摘要：本研究以甘蔗葉為原料，通過設(shè)計模擬礦源腐植酸形成過程中的化學(xué)反應(yīng)，研究將甘蔗葉轉(zhuǎn)化為腐植酸的技術(shù)，并將實驗室制得的腐植酸與礦源腐植酸和木質(zhì)素進行比較研究。制備過程：首先進行酸水解反應(yīng)，將其中的纖維素和半纖維素水解為可溶解的水解糖，將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為不溶的腐植酸前體，固液分離；然后用氧化劑對腐植酸前體進行氧化反應(yīng)，重新生成親水性的羧基基團，完成腐植酸的制備。實驗結(jié)果表明，水解反應(yīng)步驟時，在固定20：50（g：mL）固液比的條件下，最佳的反應(yīng)條件為：10％的硫酸和1％的硝酸組成的水解液，在150℃的溫度下，水解3h；氧化步驟中，腐植酸前體以1：13（g：mL）的固液比與3.5％的硝酸在80℃的溫度下反應(yīng)2h。經(jīng)元素分析、酸性基團分析、紫外和紅外光譜以及核磁共振波譜等一系列分析手段，證實制備的蔗葉生物質(zhì)腐植酸有較高的腐殖化和芳香化程度，其各項指標均接近于礦源腐植酸。該方法能成功制備腐植酸，同時利用產(chǎn)生的水解糖還具備與多種現(xiàn)有生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的潛在可能，以解決其水解殘渣的問題。

關(guān)鍵詞：腐植酸；甘蔗葉；秸稈；有機肥；制備；表征

中圖分類號：S216.2 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）01-0174-09 doi：10.11654/jaes.2023-0467

甘蔗是禾本科甘蔗屬多年生草本植物，是世界上重要的糖料作物，對于我國的制糖業(yè)也有舉足輕重的地位，甘蔗產(chǎn)業(yè)在我國主要提供了蔗糖和蔗渣造紙兩大主要產(chǎn)品，從資源利用的角度出發(fā)甘蔗產(chǎn)業(yè)尚難以利用的大宗副產(chǎn)物主要是甘蔗葉。甘蔗在收獲時，甘蔗葉被遺棄在農(nóng)田里，由于冬春季節(jié)氣溫低降解慢再加上禁燒令，導(dǎo)致如何處理甘蔗葉成為了甘蔗收獲后棘手的問題。甘蔗葉與我國每年產(chǎn)生的其他7億t農(nóng)作物秸稈一樣面臨高附加應(yīng)用缺乏、難以形成有效經(jīng)濟循環(huán)的困境，導(dǎo)致企業(yè)參與積極性較低，造成違規(guī)焚燒秸稈現(xiàn)象屢禁不止。

腐植酸是腐殖質(zhì)的一種，在自然界中廣泛存在，含有羧基、酚羥基、甲氧基、醌基等官能團，而且擁有較大的比表面積，能絡(luò)合水中的重金屬。此外，腐植酸鉀、腐植酸銨等腐植酸肥料在補充有機肥的同時相較于傳統(tǒng)化肥能有效減少氨氣揮發(fā)提升化肥利用率。由于來源和生產(chǎn)方式不同，腐植酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，一般認為其是一類由芳香族、脂肪族及多種官能團組成的無定型有機弱酸混合物。市面上銷售的腐植酸產(chǎn)品主要從泥炭、褐煤等煤炭形成早中期階段的低級別煤炭中提取，即所謂的礦源腐植酸，我國煤中腐植酸資源較為豐富，原生腐植酸含量為10％-80％。常見的另一主要來源是將植物性材料通過生物發(fā)酵的方法降解后由其中的木質(zhì)素轉(zhuǎn)化而來，但這種方法制備的腐植酸腐殖化程度較低，通常作為發(fā)酵有機肥的一部分而非單獨提取使用。

