發(fā)酵糠醛渣中生化腐植酸的提取與表征

張院萍　張曉忠

摘要

[目的] 為了解決腐植酸的水溶性問題以及鈉離子連續(xù)、長期在土壤中的累積對土壤環(huán)境帶來的不利影響。[方法] 以發(fā)酵糠醛渣為原料，采用堿溶酸析法提取生化腐植酸（BHA），考察固液比（糠醛渣與水的質量比）、堿液濃度、提取溫度、提取時間對生化腐植酸含量的影響，并且通過紅外光譜對其結構進行了表征。[結果] 最佳的提取工藝條件為：固液比1∶7、堿液濃度 6%KOH、提取時間1 h、提取溫度70 ℃，此時生化腐植酸含量為8.5%。紅外光譜分析表明， 提取得到的生化腐植酸和商品腐植酸結構相似，但BHA官能團種類較多，分子量較小。 [結論] 該工藝生產(chǎn)操作簡單，穩(wěn)定可行，可用于提取生化腐植酸。利用BHA開發(fā)制備腐植酸類新型肥料有很好的發(fā)展前景。

關鍵詞發(fā)酵糠醛渣；生化腐植酸；提?。患t外光譜

中圖分類號S188+.4文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）28-09752-03

Extraction and Characterization of Biotechnology Humic Acid of Fermented Furfural Residue

ZHANG Yuanping，ZHANG Xiaozhong （Kocel Biology Chemicals Co.， Ltd.， Yinchuan， Ningxia 750200）

Abstract[Objective] The research aimed solve water solubility problem of humic acid and negative influence of continuous and longterm accumulation of sodion in the soil on the soil environment. [Method] Biotechnology humic acid was extracted from fermented furfural residue， which was treated by alkali solubilization and acid precipitation. The effects of solidliquid ratio（mass ratio of fermented furfural residue to water），alkali concentration，extracting temperature and extracting time on the biotechnology humic acid content was investigated. And its structure was characterized by FTIR. [Result] The optimal extracting conditions were as following： solidliquid ratio of 1∶7， alkali concentration of 6% KOH， with extracting temperature of 70 ℃ and extracting time of 1 h， the biotechnology humic acid content was 8.5%. The infrared spectrum analysis indicated that the biotechnology humic acid had more types of functional groups， lower molecular weight than the commercial humic acid， although they had the similar structure. [Conclusion] The operation of the technology was easy， stable and feasible， which could be used to extract the biotechnology humic acid. And the development and preparation of humic acid fertilizer with BHA had the good development prospect.

Key words Fermented furfural residue；Biotechnology humic acid；Extraction；Characterization

腐植酸（Humic acid，簡稱HA）是一種芳香族類高分子有機弱酸。其結構復雜，含多種活性官能團，具有很高的反應活性，被廣泛用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境保護等各個方面[1-5]。近年來，國內(nèi)外對發(fā)酵法生產(chǎn)HA的研究日趨重視。發(fā)酵法生產(chǎn)HA是模擬天然腐植酸的生產(chǎn)過程，將特定的微生物接種到培養(yǎng)基中，通過微生物發(fā)酵而制取HA的過程[6]。這種生化腐植酸（Biolechnology humic acid，簡稱BHA）官能團滲透力強、水溶性好、耐酸堿，具有廣闊的應用前景。20世紀80年代末，在進行長達4年的大規(guī)模應用試驗和較深入的理論研究之后，總結出腐植酸在農(nóng)業(yè)方面的五大功效，即改良土壤、增強肥效、增加產(chǎn)量、提高作物抗病力和改善品質[7]。近年來，隨著環(huán)保意識的增強和綠色食品、有機食品的發(fā)展，包括生化腐植酸在內(nèi)的綠色環(huán)保水溶肥備受關注。隨著世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)科技的進步，水溶性腐植酸肥料的年需求增長率已遠超普通產(chǎn)品。然而，多年來傳統(tǒng)的堿液提取腐植酸技術會對土壤環(huán)境產(chǎn)生污染[8-9]，使得這項技術飽受質疑，從而制約了水溶性腐植酸肥料的推廣。筆者認為，大力推廣具有環(huán)保優(yōu)勢的水溶性腐植酸新技術迫在眉睫。

