢有一定的相关性㊂砷暴露后转录活性的改变导致基因表达的显著变化,表明基因对砷代谢存在不同的调控途径[88],比如As3MT基因对砷代谢存在不同调控方式[89]㊂因此,如果要彻底研究清楚AsB的合成和降解过程,利用当前和未来的宏基因组学㊁元转录组学㊁宏蛋白质组学和代谢组学方法破译微生物砷生物转化过程,将提高我们对微生物如何促进AsB生物转化过程的理解[90]㊂因此,关于AsB的生物转化过程,包括甲基化㊁AsB合成和降解AsB,应用基因组学方法,特别是相关酶和基因的鉴定,尚有很多亟待探索的未知过程㊂4㊀结语和展望(Conclusion and outlook)由于砷在环境中普遍存在及其与各种人类疾病的关系,引起了全球对其公共卫生影响的关注㊂本综述重点讨论了AsB的生物转化(合成和降解)过程,对于深入了解AsB在环境中的命运及评估其对人体健康的风险至关重要㊂同时,了解影响AsB转化过程是制定降低砷暴露健康风险的关键策略㊂该研究领域未来的研究趋势主要集中在以下几个方面:(1)需要深入研究AsB的环境命运和代谢途径,开发先进的分析技术,用以对各种砷化合物之间的转化进行全方面的研究;(2)确定微生物和非生物介导的AsB合成和降解过程;(3)AsB降解为无机砷会增加其毒性,更多研究应着眼于转化动力学,以更好地理解环境中的砷循环;(4)海洋生物可以将有毒的无机砷转化为无毒的AsB,但其合成途径尚不清楚;微生物在AsB的降解过程中发挥重要作用,但其分子转化机制尚不清楚,因此,利用基因组学方法深入研究AsB的合成和降解过程至关重要㊂因此,了解AsB在海洋生物㊁哺乳动物和人类组织中的合成和降解有助于控制其在环境中的迁移循环过程,对于防控砷污染和降低人类健康危害至194㊀生态毒理学报第18卷关重要㊂将砷的环境行为研究经验,用于预测环境如何改变砷㊂相应的,砷的生物转化如何改变环境?总之,AsB的来源㊁生物合成㊁降解和命运需要继续深入探究,才能更全面解析AsB的合成途径和代谢过程㊂参考文献(References):[1]㊀Acharyya S K,Chakraborty P,Lahiri S,et al.Arsenic poi-soning in the Ganges delta[J].Nature,1999,401(6753):545-547[2]㊀Stokstad E.Bangladesh.Agricultural pumping linked toarsenic[J].Science,2002,298(5598):1535-1537[3]㊀Rodríguez-Lado L,Sun G F,Berg M,et al.Groundwaterarsenic contamination throughout China[J].Science,2013,341(6148):866-868[4]㊀Lin M C,Liao C M.Assessing the risks on human healthassociated with inorganic arsenic intake from groundwa-ter-cultured milkfish in southwestern Taiwan[J].Foodand Chemical Toxicology,2008,46(2):701-709[5]㊀Moe B,Peng H Y,Lu X F,et parative cytotoxicityof fourteen trivalent and pentavalent arsenic species deter-mined using real-time cell sensing[J].Journal of Environ-mental Sciences,2016,49:113-124[6]㊀Luvonga C,Rimmer C A,Yu L L,et anoarsenicalsin seafood:Occurrence,dietary exposure,toxicity,andrisk assessment considerations-A review[J].Journal ofAgricultural and Food Chemistry,2020,68(4):943-960 [7]㊀Fontcuberta M,Calderon J,VillalbíJ R,et al.Total andinorganic arsenic in marketed food and associated healthrisks for the Catalan(Spain)population[J].Journal ofAgricultural and Food Chemistry,2011,59(18):10013-10022[8]㊀Zhang W,Wang W rge-scale spatial and interspeciesdifferences in trace elements and stable isotopes in marinewild fish from Chinese waters[J].Journal of HazardousMaterials,2012,215-216:65-74[9]㊀Zhang W,Wang W X,Zhang L.Arsenic speciation andspatial and interspecies differences of metal concentrationsin mollusks and crustaceans from a South China Estuary[J].Ecotoxicology,2013,22(4):671-682[10]㊀Amlund H,Ingebrigtsen K,Hylland K,et al.Dispositionof arsenobetaine in two marine fish species following ad-ministration of a single oral dose of[14C]arsenobetaine[J].Comparative Biochemistry and Physiology Toxicology&Pharmacology,2006,143(2):171-178[11]㊀Sele V,Sloth J J,Lundebye A K,et al.Arsenolipids inmarine oils and fats:A review of occurrence,chemistryand future research needs[J].Food Chemistry,2012,133(3):618-630[12]㊀Wolle M M,Conklin S D.Speciation analysis of arsenicin seafood and seaweed:PartⅠ Evaluation and optimi-zation of methods[J].Analytical and Bioanalytical Chem-istry,2018,410(22):5675-5687[13]㊀Sakurai T,Kojima C,Ochiai M,et al.Evaluation of in vi-vo acute immunotoxicity of a major organic arsenic com-pound arsenobetaine in seafood[J].International Immu-nopharmacology,2004,4(2):179-184[14]㊀Caumette G,Koch I,Reimer K J.Arsenobetaine forma-tion in plankton:A review of studies at the base of the a-quatic food chain[J].Journal of Environmental Monito-ring,2012,14(11):2841-2853[15]㊀Molin