目前以非發(fā)酵的方法從植物體直接制備腐植酸的報道較少，例如Wang等用雙氧水氧化生物燃料前處理的堿提取液（主要溶解木質(zhì)素）制備腐植酸，該方案有工業(yè)化潛力但僅能作為特定行業(yè)的配套技術(shù)。Yang等用堿水熱法將秸稈制備成腐植酸，該方法為腐植酸單一產(chǎn)品，還需要進一步考察產(chǎn)業(yè)化模式。Liu等報道的方法是在分級多孔碳超級電容器材料制備過程中，原料棉稈粉末在氮氣氛圍下制備前驅(qū)體后，在超聲條件下用雙氧水和氫氧化鉀水溶液提取腐植酸鉀，該方案將腐植酸和電容碳工藝相結(jié)合有可能存在兩個產(chǎn)品市場容量不匹配的潛在問題。為了解決甘蔗葉難以處理的棘手問題，也為了探索一種具有潛在應(yīng)用價值的生物質(zhì)開發(fā)模式，本研究借鑒礦源腐植酸由植物體到腐植酸的形成過程，提出利用酸水解再氧化的方法制備腐植酸。在酸水解的條件下，秸稈纖維中的纖維素和半纖維素均能被水解為可溶的單糖及其降解產(chǎn)物，而木質(zhì)素會發(fā)生一系列的反應(yīng)，包括但不限于：木質(zhì)素上芐醇結(jié)構(gòu)的a-羥基亞甲基（a-CHOH-）與包括酚的鄰、對位在內(nèi)的其他活性位點的縮合反應(yīng)；醇羥基的脫水及羧基的脫羧反應(yīng)；酯基的水解反應(yīng)；某些烷基醚的斷裂、重排；新生成的不飽和烴的一系列加成、縮合等反應(yīng)；整體的反應(yīng)方向趨向于脫氧、脫氫與芳環(huán)化，與植物體在自然界中腐殖化的方向大致相同。水解形成的固體腐植酸前體與纖維素和半纖維素降解的可溶性產(chǎn)物經(jīng)固液分離后，再由氧化劑適當氧化形成新的羧基基團即可制備出酸性及中性條件不溶而堿性可溶，具備大量芳香基團和羧基的生物質(zhì)腐植酸。而第一步分離的水解液經(jīng)電滲析回收酸后，其中的水解糖仍然可以作為進一步生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料，工藝稍加改進有可能與氨基酸、蘋果酸、木糖、糠醛等多種工業(yè)相結(jié)合，解決其生產(chǎn)中形成的殘渣問題。

1材料與方法

1.1材料與試劑

甘蔗葉采集于桂林市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中心試驗田，市售礦源腐植酸來源于山東綠隴生物科技有限公司，純水來源于杭州娃哈哈集團有限公司，95％-98％濃硫酸、≥96％氫氧化鈉、≥85％氫氧化鉀、36％-38％濃鹽酸、65％-68％濃硝酸、85％磷酸、≥99.5％乙醇來源于四川西隴科學(xué)有限公司，99.9％D2O、99.5％NaOD來源于Sigma-Aldrich，99.9％DMSO來源于安諾倫（北京）生物科技有限公司，木聚糖酶AU-PE89來源于山東蘇柯漢生物工程股份有限公司。

1.2甘蔗葉水解

將干燥的甘蔗葉剪成小段后塞入反應(yīng)釜并加入下文所述的酸液50 mL，由于甘蔗葉蓬松的特質(zhì)，為提高反應(yīng)釜利用率和降低單位能耗，所有試驗均使用反應(yīng)釜最大容積（100 mL），采用固定固液比20：50（g：mL）。將反應(yīng)釜置于恒溫中水解，水解3 h后取出反應(yīng)釜冷卻至室溫，抽濾水解后的固液混合物并用水洗滌固體至中性，濾渣（腐植酸前體）和濾液分別進行后續(xù)操作。其中溫度、濃度等變量先大范圍粗選確定較優(yōu)的范圍，經(jīng)過篩選，使用磷酸進行水解時，溫度范圍為170-200℃，每隔10℃設(shè)置一組，磷酸濃度為10％-25％，每隔5％設(shè)置一組，再在該范圍內(nèi)每個處理重復(fù)3次試驗獲得試驗數(shù)據(jù)。使用硫酸體系進行水解時，溫度范圍為140-170℃，每隔10℃設(shè)置一組，硫酸濃度分別為5％、10％、15％和17.5％，在對10％的硫酸進行水解試驗時，酸液中額外添加1％硝酸進行試驗，上述每個處理重復(fù)3次試驗獲得試驗數(shù)據(jù)。

