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摘要

[目的] 為了解決腐植酸的水溶性問(wèn)題以及鈉離子連續(xù)、長(zhǎng)期在土壤中的累積對(duì)土壤環(huán)境帶來(lái)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(zhì)量比）、堿液濃度、提取溫度、提取時(shí)間對(duì)生化腐植酸含量的影響，并且通過(guò)紅外光譜對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。[結(jié)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(shí)間1 h、提取溫度70 ℃，此時(shí)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(jié)構(gòu)相似，但BHA官能團(tuán)種類較多，分子量較小。 [結(jié)論] 該工藝生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可行，可用于提取生化腐植酸。利用BHA開(kāi)發(fā)制備腐植酸類新型肥料有很好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞發(fā)酵糠醛渣；生化腐植酸；提?。患t外光譜

中圖分類號(hào)S188+.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)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(jiǎn)稱HA）是一種芳香族類高分子有機(jī)弱酸。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含多種活性官能團(tuán)，具有很高的反應(yīng)活性，被廣泛用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)方面[1-5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(guò)程，將特定的微生物接種到培養(yǎng)基中，通過(guò)微生物發(fā)酵而制取HA的過(guò)程[6]。這種生化腐植酸（Biolechnology humic acid，簡(jiǎn)稱BHA）官能團(tuán)滲透力強(qiáng)、水溶性好、耐酸堿，具有廣闊的應(yīng)用前景。20世紀(jì)80年代末，在進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)4年的大規(guī)模應(yīng)用試驗(yàn)和較深入的理論研究之后，總結(jié)出腐植酸在農(nóng)業(yè)方面的五大功效，即改良土壤、增強(qiáng)肥效、增加產(chǎn)量、提高作物抗病力和改善品質(zhì)[7]。近年來(lái)，隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和綠色食品、有機(jī)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(guān)注。隨著世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)科技的進(jìn)步，水溶性腐植酸肥料的年需求增長(zhǎng)率已遠(yuǎn)超普通產(chǎn)品。然而，多年來(lái)傳統(tǒng)的堿液提取腐植酸技術(shù)會(huì)對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生污染[8-9]，使得這項(xiàng)技術(shù)飽受質(zhì)疑，從而制約了水溶性腐植酸肥料的推廣。筆者認(rèn)為，大力推廣具有環(huán)保優(yōu)勢(shì)的水溶性腐植酸新技術(shù)迫在眉睫。

目前，我國(guó)水溶性腐植酸行業(yè)所采用的傳統(tǒng)技術(shù)存在問(wèn)題。國(guó)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(dǎo)致在產(chǎn)品中含有無(wú)用甚至有害的鈉離子。由于鈉不是農(nóng)作物的營(yíng)養(yǎng)元素，僅為了解決腐植酸的水溶性問(wèn)題，鈉離子連續(xù)、長(zhǎng)期在土壤中的累積會(huì)對(duì)土壤環(huán)境帶來(lái)不利影響。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

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

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1

生化腐植酸的提取。將腐熟的糠醛渣粉碎過(guò)80目篩，按一定的固液比（發(fā)酵糠醛渣與水的質(zhì)量比）準(zhǔn)確稱量后置于1 000 ml燒杯中，加入一定質(zhì)量的氫氧化鉀，在一定的溫度條件下攪拌反應(yīng)一定時(shí)間，然后靜置過(guò)夜，等反應(yīng)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(diào)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(cè)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(cè)定

腐植酸含量；按照NYT 19762010水溶肥料有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定方法測(cè)定有機(jī)質(zhì)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(cè)定，掃描范圍4 000～400 cm-1，進(jìn)行紅外光譜譜圖分析；利用氫氧化鋇法和醋酸鈣，測(cè)定生化腐植酸的總酸度、羧基和酚羥基。