M,Ulven S M,Meltzer H M,et al.Arsenic in thehuman food chain,biotransformation and toxicology-Re-view focusing on seafood arsenic[J].Journal of Trace El-ements in Medicine and Biology,2015,31:249-259 [16]㊀Thomas D J,Bradham K.Role of complex organic arsen-icals in food in aggregate exposure to arsenic[J].Journalof Environmental Sciences,2016,49:86-96[17]㊀Taylor V,Goodale B,Raab A,et al.Human exposure toorganic arsenic species from seafood[J].Science of theTotal Environment,2017,580:266-282[18]㊀Food and Agriculture Organization of the United Nations(FAO).The State of the World Fisheries and Aquaculture:Meeting the Sustainable Development Goals[R].Rome:Food and Agriculture Organization of the United Nations,2018:6[19]㊀Francesconi K A,Hunter D A,Bachmann B,et al.Uptakeand transformation of arsenosugars in the shrimp Crangoncrangon[J].Applied Organometallic Chemistry,1999,13(10):669-679[20]㊀Francesconi K A,Khokiattiwong S,Goessler W,et al.Anew arsenobetaine from marine organisms identified byliquid chromatography-mass spectrometry[J].ChemicalCommunications,2000(12):1083-1084[21]㊀Madsen A D,Goessler W,Pedersen S N,et al.Character-ization of an algal extract by HPLC-ICP-MS and LC-electrospray MS for use in arsenosugar speciation studies[J].Journal of Analytical Atomic Spectrometry,2000,15(6):657-662[22]㊀Anita G,Somkiat K,Walter G,et al.Identification of thenew arsenic-containing betaine,trimethylarsoniopropi-onate,in tissues of a stranded sperm whale Physeter cat-odon[J].Journal of the Marine Biological Association ofthe United Kingdom,2002,82(1):165-168[23]㊀Grotti M,Soggia F,Lagomarsino C,et al.Arsenobetaine。
甜菜碱的概况1.1 甜菜碱的基本概念中文名：甜菜碱；化学名：三甲基甘氨酸；三甲基甘氨酸内酯；英文名：Betaine ；Betaine Anhydrous；分子量：117.15；分子式：C5H11NO2；CAS 号：107-43-7；化学结构式：（CH3）3N-CH2-COOH甜菜碱(Betaine)是首先在欧洲被发现的，它主要存在于甜菜糖的糖蜜中，故而得名，但其功效直到二十世纪七十年代才逐渐被认识。
甜菜碱普遍存在于动植物体内，是动物代谢的中间产物，在营养物质的代谢中起着十分重要的作用。
为代谢的次生产物，是非常重要的渗透调节物质，对于植物增强抗逆性，比如抗盐碱，耐旱均十分重要。
甜菜碱又名三甲基甘氨酸，属季胺型生物碱；无水甜菜碱是一种新型精细化学品，可广泛应用于食品、医药、日化、印染、化工等领域。
无水甜菜碱是一种高效、优质的营养型添加剂；医药级甜菜碱可用于医药、化妆品、食品、果汁行业，以及牙科材料；另外甜菜碱也可用于发酵行业。
甜菜碱可从天然植物的根、茎、叶及果实中提取或采用三甲胺和氯乙酸为原料化学合成。
1.2 甜菜碱的理化性质甜菜碱的学名为三甲基甘氨酸，为白色鳞状或棱状结晶粉末，有轻微特征气味（甜味），化学式为C5H11NO2，分子量117.15，熔点293℃(分解)，溶解度(20℃)160g/100G水。
甜菜碱分子具有三个有效甲基，呈中性，熔点高达200℃，极易溶于水，易溶于甲醇，溶于乙醇，难溶于乙醚。
经浓氢氧化钾溶液的分解反应，能生成三甲胺，具有吸湿性，极易潮解，并释放出三甲胺。
耐高温。
常温下容易吸湿潮解，保湿性强。
表1.1 甜菜碱的理化性质表项目指标外观白色鳞状或棱状结晶粉末气味轻微特征气味熔点293℃溶解度(20℃) 160g/100G水氯化物≤0.1%硫酸盐≤200 ppm干燥失重（H2O）≤2.0%重金属(以Pb计, ) ≤10ppm砷≤1ppm灼烧残渣≤0.1%干基含量99.0% to 101.0%1.3 甜菜碱的功能及特点甜菜碱的功能：1、维持细胞渗透压：当受盐碱或水分胁迫时，细胞质中积累大量有机渗透调节剂如甜菜碱，而将细胞质中的无机渗透调节剂主要是助挤向液泡，使胞质与细胞内液泡）外环境维持渗透平衡，这样避免了细胞质高浓度无机离子对酶和代谢的毒害。
饲料添加剂---甜菜碱。
甜菜碱作为一种有效的甲基供体有明显的饲用效果。
1甜菜碱的化学结构及理化特性甜菜碱的化学名称为1--羧基--N.N.N--三甲基氨基乙内脂。
结构式为：属于季胺碱类物质，分子量为117.15，通常含有一分子结晶水，具有两性，水溶性呈中性，白色晶体，有甜味，其沸点为273℃，极易溶于水，溶于甲醇、乙酸等，微溶于乙醚，极易潮解，在浓的强碱溶液中易分解出三甲胺，其盐酸盐则不易潮解，甜菜碱属于无毒物质。
2甜菜碱的测定方法甜菜碱的测定有：分光光度法（AOAC,1984）和高效液相色谱法（Rajakgla,1983）。
一般认为分光光度法操作复杂，分析时间较长，且准确性差。
而高效液相色谱法只需用适当的色谱柱，如氨基酸柱（Vialle,1981），钠型阳离子交换树脂柱，以示差分析光检测器或紫外线可变波长检测器（190 nm）检测。
该方法准确，快速，再现性高，但高效液相色谱仪价格昂贵，对该法的推广有一定的限制。
3甜菜碱的生物学功能3.1甜菜碱作为甲基供体由于甲基是合成蛋氨酸、肉碱、肌酸、磷脂、肾上腺素，核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）等具有主要生理作用的物质所必需（Baker等, 1985;Frontien等,1994）,以及甲基化反应在神经系统，免疫系统，泌尿系统和心血系统中所起的作用，人们认为生长期动物和成年动物都需要稳定的甲基供体。
一般认为动物体内自身不能合成甲基，需要食物中具有富含甲基物质，它们的分子中具有易反应的甲基，从而参与动物生理功能，这类富含甲基的物质称为“甲基供体”，易参与此反应的甲基（即有效甲基），是与氮原子或硫原子连在一起的甲基，象甜菜碱、蛋氨酸、胆碱等（Vogt,1967）。
另外，胆碱需转化为甜菜碱才能发挥甲基供体作用，而甜菜碱又不能还原为胆碱。
