復(fù)合氨基酸錳螯合物的制備工藝條件優(yōu)化

李欽王引權(quán)彭桐陳暉姚陽陽

(1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省中藥質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，甘肅 蘭州 730000)

微量元素是植物生長過程中所需的重要營養(yǎng)，通過施用的微量元素肥料可提高農(nóng)作物產(chǎn)量及質(zhì)量，但目前這類肥料多以無機(jī)鹽的形式存在，這種肥料無論以單施或混以其它肥料并施到土壤中，都會(huì)造成被土壤固定的現(xiàn)象，不利于作物吸收，同時(shí)降低了肥料的利用率[1]。錳是植株生長所需的重要微量元素，不可缺失，在植物的氮代謝、生長素代謝和氧化還原過程具有重大意義，并且是多種酶的活化劑。缺錳會(huì)導(dǎo)致植物葉片中糖、淀粉含量減少，使得植物無法得到充足養(yǎng)分，發(fā)育緩慢，甚至發(fā)育不健全[2,3]。氨基酸作為一種重要的營養(yǎng)物質(zhì)，可促進(jìn)植物的生長，尤其對(duì)光合作用最為顯著。微量元素可改善植物生長中出現(xiàn)的缺乏元素癥，增加植物所需元素，提高植物質(zhì)量[4]。氨基酸可以將金屬離子絡(luò)合到一起，將此作為肥料施入到土壤中，不易被固定，有利于植株的吸收，肥效迅速，養(yǎng)分利用率高，配方搭配多樣，施用方便經(jīng)濟(jì)。氨基酸螯合微量元素肥料將2種不同的肥料特點(diǎn)結(jié)合到一起，將優(yōu)勢(shì)最大化突出[5]。市場(chǎng)上，氨基酸錳螯合物的肥料制造工藝簡陋，質(zhì)量參差不齊。因此，本文研究氨基酸與微量元素錳的最佳制備條件，提高螯合率，尋找最佳的螯合工藝，為氨基酸微量元素螯合物類的肥料提供參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試劑

復(fù)合氨基酸(湖北新生源生物工程有限公司)組分見表1；一水硫酸錳(分析純，99.0～101.0%)、無水乙醇(分析純，≥99.7%)均購于自天津市大茂化學(xué)試劑廠；Mn的標(biāo)準(zhǔn)溶液(濃度1000μg·mL-1，國家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心)；水(娃哈哈純凈水)。

表1 復(fù)合氨基酸組分及含量

1.1.2 儀器

原子吸收光譜儀(型號(hào)：SOLAAR S-2)；電熱鼓風(fēng)干燥箱(型號(hào)：101-1AB，天津市泰斯特儀器有限公司)；酸度計(jì)(型號(hào)：P901，上海佑科儀器儀表有限公司)；電熱恒溫水浴鍋(型號(hào)：HH-2，北京科偉永興儀器有限公司)；電子天平(型號(hào)：BSA224S，萬分之一，梅特勒-托利多儀器(北京)有限公司)。

1.2 氨基酸螯合錳的制備工藝流程

圖1 氨基酸螯合錳的制備工藝流程

1.3 氨基酸螯合錳螯合物的分離純化

運(yùn)用氨基酸微量元素螯合物在有機(jī)溶劑中溶解度較小的原理，采用無水乙醇來分離提取氨基酸螯合物。在水浴鍋中制得的氨基酸螯合液進(jìn)行加熱濃縮，然后加入有機(jī)溶劑將氨基酸金屬離子螯合物與游離態(tài)金屬離子分離開來，得到氨基酸螯合錳螯合物的純化物，也利于測(cè)定不同形態(tài)金屬離子的含量[6]。

1.4 分析方法

利用原子吸收分光光度計(jì)直接測(cè)定螯合態(tài)的錳元素。

螯合率(%)=螯合態(tài)微量元素量/(游離態(tài)鐵離子含量+螯合態(tài)鐵離子含量)×100%

數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel 2019程序和SPSS24.0統(tǒng)計(jì)分析軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 因素與水平確定

