CN108975484A

CN108975484A - 一种酶促增氧调水剂及其制备和应用

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Publication number: CN108975484A
Application number: CN201810987832.5A
Authority: CN
Inventors: 丛方地; 张树林; 李鑫; 张达娟; 李涛
Original assignee: Tianjin Agricultural University
Current assignee: Tianjin Agricultural University
Priority date: 2018-08-28
Filing date: 2018-08-28
Publication date: 2018-12-11

Abstract

一种酶促增氧调水剂及其制备和应用，其特征在于所述酶促增氧调水剂由固体粗过氧化物酶、过氧化物和载体组成，所述固体粗过氧化物酶采用以下方法制备：步骤1)将马铃薯去皮后匀浆，分离匀浆液中的淀粉后得到原液；步骤2)向原液中加入絮凝剂，充分絮凝沉淀后过滤收集滤饼，干燥后作为固体粗过氧化物酶。所述酶促增氧调水剂的剂型为水剂、粉剂或片剂。还提供了所述酶促增氧调水剂在养殖水体增氧和水质调节中的应用。

Description

一种酶促增氧调水剂及其制备和应用

技术领域

本发明属于水产养殖领域，涉及过氧化物酶催化的增氧调水剂制备方法。

背景技术

在水产养殖领域，进行工厂化养殖时，由于养殖密度大，养殖水体富营养化程度高，容易发生缺氧和水质恶化，常常需要向水体中补充氧，以缓解这种不良现象。通常有物理法和化学法增氧。其中化学法通常是使用过氧化物增氧，将它们的液体制剂或固体制剂撒入养殖水中，能够快速增氧，增氧面积易于控制，而且过氧化物的分解产生一定数量的活性氧，兼具杀菌、消毒、抑藻、除臭和去除其他有害化合物的作用，能较快的增氧和调控水质。然而，化学增氧调水剂，通常依靠其自身在水中的分解或化学催化剂催化的分解作用分解增氧，其速度相对较慢，分解不彻底，容易对养殖水产生二次污染。过氧化物酶，作为一种催化剂，基于酶的蛋白质本质和催化高效性，可以提高增氧剂的绿色环保性能，极大地提高增氧剂的增氧效率。然而，酶制剂通常价格昂贵，常见的辣根过氧化物酶及微生物过氧化物酶，通常以毫克级及微升级进行研究和使用。显然，这些酶制剂是很难应用在水产养殖领域进行催化过氧化物分解增氧的，即酶制剂昂贵的价格限制了酶促增氧剂的开发，所以，至今还没有看到过氧化物酶用在水产领域的催化增氧报道以及市售酶促增氧调水剂产品。

在先期研究中我们发现，用廉价易得的过氧化物酶，如马铃薯、甘薯、萝卜类根茎植物等来源的过氧化物酶，作为生物催化剂。以根茎类植物淀粉加工的废液为原料制备酶，达到经济易得的目的。过氧化物酶催化过氧化物类增氧剂分解增氧，增氧速度加快，其增氧速度相对于化学增氧剂提高2000倍以上。但如何高效、低成本的从马铃薯淀粉废液中提取过氧化物酶，并且使提取物稳定耐储存，能够适应水产养殖的具体应用环境成为现有技术中亟待解决问题。

发明内容

为解决前述技术问题，本发明采用的技术方案为，提供一种酶促增氧调水剂，其特征在于所述酶促增氧调水剂由固体粗过氧化物酶、过氧化物和载体组成，所述固体粗过氧化物酶采用以下方法制备

步骤1)将马铃薯去皮后匀浆，分离匀浆液中的淀粉后得到原液；

步骤2)向原液中加入絮凝剂，充分絮凝沉淀后过滤收集滤饼，干燥后作为固体粗过氧化物酶。

所述的一种酶促增氧调水剂，其特征在于所述絮凝剂选自聚合氯化铝、聚合硫酸铁或阳离子型聚丙烯酰胺。

所述的一种酶促增氧调水剂，其特征在于所述絮凝剂优选聚合硫酸铁，所述聚合硫酸铁与马铃薯鲜重之比为1～5:1000；优选为2～4:1000。

所述的一种酶促增氧调水剂，其特征在于剂型为水剂、粉剂或片剂。

所述的一种酶促增氧调水剂，其特征是剂型为水剂，所述载体为水，所述固体粗过氧化物酶溶解于过氧化氢含量为3～8mg/L的水中形成酶溶液，酶溶液与过氧化物溶液分置于不同容器中。所述酶溶液中还含有氯化钠和苯甲酸钠。

