虾下脚料制备多功能叶面肥的研究.docx
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虾下脚料制备多功能叶面肥的研究
农业工程学院
毕业论文
论文题目虾下脚料制备多功能叶面肥的研究
姓名
院（系）化学化工学院
专业班级应用化学（商品查验）041班
学号
指导教师
职称教授
论文答辩日期2020年5月21日
农业技术学院教务处制
学生诚信许诺书
本人慎重许诺和声明：
所撰写的《虾下脚料深度加工的原子经济性研究》是在宋光泉教授的指导下独立完成，并在此申明我愿承担与上述许诺相违抗的事实所引发的一切消极后果。
学生（签名）：
2020年5月7日
摘要
本项目的研究以绿色环保和复合多功叶面肥为宗旨，以虾下脚料为原料，对传统虾下脚料加工工艺进行改良。
同时引入原子经济性概念，设计出能使原料100%转化成产品的新工艺。
研究结果说明：
（1）处置虾下脚料的最正确碱液浓度为%；最正确酸浓度为%；
（2）经酸碱处置后，虾下脚料可取得产品甲壳素％和蛋白质％；（3）经分析测定，在酸碱处置液中含氨基酸％，钙L，镁L，钾L，氮L，磷L，是一种营养平稳的多功叶面肥；（4）经本工艺处置可取得甲壳素、虾肽蛋白和多功能叶面肥，并使整个加工进程达到零排放、零污染。
该项目的研究结果，开辟了虾下脚料加工的新方式和新工艺，对解决长期困绕我国沿海养殖加工区的环境污染和资源浪费问题，创建干净生产示范工程具有重要的作用。
关键词：
虾下脚料；叶面肥；原子经济性；甲壳素；虾肽蛋白
1.前言
植物需要的营养素
在植物体内能够检测到70多种化学元素
，但国际公认的高等植物生长发育所需的必需营养元素仅有16种，它们是碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、硫（S）、铁（Fe）、硼（B）、锰（Mn）、铜（Cu）、锌（Zn）、钼（Mo）和氯（C1）。
按植物对它们需要量的多少，可分为大量营养元素、中量营养元素和微量营养元素。
大量营养元素
包括碳、氢、氧、氮、磷、钾；中量营养元素有钙、镁、硫；微量元素包括铁、硼、锰、铜、锌、钼和氯。
绿色植物吸收营养的途径要紧有两个，即根和叶。
作物要紧通过根吸收土壤或营养液中的养分。
叶面施肥，可使营养物质从叶部直接进入体内，参与作物的新陈代谢与有机物的合成进程，因此比土壤施肥更为迅速有效。
施加叶面肥能补充根部施肥的不足、迅速补充营养 、充分发挥肥效 、经济合算 、减轻对土壤的污染
。
叶面肥的种类
1.2.1氮基酸加营养素型
氨基酸来自动植物的一些下脚料或其他物质发酵及水解后添加微量元素而成。
1.2.2植物生长调剂剂加元素型
人工合成的一些与天然激素有类似分子结构和生理效应的有机物质添加微量营养元素而成。
1.2.3无机营养型
复合各类化学肥料而成。
1.2.4腐植酸加营养元素型
腐植酸与营养元素相混配制成。
利用腐植酸与金属离子间有互换、吸附、配合、凝聚、胶溶等作用，可大大提高肥效，是目前经常使用的叶面肥之一。
国内外叶面肥的进展趋势
依照现今国内外肥料进展总趋势的要求，叶面肥进展趋势
应为：
（1）绿色环保化。
随着全世界环保意识的增强，本世纪将是一个“绿色革命”的时期。
据统计，绿色产品现今市场占有率仅为5％～10％，随着人们消费意识和消费行为的转变，其尔后的市场占有率将愈来愈高，“绿色壁垒”将成为要紧贸易壁垒。
在这种情形下，绿色产品的开发与利用的市场需求潜力超级庞大。
（2）复合多功能化。
这是叶面肥进展的主导方向，也是市场上推行的主导产品。
其要紧特点是：
