CN110438163A - 利用造纸黑液改性制备水稻耐盐专用小分子有机物的方法 - Google Patents

利用造纸黑液改性制备水稻耐盐专用小分子有机物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了利用造纸黑液制备水稻耐盐专用小分子有机物的方法，包括如下步骤：(1)将造纸黑液中的有机物进行提取并纯化，将纯化后的有机物分离得到大分子量有机物和小分子量有机物；(2)将小分子量有机物进行改性并嫁接活性官能团得到第一耐盐小分子有机物；(3)将大分子量有机物进行改性降低其分子量并增加酚羟基含量得到第二耐盐小分子有机物。本发明既可以在水稻直播前浸种以提高种子的发芽率和生根能力，也可以在水稻插秧前灌秧以促进水稻根系的生长和幼苗的耐盐性，还可以与肥料掺混后一同施入土壤从而达到增产的效果。

Description

利用造纸黑液改性制备水稻耐盐专用小分子有机物的方法
技术领域
本发明涉及资源再利用技术领域，具体涉及利用造纸黑液改性制备水稻耐盐专用小分子有机物的方法。
背景技术
造纸黑液是造纸过程中产生的富含大量有机质的环境污染物，传统造纸黑液处理方法如物理、化学、电化学和微生物发酵等方法不仅会造成资源浪费，还极易引发二次污染。经研究发现，造纸黑液中50-60％的有机物质与天然黄腐酸具有相似的光谱性质，如果将造纸黑液中的有机物质进行回收利用，不仅有利于减少资源浪费，还能够减轻排放过程中对环境造成的污染，对于维护工业—农业可持续发展具有重要的现实意义。
造纸黑液中的有机物作为生物刺激素已逐渐被开发应用于农业生产中，并被证明具有促进植株生长、提高作物产量以及增强作物耐盐胁迫的能力。前期研究发现，该有机物提高水稻耐盐胁迫的生理活性受分子量大小，官能团分布，以及脂肪、多肽和氨基酸结构含量等影响：在分子量小于10kDa时具有较高的生理活性，且其抗氧化能力和施用效果会随小分子物质中酚羟基含量的增加而提高；但在分子量大于10kDa时，较高的分子量反而在一定程度上抑制了其生理活性。因此，在避免损失的前提下降低造纸黑液中有机物的分子量，并增加其官能团含量提高抗氧化能力，是造纸黑液深度开发及再利用的新思路。
专利申请号为201710765056.X，专利名称为一种利用碱法制浆工艺产生的造纸黑液制备得到的有机肥及其制备方法的专利申请仅公开了将造纸黑液通过菌种发酵后与腐殖酸混合制备成有机肥，并未有效提高黑液中的活性官能团含量，也未能降低其分子量。专利申请号为201610847821.8，专利名称为一种从造纸黑液中高效提取黄腐酸类物质的方法，虽然公开了利用氧化剂氧化的手段降低造纸黑液中有机物的分子量并增加羧基官能团含量，但该方法并未提高耐胁迫相关的酚羟基以及其它促生含氮官能团的含量，同时也缺乏在水稻耐盐上的应用。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种利用造纸黑液改性制备有机物的方法。本发明通过超过滤的方法将造纸黑液中的有机物按照分子量大小进行分级，并针对性的采用不同方式对不同分子量的有机物进行改性以提高其生理活性。具体来说，针对小分子量有机物，将谷氨酸和阿魏酸作为官能团的来源，利用漆酶氧化过程中产生的自由基，将谷氨酸以及阿魏酸嫁接到有机物中以增加小分子有机物中含N官能团、羧基以及酚羟基的含量，同时为避免改性造成分子量的增加，利用少量淀粉酶以及半纤维素分解酶对其降解；针对大分子量有机物，在碱性条件下，以甲酸为供氢体，氧化铝、活性炭和沸石为催化剂，在高温高压下发生加氢还原反应来降低其分子量并增加酚羟基以及羧基的含量，同时加入阻聚剂可抑制反应产物的聚合而避免再次自组装形成大分子物质。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种利用造纸黑液制备水稻耐盐专用小分子有机物的方法，包括如下步骤：