有试验显示，甜菜碱作为动物体内普通存在的中间代谢物，是由胆碱在肝脏黄素蛋白酶氧化下形成的，此反应需VB12的参与，同时容易被镍、钴、铁盐抑制，在核黄素缺乏及有球虫的存在时也会使反应受到抑制，影响胆碱效能的发挥。
化妆品用椰油酰胺丙基甜菜碱原料要求和编制说明————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期:附件9：化妆品用椰油酰胺丙基甜菜碱原料要求为规范化妆品原料技术要求，提高化妆品卫生质量安全,根据《化妆品卫生规范》规定，编写《椰油酰胺丙基甜菜碱原料要求》(以下称《要求》),本《要求》针对性地规定了椰油酰胺丙基甜菜碱的安全性要求及检验方法,其他相关要求及检验方法按相应规定执行。
1．基本信息1.1 名称椰油酰胺丙基甜菜碱。
1.1.1 INCI名称及其ID号CＯCAMIDOPROPYL BETＡIＮＥID:555。
1.1.2 IＮＣI标准中文译名椰油酰胺丙基甜菜碱。
1.1.３IUPAC名称系统命名法名称：椰油酰胺丙基二甲胺乙内酯1.１.4常见别名及缩写椰子油脂肪酰胺丙基二甲基氨基醋酸甜菜碱、CAPB(ＣOC ＡMIDOPROPＹL BETAINE）。
1．２登记号1.2.1 CＡＳ登记号6１789-40-0,83138-08-３，８6438－７9－1。
1.2.２EINEＣS登记号263-058－8。
1.3 结构式其中R为C8的烷基或烯烃基～18１．４性状及理化常数本品为无色或浅黄色透明液体，几乎无气味,溶于水、乙醇和异丙醇，不溶于矿物油。
本品由椰油制备得来，为多种脂肪酰胺丙基甜菜碱的混合物，以月桂酰胺丙基甜菜碱为主。
市场产品多为水溶液，相对密度1.05,活性物（椰油酰胺丙基甜菜碱)含量多为28~3２％。
2. 技术要求2.１使用目的及适用范围椰油酰胺丙基甜菜碱是一种刺激性较小的两性离子表面活性剂，可作为抗静电剂、头发调理剂、皮肤调理剂、清洁剂、稳泡剂以及粘度调节剂等使用。
广泛用于化妆品中。
２.２限量要求应根据产品试剂使用情况，对以下指标进行必要的安全性风险评估分析，以保证产品在正常以及合理的、可预见的使用条件下,不会对人体健康产生安全危害。
甜菜碱实际应用（一）甜菜碱：甜菜制糖技术生产出的甜菜碱是从甜菜的根和叶的茎部提取糖蜜；而甜菜糖蜜中还含有的甜菜糖是工业生产制作砂糖的一种原料。
在制糖过程中产生的副产品（碱性沉渣）工人们把它称之为甜菜碱。
（二）无水甜菜碱：用化学合成法生产出的甜菜碱，是以氯乙酸、烧碱以及三甲胺为原料经由化学合成法生产高纯度的甜菜碱。
甜菜碱又名三甲基甘氨酸。
无水甜菜碱对维生素A、维生素B的稳定性有保护作用，提高了使用效果。
不具有甜菜碱盐酸盐的刺激性，是甜菜碱系列中口味最好的。
甜菜碱也可称之为盐酸盐甜菜碱，化学名称为甘氨酸三甲胺内盐。
（三）硫代甜菜碱：用化学合成方法，是以丙酮、二硫甲醚和3-溴丙酸，加热回流12小时，反应结束后通过强碱性阴离子交换树脂得到产品二甲基锍基丙酸，即为硫代甜菜碱。
硫代甜菜碱化学名称为二甲基-β-丙酸噻亭(DMPT),也称为二甲基磺基丙酯(DMSP)。
甜菜碱,属季铵型生物碱。
可广泛应用于饲料、食品、医药、日化、印染、化工等领域。
甜菜碱是一种高效、优质的营养型添加剂。
医药级甜菜碱可用于医药，化妆品，食品，果汁行业，以及牙科材料，另外甜菜碱也可用于发酵行业。
甜菜碱的种类繁多用于饲料领域及鱼饵领域主要以这三大类为主。
由于甜菜碱的功能基的不同，在鱼饵领域中的应用有所差异。
（编辑文献）甜菜碱在鱼饵领域中的实际应用：近来好多鱼友询问甜菜碱如何使用问题，希望我能从各方面给于解答；下面我就给鱼友就如何使用甜菜碱做以下解答，首先我们先了解一下甜菜碱的基本用量：鲤鱼、鲫鱼饲料中添加0.3％——1．0％甜菜碱，即有显著的诱食和促生长效果。
日本用1．2％－2．5％甜菜碱作诱食剂添加在饲料中。
我们在利用甜菜碱作为钓饵的添加量在应该掌握如下几个方面：第一，鲤鱼鱼饵的配制:首先，甜菜碱应该与氨基酸合用。
甜菜碱为氨基酸提供甲基以减少氨基酸的浪费及配合蛋白质的利用率使鱼类的咬食率大大提高，从而达到鱼类对鱼饵的依赖性。
钓鲤鱼时饵料的甜菜碱、氨基酸、蛋白质的配比：可按照甜菜碱0.8%、氨基酸（精氨酸为主）9.2%、蛋白质（鱼粉、虾粉等）20%的配比，加基础料(鱼饲料、粗玉米粉、豆饼粉，可根椐季节、鱼塘、水质的不同，适选择用料）15%、面粉10%、拉丝粉8%、雪花粉30%、葡萄糖粉5%及香料和氯化钠2%。
心血管病学进展２０２３年６月第４４卷第６期 ＡｄｖＣａｒｄｉｏｖａｓｃＤｉｓ，Ｊｕｎｅ２０２３，Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．６·论著·甜菜碱对阿霉素心脏毒性的作用及机制滕藤１，２ 唐其柱１，２（１．武汉大学人民医院心血管内科，湖北武汉４３００６０；２．代谢与慢病相关湖北省重点实验室，湖北武汉４３００６０）【摘要】目的 探究甜菜碱在阿霉素诱导的心脏毒性中的作用及机制。
方法 给予小鼠单次腹腔注射阿霉素（１５ｍｇ／ｋｇ）构建阿霉素心肌病模型，采用随机数字表法将４８只小鼠分为生理盐水＋生理盐水组、生理盐水＋甜菜碱组、阿霉素＋生理盐水组以及阿霉素＋甜菜碱组共４组，每组１２只。
模型构建当天开始连续７ｄ给小鼠进行甜菜碱灌胃（８００ｍｇ·ｋｇ－１·ｄ－１），对照组用同等体积生理盐水进行灌胃。
灌胃结束后检测各组小鼠心脏超声并取材；用免疫组织化学染色检测脂质过氧化物水平；用ＴＵＮＥＬ染色检测心脏凋亡水平；Ｗｅｓｔｅｒｎｂｌｏｔ检测相关蛋白激酶Ｂ（ＡＫＴ）、糖原合成酶激酶 ３β（ＧＳＫ ３β）表达水平；ｑＰＣＲ检测相关基因ｍＲＮＡ水平；试剂盒检测心肌损伤标志物和丙二醛以及胱天蛋白酶（ｃａｓｐａｓｅ） ３水平。
结果 与对照组小鼠相比，阿霉素可以导致小鼠心功能受损（Ｐ＜０．０５），心肌损伤标志物水平升高（Ｐ＜０．０５），而甜菜碱可以保护小鼠心功能（Ｐ＜０．０５），降低心肌损伤标志物水平（Ｐ＜０ ０５）。
与对照组小鼠相比，阿霉素导致心脏中丙二醛、４ 羟基壬烯醛水平升高（Ｐ＜０．０５），以及抗氧化酶（超氧化物歧化酶 ２、谷胱甘肽过氧化物酶 １、过氧化氢酶）的ｍＲＮＡ水平降低（Ｐ＜０．０５），甜菜碱可以降低丙二醛、４ 羟基壬烯醛水平（Ｐ＜０．０５），上调抗氧化酶（超氧化物歧化酶 ２、谷胱甘肽过氧化物酶 １、过氧化氢酶）的ｍＲＮＡ水平（Ｐ＜０．０５）。
与对照组小鼠相比，阿霉素可以导致小鼠心脏中ｃａｓｐａｓｅ ３活性增加（Ｐ＜０．０５），ＴＵＮＥＬ阳性细胞增多（Ｐ＜０．０５），甜菜碱处理可以降低ｃａｓｐａｓｅ ３活性，降低ＴＵＮＥＬ阳性细胞率（Ｐ＜０．０５）。
2011年第69卷化 学 学 报V ol. 69, 2011 第22期, 2682～2690ACTA CHIMICA SINICANo. 22, 2682～2690* E-mail: wuyang@Received April 28, 2011; revised June 23, 2011; accepted July 2, 2011.国家自然科学基金(No. 20703021)、辽宁省自然科学基金(No. 20102088)、辽宁省创新团队基金(No. 2008T074).·研究论文·质子化甜菜碱阳离子与双三氟甲磺酰亚胺阴离子相互作用的理论研究吴 阳* 范翠娥 张丽娜 孔玉霞(辽宁大学化学院 沈阳 110036)摘要 利用密度泛函理论(DFT)方法, 在B3LYP/6-311＋G(d,p)水平下, 对质子化甜菜碱阳离子与双三氟甲磺酰亚胺阴离子形成的气态阴阳离子对([Hbet][Tf 2N])进行理论研究, 通过几何结构优化和频率分析得到势能面上的六个稳定构型. 计算结果表明[Hbet]＋和[Tf 2N]－之间能够形成较强的氢键相互作用, 氢键相互作用的稳定化能主要来源于[Tf 2N]－中O, N 原子的孤对电子和[Hbet]＋中参与形成氢键的O —H, C —H 反键轨道之间的相互作用. 