CN115322035A - 一种多功能大豆蛋白基肥料助剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大豆蛋白基肥料助剂，还涉及所述肥料助剂的制备方法和使用方法。所述制备方法包括混合溶解、搅拌反应、pH调节、干燥几个步骤。本发明所述的大豆蛋白基肥料助剂可以在N、P、K肥、复混肥及微生物肥料生产和施用中添加使用，其质量比例为0.1％‑10％。本发明中所述的多功能大豆蛋白基肥料助剂，具有改善土壤环境促进土壤微生物生长，降低氨挥发损失和硝态氮淋溶损失、提高土壤氨氮含量、增强肥料缓释性能、增加作物有机质积累的作用。除此之外，该发明中所述肥料助剂环境友好，提高土壤含水和保水能力。
Description
技术领域
本发明属于化肥增效技术领域。尤其涉及一种多功能大豆蛋白基肥料助剂及其制备方法和应用。
背景技术
中国是全球最大的氮肥生产国和消费国，占全球总氮肥用量的30％以上。氮肥利用率低是我国农业生产中存在的主要问题，我国氮肥利用率介30％～35％之间，而在欧洲、美洲等一些发达国家，氮肥利用率高达70％左右。除了氮肥外，我国磷肥的利用率也仅在15％～25％，钾肥在30-50％。肥料利用率低除了农户不科学地施加肥料的主观因素外，也存在淋溶作用、土壤退化板结等客观因素。尤其是氮肥，大量事实表明，氮肥损失的主要途径是铵态氮肥的氨挥发，也包括尿素转化后氨的挥发；硝态氮肥和尿素的直接淋失，以及水田中反硝化作用所引起的气态氮损失。
据研究表明，提高土壤保水能力，可在一定程度上减少可淋溶性养分的淋溶损失，显著提高肥料的利用率；而在减少氨挥发的研究方面，多集中在脲酶抑制剂和硝化抑制剂以及聚氨基酸类增效剂两大类。现阶段聚-γ-谷氨酸(γ-PGA)在肥料增效剂市场最为普遍，其增效原理是由于其分子链上含有大量活性官能团(-COOH)，具有亲水性、离子络合性、空间结构性等特性，进而影响肥料养分的存在，降低养分流失，实现作物对养分的快速、高效吸收，提高肥料利用率。但聚谷氨酸的生产方式为生物发酵，存在成本较高的问题。
大豆蛋白为天然植物蛋白，其氨基酸组成与牛奶蛋白质相近。大豆蛋白中含有18种氨基酸，以谷氨酸含量最高；其次为天门冬氨酸；精氨酸、亮氨酸和赖氨酸次之，这几种氨基酸使得大豆蛋白富有活性基团，在肥料领域具有保水增效的应用潜力。与此同时，蛋白质在自然界中容易降解为氨基酸，可作为作物有机碳源、有机氮源，直接参与代谢过程。本发明人在现有技术基础上进行了大量试验工作，通过一步法化学修饰将大豆蛋白改性为具有固氮、改善土壤环境促进土壤微生物生长的大豆蛋白基肥料助剂，本发明助剂可以明显减少氮肥的氨挥发，和硝态氮的淋溶损失，提高土壤氨氮含量，促进土壤微生物生长和根系发育，提高肥效，安全环保。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种多功能大豆蛋白基肥料助剂，能够减少氮肥的氨挥发，和硝态氮的淋溶损失，提高土壤氨氮含量，促进土壤微生物生长和根系发育。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多功能大豆蛋白基肥料助剂的制备方法，包括以下步骤：
a将大豆蛋白、蛋白基团修饰剂、催化剂、溶剂混合均匀，形成均一混合液；
b.将混合液pH调节为8-9，并加入催化剂，开启搅拌开始反应，反应期间应实时检测pH并保持pH在8-9范围内；
c.反应结束后，将样品pH调节至中性，并将样品干燥即得最终产品。
通常地，步骤(a)所述的大豆蛋白的分子量为5000-50000。
通常地，步骤(a)所述的蛋白基团修饰剂为丁二酸酐、马来酸酐、戊二酸酐中的一种或多种。
通常地，步骤(a)所述的催化剂为4-二甲氨基吡啶(DMAP)、N,N-二异丙基乙胺(DIEA)、三乙胺、乙二胺中的一种或多种。
通常地，步骤(a)所述的溶剂为乙腈、乙醇、甲醇、水中的一种或多种。
通常地，步骤(b)所述pH调节剂为KOH。
通常地，步骤(c)所述pH调节剂为磷酸。
通常地，步骤(c)所述干燥方法为喷雾干燥。
进一步地，蛋白基团修饰剂与大豆蛋白的质量比为2-5：10。
进一步地，所述的催化剂与大豆蛋白的质量比为0-3:10。
进一步地，反应时应控制体系pH在8-9。
进一步地，反应条件为常温下8h-24h。
进一步地，反应结束时应控制体系pH为中性。
采用上述的方法制备的一种多功能大豆蛋白基肥料助剂。
上述的一种多功能大豆蛋白基肥料助剂，可以在N、P、K肥、复混肥及微生物肥料生产和施用中添加应用，其质量比例为0.1％-10％。
