CN115466145A - 一种包膜生物刺激素及其制备方法与应用 - Google Patents

一种包膜生物刺激素及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种包膜生物刺激素及其制备方法与应用，属于生物刺激素技术领域。本发明所述的包膜生物刺激素包括复合生物刺激素颗粒和包覆所述复合生物刺激素颗粒的膜衣；以质量份计包括：寡肽5‑40份、壳寡糖5‑30份、虾青素5‑30份、粘合剂1‑10份、引发剂0.2‑1份、交联剂0.13‑0.67份和聚乙烯醇2‑10份。本发明采用具有生物降解性能的水性聚乙烯醇作为包膜材料，将生物刺激素颗粒在流化床中进行包膜处理，通过调节包膜的交联程度达到控释生物刺激素的效果，针对不同作物精准控释植物生长所需的生物刺激素。同时封装包裹技术起到对生物刺激素的稳定作用，显著提高其利用效率。

Description

一种包膜生物刺激素及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于生物刺激素技术领域，尤其涉及一种包膜生物刺激素及其制备方法与应用。
背景技术
生物刺激素是独立于植物营养成分的产品，能够促进植物养分的吸收，改善植物或植物根际的营养利用效率、提高植物抗非生物胁迫的能力、改进作物品质、促进土壤或根际的养分有效吸收等。2012年共30多个国家在欧洲联合发布的研究报告将生物刺激素归纳为腐植酸类物质、复合有机物、有益化学元素、无机盐(包含亚磷酸酯)、海藻提取物、甲壳素和壳聚糖衍生物、抗蒸腾剂、游离氨基酸和其他含氮物质八个类别。全球生物刺激素市场以每年10.43％的复合年增长率迅速增加，2018年生物刺激素在全球的销售额已达22.41亿美元，至2022年市值预计将达32.9亿美元。随着对生物刺激素增效方式和作用机理的认知不断增多，生物刺激素在我国农业生产中的推广和应用也不断增加。总体来看，生物刺激素的作用效果包括能够增加作物产量，节省农药用量，提高肥料利用效率，以及提高果实品质性状等，因此被广泛应用于辅助各类作物生长。
然而同化肥一样，生物刺激素面临着利用率低等问题。通常单次喷施作用有限，需要持续性地作用于植物的整个生长周期，而土壤微生物的降解作用则会缩短其活性周期。在功能农业阶段，研究提出施用缓/控释功能肥料以实现对农作物的“精准给肥”，以不同的调控机制延缓养分释放，实现养分按照设定的释放率和释放期缓慢或控制释放的肥料，以延长植物对有效养分吸收利用的期限。其中聚合物包膜方法因其良好的控释功能及微生物惰性，已成为最具发展前景的控释肥料。然而此种方法已经主要用于农药和肥料，对于生物刺激素尚未广泛探索。
专利CN 106008117 A公开了一种多功能生物有机缓释肥料，包含内芯生物有机母粒、中间缓释层和外包真菌层，其中内芯生物有机母粒、中间缓释层和外包真菌层的重量比为：60-80：5-10：1-5，所述内芯生物有机母粒包含复合微生物1-5％和有机质50-70％。多功能有机缓释肥采用合理包膜结构及配比，内层含有益细菌及营养物质、中间层含保水成膜剂及营养物质、外层含有益真菌，具备较好的缓释顺序，使肥料实现高效抗病、改善土壤和促生增产的多重功效。
专利CN 107118038 A公开了一种含生物刺激素的双膜缓释肥，是由以下重量份的原料制得的：双包膜肥50-60份、磷酸氢二铵10-20份、钾肥14-18份；所述双包膜肥是由以下重量份的成分制成的：肥芯85-95份、第一包膜剂3-7份、第二包膜剂4-6份。含生物刺激素的双膜缓释肥具有肥料和农药的双重功效，养分齐全，释放均衡，不仅可以促进果树生长，促进果树新陈代谢和对各种养分的吸收利用，提高果树对土壤养分、水分的吸收利用，显著提高肥料利用率，还可以有效防控果树病虫害，加快果树体中的氧化还原过程，显著提高果实品质，从而达到增产增收的目的。