許多研究表明,影響螯合反應(yīng)的因素主要包括pH值、物料比、有機(jī)溶劑與螯合液浸提比、螯合溫度和螯合時(shí)間等[7]。溶液的pH對(duì)螯合反應(yīng)的過程具有巨大的影響，其中分為2種情況：pH較低時(shí)，溶液偏酸，其中的氫離子會(huì)與金屬離子搶奪供電子基團(tuán)；pH較高時(shí)，溶液偏堿性，氫氧根離子會(huì)與金屬離子形成沉淀。適宜的pH值溶液環(huán)境對(duì)螯合反應(yīng)的進(jìn)行極為重要[8]。不同的物料比，對(duì)螯合過程和螯合物的穩(wěn)定性都有很大影響，配位比太小，螯合程度小，形成的螯合物穩(wěn)定性差，配位比太大，螯合程度大，形成的螯合物過于穩(wěn)定，過剩的氨基酸就難以被植物吸收利用，造成資源的浪費(fèi)，因此從資源節(jié)約的角度考慮，適當(dāng)?shù)奈锪媳葧?huì)提高氨基酸肥料的功效[9]。螯合反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，提高一定的溫度可提高反應(yīng)速率，而控制合理的反應(yīng)時(shí)間可提高生產(chǎn)效率[10]。因此,本試驗(yàn)重點(diǎn)探討不同pH、物料比、螯合溫度和時(shí)間對(duì)氨基酸與微量元素錳螯合率的影響。

表2 氨基酸螯合錳工藝正交試驗(yàn)因素與水平

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

本研究采用4因素3水平L9(34)進(jìn)行正交試驗(yàn)，考察pH值(A)、配位比(B)、螯合溫度(C)和螯合時(shí)間(D)4個(gè)因素的不同水平對(duì)氨基酸與金屬離子錳螯合率的影響，篩選較優(yōu)螯合條件，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)并取其平均值。正交試驗(yàn)方案、測(cè)定結(jié)果和極差分析見表3。

表3 正交試驗(yàn)方案、測(cè)定結(jié)果和極差分析

2.3 正交試驗(yàn)分析

從表3可得出，第1試驗(yàn)號(hào)的綜合評(píng)分最高，即A3B2C3D1。R越大，代表該因素對(duì)結(jié)果的影響越大，所以從極差分析可以看出，對(duì)螯合率影響作用的因素從大到小排列分別為A>B>D>C，即pH>物料比>螯合時(shí)間>螯合溫度。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表4。pH(A)和物料比(B)對(duì)復(fù)合氨基酸螯合錳工藝有顯著影響。結(jié)合表3、表4可以預(yù)測(cè)最佳工藝為A3B2C1D1，即pH為7.0，物料比為2∶1，螯合溫度為30℃，反應(yīng)時(shí)間為30min。

表4 方差分析表

2.4 最佳工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

按照正交試驗(yàn)結(jié)果獲得的優(yōu)化工藝條件，按照1.3項(xiàng)下平行制備復(fù)合氨基酸螯合微量元素錳的3個(gè)樣品，測(cè)得結(jié)果螯合率平均值為89.36%，RSD為2.56%。表明優(yōu)選的提取工藝條件穩(wěn)定可行，可作為氨基酸螯合錳的最佳制造工藝條件。

3 結(jié)論

以復(fù)合氨基酸和硫酸錳為原料在pH為7.0，物料比為2∶1，反應(yīng)時(shí)間為30min、螯合溫度為30℃的條件下進(jìn)行螯合反應(yīng)，無水乙醇進(jìn)行沉淀分離，使用原子吸收測(cè)定其螯合率最高。從正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表中發(fā)現(xiàn)，pH和物料比對(duì)螯合反應(yīng)的影響最大，不同pH的溶液中存在的離子會(huì)影響螯合反應(yīng)進(jìn)程的方向，適宜的物料比可使得螯合反應(yīng)最大程度的進(jìn)行，不會(huì)造成肥料的利用率低。而螯合溫度和時(shí)間對(duì)氨基酸與金屬離子錳的螯合反應(yīng)均無顯著性影響。本文以氨基酸螯合金屬離子錳制備氨基酸微量元素肥料作為基礎(chǔ)，以期對(duì)此類氨基酸液態(tài)肥的制備工藝提供參考。