复合氨基酸锰螯合物的制备工艺条件优化

李钦王引权彭桐陈晖姚阳阳

(1.甘肃中医药大学药学院，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省中药质量与标准研究重点实验室培育基地，甘肃 兰州 730000)

微量元素是植物生长过程中所需的重要营养，通过施用的微量元素肥料可提高农作物产量及质量，但目前这类肥料多以无机盐的形式存在，这种肥料无论以单施或混以其它肥料并施到土壤中，都会造成被土壤固定的现象，不利于作物吸收，同时降低了肥料的利用率[1]。锰是植株生长所需的重要微量元素，不可缺失，在植物的氮代谢、生长素代谢和氧化还原过程具有重大意义，并且是多种酶的活化剂。缺锰会导致植物叶片中糖、淀粉含量减少，使得植物无法得到充足养分，发育缓慢，甚至发育不健全[2,3]。氨基酸作为一种重要的营养物质，可促进植物的生长，尤其对光合作用最为显著。微量元素可改善植物生长中出现的缺乏元素症，增加植物所需元素，提高植物质量[4]。氨基酸可以将金属离子络合到一起，将此作为肥料施入到土壤中，不易被固定，有利于植株的吸收，肥效迅速，养分利用率高，配方搭配多样，施用方便经济。氨基酸螯合微量元素肥料将2种不同的肥料特点结合到一起，将优势最大化突出[5]。市场上，氨基酸锰螯合物的肥料制造工艺简陋，质量参差不齐。因此，本文研究氨基酸与微量元素锰的最佳制备条件，提高螯合率，寻找最佳的螯合工艺，为氨基酸微量元素螯合物类的肥料提供参考。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

1.1.1 试剂

复合氨基酸(湖北新生源生物工程有限公司)组分见表1；一水硫酸锰(分析纯，99.0～101.0%)、无水乙醇(分析纯，≥99.7%)均购于自天津市大茂化学试剂厂；Mn的标准溶液(浓度1000μg·mL-1，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；水(娃哈哈纯净水)。

表1 复合氨基酸组分及含量

1.1.2 仪器

原子吸收光谱仪(型号：SOLAAR S-2)；电热鼓风干燥箱(型号：101-1AB，天津市泰斯特仪器有限公司)；酸度计(型号：P901，上海佑科仪器仪表有限公司)；电热恒温水浴锅(型号：HH-2，北京科伟永兴仪器有限公司)；电子天平(型号：BSA224S，万分之一，梅特勒-托利多仪器(北京)有限公司)。

1.2 氨基酸螯合锰的制备工艺流程

图1 氨基酸螯合锰的制备工艺流程

1.3 氨基酸螯合锰螯合物的分离纯化

运用氨基酸微量元素螯合物在有机溶剂中溶解度较小的原理，采用无水乙醇来分离提取氨基酸螯合物。在水浴锅中制得的氨基酸螯合液进行加热浓缩，然后加入有机溶剂将氨基酸金属离子螯合物与游离态金属离子分离开来，得到氨基酸螯合锰螯合物的纯化物，也利于测定不同形态金属离子的含量[6]。

1.4 分析方法

利用原子吸收分光光度计直接测定螯合态的锰元素。

螯合率(%)=螯合态微量元素量/(游离态铁离子含量+螯合态铁离子含量)×100%

数据应用Excel 2019程序和SPSS24.0统计分析软件处理。

2 结果与分析

2.1 因素与水平确定

许多研究表明,影响螯合反应的因素主要包括pH值、物料比、有机溶剂与螯合液浸提比、螯合温度和螯合时间等[7]。溶液的pH对螯合反应的过程具有巨大的影响，其中分为2种情况：pH较低时，溶液偏酸，其中的氢离子会与金属离子抢夺供电子基团；pH较高时，溶液偏碱性，氢氧根离子会与金属离子形成沉淀。适宜的pH值溶液环境对螯合反应的进行极为重要[8]。不同的物料比，对螯合过程和螯合物的稳定性都有很大影响，配位比太小，螯合程度小，形成的螯合物稳定性差，配位比太大，螯合程度大，形成的螯合物过于稳定，过剩的氨基酸就难以被植物吸收利用，造成资源的浪费，因此从资源节约的角度考虑，适当的物料比会提高氨基酸肥料的功效[9]。螯合反应为吸热反应，提高一定的温度可提高反应速率，而控制合理的反应时间可提高生产效率[10]。因此,本试验重点探讨不同pH、物料比、螯合温度和时间对氨基酸与微量元素锰螯合率的影响。

表2 氨基酸螯合锰工艺正交试验因素与水平

2.2 试验设计与结果

本研究采用4因素3水平L9(34)进行正交试验，考察pH值(A)、配位比(B)、螯合温度(C)和螯合时间(D)4个因素的不同水平对氨基酸与金属离子锰螯合率的影响，筛选较优螯合条件，每个处理3个重复并取其平均值。正交试验方案、测定结果和极差分析见表3。

表3 正交试验方案、测定结果和极差分析

2.3 正交试验分析

从表3可得出，第1试验号的综合评分最高，即A3B2C3D1。R越大，代表该因素对结果的影响越大，所以从极差分析可以看出，对螯合率影响作用的因素从大到小排列分别为A>B>D>C，即pH>物料比>螯合时间>螯合温度。对数据进行方差分析，结果见表4。pH(A)和物料比(B)对复合氨基酸螯合锰工艺有显著影响。结合表3、表4可以预测最佳工艺为A3B2C1D1，即pH为7.0，物料比为2∶1，螯合温度为30℃，反应时间为30min。

表4 方差分析表

2.4 最佳工艺验证试验

按照正交试验结果获得的优化工艺条件，按照1.3项下平行制备复合氨基酸螯合微量元素锰的3个样品，测得结果螯合率平均值为89.36%，RSD为2.56%。表明优选的提取工艺条件稳定可行，可作为氨基酸螯合锰的最佳制造工艺条件。

3 结论

以复合氨基酸和硫酸锰为原料在pH为7.0，物料比为2∶1，反应时间为30min、螯合温度为30℃的条件下进行螯合反应，无水乙醇进行沉淀分离，使用原子吸收测定其螯合率最高。从正交试验设计表中发现，pH和物料比对螯合反应的影响最大，不同pH的溶液中存在的离子会影响螯合反应进程的方向，适宜的物料比可使得螯合反应最大程度的进行，不会造成肥料的利用率低。而螯合温度和时间对氨基酸与金属离子锰的螯合反应均无显著性影响。本文以氨基酸螯合金属离子锰制备氨基酸微量元素肥料作为基础，以期对此类氨基酸液态肥的制备工艺提供参考。