CN1924004A - 一种农用氨基酸的生物制取方法及其肥料产品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种农用氨基酸的生物制取方法及肥料产品，属于农业集约化生产技术。从野猪胃肠中分离到一株能高效分泌蛋白酶的微生物菌株37－1，用该菌种接种到废弃蛋白(饼粕类)中，固体酶解5天(30－50℃)，可使游离氨基酸含量达到12％，酶解后的氨基酸混合材料可用作生产氨基酸有机肥、氨基酸有机无机复合肥和氨基酸叶面肥的原料。试验表明，直接施用该氨基酸混合物肥料，比直接施用原料饼粕类增产16％；施用氨基酸有机无机复合肥，比无机复合肥增产9％；施用氨基酸叶面肥，比用化学水解得到的氨基酸叶面肥增产6％，本发明为我国农用氨基酸的生物制取提供了经济有效的技术途径。
Description
一、技术领域
本发明一种农用氨基酸的生物制取方法及其制成的肥料产品，属于农业集约化生产技术，专用于提高作物产量、改善作物品质、提高土壤生物活性等问题。
二、技术背景
自上世纪70年代初以来，大量施用化肥后使我国的单产和总产成倍增长，25年来，由于化肥的贡献使一个含有13亿人口的中国彻底解决了粮食安全问题。由此可见，化肥对我国乃至整个世界作物生产的贡献是不可磨灭的。
然而，正因为化肥在农业生产中的这种贡献，使得人们现在过分依赖于化肥，尤其是化学氮肥，在中国过量施用化学氮肥已经是一件司空见惯的事情，其造成的后果已经相当严重，如过量施用化学氮肥造成作物倒伏而减产，造成作物肉质化而易受病虫害侵袭(造成过多使用农药)，造成作物品质和农产品品味下降，造成土壤综合肥力下降(土壤养分不平衡、土壤生物活性低下等)。针对上述问题，人们通过反思，重新提出施用有机肥料这个问题，但是，经济尤其是农村经济发展到今天，再也不可能让农民去施用传统的有机肥料(organic manures)，因为传统有机肥料具有体积大、养分低、臭味重等缺点。因此，解决上述矛盾的最有效途径就是发展有机无机复合(混)肥料，施用这种肥料既能获得与化肥差不多的产量，更能使作物生长老健而少用农药，明显改善作物品质，也能提高土壤综合肥力，很多农业与土壤肥料领域的专家预测今后的20-30年将是有机无机复合(混)肥的发展时期。
氨基酸有机肥和氨基酸有机无机复合(混)肥是所有有机肥和有机无机复合(混)肥品种中最好的一类，因此，围绕着如何获取农用氨基酸，国内外科学家们进行了很多的研究，大多工作都是采用酸解和碱解废弃蛋白来获得，该方法的优点是氨基酸得率较高，但明显的缺点是水解工艺严重污染环境、生产成本高、废弃蛋白残渣炭化严重(浪费碳源)，所获得的氨基酸生物活性低。本专利技术思路就是针对上述化学水解废弃蛋白获取氨基酸的缺点，采用能高效分泌蛋白酶的微生物菌株固体发酵酶解废弃蛋白，用该工艺获取农用氨基酸的优点是工艺简单、不污染环境、成本很低、所获得的氨基酸生物活性高、废弃残渣不会炭化，其缺点是氨基酸得率没有化学方法的高，但实际上，用该含氨基酸的废弃蛋白做成的氨基酸有机肥料、有机无机复合(混)肥中，所剩余的未被酶解的废弃蛋白可作为该肥料在施入土壤后的中后期所释放的氮素养分，这就是本肥料产品氮素养分供应具备快、中、缓效果的机制所在。