自然布局分析(NPA)给出气态[Hbet][Tf 2N]离子对中阴阳离子间的电荷转移比传统离子液体中电荷转移的数值小. AIM (atoms in molecules)分析得到[Hbet]＋和[Tf 2N]－之间的氢键相互作用以静电作用为主. 通过实验和理论结果相比较, 初步探讨影响离子液体熔点及其对金属离子选择性溶解的结构因素.关键词 离子液体; [Hbet][Tf 2N]; 氢键; NPA; NBO; AIM (atoms in molecules)A Theoretical Investigation of Ionic Liquids Formed between Proto-nated Betaine Cation and Bis(trifluoromethylsulfonyl)imide AnionWu, Yang * Fan, Cui’e Zhang, Lina Kong, Yuxia(College of Chemistry , Liaoning University , Shenyang 110036)Abstract The interaction mechanisms between protonated betaine cation ([Hbet]＋) and bis(trifluoro- methylsulfonyl)imide anion ([Tf 2N]－) were investigated at the B3LYP/6-311＋G(d,p) level, and six stable isomers of [Hbet][Tf 2N] were optimized. The optimized structures, energies and natural population analysis (NPA) were presented and analyzed in terms of their possible correlation with the interaction energies and the H-bond separations. Theoretical results indicate that the [Hbet]＋ and [Tf 2N]－ can form considerably strong H-bond interactions, which is mainly attributed to the interaction between the lone pairs of O, N at-oms in [Tf 2N]－ and the antibonding orbital of O —H, C —H in [Hbet]＋. Atoms in molecules (AIM) analyses indicate that the H-bond between [Hbet]＋ and [Tf 2N]－ is primarily ionic character. The preliminary analy-sis of cation-anion interactions provides some initial hints as to the structural factors contributed to melting point and selective extraction of metal ions.Keywords ionic liquids; [Hbet][Tf 2N]; H-bonds; natural population analysis (NPA); NBO; atoms in molecules (AIM)离子液体, 又称室温离子液体(RTILs)或室温熔融盐, 它是在室温或室温附近温度下完全由离子组成的[1]. 室温离子液体作为一种绿色溶剂, 具有许多独特的物理化学性质, 是目前在化学工业中大量使用的有毒、易挥发有机溶剂的理想替代品[2]. 近年来, 室温离子液体的研究进入了一个新的阶段. 新型离子液体不断涌现, 其主要特征是从“耐水体系”向“功能体系”发展, 设计并合成具有特定功能的离子液体, 如手性离子液体、具有配体性质的离子液体、复合离子液体或其它功能离子液体[3,4]. 离子液体的应用领域也不断扩大, 从合成化学No. 22 吴阳等：质子化甜菜碱阳离子与双三氟甲磺酰亚胺阴离子相互作用的理论研究2683和催化反应扩展到过程工程、功能材料、资源材料以及生命科学等诸多领域[5～8].功能性离子液体(task-specific ionic liquids)的制备是离子液体在绿色化学中发挥作用的重要途径, 通过修饰或改变阴阳离子及其取代基团来调变离子液体的特定功能是离子液体发展的根本. 通过改变离子液体阴阳离子的结构来调变离子液体的密度、黏度、极性、酸性、亲疏水性、以及对物质的溶解性等物理化学性质是当前和未来功能化离子液体的研究重点, 特别是具有环境友好性、生物可再生性、原材料简单易得的功能离子液体的合成[9]. 由此, 以萃取金属离子为目的、以生物可再生分子为前驱的功能离子液体的合成与研究受到了科学界的广泛关注. 在此领域上, Abbot和Binnemans等[10～16]做了大量的工作. Abbot等[10～13]将胆碱氯化物(胆碱, 2-羟乙基三甲基铵或称维生素B4, [Chol]＋)与水合过渡金属盐或无水氯化锌、氯化锡混合制备离子液体, 或将胆碱氯化物和尿素混合制备低共熔离子液体. 这些功能离子液体能够溶解许多金属盐和金属氧化物, 如ZnCl2, ZnO, PbO2和Cu2O等. 但是基于胆碱氯化物的功能离子液体具有较强的亲水性, 不能应用于萃取液相金属离子以及一些金属(如Al, Mn, Ta, 稀土金属等)的电化学沉积. Binnemans等[14～16]合成了一系列羧基功能化离子液体, 如N-三甲基取代的甘氨酸(或称质子化甜菜碱, [Hbet]＋)与双-三氟甲基磺酰胺阴离子([Tf2N]－)合成功能离子液体[Hbet][Tf2N], 以及羧基取代的吡啶[HbetmPyr][Tf2N]和咪唑类离子液体[HbetmIm][Tf2N]等. 实验表明羧基功能化离子液体能应用于金属氧化物的溶解和金属离子的萃取分离, 其中金属离子与离子液体阳离子发生了不同的络合方式. 研究还表明通过改变温度或酸碱度可以调控[Hbet][Tf2N]在水中的溶解性, 由于羧基比脂肪醇具有更好的与金属离子配位的能力, 羧基功能离子液体比胆碱类离子液体能够溶解更多的金属盐和金属氧化物, 如ZnO, U2O5, CdO, Ag2O, CuO, CuCl2, DyCl3等. 另外, [Tf2N]－由于具有体积较大, 电荷分散性高、构象易变等特点, 使其参与形成的离子液体熔点较低, 且具有疏水性、热稳定性以及电化学稳定性等特点[17].作为羧基功能化离子液体的典型代表, 质子化甜菜碱阳离子[Hbet]＋与双-三氟甲磺酰亚胺阴离子[Tf2N]－之间存在着较复杂的氢键相互作用, 这种氢键相互作用会对离子液体的熔点、黏度、电导率等物理性质产生不同程度的影响[18]. 因此对[Hbet][Tf2N]离子液体中阴阳离子对的氢键相互作用模式、微观结构等与宏观性质之间关系的研究显得十分必要. 本研究以气态质子化甜菜碱阳离子和双三氟甲磺酰亚胺阴离子形成的离子液体[Hbet][Tf2N]为研究体系, 讨论阴阳离子相互作用的微观机制、氢键相互作用能、电荷分布等电子结构信息, 同时利用AIM方法得到的电子密度拓扑信息深入探讨[Hbet]＋和[Tf2N]－之间氢键相互作用本质. 与已有的实验和理论相比较, 探讨阴阳离子对的微观结构和宏观性质之间的关系, 从而为离子液体的功能化设计提供理论指导, 使其更好地应用于金属离子的选择性萃取及反萃过程.1 计算方法利用B3LYP方法, 在6-311＋G(d,p)水平上对[Hbet]＋阳离子和[Tf2N]－阴离子单体以及形成的气态阴阳离子对[Hbet][Tf2N]进行几何构型优化. 计算氢键相互作用能、NBO分析、自然布居分析(NPA)等电子结构信息. 氢键相互作用能∆E的计算利用公式:ClusterDonor Acceptor(kJ/mol)2625.5[(a.u.)