發酵海藻渣提取生物腐植酸的研究

趙建亮 王玉玨 趙新巍

1 青島蘇貝爾作物營養有限公司 青島 266000

2 阿道姆（青島）肥料有限公司 青島 266000

腐植酸是一種自然界中廣泛存在的復雜大分子有機物，其結構為具有羥基、羧基等極性基團的芳環或稠環化合物。由于其結構的復雜性與巨大的儲量，在農、林、石化、環保等領域有廣泛的應用[1]。按照來源的不同可將腐植酸分為天然腐植酸與人工腐植酸兩大類。前者主要是從褐煤、風化煤、泥炭等原料中活化提取得到[2，3]。生物腐植酸是指通過化學或微生物發酵的方法從造紙黑液、糖蜜、作物秸稈等工農業廢棄物中制備提取的，屬于人工腐植酸[4～6]。海藻渣是海藻加工產業的廢棄物，藻渣中含有許多對植物生長有益的活性物質或營養物質，如有機質、海藻酸、氨基酸、蛋白質及多種礦質養分元素等，經發酵后提取出的生物腐植酸可作為生物刺激素利用，也可與水溶肥搭配使用。本文以海藻生產排放的廢棄物海藻渣為原料，經微生物發酵[7，8]的方法得到含有生物腐植酸的發酵海藻渣，并通過對工藝條件的研究確定了最優提取工藝參數，意在為海藻渣的處理利用提供思路。

1 實驗部分

1.1 主要原料

發酵海藻渣（通過微生物發酵后壓濾剩余的殘渣），自產；濃硫酸，分析純，煙臺三和化學試劑有限公司；氫氧化鉀，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硫酸亞鐵銨，分析純，天津富宇精細化工有限公司。試驗所用發酵海藻渣檢測指標：外觀顏色淺褐色，無惡臭；腐植酸含量24.8%，pH 6.8，含水率31.6%。

1.2 主要儀器

恒溫電熱水浴鍋，HH-6，金壇市晶玻實驗儀器廠；臺式高速離心機，TG16-WS，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱，DHG-9401，山東德瑞克儀器有限公司；磁力攪拌機，DF-101S，揚州正藝試驗機械有限公司。

1.3 生物腐植酸的提取

將發酵過的海藻渣按一定的固液比加入燒杯中（固液用量合計300 g），并在溫度較低時加入一定用量的氫氧化鉀，以防止溫度升高后加入氫氧化鉀導致爆沸[9，10]。開啟攪拌，并在達到一定反應溫度后持續攪拌提取一段時間。然后倒出，用高速離心機以10000 r/min的轉速離心10 min，以使反應后剩余的固體殘渣與上清液完全分離[11，12]。

將上述離心得到的上清液倒入燒杯中，加入一定量的稀硫酸調節pH 至1.0 附近，靜置2～3 h。靜置完畢后使用布式漏斗抽濾即可得到析出的棕褐色沉淀，并使用pH 為1.0的稀硫酸沖洗2～3 次，洗去表面沾附的雜質。將過濾得到的沉淀置于烘箱中70 ℃烘干，即可得到經過分離純化的發酵海藻渣制備的生物腐植酸。

通過控制變量法，研究不同提取溫度（40～120 ℃）、固液比[1/12～1/6（g/g）]、氫氧化鉀用量（4～12 g）、提取時間（0.5～2.5 h）對生物腐植酸提取含量的影響，以確定最優提取工藝參數。

1.4 測試及表征

1.4.1 生物腐植酸的含量測定

生物腐植酸的含量測定按照標準《餐廚廢棄物生產肥料中生物腐植酸含量測定方法》（HG/T 5603-2019）測定。

1.4.2 紅外光譜表征

紅外光譜（FT-IR）分析使用美國尼高力儀器公司制造的Avatar-360 型的傅里葉紅外光譜儀，將制得的產物與KBr 均勻混合并壓片后進行測試，波數范圍在4000～450 cm-1。

2 結果與討論

2.1 FT-IR 表征

圖1 為發酵海藻渣中提取的生物腐植酸的FTIR 譜圖。3425 cm-1為-OH的伸縮振動峰；1621 cm-1為芳環共軛C=C 或-COO-的對稱伸展振動峰；1384 cm-1為-OH的變形振動峰；1120 cm-1為仲醇的拉伸振動峰。這四處振動峰表明生物腐植酸的中含有芳環結構、羥基、羧基等含氧基團，且該圖譜與典型腐植酸譜圖[13]接近。