另一方面，本发明具有以下有益效果：
1.本发明中所述的大豆蛋白基肥料助剂，可以减少氮肥的氨挥发、提高土壤氨氮含量。
2.本发明中所述的大豆蛋白基肥料助剂，可以减少硝态氮的淋溶损失。
3.本发明中所述的大豆蛋白基肥料助剂，可以提高土壤微生物数量。
4.本发明中所述的大豆蛋白基肥料助剂，可以提高土壤的吸水保水能力。
5.本发明中所述的大豆蛋白基肥料助剂，可以促进作物根系发育与生长。
附图说明
图1为本发明所述的大豆蛋白基肥料助剂，反应原理示意图；
图2为本发明所述的大豆蛋白基肥料助剂，红外表征对比图；
图3为本发明所述的大豆蛋白基肥料助剂，核磁共振对比图；
图4为添加本发明所述的大豆蛋白基肥料助剂，土壤铵态氮含量对比图；
图5为添加本发明所述的大豆蛋白基肥料助剂，硝态氮淋溶损失对比图；
图6为添加本发明所述的大豆蛋白基肥料助剂，土壤的吸水保水能力对比图；
图7为添加本发明所述的大豆蛋白基肥料助剂，显微镜下根系对比图；
图8为添加本发明所述的大豆蛋白基肥料助剂，根系发达程度对比图；
图9为添加本发明所述的大豆蛋白基肥料助剂，土壤微生物数量对比图；
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明实施案例中所用的反应原材料均可通过商业途径得到。
本发明提出的一种多功能大豆蛋白基肥料助剂的制备原材料包含多组分，各组分比例在实施例中直接用质量表示，以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
以质量份数：10g大豆蛋白(平均分子量10000)；3g丁二酸酐；2g N,N-二异丙基乙胺(DIEA)；溶剂为水与乙腈混合溶液中，其中水和乙腈比例为2：1；KOH调节反应液体系的pH为8-9；以磷酸为pH调节剂调节反应液最终pH为7；反应条件为25℃下反应24小时；干燥方法为喷雾法。
一种多功能大豆蛋白基肥料助剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将10g大豆蛋白(平均分子量10000)分散于200ml水与乙腈混合溶液中，其中水和乙腈比例为2：1，随后加入2g N,N-二异丙基乙胺(DIEA)，分散过程中可适当加热提高溶解度。待大豆蛋白完全溶解分散充分后向反应体系中逐步滴3g的丁二酸酐并保持搅拌，并在反应期间多次用KOH调节体系pH保持在8-9，反应于25℃下进行持续24小时。
(2)反应结束后用磷酸将反应产物调节pH至7，进行喷雾干燥，即得本产品。
实施例2
以质量份数：12g大豆蛋白(平均分子量7000)；4g马来酸酐；0.5g 4-二甲氨基吡啶(DMAP)；溶剂为水与甲醇混合溶液，其中水和甲醇比例为3：1；以KOH调节反应液体系的pH为8-9；以磷酸为pH调节剂调节反应液最终pH为7；反应条件为50℃下反应8小时；干燥方法为喷雾干燥法。
一种多功能大豆蛋白基肥料助剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将12g大豆蛋白(平均分子量7000)分散于300ml水与甲醇混合溶液中，其中水和甲醇比例为3：1，随后加入0.5g 4-二甲氨基吡啶(DMAP)，分散过程中可适当加热提高溶解度。待大豆蛋白完全分散溶解后向反应体系中逐步滴4g的马来酸酐并保持搅拌,并在反应期间多次用KOH调节体系pH保持在8-9。反应于50℃下进行持续8小时。
(2)反应结束后用磷酸将反应产物调节pH至7，进行喷雾干燥，即得本产品。
实施例3
以质量份数：15g大豆蛋白(平均分子量7000)；4g马来酸酐；0.5g 4-二甲氨基吡啶(DMAP)；溶剂为水与乙醇混合溶液，其中水和甲醇比例为3：1；以KOH调节反应液体系的pH为8-9；以磷酸为pH调节剂调节反应液最终pH为7；反应条件为50℃下反应8小时；干燥方法为喷雾干燥法。
一种多功能大豆蛋白基肥料助剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将15g大豆蛋白(平均分子量7000)分散于300ml水与甲醇混合溶液中，其中水和乙醇比例为3：1，随后加入0.5g 4-二甲氨基吡啶(DMAP)，分散过程中可适当加热提高溶解度。待大豆蛋白完全分散溶解后向反应体系中逐步滴4g的马来酸酐并保持搅拌,并在反应期间多次用KOH调节体系pH保持在8-9。反应于50℃下进行持续8小时。
(2)反应结束后用磷酸将反应产物调节pH至7，进行喷雾干燥，即得本产品。