1.3腐植酸前體的氧化

上一步獲得的腐植酸前體用水分儀測定含水量，根據(jù)含水量計算所需濃度和體積的氧化劑，使硝酸或雙氧水達到所需濃度，不經(jīng)干燥直接加入氧化劑水溶液，水浴加熱進行氧化。其中濃度、固液比、溫度和時間等變量先大范圍粗選確定較優(yōu)的范圍，之后該范圍內(nèi)每個處理重復(fù)3次試驗獲得試驗數(shù)據(jù)。在使用雙氧水氧化時，溫度設(shè)置為60-90℃，每隔10℃設(shè)置一組，固液比篩選范圍為1：11、1：13和1：15 （g： mL），時間為2、3、4h，雙氧水濃度控制為2％、5％、10％、20％和30％。使用硝酸進行氧化時，首先對固液比和硝酸濃度進行試驗，固液比篩選范圍為1：11、1：13和1：15 （g： mL），硝酸濃度為1％、2％、3％、3.5％和4％。之后確定最佳溫度和反應(yīng)時間，溫度范圍為50-90℃，每隔10℃設(shè)置一組，反應(yīng)時間為0.5、1、2、3、4、5h。

反應(yīng)完成后，均按照如下步驟繼續(xù)操作：加入20g·L-1的NaOH溶液100 mL溶解生成的腐植酸，提高水浴溫度至沸騰并保持30 min。待降溫后過濾反應(yīng)液并用水洗滌至中性，合并濾液，濾液滴加鹽酸酸化至pH約為1，生成大量沉淀并過濾，清水洗滌至中性后烘干即為腐植酸。

1.4木質(zhì)素的制備

蔗葉用8％的NaOH溶液浸泡24 h后90℃水浴加熱2h，過濾后清水洗滌2次，合并濾液加酸調(diào)節(jié)pH=3，過濾并水洗沉淀至中性，將沉淀均勻分散于pH為8的H3PO4-NaOH緩沖液中，加入木聚糖酶并50℃下保溫4h，再次過濾脫除木糖和低聚木糖，濾渣加入NaOH溶解，25℃下離心（3 265 g 10 min，去除可能包結(jié)在木質(zhì)素內(nèi)部的少量木聚糖），取上清液加2 mol·L-1鹽酸調(diào)節(jié)pHlt;3，產(chǎn)生大量沉淀，過濾沉淀并用清水洗至中性，干燥得木質(zhì)素。

1.5檢測方法

1.5.1腐植酸含量的測定

取1g制備得到的腐植酸樣品，加入20 g·L-1的NaOH溶液100 mL，100℃水浴加熱30 min，降至室溫后過濾，用水洗滌至濾液無色，將液體部分加入鹽酸酸化析出腐植酸，用烘至質(zhì)量恒定的定量濾紙過濾，用水洗滌，稱量得到腐植酸質(zhì)量（參考國家標準：農(nóng)業(yè)用腐殖酸鉀GB/T 33804-2017）。

1.5.2總酸基的測定

采用氫氧化鋇法測定腐植酸中的總酸基。準確稱量0.25 g腐植酸樣品，加入100 mL容量瓶中，加入0.05 mol·L-1的Ba（OH）2溶液定容，加熱攪拌1.5 h后靜置至室溫。

用移液管量取10 mL上清液置于錐形瓶中，加入15 mL的0.1 mol·L-1鹽酸，滴加三滴酚酞試劑，用0.1mol·L-1的標準NaOH溶液滴定至溶液變粉色。同時做空白實驗。