目前，我國水溶性腐植酸行業(yè)所采用的傳統(tǒng)技術存在問題。國內(nèi)外生產(chǎn)腐植酸類農(nóng)用產(chǎn)品所需的水溶性腐植酸組分大多數(shù)需要燒堿提取，導致在產(chǎn)品中含有無用甚至有害的鈉離子。由于鈉不是農(nóng)作物的營養(yǎng)元素，僅為了解決腐植酸的水溶性問題，鈉離子連續(xù)、長期在土壤中的累積會對土壤環(huán)境帶來不利影響。

1材料與方法

1.1試驗材料

腐熟的糠醛渣（自產(chǎn)），自來水，高品質氫氧化鉀（含量≥90%，內(nèi)蒙古達泰豐化工有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1

生化腐植酸的提取。將腐熟的糠醛渣粉碎過80目篩，按一定的固液比（發(fā)酵糠醛渣與水的質量比）準確稱量后置于1 000 ml燒杯中，加入一定質量的氫氧化鉀，在一定的溫度條件下攪拌反應一定時間，然后靜置過夜，等反應物料分層后，收集含生化腐植酸的黑褐色上清液。將上述所得上清液用濃度10%硫酸調節(jié)pH為2.5，析出大量棕黑色沉淀，用布氏漏斗抽濾，收集沉淀物，然后用蒸餾水20 ml洗滌3次，最后將所得沉淀物置于105 ℃下烘干至恒重，稱量。

1.2.2

生化腐植酸的檢測方法和表征手段。利用容量法[10]按照NY 11062010含腐植酸水溶肥中規(guī)定測定

腐植酸含量；按照NYT 19762010水溶肥料有機質含量測定方法測定有機質含量；取提取的生化腐植酸，與KBr粉末混合、研磨、壓片，用紅外光譜儀測定，掃描范圍4 000～400 cm-1，進行紅外光譜譜圖分析；利用氫氧化鋇法和醋酸鈣，測定生化腐植酸的總酸度、羧基和酚羥基。

2 結果與分析

2.1 氫氧化鉀提取生化腐植酸

2.1.1

固液比（發(fā)酵糠醛渣與水的質量比）對生化腐植酸提取含量的影響。

在固液比分別為

1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10、1∶12，提取溫度75 ℃的條件下反應2 h，測定生化腐植酸上清液的腐植酸含量。

從圖1可以看出，生化腐植酸的提取含量先隨著原料固液的增加而增加，然后降低。當固液比為1∶7時，經(jīng)過堿提取后上清液中生化腐植酸含量達到最高，為8.5%；當固液比繼續(xù)增大時，腐植酸含量反而逐漸降低。分析原因是增加液相介質水量會稀釋堿的濃度，降低堿萃取糠醛渣中生化腐植酸的反應能力。因此，最佳的原料固液比為1∶7。

圖1 固液比對生化腐植酸提取含量的影響

2.1.2

氫氧化鉀溶液濃度對生化腐植酸提取反應的影響。

由于KOH溶液能夠從發(fā)酵糠醛渣中提取出可溶性腐植酸鹽、游離腐植酸和部分難溶的腐植酸鹽，可以用不同濃度的KOH處理發(fā)酵糠醛渣，考察其對BHA提取效果的影響。在固液比為1∶7，提取溫度為70 ℃，提取時間為1 h時，研究不同氫氧化鉀濃度下生化腐植酸含量的變化。

從圖2可以看出，生化腐植酸的提取含量先隨著氫氧化鉀濃度的增加而增加，然后過了最佳濃度值后其含量隨之降低。當氫氧化鉀濃度為6%時抽提效果最好，生化腐植酸的含量達到8.5%。因此，選擇氫氧化鉀濃度為6%提取發(fā)酵糠醛渣中腐植酸。