实验例1
对实施例1和实施例2中的大豆蛋白及修饰后的蛋白基产物进行了红外光谱(FTIR)分析和核磁共振(1H-NMR)检测。
图1和图2、图3分别为反应示意图和FTIR、1H-NMR表征结果，FTIR采用ATR模式分析了4000-400cm-1范围内的代表性谱带，并定量计算相含量，结果显示酰胺I峰(1647cm-1)和酰胺II(1546cm-1)峰具有明显增强，说明蛋白基产物酰胺键增多，与此同时酰胺II峰发生由1525cm-1到1546cm-1的偏移说明了-COOH的引入对蛋白结构产生影响。1H-NMR表征结果以赖氨酸为例进行分析，修饰后因赖氨酸侧链上的氨基转变为酰胺，因此导致了1峰强度下降H和1*峰的出现，另外由于酰胺键的引入，使得也使得在2号位出现新的1H峰。结合FTIR、1H-NMR的表征结果，说明蛋白基产物成功修饰。
实验例2
性能测定实验：添加实施例1中的大豆蛋白基肥料助剂对土壤中尿素氨挥发及土壤铵态氮含量的影响
本性能测定参照《石灰性土壤氨挥发损失的研究》,土壤侵蚀与水土保持学报，1995,5(6):119-122中所采用的“静态吸收法”测定氨的挥发量。
配置1g/L的尿素溶液备用，配置本实施案例中的大豆蛋白基肥料助剂质量浓度为0.5％水溶液。称取经网筛筛过的干土土壤500g，并在土壤中加入100ml尿素溶液与2ml大豆蛋白基肥料助剂的混合液，对照组为100ml尿素溶液与2ml水混合液。将其与土壤充分混合后装入直径为45cm的盆中，盆中放入10ml装有2％硼酸溶液的塑料杯并用封口膜密封。每组重复3次，置于气候箱中温度设定为25℃，湿度60％。利用凯氏定氮法测定一周后各个处理组氨挥发的情况。土壤中铵态氮含量参照HJ 634—2012标准进行。各组处理情况结果如下表所示。
表一：大豆蛋白基肥料助剂对土壤中尿素氨挥发的影响
| 处理组 | 7天平均值N挥发量(mg) |
| 空白对照组 | 0.81 |
| 大豆蛋白基肥料助剂 | 0.49 |
表二：大豆蛋白基肥料助剂对土壤氨氮含量的影响
| 处理组 | 7天土壤中氨氮含量(mg/kg) |
| 空白对照组 | 3.6 |
| 大豆蛋白基肥料助剂 | 7.7 |
由表1可知，实施案例1中的大豆蛋白基肥料助剂，可以明显降低尿素氮肥的氨挥发量。相较于空白对照，加入大豆蛋白基肥料助剂的处理组N挥发的量下降了39.5％，因此本实施例可以有效减少氮肥的氨挥发速率，提升N肥利用率。
由表2可知，实施案例1中的大豆蛋白基肥料助剂，可以明显提高土壤中铵态氮的含量。相较于空白对照，加入大豆蛋白基肥料助剂的处理组铵态氮量提高了114％，因此本实施例可以有效提高氨氮含量，提升土壤肥力。
实验例3
性能测定实验：添加实施例1中的大豆蛋白基肥料助剂对土壤保水性能的影响
本性能测定参照梁蕊.吸水保水缓释肥料的制备及其性能研究[D].兰州大学,2007.中所采用的方法测定土壤最大含水量。
取2g本专利中所述产品与50g干土混合均匀，然后装入直径4.5cm，底部包有纱布的PVC管中，并称重记为W0。将管悬空从上部逐渐淋入自来水，直至底部有水渗出为止，静置，待不再渗出时称重记为W1。同时做对照实验不添加任何产品，土壤最大含水率记为W％，W＝(W1-W0)/(50+W1-W0)*100％，重复三次，具体数据如下表所示。
表三：添加本发明的大豆蛋白基肥料助剂对土壤保水性能的影响
| 组别 | 最大含水率％ |
| 空白对照 | 28.73±2.76 |
| 添加实施案例产品 | 36.27±5.33 |
由表3可知，在添加实施例产品后，土壤最大含水率，从28.73％提升至36.27％，说明加入本发明产品对土壤具有一定的保水性能的提升。而提高土壤保水率可以减少因为淋溶作用造成的营养成分的损失。由此可见，实施例产品对改善土壤环境，提升肥料利用率有一定帮助。
实验例4
性能测定实验：添加实施例2中的大豆蛋白基肥料助剂盆栽试验
将本实施案例中所制备的产品以5％的比例混合可溶性混合肥料，进行豇豆培育实验，我们挑选长势大小一致的豇豆苗，将其于相同土壤条件下进行实验室培养，培养条件为28℃，昼夜各12h，光照类型为红光+蓝紫光；光照强度2000LX，分为2个组别：1.单独施用混合肥料2.施用混合肥料加实施案例产品。每组设置3个盆栽处理，每个盆栽中固定8株豇豆苗。经过一周培育后测定不同组别的豇豆苗的干重、株高、根长的数据，并将各组处理的豇豆苗根尖进行切片观察，将所培育的豇豆具体数据如下表所示。
表四：实施例产品对豇豆苗生长情况的影响