1.5.3總羧基的測定

準確稱量0.25 g腐植酸樣品，加入100 mL容量瓶中，加入0.25 mol·L-1醋酸鈣溶液定容，加熱攪拌1.5 h后靜置至室溫。用移液管取10 mL上清液置于錐形瓶中，加入三滴酚酞試劑，用0.1 mol·L-1的標準氫氧化鈉溶液滴定至溶液變粉色。通過計算滴定終點時消耗氫氧化鈉的體積來得到總羧基的含量。

1.5.4總酚羥基的測定

總酚羥基=總酸基-總羧基

1.5.5水解液中單糖的測定

水解液中加入NaOH中和至中性，蒸干溶劑后取樣進行分析。樣品加一定體積的水溶解，再加入無水乙醇，使乙醇濃度為75％，待樣品中的鹽充分析出后過濾，用75％乙醇洗滌，濾液合并后再次旋干得到糖類粗提物，取樣用水溶解后經(jīng)高效液相色譜檢測其中的葡萄糖和木糖含量。

色譜條件為：柱壓2.7 MPa，柱溫60℃，流動相0.005 mol·L-1的硫酸溶液。色譜柱為Carbomix H-NP5：8％（賽分科技有限公司）。

1.6數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)均重復(fù)3組，數(shù)據(jù)采用Excel整理和計算，Oringin2021軟件繪圖，紅外光譜用OMNIC軟件分析，核磁共振波譜用MestReNova分析，顯著性差異用Graphpad Pism分析。

2結(jié)果與討論

2.1甘蔗葉制備腐植酸前體

酸水解的目的是將纖維素和半纖維素水解成可溶解的單糖與木質(zhì)素形成的腐植酸前體分離，主要考察了磷酸、硫酸和硫酸+硝酸組合對水解反應(yīng)的影響，常用強酸中鹽酸因為對鋼材有較強的腐蝕能力，不作為未來工業(yè)應(yīng)用的候選而被排除。由于木質(zhì)素在甘蔗葉中占比低于30％，因此酸水解試驗的主要考察指標被設(shè)定為腐植酸前體的產(chǎn)率越低且越接近30％為好，次要的指標則是水解液中單糖的含量。

圖1是以不同濃度和溫度的磷酸水溶液對甘蔗葉進行水解后腐植酸前體的產(chǎn)率。在相同的磷酸濃度時，各組都表現(xiàn)出隨溫度提升而產(chǎn)率下降的趨勢，而相同溫度下高的磷酸濃度也表現(xiàn)出了更高的水解率，直至190℃和200℃組15％-25％的磷酸濃度差別不再明顯。更多的試驗表明在25％及以下的磷酸濃度條件下，繼續(xù)提高溫度對水解率的影響已經(jīng)較小，最優(yōu)的腐植酸前體產(chǎn)率只能維持在40％-43％。

由于磷酸水解的溫度和濃度均較高，故進一步試驗了硫酸水解的影響。如圖2所示。與磷酸不同，用硫酸水解并未出現(xiàn)隨濃度升高而腐植酸前體產(chǎn)率單邊下降的趨勢，隨著硫酸濃度升高到10％水解所剩固體最少，之后隨著濃度進一步升高剩余的不溶性固體反而增加。推測這是由于硫酸強烈的脫水能力導(dǎo)致纖維素和半纖維素在水解反應(yīng)之外大量出現(xiàn)了糖羥基脫水芳環(huán)化甚至碳化的反應(yīng)，從而導(dǎo)致水不溶性固體不減反增。雖然硫酸水解能夠降低對溫度的要求，但10％硫酸150℃的最優(yōu)條件腐植酸前體產(chǎn)率也僅為47.5％，與30％的理論值仍相去甚遠。鑒于反應(yīng)產(chǎn)物中仍能看到明顯的纖維狀殘渣，分析在水解反應(yīng)時由于纖維素的結(jié)晶形態(tài)導(dǎo)致酸水解難以徹底，因此在酸溶液的基礎(chǔ)上添加氧化劑幫助提高水解率。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，150℃的溫度下在10％的硫酸基礎(chǔ)上添加1％的硝酸能夠有效地提高水解效率，腐植酸前體的產(chǎn)率能夠穩(wěn)定在35％左右。在前述的磷酸水解方案中添加硝酸同樣可以達到繼續(xù)提升水解率的效果，但由于磷酸方案最優(yōu)的溫度高達200℃，添加硝酸后產(chǎn)生的氣體會對反應(yīng)釜耐壓性能提出更高的要求，綜合考慮選用硫酸／硝酸混酸更優(yōu)。

