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摘要 [目的]考察发酵糠醛渣中生化腐植酸的最佳工艺条件。[方法]以发酵糠醛渣为原料，采用碱提酸析法提取生化腐植酸（BHA）。通过4因素4水平正交试验，考察固液比（发酵糠醛渣与水的质量比）、碱液浓度、提取温度、提取时间对生化腐植酸提取率的影响，再利用盐酸调节提取液的pH，使生化腐植酸沉淀析出，固液分离烘干后得到成品生化腐植酸。[结果]最佳的腐植酸提取工艺条件为碱提步骤固液比1∶8，碱液浓度 8%，提取时间为2.5 h，提取温度为70 ℃，酸析步骤pH为2.5。得到腐植酸含量为76%的固体生化腐植酸成品，其提取率为49%。[结论]该研究可为糠醛渣废弃物的开发提供科学依据。
关键词 生化腐植酸；碱提酸析法；正交实验；发酵糠醛渣
中图分类号 TQ920.6 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）21-086-02
Abstract [Objective] To investigate the optimal extraction technology of biochemical humic acids （BHAs） from fermented furfural residue. [Method] With fermented furfural residue as the raw materials， BHAs was extracted by alkali-dissolution and acidification method. Four-factor and four-level orthogonal test was used to investigate the effects of solid-liquid ratio （mass ratio of fermented furfural residue to water）， alkali concentration， extraction temperature and extraction time on the extraction rate of BHAs. Then， pH value of extracting solution was regulated by hydrochloric acid， in order to precipitate BHAs from its extracts. Through the solid-liquid separation and drying， solid BHAs were obtained. Results showed that the optimal extracting conditions were as follows：1∶8 solid-liquid ratio， 8% alkali concentration， 70 ℃ extracting temperature， 2.5 h extracting time， and pH 2.5 during alkali dissolution. Under these conditions， solid BHAs containing 76% humic acid content was obtained， and its extraction rate was 49%. [Conclusion] This research provides scientific basis for the development of fermented furfural residue.
Key words Biochemical humic acid； Alkali-dissolution and acidification； Orthogonal test； Fermented furfural residue
腐植酸是自然界中广泛存在的大分子有机物质，基本结构是芳环和脂环，环上连有羧基、羟基、羰基、醌基、甲氧基等官能团[1]。作为有机物原料，被广泛应用于农、林、牧、石油、化工、建材、医药、卫生、环保等领域。尤其是在农业方面，与氮、磷、钾等元素结合制成的腐植酸类肥料具有增强肥效、改良土壤、刺激作物生长、提高作物抗病力、改善农产品质量等功能，并且越来越受重视[2]。
腐植酸按照其来源可分为天然腐植酸和人造腐植酸。天然腐植酸一般都是从泥炭、风化煤中提取得到[3-6]。生化腐植酸（Biotechnology Humic Acid，BHA）是以工农业有机废物为原料，通过特殊的生化工艺生产富含黄腐酸的产品，可利用的工农业废物主要有农作物秸秆、禽畜粪便、食品加工废液、造纸黑液、园林废弃物等。因此，BHA是一种“人造腐植酸”，是腐植酸的新来源。
笔者以糠醛生产排放的废弃物糠醛渣为原料，经过微生物好氧发酵，得到含BHA的发酵糠醛渣[7-9]，并研究了从发酵糠醛渣中分离提纯BHA的最优工艺，旨在为废弃糠醛的合理利用提供借鉴。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试原料为发酵糠醛渣（自产）、氢氧化钾（分析纯）、水、盐酸（分析纯）。