此外，在目前烟草生产中的一个最大问题就是真正的烟草专用肥料品种几乎没有，而市场需求量又很大。传统上种植烟草作物不允许施用有机肥，因为有机肥养分释放在作物生长后期，而烟草需要土壤在中后期养分(氮素)释放很少，这样就可以收获更多的上等叶，因此，烟农们一般都施用无机复合肥。然而，长期施用无机肥，再加上烟草地上部几乎全部收获拿走，使得烟地土壤板结、养分不平衡、土壤微生物活性锐减，而进一步导致烟草连作障碍的发生，严重威胁着烟草生产和烟叶的可持续发展。不少烟农已经认识到烟草土壤上长期不施用有机肥料而导致的恶果，经常在田头做些堆肥或沤肥，再施入土壤，但由于腐熟度掌握不好，仍然使烟草上等叶明显下降。因此，目前烟草生产中急需一种速效性的有机肥料品种，施入土壤后既能改善土壤的理化性状和生物及生物化学性状，又能将养分在烟草作物生长的前期释放出来，含氨基酸的有机无机复合肥就具有这些优点和特征。
三、发明内容
1.技术问题 本发明的目的在于研制出一种农用氨基酸的生物制取方法及其制成的肥料产品，为我国氨基酸有机肥、氨基酸有机无机复合肥的发展提供微生物菌种、生产技术和工艺。
2.技术方案
一种能高效分泌蛋白酶的微生物菌株，其特征在于，该微生物是革兰氏染色阴性的嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)的菌株37-1，2005年11月23日寄存于中国微生物菌种保存管理委员会普通微生物中心，菌种保藏号为CGMCC No：1543。从野猪胃肠等废弃蛋白含量高的环境中分离筛选获得，主要生物学特性为G-、短杆状、好氧，接触酶反应、丙二酸利用、吲哚反应为阳性，V.P反应、M.R试验、硝酸盐还原、亚硝酸盐还原和柠檬酸利用为阴性，分解牛奶产碱、酶凝，不能水解淀粉，耐盐能力≤2％；用该菌株发酵液接种到废弃蛋白(饼粕类)中，固体发酵、酶解4-5天(35-50℃)，可使游离氨基酸含量达到12％，以该氨基酸混合物材料为核心制成不同系列的肥料产品施入土壤后，增产效果显著，经济效益明显。
用上述高效分泌蛋白酶的微生物菌株生物制取农用氨基酸及其肥料产品，其生产方法包括：
从野猪胃肠中分离得到一株能高效分泌蛋白酶的微生物菌株37-1，并将其发酵生产，液体发酵生产配方为：玉米粉1.25-2.0％、饼粕1.8-3.0％、氯化钠0.2-0.75％、碳酸钠0.01-0.1％、淀粉酶0.1％-0.2％，液体发酵所获得的菌液的活菌数可以达到1×1011个/ml，将该菌株的发酵液加入到菜粕等饼粕类原料中，调节含水量55-65％、pH6.0-7.5、进行开放式固体发酵，待发酵温度上升至50℃时立即开始翻堆，以后每天翻堆，使堆温始终维持在35-50℃共5天，固体发酵开始后，堆物的pH会不断上升，到发酵中后期随着pH的逐步升高伴有一定量的氨挥发，因此，应该趁每次翻堆时用味精下脚液体(含酸液体)调节含水量和pH，使它们分别维持在55-65％和6.0-7.0，以抑制氨挥发，发酵终止时用味精下脚液进行喷洒，直至堆物pH调整为5.0左右，再进行低温干燥(＜80℃)或自然凉干(含水量＜30％)获得含氨基酸的混合材料。
将上述的含氨基酸的混合材料粉碎后直接制备肥料或者与其他来源的有机堆肥进行混配制成2-12％氨基酸含量的氨基酸有机肥；与一定比例的氮磷钾化肥和黏结剂混合搅拌后造粒、干燥制成含2-10％氨基酸的有机无机复合肥料产品。其中氨基酸有机肥料产品，主要技术含量可以调配为游离氨基酸2-12％，氮(N)1-5％，磷(P2O5)0-2％，钾(K2O)0-2％，有机质≥30％；氨基酸有机无机复合(混)肥产品，主要技术含量可以调配为游离氨基酸2-8％，氮(N)4-10％，磷(P2O5)1-5％，钾(K2O)1-5％，有机质≥20％。其生产方法中所用的无机氮肥是氯化铵或硫酸铵或尿素或硝酸铵，所用的无机磷肥为磷铵或过磷酸钙，所用的无机钾肥为氯化钾或硫酸钾。
有益效果本发明利用微生物来发酵生产农用氨基酸，再与一定量的无机氮肥、磷肥和钾肥混合后制成氨基酸有机无机复合肥，其肥料产品与目前市场上的产品相比具有如下优点：