专利CN 102267842 A公开了一种有机无机块型控释肥料，将有机物料与化学肥料合理配比后，加入一定的具有吸附养分作用的粘结物质，提高液压机压力，通过压缩设备制备成块体肥料，结合硝化抑制剂控制养分释放，降低肥料养分的释放速度，提高养分利用率。同时，使用时把肥料块体放在种子或移栽苗下部，随着作物生长，块型肥料可以被根系包裹，使养分从根系内部向外部逐步扩散，有效提高根部接触养分空间，形成“根内施肥体系”，提高养分利用率，促进植物有效生长，实现有机肥料和无机肥料联合施用的目的。
但是以上现有技术涉及缓释肥料，存在缺点如下：1、大部分的封装包裹技术都只能够起到缓释而非控释作用；2、与缓释化肥相比，控释生物刺激素是一种绿色天然的全营养复合生物制剂。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中生物刺激素利用效率低下，喷施次数多等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种包膜生物刺激素及其制备方法与应用。本发明以寡肽、壳寡糖和虾青素为代表的生物刺激素进行混合制粒处理后，采用具有生物降解性能的水性聚乙烯醇作为包膜材料，将生物刺激素颗粒在流化床中进行包膜处理并研究其缓释性能。生物刺激素的释放速率可以通过调节包膜的交联程度进行控制，从而达到针对不同作物精准智能控释植物生长所需的生物刺激素。同时起到对生物刺激素的稳定作用，显著提高其利用效率。
本发明的第一个目的是提供一种包膜生物刺激素，包括复合生物刺激素颗粒和包覆所述复合生物刺激素颗粒的膜衣；
以质量份计，所述包膜生物刺激素包括：寡肽5-40份、壳寡糖5-30份、虾青素5-30份、粘合剂1-10份、引发剂0.2-1份、交联剂0.13-0.67份和聚乙烯醇2-10份。
在本发明的一个实施例中，所述寡肽的分子量为1000-3000。
在本发明的一个实施例中，所述粘合剂为淀粉、聚乙烯吡咯烷酮和羟丙基甲基纤维素中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述聚乙烯醇的分子量为20000-150000。
在本发明的一个实施例中，所述引发剂为羧甲基纤维素和/或羧甲基淀粉钠。
在本发明的一个实施例中，所述交联剂为戊二醛、乙二醛、硼酸、甲醛、二羟甲基尿素和三羟甲基三聚氰胺中的一种或多种。
本发明的第二个目的是提供一种所述的包膜生物刺激素的制备方法，包括以下步骤，
(1)将寡肽、壳聚糖和虾青素混匀，加入粘合剂进行混合制粒，得到复合生物刺激素颗粒；
(2)向聚乙烯醇溶液中加入引发剂溶液和交联剂溶液，于75℃-85℃下混匀，得到膜衣原液；
(3)在流化床中进行包膜处理，于75℃-85℃下，将步骤(2)所述的膜衣原液包覆于步骤(1)所述的复合生物刺激素颗粒表面，得到所述的包膜生物刺激素。
在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述生物刺激素颗粒的粒径为2-3mm。
在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述聚乙烯醇溶液的浓度为2-10wt％。