所述的一种酶促增氧调水剂，其特征在于剂型为粉剂，所述载体为硅藻土、微粉硅胶、淀粉和薯渣粉中的一种或几种，所述过氧化物为过硫酸钠或过碳酸钠，将各组分充分混合即可得到粉剂；所述固体粗过氧化物酶与过氧化物的质量比为1:40～70，所述载体与过氧化物的质量比为1.5～3.5:1。

所述的一种酶促增氧调水剂，其特征在于剂型为片剂，所述片剂为在所述粉剂基础上增加助流剂后直接粉末压片后得到，所述助流剂为硬脂酸镁，所述硬脂酸镁与粉剂的重量比为1:40～60。

本发明还提供了所述一种酶促增氧调水剂的制备方法，其特征在于所述固体粗过氧化物酶采用以下方法制备

步骤2)向原液中加入絮凝剂，充分絮凝沉淀后过滤收集滤饼，干燥后作为固体粗过氧化物酶，所述絮凝剂选自聚合氯化铝、聚合硫酸铁或阳离子型聚丙烯酰胺。

所述一种酶促增氧调水剂的制备方法，其特征在于所述絮凝剂为聚合硫酸铁，所述聚合硫酸铁与马铃薯鲜重之比为1～5:1000；优选为2～4:1000。

本发明还提供了所述一种酶促增氧调水剂在养殖水体增氧和水质调节中的应用。

本发明提供技术方案的有益效果：

(一)改进传统化学催化剂催化的化学增氧剂分解不彻底、增氧速度慢、不够绿色环保的不足之处，并利用酶源易得、絮凝收集酶、酶催化高效的特性极大地降低增氧剂的成本，提供一种方法简单、增氧调水效果更好的酶促增氧调水剂的制备和应用方法。

(二)选用来自于马铃薯淀粉加工废液为原料，通过优选的微量絮凝剂絮凝收集酶，廉价地制备环保、高活性的固体粗过氧化物酶。在应用时通过催化过氧化物分解放氧，达到对水产养殖水快速增氧和调水的效果。从废液中有效收集过氧化物酶是一项关键的技术，通常从溶液中收集蛋白质是加入有机溶剂或硫酸铵沉淀蛋白并离心或过滤收集，但有机溶剂不但使用量大，且易于使酶蛋白变性；而硫酸铵的使用量通常较大，收集成本高，还会有硫酸铵引入环境，不符合生态要求。本发明技术方案中采用作为絮凝剂的聚合硫酸铁、聚合氯化铝或者阳离子型聚丙烯酰胺来絮凝马铃薯淀粉加工废液中的过氧化物酶，不但絮凝剂用量少，且效果好，不影响过氧化物酶的活性。尤其是聚合硫酸铁，不但生态环保，且使酶蛋白絮凝较彻底，酶活性保持良好。制备的酶蛋白可以干燥后制成固体粗过氧化物酶，可以与过氧化物以固体的形式混合成粉剂或压成片剂使用，所述粉剂或片剂能够在存储过程中保持酶活性，也可以将固体粗过氧化物酶在少量过氧化物存在的条件下，重新分散到水中形成酶溶液，与过氧化物溶液搭配以液剂的形式使用。

(三)优点和效果：

1、降低了酶制剂应用成本。本发明技术方案中，作为原料的原液可选用廉价的马铃薯淀粉加工废液，经絮凝和过滤收集，得到过氧化物酶粗品。其原料经济易得，酶活性稳定。经简单过滤得到的过氧化物酶可以与过氧化物混配使用，也可以重新在少量过氧化物存在的条件下重新溶入水中，并以适当浓度酶溶液的形式使用。其制备工艺简单、绿色环保、酶活性高。

2、克服了废液中收集过氧化物酶的瓶颈。如果使用大量有机溶剂，成本高，不环保，酶易变性失活；如使用大量硫酸铵，同样成本高，也不环保。本发明使用微量絮凝剂，尤其是聚合硫酸铁，用量少，成本低，较环保，絮凝彻底，收集便利，酶活性稳定。固体粗过氧化物酶在过氧化物存在的溶液中，又可以重新融入到溶液中。与过氧化物配合，制备的酶促增氧剂，增氧速度快，调水效果更好。

