CN109880630A - 一种植物脲酶固沙方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种植物脲酶固沙方法，是将大豆粉碎，采用添加沸石粉的蒸馏水做溶剂从豆粉中提取脲酶，取等体积的脲酶液和胶凝液依次喷洒到铺有风积沙的托盘中，尿素先被水解为CO₃ ^2‑和NH₄ ⁺，水解的CO₃ ^2‑再与溶液中的Ca²⁺结合生成碳酸钙，使风积沙表面形成硬化层，可防止被风吹动。该方法操作简单，避免细菌培养和繁殖过程中产生脲酶的复杂过程和苛刻要求，直接利用植物脲酶来催化必要反应，从而诱导碳酸盐沉淀，碳酸钙提取效率高，因此对环境要求较低,便于推广应用。

Description

一种植物脲酶固沙方法

技术领域

本发明属于植物脲酶诱导碳酸钙沉积方法，它可用于防尘固沙，改善环境。

背景技术

生物成岩成矿作用是一种自然现象，它在地球形成的历史起了重要作用，这是近三十年地球化学的研究成果。重新认识生物成岩成矿的作用和地位，对岩土工程技术发展具有重要意义。其原理是通过微生物生长繁殖过程中产生脲酶，不断分解尿素，形成CO₃ ^2-，在菌体细胞膜界面处带负电荷的水溶液中，与有机质不断螯合环境中的Ca2+，诱导出局部的晶体阴离子(CO32-)，随着CO32-浓度进一步增大，吸引更多的Ca2+，直至晶体表面CaCO3浓度增大到不断核化，最终沉积出CaCO3颗粒。正是利用微生物诱导碳酸钙这一原理进行固化砂土。

通常利用微生物制备碳酸钙固化砂土的方法采用菌种培养获取脲酶，但菌种培养常需要消耗很多的人力物力，且菌种培养过程需要严格控制菌种生长的温度和pH值，这在实际工程的现场较难满足，直接影响了固化的效果。

实际上，脲酶除了可由微生物分泌得到，也可从价格低廉、来源广泛的大豆中获取。有研究人员利用乙醇、丙酮等有机溶剂从大豆中提取脲酶，如林丽云等的《黄豆脲酶的提取及其活性测定》（《食品研究与开发》,2013,Vol.34，No.9，85-88）、公开的专利CN103601602A《一种女贞叶中抑制脲酶成分的提取方法及应用》, 但是乙醇、丙酮提取大豆脲酶的活性偏低，操作过程繁琐，且丙酮溶剂易燃、有毒，且为管制的化学药品，不利于在实际工程的现场大量提取脲酶。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种从大豆中直接提取植物脲酶制备碳酸钙的方法，采用蒸馏水做溶剂，加入少量的沸石粉后，浸泡豆粉可提取高活性的脲酶。同时，在采用脲酶分解尿素的固化风积沙的过程中，通过添加少量的膨润土，可增加脲酶在风积沙表面的粘附力，提高固化效果。 而且采用蒸馏水作为提取剂，操作简单，且不需要复杂的细菌培养和繁殖，直接利用植物脲酶来催化必要反应，从而诱导碳酸盐沉淀，碳酸钙生成效率高，对环境要求较低,便于推广应用。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种从大豆中直接提取植物脲酶制备碳酸钙的方法，包括以下步骤：

1）、制备豆粉：将大豆粉碎，过筛，冷藏,备用；

2）、提取脲酶：按照豆粉质量与蒸馏水体积比为1:6-1:14将两者混合, 同时加豆粉质量1.0%的沸石粉，充分摇匀后冷藏过夜，离心，过滤得到的上清液即为脲酶液，并测定脲酶的活性；

3）、取步骤2）得到的脲酶液配制成活性为4000U/L的脲酶溶液，取该脲酶溶液50mL，加2-3g膨润土并搅拌均匀，膨润土用来增加脲酶在风积沙中的粘附能力，并有利于碳酸钙在风积沙中沉淀，喷洒到铺有风积沙的托盘中，随后喷洒50mL胶凝液。其中，所述胶凝液由等摩尔浓度的尿素和醋酸钙组成，尿素浓度为0.5-1.0mol/L，醋酸钙浓度为0.5-1.0mol/L，风积沙粒径集中在0.25mm以下,分层均匀平铺在托盘中，厚度为4-5cm。

4）室温静置，风积沙表面有碳酸钙胶结。

本发明原理如下：从大豆中提取脲酶后，将脲酶液和胶凝液（包含尿素和醋酸钙）依次喷洒到风积沙上，胶凝液中的尿素先被脲酶水解为CO₃ ^2-和NH₄ ⁺，CO₃ ^2-再与醋酸钙的Ca²⁺结合生成碳酸钙，在风积沙表面形成硬化层。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）、采用蒸馏水配少量的沸石粉将豆粉浸泡后直接提取高活性的脲酶，避免乙醇法和丙酮法提取脲酶降低脲酶活性的不足，且操作简便。