在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述引发剂溶液的浓度为0.2-1wt％。
在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述交联剂溶液的浓度为0.1-0.7wt％。
本发明的第三个目的是提供一种生物刺激素包膜肥料，所述的肥料由所述的包膜生物刺激素制备得到。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明所述的包膜生物刺激素与缓释化肥相比，包膜生物刺激素中的控释生物刺激素是一种绿色天然的全营养复合生物制剂；主体材料复合生物刺激素均取材于渔业废品，采用天然的酶解法制备而成，具有绿色高效等特点。并且将具有不同功能性的生物刺激素组分进行复合，能够通过调整配方以针对性地解决农作物生长不同方面的问题，绿色天然且营养全面。
(2)本发明所述的包膜生物刺激素采用了具有控释作用的封装包裹技术；大部分的封装包裹技术都只能够起到缓释而非控释作用，本发明采用具有生物降解性能的水性聚乙烯醇作为包膜材料，将生物刺激素颗粒在流化床中进行包膜处理并研究其缓释性能，得到缓释速率与包膜交联程度之间的关系。从而通过调节包膜的交联程度达到控释生物刺激素的效果，针对不同作物精准控释植物生长所需的生物刺激素。同时封装包裹技术起到对生物刺激素的稳定作用，显著提高其利用效率。
(3)与已经在市场上销售的化肥相比本发明所述的包膜生物刺激素具有绿色天然，无有害化学成分等特点，在农业生产中的技术效果包括：
A、提高光合作用速率，促进作物生长；
B、充分调动作物固有的潜在抗逆能力；
C、调动作物本身的再生能力和修复功能；
D、增加作物的抗氧化活性物含量，提高作物抗早衰能力等一系列作用；
E、由于农作物生长对生物刺激素的浓度十分敏感，控释封装方法能够精准控制养分施用量，从而避免局部营养浓度过高而造成的不利影响。
(4)同普通的生物刺激素相比，本发明所述的包膜生物刺激素通过水性聚乙烯醇材料进行封装，生物刺激素释放速率精准可控，能够达到按需释放，持久作用等效果，具有优点包括：
A、养分含量高持久性好；
B、营养含量齐全，使用效果显著；
C、减少施用次数，节省人力物力；
D、稳定性高，体积小，易久存改良作物性能；
E、可大规模工业化生产，促进微生物繁殖等优势。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
在本发明中，除非另有说明，寡肽由预处理后的鱼鳞经碱性蛋白酶酶解得到，具体包括以下步骤：将鱼鳞洗净，除杂，称重后加入3倍量的水浸泡2h，后加入50％工业级盐酸反应10h。清洗干净，调节pH至7.5，加入0.3％碱性蛋白酶酶解2h，过滤后得到小分子胶原蛋白肽溶液。取1mL小分子胶原蛋白肽溶液至于小安培瓶中，加入12mol/L的盐酸1mL，于喷灯火焰上封口，置于110℃的干燥箱内水解20h。将安培瓶中的水解液倒入蒸发皿，置于沸水浴上加热以去除盐酸。将水解液蒸干后的残留物溶解于1mL 10％的异丙醇中，用氨基酸自动分析仪进行测定，标准参照GB/T 17419-1998中4.1的相关规定。根据氨基酸测定结果，将小分子胶原蛋白肽溶液稀释到适当浓度，使其分子量在2000左右，调节pH至7.5左右。
在本发明中，除非另有说明，壳寡糖由溶解后的壳聚糖中加入果胶酶，微波辐射后进行加热反应后得到，具体包括以下步骤：称取0.1g壳聚糖，溶解于0.2mol/L的乙酸－乙酸钠缓冲溶液中，配制成浓度2％(w/v)的胶体溶液，加入2100U/g的果胶酶，采用510W的微波辐射2min后，酶解反应1h，酶解温度为50℃，反应体系pH为4.4。反应完成后将反应液煮沸10min后过滤。
