发酵糠醛渣中生化腐植酸的提取与表征

张院萍　张晓忠

摘要

[目的] 为了解决腐植酸的水溶性问题以及钠离子连续、长期在土壤中的累积对土壤环境带来的不利影响。[方法] 以发酵糠醛渣为原料，采用碱溶酸析法提取生化腐植酸（BHA），考察固液比（糠醛渣与水的质量比）、碱液浓度、提取温度、提取时间对生化腐植酸含量的影响，并且通过红外光谱对其结构进行了表征。[结果] 最佳的提取工藝条件为：固液比1∶7、碱液浓度 6%KOH、提取时间1 h、提取温度70 ℃，此时生化腐植酸含量为8.5%。红外光谱分析表明， 提取得到的生化腐植酸和商品腐植酸结构相似，但BHA官能团种类较多，分子量较小。 [结论] 该工艺生产操作简单，稳定可行，可用于提取生化腐植酸。利用BHA开发制备腐植酸类新型肥料有很好的发展前景。

关键词发酵糠醛渣；生化腐植酸；提取；红外光谱

中图分类号S188+.4文献标识码A文章编号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，简称HA）是一种芳香族类高分子有机弱酸。其结构复杂，含多种活性官能团，具有很高的反应活性，被广泛用于农业、工业、医药、环境保护等各个方面[1-5]。近年来，国内外对发酵法生产HA的研究日趋重视。发酵法生产HA是模拟天然腐植酸的生产过程，将特定的微生物接种到培养基中，通过微生物发酵而制取HA的过程[6]。这种生化腐植酸（Biolechnology humic acid，简称BHA）官能团渗透力强、水溶性好、耐酸碱，具有广阔的应用前景。20世纪80年代末，在进行长达4年的大规模应用试验和较深入的理论研究之后，总结出腐植酸在农业方面的五大功效，即改良土壤、增强肥效、增加产量、提高作物抗病力和改善品质[7]。近年来，随着环保意识的增强和绿色食品、有机食品的发展，包括生化腐植酸在内的绿色环保水溶肥备受关注。随着世界范围内农业科技的进步，水溶性腐植酸肥料的年需求增长率已远超普通产品。然而，多年来传统的碱液提取腐植酸技术会对土壤环境产生污染[8-9]，使得这项技术饱受质疑，从而制约了水溶性腐植酸肥料的推广。笔者认为，大力推广具有环保优势的水溶性腐植酸新技术迫在眉睫。

目前，我国水溶性腐植酸行业所采用的传统技术存在问题。国内外生产腐植酸类农用产品所需的水溶性腐植酸组分大多数需要烧碱提取，导致在产品中含有无用甚至有害的钠离子。由于钠不是农作物的营养元素，仅为了解决腐植酸的水溶性问题，钠离子连续、长期在土壤中的累积会对土壤环境带来不利影响。

1材料与方法

1.1试验材料

腐熟的糠醛渣（自产），自来水，高品质氢氧化钾（含量≥90%，内蒙古达泰丰化工有限公司）。

1.2 試验方法

1.2.1

生化腐植酸的提取。将腐熟的糠醛渣粉碎过80目筛，按一定的固液比（发酵糠醛渣与水的质量比）准确称量后置于1 000 ml烧杯中，加入一定质量的氢氧化钾，在一定的温度条件下搅拌反应一定时间，然后静置过夜，等反应物料分层后，收集含生化腐植酸的黑褐色上清液。将上述所得上清液用浓度10%硫酸调节pH为2.5，析出大量棕黑色沉淀，用布氏漏斗抽滤，收集沉淀物，然后用蒸馏水20 ml洗涤3次，最后将所得沉淀物置于105 ℃下烘干至恒重，称量。

1.2.2

生化腐植酸的检测方法和表征手段。利用容量法[10]按照NY 11062010含腐植酸水溶肥中规定测定

腐植酸含量；按照NYT 19762010水溶肥料有机质含量测定方法测定有机质含量；取提取的生化腐植酸，与KBr粉末混合、研磨、压片，用红外光谱仪测定，扫描范围4 000～400 cm-1，进行红外光谱谱图分析；利用氢氧化钡法和醋酸钙，测定生化腐植酸的总酸度、羧基和酚羟基。

2 结果与分析

2.1 氢氧化钾提取生化腐植酸

2.1.1

固液比（发酵糠醛渣与水的质量比）对生化腐植酸提取含量的影响。

在固液比分别为

1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10、1∶12，提取温度75 ℃的条件下反应2 h，测定生化腐植酸上清液的腐植酸含量。

从图1可以看出，生化腐植酸的提取含量先随着原料固液的增加而增加，然后降低。当固液比为1∶7时，经过碱提取后上清液中生化腐植酸含量达到最高，为8.5%；当固液比继续增大时，腐植酸含量反而逐渐降低。分析原因是增加液相介质水量会稀释碱的浓度，降低碱萃取糠醛渣中生化腐植酸的反应能力。因此，最佳的原料固液比为1∶7。

图1 固液比对生化腐植酸提取含量的影响

2.1.2

氢氧化钾溶液浓度对生化腐植酸提取反应的影响。

由于KOH溶液能够从发酵糠醛渣中提取出可溶性腐植酸盐、游离腐植酸和部分难溶的腐植酸盐，可以用不同浓度的KOH处理发酵糠醛渣，考察其对BHA提取效果的影响。在固液比为1∶7，提取温度为70 ℃，提取时间为1 h时，研究不同氢氧化钾浓度下生化腐植酸含量的变化。