(1)将造纸黑液中的有机物进行提取并纯化，将纯化后的有机物分离得到大分子量有机物和小分子量有机物；
(2)将小分子量有机物进行改性并嫁接活性官能团得到第一耐盐小分子有机物；
(3)将大分子量有机物进行改性降低其分子量并增加酚羟基含量得到第二耐盐小分子有机物。
优选的，所述小分子量有机物为分子量<10kDa的有机物，所述大分子量有机物为分子量>10kDa的有机物。
优选的，步骤(1)是将造纸黑液进行浓缩，调节pH＝2后进行离心，然后滤去沉淀得到粗质有机物；将粗质有机物泵入树脂柱中，用去离子水冲洗树脂柱去除多余盐类，再将树脂柱中的物质进行洗脱，洗脱后的溶液去除金属阳离子即得纯化有机物；将纯化有机物的pH调节至7，然后分离成小分子有机物和大分子有机物。
优选的，树脂柱中的物质进行洗脱时是通过浓度为0.1mol/L的NaOH，洗脱后的溶液去除金属阳离子是通过氢饱和阳离子交换树脂。
优选的，所述造纸黑液浓缩至质量分数为60％，在8000rpm条件下离心10-30min；通过蠕动泵将粗质有机物泵入AmberliteXAD-8树脂柱(高度/直径＝10:1)，进样速度控制为5ml/min；进样结束后以4倍树脂体积的去离子水过冲洗树脂柱以去除多余盐类；小分子有机物和大分子有机物分离是通过10kDa的滤膜。
优选的，步骤(2)中的小分子量有机物改性是在小分子有机物中加入能提供含氮官能团、羧基以及酚羟基的物质，然后调节pH至6.5，加入酶并震荡，震荡后经沸水浴，即得第一耐盐小分子有机物。
优选的，所述提供含氮官能团、羧基以及酚羟基的物质为谷氨酸和阿魏酸，其中谷氨酸和阿魏酸的质量比为(1-3)：(1-2)；
所述酶为漆酶、淀粉酶和半纤维素分解酶的组合，其中漆酶、淀粉酶和半纤维素的质量比为5：3：2。通过上述酶活化有机质以提供自由基进行官能团嫁接的同时还能加速有机物的分解，避免大分子物质的生成。
优选的，提供含氮官能团、羧基以及酚羟基的物质，酶以及小分子有机物的固液比为(2-5)g：(0.5-1)g：2000ml。
优选的，所述震荡是在恒温震荡箱中震荡5-10h，沸水浴时间为10min。
优选的，步骤(3)中的大分子量有机物改性是在大分子量有机物中加入碱使大分子量有机物在碱性条件下解聚,加入供氢体和催化剂进行加氢还原反应，然后加入阻聚剂充分混合反应，即得第二耐盐小分子有机物。加氢还原反应能够降低其分子量并增加酚羟基含量。
优选的，所述碱是浓度为2mol/L的NaOH；所述供氢体为甲酸；所述催化剂为氧化铝、活性炭和沸石的组合，其中氧化铝、活性炭和沸石的质量比为5：2：3；所述阻聚剂为硼酸。
优选的，大分子有机物，NaOH，甲酸，催化剂，硼酸的固液比为2000ml：(5-10)ml：(5-10)ml：(2-5)g：(2-3)g。
优选的，充分混合反应是在温度为100-120℃，压强为1-2MPa的反应釜中反应1-2h。
本发明的第二方面，提供一种小分子有机物，由上述方法制备得到的第一耐盐小分子有机物和第二耐盐小分子有机物中的至少一种组成。
优选的，所述小分子有机物由1-6份的第一耐盐小分子有机物和1-2份的第二耐盐小分子有机物组成。
本发明的第三方面，提供上述小分子有机物具有如下(1)-(3)至少一项用途：(1)提高水稻种子在盐碱条件下的发芽率和生根能力；(2)促进水稻根系在盐碱条件下的生长和幼苗的耐盐性；(3)增加水稻在盐碱条件下的产量。