2 結(jié)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(zhì)量比）對(duì)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(yīng)2 h，測(cè)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(dāng)固液比為1∶7時(shí)，經(jīng)過(guò)堿提取后上清液中生化腐植酸含量達(dá)到最高，為8.5%；當(dāng)固液比繼續(xù)增大時(shí)，腐植酸含量反而逐漸降低。分析原因是增加液相介質(zhì)水量會(huì)稀釋堿的濃度，降低堿萃取糠醛渣中生化腐植酸的反應(yīng)能力。因此，最佳的原料固液比為1∶7。

圖1 固液比對(duì)生化腐植酸提取含量的影響

2.1.2

氫氧化鉀溶液濃度對(duì)生化腐植酸提取反應(yīng)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(duì)BHA提取效果的影響。在固液比為1∶7，提取溫度為70 ℃，提取時(shí)間為1 h時(shí)，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(guò)了最佳濃度值后其含量隨之降低。當(dāng)氫氧化鉀濃度為6%時(shí)抽提效果最好，生化腐植酸的含量達(dá)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(duì)生化腐植酸提取含量的影響

2.1.3

提取時(shí)間對(duì)生化腐植酸提取反應(yīng)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(shí)，研究不同提取時(shí)間下生化腐植酸含量的變化。

提取時(shí)間對(duì)BHA的提取是關(guān)鍵因素。如果提取時(shí)間過(guò)短，則會(huì)使BHA提取反應(yīng)不完全，造成腐植酸上清液中的BHA含量低；相反，如果提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)影響B(tài)HA的性質(zhì)，易造成BHA分解，降低BHA的提取含量和提取率。同時(shí)，延長(zhǎng)提取時(shí)間，增加提取反應(yīng)的單位能耗，增加生產(chǎn)成本。

從圖3可以看出，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)，BHA含量達(dá)到最高。當(dāng)提取時(shí)間低于60 min和高于60 min時(shí)，利用發(fā)酵糠醛渣提取BHA的含量低。分析其原因，是當(dāng)提取反應(yīng)時(shí)間短時(shí)，提取不充分；提取時(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)間對(duì)生化腐植酸提取含量的影響

2.1.4

提取溫度對(duì)生化腐植酸提取反應(yīng)的影響。

在固液比為1∶7，氫氧化鉀濃度為6%，反應(yīng)時(shí)間為1 h時(shí)，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(tuán)的高分子物質(zhì)。反應(yīng)溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)速率越大，反應(yīng)速率越快。但是，反應(yīng)溫度過(guò)高會(huì)使發(fā)酵糠醛渣中有機(jī)質(zhì)分解，能耗隨之增大。因此，設(shè)計(jì)合適的提取溫度，不僅可適當(dāng)加快反應(yīng)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(guò)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(duì)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(zhì)

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(jī)質(zhì)含量為104 g/L。這說(shuō)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(shí)有機(jī)質(zhì)含量也高。

2.3 紅外光譜分析

利用FTIR，對(duì)BHA中官能團(tuán)作定性分析。生化腐植酸的紅外譜圖見(jiàn)圖5。BHA的紅外特征吸收峰及其歸屬見(jiàn)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(tuán)在生化腐植酸分子中所處的化學(xué)環(huán)境各不相同，因而吸收峰的寬度各不一樣。綜合試驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)相關(guān)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(tuán)。這些活性基團(tuán)決定了BHA官能團(tuán)滲透力強(qiáng)、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(zhì)從結(jié)構(gòu)上可以肯定是生化腐植酸。

3 結(jié)論

近年來(lái)，腐植酸已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)肥料的制備，一般都是從泥炭、風(fēng)化煤中提取得到，而通過(guò)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(zhì)量比）、堿液濃度、提取溫度、提取時(shí)間對(duì)生化腐植酸含量的影響，并且通過(guò)紅外光譜對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。結(jié)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(shí)間1 h、提取溫度70 ℃，此時(shí)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(jié)構(gòu)相似，但是BHA官能團(tuán)種類較多，分子量較小。該工藝生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可行，可用于提取生化腐植酸。同時(shí)，該試驗(yàn)對(duì)BHA的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和含量檢測(cè)做了一定的研究。利用BHA開(kāi)發(fā)制備腐植酸類新型肥料有很好的發(fā)展前景。

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