水溶性氨基酸的制備與螯合

劉順強，付 璐

（連云港職業(yè)技術(shù)學院醫(yī)藥與化學工程學院，江蘇 連云港 222006）

我國為畜禽養(yǎng)殖大國，畜禽的消費需求量巨大，但病死畜禽無害化產(chǎn)物的資源再利用及產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展較慢。從衛(wèi)生防疫角度考慮，病死畜禽的無害化處理，可以采用填埋法、焚燒法等處理方式[1-2]，但處理方式的技術(shù)含量偏低，生物質(zhì)資源沒有得到再利用。在國外，通常采用無害化處理，對病死畜禽進行資源再利用。處理后得到的氨基酸可廣泛用于有機肥和動物飼料[3]。

病死畜禽富含大量的蛋白質(zhì)，可通過酸解合成氨基酸[4-5]。酸解在密封條件下進行，散發(fā)到空氣中的廢氣極少，不存在環(huán)境污染問題，可以真正達到在整個生產(chǎn)工藝過程中“零污染、零排放”的環(huán)保要求。

氨基酸可與 Zn、Mn、B、Mo、Fe、Cu等微量元素發(fā)生螯合[6-7]，氨基酸螯合物具有穩(wěn)定性好、抵抗干擾、生物效價高、吸收率高等優(yōu)點，可起到補充氨基酸和微量元素的雙重作用。與其他氮肥相比，氨基酸螯合液具有改善土壤、肥效快、增強抗逆性、減少污染、提高產(chǎn)量等優(yōu)勢[8]。開發(fā)具有速效、緩釋雙重功效的氨基酸葉面肥料，不僅可以延長葉面肥料的肥效期，還可以減少葉面肥料的噴施次數(shù)，增加農(nóng)民的經(jīng)濟效益[9]。氨基酸葉面肥在為螯合肥料生產(chǎn)找到廉價的螯合物來源的同時，也為病死畜禽的再利用找到了一條清潔、有效的途徑，兼具生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益，既凈化了環(huán)境，又符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。

1 材料與試劑

1.1 材料

病死豬肉（江蘇北斗星環(huán)保股份有限公司）。

1.2 試劑

98%濃硫酸，25%～28%氨水，硫酸鋅，硫酸錳，EDTA-2Na，檸檬酸(均為工業(yè)級)。

2 實驗與結(jié)果討論

2.1 酸解制備水溶性氨基酸

將50g豬肉、一定量的濃硫酸和若干水混合后加入圓底燒瓶中，在加熱套中105～110℃下酸解反應3～6h，得到油水分層的酸解液，上層白色為油脂，下層為氨基酸液。

首先考察硫酸的濃度對酸解的影響。冷卻后用甲醛法測定酸解液中的氨基酸的氨態(tài)氮含量，結(jié)果見表1。從表1結(jié)果來看，在相同的酸解條件下，酸濃度越高，得到的氨基酸含量越高，酸解越完全。但從硫酸成本和后處理考慮，濃硫酸可以稀釋到一個適中的濃度。一般來說，反應時間越長產(chǎn)率越高，但時間過長，產(chǎn)率的增加幅度逐步減緩，最后保持不變或略有降低。因此，選擇肉∶硫酸∶水=50 g∶15 mL∶35 mL，微沸反應6 h，氨基酸的氨態(tài)氮含量較高。

表1 硫酸的濃度對酸解的影響

2.2 微量元素螯合

氨基酸可與 Zn、Fe、Cu、Mn、B、Mo 等微量元素發(fā)生螯合反應。本文選取可用于大多數(shù)作物的有代表性的Zn和Mn元素進行螯合。微量元素螯合的主要影響因素有溫度、pH值、時間、螯合劑種類、攪拌速度、添加順序、濃度等。

微量元素的螯合參考NY1429-2010的標準要求，微量元素總含量≥20g·L-1。本文中，Zn為10g·L-1，Mn為 10g·L-1，要求葉面肥水溶液不產(chǎn)生沉淀，以使微量元素充分螯合。