本发明的第四方面，提供利用小分子有机物提高水稻耐盐性和产量的方法，利用上述的小分子有机物在水稻直播前浸种，或利用其在水稻插秧前灌秧，或将其与肥料掺混后一同施入土壤。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过对造纸黑液中有机物改性制备了一种高活性的小分子有机物，该有机物是一种多功能性的生长调节剂，既可以在水稻直播前浸种以提高种子的发芽率和生根能力，也可以在水稻插秧前灌秧以促进水稻根系的生长和幼苗的耐盐性，还可以与肥料掺混后一同施入土壤从而达到增产的效果；
(2)本发明提取来源为有机废弃物，加工工艺简单，提取成本低廉，便于规模化生产，相较于其它生物刺激素的制备方法，该工艺能耗低且无有害气体排放，属于环境友好型工艺；
(3)改性过程将大分子有机物活化为小分子，降低了分子量，并增加酚羟基以及羧基的含量；将小分子有机物添加了含氮活性官能团，并增加了酚羟基含量，二者共同作用，进一步提高了有机物的生理活性；
(4)本发明通过不同方式对不同分子量的有机进行物针对性的改性，最大程度上避免了有机碳的损失；
(5)本发明有机物绿色环保，低价高效，作为生物刺激素不仅能够广谱的适用于水稻直播、插秧、机播等种植方式，还具有促进种子萌发，加速根系伸长，刺激作物生长、缓解抗逆胁迫等优点，有利于在农业生产中大规模推广，具有广阔的开发价值和应用前景。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备，除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1：小分子有机物的制备
包括以下步骤：(1)造纸黑液中有机物的提取和纯化：将造纸黑液质量分数浓缩为60％，调节pH＝2，于8000rpm条件下离心20min，去除沉淀得到粗质有机物；通过蠕动泵将粗质有机物泵入AmberliteXAD-8树脂柱，进样速度控制为5ml/min；进样结束后用4倍树脂体积的去离子水过柱以去除盐类；随后通过0.1mol/L的NaOH将树脂柱中的物质进行洗脱；将洗脱后的溶液通过氢饱和阳离子交换树脂去除其中的金属阳离子，既得到纯化后的有机物溶液；将纯化后的有机物溶液调节pH为7，然后通过10kDa的滤膜将纯化的有机物溶液分离为小分子量有机物和大分子量有机物。
(2)小分子量有机物的改性：在2000ml的小分子量有机物中加入1g谷氨酸和2g阿魏酸，调节pH至6.5，加入1g漆酶、淀粉酶和半纤维素分解酶，其中漆酶、淀粉酶和半纤维素分解酶质量比为5：3：2，于恒温震荡箱中振荡5h，震荡结束后于水浴锅中沸水浴10min，即得第一耐盐小分子有机物。
第一耐盐小分子有机物的分子量为0.4-8kDa，其中酚羟基含量为17mmol/g，羧基含量为11mmol/g，含N官能团含量为6mmol/g。
(3)大分子量有机物的改性：在2000ml大分子量有机物中加入5ml浓度为2mol/L的NaOH，加10ml甲酸，加入2g催化剂，所述催化剂包括氧化铝、活性炭和沸石，其中氧化铝、活性炭和沸石的质量比为5：2：3，并加入2g硼酸，在温度100℃，压强为1.2MPa的反应釜中反应1h，即得第二耐盐小分子有机物。
第二耐盐小分子有机物的分子量为0.2-5kDa，其中酚羟基含量为18mmol/g，羧基含量为10mmol/g，含N官能团含量为6mmol/g。
实施例2：小分子有机物的制备
包括以下步骤：(1)造纸黑液中有机物的提取和纯化：将造纸黑液质量分数浓缩为60％，调节pH＝2，于8000rpm条件下离心20min，去除沉淀得到粗质有机物；通过蠕动泵将粗质有机物泵入AmberliteXAD-8树脂柱，进样速度控制为5ml/min；进样结束后用4倍树脂体积的去离子水过柱以去除盐类；随后通过0.1mol/L的NaOH将树脂柱中的物质进行洗脱；将洗脱后的溶液通过氢饱和阳离子交换树脂去除其中的金属阳离子，既得到纯化后的有机物溶液；将纯化后的有机物溶液调节pH为7，然后通过10kDa的滤膜将纯化的有机物溶液分离为小分子量有机物和大分子量有机物。