(a.u.)(a.u.)]E EE E＝－ －(1)值得注意的是, 由于[Hbet]＋和[Tf2N]－形成离子对后相应单体构型变化较大, 尤其是[Tf2N]－阴离子, 在计算过程中详细考虑了单体结构的形变能(deformation energy). 公式(1)中, E Cluster为优化后阴阳离子对的能量,E Donor和E Acceptor分别为阴阳离子对中相应单体, 即质子给体和受体的能量. 同时我们进行了零点振动能校正∆E ZPE, 利用Boy和Bernardi[19]方法考虑了基组叠加误差∆E BSSE. 在优化结构的基础上, 对[Hbet][Tf2N]进行自然键轨道分析(NBO), 探讨阴阳离子轨道相互作用对氢键稳定化能的贡献. 所有的电子结构计算工作都是利用Gaussian98和Gaussian03程序完成的.另外, 根据Bader的AIM (Atoms in molecules)理论[20], 利用AIM2000程序对[Hbet][Tf2N]体系进行了电子密度拓扑分析, 讨论了电子密度、拉普拉斯量与氢键强弱的关系, 进一步分析[Hbet][Tf2N]体系氢键相互作用的本质.2 [Hbet]＋和[Tf2N]－之间的氢键相互作用2.1 [Hbet]＋和[Tf2N]－单体的几何结构及静电势能面图1给出了B3LYP/6-311＋G(d,p)方法优化得到的[Hbet]＋单体的两种稳定构型, 以及相应的静电势能面示意图. [Hbet]＋两种构型的不同主要表现在羧基基团的O-C-O-H二面角上, 其中构型[Hbet]＋_C(1)中O-C-O-H的二面角为0°, 是顺式构型; 构型[Hbet]＋_C(2)中O-C-O-H的二面角为－180°, 为反式构型. 能量计算表2684化学学报V ol. 69, 2011图1 B3LYP/6-311＋G(d,p)优化得到的[Hbet]＋单体的几何结构, 电荷布居分析(NPA)以及相应的静电势能面示意图. 颜色越深, 电荷密度越大Figure 1 The stable conformers of the isolated [Hbet]＋ cation, and the natural population analyses (NPA). The corresponding electrostatic potential surfaces for them are presented明, [Hbet]＋_C(1)构型比[Hbet]＋_C(2)构型更加稳定, 能量相差37.55 kJ/mol. 同时计算得到在顺式构型[Hbet]＋_C(1)中, 羧基C＝O双键与O—H键之间的偶极矩为2.427 D, 而在反式构型为7.195 D, 这与石景等[21]报道的结果相一致. 石景等认为在羧基基团顺式构型中, 羧基C＝O双键与O—H键之间的偶极矩比反式构型小, 顺式构型更加稳定. 静电势能面示意图中颜色越深, 电荷密度越大; 反之, 电荷密度越小. Kitaura和Epstein 等[22,23]曾经报道氢键相互作用是以静电作用为主. 由此, 氢键作用的强弱与质子给体和受体所带电荷的大小密切相关. 对于[Hbet]＋阳离子, 静电势能面示意图显示羧基上的H原子周围颜色较深, 正电荷密度较大, 容易与质子受体相互作用形成氢键, 这和电荷布局NPA计算的结果相一致(Supporting information, SI, 表1). NPA 计算表明构型[Hbet]＋_C(1)和[Hbet]＋_C(2)中O(1)—H中氢原子的正电荷最大, 分别为0.515和0.490. 另外, 静电势能面图和NPA计算也都表明[Hbet]＋与阴离子发生相互作用时, 和N原子相连的烷基氢同样具有较大的正电荷, 能够参与氢键的形成. 如[Hbet]＋_C(1)构型中C(2)—H, C(3)—H, C(4)—H和C(5)—H的电荷分别为0.243, 0.231, 0.227和0.255. 毫无疑问, 相比烷基氢来说, 与O(1)相连的氢原子更容易与阴离子形成强的氢键相互作用.利用B3LYP/6-311＋G(d,p)方法优化双-三氟甲基磺酰亚胺阴离子[Tf2N]－, 也得到两种稳定构型[Tf2N]－_C(1)和[Tf2N]－_C(2), 如图2所示. [Tf2N]－_C(1)构型中C-S-S-C的二面角是56.63︒, 为顺式构型; [Tf2N]－_C(2)构型中相应的二面角是174.95︒, 是反式构型. 能量计算表明[Tf2N]－两种构型中反式构型较为稳定, 顺式构型能量较高, 但两者能量相差很小, 考虑了零点能校正之后能量差只有3.15 kJ/mol. 这进一步表明[Tf2N]－阴离子具有构象易变性, 与已有文献报导相一致. Fujii等[24]通过对离子液体[emim][Tf2N]的研究发现在液态下阴离子[Tf2N]－顺反两种构型均衡并存; Maggel等[25]则认为离子液体在液态时[Tf2N]－的反式构型占优势, 在固态时[Tf2N]－主要以顺式构型存在. 图2也给出了[Tf2N]－两种构型的静电势能面示意图, 该图明显表明S＝O双键中氧原子周围颜色最深, 负电荷密度最大, 最容易受到氢质子的进攻; C—F键中的F原子虽然具有较大的电负性, 但静电势能面周围颜色较浅, 负电荷密度相对较小. 利用B3LYP/6-311＋G(d,p)方法计算的[Tf2N]－单体NPA 数值(SI, 表1)给出类似结果, S＝O双键中O原子所带负电荷最大, 如[Tf2N]－_C(1)构型S(1)＝O中两个氧原子的NPA分别为－0.915和－0.913. 该构型中和C(2)原子相连的三个F原子的NPA为－0.354, －0.345和－0.359. 另外, [Tf2N]－两种构型中N原子所带负电荷非常大, 分别为－1.207和－1.199, 也会与阳离子形成较强的氢键相互作用.2.2 [Hbet]＋与[Tf2N]－相互作用的理论研究2.2.1 几何结构从[Hbet]＋和[Tf2N]－的单体结构可知, 阴阳离子之间的氢键相互作用应该较为复杂.我们利用B3LYP/6-311＋G(d,p)方法优化了[Hbet]＋和[Tf2N]－形成的气态离子液体阴阳离子对[Hbet][Tf2N], 得到势能面上具有代表性的六种稳定构象(图3). 计算结果表明形成离子对后两种单体都发生了明显的形变. 与[Hbet]＋表1 B3LYP/6-311＋G(d,p)水平计算得到的[Hbet][Tf2N]体系中氢键相互作用的能量(kJ/mol)Table 1Interaction H-bond energies of [Hbet][Tf2N] complexes by B3LYP/6-311＋G(d,p) (kJ/mol )Complex I II IIIIVVVI ∆E－334.20 －397.39 －396.92 －352.66 －341.25 －318.61∆E ZPE－331.36 －391.06 －391.39 －349.45 －338.18 －314.98∆E BSSE－322.13 －389.07 －382.09 －341.25 －328.62 －308.46、No. 22吴 阳等：质子化甜菜碱阳离子与双三氟甲磺酰亚胺阴离子相互作用的理论研究2685图 2 B3LYP/6-311＋G(d,p)优化得到的[Tf 2N]－单体的几何结构、电荷布居分析(NPA)以及相应的静电势能面示意图. 