发酵海藻渣提取生物腐植酸的研究

赵建亮 王玉珏 赵新巍

1 青岛苏贝尔作物营养有限公司 青岛 266000

2 阿道姆（青岛）肥料有限公司 青岛 266000

腐植酸是一种自然界中广泛存在的复杂大分子有机物，其结构为具有羟基、羧基等极性基团的芳环或稠环化合物。由于其结构的复杂性与巨大的储量，在农、林、石化、环保等领域有广泛的应用[1]。按照来源的不同可将腐植酸分为天然腐植酸与人工腐植酸两大类。前者主要是从褐煤、风化煤、泥炭等原料中活化提取得到[2，3]。生物腐植酸是指通过化学或微生物发酵的方法从造纸黑液、糖蜜、作物秸秆等工农业废弃物中制备提取的，属于人工腐植酸[4～6]。海藻渣是海藻加工产业的废弃物，藻渣中含有许多对植物生长有益的活性物质或营养物质，如有机质、海藻酸、氨基酸、蛋白质及多种矿质养分元素等，经发酵后提取出的生物腐植酸可作为生物刺激素利用，也可与水溶肥搭配使用。本文以海藻生产排放的废弃物海藻渣为原料，经微生物发酵[7，8]的方法得到含有生物腐植酸的发酵海藻渣，并通过对工艺条件的研究确定了最优提取工艺参数，意在为海藻渣的处理利用提供思路。

1 实验部分

1.1 主要原料

发酵海藻渣（通过微生物发酵后压滤剩余的残渣），自产；浓硫酸，分析纯，烟台三和化学试剂有限公司；氢氧化钾，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硫酸亚铁铵，分析纯，天津富宇精细化工有限公司。试验所用发酵海藻渣检测指标：外观颜色浅褐色，无恶臭；腐植酸含量24.8%，pH 6.8，含水率31.6%。

1.2 主要仪器

恒温电热水浴锅，HH-6，金坛市晶玻实验仪器厂；台式高速离心机，TG16-WS，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9401，山东德瑞克仪器有限公司；磁力搅拌机，DF-101S，扬州正艺试验机械有限公司。

1.3 生物腐植酸的提取

将发酵过的海藻渣按一定的固液比加入烧杯中（固液用量合计300 g），并在温度较低时加入一定用量的氢氧化钾，以防止温度升高后加入氢氧化钾导致爆沸[9，10]。开启搅拌，并在达到一定反应温度后持续搅拌提取一段时间。然后倒出，用高速离心机以10000 r/min的转速离心10 min，以使反应后剩余的固体残渣与上清液完全分离[11，12]。

将上述离心得到的上清液倒入烧杯中，加入一定量的稀硫酸调节pH 至1.0 附近，静置2～3 h。静置完毕后使用布式漏斗抽滤即可得到析出的棕褐色沉淀，并使用pH 为1.0的稀硫酸冲洗2～3 次，洗去表面沾附的杂质。将过滤得到的沉淀置于烘箱中70 ℃烘干，即可得到经过分离纯化的发酵海藻渣制备的生物腐植酸。

通过控制变量法，研究不同提取温度（40～120 ℃）、固液比[1/12～1/6（g/g）]、氢氧化钾用量（4～12 g）、提取时间（0.5～2.5 h）对生物腐植酸提取含量的影响，以确定最优提取工艺参数。

1.4 测试及表征

1.4.1 生物腐植酸的含量测定

生物腐植酸的含量测定按照标准《餐厨废弃物生产肥料中生物腐植酸含量测定方法》（HG/T 5603-2019）测定。

1.4.2 红外光谱表征

红外光谱（FT-IR）分析使用美国尼高力仪器公司制造的Avatar-360 型的傅里叶红外光谱仪，将制得的产物与KBr 均匀混合并压片后进行测试，波数范围在4000～450 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 FT-IR 表征

图1 为发酵海藻渣中提取的生物腐植酸的FTIR 谱图。3425 cm-1为-OH的伸缩振动峰；1621 cm-1为芳环共轭C=C 或-COO-的对称伸展振动峰；1384 cm-1为-OH的变形振动峰；1120 cm-1为仲醇的拉伸振动峰。这四处振动峰表明生物腐植酸的中含有芳环结构、羟基、羧基等含氧基团，且该图谱与典型腐植酸谱图[13]接近。

