水溶性氨基酸的制备与螯合

刘顺强，付 璐

（连云港职业技术学院医药与化学工程学院，江苏 连云港 222006）

我国为畜禽养殖大国，畜禽的消费需求量巨大，但病死畜禽无害化产物的资源再利用及产业化的发展较慢。从卫生防疫角度考虑，病死畜禽的无害化处理，可以采用填埋法、焚烧法等处理方式[1-2]，但处理方式的技术含量偏低，生物质资源没有得到再利用。在国外，通常采用无害化处理，对病死畜禽进行资源再利用。处理后得到的氨基酸可广泛用于有机肥和动物饲料[3]。

病死畜禽富含大量的蛋白质，可通过酸解合成氨基酸[4-5]。酸解在密封条件下进行，散发到空气中的废气极少，不存在环境污染问题，可以真正达到在整个生产工艺过程中“零污染、零排放”的环保要求。

氨基酸可与 Zn、Mn、B、Mo、Fe、Cu等微量元素发生螯合[6-7]，氨基酸螯合物具有稳定性好、抵抗干扰、生物效价高、吸收率高等优点，可起到补充氨基酸和微量元素的双重作用。与其他氮肥相比，氨基酸螯合液具有改善土壤、肥效快、增强抗逆性、减少污染、提高产量等优势[8]。开发具有速效、缓释双重功效的氨基酸叶面肥料，不仅可以延长叶面肥料的肥效期，还可以减少叶面肥料的喷施次数，增加农民的经济效益[9]。氨基酸叶面肥在为螯合肥料生产找到廉价的螯合物来源的同时，也为病死畜禽的再利用找到了一条清洁、有效的途径，兼具生态效益、社会效益和经济效益，既净化了环境，又符合农业可持续发展的要求。

1 材料与试剂

1.1 材料

病死猪肉（江苏北斗星环保股份有限公司）。

1.2 试剂

98%浓硫酸，25%～28%氨水，硫酸锌，硫酸锰，EDTA-2Na，柠檬酸(均为工业级)。

2 实验与结果讨论

2.1 酸解制备水溶性氨基酸

将50g猪肉、一定量的浓硫酸和若干水混合后加入圆底烧瓶中，在加热套中105～110℃下酸解反应3～6h，得到油水分层的酸解液，上层白色为油脂，下层为氨基酸液。

首先考察硫酸的浓度对酸解的影响。冷却后用甲醛法测定酸解液中的氨基酸的氨态氮含量，结果见表1。从表1结果来看，在相同的酸解条件下，酸浓度越高，得到的氨基酸含量越高，酸解越完全。但从硫酸成本和后处理考虑，浓硫酸可以稀释到一个适中的浓度。一般来说，反应时间越长产率越高，但时间过长，产率的增加幅度逐步减缓，最后保持不变或略有降低。因此，选择肉∶硫酸∶水=50 g∶15 mL∶35 mL，微沸反应6 h，氨基酸的氨态氮含量较高。

表1 硫酸的浓度对酸解的影响

2.2 微量元素螯合

氨基酸可与 Zn、Fe、Cu、Mn、B、Mo 等微量元素发生螯合反应。本文选取可用于大多数作物的有代表性的Zn和Mn元素进行螯合。微量元素螯合的主要影响因素有温度、pH值、时间、螯合剂种类、搅拌速度、添加顺序、浓度等。

微量元素的螯合参考NY1429-2010的标准要求，微量元素总含量≥20g·L-1。本文中，Zn为10g·L-1，Mn为 10g·L-1，要求叶面肥水溶液不产生沉淀，以使微量元素充分螯合。

2.2.1 pH值影响

取100mL中和后的氨基酸液于250mL烧杯中，滴加氨水，至pH值为3.0～4.0，然后滴加锌锰混合溶液（0.465mol·L-1ZnSO4，0.552 mol·L-1MnSO4）。 溶液稍微不透明时停止滴加，考察不同pH值条件下，溶液保持澄清需消耗的微量元素的量，结果见表2。

表2 滴加Zn和Mn微量元素与pH值的关系

从表2可以看出，氨基酸液的pH值不能调得太高。虽然文献说pH=6～7是最容易螯合的，但考虑到氨基酸液成分的复杂性，应考虑把pH值调为4.5～5.0。因为pH越高，氨基酸的螯合率越高，但pH值也会影响Zn(OH)2和Mn(OH)2的沉淀系数，产生沉淀。

2.2.2 温度的影响

取100mL中和后的氨基酸液于250mL烧杯 中，加 入 4.43g的 ZnSO4·7H2O和 3.08g的MnSO4·H2O，室温（20～30℃）下搅拌溶解。在一定温度的水浴中滴加氨水，溶液稍浑浊时停止滴加，溶液冷却至室温时测定pH值。微量元素螯合的温度与氨基酸液pH值的关系见表3。

表3 微量元素螯合的温度与氨基酸液最高pH值的关系

从表3可以看出，温度越低，越容易得到更高pH值的溶液，这是我们需要的。从文献可知，单一氨基酸在螯合元素时，温度高时的螯合率高，而且表2中，不同温度下的pH值相差不大，因此我们分别在室温和高温等不同温度下进行了螯合反应。

在室温下反应澄清后，马上在70℃进行螯合，会产生沉淀现象；若在室温下反应澄清后静置过夜，则会得到颜色变深的澄清溶液。因此得出结论：先加氨水不如先加微量元素好，快速搅拌有助于螯合。

2.2.3 螯合剂的选择

氨基酸液中有多种氨基酸，但不是每种氨基酸都能和微量元素螯合。为了使微量元素能尽可能地螯合，保证氨基酸螯合液不产生沉淀，本文选择乙二胺四乙酸二钠和柠檬酸作为螯合剂进行实验。

加入不同比例的螯合剂，得到的溶液的pH值不一样。一般来说，螯合剂加入量越多，溶液pH值可以调得越大而不浑浊。考虑到EDTA-2Na的价格为1.3万人民币·t-1，柠檬酸为0.4万人民币·t-1，柠檬酸远远便宜于EDTA-2Na，因此选用工业级柠檬酸作为螯合剂。

从以上实验结果，可以确定优化的螯合步骤：取100mL中和后的氨基酸液于250mL烧杯中，加热到70℃，加入 4.43g的ZnSO4·7H2O和 3.08g的MnSO4·H2O，然后加入1g柠檬酸，在室温（20～30℃）下搅拌溶解，在一定温度的水浴中滴加氨水（30%），调节溶液 pH=4.5～5.5，继续搅拌反应 1～2h，溶液澄清，螯合完成。

3 结论

本文利用硫酸酸解工艺，将病死畜禽的蛋白质成分制备成水溶性氨基酸。通过优化酸解条件，选择肉∶硫酸∶水=50 g∶15 mL∶35 mL，微沸反应6 h，制备得到的氨基酸液中的氨态氮含量较高。用制得的氨基酸液与Zn、Mn螯合，在室温(20～30℃)、pH=4.5～5.5、选择柠檬酸为螯合剂的条件下，螯合效