(2)小分子量有机物的改性：在2000ml的小分子量有机物中加入2g谷氨酸和2g阿魏酸，调节pH至6.5，加入1g漆酶、淀粉酶和半纤维素分解酶，其中漆酶、淀粉酶和半纤维素分解酶质量比为5：3：2，于恒温震荡箱中振荡10h，震荡结束后于水浴锅中沸水浴10min，即得第一耐盐小分子有机物。
第一耐盐小分子有机物的分子量为0.5-10kDa，其中酚羟基含量为16mmol/g、羧基含量为12mmol/g，含N官能团含量为8mmol/g。
(3)大分子量有机物的改性：在2000ml大分子量有机物中加入5ml浓度为2mol/L的NaOH，加5ml甲酸，加入1.5g催化剂，所述催化剂包括氧化铝、活性炭和沸石，其中氧化铝、活性炭和沸石的质量比为5：2：3，并加入1g硼酸，在温度100℃，压强为1.2MPa的反应釜中反应2h，即得第二耐盐小分子有机物。
第二耐盐小分子有机物的分子量为0.2-6kDa，其中酚羟基含量为16mmol/g，羧基含量为8mmol/g，含N官能团含量为7mmol/g。
实施例3：小分子有机物的制备
包括以下步骤：(1)造纸黑液中有机物的提取和纯化：将造纸黑液质量分数浓缩为60％，调节pH＝2，于8000rpm条件下离心20min，去除沉淀得到粗质有机物；通过蠕动泵将粗质有机物泵入AmberliteXAD-8树脂柱，进样速度控制为5ml/min；进样结束后用4倍树脂体积的去离子水过柱以去除盐类；随后通过0.1mol/L的NaOH将树脂柱中的物质进行洗脱；将洗脱后的溶液通过氢饱和阳离子交换树脂去除其中的金属阳离子，既得到纯化后的有机物溶液；将纯化后的有机物溶液调节pH为7，然后通过10kDa的滤膜将纯化的有机物溶液分离为小分子量有机物和大分子量有机物。
(2)小分子量有机物的改性：在2000ml的小分子量有机物中加入2g谷氨酸和1g阿魏酸，调节pH至6.5，加入0.5g漆酶、淀粉酶和半纤维素分解酶，其中漆酶、淀粉酶和半纤维素分解酶质量比为5：3：2，于恒温震荡箱中振荡8h，震荡结束后于水浴锅中沸水浴10min，即得第一耐盐小分子有机物。
第一耐盐小分子有机物的分子量为0.5-10kDa，其中酚羟基含量为16mmol/g，羧基含量为12mmol/g，含N官能团含量为8mmol/g。
(3)大分子量有机物的改性：在2000ml大分子量有机物中加入6ml浓度为2mol/L的NaOH，加8ml甲酸，加入2g催化剂，所述催化剂包括氧化铝、活性炭和沸石，其中氧化铝、活性炭和沸石的质量比为5：2：3，并加入1g硼酸，在温度100℃，压强为1.2MPa的反应釜中反应2h，即得第二耐盐小分子有机物。
第二耐盐小分子有机物的分子量为0.3-6kDa，其中酚羟基含量为16mmol/g，羧基含量为11mmol/g，含N官能团含量为7mmol/g。
应用例1
利用实施例1制备的第一耐盐小分子有机物做浸种处理应用于盐碱地的直播水稻中，与不做浸种处理的盐碱地直播水稻做对比，成苗率提高12％，增产9％。
应用例2
利用实施例1制备的第二耐盐小分子有机物做浸种处理应用于盐碱地的直播水稻中，与不做浸种处理的盐碱地直播水稻做对比，成苗率提高14％，增产11％。
应用例3
将实施例1制备的第一耐盐小分子有机物和第二耐盐小分子有机物按照6:1的比例混合制得小分子有机物，利用上述小分子有机物做浸种处理应用于盐碱地的直播水稻中，与不做浸种处理的盐碱地直播水稻做对比，成苗率提高24％，增产20％。
应用例4
将实施例2制备的第一耐盐小分子有机物和第二耐盐小分子有机物按照4:1的比例混合制得小分子有机物，利用上述小分子有机物做浸种处理应用于盐碱地的直播水稻中，与不做浸种处理的盐碱地直播水稻做对比，成苗率提高18％，增产15％。