（2）、采用脲酶分解尿素的固化风积沙的过程中，添加少量的膨润土，可增加脲酶在风积沙表面的粘附力，提高固化效果。

（3）、通过酶促反应沉积碳酸钙固化风积沙，可抵抗风的侵蚀，不仅低温条件下碳酸钙沉淀效率高，且资源丰富，环境友好，工艺简单，成本低廉。

附图说明

图1为实例1提取的脲酶液和等体积的胶凝液（0.75mol/L尿素与0.75mol/L醋酸钙混合液）混合得到的碳酸钙沉淀实物图，可见该方法能得到碳酸钙沉淀。

具体实施方式

以下将结合实施例，具体说明本发明的技术方案：

实施例1：

一种从大豆中直接提取植物脲酶制备碳酸钙的方法，步骤如下：

1）制备豆粉：将大豆粉碎，过100目筛，得到豆粉，4℃冷藏，备用；

2）提取脲酶：按照豆粉质量与蒸馏水体积比为1:10将两者混合, 同时加豆粉质量1%的沸石粉，充分摇匀后放置4℃条件下保存24h，以3000 r/min 离心15 min，过滤得到的上清液即为脲酶液，并测定脲酶的活性；

3）取步骤2）得到的脲酶液配制成活性为4000U/L的脲酶溶液，取该脲酶溶液50mL，加3g膨润土并搅拌均匀，喷洒到铺有风积沙的托盘中；随后喷洒50mL胶凝液。其中，所述胶凝液为0.75mol/L尿素与0.75mol/L醋酸钙混合液，膨润土用来增加脲酶在风积沙中的粘附能力。

4）室温静置5天，得到大豆脲酶诱导碳酸钙沉淀产率为72%。

实施例2 比较不同工艺对碳酸钙沉淀产率的影响

方案1-7通过控制不同固液比（此处所述的固液比是指步骤2，豆粉质量与蒸馏水体积比）及胶凝液浓度对比研究不同工艺对碳酸钙沉淀产率的影响。

在步骤（2）中，按照豆粉质量与蒸馏水体积比为1:6、1:8、1:10、1:12、1:14将两者混合。

在步骤（3）中，取50mL脲酶提取液喷洒到风积沙表面，仅添加3g膨润土（不将脲酶提取液配制成特定活性），随后喷洒50mL不同的胶凝液，其余内容同实施例1，结果见表1：

表1

表1的结果说明：胶凝液浓度一定，随固液比增加，碳酸钙沉淀产率先增大后减小，也即脲酶分解尿素的量先增大后减小，在固液比为1：10时，碳酸钙沉淀产率最大；固液比一定，过高的胶凝液浓度会抑制脲酶活性，导致碳酸钙沉淀产率降低，0.75mol/L胶凝液与0.5mol/L胶凝液得到的碳酸钙沉淀产率相对较高，脲酶促使尿素最大分解率所致，但考虑到0.75mol/L胶凝液得到的碳酸钙沉淀量比0.5mol/L胶凝液多，因此，确定最优工艺的固液比为1：10，胶凝液为0.75mol/L尿素与0.75mol/L醋酸钙混合液。（注：表1中胶凝液中，尿素与醋酸钙均为等摩尔浓度混合）。

实施例3：比较不同提取溶剂对碳酸钙沉淀产率的影响

方案1，2，3比较不同提取溶剂对碳酸钙沉淀产率的影响。

在步骤（2）中，按照豆粉质量与不同提取溶剂体积比为1:10将两者混合。

在步骤（3）中，取50mL脲酶提取液喷洒到风积沙表面，仅添加3g膨润土（不将脲酶提取液配制成特定活性），其余内容同实施例1，结果见表2，可见采用添加沸石粉的蒸馏水提取脲酶得到的碳酸钙沉淀产率高于30%乙醇和32%丙酮，且蒸馏水作为提取溶剂，经济环保，便于在实际工程的现场中使用，因此，选择蒸馏水作为提取溶剂。

表2

方案	方案1	方案2	方案3
				提取溶剂	蒸馏水	30%乙醇	32%丙酮
碳酸钙沉淀产率%	85%	58%	23%

Claims (5)

1.植物脲酶固沙方法，包括以下步骤：

1）制备豆粉：将大豆粉碎，过筛，冷藏,备用；

2）提取脲酶：按照豆粉质量与蒸馏水体积比为1:6-1:14将两者混合, 同时加沸石粉，充分摇匀后冷藏过夜，离心，过滤得到的上清液即为脲酶液，测定脲酶的活性；

3）取步骤2）得到的脲酶液配制成活性为4000U/L的脲酶溶液，取该脲酶溶液50mL，加2-3g膨润土并搅拌均匀，然后喷洒到铺有风积沙的托盘中，并且喷洒50mL胶凝液；

4）室温静置，风积沙表面有碳酸钙胶结。

2.根据权利要求1所述的植物脲酶固沙方法，其特征在于，所述胶凝液由等摩尔浓度的尿素和醋酸钙组成，其中，尿素浓度为0.5-1.0mol/L，醋酸钙浓度为0.5-1.0mol/L。

3.根据权利要求1所述的植物脲酶固沙方法，其特征在于，风积沙粒径集中在0.25mm以下,分层均匀平铺在托盘中，厚度为4-5cm。

4.根据权利要求1所述的植物脲酶固沙方法，其特征在于，步骤（2）中，按照豆粉质量与蒸馏水体积比为1:10将两者混合。

5.根据权利要求1所述的植物脲酶固沙方法，其特征在于，步骤（2）中，沸石粉添加量是豆粉质量1.0-1.5%。