(四)综上，本专利中的过氧化物酶为马铃薯等根茎植物进行淀粉加工过程中产生的废液中的成分，使用极少量的絮凝剂絮凝和过滤收集固体过氧化物酶，进而用于催化过氧化物分解增氧调水。相对于化学催化剂催化的纯化学增氧剂，这里制备的酶促增氧剂不但催化效率更高，而且绿色环保、价格低廉；同时对马铃薯淀粉加工废液进行了有效的处理，有利于生态环境的保持。这里，以马铃薯淀粉加工废液为过氧化物酶源，不必精细分离纯化，过氧化物酶的用量因酶极高的催化效率而用量极少，规避了酶制剂的高价格对其应用的限制。另一方面，过氧化酶的收集以微量聚合硫酸铁等絮凝剂絮凝和过滤收集，粗酶制剂性质稳定，克服了酶制剂有效收集的技术瓶颈。此外，过氧化物因过氧化物酶的催化而分解较为彻底，因而可以适当降低其用量，酶促增氧调水剂，其制备不但绿色、高效，且制剂价格低于市售化学增氧剂。具有较大的创新性。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例1

过氧化物酶溶液粗提取：取马铃薯400g，洗净去皮，切成小块，放入榨汁机中，加入400mL蒸馏水，充分粉碎至匀浆，用4-8层纱布过滤，滤液放置0.5h，倾出淀粉沉淀之上的清液，滤纸或纱布过滤，得滤液570mL作为原液。考马斯亮蓝试剂盒分析总蛋白含量，为0.31％。将原液冻干后得到冻干粉，冻干粉中蛋白含量为15.5％。所述原液可以马铃薯淀粉企业产出的马铃薯淀粉加工废液替代。

实施例2

酶促与化学催化增氧比较：过硫酸钠溶液和酶溶液，在1L水中混合，过硫酸钠浓度为100mg/L，马铃薯过氧化物酶为1.5mg/L(3.33×10^-8mol·L^-1)，经10min，溶氧仪分析放氧速度为0.55mg·L^-1。同样在1L水中，过硫酸钠为100mg/L，硫酸亚铁为2.7mg/L(1.80×10^- ⁵mol·L^-1)，经10min，溶氧仪分析放氧速度为0.14mg·L^-1。经估算，等质量比浓度(mg/L)时，前者的放氧速度约是后者的4倍以上；在马铃薯过氧化物酶和硫酸亚铁两种催化剂等物质的量时，前者增氧量是后者的2124倍。按照市售化学增氧剂中化学催化剂与过氧化物近似等质量使用条件进行估算，用极少量的过氧化物酶代替化学催化剂，可以降低成本为原来的1/2以下。

实施例3

过氧化物酶絮凝与溶解(1)：如实施例1制备的原液，取100mL，加入10％的聚合硫酸铁溶液1.5mL，搅拌混合均匀后，放置5min，过滤，滤液中残留过氧化物酶活力不到絮凝前的1％。沉淀部分在37℃烘干3h，得到固体质量约0.32g，作为固体粗过氧化物酶储存待用。得到的固体粗过氧化物酶放入100mL水中，加入1滴1％的双氧水，在50W、20kHz的条件下超声5min，或者磁力搅拌30min。过氧化酶重新溶入溶液，酶活力约为絮凝前的94％。

实施例4

过氧化物酶絮凝与溶解(2)：如实施例1方法制备的原液取100mL，加入20％的聚合氯化铝溶液1mL，搅拌混合均匀后，放置5min，过滤，滤液中残留过氧化物酶活力为絮凝前的15％。沉淀部分在37℃烘干3h，的固体质量约0.28g，作为固体粗过氧化物酶储存待用。得到的固体粗过氧化物酶放入100mL水中，加入1滴1％的双氧水，在50W、20kHz的条件下超声5min，或者磁力搅拌30min。过氧化酶重新溶入溶液，酶活力为絮凝前的79％。

实施例5

过氧化物酶絮凝与溶解(3)：如实施例1方法制备的原液取100mL，加入0.1％的阳离子型聚丙烯酰胺溶液5mL，搅拌混合均匀后，放置5min，过滤，滤液中残留过氧化物酶活力为絮凝前的29％。沉淀部分在37℃烘干3h，的固体质量约0.26g，作为固体粗过氧化物酶储存待用。得到的固体粗过氧化物酶放入100mL水中，加入1滴1％的双氧水，在50W、20kHz的条件下超声5min，或者磁力搅拌30min。过氧化酶重新溶入溶液，酶活力为絮凝前的58％。