营养丰硕，既加入作物生长所需营养元素，又含有具有高生物活性的腐植酸，可有效增进作物生长，具有抗逆、防病作用，是一种复合多功能型叶面肥。
（3）天然汁液、矿物化。
如海藻素、迦姆素、茹脚浸提液等。
综上所述叶面施肥确为一种既经济又有效的施肥方法。
研究意义
依照叶面肥的进展趋势，咱们迫切需要研究一种绿色环保的多功能叶面肥。
这确实是本次研究的目的。
随着我国渔业产业结构的调整，海洋捕捞业实施零增加战略，水产养殖业增强了进展势头，虾类养殖尤其是虾类的淡水养殖进展更为迅速
。
据统计，我国每一年生产海蟹、海虾约5000多万吨，由此产生的虾蟹壳资源在1000多万吨左右，可生产甲壳素及其衍生产品30多万吨。
但目前我国甲壳素产量还只有3万多吨，且99%是作为原料出口
。
虾头和虾壳含有的甲壳质，通过加工处置能够制成甲壳素、壳聚糖、氨基葡萄糖盐酸盐和虾青素，可普遍应用于食物、医药和化工等行业：
虾头、虾壳、虾足中可提取残留的蛋白质及脂类和矿物质等，供人和动物食用
。
最近几年来，甲壳素及其衍生物如壳聚糖等作为药物载体、膜材料、化妆品等在食物、农业、化工等领域中普遍应用[8]。
我国虾资源丰硕，虾肉味道鲜美，营养丰硕，是一类深受人们欢迎的水产品，可是由此带来的大量的固体废弃物虾壳不仅污染环境，而且浪费资源
。
仅少量用于制备甲壳素、提取氨基酸和虾青素。
虾头、虾壳中甲壳素含量为10％-20％，蛋白质含量为20％-40％，其余为矿物质元素类等，其中含量最丰硕的是钙，含量达30％-40％，第二是磷，色素含有4％-5％；采纳氨基酸自动分析仪法对供试虾头、虾壳蛋白质、脱脂牛奶粉和酪蛋白的氨基酸组成进行分析，以全鸡蛋蛋白质为标准参考蛋白，对供试蛋白质的必需氨基酸和平均化学评分计算结果说明，在虾头壳蛋白质中，必需氨基酸占％。
与牛奶蛋白粉的％和酪蛋白的％大体接近
。
由此咱们能够利用废弃的虾壳开发含有丰硕氨基酸、植物所需要的大量元素、中量元素、微量元素的多功能叶面肥。
在叶面肥研究中提出原子经济性概念
化学工业的进展极大地推动了人类物质生产和生活的庞大进步。
从钢铁冶金、水泥陶瓷、酸碱肥料、塑料橡胶、合成纤维，直到医药、农药、日用化学品等行业无不与化学工业息息相关，能够说现代社会生活已完全离不开化学工业和化工产品
。
但是随着工业化的不断深切，进入自然生态环境废弃物和污染物愈来愈多，造成了严峻的环境污染，对人类自身形成了要挟
。
同时，也破坏了全世界生态环境的平稳。
化工污染的要紧缘故是未能有效地利用资源，产生了大量的有害物质，而通常解决化学污染问题的诸多方法大体上都是以结尾治理为主，实践说明这种方法的成效是极为有限的。
尽管世界各国花了大量资金对化工污染进行治理，但即便在先进的发达国家成效也是有限的
。
通过以下两方面能够有效解决化工生产的污染问题。
一是，化工清洁文明生产[14]；二是，循环经济。
清洁生产（CleanerProduction）是1988年由联合国环境计划署工业与环境计划行动中心（UN—EPEC／PAC）提出的[15]。
清洁文明生产是通过清洁工艺和清洁产品的两条大体途径来谋求达到：
①通过资源的综合利用，欠缺资源的代用，二次资源的利用及节能、降耗、节水，合理利用自然资源，减缓资源的耗竭；②减少废物和污染物的生成和排放，增进工业产品的生产，消费进程与环境相容，降低整个工业活动对人类和环境的风险[16]。
清洁文明生产目标的实现将表现工业生产的经济效益、社会效益和环境效益的统一，保证国民经济的持续进展。