1.本发明方法可使产品中游离氨基酸含量达到12％，肥料产品中含有高量(2-12％)的氨基酸类物质，对作物既有营养作用，又有活化土壤微生物活动，从而刺激植物生长的作用。
2.氨基酸混合材料可用作生产氨基酸有机肥、氨基酸有机无机复合肥和氨基酸叶面肥的原料。肥料产品中含有无机氮肥(速效)、氨基酸态氮(速、中效)和未被水解的一小部分有机态氮(缓效)，施用该肥料后土壤氮素的供应更与植物需求过程相吻合，这是本产品能使作物高产稳产的机制所在，尤其是适合烟草这类作物养分的需求特征。
3.本发明产品生产原料来源广而丰富，且为农业固体废弃物，原料成本很低，生产工艺简便，固定资产投入少，生产过程中耗电耗水极少，因此产品价位低而针对性强，而且象这种特制专用肥目前在市场上非常紧缺，因此本产品具有强大的社会、环境和经济生命力。
4.田间生物试验结果表明，直接施用该氨基酸混合物肥料，比直接施用原料饼粕类增产16％(等价格肥料相比)；施用以该氨基酸混合物为原料生产的氨基酸有机无机复合肥，比无机复合肥增产9％(等价格肥料相比)；施用以该氨基酸混合物为原料生产的氨基酸叶面肥，比用化学水解得到的氨基酸叶面肥增产6％(而产品价格则低50％)。施用含氨基酸有机无机复合肥后在水稻作物上的平均增产率16％，在烟草作物上的平均增产率9％，且能显著提高烟草上等叶的比例和改善烟草土壤的性状。施用含氨基酸有机肥料后能显著克服作物连作土传病害。
四、具体实施方式
1.液体菌种的扩大培养
保藏菌种→斜面活化(NB培养基、37度培养24-48小时)→摇瓶种子培养(种子培养基、37度培养24-36小时、转速120-200转/分钟)→发酵种子培养(种子培养基、37度种子罐培养24-36小时)→发酵培养(液体发酵生产配方、37度发酵罐培养24-36小时)→发酵液→固体物吸附形成固体发酵菌种→低温(4-10度)保存备用。
种子培养基配方为：牛肉膏0.1-0.5％，蛋白胨0.25-0.8％，葡萄糖0.15-0.7％，氯化钠0.15-0.6％，pH7.0-7.5。
液体发酵生产培养基配方为：玉米粉1.25-2.0％、饼粕1.8-3.0％、氯化钠0.2-0.75％、碳酸钠0.01-0.1％、淀粉酶0.1％-0.2％。
2.固体发酵物料的制备
生产原料饼粕与1-2％的氧化钙和碳酸氢钠进行干混5-10分钟后，边搅拌边流加自来水约1m3左右，含水量控制在60-65％、pH调整为6.0-7.5，要求物料混合均匀、疏松不结块。
3.固体发酵调节与控制
在配制好的物料中，按照1-5％的接种量接种液体菌种(发酵液)，接种物料建堆(高度2m左右)发酵，观察堆温和pH变化，当堆温上升到50度时开始第一次翻堆，以后1-2天堆温持续快速上升，注意翻堆降温，堆温控制在50度以下；发酵过程中物料pH先下降后升高，当pH上升到8.0时，有氨味出现，此时结合翻堆过程喷洒味精废液(pH1-3)以调节pH和含水量，使pH始终维持在6.0-7.5，物料含水量维持在60-65％，继续进行发酵，5天后有一定的氨气味出现终止酶解过程，立即使用味精废液进行喷洒使pH下降到5.0左右，同时进行低温干燥或者晾干，获得含游离氨基酸10％-12％的混合材料。
4.含氨基酸肥料产品制作
上述所获得的酶解后的氨基酸混合材料可直接用作肥料，也可用作生产氨基酸有机肥、氨基酸有机无机复合肥和氨基酸叶面肥的原料。田间生物试验结果还表明，直接施用该氨基酸混合物肥料，比直接施用原料饼粕类增产16％(等价格肥料相比)；施用以该氨基酸混合物为原料生产的氨基酸有机无机复合肥，比无机复合肥增产9％(等价格肥料相比)；施用以该氨基酸混合物为原料生产的氨基酸叶面肥，比用化学水解得到的氨基酸叶面肥增产6％(而产品价格则低50％)。