颜色越深, 电荷密度越大Figure 2 The stable conformers of the isolated [Tf 2N]－ anion, and the natural population analyses (NPA). The corresponding electro-static potential surfaces for them are presented图3 B3LYP/6-311＋G(d,p)水平优化得到的[Hbet][Tf 2N]体系的6种稳定构型及阴阳离子对的主要键长和键角(键长: Å, 键角: ︒) Figure 3 Optimized complexes of [Hbet][Tf 2N], and key cation-anion distances and angles, calculated at the B3LYP/6-311＋G(d,p) level. All distances are in Å, and all angles are in degrees单体相比, 6种构型中参与形成氢键后的[Hbet]＋中O(1)—H 键的键长都有所增大, 如构型I 中O(1)—H 的键长为0.999 Å, [Hbet]＋单体中相应的键长为0.972 Å. 这是由于氢质子参与氢键的形成, 原来的O —H 共价键的强度被削弱. 显然, O(1)—H 键的键长增加得越多, 则形成的氢键越强. 构型V 中O(1)—H 键长增大的最多, 从0.972到1.016 Å, 该处形成的氢键相互作用应该较大. [Tf 2N]－阴离子由于其结构具有较大的易变性, 形成离子对后[Tf 2N]－结构更是发生了不同程度的变化, 其中较为明显的就是[Tf 2N]－中二面角O —N —S —O 的变化. 构型II 中, 二面角O(6)—N(2)—S(1)—O(4) (序号参见图2)为－109.91°, 相较其单体的二面角(－119.11°)增大9.2°; 构型III 中, 二面角O(5)—N(2)—S(1)—O(3)为165.45°, 相较其单体的二面角(171.96︒)增大6.51°. 另外参与形成氢键的S ＝O 键键长也发生了不同程度的变化, 构型II 和构型III 中参与形成氢键的S(2)＝O(6)和S(1)＝O(3)分别增长了0.019和0.020 Å, 表明阴离子参与形成了较强的氢键相互作用.离子液体中气态阴阳离子对相互作用时, 通常离子对之间形成的氢键个数越多, 氢键键长越短, 构型越稳定. 对于我们所得到的[Hbet][Tf 2N] 6种稳定构型中, 如图3所示, 阴阳离子间都形成了氢键, 有的是单氢键, 有的是双氢键. 实验上, Nockemann 等[26]得到了离子液体[Hbet][Tf 2N]的晶体结构, 其结构参数最接近于我们计算得到的构型I . 构型I 中阴阳离子全部为反式构型, 阳离子[Hbet]＋通过O(1)—H 与阴离子[Tf 2N]－中S ＝O 键发生相互作用, 形成单氢键, 键长为1.643 Å. 同样形成单氢键的还有构型V , 该构型中反式阳离子[Hbet]＋中2686化学学报V ol. 69, 2011O(1)—H与反式阴离子[Tf2N]－中N原子形成了氢键相互作用, 键长为1.694 Å. 尽管[Tf2N]－中的N原子夹在四个S＝O中, 但是由于其具有较强的负电荷, 仍可和阳离子形成较强的氢键相互作用. 构型II, III, IV都形成了明显的双氢键, 其中构型II和III中阴阳离子也全部为反式结构, 构型II中的两个氢键是由[Hbet]＋阳离子中的O(1)—H和C(3)—H与[Tf2N]－阴离子中两个不同的S＝O键形成的, 氢键键长分别为1.694和2.014 Å. 从图3中可见, 构型IV中的两个氢键是[Hbet]＋的O(1)—H和C(4)—H分别与 [Tf2N]－中两个不同的S＝O形成的, 氢键离子[Tf2N]－中不同的S＝O形成两个较强的氢键, 氢键键长分别为 1.704和 2.080 Å. 构型III则是由[Hbet]＋中的O(1)—H与C(2)—H与[Tf2N]－中S＝O和中心N原子形成氢键, 键长分别为1.760和2.181 Å, 其结构与构型II类似, 区别在于构型IV中的阳离子为顺式结构, 很显然我们就会想到, 构型II和IV的能量是否也非常接近呢? 从下面的能量分析我们就会看到, 构型IV远远没有构型II稳定, 可见对于阳离子来说, 反式构型参与形成的阴阳离子对更加稳定. 构型VI虽然也形成了双氢键, 但明显不同于其它构型, 顺式[Hbet]＋_C(1)中羧基基团远离反式[Tf2N]－_C(2)阴离子, 氢键是由阳离子中C(3)—H和C(4)—H与阴离子S＝O和N形成, 键长分别为2.178和2.193 Å. 从静电势能面可知, 烷基氢的酸性要远远小于羧基氢, 因而构型VI应该是不太稳定.2.2.2 氢键相互作用能量表1给出了氢键相互作用能量∆E, 经过零点振动能校正以及考虑基组重叠误差后的相互作用能∆E ZPE和∆E BSSE. 由于[Hbet]＋和[Tf2N]－单体的结构特点, 在计算六种阴、阳离子氢键相互作用能量时, 我们考虑了单体的形变能. 计算结果表明, 具有双氢键构型的II和III 具有最大的氢键相互作用能, ∆E BS S E的数值分别为－389.07和－382.09 kJ/mol, 反式阳离子[Hbet]＋中的羧基氢和[Tf2N]－中的O(＝S)原子形成了强的氢键相互作用, 另外[Hbet]＋中的烷基氢与[Tf2N]－中的O(＝S)或N 原子形成的氢键对阴阳离子的稳定化能也起到了较大的作用. Binnemans等[15]利用B3LYP/TZVP对[Hbet][Tf2N]体系进行了初步计算, 得到最稳定的构型类似我们计算的构型I I I,其相互作用能量为－386.5 kJ/mol. 与构型II具有相似结构的IV虽然也具有双氢键的结构, 其阴阳离子对间的氢键相互作用能为－341.25 kJ/mol, 比构型II小大约40 kJ/mol. 从图3中可以看出, 其主要原因为构型IV中的阳离子[Hbet]＋中的羧基为顺式结构, 在该结构中, 由于O(2)(＝C(1))的位置, 使其与阴离子之间的排斥变大, 羧基氢(O(1)—H)与烷基氢不能与阴离子形成强的氢键相互作用. 而反式阳离子[Hbet]＋中的羧基氢与C(2)—H, C(3)—H在同一侧, 极易和阴离子共同作用形成强的氢键相互作用. 构型IV虽然也是双氢键结构, 但是很显然该构型不稳定, 其双氢键是由[Hbet]＋中的烷基氢和[Tf2N]－中的O(＝S)及N原子形成的, 酸性最大的[Hbet]＋中羧基氢没有参与形成氢键, 考虑了BSSE校正后的能量为－308.46 kJ/mol. 构型I和V只有单氢键形成, 相互作用能量较小, ∆E BSSE分别为－322.13和－328.62 kJ/mol, 比最稳定的构型能量小60 kJ/mol左右. 由此可见, 反式[Hbet]＋构型中的羧基氢、烷基氢都易于和阴离子形成强的氢键相互作用, 而阴离子中容易接受质子给体的则为O(＝S)和N原子, 这与我们静电势能面的分析结果相一致. 优化得到的六种[Hbet][Tf2N]构型的稳定化能顺序为: II＞III ＞IV＞V＞I＞VI.熔点是离子液体的重要特性之一, 和阴阳离子之间的相互作用和分子堆积密切相关[27]. 虽然目前对于离子液体的熔点还没有确切的规律可循, 但是一般认为阴阳离子间静电相互作用以及离子间 vdW作用是决定离子液体熔点大小的主要因素[28,29], 有时静电作用占主要因素, 有时vdW作用占主要因素, 有时两者之间相互制约. 我们利用B3LYP/6-311＋G(d,p)方法计算的[Hbet][Tf2N]体系, 考虑了BSSE校正和形变能后最稳定构型的氢键相互作用能为－389.07 kJ/mol. Tsuzuki等[30]利用MP2/6-311G(d,p)方法讨论了[emim][Tf2N]体系, 其中最稳定构型的阴阳离子间相互作用能为－329.70 kJ/mol, 比[Hbet][Tf2N]体系的氢键相互作用能小了约60 kJ/mol. 毫无疑问, 这是由于[Hbet]＋阳离子中羧基氢具有更大的酸性, 能够和阴离子形成很强的氢键相互作用, 而在[emim]＋阳离子中, C(2)—H的酸性虽然也比较大, 但其所带正电荷远远小于[Hbet]＋中的羧基氢[31]. 实验上测得[emim][Tf2N]体系的熔点为－13 ℃, 电导率为8.8×10－3 S/cm[32,33]. 由此推断[Hbet][Tf2N]体系应该具有更高的熔点和较小的电导率, 这和已有实验结论基本一致, 实验上测得[Hbet][Tf2N]的熔点为57 ℃[15]. 