在本发明中，除非另有说明，虾青素由虾壳经蛋白酶水解、除杂后得到，具体包括以下步骤：从渔业废弃物中取虾壳，加入缓冲液混合，在恒温水浴中用蛋白酶水解1h，过滤后将沉淀物反复用水清洗，去除矿物质。沉淀物中加入丙酮，经过超声波清洗10min，常温振荡1h后，使用冷冻离心机离心10min，取上清液。
实施例1
一种包膜生物刺激素，原料组分及其质量份如下：
寡肽20份、壳寡糖15份、虾青素15份、粘合剂淀粉5份、聚乙烯醇6份(分子量约40000)、引发剂羧甲基纤维素0.6份和交联剂戊二醛0.45份。
具体包括以下步骤：
(1)将寡肽、壳寡糖和虾青素的生物刺激素粉末在粉体混合机中混合均匀。
(2)取(1)中混合均匀的粉料，加入粘合剂淀粉，在流化床中进行制粒，控制粒径范围在2-3mm，得到复合生物刺激素颗粒。
(3)制备聚乙烯醇水溶液(2wt％)，在60℃恒温水浴条件下搅拌至聚乙烯醇完全溶解。
(4)在上述制备所得的聚乙烯醇水溶液中加入引发剂羧甲基纤维素水溶液(0.2wt％)和交联剂戊二醛水溶液(0.13wt％)。
(5)将以上混合溶液置于80℃恒温水浴条件下混合均匀，得到膜衣原料溶液。
(6)往流化床中加入步骤(2)中制备所得的复合生物刺激素颗粒，打开喷枪进行预热，流化床内温度设置为80℃，喷枪压力0.1MPa，打开喷枪进行预热。
(7)将步骤(5)中的膜衣原料溶液烧杯用乳胶管与流化床蠕动泵连接，保持烧杯置于80℃恒温水浴搅拌状态。
(8)设置泵速为2r·min-1，以10min为单位，间断性喷液1h，干燥后收集物料，得到包膜生物刺激素。
实施例2
一种包膜生物刺激素，原料组分及其质量份如下：
寡肽5份、壳寡糖30份、虾青素5份、粘合剂聚乙烯吡咯烷酮2份、聚乙烯醇9份(分子量约40000)、引发剂羧甲基纤维素0.3份和交联剂硼酸0.65份。
具体包括以下步骤：
(1)将寡肽、壳寡糖、虾青素的生物刺激素粉末在粉体混合机中混合均匀。
(2)取(1)中混合均匀的粉料，加入粘合剂1-10份，在流化床中进行制粒，控制粒径范围在2-3mm，得到复合生物刺激素颗粒。
(3)制备聚乙烯醇水溶液(6wt％)，在60℃恒温水浴条件下搅拌至聚乙烯醇完全溶解。
(4)在上述制备所得的聚乙烯醇水溶液中加入引发剂羧甲基纤维素水溶液(0.6wt％)和交联剂硼酸水溶液(0.4wt％)。
(5)将以上混合溶液置于80℃恒温水浴条件下混合均匀，得到膜衣原料溶液。
(6)往流化床中加入步骤(2)中制备所得的复合生物刺激素颗粒，打开喷枪进行预热，流化床内温度设置为80℃，喷枪压力0.1MPa，打开喷枪进行预热。
(7)将步骤(5)中的膜衣原料溶液烧杯用乳胶管与流化床蠕动泵连接，保持烧杯置于80℃恒温水浴搅拌状态。
(8)设置泵速为2r·min-1，以10min为单位，间断性喷液1h，干燥后收集物料，得到包膜生物刺激素。
实施例3
一种包膜生物刺激素，原料组分及其质量份如下：
寡肽35份、壳寡糖5份、虾青素28份、粘合剂羟丙基甲基纤维素9份、聚乙烯醇3份(分子量约40000)、引发剂羧甲基纤维素0.9份和交联剂二羟甲基尿素0.2份。
具体包括以下步骤：
(1)将寡肽、壳寡糖、虾青素的生物刺激素粉末在粉体混合机中混合均匀。
(2)取(1)中混合均匀的粉料，加入粘合剂羟丙基甲基纤维素1-10份，在流化床中进行制粒，控制粒径范围在2-3mm，得到复合生物刺激素颗粒。
(3)制备聚乙烯醇水溶液(10wt％)，在60℃恒温水浴条件下搅拌至聚乙烯醇完全溶解。
