秸稈發酵生物腐植酸的制備及其性能測定

邱浩峰, 輔琳瑜, 安 鵬, 于建興, 李加友

(嘉興學院生物與化學工程學院，浙江嘉興 314001)

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秸稈發酵生物腐植酸的制備及其性能測定

邱浩峰, 輔琳瑜, 安 鵬, 于建興, 李加友

(嘉興學院生物與化學工程學院，浙江嘉興 314001)

摘要[目的]利用秸稈發酵腐植酸，優化最佳提取工藝。[方法]利用高效秸稈降解菌株進行秸稈發酵，提取腐植酸，研究提取溫度、提取時間、NaOH濃度及用量對腐植酸提取量的影響，優化最佳提取工藝，并測定提取得到的腐植酸pH、羧基、交換容量(CEC)等理化性質。[結果]在1 g發酵秸稈中加入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，為0.176 g。腐植酸中總酸性基為0.001 9 mol/g，總羧基為0.000 1 mol/g，交換容量(CEC)為0.003 9 mol/g；E465=0.175，E665=0.020，E4/E6=8.735，凝聚限度為0.006 4 mmol/L。[結論]經過單因素優化，腐植酸提取量增加。腐植酸是一種弱酸性物質，其羧基含量較低，交換容量較小，并具有一定凝聚性。

關鍵詞秸稈；腐植酸；發酵；提??；理化性質檢測

我國是農業大國[1]，作物秸稈資源豐富，但大部分秸稈尚未得到有效利用[2]。利用農業秸稈通過生物發酵技術生產生化腐植酸，可使秸稈廢棄物得到有效利用。生化腐植酸生產原料易得，生產成本低，同時減少了環境污染，再加上其優良的理化性質[3]，在畜牧、種植、醫藥等行業都有舉足輕重的地位及廣闊的發展前景。目前，國內外多采用從煤炭中提取腐植酸[4]，該方法不僅受資源分布限制，且提取方法繁瑣、復雜，易造成環境污染等。與煤炭(泥炭)腐植酸相比[5]，生化腐植酸的提取方式更清潔、環保[6]。生化腐植酸為高效、合理利用植物秸稈開辟了新出路，擴大了腐植酸的原料來源，更新了腐植酸的加工技術，為減少農業資源浪費及改善農業生態環境作出了貢獻，而腐植酸應用面廣、范圍大，有廣闊的發展空間[7]。筆者利用秸稈發酵生產腐植酸，優化了提取工藝，測定了腐植酸的理化性質，旨在為秸稈廢棄物的高效利用提供借鑒。

1材料與方法

1.1試驗材料原料：水稻秸稈，水稻秸稈經粉碎機粉碎，過0.5 mm篩，密封，室溫保存，備用。試劑：0.10 mol/L NaOH標準溶液；0.10 mol/L鹽酸標準溶液；0.10 mol/L BaCl2溶液；0.25 mol/L 醋酸鈣溶液；95%乙醇，化學純；0.05 mol/L NaHCO3溶液；0.1 mol/L CaCl2溶液。

發酵菌種：木霉1285。主要儀器和設備為MAS II 型常壓微波輔助合成反應儀，上海新儀微波化學科技有限公司；電子天平FA1104N，上海精密科學儀器有限公司；冰箱JinsongBCD-B5，杭州金松優諾電器有限公司；全溫空氣搖床QYZ-211，上海?，斣囼炘O備有限公司；真空干燥箱DZF-6050，上海精宏試驗設備有限公司。

1.2試驗方法

1.2.1秸稈發酵。稱取200 g水稻秸稈于發酵桶中，加入60 mL助腐劑、540 mL水和0.2 g NH4NO3，充分攪拌，分裝35罐，接種秸稈高效降解菌木霉1285，于28 ℃恒溫箱中發酵培養，使菌種與秸稈充分接觸，降解秸稈。培養28 d后，對發酵成熟的秸稈進行腐植酸的提取和測定。

1.2.2腐植酸的提取工藝。利用腐植酸的堿溶性對含有腐植酸的秸稈進行水浴堿提，使腐植酸溶于堿液中，然后進行提取分離。分別考察NaOH濃度和用量、提取溫度、提取時間對腐植酸提取量的影響。

1.2.3腐植酸的性能測定。腐植酸和有機質含量、腐植酸含氧功能團、pH、交換容量(CEC)、E4/E6、凝聚限度等參數的測定參照《腐植酸產品分析及標準》[8]。

2結果與分析

2.1腐植酸的提取工藝優化

2.1.1標準曲線的繪制。根據不同濃度腐植酸測得相應吸光度，繪制標準曲線(圖1)。從圖1可見，腐植酸的吸光度隨腐植酸濃度的增加而增大，腐植酸濃度與吸光度(A)復相關系數R2為0.992 6，直線回歸方程為y(g/mL)=1.283 2x-0.264 0，說明其呈良好的線性關系。

