發(fā)酵海藻渣提取生物腐植酸的研究

趙建亮 王玉玨 趙新巍

1 青島蘇貝爾作物營養(yǎng)有限公司 青島 266000

2 阿道姆（青島）肥料有限公司 青島 266000

腐植酸是一種自然界中廣泛存在的復(fù)雜大分子有機(jī)物，其結(jié)構(gòu)為具有羥基、羧基等極性基團(tuán)的芳環(huán)或稠環(huán)化合物。由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與巨大的儲量，在農(nóng)、林、石化、環(huán)保等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]。按照來源的不同可將腐植酸分為天然腐植酸與人工腐植酸兩大類。前者主要是從褐煤、風(fēng)化煤、泥炭等原料中活化提取得到[2，3]。生物腐植酸是指通過化學(xué)或微生物發(fā)酵的方法從造紙黑液、糖蜜、作物秸稈等工農(nóng)業(yè)廢棄物中制備提取的，屬于人工腐植酸[4～6]。海藻渣是海藻加工產(chǎn)業(yè)的廢棄物，藻渣中含有許多對植物生長有益的活性物質(zhì)或營養(yǎng)物質(zhì)，如有機(jī)質(zhì)、海藻酸、氨基酸、蛋白質(zhì)及多種礦質(zhì)養(yǎng)分元素等，經(jīng)發(fā)酵后提取出的生物腐植酸可作為生物刺激素利用，也可與水溶肥搭配使用。本文以海藻生產(chǎn)排放的廢棄物海藻渣為原料，經(jīng)微生物發(fā)酵[7，8]的方法得到含有生物腐植酸的發(fā)酵海藻渣，并通過對工藝條件的研究確定了最優(yōu)提取工藝參數(shù)，意在為海藻渣的處理利用提供思路。

1 實(shí)驗部分

1.1 主要原料

發(fā)酵海藻渣（通過微生物發(fā)酵后壓濾剩余的殘渣），自產(chǎn)；濃硫酸，分析純，煙臺三和化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鉀，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硫酸亞鐵銨，分析純，天津富宇精細(xì)化工有限公司。試驗所用發(fā)酵海藻渣檢測指標(biāo)：外觀顏色淺褐色，無惡臭；腐植酸含量24.8%，pH 6.8，含水率31.6%。

1.2 主要儀器

恒溫電熱水浴鍋，HH-6，金壇市晶玻實(shí)驗儀器廠；臺式高速離心機(jī)，TG16-WS，湖南湘儀實(shí)驗室儀器開發(fā)有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9401，山東德瑞克儀器有限公司；磁力攪拌機(jī)，DF-101S，揚(yáng)州正藝試驗機(jī)械有限公司。

1.3 生物腐植酸的提取

將發(fā)酵過的海藻渣按一定的固液比加入燒杯中（固液用量合計300 g），并在溫度較低時加入一定用量的氫氧化鉀，以防止溫度升高后加入氫氧化鉀導(dǎo)致爆沸[9，10]。開啟攪拌，并在達(dá)到一定反應(yīng)溫度后持續(xù)攪拌提取一段時間。然后倒出，用高速離心機(jī)以10000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，以使反應(yīng)后剩余的固體殘渣與上清液完全分離[11，12]。

將上述離心得到的上清液倒入燒杯中，加入一定量的稀硫酸調(diào)節(jié)pH 至1.0 附近，靜置2～3 h。靜置完畢后使用布式漏斗抽濾即可得到析出的棕褐色沉淀，并使用pH 為1.0的稀硫酸沖洗2～3 次，洗去表面沾附的雜質(zhì)。將過濾得到的沉淀置于烘箱中70 ℃烘干，即可得到經(jīng)過分離純化的發(fā)酵海藻渣制備的生物腐植酸。

通過控制變量法，研究不同提取溫度（40～120 ℃）、固液比[1/12～1/6（g/g）]、氫氧化鉀用量（4～12 g）、提取時間（0.5～2.5 h）對生物腐植酸提取含量的影響，以確定最優(yōu)提取工藝參數(shù)。

1.4 測試及表征

1.4.1 生物腐植酸的含量測定

生物腐植酸的含量測定按照標(biāo)準(zhǔn)《餐廚廢棄物生產(chǎn)肥料中生物腐植酸含量測定方法》（HG/T 5603-2019）測定。

1.4.2 紅外光譜表征

紅外光譜（FT-IR）分析使用美國尼高力儀器公司制造的Avatar-360 型的傅里葉紅外光譜儀，將制得的產(chǎn)物與KBr 均勻混合并壓片后進(jìn)行測試，波數(shù)范圍在4000～450 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 FT-IR 表征

圖1 為發(fā)酵海藻渣中提取的生物腐植酸的FTIR 譜圖。3425 cm-1為-OH的伸縮振動峰；1621 cm-1為芳環(huán)共軛C=C 或-COO-的對稱伸展振動峰；1384 cm-1為-OH的變形振動峰；1120 cm-1為仲醇的拉伸振動峰。這四處振動峰表明生物腐植酸的中含有芳環(huán)結(jié)構(gòu)、羥基、羧基等含氧基團(tuán)，且該圖譜與典型腐植酸譜圖[13]接近。