圖2氫氧化鉀對生化腐植酸提取含量的影響

2.1.3

提取時間對生化腐植酸提取反應的影響。在固液比為1∶7、氫氧化鉀濃度為6%、提取溫度為70 ℃時，研究不同提取時間下生化腐植酸含量的變化。

提取時間對BHA的提取是關鍵因素。如果提取時間過短，則會使BHA提取反應不完全，造成腐植酸上清液中的BHA含量低；相反，如果提取時間過長，則會影響B(tài)HA的性質，易造成BHA分解，降低BHA的提取含量和提取率。同時，延長提取時間，增加提取反應的單位能耗，增加生產(chǎn)成本。

從圖3可以看出，當反應時間為60 min時，BHA含量達到最高。當提取時間低于60 min和高于60 min時，利用發(fā)酵糠醛渣提取BHA的含量低。分析其原因，是當提取反應時間短時，提取不充分；提取時間越長，堿的濃度消耗越多，造成BHA分解，使得所制備的腐植酸上清液中BHA含量低。

圖3提取時間對生化腐植酸提取含量的影響

2.1.4

提取溫度對生化腐植酸提取反應的影響。

在固液比為1∶7，氫氧化鉀濃度為6%，反應時間為1 h時，研究不同提取溫度下生化腐植酸含量的變化。

生化腐植酸是一種多活性基團的高分子物質。反應溫度越高，分子運動速率越大，反應速率越快。但是，反應溫度過高會使發(fā)酵糠醛渣中有機質分解，能耗隨之增大。因此，設計合適的提取溫度，不僅可適當加快反應速度，而且可減少生產(chǎn)成本。從圖4可以看出，BHA含量隨著提取溫度的增加先迅速增大，過了最佳溫度70 ℃后，BHA含量逐漸降低。所以，選擇提取最佳溫度為70 ℃。

圖4提取溫度對生化腐植酸提取含量的影響

2.2 生化腐植酸產(chǎn)品的物理性質

利用發(fā)酵糠醛渣堿液抽提的生化腐植酸產(chǎn)品，腐植酸的總酸度為10.687 mmol/g，酚羥基為6.238 mmol/g，羧基為4.792 mmol/g，腐植酸含量為88.4 g/L，有機質含量為104 g/L。這說明樣品中因其分子中芳香環(huán)和脂肪鏈上的羧基以及羥基中存在可離解的氫離子使得生化腐植酸有酸度和交換容量，同時有機質含量也高。

2.3 紅外光譜分析

利用FTIR，對BHA中官能團作定性分析。生化腐植酸的紅外譜圖見圖5。BHA的紅外特征吸收峰及其歸屬見表1。

圖5利用發(fā)酵糠醛渣提取生化腐植酸的紅外譜圖

這些官能團在生化腐植酸分子中所處的化學環(huán)境各不相同，因而吸收峰的寬度各不一樣。綜合試驗，同時根據(jù)相關資料研究，發(fā)現(xiàn)生化腐植酸中含羥基（-OH）、羧基（-COOH）、羰基（-C=O）等活性官能團。這些活性基團決定了BHA官能團滲透力強、水溶性好、耐酸堿及較高的吸附能力。因此，該工藝提取的物質從結構上可以肯定是生化腐植酸。

3 結論

近年來，腐植酸已被廣泛應用于農(nóng)業(yè)肥料的制備，一般都是從泥炭、風化煤中提取得到，而通過從發(fā)酵糠醛渣中提取腐植酸的研究很少。以發(fā)酵糠醛渣為原料，采用堿溶酸析法提取生化腐植酸，考察了固液比（糠醛渣與水的質量比）、堿液濃度、提取溫度、提取時間對生化腐植酸含量的影響，并且通過紅外光譜對其結構進行表征。結果表明，最佳的提取工藝條件為固液比1∶7、堿液濃度6%KOH、提取時間1 h、提取溫度70 ℃，此時生化腐植酸含量為8.5%。紅外光譜分析表明，提取得到的生化腐植酸和商品腐植酸結構相似，但是BHA官能團種類較多，分子量較小。該工藝生產(chǎn)操作簡單，穩(wěn)定可行，可用于提取生化腐植酸。同時，該試驗對BHA的結構、性質和含量檢測做了一定的研究。利用BHA開發(fā)制備腐植酸類新型肥料有很好的發(fā)展前景。

參考文獻

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