发酵糠醛渣技術指标：外观颜色呈浅褐色，松软无黏块，无恶臭；腐植酸含量大于20%，pH 5.5～7.0，含水率小于35%。试验所用发酵糠醛渣检测指标为腐植酸含量23.92%，pH 6.81，含水率25.97%。
供试仪器为DF-101S集热式恒温加热水浴锅，JJ-1型增力电动搅拌器，DT5-6A低速台式离心机，恒温振荡水浴锅，循环水式多用真空泵，布氏漏斗，电子秤（0.01 g），万分天平，玻璃烧杯（1 000、250 mL），水银温度计（0～200 ℃）等。
1.2 试验设计
碱提试验中影响生化腐植酸提取的因素有固液比（发酵糠醛渣与水的质量比）、碱液（KOH）浓度、提取温度、提取时间。根据影响因素设计了4因素4水平的正交试验，研究影响糠醛渣中生化腐植酸提取的最佳条件。试验设计见表1。 酸析（固体生化腐植酸的制备）中影响固体腐植酸提取率的主要因素为调酸pH和提取时间。试验设计pH为5.5、4.5、3.5、2.5、1.5，研究不同pH对固体生化腐植酸沉淀量和提取率的影响。
1.3 生化腐植酸的提取方法
1.3.1 碱提（生化腐植酸提取液的制备）。
将腐熟的糠醛渣粉碎过1 mm筛，按一定的固液比（发酵糠醛渣与水的质量比）准确称量后置于1 000 mL烧杯中，加入一定质量的氢氧化钾，在一定的温度条件下搅拌反应一定时间。然后静置过夜，等反应物料分层后，用离心机对烧杯内物料进行离心分离（转速3 000 r/min，离心10 min）。收集含生化腐植酸的黑褐色提取液。将生化腐植酸提取液准确称量，检测腐植酸提取液中生化腐植酸含量，计算碱提步骤中生化腐植酸提取率（ω1）。
ω1=m2×n2m1×n1×100%
式中，
ω1为生化腐植酸提取率，%；m1为发酵糠醛渣质量，g；n1为发酵糠醛渣中BHA含量，%；
m2为生化腐植酸提取液质量，g；n2为生化腐植酸提取液中BHA含量，%。
1.3.2 酸析（固體生化腐植酸的制备）。
将碱提制备得到的生化腐植酸提取液用盐酸调节为酸性，混合物料分层，容器底部析出棕黄色沉淀，静置过夜后用布氏漏斗抽滤，收集沉淀物，抽滤过程中用蒸馏水洗涤3～4次，将所得沉淀物置于105 ℃烘干至恒重得到固体生化腐植酸成品，称重。检测成品中生化腐植酸含量，并按公式计算固体腐植酸的提取率（ω2）。
ω2=m3×n3m1×n1×100%
式中，
ω2为固体生化腐植酸提取率，%；m1为发酵糠醛渣质量，g；n1为发酵糠醛渣中BHA含量，%；
m3为固体腐植酸成品质量，g；n3为固体腐植酸成品中BHA含量，%。
1.4 测定项目与方法
按照《GB/T 11957—2001 煤中腐植酸产率测定方法》测定发酵糠醛渣及腐植酸成品中腐植酸含量，按照《NY/T 1971—2010 水溶肥料 腐植酸含量的测定》测定生化腐植酸提取液中腐植酸含量。腐植酸的含碳比（Rc）以0.62计算。
2 结果与分析
2.1 正交试验结果 由表2可知，利用腐熟糠醛渣制备生化腐植酸液，各因素对生化腐植酸提取率的影响从大到小依次为固液比、碱液浓度、提取时间、提取温度。
最佳工艺为固液比1∶8，碱液浓度8%，提取时间2.5 h，提取温度70 ℃。
2.2 酸析试验结果
对由正交试验得到的高腐植酸提取率最优组合进行提取，得到1 000 g腐植酸提取液，搅拌均匀后分成5份，每份200 g，置于250 mL玻璃烧杯中进行酸析试验，结果见表3。
由表3可知，利用盐酸溶液对生化腐植酸液进行调酸处理，随着pH的降低生化腐植酸重量增大。但酸度过大，会严重腐蚀设备，因此综合考虑，pH为2.5时最佳。
2.3 最优提取条件验证 由表4可知，生化腐植酸含量能够达到76.62%～76.98%，生化腐植酸的提取率为49.24%～49.97%。
3 结论
以糠醛生产排放的废弃物糠醛渣为原料，经过微生物好氧发酵腐熟得到发酵糠醛渣，采用碱提酸析法从中提取生化腐植酸（BHA）。设计了4因素4水平正交试验，考察固液比（发酵糠醛渣与水的质量比）、碱液浓度、提取温度、提取时间对生化腐植酸提取率的影响，再通过加酸调节pH，使腐植酸提取液中的腐植酸凝胶析出，固液分离烘干后得到成品生化腐植酸。结果表明，腐植酸最佳提取工艺条件：碱提步骤固液比1∶8，碱液浓度 8%，提取时间2.5 h，提取温度70 ℃，酸析步骤pH 2.5。得到腐植酸含量为76%的固体生化腐植酸成品，其提取率为49%。
参考文献
[1] 曾宪成，成绍鑫.腐植酸的主要类别[J].腐植酸，2002（2）：4-6.
[2] 李威，邹立壮，朱书全.近十年腐植酸应用研究综述[J].腐植酸，2006，30（3）：3-8.
[3] 徐小方，张华.腐植酸的提取方法研究[J].山东煤炭科技，2009（5）：110-112.
[4] 牛育华，李仲谨，郝明德.腐植酸研究进展[J].安徽农业科学，2008，36（11）：4638-4639.
[5] 刘光灿.陕西某地泥炭腐植酸提取工艺的实验研究[J].广州化学，2011，39（4）：83-85.