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

2.2 提取溫度對生物腐植酸含量的影響

圖2 為提取溫度對生物腐植酸含量的影響。實驗結果表明，固液比設定1/8（g/g）、氫氧化鉀用量設定6 g/300 g，提取時間設定1.5 h。隨著提取溫度的升高，發酵海藻渣中生物腐植酸含量呈現出先升高后降低的反應趨勢。提取溫度較低時，反應進行的不夠徹底，還有一部分生物腐植酸未被提取出來，殘留在離心出來的固體殘渣中。當提取溫度超過80 ℃時，生物腐植酸發生部分分解導致含量有所下降。同時，由于提取溫度升高導致氫氧化鉀在加入時很容易爆沸而發生危險。綜上所述，出于對安全與含量的考慮，選擇提取溫度為80 ℃。

圖2 提取溫度對生物腐植酸含量的影響Fig.2 Effects of extraction temperature on the content of biological humic acid

2.3 固液比對生物腐植酸含量的影響

圖3 為固液比對生物腐植酸含量的影響。實驗結果表明，提取溫度設定80 ℃、氫氧化鉀用量設定6 g/300 g，提取時間設定1.5 h。隨著固液比的升高，發酵海藻渣中生物腐植酸含量呈現出先升高后降低的反應趨勢。這主要是由于固液比較低時，發酵海藻渣在原料中的占比較少，可提取的腐植酸含量較低。同樣的氫氧化鉀用量下能提取的生物腐植酸的含量較少，因此隨著固液比的升高，發酵海藻渣中生物腐植酸含量也逐漸升高。當固液比超過1/8（g/g）后，由于發酵海藻渣占比過多，導致反應體系的黏度迅速升高，攪拌困難，傳熱效率下降，同時難以通過離心徹底地分離反應殘渣與上清液，從而導致發酵海藻渣中生物腐植酸含量明顯下降。綜上所述，出于對發酵海藻渣中生物腐植酸含量與產品易于分離提純的考慮，選擇固液比為1/8（g/g）進行后續試驗。

圖3 固液比對生物腐植酸含量的影響Fig.3 Effects of solid liquid ratio on the content of biological humic acid

2.4 氫氧化鉀用量對生物腐植酸含量的影響

圖4為氫氧化鉀用量對生物腐植酸含量的影響。實驗結果表明，固液比設定1/8（g/g）、提取溫度設定80 ℃，提取時間設定1.5 h。隨著氫氧化鉀用量的增加，發酵海藻渣中生物腐植酸含量呈現先迅速增加而后增速放緩的趨勢。這是由于氫氧化鉀用量較低時無法將發酵海藻渣中的生物腐植酸完全提取出來。同時由于海藻渣經過發酵會產生一定量的有機酸從而進一步消耗氫氧化鉀，使發酵海藻渣中的生物腐植酸無法完全提取出來，因此發酵海藻渣中生物腐植酸含量會隨氫氧化鉀用量的提高迅速升高。當氫氧化鉀用量超過8 g/300 g 后，由于反應接近完全，此時再提高堿用量對提高發酵海藻渣中生物腐植酸含量作用并不明顯，并且由于氫氧化鉀的加入量變多，反應體系更容易發生爆沸。綜合考慮，選擇氫氧化鉀用量為8 g/300 g 為最佳反應條件。

圖4 氫氧化鉀用量對生物腐植酸含量的影響Fig.4 Effects of KOH dosage on the content of biological humic acid

2.5 提取時間對生物腐植酸含量的影響

圖5 為提取時間對生物腐植酸含量的影響。實驗結果表明，固液比設定1/8（g/g）、氫氧化鉀用量設定8 g/300 g，提取溫度設定80 ℃。隨著提取時間的增長，發酵海藻渣中生物腐植酸含量呈現出先增加，然后增速放緩的趨勢。這主要是由于提取時間較短時，發酵海藻渣中的生物腐植酸并未完全提取出來。因此，隨著提取時間的延長，發酵海藻渣中生物腐植酸的含量迅速提高。當提取時間超過2.0 h 后，發酵海藻渣中生物腐植酸含量增速放緩，綜合考慮提取效率和時間成本，選擇提取時間為2.0 h 為最佳反應條件。

圖5 提取時間對生物腐植酸含量的影響Fig.5 Effects of extraction time on the content of biological humic acid

3 結論

通過對從發酵廢棄海藻渣中提取的生物腐植酸進行紅外光譜分析，所提取的生物腐植酸分子含有芳環結構和羥基、羧基等含極性氧基團，譜圖與腐植酸經典譜圖相似，初步判定所提取物為生物腐植酸。通過控制其他變量，研究不同提取溫度、固液比、氫氧化鉀用量、提取時間對生物腐植酸提取含量的影響，最后確定最優的提取條件為：提取溫度80 ℃，固液比1/8（g/g），氫氧化鉀用量8 g/300 g，提取時間2.0 h，所得生物腐植酸含量為37.5%。