实施例6：

酶促增氧粉剂的制备方法(1)：如实施例3制备的0.3g固体粗过氧化物酶，与20g硅藻土、17g过硫酸钠(或15g过碳酸钠)混合，其余为马铃薯淀粉加工废渣烘干粉碎后的渣粉或淀粉辅料，合计质量50g，混合均匀后，即为酶促增氧粉剂。使用时，可按照50g/亩·米的量，向养殖水中均匀抛洒。25℃，密封保存，6个月后，制剂的酶活力不低于初始品的90％。

实施例7：

酶促增氧粉剂的制备方法(2)：如实施例3制备的0.3g作为固体粗过氧化物酶，与20g硅胶、19g过硫酸钠(或17g过碳酸钠)混合，其余为马铃薯淀粉加工废渣烘干粉碎后的渣粉或者淀粉辅料，合计质量50g，混合均匀后，即为酶促增氧粉剂。使用时，可按照50g/亩·米的量，向养殖水中均匀抛洒。25℃，密封保存，6个月后，制剂的酶活力不低于初始品的90％。

实施例8：

酶促增氧粉剂的制备方法(3)：如实施例3制备的0.3g作为固体粗过氧化物酶，与30g马铃薯淀粉加工废渣、15g过硫酸钠(或13g过碳酸钠)混合，其余为淀粉辅料，合计质量50g，混合均匀后，即为酶促增氧粉剂。使用时，可按照50g/亩·米的量，向养殖水中均匀抛洒。25℃，密封保存，6个月后，制剂的酶活力不低于初始品的90％。

实施例9：

酶促增氧片剂的制备方法：如实施例6-8，制备的粉剂中，加入1g硬脂酸镁，混合后压片，即为酶促增氧片剂。使用方法和用量同实施例6-8。25℃，密封保存，6个月后，制剂的酶活力不低于初始品的90％。

实施例10

酶促增氧调水剂水剂的制备与使用(1)：制备的过氧化物酶与液态的过氧化物如过氧化氢配合使用时，也可以配制成溶液使用。制备固体粗过氧化物酶0.3g，按照如实施例3的方法，重新融入到50-100mL水中，并添加氯化钠1g，苯甲酸钠0.1g，得酶溶液，暂时室温保存。另一方面，配制100mL的3％双氧水溶液作为过氧化物溶液。酶溶液和过氧化物溶液在用来增氧时，将酶溶液和过氧化物溶液，各自经适当再稀释后，分别喷洒到1亩1米深的水中，先喷洒过氧化物溶液，后喷洒酶溶液亦可。

实施例11

酶促增氧调水剂抑菌效果：在平板上，进行菌种接种和抑菌实验，菌种为嗜水气单胞菌、腐生葡萄球菌，每种菌的菌落浓度控制在10⁸CFU/mL，25℃，培养24h。用不同浓度的过硫酸钠溶液、以及含有硫酸亚铁(或马铃薯过氧化物酶)的过硫酸钠溶液进行抑菌实验。结果表明，无催化剂时，过硫酸钠对两种菌的抑菌浓度分别为80、85mg/L。含1mg/L硫酸亚铁的混合液中，过硫酸钠对两种菌的有效抑菌浓度约为76、78mg/L。含1mg/L过氧化酶的混合液中，过硫酸钠对两种菌的有效抑菌浓度约为6、7mg/L。在催化剂质量比浓度相同的条件下，马铃薯过氧化物酶催化的过硫酸钠有效抑菌质量比浓度(mg/L)不大于化学催化剂硫酸亚铁催化的过硫酸钠有效抑菌质量比浓度(mg/L)的1/10。

实施例12

酶促增氧调水剂抑藻效果：铜绿微囊藻经培养和稀释，实验藻液的浓度为10⁶个·mL^-1，分别分为：(1)不加过氧化物的对照藻液；(2)加入过硫酸钠后过硫酸钠浓度为20mg/L的藻液；(3)加入过硫酸钠+硫酸亚铁后浓度为20mg/L+0.5mg/L的藻液；(4)加入过硫酸钠+马铃薯过氧化物酶后浓度为20mg/L+0.5mg/L的藻液。各藻液放在25℃、2500lx的条件下培养。24、48和72h后，以上藻液(1)的藻细胞去除率分别为为-20％、-78％和-143％；藻液(2)的藻细胞去除率分别为为55％、73％和83％；藻液(3)的藻细胞去除率分别为为67％、72％和84％；藻液(4)的藻细胞去除率分别为为85％、89％和92％。表明，在过氧化物浓度相同的条件下，马铃薯过氧化物酶在1mg/L以下，相对于相同质量比浓度的硫酸亚铁，两类催化剂同质量比浓度时，对于过氧化物抑藻能力的提高程度，前者是后者的1.5倍以上。