圖1 生物腐植酸的FT-IR 譜圖Fig.1 FT-IR spectrum of biological humic acid

2.2 提取溫度對生物腐植酸含量的影響

圖2 為提取溫度對生物腐植酸含量的影響。實(shí)驗結(jié)果表明，固液比設(shè)定1/8（g/g）、氫氧化鉀用量設(shè)定6 g/300 g，提取時間設(shè)定1.5 h。隨著提取溫度的升高，發(fā)酵海藻渣中生物腐植酸含量呈現(xiàn)出先升高后降低的反應(yīng)趨勢。提取溫度較低時，反應(yīng)進(jìn)行的不夠徹底，還有一部分生物腐植酸未被提取出來，殘留在離心出來的固體殘渣中。當(dāng)提取溫度超過80 ℃時，生物腐植酸發(fā)生部分分解導(dǎo)致含量有所下降。同時，由于提取溫度升高導(dǎo)致氫氧化鉀在加入時很容易爆沸而發(fā)生危險。綜上所述，出于對安全與含量的考慮，選擇提取溫度為80 ℃。

圖2 提取溫度對生物腐植酸含量的影響Fig.2 Effects of extraction temperature on the content of biological humic acid

2.3 固液比對生物腐植酸含量的影響

圖3 為固液比對生物腐植酸含量的影響。實(shí)驗結(jié)果表明，提取溫度設(shè)定80 ℃、氫氧化鉀用量設(shè)定6 g/300 g，提取時間設(shè)定1.5 h。隨著固液比的升高，發(fā)酵海藻渣中生物腐植酸含量呈現(xiàn)出先升高后降低的反應(yīng)趨勢。這主要是由于固液比較低時，發(fā)酵海藻渣在原料中的占比較少，可提取的腐植酸含量較低。同樣的氫氧化鉀用量下能提取的生物腐植酸的含量較少，因此隨著固液比的升高，發(fā)酵海藻渣中生物腐植酸含量也逐漸升高。當(dāng)固液比超過1/8（g/g）后，由于發(fā)酵海藻渣占比過多，導(dǎo)致反應(yīng)體系的黏度迅速升高，攪拌困難，傳熱效率下降，同時難以通過離心徹底地分離反應(yīng)殘渣與上清液，從而導(dǎo)致發(fā)酵海藻渣中生物腐植酸含量明顯下降。綜上所述，出于對發(fā)酵海藻渣中生物腐植酸含量與產(chǎn)品易于分離提純的考慮，選擇固液比為1/8（g/g）進(jìn)行后續(xù)試驗。

圖3 固液比對生物腐植酸含量的影響Fig.3 Effects of solid liquid ratio on the content of biological humic acid

2.4 氫氧化鉀用量對生物腐植酸含量的影響

圖4為氫氧化鉀用量對生物腐植酸含量的影響。實(shí)驗結(jié)果表明，固液比設(shè)定1/8（g/g）、提取溫度設(shè)定80 ℃，提取時間設(shè)定1.5 h。隨著氫氧化鉀用量的增加，發(fā)酵海藻渣中生物腐植酸含量呈現(xiàn)先迅速增加而后增速放緩的趨勢。這是由于氫氧化鉀用量較低時無法將發(fā)酵海藻渣中的生物腐植酸完全提取出來。同時由于海藻渣經(jīng)過發(fā)酵會產(chǎn)生一定量的有機(jī)酸從而進(jìn)一步消耗氫氧化鉀，使發(fā)酵海藻渣中的生物腐植酸無法完全提取出來，因此發(fā)酵海藻渣中生物腐植酸含量會隨氫氧化鉀用量的提高迅速升高。當(dāng)氫氧化鉀用量超過8 g/300 g 后，由于反應(yīng)接近完全，此時再提高堿用量對提高發(fā)酵海藻渣中生物腐植酸含量作用并不明顯，并且由于氫氧化鉀的加入量變多，反應(yīng)體系更容易發(fā)生爆沸。綜合考慮，選擇氫氧化鉀用量為8 g/300 g 為最佳反應(yīng)條件。

圖4 氫氧化鉀用量對生物腐植酸含量的影響Fig.4 Effects of KOH dosage on the content of biological humic acid

2.5 提取時間對生物腐植酸含量的影響

圖5 為提取時間對生物腐植酸含量的影響。實(shí)驗結(jié)果表明，固液比設(shè)定1/8（g/g）、氫氧化鉀用量設(shè)定8 g/300 g，提取溫度設(shè)定80 ℃。隨著提取時間的增長，發(fā)酵海藻渣中生物腐植酸含量呈現(xiàn)出先增加，然后增速放緩的趨勢。這主要是由于提取時間較短時，發(fā)酵海藻渣中的生物腐植酸并未完全提取出來。因此，隨著提取時間的延長，發(fā)酵海藻渣中生物腐植酸的含量迅速提高。當(dāng)提取時間超過2.0 h 后，發(fā)酵海藻渣中生物腐植酸含量增速放緩，綜合考慮提取效率和時間成本，選擇提取時間為2.0 h 為最佳反應(yīng)條件。

圖5 提取時間對生物腐植酸含量的影響Fig.5 Effects of extraction time on the content of biological humic acid

3 結(jié)論

通過對從發(fā)酵廢棄海藻渣中提取的生物腐植酸進(jìn)行紅外光譜分析，所提取的生物腐植酸分子含有芳環(huán)結(jié)構(gòu)和羥基、羧基等含極性氧基團(tuán)，譜圖與腐植酸經(jīng)典譜圖相似，初步判定所提取物為生物腐植酸。通過控制其他變量，研究不同提取溫度、固液比、氫氧化鉀用量、提取時間對生物腐植酸提取含量的影響，最后確定最優(yōu)的提取條件為：提取溫度80 ℃，固液比1/8（g/g），氫氧化鉀用量8 g/300 g，提取時間2.0 h，所得生物腐植酸含量為37.5%。