考慮到技術(shù)的實用性，水解液中單糖的含量同樣需要考察，理論上纖維素水解為葡萄糖，半纖維素水解為木糖，但是由于水解溫度較高單糖難以保留。150℃、10％硫酸/1％硝酸條件下水解液經(jīng)中和、脫鹽、干燥后測試，其中葡萄糖含量為20.45％，沒有檢測到木糖，而溫度上升至160℃，葡萄糖含量銳減到2.63％。經(jīng)實測，酸水解條件下木糖能夠大量保留的臨界溫度約在120-130℃。顯然制備水解糖和腐植酸前體所需的水解溫度存在較大差異，這點可以通過分批次水解解決，本文不再詳述。

另外，水解時間由于反應(yīng)釜的大小導(dǎo)致傳熱時間不同，100 mL聚四氟乙烯內(nèi)膽的鋼制反應(yīng)釜2.5 h與500 mL同樣反應(yīng)釜3h時均能達到較好的效果，再延長時間對腐植酸前體的產(chǎn)率影響較小。

綜上，甘蔗葉制備腐植酸前體的最佳水解條件為：溫度150℃，反應(yīng)時間3h，水解液選用10％的硫酸和1％硝酸組成的混合酸。

2.2氧化制備腐植酸

腐植酸最主要的用途是農(nóng)業(yè)肥料，因此在選擇氧化劑時既需要考慮產(chǎn)率、反應(yīng)條件、成本等因素，還需要考慮對農(nóng)業(yè)應(yīng)用的潛在影響，因此，從殘留化學(xué)成分不影響土壤生態(tài)的角度能夠候選的氧化劑數(shù)量較少，主要考察了雙氧水和硝酸兩種氧化劑對制備腐植酸的影響。

在90℃、固液比1：12（g：mL），反應(yīng)3h的條件下，不同濃度雙氧水對制備腐植酸的影響見圖3，其最大產(chǎn)率在50％以下，即使調(diào)整溫度、時間和固液比等因素雙氧水作為氧化劑的腐植酸產(chǎn)率也難以繼續(xù)提高。

換用氧化能力更強的硝酸后產(chǎn)率大幅度提高，試驗首先確定了硝酸反應(yīng)的濃度和固液比，圖4為在1：11-1：15（g：mL）固液比范圍內(nèi)不同硝酸濃度對反應(yīng)的影響。隨著硝酸濃度的提升腐植酸的產(chǎn)率逐漸提高，當達到3.5％時出現(xiàn)最大值，之后繼續(xù)增加濃度產(chǎn)率反而下降。腐植酸前體有較強的疏水性，與水混合長時間無法浸潤而浮于水面，隨著氧化劑加入以及溫度升高，可觀察到固體逐漸被浸潤形成懸濁液。基于以上試驗現(xiàn)象，推測由于腐植酸前體與硝酸的反應(yīng)主要是發(fā)生在界面的兩相反應(yīng)，腐植酸前體被氧化后產(chǎn)生大量的親水性羧基基團，導(dǎo)致固液反應(yīng)的界面親和力大幅提升而更容易與水中的硝酸接觸，使已經(jīng)生成的腐植酸比未反應(yīng)的前體更易反應(yīng)，因此當硝酸濃度超過臨界值后反而導(dǎo)致腐植酸分子量下降而產(chǎn)生大量水溶性小分子，從而降低產(chǎn)率。因此最佳的反應(yīng)條件被設(shè)定為3.5％的硝酸和1：13（g：mL）的固液比。