由表4可知，实施案例2中的大豆蛋白基肥料助剂，可以明显提高豆苗的生长，其主要体现在根长上存在明显变化，添加实施案例组的根长相较于未添加的处理组其根长有20％的提升，因此添加本发明所述产品具有一定的促进作物增长的效果。
实验例5
性能测定实验：添加实施例2中的大豆蛋白基肥料助剂对硝态氮淋溶损失的影响
本性能测定参照《热带亚热带多雨湿润区旱地土壤氮肥淋溶损失模拟研究》[J].土壤与环境,1999(04):314-315.中所用的方法测定硝态氮的流失量。
设计装填高度60cm的土柱，土柱按田间体积质量及结构装填后加湿到田间持水量。土柱施肥覆土后(处理组分别为：尿素、尿素+实施例产品、尿素+市面固氮产品)实施例产品比例按总质量的5％进行添加，隔1个星期淋水70mm，控制不产生泾流，依此间隔淋溶5次，收集淋出液并参照GB/T32737-2016测定其中硝态氮含量，结果如下表所示。
表五：大豆蛋白基肥料助剂对土壤淋出液中硝态氮含量的影响
| 组别 | 硝态氮淋出量mg |
| 空白对照 | 2.26 |
| 添加实施案例产品 | 2.90 |
| 市面产品 | 3.04 |
由表5可知，实施案例2中的大豆蛋白基肥料助剂，可以明显减少土壤因淋溶损失的硝态氮。相较于空白对照，和市面固氮产品加入大豆蛋白基肥料助剂的处理组减少了25％的硝态氮流失，因此本实施例可以有效减少因淋溶带来的肥力损失，提升肥料利用率。
实验例6
性能测定实验：添加实施例2的大豆蛋白基肥料助剂对土壤微生物的影响
设置两组处理，处理组一：将土壤中添加常规尿素肥料，处理组一：将土壤中添加常规尿素肥料+实施例产品(占比5％)，并将土壤置于田间环境，一周之利用生理盐水提取土壤中微生物，并做涂板处理观察10^5浓度下，平板菌落生长情况。结果如图9所示。
由图9可知，在添加实施例2产品后，壤微生物数量有明显提高。由此可见，实施例产品对改善土壤环境，促进土壤微生物繁殖有促进作用。
以上该发明的所有制备方法以及实施案例，仅是本发明的部分实施案例，并非是对本发明进行任何形式上的限制，虽然本发明的较优实施案例如上，但并非用以限定本发明，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何简单修改和改变，均属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多功能大豆蛋白基肥料助剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将大豆蛋白、蛋白基团修饰剂、催化剂、溶剂混合均匀，形成均一混合液；
b.调节混合液的pH，并加入催化剂，开启搅拌开始反应，反应期间应实时检测pH并保持pH在一定范围内；
c.反应结束后，将样品pH调节至中性，并将样品干燥即得最终产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)所述的大豆蛋白的分子量为5000-50000。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)所述的蛋白基团修饰剂为丁二酸酐、马来酸酐、戊二酸酐中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)所述的催化剂为4-二甲氨基吡啶(DMAP)、N,N-二异丙基乙胺(DIEA)、三乙胺、乙二胺中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)所述的溶剂为乙腈、乙醇、甲醇、水中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的蛋白基团修饰剂与大豆蛋白的质量比为2-5：10；所述的催化剂与大豆蛋白的质量比为0-3:10。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)所述pH调节剂为KOH。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)所述pH调节剂为磷酸。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)所述干燥方法为喷雾干燥。
10.一种多功能大豆蛋白基肥料助剂，其特征在于：所述多功能大豆蛋白基肥料助剂采用权利要求1-9中任一项所述的方法制备得到。
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