以本发明方法所获得的含氨基酸的混合材料为主要原料粉碎后，与有机堆肥复配制成含氨基酸有机肥料(见表1)，与无机肥料复配制成含氨基酸有机无机复合肥料(见表2)，造粒烘干，制成相应的产品。
表1本产品1(含氨基酸有机肥料)某些特性
| 总有机质(％) | 水溶性碳(％) | 氨基酸含量(％) | 全氮(％) | 全磷(P2O5)(％) | 全钾(K2O)(％) | pH(水浸提) |
| 31.1 | 8.03 | 10.64 | 4.03 | 2.31 | 1.46 | 6.80 |
表2本产品2(含氨基酸有机无机复合肥料)某些特性
| 总有机质(％) | 可溶性碳(％) | 氨基酸含量(％) | 全氮(％) | 全磷(P2O5)(％) | 全钾(K2O)(％) | pH(水浸提) |
| 20.1 | 4.56 | 4.64 | 8.22 | 3.14 | 5.39 | 6.56 |
所研制的含氨基酸有机肥(表1)施入土壤后对连作土壤上番茄和西瓜作物的增产效应非常显著(见表3)，由表3可知在有番茄和西瓜连作障碍的土壤上如果不施用本产品，番茄和西瓜的产量很低，而没有连作障碍的同样的土壤上产量较高，说明试验所用的土壤连作障碍很严重，在有连作障碍的土壤上施用本产品后番茄和西瓜的产量聚增(表3第3行)，他们分别达到了没有连作障碍土壤产量的84.8％和85.2％，说明本产品在克服经济作物连作障碍效果方面是非常明显的。
表3所研制的特种含氨基酸有机肥对连作土壤上作物的增产效应(田间试验)
| 番茄果子鲜重(g/株) | 西瓜果子鲜重(g/株) | |
| CK1(有连作障碍的土壤) | 50.5±3.4 | 378±30.5 |
| CK2(无连作障碍的土壤) | 408±21.9 | 4667±239 |
| CK1+本产品(100kg/亩) | 346±52.7 | 3978±256 |
| CK2+本产品(100kg/亩) | 567±43.2 | 5823±309 |
注：所有肥料均一次性施入
所研制的含氨基酸有机无机复合肥(表2)对烟草生长和烟草上等叶的促进作用非常明显，从表4可看出在烟草初采期施用氨基酸有机无机复合肥处理的烟草株高、叶数和叶片大小明显高于当地有机无机复合肥和当地常规施肥处理，从田间的长势长相也看出施用氨基酸有机无机复合肥处理的烟草要好于其他二个处理。
表4：含氨基酸有机无机复合肥对烟草生长的影响
云南小区试验初采期农艺性状调查结果(cm)
| 处理 | 株高 | 茎围 | 节距 | 叶数 | 上部叶(长×宽) | 中部叶(长×宽) | 下部叶(长×宽) | |
| 祥云 | T1T2T3 | 116.27110.13103.7 | 10.9610.7510.3 | 5.485.455.29 | 21.720.0019.58 | 58.4×23.158.13×22.357.38×21.86 | 72.07×31.7770.33×28.7371.68×28.65 | 69.47×31.8367.2×31.266.95×30.76 |
| 弥渡 | T1T2T3 | 119.0116.2111.4 | 10.510.3210.1 | 5.705.415.33 | 20.420.019.8 | 57.0×21.0×52.6×18.752.5×17.5 | 77.5×38.674.2×35.775.2×26.5 | 69.7×32.963.0×32.0065.0×32.6 |
| 南涧 | T1T2T3 | 92.7592.2790.18 | 10.489.729.50 | 5.395.135.21 | 19.018.918.7 | 60.2×15.450.76×13.551.2×14.4 | 69.7×25.4869.0×24.5368.7×23.4 | 66.9×31.363.3×31.0064.3×29.7 |