从图2可以看出，生化腐植酸的提取含量先随着氢氧化钾浓度的增加而增加，然后过了最佳浓度值后其含量随之降低。当氢氧化钾浓度为6%时抽提效果最好，生化腐植酸的含量达到8.5%。因此，选择氢氧化钾浓度为6%提取发酵糠醛渣中腐植酸。

图2氢氧化钾对生化腐植酸提取含量的影响

2.1.3

提取时间对生化腐植酸提取反应的影响。在固液比为1∶7、氢氧化钾浓度为6%、提取温度为70 ℃时，研究不同提取时间下生化腐植酸含量的变化。

提取时间对BHA的提取是关键因素。如果提取时间过短，则会使BHA提取反应不完全，造成腐植酸上清液中的BHA含量低；相反，如果提取时间过长，则会影响BHA的性质，易造成BHA分解，降低BHA的提取含量和提取率。同时，延长提取时间，增加提取反应的单位能耗，增加生产成本。

从图3可以看出，当反应时间为60 min时，BHA含量达到最高。当提取时间低于60 min和高于60 min时，利用发酵糠醛渣提取BHA的含量低。分析其原因，是当提取反应时间短时，提取不充分；提取时间越长，碱的浓度消耗越多，造成BHA分解，使得所制备的腐植酸上清液中BHA含量低。

图3提取时间对生化腐植酸提取含量的影响

2.1.4

提取温度对生化腐植酸提取反应的影响。

在固液比为1∶7，氢氧化钾浓度为6%，反应时间为1 h时，研究不同提取温度下生化腐植酸含量的变化。

生化腐植酸是一种多活性基团的高分子物质。反应温度越高，分子运动速率越大，反应速率越快。但是，反应温度过高会使发酵糠醛渣中有机质分解，能耗随之增大。因此，设计合适的提取温度，不仅可适当加快反应速度，而且可减少生产成本。从图4可以看出，BHA含量随着提取温度的增加先迅速增大，过了最佳温度70 ℃后，BHA含量逐渐降低。所以，选择提取最佳温度为70 ℃。

图4提取温度对生化腐植酸提取含量的影响

2.2 生化腐植酸产品的物理性质

利用发酵糠醛渣碱液抽提的生化腐植酸产品，腐植酸的总酸度为10.687 mmol/g，酚羟基为6.238 mmol/g，羧基为4.792 mmol/g，腐植酸含量为88.4 g/L，有机质含量为104 g/L。这说明样品中因其分子中芳香环和脂肪链上的羧基以及羟基中存在可离解的氢离子使得生化腐植酸有酸度和交换容量，同时有机质含量也高。

2.3 红外光谱分析

利用FTIR，对BHA中官能团作定性分析。生化腐植酸的红外谱图见图5。BHA的红外特征吸收峰及其归属见表1。

图5利用发酵糠醛渣提取生化腐植酸的红外谱图

这些官能团在生化腐植酸分子中所处的化学环境各不相同，因而吸收峰的宽度各不一样。综合试验，同时根据相关资料研究，发现生化腐植酸中含羟基（-OH）、羧基（-COOH）、羰基（-C=O）等活性官能团。这些活性基团决定了BHA官能团渗透力强、水溶性好、耐酸碱及较高的吸附能力。因此，该工艺提取的物质从结构上可以肯定是生化腐植酸。

3 结论

近年来，腐植酸已被广泛应用于农业肥料的制备，一般都是从泥炭、风化煤中提取得到，而通过从发酵糠醛渣中提取腐植酸的研究很少。以发酵糠醛渣为原料，采用碱溶酸析法提取生化腐植酸，考察了固液比（糠醛渣与水的质量比）、碱液浓度、提取温度、提取时间对生化腐植酸含量的影响，并且通过红外光谱对其结构进行表征。结果表明，最佳的提取工艺条件为固液比1∶7、碱液浓度6%KOH、提取时间1 h、提取温度70 ℃，此时生化腐植酸含量为8.5%。红外光谱分析表明，提取得到的生化腐植酸和商品腐植酸结构相似，但是BHA官能团种类较多，分子量较小。该工艺生产操作简单，稳定可行，可用于提取生化腐植酸。同时，该试验对BHA的结构、性质和含量检测做了一定的研究。利用BHA开发制备腐植酸类新型肥料有很好的发展前景。

参考文献

[1]

李威，邹立壮，朱书全.近十年腐植酸应用研究所综述[J].腐植酸，2006，30（3）：3-8.

[2] 刘康德.腐植酸应用领域生产现状[J].精细与专用化学品，1999（1）：13-14.

[3] 张学才，张德祥.我国腐植酸资源及其工农业应用[J].中国煤炭，2000，26（12）：63-68.

[4] 牛育华，李仲谨，郝明德.腐植酸研究进展[J].安徽农业科学，2008，36（11）：4638-4639.

[5] 陈玉玲.腐植酸对植物生理活动的影响[J].植物学通报，2000，17（1）：64-72.

[6] 曾宪成，成绍鑫.腐植酸的主要类别[J].腐植酸，2002（2）：4-6.

[7] 白燕，陈淑云，赵红艳.泥炭腐植酸类液体肥的制备及应用研究[J].腐植酸，2002（3）：35-36.

[8] 李克斌.土壤中腐植酸的提取剂表征[J].陕西化工，1998（4）：20-23.

[9] 徐小方，张华.腐植酸的提取方法研究[J].山东煤炭科技，2009（5）：110-112.

[10] 李善祥.腐植酸产品分析及标准[M].北京：化学工业出版社，2007：49-51.