(4)在上述制备所得的聚乙烯醇水溶液中加入引发剂羧甲基纤维素水溶液(1wt％)和交联剂二羟甲基尿素水溶液(0.67wt％)。
(5)将以上混合溶液置于80℃恒温水浴条件下混合均匀，得到膜衣原料溶液。
(6)往流化床中加入步骤(2)中制备所得的复合生物刺激素颗粒，打开喷枪进行预热，流化床内温度设置为80℃，喷枪压力0.1MPa，打开喷枪进行预热。
(7)将步骤(5)中的膜衣原料溶液烧杯用乳胶管与流化床蠕动泵连接，保持烧杯置于80℃恒温水浴搅拌状态。
(8)设置泵速为2r·min-1，以10min为单位，间断性喷液1h，干燥后收集物料，得到包膜生物刺激素。
对比例1
基本同实施例2，不同之处仅在于不加入引发剂羧甲基纤维素：
原料组分及其质量份如下：
寡肽5份、壳寡糖30份、虾青素5份、粘合剂聚乙烯吡咯烷酮2份、聚乙烯醇9份(分子量约40000)和交联剂硼酸0.65份。
具体包括以下步骤：
(1)将寡肽、壳寡糖、虾青素的生物刺激素粉末在粉体混合机中混合均匀。
(2)取(1)中混合均匀的粉料，加入粘合剂1-10份，在流化床中进行制粒，控制粒径范围在2-3mm，得到复合生物刺激素颗粒。
(3)制备聚乙烯醇水溶液(6wt％)，在60℃恒温水浴条件下搅拌至聚乙烯醇完全溶解。
(4)在上述制备所得的聚乙烯醇水溶液中加入交联剂硼酸水溶液(0.4wt％)。
(5)将以上混合溶液置于80℃恒温水浴条件下混合均匀，得到膜衣原料溶液。
(6)往流化床中加入步骤(2)中制备所得的复合生物刺激素颗粒，打开喷枪进行预热，流化床内温度设置为80℃，喷枪压力0.1MPa，打开喷枪进行预热。
(7)将步骤(5)中的膜衣原料溶液烧杯用乳胶管与流化床蠕动泵连接，保持烧杯置于80℃恒温水浴搅拌状态。
(8)设置泵速为2r·min-1，以10min为单位，间断性喷液1h，干燥后收集物料，得到包膜生物刺激素。
对比例2
基本同实施例2，不同之处仅在于不加入交联剂硼酸：
原料组分及其质量份如下：
寡肽5份、壳寡糖30份、虾青素5份、粘合剂聚乙烯吡咯烷酮2份、聚乙烯醇9份(分子量约40000)、引发剂羧甲基纤维素0.3份和交联剂硼酸0.65份。
具体包括以下步骤：
(1)将寡肽、壳寡糖、虾青素的生物刺激素粉末在粉体混合机中混合均匀。
(2)取(1)中混合均匀的粉料，加入粘合剂1-10份，在流化床中进行制粒，控制粒径范围在2-3mm，得到复合生物刺激素颗粒。
(3)制备聚乙烯醇水溶液(6wt％)，在60℃恒温水浴条件下搅拌至聚乙烯醇完全溶解。
(4)在上述制备所得的聚乙烯醇水溶液中加入引发剂羧甲基纤维素水溶液(0.6wt％)和交联剂硼酸水溶液(0.4wt％)。
(5)将以上混合溶液置于80℃恒温水浴条件下混合均匀，得到膜衣原料溶液。
(6)往流化床中加入步骤(2)中制备所得的复合生物刺激素颗粒，打开喷枪进行预热，流化床内温度设置为80℃，喷枪压力0.1MPa，打开喷枪进行预热。
(7)将步骤(5)中的膜衣原料溶液烧杯用乳胶管与流化床蠕动泵连接，保持烧杯置于80℃恒温水浴搅拌状态。
(8)设置泵速为2r·min-1，以10min为单位，间断性喷液1h，干燥后收集物料，得到包膜生物刺激素。
测试例1
对本发明实施例1-3和对比例1-2制得的包膜生物刺激素的包膜率及缓释速率进行测试。
(1)包膜率测定
用电子天平测定生物刺激素质量为M0，通过实施例中的步骤在流化床中进行包膜之后，称取薄膜样品的质量为M1。包膜率测定为：
Figure BDA0003795532420000101
(2)缓释速率测定
