秸秆发酵生物腐植酸的制备及其性能测定

邱浩峰, 辅琳瑜, 安 鹏, 于建兴, 李加友

(嘉兴学院生物与化学工程学院，浙江嘉兴 314001)



秸秆发酵生物腐植酸的制备及其性能测定

邱浩峰, 辅琳瑜, 安 鹏, 于建兴, 李加友

(嘉兴学院生物与化学工程学院，浙江嘉兴 314001)

摘要[目的]利用秸秆发酵腐植酸，优化最佳提取工艺。[方法]利用高效秸秆降解菌株进行秸秆发酵，提取腐植酸，研究提取温度、提取时间、NaOH浓度及用量对腐植酸提取量的影响，优化最佳提取工艺，并测定提取得到的腐植酸pH、羧基、交换容量(CEC)等理化性质。[结果]在1 g发酵秸秆中加入40 mL 0.020 g/mL NaOH,于65 ℃下水浴2.0 h，可得到最大腐植酸提取量，为0.176 g。腐植酸中总酸性基为0.001 9 mol/g，总羧基为0.000 1 mol/g，交换容量(CEC)为0.003 9 mol/g；E465=0.175，E665=0.020，E4/E6=8.735，凝聚限度为0.006 4 mmol/L。[结论]经过单因素优化，腐植酸提取量增加。腐植酸是一种弱酸性物质，其羧基含量较低，交换容量较小，并具有一定凝聚性。

关键词秸秆；腐植酸；发酵；提取；理化性质检测

我国是农业大国[1]，作物秸秆资源丰富，但大部分秸秆尚未得到有效利用[2]。利用农业秸秆通过生物发酵技术生产生化腐植酸，可使秸秆废弃物得到有效利用。生化腐植酸生产原料易得，生产成本低，同时减少了环境污染，再加上其优良的理化性质[3]，在畜牧、种植、医药等行业都有举足轻重的地位及广阔的发展前景。目前，国内外多采用从煤炭中提取腐植酸[4]，该方法不仅受资源分布限制，且提取方法繁琐、复杂，易造成环境污染等。与煤炭(泥炭)腐植酸相比[5]，生化腐植酸的提取方式更清洁、环保[6]。生化腐植酸为高效、合理利用植物秸秆开辟了新出路，扩大了腐植酸的原料来源，更新了腐植酸的加工技术，为减少农业资源浪费及改善农业生态环境作出了贡献，而腐植酸应用面广、范围大，有广阔的发展空间[7]。笔者利用秸秆发酵生产腐植酸，优化了提取工艺，测定了腐植酸的理化性质，旨在为秸秆废弃物的高效利用提供借鉴。

1材料与方法

1.1试验材料原料：水稻秸秆，水稻秸秆经粉碎机粉碎，过0.5 mm筛，密封，室温保存，备用。试剂：0.10 mol/L NaOH标准溶液；0.10 mol/L盐酸标准溶液；0.10 mol/L BaCl2溶液；0.25 mol/L 醋酸钙溶液；95%乙醇，化学纯；0.05 mol/L NaHCO3溶液；0.1 mol/L CaCl2溶液。

发酵菌种：木霉1285。主要仪器和设备为MAS II 型常压微波辅助合成反应仪，上海新仪微波化学科技有限公司；电子天平FA1104N，上海精密科学仪器有限公司；冰箱JinsongBCD-B5，杭州金松优诺电器有限公司；全温空气摇床QYZ-211，上海福玛试验设备有限公司；真空干燥箱DZF-6050，上海精宏试验设备有限公司。

1.2试验方法

1.2.1秸秆发酵。称取200 g水稻秸秆于发酵桶中，加入60 mL助腐剂、540 mL水和0.2 g NH4NO3，充分搅拌，分装35罐，接种秸秆高效降解菌木霉1285，于28 ℃恒温箱中发酵培养，使菌种与秸秆充分接触，降解秸秆。培养28 d后，对发酵成熟的秸秆进行腐植酸的提取和测定。

1.2.2腐植酸的提取工艺。利用腐植酸的碱溶性对含有腐植酸的秸秆进行水浴碱提，使腐植酸溶于碱液中，然后进行提取分离。分别考察NaOH浓度和用量、提取温度、提取时间对腐植酸提取量的影响。

1.2.3腐植酸的性能测定。腐植酸和有机质含量、腐植酸含氧功能团、pH、交换容量(CEC)、E4/E6、凝聚限度等参数的测定参照《腐植酸产品分析及标准》[8]。

2结果与分析

2.1腐植酸的提取工艺优化

2.1.1标准曲线的绘制。根据不同浓度腐植酸测得相应吸光度，绘制标准曲线(图1)。从图1可见，腐植酸的吸光度随腐植酸浓度的增加而增大，腐植酸浓度与吸光度(A)复相关系数R2为0.992 6，直线回归方程为y(g/mL)=1.283 2x-0.264 0，说明其呈良好的线性关系。

图1　腐植酸的标准曲线Fig.1　Standard curve of humic acid

2.1.2NaOH浓度对腐植酸提取量的影响。在10 mL NaOH，温度70 ℃和提取1 h的条件下，考察NaOH浓度对腐植酸提取效果的影响。从图2可见，NaOH浓度为0.020 g/mL的提取效果最好，腐植酸含量达0.082 g，NaOH浓度为0.005～0.020 g/mL时，随着NaOH 浓度增加腐植酸提取量逐渐增大，当NaOH浓度大于0.020 g/mL时，腐植酸提取量下降。因此，NaOH的最适宜浓度为0.020 g/mL。