確定了最佳的固液比和硝酸濃度后，在該條件下我們繼續(xù)考察了不同溫度和反應(yīng)時間這對聯(lián)動因素對反應(yīng)產(chǎn)率的影響，如圖5所示，在50-90℃時該反應(yīng)的最佳時間分別為5、4、3、2、2h，顯然隨著溫度的升高反應(yīng)的速度逐漸提升，且各組腐植酸的最大產(chǎn)率均能達到70％左右，而在80℃時達到了最大77.8％的產(chǎn)率。說明即使是較低的溫度下也可以通過延長反應(yīng)時間提升反應(yīng)產(chǎn)率。

綜上，通過雙氧水和硝酸兩種氧化劑的比較，發(fā)現(xiàn)硝酸是更適合用于制備腐植酸的氧化劑，它的最佳反應(yīng)條件被確定為：腐植酸前體以1：13（g：mL）的固液比與3.5％的硝酸在80℃的溫度下反應(yīng)2h。

2.3甘蔗葉生物質(zhì)腐植酸的表征

通過檢測制備的甘蔗葉腐植酸的元素組成，酸性基團含量，紫外、紅外光譜以及核磁波譜分析，并與商業(yè)銷售的礦源腐植酸（礦源HA）和原料中轉(zhuǎn)化為腐植酸的主要化學(xué)成分木質(zhì)素的對比分析制備的甘蔗葉生物質(zhì)腐植酸（甘蔗葉HA）的結(jié)構(gòu)變化、腐殖化程度等信息。

通過元素分析（表1）可以發(fā)現(xiàn)三個樣品的碳含量均為55％-57％，氧含量均為32％-34％，非常接近，氫元素則呈現(xiàn)礦源腐植酸lt;甘蔗葉腐植酸lt;木質(zhì)素的趨勢，分別為2.8％、4.2％和5.3％。甘蔗葉腐植酸相對木質(zhì)素氫含量降低從側(cè)面說明芳香環(huán)的占比提升，進而說明第一步的水解反應(yīng)確實能夠達到脫氫和提升芳香度的目的。而甘蔗葉腐植酸和木質(zhì)素雖然氧含量接近，但反映出的結(jié)構(gòu)構(gòu)成卻并不相同，結(jié)合后續(xù)酸性基團含量發(fā)現(xiàn)，兩者雖然氧含量相當，但總酸性基團含量卻是甘蔗葉腐植酸明顯領(lǐng)先，說明木質(zhì)素的氧含量很大一部分是由醇羥基和甲氧基提供。還可以推測木質(zhì)素向腐植酸轉(zhuǎn)變的過程中，在第一步酸水解過程中由于酸的催化作用容易導(dǎo)致這些含氧基團發(fā)生消除反應(yīng)丟失氧元素，而經(jīng)歷第二步氧化反應(yīng)后重新生成羧基而再次在結(jié)構(gòu)中引入大量的含氧基團。另外甘蔗葉腐植酸元素組成中氮的含量相較于木質(zhì)素也明顯提升，分析原因是第二步使用硝酸氧化時可能導(dǎo)致芳香基團少量硝基化。

采用氫氧化鋇和醋酸鈣法，分別測定了甘蔗葉腐植酸的總酸性基團、羧基和酚羥基的含量，結(jié)果見表1。甘蔗葉腐植酸總酸基和羧基含量相較于木質(zhì)素分別由5.20

mmol·g-1和0.43 mmol·g-1大幅提升至7.60mmol·g-1和3.81 mmol·g-1，已經(jīng)與礦源腐植酸的7.76mmol·g-1和4.32 mmol·g-1相接近。而酚羥基的含量則由木質(zhì)素的4.77 mmol·g-1下降為3.79 mmol·g-1，略高于礦源腐植酸的3.44 mmol·g-1。羧基酚羥基之比正好為1：1略低于礦源腐植酸的1.26：1，明顯高于木質(zhì)素的0.09：1。這證明制備腐植酸的兩步法達到了最初設(shè)計方案的預(yù)期，通過一系列的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)使木質(zhì)素快速腐殖化，使制備的甘蔗葉腐植酸在官能團結(jié)構(gòu)和含量上接近于通過地殼億萬年才能形成的礦源腐植酸。