取12份相同质量的包膜生物刺激素样品，每份质量为10g。各自装于100目的尼龙袋中，并放置在200mL纯水中，使用保鲜膜密封。将以上样品置于20度恒温水浴，分别静止0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6天，直至养分溶出率达到80％以上。养分溶出率则通过紫外分光光度剂测量虾青素溶出率测得。
表1所示为最终测得包膜生物刺激素的相关参数：
表1
试样 包膜率(％) 生物刺激素80％释放率所需时间(天)
实施例1 5.5 5
实施例2 8.2 6
实施例3 6.8 5.5
对比例1 2.1 3
对比例2 3.2 4
从表1中实施例1-3的数据可以看出，针对不同配比的包膜溶液，聚乙烯醇的浓度对包膜效果产生显著影响，其中以实施例2配比最优。通过实施例与对比例可看出，引发剂与交联剂均对包膜效果产生显著影响。其中通过对比实施例2与对比例可以得到，通过优化包膜溶液组分与浓度后，包膜率提高了2-3倍左右，缓释性能也提高了1倍左右。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种包膜生物刺激素，其特征在于，包括复合生物刺激素颗粒和包覆所述复合生物刺激素颗粒的膜衣；
以质量份计，所述包膜生物刺激素包括：寡肽5-40份、壳寡糖5-30份、虾青素5-30份、粘合剂1-10份、引发剂0.2-1份、交联剂0.13-0.67份和聚乙烯醇2-10份。
2.根据权利要求1所述的包膜生物刺激素，其特征在于，所述寡肽的分子量为1000-3000。
3.根据权利要求1所述的包膜生物刺激素，其特征在于，所述粘合剂为淀粉、聚乙烯吡咯烷酮和羟丙基甲基纤维素中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的包膜生物刺激素，其特征在于，所述聚乙烯醇的分子量为20000-150000。
5.根据权利要求1所述的包膜生物刺激素，其特征在于，所述引发剂为羧甲基纤维素和/或羧甲基淀粉钠。
6.根据权利要求1所述的包膜生物刺激素，其特征在于，所述交联剂为戊二醛、乙二醛、硼酸、甲醛、二羟甲基尿素和三羟甲基三聚氰胺中的一种或多种。
7.权利要求1-6任一项所述的包膜生物刺激素的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
(1)将寡肽、壳聚糖和虾青素混匀，加入粘合剂进行混合制粒，得到复合生物刺激素颗粒；
(2)向聚乙烯醇溶液中加入引发剂溶液和交联剂溶液，于75℃-85℃下混匀，得到膜衣原液；
(3)在流化床中进行包膜处理，于75℃-85℃下，将步骤(2)所述的膜衣原液包覆于步骤(1)所述的复合生物刺激素颗粒表面，得到所述的包膜生物刺激素。
8.根据权利要求7所述的包膜生物刺激素的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述生物刺激素颗粒的粒径为2-3mm。
9.根据权利要求7所述的包膜生物刺激素的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述聚乙烯醇溶液的浓度为2-10wt％；所述引发剂溶液的浓度为0.2-1wt％；所述交联剂溶液的浓度为0.1-0.7wt％。
10.一种生物刺激素包膜肥料，其特征在于，所述的肥料由权利要求1-6任一项所述的包膜生物刺激素制备得到。
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