圖1　腐植酸的標準曲線Fig.1　Standard curve of humic acid

2.1.2NaOH濃度對腐植酸提取量的影響。在10 mL NaOH，溫度70 ℃和提取1 h的條件下，考察NaOH濃度對腐植酸提取效果的影響。從圖2可見，NaOH濃度為0.020 g/mL的提取效果最好，腐植酸含量達0.082 g，NaOH濃度為0.005～0.020 g/mL時，隨著NaOH 濃度增加腐植酸提取量逐漸增大，當NaOH濃度大于0.020 g/mL時，腐植酸提取量下降。因此，NaOH的最適宜濃度為0.020 g/mL。

圖2　NaOH濃度對腐植酸提取量的影響Fig.2　Effects of NaOH concentration on humic acid yield

2.1.3NaOH用量對腐植酸提取量的影響。從圖3可見，當NaOH用量為10 mL時，單位體積NaOH溶液的提取效率最高，但腐植酸的提取量最低。隨NaOH用量的增加，腐植酸的提取總量增加，當NaOH用量增加到40 mL時，腐植酸提取總量最高，為0.176 g。NaOH用量提升到50 mL后，腐植酸提取量不再增加。

圖3　NaOH用量對提取腐植酸量的影響Fig.3　Effects of NaOH dosage on humic acid yield

2.1.4提取溫度對腐植酸提取量的影響。在10 mL 0.020 g/mL NaOH，提取1 h的條件下，考察不同提取溫度對腐植酸提取量的影響。從圖4可見，提取溫度為65 ℃時，腐植酸提取量最大，繼續升高溫度，腐植酸提取量反而降低。因此，65 ℃為腐植酸最適提取溫度。

圖4　提取溫度對腐植酸提取量的影響Fig.4　Effects of extraction temperature on humic acid yield

2.1.5提取時間對腐植酸提取量的影響。在10 mL 0.020 g/mL NaOH,提取溫度為65 ℃的條件下，考察不同提取時間對腐植酸提取量的影響。從圖5可見，隨著提取時間的延長，腐植酸提取量隨之增大，當提取時間為2.0 h時，腐植酸提取量最大，達0.080 g以上，之后腐植酸提取量反而開始下降，2.5 h時降至最低，這可能是提取時間過長易造成腐植酸分解。

圖5　提取時間對腐植酸提取量的影響Fig.5　Effects of extraction time on humic acid yield

2.2腐植酸的性能測定經測定，秸稈發酵制備的腐植酸中總酸性基為0.001 9 mol/g，總羧基為0.000 1 mol/g，其交換容量(CEC)為0.003 9 mol/g；E465=0.175，E665=0.020，E4/E6=8.735；凝聚限度為0.006 4 mmol/L。這說明腐植酸的芳香縮合度較低。

3結論

該研究通過對秸稈發酵腐植酸的單因素提取條件進行優化，結果表明：在1 g發酵秸稈中加入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。在最優條件下，腐植酸提取量為0.176 g。這說明提取腐植酸的溫度、時間以及NaOH濃度和用量對腐植酸提取量有一定影響。性能檢測結果表明，腐植酸是一種弱酸性物質，其羧基含量較低，交換容量較小，具有一定凝聚性。因此，秸稈發酵生產腐植酸作為一種新的生產方式不僅解決了秸稈資源利用化問題，還解決了從有限資源煤炭中提取腐植酸的資源限制問題。隨著研究的深入，發酵秸稈制備腐植酸類物質必將有更加廣闊的應用前景。

參考文獻

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[3] 侯勇.秸稈發酵制取生化腐殖酸過程中的理化特性及微生物學特性研究[D].雅安：四川農業大學,2013:5-11.

[4] 李善祥.我國煤炭腐植酸資源及其利用[J].腐殖酸,2002(3)：84-90.

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[8] 李善祥.腐植酸產品分析及標準[M].北京：化學工業出版社,2007：78,82,95-97.

基金項目浙江省科技計劃項目(2016C32092)；嘉興市科技計劃項目(2015BZ23005)；浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃項目(2015R417036)。

作者簡介邱浩峰(1994- )，男，浙江蘭溪人，本科生，專業：生物工程。

收稿日期2016-04-15

中圖分類號S 188+.4

文獻標識碼A

文章編號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