[6] 高丽娟，王世强，赵雪飞，等.宁夏石嘴山褐煤腐植酸的提取工艺[J].湖北农业科技，2012，51（22）：5168-5170.
[7] 张院萍，张晓忠.发酵糠醛渣中生化腐植酸的提取与表征[J].安徽农业科学，2014，42（28）：9752-9754.
[8] 王娟娟，赵永斌，张茜.含生化腐植酸水溶肥料在茄子上的应用效果[J].安徽农业科学，2013，41（22）：9261-9262.
[9] 豆亚妮，张院萍，崔刚.利用糠醛渣制备含腐植酸螯合态水溶肥料的技术[J].安徽农业科学，2015，43（29）：41-43.
关键词 生化腐植酸；碱提酸析法；正交实验；发酵糠醛渣
中图分类号 TQ920.6 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）21-086-02
Abstract [Objective] To investigate the optimal extraction technology of biochemical humic acids （BHAs） from fermented furfural residue. [Method] With fermented furfural residue as the raw materials， BHAs was extracted by alkali-dissolution and acidification method. Four-factor and four-level orthogonal test was used to investigate the effects of solid-liquid ratio （mass ratio of fermented furfural residue to water）， alkali concentration， extraction temperature and extraction time on the extraction rate of BHAs. Then， pH value of extracting solution was regulated by hydrochloric acid， in order to precipitate BHAs from its extracts. Through the solid-liquid separation and drying， solid BHAs were obtained. Results showed that the optimal extracting conditions were as follows：1∶8 solid-liquid ratio， 8% alkali concentration， 70 ℃ extracting temperature， 2.5 h extracting time， and pH 2.5 during alkali dissolution. Under these conditions， solid BHAs containing 76% humic acid content was obtained， and its extraction rate was 49%. [Conclusion] This research provides scientific basis for the development of fermented furfural residue.
Key words Biochemical humic acid； Alkali-dissolution and acidification； Orthogonal test； Fermented furfural residue
腐植酸是自然界中广泛存在的大分子有机物质，基本结构是芳环和脂环，环上连有羧基、羟基、羰基、醌基、甲氧基等官能团[1]。作为有机物原料，被广泛应用于农、林、牧、石油、化工、建材、医药、卫生、环保等领域。尤其是在农业方面，与氮、磷、钾等元素结合制成的腐植酸类肥料具有增强肥效、改良土壤、刺激作物生长、提高作物抗病力、改善农产品质量等功能，并且越来越受重视[2]。
腐植酸按照其来源可分为天然腐植酸和人造腐植酸。天然腐植酸一般都是从泥炭、风化煤中提取得到[3-6]。生化腐植酸（Biotechnology Humic Acid，BHA）是以工农业有机废物为原料，通过特殊的生化工艺生产富含黄腐酸的产品，可利用的工农业废物主要有农作物秸秆、禽畜粪便、食品加工废液、造纸黑液、园林废弃物等。因此，BHA是一种“人造腐植酸”，是腐植酸的新来源。
笔者以糠醛生产排放的废弃物糠醛渣为原料，经过微生物好氧发酵，得到含BHA的发酵糠醛渣[7-9]，并研究了从发酵糠醛渣中分离提纯BHA的最优工艺，旨在为废弃糠醛的合理利用提供借鉴。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试原料为发酵糠醛渣（自产）、氢氧化钾（分析纯）、水、盐酸（分析纯）。