所谓循环经济是一种提倡与环境和谐的经济进展理念和模式，以实现资源利用的减量化、产品的反复利用和废物的资源化为目的，用”资源一产品一再生资源”的环状反馈式循环理念重构经济运行进程，其特点是低开采、高利用、低排放，最大限度地使物质和能源在经济循环中取得合理和持久的利用，最终实现最优生产、最适消费、最少废弃[17]。
随着我国水产养殖业的进展，最近几年来我国水产加工业也在迅速壮大[18]。
甲壳类加工的规模愈来愈大，使得加工下脚料相对集中，且原料的新鲜度愈来愈高，使下脚料的综合利用成为可能[19]。
目前，我国要紧用这些下脚料来生产甲壳素，而蛋白质经碱处置后作为废水排放，造成环境污染，且浪费了蛋白质和虾青素等重要资源[20]。
过去人们在生产肥料时，并无考虑到环保问题，大量的酸、碱废液排放到环境中，造成了极大的环境污染。
考虑到绿色环保方面，咱们需要进一步改善叶面肥的生产方式。
现今国内对虾头、虾壳的利用仅仅只考虑产物的一元化，对原材料的利用是有限的；加工进程中试剂的循环利用也不充分的，从而造成专门大的浪费和增加了污染物的排放。
考虑到产品要多元化，试剂在加工进程中能循环再用；并可将废液回收，继续投入生产这几个方面。
咱们想到了在叶面肥研究中提出原子经济性那个具有绿色环保意义的概念。
原子经济性
的概念是1991年美国闻名有机化学家Trost提出的，原子经济性的概念以为高效的有机合成反映应最大限度地利用原料分子的每一个原子，使之结合到目标分子中去达到零排放，并用原子利用率对其进行了定量：
原子利用率=目标产物的相对分子量／反映物质的相对分子量之和
原子利用率越高，反映产生的废弃物越少，对环境造成的污染也越少。
在一样的有机合成反映中：
A + B = C + D
主产物 副产物
反映产生的副产物D往往是废物，因此可成为环境的污染源。
绿色有机合成应该是原子经济性的，即原料的原子100%转化成产物，不产生废弃物
。
本次研究确实是要将所有的原料、加工进程中加入的试剂全数变成产物，不产生废弃物。
在生产进程中保证绿色环保性。
本项目叶面肥料工艺流程的确信
本次研究的要紧产品为叶面肥，副产品有蛋白粉、甲壳素、二氧化碳。
虾壳里富含大量蛋白质，其水解后成为多种氨基酸，在这些水解液中加入磷、钾等植物生长所需要的营养成份后即能够制备成叶面肥。
而未能水解的蛋白质能够通过调剂PH值使其沉淀出来，通过滤干燥后制成富含虾红素的蛋白粉，可继续用于各类营养品、饲料的加工。
而通过处置的虾壳脱除蛋白质、虾红素、碳酸钙、碳酸镁等物质后，即是甲壳素。
甲壳素用水冲洗至中性后，放人1%的高猛酸钾液中浸泡数小时，滤出洗净后再用1%亚硫酸氢钠溶液搅拌浸泡1小时，使之漂白
。
然后烘干成为甲壳素成品。
目前市场上甲壳素价钱不断地攀高，已达85元／kg（品级甲壳素），进展甲壳素产业有专门好的社会和经济效益，孕育着专门大的商机和利润
。
同时甲壳素能进一步加工成壳聚糖。
考虑到主产物是叶面肥，脱除蛋白那个步骤中，不选用传统的氢氧化钠试剂
，而采纳氢氧化钾。
若是采纳氢氧化钠，除去蛋白后的氢氧化钠溶液将是废液。
而钾元素是植物生长所需要的元素。
选择氢氧化钾这种试剂的优势在于，不需要额外加入叶面肥里需要的钾元素。
脱除蛋白后的氢氧化钾溶液里面就含有大量水解了的氨基酸和钾离子，这确实是经碱处置的叶面肥母液。
加入的试剂既能符合工艺需求，又能为产品效劳。
在脱钙这一步里咱们也没有采纳传统的加盐酸处置的方式
，而是用磷酸作为除钙的试剂。
缘故跟前面所说的一样。
用盐酸脱钙后，溶液只能作为废液。
而且盐酸易挥发，对周边环境产生污染。
但用磷酸脱钙、镁后，溶液能直接加到经碱处置的叶面肥母液中。
从而在含有氨基酸和钾离子的母液中，增加了植物生长所需要的磷元素、钙离子和镁离子。