图2　NaOH浓度对腐植酸提取量的影响Fig.2　Effects of NaOH concentration on humic acid yield

2.1.3NaOH用量对腐植酸提取量的影响。从图3可见，当NaOH用量为10 mL时，单位体积NaOH溶液的提取效率最高，但腐植酸的提取量最低。随NaOH用量的增加，腐植酸的提取总量增加，当NaOH用量增加到40 mL时，腐植酸提取总量最高，为0.176 g。NaOH用量提升到50 mL后，腐植酸提取量不再增加。

图3　NaOH用量对提取腐植酸量的影响Fig.3　Effects of NaOH dosage on humic acid yield

2.1.4提取温度对腐植酸提取量的影响。在10 mL 0.020 g/mL NaOH，提取1 h的条件下，考察不同提取温度对腐植酸提取量的影响。从图4可见，提取温度为65 ℃时，腐植酸提取量最大，继续升高温度，腐植酸提取量反而降低。因此，65 ℃为腐植酸最适提取温度。

图4　提取温度对腐植酸提取量的影响Fig.4　Effects of extraction temperature on humic acid yield

2.1.5提取时间对腐植酸提取量的影响。在10 mL 0.020 g/mL NaOH,提取温度为65 ℃的条件下，考察不同提取时间对腐植酸提取量的影响。从图5可见，随着提取时间的延长，腐植酸提取量随之增大，当提取时间为2.0 h时，腐植酸提取量最大，达0.080 g以上，之后腐植酸提取量反而开始下降，2.5 h时降至最低，这可能是提取时间过长易造成腐植酸分解。

图5　提取时间对腐植酸提取量的影响Fig.5　Effects of extraction time on humic acid yield

2.2腐植酸的性能测定经测定，秸秆发酵制备的腐植酸中总酸性基为0.001 9 mol/g，总羧基为0.000 1 mol/g，其交换容量(CEC)为0.003 9 mol/g；E465=0.175，E665=0.020，E4/E6=8.735；凝聚限度为0.006 4 mmol/L。这说明腐植酸的芳香缩合度较低。

3结论

该研究通过对秸秆发酵腐植酸的单因素提取条件进行优化，结果表明：在1 g发酵秸秆中加入40 mL 0.020 g/mL NaOH溶液在65 ℃下水浴提取2 .0 h，可得到最大腐植酸提取量。在最优条件下，腐植酸提取量为0.176 g。这说明提取腐植酸的温度、时间以及NaOH浓度和用量对腐植酸提取量有一定影响。性能检测结果表明，腐植酸是一种弱酸性物质，其羧基含量较低，交换容量较小，具有一定凝聚性。因此，秸秆发酵生产腐植酸作为一种新的生产方式不仅解决了秸秆资源利用化问题，还解决了从有限资源煤炭中提取腐植酸的资源限制问题。随着研究的深入，发酵秸秆制备腐植酸类物质必将有更加广阔的应用前景。

参考文献

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[2] 彭靖.对我国农业废弃物资源化利用的思考[J].生态环境学报,2009,18(2)：794-798.

[3] 侯勇.秸秆发酵制取生化腐殖酸过程中的理化特性及微生物学特性研究[D].雅安：四川农业大学,2013:5-11.

[4] 李善祥.我国煤炭腐植酸资源及其利用[J].腐殖酸,2002(3)：84-90.

[5] 焦元刚,朱红,邹静,等.风化煤中黄腐酸的提取研究[J].化工时刊,2007(1)：30-32.

[6] 贾爱萍,赵冰,廖宗文.生化腐植酸的肥效及作用机理研究[J].腐殖酸,2005(2)：15-17.

[7] 李威,邹立壮,朱书全,等.近十年腐植酸应用研究综述[J].腐殖酸,2006(3)：3-8.

[8] 李善祥.腐植酸产品分析及标准[M].北京：化学工业出版社,2007：78,82,95-97.

基金项目浙江省科技计划项目(2016C32092)；嘉兴市科技计划项目(2015BZ23005)；浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划项目(2015R417036)。

作者简介邱浩峰(1994- )，男，浙江兰溪人，本科生，专业：生物工程。

收稿日期2016-04-15

中图分类号S 188+.4

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)15-094-02

Preparation and Characteristic Determination of Humic Acid from Fermented Rice Straw

QIU Hao-feng, FU Lin-yu, AN Peng et al

(College of Biological Chemical Sciences and Engineering, Jiaxing Unerversity, Jiaxing, Zhejiang 314001)

Abstract[Objective] By using straw fermentation of humic acid, the optimum technique conditions for extraction of humic acid were obtained.[Method] Humic acid was extracted from fermented rice straw by effective straw degradation strains.Effects of temperature, duration, dosage and concentration of NaOH on yield of humic acid were studied.The physicochemical properties of the extracted humic acid, such as pH, carboxyl and CEC were determined.[Result] In the water bath of 65 ℃, 1 g straw with 40 mL solution of 0.020 g/mL NaOH can get the maximum humic acid yield 0.176 g.The total acid base of humic acid was 0.001 9 mol/g, the total carboxyl group was 0.000 1 mol/g, and the exchange capacity (CEC) was 0.003 9 mol/g; E465=0.175, E665=0.02, E4/E6=8.735, condensation limit was 0.006 4 mmol/L.[Conclusion] Through single factor optimization, the yield of humic acid is increased.Humic acid is a weak acid material, its carboxyl group content is low, the exchange capacity is small, and has a certain cohesion.

Key wordsStraw; Humic acid; Fermentation; Extraction; Physicochemical properties detection