最初Abott等[13]利用胆碱阳离子([Chol]＋)和[Tf2N]－合成离子液体, 用于金属氧化物的溶解和萃取, 实验测得[Chol][Tf2N]离子液体的熔点为30 ℃[26]. 我们利用B3LYP/6-311＋G(d,p)方法优化了[Chol][Tf2N]体系, 得到类似于[Hbet][Tf2N]最稳定构型II的结构(SI, 图1), 其中[Chol]＋中的羟基氢和烷基氢分别和[Tf2N]－的O(＝S)和N原子形成了双氢键, 考虑了BSSE校正后的阴阳离子相互作用能为－338.11 kJ/mol. 比较[Chol][Tf2N]和[Hbet][Tf2N]体系, [Chol][Tf2N]阴阳离子间氢键相互作用小, 熔点低, 这是由于羟基氢的酸性小于羧基氢的酸No. 22 吴阳等：质子化甜菜碱阳离子与双三氟甲磺酰亚胺阴离子相互作用的理论研究2687性. 对于 [emim][Tf2N], [Chol][Tf2N]和[Hbet][Tf2N]体系, 阴阳离子体积相对不大, 离子液体的熔点主要取决于阴阳离子间的静电相互作用. 虽然[Chol][Tf2N]离子液体熔点较低, 流动性较好, 但是羟基和金属氧化物之间的相互作用较差, 远远没有羧基的配位能力强. 因而Binnemans等[15]利用质子化甜菜碱代替胆碱合成离子液体, 提高对金属离子的溶解和萃取能力. 为了研究不同的羧基功能化阳离子对离子液体性质及相互作用模式产生的影响, 目前我们正系统地对阳离子进行功能化修饰, 并和[Tf2N]－形成阴阳离子对结构, 探讨阳离子构型及取代基的变化对离子液体的疏水性、熔点、黏度、与金属离子配位能力等的影响, 以实现对金属离子选择性的萃取分离.2.2.3 正则电荷布居分析(NPA)众所周知, 较为弥散的电荷分布是离子液体的一个显著特点. 为了更加深入地研究[Hbet]＋与[Tf2N]－形成的离子液体阴阳离子对中电荷分布、电荷转移等对氢键结构及相互作用能量的贡献, 我们利用B3LYP/6-311＋G(d,p)方法计算了6种稳定构型的正则电荷布居分析(NPA). 表2列出了气态阴阳离子对部分原子的NPA数值、相应的电荷转移值和偶极矩. 单体[Tf2N]－具有很高的电荷分散性, 其反式构型的偶极矩数值很小, 0.225 D (SI, 表1), 这正是有[Tf2N]－参与形成的离子液体熔点相对较低的主要原因. 相对于单体, 形成阴阳离子对后[Hbet]＋和[Tf2N]－的电荷分布都发生了一定的变化, 如构型II中O(1)—H, C(2)—H和O(6)的NPA分别为0.540, 0.272和－0.990, 相应单体中的NPA为0.490, 0.243和－0.915; 构型IV中O(1)—H, C(2)—H和O(3)的NPA 分别为0.537, 0.292和－0.980, 相应单体中的NPA为0.490, 0.243和－0.924. [Hbet]＋和[Tf2N]－形成阴阳离子对后, 由于电荷的重新分布, 在阴阳离子间发生了电荷的转移, 电子从[Tf2N]－阴离子流向[Hbet]＋阳离子. [Hbet]＋阳离子得到的额外电子主要分布在O(1)—H, O(1), O(2)和C(2)—H上, 从[Tf2N]－流出的电子主要来源于氧原子和氮原子上. 6种稳定构型, 电荷转移的数量分别为0.066, 0.074, 0.088, 0.068, 0.084和0.042. 从计算的结果可以看到, 电荷转移最多的结构是构型III, 这相对于传统离子液体阴阳离子间电荷转移的数值要小的多, 如计算得到的[bmim]Cl和[mmim]Cl中阴阳离子间的电荷转移分别是0.16和0.22[34,35]. 最近我们又考察了氨基酸离子液体的电荷转移, 其数值平均为0.12[31]. 由此可见, 对于基于[Tf2N]－的离子液体体系, 电荷转移较小的原因是 [Tf2N]－体系中O, S, N等电负性较大的原子的存在, 同时由于其结构的相互平衡制约, 使得电荷分散, 导致在形成阴阳离子对时电荷转移较小. 表2中也给出了计算得到的6种稳定构型的偶极矩, 10.984～表 2 利用B3LYP/6-311＋G(d,p)方法得到的[Hbet][Tf2N]稳定构型和相应单体的部分原子电荷布居(NPA), 以及电荷转移数值(CT)aTable 2 The natural population analysis (NPA) of [Hbet][Tf2N] complexes and the corresponding monomers, and the charge transfers(CT) by the B3LYP/6-311＋G(d,p) method aI II III IV V VI O(1)—H 0.540 0.524 0.523 0.537 0.541 0.503O(1) －0.695 －0.663 －0.660 －0.688 －0.705 －0.678C(1) 0.818 0.797 0.974 0.800 0.814 0.799O(2) －0.606 －0.610 －0.608 －0.598 －0.604 －0.574N(1) －0.344 －0.340 －0.340 －1.230 －0.344 －0.343C(2) －0.271 －0.319 －0.312 －0.287 －0.268 －0.267C(2)—H 0.272 0.287 0.295 0.292 0.264 0.249C(3)—H 0.230 0.258 0.261 0.250 0.227 0.278C(4)—H 0.255 0.252 0.254 0.256 0.257 0.273C(5)—H 0.255 0.243 0.249 0.259 0.256 0.267O(3) －0.891 －0.875 －0.968 －0.980 －0.888 －0.936O(4) －0.990 －0.991 －0.858 －0.868 －0.878 －0.882O(5) －0.873 －0.931 －0.945 －0.954 －0.979 －0.942O(6) －0.973 －0.980 －0.868 －0.875 －0.870 －0.880N(2) －1.189 －0.180 －1.266 －1.230 －1.272 －1.271CT 0.066 0.074 0.088 0.068 0.084 0.04219.055 10.984 12.170 15.008 20.344 16.573a The labels of atoms are referred to Figures 1, 2.2688化 学 学 报 V ol. 69, 201120.344 D, 其中构型II 的偶极矩最小只有10.984 D, 其阴阳离子形成氢键的相互作用能最大. 尽管我们计算的分子偶极矩数值较大, 但是在液态体系中, 每个阴离子周围都被阳离子包围, 这样就会降低极化效应, 使得离子液体的熔点降低[34]. 2.2.4 AIM 分析Bader 的AIM 理论被认为是判断氢键存在及其强弱的有力工具, 已经被广泛应用到对各种氢键体系的讨论中[20]. 其中BCP 点(bond critical points)处的电荷密度ρBCP 用来表示原子间成键的强弱, 电荷密度越大, 表明该处的氢键作用越强, 反之氢键作用越弱. BCP 点处电子云密度的拉普拉斯值Laplacian (∇2ρBCP )则用来判断原子间相互作用的性质, 若Laplacian (∇2ρBCP )的值为正值, 表明原子间的作用以静电作用为主; 若Laplacian (∇2ρBCP )的值为负值, 表明以共价键为主[36,37]. 另外, 还有研究表明BCP 点处电子的能量密度H BCP 能够更好地说明非键相互作用的本质[38], H BCP 是电子动能密度G (r )和电子势能密度V (r )之和, G (r )和V (r )遵循局域Virial 理论:22(/4)2()()m V G r V r ρ －＝＋ (2) H BCP ＞0表示两个原子间的相互作用以静电相互作用为主, H BCP ＜0则以共价相互作用为主.