把除钙、镁后的磷酸溶液加入到除蛋白后的氢氧化钾溶液中，既可起到丰硕肥料营养的目的，又可调剂母液的pH值，使母液从碱性调剂到酸性。
当母液的pH达到4～5之间时，未水解成氨基酸的蛋白质便会沉淀出来。
通过滤后，滤液为叶面肥，滤渣为蛋白质。
2.材料与方式
供试材料
从市场采购的麻虾，将其去肉（取虾仁），剩下的头部、虾壳和虾尾作为供试材料。
要紧仪器及药品
表1要紧实验药品
试剂名称
规格
厂家
氢氧化钾
分析纯
广州化学试剂厂
磷酸
分析纯
洛阳市化学试剂厂
凡士林
分析纯
广州化学试剂厂
表2要紧仪器
仪器设备名称
型号、规格
厂家
分析天平
JA2003型电子分析天平
上海精科天平
烘箱
予华牌KQ-B型玻璃仪器烘干器
巩义市英峪予华仪器厂
电热恒温水槽
DK-8D型
上海顿克仪器科技有限公司
分光光度计
721可见分光光度计
深圳市多谱纳仪器仪表有限公司
原子吸收分光光度计
361MC
上海精密仪器仪表有限公司
安捷伦液相色谱
Agilent1100SeriesHPLC
厦门市莱胜科技有限公司
实验方式
2.3.1虾下脚料中粗蛋白的脱除方式
1）物料比实验
别离加入粉碎干虾下脚料5.0g、6.0g、7.0g、8.0g、9.0g、10.0g,加入%KOH100mL和沸石几颗进行6组实验。
置于电热炉石棉网上加热并沸煮5分钟。
冷却后过滤,将虾壳与含蛋白质的溶液分离开，用水冲去粘附在虾壳的残留蛋白和脂类物质，水洗至中性，搜集，备用。
滤液用磷酸调，沉淀蛋白质。
滤渣烘干备用。
等滤液中的蛋白质完全沉淀后过滤，滤出的蛋白质烘干并称重。
滤液为经碱处置的叶面肥母液，保留备用。
2）KOH浓度实验
将虾下脚料烘干粉碎，增大物料的表面积，使反映加倍充分，缩短反映时刻。
别离加入g、g、g、g、g、g、g、g、g、g、g、g、氢氧化钾，粉碎干虾壳9g、蒸馏水100mL，置于电热炉隔石棉网上加热并沸煮6分钟，使蛋白质与虾壳分离。
冷却后过滤，将虾壳与含蛋白质的溶液分离开，用水冲去粘附在虾壳的残留蛋白和脂类物质，水洗至中性，搜集，备用。
滤液用磷酸调pH，沉淀蛋白质。
等滤液中的蛋白质完全沉淀后过滤，滤出的蛋白质烘干并称重。
滤液为经碱处置的叶面肥母液，保留备用。
3）反映时刻实验
每一个烧杯加入干虾下脚料9g、%KOH100mL、沸石几颗。
别离置于电热炉上隔石棉网加热并沸煮二、4、六、八、10、1五、20、2五、30、40、50、60、120min。
冷却后过滤,将虾壳与含蛋白质的溶液分离开，用水冲去粘附在虾壳的残留蛋白和脂类物质，水洗至中性，搜集，备用。
滤液用磷酸调，沉淀蛋白质。
滤渣烘干备用。
等滤液中的蛋白质完全沉淀后过滤，滤出的蛋白质烘干并称重。
滤液为经碱处置的叶面肥母液，保留备用。
2.3.2虾壳中钙、镁的脱除方式
1）物料比实验
配制30毫升%的磷酸7组，别离加入、、、、、、g已脱蛋白质的干虾壳。
放入水浴锅，50℃水浴2小时，搜集产生的二氧化碳，并测量其体积。
过滤，滤渣为甲壳素，滤液为含有大量钙、镁的酸性溶液，即为经酸处置的叶面肥母液，保留备用。
将滤渣用清水洗至中性后烘干，即是甲壳素。
进行3次平行实验，取平均值。
2）磷酸浓度实验
将98％的磷酸别离稀释10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130倍（即浓度别离为％、％、％、％、％、％、％、％、％、％、％、％、％）。
取100毫升圆底烧瓶10只并编号1～10，加入2克已脱蛋白质的干虾壳。
别离加入稀释10、20、30、40、50、60、80、100、120、130倍的磷酸30毫升。