核磁共振波譜能夠很好地反映有機物的官能團，但礦源腐檀酸鈉溶解在重水中幾乎沒有核磁信號，這與文獻報道一致，應(yīng)該是由于其溶液實際上是膠體溶液而非真正的溶解，而本研究制備的甘蔗葉腐植酸鈉在重水中（圖6）同樣幾乎沒有信號，其碳譜中僅有化學(xué)位移170-180 ppm的羧基碳信號能夠辨認。但與礦源腐植酸在氘代DMSO中同樣幾乎沒有信號不同，當用氘代DMSO作為溶劑時，甘蔗葉腐植酸的碳譜中出現(xiàn)了明顯核磁信號。與木質(zhì)素的氘代DMSO碳譜相比，甘蔗葉腐植酸在50-90 ppm的烷氧基信號幾乎全部消失，取而代之的是在0-40 ppm的烷基區(qū)出現(xiàn)了多個信號，而在大于100 ppm的不飽和信號區(qū)，可以觀測到甘蔗葉腐植酸一系列寬而弱的連續(xù)譜峰，與木質(zhì)素強而銳利的信號相比，這說明甘蔗葉腐植酸芳香基團的類型和復(fù)雜程度增加，芳香化程度提高。雖然在DMSO中甘蔗葉腐植酸的溶解度也較低，核磁數(shù)據(jù)并不代表全部的樣品，但能夠溶解的這部分已經(jīng)證明了從木質(zhì)素到腐檀酸的系列變化是符合設(shè)計預(yù)期的。

在腐檀酸的研究中紫外一可見吸收光譜占據(jù)著很重要的地位，它能夠在一定程度上說明腐植酸的腐殖化程度，圖7分別展示了礦源腐植酸、甘蔗葉腐植酸和木質(zhì)素200-800 nm波長的吸收光譜。

與文獻報道的類似，礦源腐植酸和甘蔗葉腐植酸的吸收光譜均隨波長增加而降低，而木質(zhì)素則在280 nm附近出現(xiàn)了明顯的肩峰。通過對特定波長的吸光度進行處理能夠更好地衡量腐植酸的腐殖化程度，E2/E3是在250 nm與365 nm處的吸光度之比，通常用作腐殖物質(zhì)的腐殖化和分子量的指標。E4/E6是在465 nm處與在665 nm處的吸光度之比，即所謂的腐殖化指數(shù)，也與腐植酸的平均分子量和大小以及含氧量有關(guān)。△lg K系數(shù)與腐殖化程度相關(guān)，即腐植酸溶液在400nm（A400）和600 nm（A600）下的吸光度并做對數(shù)的差值：△lg K=lgA400-lgA600，其腐殖化程度被劃分為A（lt;0.6）、B（0.6-0.8）、Rp（0.8-1.1）和P（gt;1.1）四級，數(shù)值越小表示腐殖化程度越高。

由表2可知，E2/E3、E4/E6、Alg K三個參數(shù)均為礦源HAlt;甘蔗葉HAlt;木質(zhì)素，反映出礦源腐植酸表現(xiàn)出較高的芳香縮合度，較低的脂肪支鏈，以及高度的腐殖化程度，而甘蔗葉腐植酸的腐殖化程度則略低于礦源腐植酸而遠高于木質(zhì)素。雖然甘蔗葉腐植酸的腐殖化程度沒有完全達到礦源腐植酸的水平，但多個指標共同證明其仍然具備很高的腐殖化程度，說明兩步法的制備方案基本達到了設(shè)計的預(yù)期。