实施例13

酶促增氧剂的除毒素效果：配制0.2mg/L的藻毒素溶液供实验，分4份。分别为：(1)对照空白藻毒素溶液；(2)加入过氧化氢后浓度为10mg/L的藻毒素溶液；(3)加入过氧化氢+硫酸亚铁后浓度为10mg/L+1.5mg/L的藻毒素溶液；(4)加入过氧化氢+马铃薯过氧化氢酶后浓度为10mg/L+0.5mg/L的藻毒素溶液。25℃，1h后，四个体系中藻毒素的液相分析表明，藻毒素的去除率分别为：0％、5％、86％和94％。表明，在等量过氧化物存在下，相对于等浓度的化学催化剂硫酸亚铁，在1mg/L浓度下，1h后，马铃薯过氧化物酶除毒素的效率提高3倍以上。

实施例14

酶促增氧调水剂氧化效果：配制硫化钠溶液，浓度为0.6mg/L，分3份进行实验，分别为：(1)加入过硫酸钠后过硫酸钠浓度为2mg/L的溶液；(2)加入过硫酸钠+硫酸亚铁后浓度为2mg/L+0.1mg/L的溶液；(3)加入过硫酸钠+马铃薯过氧化物酶后浓度为2mg/L+0.1mg/L的溶液。在1、5和10h后对硫化钠进行浓度分析，溶液(1)中剩余的硫化钠的浓度分别为0.55mg/L、0.36mg/L和0.20mg/L；溶液(2)中剩余的硫化钠的浓度分别为0.51mg/L、0.33mg/L和0.19mg/L；溶液(3)中剩余的硫化钠的浓度分别为0.28mg/L、0.12mg/L和0.06mg/L。表明，等催化剂质量比浓度(0.1mg/L)下，10h后，相对于不加催化剂的体系，化学催化剂(硫酸亚铁)催化过硫化物转化负价硫的能力提高不明显，而马铃薯过氧化物酶催化氧化转化负价硫的能力提高3倍多。

实施例11～14中采用的马铃薯过氧化物酶为实施例1制得的冻干粉。

**以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims

1.一种酶促增氧调水剂，其特征在于所述酶促增氧调水剂由固体粗过氧化物酶、过氧化物和载体组成，所述固体粗过氧化物酶采用以下方法制备

2.如权利要求1所述的一种酶促增氧调水剂，其特征在于所述絮凝剂选自聚合氯化铝、聚合硫酸铁或阳离子型聚丙烯酰胺。

3.如权利要求2所述的一种酶促增氧调水剂，其特征在于所述絮凝剂优选聚合硫酸铁，所述聚合硫酸铁与马铃薯鲜重之比为1～5:1000。

4.如权利要求2所述的一种酶促增氧调水剂，其特征在于聚合硫酸铁与马铃薯鲜重之比优选为2～4:1000。

5.如权利要求1～4任一所述的一种酶促增氧调水剂，其特征在于剂型为水剂、粉剂或片剂。

6.如权利要求5所述的一种酶促增氧调水剂，其特征是剂型为水剂，所述载体为水，所述固体粗过氧化物酶溶解于过氧化氢含量为3～8mg/L的水中形成酶溶液，酶溶液与过氧化物溶液分置于不同容器中；所述酶溶液中还含有氯化钠和苯甲酸钠。

7.如权利要求5所述的一种酶促增氧调水剂，其特征在于剂型为粉剂，所述载体为硅藻土、微粉硅胶、淀粉和薯渣粉中的一种或几种，所述过氧化物为过硫酸钠、过硫酸铵、过硫酸钾或过碳酸钠，将各组分充分混合即可得到粉剂；所述固体粗过氧化物酶与过氧化物的质量比为1:40～70，所述载体与过氧化物的质量比为1.5～3.5:1。

8.如权利要求7所述的一种酶促增氧调水剂，其特征在于剂型为片剂，所述片剂为在所述粉剂基础上增加助流剂后直接粉末压片后得到，所述助流剂为硬脂酸镁，所述硬脂酸镁与粉剂的重量比为1:40～60。

9.如权利要求1～8任一所述的一种酶促增氧调水剂，其特征在于所述原液为马铃薯淀粉加工废液。

10.如权利要求1～9任一所述的一种酶促增氧调水剂在养殖水体增氧和水质调节中的应用。