将1～10号烧瓶放入水浴锅，水浴20min，搜集产生的二氧化碳，并测量其体积。
将1～10号溶液过滤，滤渣为甲壳素，滤液为含有大量钙、镁的酸性溶液，为经酸处置的叶面肥母液，保留备用。
将滤渣用清水洗至中性后烘干，即是甲壳素。
进行3次平行实验。
3）温度实验
取100毫升圆底烧瓶4只并编号1～4，加入2克已脱蛋白质的干虾壳。
加入30毫升%磷酸。
将1～4号圆底烧瓶别离放入40℃、50℃、60℃、80℃水浴锅，水浴3min，搜集产生的二氧化碳，并测量其体积。
将1～4号溶液过滤，滤渣为甲壳素，滤液为含有大量钙、镁的酸性溶液。
将滤渣用清水洗至中性后烘干，即是甲壳素。
滤液为经酸处置的叶面肥母液，保留备用。
进行3次平行实验。
2.3.3叶面肥母液的制备方式
1.碱处置液的制备：
取1个100mL烧杯并编号。
加入氢氧化钾5.5克，粉碎干虾壳9g、蒸馏水100mL、沸石几颗。
置于电热炉上隔石棉网加热并沸煮1小时。
冷却后过滤。
滤液为经碱处置的叶面肥母液，保留备用。
滤渣为已脱除蛋白质的虾壳，洗至中性后，烘干备用。
2.酸处置液的制备：
取1个烧杯，将上一步烘干的已脱除蛋白质的虾壳放到烧杯里。
加入％磷酸70mL，并放到50℃的水浴恒温槽中，水浴1小时。
待无气泡生成后，掏出并过滤。
滤液为经酸处置的叶面肥母液，保留备用。
滤渣为甲壳素，用清水洗至中性后，烘干。
3.取5支小试管，各加入2毫升碱处置后的叶面肥母液。
再别离加入、、、、毫升经酸处置的叶面肥母液。
摇匀后静止20分钟。
然后观看其生成沉淀的情形并记录。
4.将上一步分层的溶液过滤。
滤渣为蛋白质，将其烘干。
滤液为含有多肽、氨基酸、钙、镁、磷、的多功能叶面肥。
2.3.4叶面肥的品质评判方式
2.3.4.1总氮的测定
总氮的测定参照GB11894-1989[27]
2.3.4.2总磷的测定
总磷的测定参照GB11893-1989[28]
2.3.4.3钾的测定
钾的测定参照GB11904-1989[29]
2.3.4.4钙的测定
钙的测定参照GB7476-1987[30]
2.3.4.5镁的测定
镁总量的测定参照GB7477-1987[31]
2.3.4.6氨基酸的测定
将叶面肥搜集后，加热浓缩到原先体积的2/3。
然后用液相色谱进行测定氨基酸的含量。
查验依据参考安捷伦“SensitiveandReliableAminoAcidAnalysisinProteinHydrolysatesusingtheAgilent1100SeriesHPLC”。
叶面肥母液制备的工艺流程
叶面肥制备工艺流程如以下图
图1叶面肥制备工艺流程图
3.结果与讨论
碱的用量与反映时刻对提取虾下脚料中粗蛋白质的阻碍
3.1.1物料比与粗蛋白产量关系
物料比与粗蛋白产量关系如表3和图2所示。
表3物料比与粗白产量关系
试验编号
物料比
沸煮时间
粗蛋白质干重g
粗蛋白的产量%
1
1：
2
1：
3
1：
5min
4
1：
5
1：
6
1：
备注：
①物料比为1g干虾下脚料加入KOH的毫升数；
②KOH浓度为%。
图2物料比与粗蛋白质产量的关系
从图2可见，当物料比为1：
时，取得的虾蛋白最多，为最正确物料比。
而投入虾下脚料过少反映物不够，致使产物少。
投入虾下脚料过量时，反映物过量，反映不充分从而致使产物少。
3.1.2KOH浓度与粗蛋白质产量的关系
KOH浓度与粗蛋白质产量的关系如表4和图3所示。
表4KOH浓度与粗蛋白质产量的关系
编号
干虾下脚料量/g
蒸馏水
KOH/%
沸煮时间
蛋白质干重/g
粗蛋白的产量/%
1
2
3
4
5
6
100mL
6min
7
8