雖然腐植酸結(jié)構(gòu)復(fù)雜容易導(dǎo)致紅外譜圖吸收峰重疊而不易解讀細節(jié)，但仍然能夠從三者的紅外譜圖中獲得關(guān)于結(jié)構(gòu)的細節(jié)信息。如圖8所示，3 300-3 400 cm-1左右的寬而強的吸收峰是羥基O-H的伸縮振動峰，前面的試驗已經(jīng)證實礦源和甘蔗葉腐植酸都含有大量的羥基和羧基，那么通過紅外光譜確認1 230 cm-1附近為羧基和酚的C-O伸縮振動峰，在1 100 cm-1附近沒有明顯的吸收峰證明其醇羥基含量較低，而相對應(yīng)的木質(zhì)素在1 124 cm-1有明顯吸收說明木質(zhì)素中醇羥基含量較高，這也與核磁結(jié)果相符。2 922 cm-1附近代表的是脂肪族烷烴的C-H伸縮振動，兩種腐植酸在此處出峰很弱說明它們的脂肪族烷烴比例很低，而木質(zhì)素中則存在較多的脂肪族烷烴。兩個腐植酸樣品中1 700 cm-1左右是羧基C=0的伸縮振動，而木質(zhì)素在這個位置的吸收明顯較弱，1 620 cm-1處是羧基共軛芳環(huán)或者共軛雙鍵以及COO-的吸收峰，1 540 cm-1和1 400 cm-1附近的弱吸收有可能是COO-的對稱伸縮振動峰和反對稱伸縮振動峰，說明樣品中還有未洗干凈的鹽，1 030cm-1波數(shù)處是醚或糖的-C-O-C-伸縮振動，兩個腐植酸在此處都沒有明顯的吸收峰，而木質(zhì)素則出現(xiàn)了中等強度吸收。紅外吸收光譜的結(jié)果與之前試驗結(jié)果一致，證明了甘蔗葉腐植酸在經(jīng)過了一系列的處理后脂肪族下降而芳香族基團大幅上升，且形成了大量新的羧基。

綜上所述，通過工藝研究和結(jié)構(gòu)表征的數(shù)據(jù)表明酸水解再氧化的方案能夠由甘蔗葉制備出結(jié)構(gòu)接近于傳統(tǒng)礦源腐植酸的生物質(zhì)腐植酸。由于電滲析技術(shù)的發(fā)展和突破，工業(yè)上酸、堿及高鹽廢水的回收成本已大幅下降，因此奠定了本項技術(shù)得以開展和繼續(xù)放大的基礎(chǔ)，該方案可以解決生物質(zhì)酸水解后殘渣利用的問題，但還需要在考慮產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟模式構(gòu)建的基礎(chǔ)上完成水解糖與其他高附加值產(chǎn)品工藝的銜接。

3結(jié)論

（1）以甘蔗葉為原料制備腐植酸共需經(jīng)過兩個過程，即酸水解和氧化，水解過程將纖維素和半纖維素水解成單糖，使木質(zhì)素生成的腐植酸前體能夠更容易被隨后的氧化步驟所氧化，提高原料的利用率。經(jīng)條件優(yōu)化后，在固定20：50（g：mL）固液比的條件下，最優(yōu)的水解條件為：10％硫酸和1％硝酸組成的混酸作為水解液，150℃下反應(yīng)3h；而氧化步驟的最佳反應(yīng)條件則為：水解制備的腐植酸前體以固液比為1：13（g：mL）的比例在3.5％的硝酸中80℃反應(yīng)2h。

（2）經(jīng)核磁、紅外、紫外等一系列表征手段一致證實制備的甘蔗葉腐植酸有類似于礦源腐植酸的基團結(jié)構(gòu)，雖然腐殖化程度仍略低于市售礦源腐植酸，但差距較小。

（3）該制備方法證實通過模擬礦源腐植酸形成過程中的化學(xué)反應(yīng)，可以利用植物材料直接進行腐植酸的制備。而且原料不局限于甘蔗葉，各種農(nóng)林副產(chǎn)物均可采用這一思路進行開發(fā)，為農(nóng)林副產(chǎn)物的高值化利用提供了新的途徑。