注：T1：氨基酸有机无机复合肥，T2：当地有机无机复合肥，T3：当地常规施肥。
从表5可看出施用氨基酸有机无机复合肥处理的烟草产量和烟草上等叶比例均显著高于当地有机无机复合肥和当地常规施肥，由于肥料用量均是按肥料产品当地等价格肥料投入来计算的，因此，施用本氨基酸有机无机复合肥对烟农的经济收入有明显增加，显示出该肥料有广阔的市场前景。
表5：含氨基酸有机无机复合肥对烟草上等叶和烟叶产量的影响(云南小区试验)
| 处理 | 亩产量(kg) | 上等叶比例(％) | |
| 祥云 | T1T2T3 | 186.37178.26164.33 | 55.5748.6545.39 |
| 弥渡 | T1T2T3 | 177.86165.31158.49 | 57.3745.6841.45 |
| 南涧 | T1T2T3 | 176.67155.48150.45 | 54.1845.4641.89 |
注：T1：氨基酸有机无机复合肥，T2：当地有机无机复合肥，T3：当地常规施肥。
Claims (8)
1.一种能高效分泌蛋白酶的微生物菌株，其特征在于，该微生物是革兰氏染色阴性的嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)的菌株37-1，2005年11月23日寄存于中国微生物菌种保存管理委员会普通微生物中心，菌种保藏号为CGMCC No：1543。
2.一种农用氨基酸的生物制取方法，其特征在于，将权利要求1所述菌株37-1，进行液体发酵的发酵液加入到饼粕类原料中，调节含水量55-65％和pH6.0-7.5，进行开放式固体发酵，待发酵温度上升至50℃时立即开始翻堆，以后每天翻堆，使堆温始终维持在35-50℃共5天，固体发酵开始后，堆物的pH会不断上升，每次翻堆时用含酸液体调节含水量和pH，使它们分别维持在55-65％和6.0-7.0，发酵终止时再用含酸液体进行喷洒，直至堆物pH调整为5.0左右，再进行低温干燥或自然凉干，即为获得的含氨基酸的混合材料。
3.根据权利要求2所述一种农用氨基酸的生物制取方法，其特征在于，液体发酵生产质量比配方为：玉米粉1.25-2.0％、饼粕1.8-3.0％、氯化钠0.2-0.75％、碳酸钠0.01-0.1％、淀粉酶0.1％-0.2％。
4.根据权利要求2或3所述一种农用氨基酸的生物制取方法，其特征在于，用来调节含水量和pH值的含酸液体为味精下脚液体。
5.用权利要求2-4之一所述方法所制成的肥料产品。
6.根据权利要求5所述的肥料产品，其特征在于，将权利要求2-4之一所述方法获得的含氨基酸的混合材料粉碎后直接制备的肥料；或者与其他来源的有机堆肥进行混配制成2-12％氨基酸质量比含量的氨基酸有机肥；或者与氮磷钾化肥混合制成含2-10％氨基酸的有机无机复合肥料产品。
7.根据权利要求5或6所述的肥料产品，其中氨基酸有机肥料产品，主要技术含量可以调配为游离氨基酸2-12％，氮(N)1-5％，磷(P2O5)0-2％，钾(K2O)0-2％，有机质≥30％；氨基酸有机无机复合(混)肥产品，主要技术含量可以调配为游离氨基酸2-8％，氮(N)4-10％，磷(P2O5)1-5％，钾(K2O)1-5％，有机质≥20％。
8.根据权利要求5或6所述的肥料产品，其生产方法中所用的无机氮肥是氯化铵或硫酸铵或尿素或硝酸铵，所用的无机磷肥为磷铵或过磷酸钙，所用的无机钾肥为氯化钾或硫酸钾。
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