2.2.1 pH值影響

取100mL中和后的氨基酸液于250mL燒杯中，滴加氨水，至pH值為3.0～4.0，然后滴加鋅錳混合溶液（0.465mol·L-1ZnSO4，0.552 mol·L-1MnSO4）。 溶液稍微不透明時停止滴加，考察不同pH值條件下，溶液保持澄清需消耗的微量元素的量，結(jié)果見表2。

表2 滴加Zn和Mn微量元素與pH值的關(guān)系

從表2可以看出，氨基酸液的pH值不能調(diào)得太高。雖然文獻說pH=6～7是最容易螯合的，但考慮到氨基酸液成分的復雜性，應考慮把pH值調(diào)為4.5～5.0。因為pH越高，氨基酸的螯合率越高，但pH值也會影響Zn(OH)2和Mn(OH)2的沉淀系數(shù)，產(chǎn)生沉淀。

2.2.2 溫度的影響

取100mL中和后的氨基酸液于250mL燒杯 中，加 入 4.43g的 ZnSO4·7H2O和 3.08g的MnSO4·H2O，室溫（20～30℃）下攪拌溶解。在一定溫度的水浴中滴加氨水，溶液稍渾濁時停止滴加，溶液冷卻至室溫時測定pH值。微量元素螯合的溫度與氨基酸液pH值的關(guān)系見表3。

表3 微量元素螯合的溫度與氨基酸液最高pH值的關(guān)系

從表3可以看出，溫度越低，越容易得到更高pH值的溶液，這是我們需要的。從文獻可知，單一氨基酸在螯合元素時，溫度高時的螯合率高，而且表2中，不同溫度下的pH值相差不大，因此我們分別在室溫和高溫等不同溫度下進行了螯合反應。

在室溫下反應澄清后，馬上在70℃進行螯合，會產(chǎn)生沉淀現(xiàn)象；若在室溫下反應澄清后靜置過夜，則會得到顏色變深的澄清溶液。因此得出結(jié)論：先加氨水不如先加微量元素好，快速攪拌有助于螯合。

2.2.3 螯合劑的選擇

氨基酸液中有多種氨基酸，但不是每種氨基酸都能和微量元素螯合。為了使微量元素能盡可能地螯合，保證氨基酸螯合液不產(chǎn)生沉淀，本文選擇乙二胺四乙酸二鈉和檸檬酸作為螯合劑進行實驗。

加入不同比例的螯合劑，得到的溶液的pH值不一樣。一般來說，螯合劑加入量越多，溶液pH值可以調(diào)得越大而不渾濁。考慮到EDTA-2Na的價格為1.3萬人民幣·t-1，檸檬酸為0.4萬人民幣·t-1，檸檬酸遠遠便宜于EDTA-2Na，因此選用工業(yè)級檸檬酸作為螯合劑。

從以上實驗結(jié)果，可以確定優(yōu)化的螯合步驟：取100mL中和后的氨基酸液于250mL燒杯中，加熱到70℃，加入 4.43g的ZnSO4·7H2O和 3.08g的MnSO4·H2O，然后加入1g檸檬酸，在室溫（20～30℃）下攪拌溶解，在一定溫度的水浴中滴加氨水（30%），調(diào)節(jié)溶液 pH=4.5～5.5，繼續(xù)攪拌反應 1～2h，溶液澄清，螯合完成。

3 結(jié)論

本文利用硫酸酸解工藝，將病死畜禽的蛋白質(zhì)成分制備成水溶性氨基酸。通過優(yōu)化酸解條件，選擇肉∶硫酸∶水=50 g∶15 mL∶35 mL，微沸反應6 h，制備得到的氨基酸液中的氨態(tài)氮含量較高。用制得的氨基酸液與Zn、Mn螯合，在室溫(20～30℃)、pH=4.5～5.5、選擇檸檬酸為螯合劑的條件下，螯合效