利用AIM2000程序对[Hbet][Tf 2N]离子液体阴阳离子对的六种构型进行了AIM 的计算. 表3列出了6种构型在BCP 点处的电子密度ρBCP 、拉普拉斯值∇2ρBCP 以及相应的电子能量密度H BCP . 从计算结果看出6种构型的表3 AIM2000方法计算得到的键临界点处的电荷密度ρBCP (30e/a ), 拉普拉斯值∇2ρBCP (50e/a ), 能量密度H BCP (a.u.)a Table 3 Electron density ρBCP (30e/a ), its Laplacian ∇2ρBCP(50e/a ), and energy density H BCP (a.u.)ρBCP∇2ρBCPH BCP I O(1)—H …O(5) 0.0468 0.1511 －0.0045 II O(1)—H …O(6) 0.0397 0.1352 －0.0016C(3)—H …O(4) 0.0121 0.0489 0.0021 III O(1)—H …O(3) 0.0421 0.1372 －0.0027C(2)—H …N(2) 0.0272 0.0851 0.0013 IV O(1)—H …O(5) 0.0372 0.1254 －0.0010C(4)—H …O(3) 0.0167 0.0581 0.0019 V O(1)—H …N(2) 0.0528 0.1056 －0.0111VIC(3)—H …N(2) 0.0194 0.06080.0018 C(4)—H …O(5) 0.0150 0.04520.0015aThe labels of atoms are referred to Figures 1, 2.电子密度ρBCP 在0.01～0.053之间, 相对于传统的氢键电子密度(ρBCP 在0.002～0.04之间), 都形成了较强的氢键相互作用. 计算得到电子云密度的拉普拉斯值∇2ρBCP 全部为正值, 即[Hbet]＋和[Tf 2N]－形成的阴阳离子对的氢键结构中静电作用占主导地位. 另外, 从表3中看到O —H …O (O —H …N)之间相互作用的电子能量密度H BCP 为负, 表明其非键作用有部分的共价性, 而C —H …O (C —H …N)之间作用的H BCP 全部为正, 说明了其静电相互作用为主的性质. 2.2.5 轨道相互作用分析利用B3LYP/6-311＋G(d,p)方法讨论[Hbet][Tf 2N] 6种构型中轨道相互作用对氢键稳定化能的贡献. 在NBO 分析中, 自然键轨道对离子对稳定性的贡献可以通过二级微扰理论进行预测[39]. 质子给体NBO(i )轨道和质子受体NBO(j )轨道之间的稳定化能量E (2)可以通过下面的方程求解[40]:2(,)(2)ij ij iF i j E E q εε∆＝＝－ (3)其中q i 是给体轨道占据电子数, εi 和εj 是轨道能量, F (i , j )矩阵单元. 表4给出[Hbet][Tf 2N]六种构型的稳定化能E (2).对于[Hbet][Tf 2N] 6种离子对构型, 其稳定化能主要来源于[Tf 2N]－中O 原子(S ＝O)的孤对电子和[Hbet]＋羧基基团O —H 反键轨道之间的相互作用, lp(O)→σ*(O(1)—H). 如构型I , II , III 中羰基O 原子的孤对电子与O(1)—H 反键轨道的相互作用较大, 分别为53.371, 46.275和43.974 kJ/mol, 表明构型I , II , III 之间氢键的稳定化能主要来源于lp(O)→σ*(O(1)—H)之间的相互作用. 相对于这三种稳定构型, 构型IV 和VI 的稳定化能较小, 构型IV 的lp(O)→σ*(O(1)—H)和构型VI 的lp(O)→σ*(C(3)—H)的E (2)值分别为30.418和17.071 kJ/mol, 此外, 构型V 的lp(N)→σ*(O(1)—H)数值较大, 为127.361 kJ/mol, 原因是N 原子带有最多的负电荷, 但是计算其相互作用能发现相对于其它几种构型, 构型V 并不稳定存在, 原因是阴阳离子发生相互作用时阴离子中只有N 原子与阳离子中的H 原子形成一个氢键, 而其它氧原子与阳离子中的H 原子相距较远, 并未形成氢键相互作用. 此外在表4中我们可以看出, 稳定构型II , III 的lp(O)→σ*(C(3)—H)及lp(N)→σ*(C(2)—H)的E (2)数值同样较大, 这说明我们所研究的气态离子液体的稳定性是由形成的所有氢键的稳定性共同决定的.。
硫代甜菜碱的一般毒性研究
张萍;江善祥
【期刊名称】《畜牧与兽医》
【年(卷),期】2006()12
【摘要】为提供硫代甜菜碱的安全性评价资料,本试验进行了硫代甜菜碱对小鼠的一般毒性研究。
采用改良Karber法测得DMSP对小白鼠的口服急性毒性LD50为3739.4mg/kg,属低毒;用剂量递增连续20d染毒法测得DMSP对小白鼠的累积系数K>5.3,属基本无蓄积;耐受性试验结果表明,连续用药,小白鼠能对硫代甜菜碱产生耐受现象;小鼠亚急性毒性试验的结果表明,DMSP在使用剂量范围内对小鼠的行为、体重、饮食状况、生理和生化指标均无不良影响。
提示硫代甜菜碱毒性极低,在临床使用剂量下,作为饲料添加剂长期使用不会引起毒性反应。
【总页数】4页(P11-14)
【关键词】硫代甜菜碱(DMSP);急性毒性;蓄积毒性;耐受性;亚急性毒性
【作者】张萍;江善祥
【作者单位】南京农业大学动物医学院
【正文语种】中文
【中图分类】S816.7
【相关文献】
1.硫代甜菜碱12/十二烷基苯磺酸钠复配体系协同作用的研究 [J], 贺国旭;王耀先;李松田;周肖肖
2.硫代甜菜碱12/十二烷基磺酸钠复配体系表面活性的研究 [J], 贺国旭;潘自红;李松田;张鲁雅
3.硫代甜菜碱在水产动物中应用的研究进展 [J], 王银东;王万祥;张欣欣;黄胜平
4.硫代甜菜碱对小鼠的急性和亚急性毒性试验 [J], 张萍;王加才
5.硫代甜菜碱对小鼠的急性和亚急性毒性试验研究 [J], 张萍;王加才
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甜菜碱毒理学资料汇总
1，短期基因毒性研究
1）基因回复突变试验
试验方法：艾姆斯试验方法B14
结论：试验条件下，一水合甜菜碱无诱变性
2）小鼠微核试验
结论：CD-1小鼠在口服甜菜碱剂量达到2000mg/kg的情况下，一水合甜菜碱不会引起小鼠骨髓微核的诱变。
3）人体淋巴球细胞分裂中期分析
试验方法：人体淋巴球细胞试验方法B10
结论：淋巴球细胞体外试验，在浓度达到10000微克/ml的情况，一水合甜菜碱不会引起染色体断裂。
2，口服毒性研究
1）小鼠急性中毒试验
结论：LD50约为11.179g/kg
2）90天小鼠慢性中毒试验
结论：小鼠肝脏和血液有轻微变化，但没有全身系统中毒的明显信号。
也未观察到细胞的死亡和严重中毒。
研究者推断此现象无毒理学相关性。
3）28天亚毒性及可逆性研究
根据90天小鼠慢性中毒试验设计试验
结论：试验证明小鼠肝脏和血液的轻微变化与毒理学无关，可能是营养或生理的变化导致。
因此雌性小鼠的无作用剂量为5771mg/kg 身体重量/天。
3，致敏性研究
1）人体斑贴试验
试验人群：一共25名健康的受试者，年龄在16-65岁之间，进行48小时封闭式斑贴试验。
试验样品：不同浓度的甜菜碱溶液及甜菜碱AES溶液
结论：在试验条件下，相比于去离子水一半的甜菜碱浓液会引起轻微刺激。
注：相应的人体斑贴试验报告中显示甜菜碱可以降低表面活性剂的刺激性。
2）天竺鼠的皮肤敏感性试验
试验方法：Magnusson和Kligman试验，用来评估潜在的刺激性
结论：20%和50%的甜菜碱水溶液均没有刺激。
3）兔子的眼部刺激性研究
结论：在72小时的观察时间内，兔子无角膜或虹膜损伤或眼部刺激。
根据此研究，甜菜碱在10%w/v（w/v=重量/体积）的条件下可认为无刺激性。
注：以上内部仅供参考。