发酵糠醛渣技術指标：外观颜色呈浅褐色，松软无黏块，无恶臭；腐植酸含量大于20%，pH 5.5～7.0，含水率小于35%。试验所用发酵糠醛渣检测指标为腐植酸含量23.92%，pH 6.81，含水率25.97%。
供试仪器为DF-101S集热式恒温加热水浴锅，JJ-1型增力电动搅拌器，DT5-6A低速台式离心机，恒温振荡水浴锅，循环水式多用真空泵，布氏漏斗，电子秤（0.01 g），万分天平，玻璃烧杯（1 000、250 mL），水银温度计（0～200 ℃）等。
1.2 试验设计
碱提试验中影响生化腐植酸提取的因素有固液比（发酵糠醛渣与水的质量比）、碱液（KOH）浓度、提取温度、提取时间。根据影响因素设计了4因素4水平的正交试验，研究影响糠醛渣中生化腐植酸提取的最佳条件。试验设计见表1。 酸析（固体生化腐植酸的制备）中影响固体腐植酸提取率的主要因素为调酸pH和提取时间。试验设计pH为5.5、4.5、3.5、2.5、1.5，研究不同pH对固体生化腐植酸沉淀量和提取率的影响。
1.3 生化腐植酸的提取方法
1.3.1 碱提（生化腐植酸提取液的制备）。
将腐熟的糠醛渣粉碎过1 mm筛，按一定的固液比（发酵糠醛渣与水的质量比）准确称量后置于1 000 mL烧杯中，加入一定质量的氢氧化钾，在一定的温度条件下搅拌反应一定时间。然后静置过夜，等反应物料分层后，用离心机对烧杯内物料进行离心分离（转速3 000 r/min，离心10 min）。收集含生化腐植酸的黑褐色提取液。将生化腐植酸提取液准确称量，检测腐植酸提取液中生化腐植酸含量，计算碱提步骤中生化腐植酸提取率（ω1）。
ω1=m2×n2m1×n1×100%
式中，
ω1为生化腐植酸提取率，%；m1为发酵糠醛渣质量，g；n1为发酵糠醛渣中BHA含量，%；
m2为生化腐植酸提取液质量，g；n2为生化腐植酸提取液中BHA含量，%。
1.3.2 酸析（固體生化腐植酸的制备）。
将碱提制备得到的生化腐植酸提取液用盐酸调节为酸性，混合物料分层，容器底部析出棕黄色沉淀，静置过夜后用布氏漏斗抽滤，收集沉淀物，抽滤过程中用蒸馏水洗涤3～4次，将所得沉淀物置于105 ℃烘干至恒重得到固体生化腐植酸成品，称重。检测成品中生化腐植酸含量，并按公式计算固体腐植酸的提取率（ω2）。
ω2=m3×n3m1×n1×100%
式中，
ω2为固体生化腐植酸提取率，%；m1为发酵糠醛渣质量，g；n1为发酵糠醛渣中BHA含量，%；
m3为固体腐植酸成品质量，g；n3为固体腐植酸成品中BHA含量，%。
1.4 测定项目与方法
按照《GB/T 11957—2001 煤中腐植酸产率测定方法》测定发酵糠醛渣及腐植酸成品中腐植酸含量，按照《NY/T 1971—2010 水溶肥料 腐植酸含量的测定》测定生化腐植酸提取液中腐植酸含量。腐植酸的含碳比（Rc）以0.62计算。
2 结果与分析
2.1 正交试验结果 由表2可知，利用腐熟糠醛渣制备生化腐植酸液，各因素对生化腐植酸提取率的影响从大到小依次为固液比、碱液浓度、提取时间、提取温度。
最佳工艺为固液比1∶8，碱液浓度8%，提取时间2.5 h，提取温度70 ℃。
2.2 酸析试验结果
对由正交试验得到的高腐植酸提取率最优组合进行提取，得到1 000 g腐植酸提取液，搅拌均匀后分成5份，每份200 g，置于250 mL玻璃烧杯中进行酸析试验，结果见表3。
由表3可知，利用盐酸溶液对生化腐植酸液进行调酸处理，随着pH的降低生化腐植酸重量增大。但酸度过大，会严重腐蚀设备，因此综合考虑，pH为2.5时最佳。
2.3 最优提取条件验证 由表4可知，生化腐植酸含量能够达到76.62%～76.98%，生化腐植酸的提取率为49.24%～49.97%。
3 结论
以糠醛生产排放的废弃物糠醛渣为原料，经过微生物好氧发酵腐熟得到发酵糠醛渣，采用碱提酸析法从中提取生化腐植酸（BHA）。设计了4因素4水平正交试验，考察固液比（发酵糠醛渣与水的质量比）、碱液浓度、提取温度、提取时间对生化腐植酸提取率的影响，再通过加酸调节pH，使腐植酸提取液中的腐植酸凝胶析出，固液分离烘干后得到成品生化腐植酸。结果表明，腐植酸最佳提取工艺条件：碱提步骤固液比1∶8，碱液浓度 8%，提取时间2.5 h，提取温度70 ℃，酸析步骤pH 2.5。得到腐植酸含量为76%的固体生化腐植酸成品，其提取率为49%。
参考文献
[1] 曾宪成，成绍鑫.腐植酸的主要类别[J].腐植酸，2002（2）：4-6.
[2] 李威，邹立壮，朱书全.近十年腐植酸应用研究综述[J].腐植酸，2006，30（3）：3-8.
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[6] 高丽娟，王世强，赵雪飞，等.宁夏石嘴山褐煤腐植酸的提取工艺[J].湖北农业科技，2012，51（22）：5168-5170.
[7] 张院萍，张晓忠.发酵糠醛渣中生化腐植酸的提取与表征[J].安徽农业科学，2014，42（28）：9752-9754.
[8] 王娟娟，赵永斌，张茜.含生化腐植酸水溶肥料在茄子上的应用效果[J].安徽农业科学，2013，41（22）：9261-9262.
[9] 豆亚妮，张院萍，崔刚.利用糠醛渣制备含腐植酸螯合态水溶肥料的技术[J].安徽农业科学，2015，43（29）：41-43.