9
10
11
12
13
图3KOH浓度与粗蛋白质产量的关系
从上图可见：
（1）KOH的浓度小于％时，产生蛋白质的量随KOH的浓度增加而增加；
（2）KOH的浓度大于％时，随KOH浓度增加，产生蛋白质的量慢慢减少，减少的缘故有可能与部份蛋白质水解成多肽或氨基酸有关；（3）KOH浓度大于％时，蛋白质量减少量趋于平稳。
即便提高碱的用量，在本实验条件下，蛋白质的水解也只能达到15％左右；（4）而当KOH的浓度在％时，取得的蛋白质最多，证明在本实验条件下能够达到最正确的脱除成效；（5）假设要制备含氨基酸和多肽的叶面肥，KOH的浓度选取％为宜。
3.1.3水解时刻与粗蛋白质产量的关系
水解时刻与粗蛋白质产量的关系如表5和图4所示。
表5水解时刻与粗蛋白质产量的关系
实验编号
碎干虾壳（g）
蒸馏水（mL）
KOH（g）
煮沸时间min
粗蛋白质干重（g）
粗蛋白质产量（％）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
图4水解时刻与粗蛋白质产量的关系
从图4可见：
在100℃条件下，虾下脚料煮沸4分钟时取得的蛋白质最多，达%；反映4分钟后，蛋白质开始分解成多肽和氨基酸；在15分钟后，蛋白质的水解速度趋于平缓，即蛋白质水解成多肽和氨基酸的量趋于平稳。
应选沸煮时刻为30分钟，如此不但能使碱液中多肽和氨基酸的含量达%，而且节省能源。
据此，能够依照产品需要，通过操纵反映时刻来调控蛋白质、多肽及氨基酸的产量。
值得说明的是，咱们在脱蛋白实验中，只选100℃为反映温度，缘故是温度低于100℃时，脱蛋白的成效不明显，考虑到平安等因素和实验条件限制，并无进行高于100℃的条件实验或减压实验。
酸的用量与反映时刻对虾壳钙、镁脱除的阻碍
3.2.1物料比与二氧化碳产量的关系
物料比与二氧化碳产量的关系如表6和图5所示。
表6物料比与二氧化碳产量的关系
试验编号
物料比
水浴温度
水浴时间（h）
二氧化碳体积（mL）
二氧化碳体积（mL）
二氧化碳体积（mL）
平均体积（mL）
1
1：
20
125
2
1：
19
125
3
1：
17
50℃
2
142
147
4
1：
15
162
166
5
1：
12
170
6
1：
10
168
7
1：
8
153
152
备注：
①物料比为1g干虾壳加入磷酸量（mL）；
②磷酸浓度为%。
图5物料比与二氧化碳产量的关系
从图5可见：
当物料比从1∶20到1：
15时，二氧化碳产量随物料比的减少而增加；当物料比从1∶15到1：
10时，二氧化碳产量趋于平缓，说明将虾壳中的钙镁脱除趋于完全；当物料比小于1：
10时，二氧化碳产量开始下降，说明虾壳中的钙镁脱除不充分。
因此，考虑到本钱等因素，最正确物料比以1∶10为宜。
3.2.2酸的浓度与二氧化碳产量的关系
实验中有三组数据不靠得住，故未行处置，实验得出的磷酸浓度与二氧化碳产量的关系如表7和图6所示。
表7酸的浓度与二氧化碳产量的关系
编号
干碎虾壳（g）
磷酸加入量（mL）
60℃水浴
磷酸浓度
CO2体积1（mL）
CO2体积2（mL）
CO2体积3（mL）
平均值
1
2
3
4
30
20min
5
6
7
图6酸的浓度与二氧化碳产量的关系
从图6可见：
磷酸浓度在%～%之间，产生的二氧化碳都在165-170毫升左右。
考虑到磷酸浓度太高，反映太猛烈，无益于生产，同时考虑到节省本钱的缘故，因此选择％为最正确反映浓度。
3.2.3不同温度对二氧化碳产量的
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