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

2.2 提取温度对生物腐植酸含量的影响

图2 为提取温度对生物腐植酸含量的影响。实验结果表明，固液比设定1/8（g/g）、氢氧化钾用量设定6 g/300 g，提取时间设定1.5 h。随着提取温度的升高，发酵海藻渣中生物腐植酸含量呈现出先升高后降低的反应趋势。提取温度较低时，反应进行的不够彻底，还有一部分生物腐植酸未被提取出来，残留在离心出来的固体残渣中。当提取温度超过80 ℃时，生物腐植酸发生部分分解导致含量有所下降。同时，由于提取温度升高导致氢氧化钾在加入时很容易爆沸而发生危险。综上所述，出于对安全与含量的考虑，选择提取温度为80 ℃。

图2 提取温度对生物腐植酸含量的影响Fig.2 Effects of extraction temperature on the content of biological humic acid

2.3 固液比对生物腐植酸含量的影响

图3 为固液比对生物腐植酸含量的影响。实验结果表明，提取温度设定80 ℃、氢氧化钾用量设定6 g/300 g，提取时间设定1.5 h。随着固液比的升高，发酵海藻渣中生物腐植酸含量呈现出先升高后降低的反应趋势。这主要是由于固液比较低时，发酵海藻渣在原料中的占比较少，可提取的腐植酸含量较低。同样的氢氧化钾用量下能提取的生物腐植酸的含量较少，因此随着固液比的升高，发酵海藻渣中生物腐植酸含量也逐渐升高。当固液比超过1/8（g/g）后，由于发酵海藻渣占比过多，导致反应体系的黏度迅速升高，搅拌困难，传热效率下降，同时难以通过离心彻底地分离反应残渣与上清液，从而导致发酵海藻渣中生物腐植酸含量明显下降。综上所述，出于对发酵海藻渣中生物腐植酸含量与产品易于分离提纯的考虑，选择固液比为1/8（g/g）进行后续试验。

图3 固液比对生物腐植酸含量的影响Fig.3 Effects of solid liquid ratio on the content of biological humic acid

2.4 氢氧化钾用量对生物腐植酸含量的影响

图4为氢氧化钾用量对生物腐植酸含量的影响。实验结果表明，固液比设定1/8（g/g）、提取温度设定80 ℃，提取时间设定1.5 h。随着氢氧化钾用量的增加，发酵海藻渣中生物腐植酸含量呈现先迅速增加而后增速放缓的趋势。这是由于氢氧化钾用量较低时无法将发酵海藻渣中的生物腐植酸完全提取出来。同时由于海藻渣经过发酵会产生一定量的有机酸从而进一步消耗氢氧化钾，使发酵海藻渣中的生物腐植酸无法完全提取出来，因此发酵海藻渣中生物腐植酸含量会随氢氧化钾用量的提高迅速升高。当氢氧化钾用量超过8 g/300 g 后，由于反应接近完全，此时再提高碱用量对提高发酵海藻渣中生物腐植酸含量作用并不明显，并且由于氢氧化钾的加入量变多，反应体系更容易发生爆沸。综合考虑，选择氢氧化钾用量为8 g/300 g 为最佳反应条件。

图4 氢氧化钾用量对生物腐植酸含量的影响Fig.4 Effects of KOH dosage on the content of biological humic acid

2.5 提取时间对生物腐植酸含量的影响

图5 为提取时间对生物腐植酸含量的影响。实验结果表明，固液比设定1/8（g/g）、氢氧化钾用量设定8 g/300 g，提取温度设定80 ℃。随着提取时间的增长，发酵海藻渣中生物腐植酸含量呈现出先增加，然后增速放缓的趋势。这主要是由于提取时间较短时，发酵海藻渣中的生物腐植酸并未完全提取出来。因此，随着提取时间的延长，发酵海藻渣中生物腐植酸的含量迅速提高。当提取时间超过2.0 h 后，发酵海藻渣中生物腐植酸含量增速放缓，综合考虑提取效率和时间成本，选择提取时间为2.0 h 为最佳反应条件。

图5 提取时间对生物腐植酸含量的影响Fig.5 Effects of extraction time on the content of biological humic acid

3 结论

通过对从发酵废弃海藻渣中提取的生物腐植酸进行红外光谱分析，所提取的生物腐植酸分子含有芳环结构和羟基、羧基等含极性氧基团，谱图与腐植酸经典谱图相似，初步判定所提取物为生物腐植酸。通过控制其他变量，研究不同提取温度、固液比、氢氧化钾用量、提取时间对生物腐植酸提取含量的影响，最后确定最优的提取条件为：提取温度80 ℃，固液比1/8（g/g），氢氧化钾用量8 g/300 g，提取时间2.0 h，所得生物腐植酸含量为37.5%。