復合氨基酸錳螯合物的制備工藝條件優化

李欽王引權彭桐陳暉姚陽陽

(1.甘肅中醫藥大學藥學院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省中藥質量與標準研究重點實驗室培育基地，甘肅 蘭州 730000)

微量元素是植物生長過程中所需的重要營養，通過施用的微量元素肥料可提高農作物產量及質量，但目前這類肥料多以無機鹽的形式存在，這種肥料無論以單施或混以其它肥料并施到土壤中，都會造成被土壤固定的現象，不利于作物吸收，同時降低了肥料的利用率[1]。錳是植株生長所需的重要微量元素，不可缺失，在植物的氮代謝、生長素代謝和氧化還原過程具有重大意義，并且是多種酶的活化劑。缺錳會導致植物葉片中糖、淀粉含量減少，使得植物無法得到充足養分，發育緩慢，甚至發育不健全[2,3]。氨基酸作為一種重要的營養物質，可促進植物的生長，尤其對光合作用最為顯著。微量元素可改善植物生長中出現的缺乏元素癥，增加植物所需元素，提高植物質量[4]。氨基酸可以將金屬離子絡合到一起，將此作為肥料施入到土壤中，不易被固定，有利于植株的吸收，肥效迅速，養分利用率高，配方搭配多樣，施用方便經濟。氨基酸螯合微量元素肥料將2種不同的肥料特點結合到一起，將優勢最大化突出[5]。市場上，氨基酸錳螯合物的肥料制造工藝簡陋，質量參差不齊。因此，本文研究氨基酸與微量元素錳的最佳制備條件，提高螯合率，尋找最佳的螯合工藝，為氨基酸微量元素螯合物類的肥料提供參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試劑

復合氨基酸(湖北新生源生物工程有限公司)組分見表1；一水硫酸錳(分析純，99.0～101.0%)、無水乙醇(分析純，≥99.7%)均購于自天津市大茂化學試劑廠；Mn的標準溶液(濃度1000μg·mL-1，國家有色金屬及電子材料分析測試中心)；水(娃哈哈純凈水)。

表1 復合氨基酸組分及含量

1.1.2 儀器

原子吸收光譜儀(型號：SOLAAR S-2)；電熱鼓風干燥箱(型號：101-1AB，天津市泰斯特儀器有限公司)；酸度計(型號：P901，上海佑科儀器儀表有限公司)；電熱恒溫水浴鍋(型號：HH-2，北京科偉永興儀器有限公司)；電子天平(型號：BSA224S，萬分之一，梅特勒-托利多儀器(北京)有限公司)。

1.2 氨基酸螯合錳的制備工藝流程

圖1 氨基酸螯合錳的制備工藝流程

1.3 氨基酸螯合錳螯合物的分離純化

運用氨基酸微量元素螯合物在有機溶劑中溶解度較小的原理，采用無水乙醇來分離提取氨基酸螯合物。在水浴鍋中制得的氨基酸螯合液進行加熱濃縮，然后加入有機溶劑將氨基酸金屬離子螯合物與游離態金屬離子分離開來，得到氨基酸螯合錳螯合物的純化物，也利于測定不同形態金屬離子的含量[6]。

1.4 分析方法

利用原子吸收分光光度計直接測定螯合態的錳元素。

螯合率(%)=螯合態微量元素量/(游離態鐵離子含量+螯合態鐵離子含量)×100%

數據應用Excel 2019程序和SPSS24.0統計分析軟件處理。

2 結果與分析

2.1 因素與水平確定

許多研究表明,影響螯合反應的因素主要包括pH值、物料比、有機溶劑與螯合液浸提比、螯合溫度和螯合時間等[7]。溶液的pH對螯合反應的過程具有巨大的影響，其中分為2種情況：pH較低時，溶液偏酸，其中的氫離子會與金屬離子搶奪供電子基團；pH較高時，溶液偏堿性，氫氧根離子會與金屬離子形成沉淀。適宜的pH值溶液環境對螯合反應的進行極為重要[8]。不同的物料比，對螯合過程和螯合物的穩定性都有很大影響，配位比太小，螯合程度小，形成的螯合物穩定性差，配位比太大，螯合程度大，形成的螯合物過于穩定，過剩的氨基酸就難以被植物吸收利用，造成資源的浪費，因此從資源節約的角度考慮，適當的物料比會提高氨基酸肥料的功效[9]。螯合反應為吸熱反應，提高一定的溫度可提高反應速率，而控制合理的反應時間可提高生產效率[10]。因此,本試驗重點探討不同pH、物料比、螯合溫度和時間對氨基酸與微量元素錳螯合率的影響。

表2 氨基酸螯合錳工藝正交試驗因素與水平

2.2 試驗設計與結果

本研究采用4因素3水平L9(34)進行正交試驗，考察pH值(A)、配位比(B)、螯合溫度(C)和螯合時間(D)4個因素的不同水平對氨基酸與金屬離子錳螯合率的影響，篩選較優螯合條件，每個處理3個重復并取其平均值。正交試驗方案、測定結果和極差分析見表3。

表3 正交試驗方案、測定結果和極差分析

2.3 正交試驗分析

從表3可得出，第1試驗號的綜合評分最高，即A3B2C3D1。R越大，代表該因素對結果的影響越大，所以從極差分析可以看出，對螯合率影響作用的因素從大到小排列分別為A>B>D>C，即pH>物料比>螯合時間>螯合溫度。對數據進行方差分析，結果見表4。pH(A)和物料比(B)對復合氨基酸螯合錳工藝有顯著影響。結合表3、表4可以預測最佳工藝為A3B2C1D1，即pH為7.0，物料比為2∶1，螯合溫度為30℃，反應時間為30min。

表4 方差分析表

2.4 最佳工藝驗證試驗

按照正交試驗結果獲得的優化工藝條件，按照1.3項下平行制備復合氨基酸螯合微量元素錳的3個樣品，測得結果螯合率平均值為89.36%，RSD為2.56%。表明優選的提取工藝條件穩定可行，可作為氨基酸螯合錳的最佳制造工藝條件。

3 結論

以復合氨基酸和硫酸錳為原料在pH為7.0，物料比為2∶1，反應時間為30min、螯合溫度為30℃的條件下進行螯合反應，無水乙醇進行沉淀分離，使用原子吸收測定其螯合率最高。從正交試驗設計表中發現，pH和物料比對螯合反應的影響最大，不同pH的溶液中存在的離子會影響螯合反應進程的方向，適宜的物料比可使得螯合反應最大程度的進行，不會造成肥料的利用率低。而螯合溫度和時間對氨基酸與金屬離子錳的螯合反應均無顯著性影響。本文以氨基酸螯合金屬離子錳制備氨基酸微量元素肥料作為基礎，以期對此類氨基酸液態肥的制備工藝提供參考。