应用例5
将实施例3制备的第一耐盐小分子有机物和第二耐盐小分子有机物按照5:1的比例混合制得小分子有机物，利用上述小分子有机物做浸种处理应用于盐碱地的直播水稻中，与不做浸种处理的盐碱地直播水稻做对比，成苗率提高18％，增产16％。
通过上述各个应用例之间的对比可知，应用例3效果最优，即实施例1制备得到的第一耐盐小分子有机物和第二耐盐小分子有机物按照6:1的比例混合制得小分子有机物，其成苗率和增产效果最优，只应用第一耐盐小分子有机物浸种处理或只应用第二耐盐小分子有机物浸种处理的成苗率和增产效果均低于两者混合后浸种处理的成苗率和增产效果。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.利用造纸黑液制备水稻耐盐专用小分子有机物的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将造纸黑液中的有机物进行提取并纯化，将纯化后的有机物分离得到大分子量有机物和小分子量有机物；
(2)将小分子量有机物进行改性并嫁接活性官能团得到第一耐盐小分子有机物；
(3)将大分子量有机物进行改性降低其分子量并增加酚羟基含量得到第二耐盐小分子有机物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述小分子量有机物为分子量<10kDa的有机物，所述大分子量有机物为分子量>10kDa的有机物。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中的小分子量有机物改性是在小分子有机物中加入能提供含氮官能团、羧基以及酚羟基的物质，然后调节pH至6.5，加入酶并震荡，震荡后经沸水浴，即得第一耐盐小分子有机物。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述提供含氮官能团、羧基以及酚羟基的物质为谷氨酸和阿魏酸，其中谷氨酸和阿魏酸的质量比为(1-3)：(1-2)；
所述酶为漆酶、淀粉酶和半纤维素分解酶的组合，其中漆酶、淀粉酶和半纤维素的质量比为5：3：2。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中的大分子量有机物改性是在大分子有机物中加入碱使大分子量有机物在碱性条件下解聚,加入供氢体和催化剂进行加氢还原反应，然后加入阻聚剂充分混合反应，即得第二耐盐小分子有机物。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述碱为NaOH；
所述供氢体为甲酸；
所述催化剂为氧化铝、活性炭和沸石的组合，其中氧化铝、活性炭和沸石的质量比为5：2：3；
所述阻聚剂为硼酸。
7.一种小分子有机物，其特征在于：由权利要求1-6任一项方法制备得到的第一耐盐小分子有机物和第二耐盐小分子有机物中的至少一种组成。
8.根据权利要求7所述的小分子有机物，其特征在于：由1-6份的第一耐盐小分子有机物和1-2份的第二耐盐小分子有机物组成。
9.权利要求7-8任一项所述的小分子有机物具有如下(1)-(3)至少一项用途：(1)提高水稻种子在盐碱条件下的发芽率和生根能力；(2)促进水稻根系在盐碱条件下的生长和幼苗的耐盐性；(3)增加水稻在在盐碱条件下的产量。
10.利用小分子有机物提高水稻耐盐性和产量的方法，其特征在于：利用权利要求7-8任一项所述的小分子有机物在水稻直播前浸种，或利用其在水稻插秧前灌秧，或将其与肥料掺混后一同施入土壤。
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