李素瓊

(武夷學(xué)院 生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300)

抗金黃色葡萄球菌的響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)

李素瓊

(武夷學(xué)院 生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300)

采用載銅活性炭對(duì)金黃色葡萄球菌進(jìn)行抗菌測(cè)試。試驗(yàn)以抗菌率為響應(yīng)目標(biāo)，通過單因素實(shí)驗(yàn)、Plackett-Burman(PB)設(shè)計(jì)和Box-Behnken Design(BBD)中心組合設(shè)計(jì)對(duì)載銅活性炭抗菌率的5個(gè)因素進(jìn)行篩選優(yōu)化；以抗菌率為響應(yīng)目標(biāo)，對(duì)振蕩時(shí)間、振蕩溫度、載銅活性炭質(zhì)量和轉(zhuǎn)數(shù)四因素進(jìn)行BBD設(shè)計(jì)，確定抗菌測(cè)試的最佳工藝條件為振蕩時(shí)間2.5h、振蕩溫度60℃、載銅活性炭質(zhì)量2.25g、轉(zhuǎn)數(shù)250r/min，抗菌率達(dá)100 %。

載銅活性炭；金黃色葡萄球菌；抗菌率；響應(yīng)面

隨工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，水質(zhì)惡化和空氣污染威脅著人類健康?；钚蕴坑捎谄鋬?yōu)越的吸附和催化性能，以及良好的耐酸堿性，在環(huán)境治理中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，是一種高效而安全的凈化水的材料[1-2]。在飲用水處理中，由于活性炭表面的疏水性，且比表面積巨大，因而可有效去除水體中的有機(jī)物和部分無(wú)機(jī)雜質(zhì)。然而，在凈化水的過程中，細(xì)菌很容易在活性炭表面繁殖，使活性炭本身也成了污染物，從而影響凈水效果[3-4]。研究表明，活性炭載銅后不僅可吸附自來(lái)水中的有機(jī)物和部分無(wú)機(jī)雜質(zhì)，還可抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖。

單因素測(cè)試時(shí)，考慮氯化銅濃度、振蕩時(shí)間、振蕩溫度、載銅活性炭的質(zhì)量等操作參數(shù)對(duì)抗菌率的影響；根據(jù)Plackett-Burman和單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果所確定的實(shí)驗(yàn)因素，采用Box-Behnken組合設(shè)計(jì)進(jìn)一步將振蕩時(shí)間、振蕩溫度、載銅活性炭質(zhì)量、轉(zhuǎn)數(shù)四個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置高、中、低三個(gè)水平，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證分析，最終確定各因素的最佳工藝條件[5]。

1 材料與方法

1.1 主要材料

金黃色葡萄球菌

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

通過單因素、Plackett-Burman設(shè)計(jì)和中心組合設(shè)計(jì)(BBD)，考察氯化銅濃度、振蕩時(shí)間、振蕩溫度、轉(zhuǎn)數(shù)以及載銅活性炭的質(zhì)量等操作參數(shù)對(duì)抗菌率的影響，并根據(jù)響應(yīng)面法原理，對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證分析，確定制備抗菌的最佳工藝條件。

1.3 單因數(shù)實(shí)驗(yàn)

以金黃色葡萄球菌為原料，采用載銅氯化銅為抗菌載體，考慮振蕩時(shí)間、振蕩溫度、轉(zhuǎn)數(shù)以及載銅活性炭的質(zhì)量等操作參數(shù)對(duì)抗菌率的影響。

1.4 試驗(yàn)優(yōu)化

試驗(yàn)先利用Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)篩選出關(guān)鍵影響因子，然后在單因數(shù)試驗(yàn)和Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用Box-Behnken設(shè)計(jì)來(lái)對(duì)影響活性炭的抗菌率進(jìn)行優(yōu)化[5]。

1.5 抗菌實(shí)驗(yàn)

圖1 抗菌測(cè)試流程圖

具體步驟為：取30ml菌懸液，加一定質(zhì)量的負(fù)載銅活性炭；將其置于恒溫振蕩器，設(shè)置一定轉(zhuǎn)數(shù)及溫度；振蕩一定時(shí)間后，取樣0.5ml，加入到4.5mlPBS緩沖液中分散均勻。再進(jìn)行稀釋，稀釋6次；設(shè)置三個(gè)平行樣，各取懸液0.1ml，滴加在固體培養(yǎng)基上，用刮鏟涂均勻，放置1h；放入培養(yǎng)箱，30℃倒置培養(yǎng)24h，觀察菌落生長(zhǎng)情況。選取空白活性炭作為負(fù)載銅活性炭的參比樣。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 震蕩時(shí)間的選擇

完成振蕩溫度30℃，轉(zhuǎn)數(shù)200r/min，載銅活性炭為2g，震蕩時(shí)間不同的抗菌測(cè)試。表1為進(jìn)行試驗(yàn)的條件及結(jié)果。

表1 不同震蕩時(shí)間完成的抗菌測(cè)試結(jié)果

圖1 不同震蕩時(shí)間完成的抗菌測(cè)試結(jié)果

圖2 不同震蕩溫度完成的抗菌測(cè)試結(jié)果

2.1.2 不同震蕩溫度的選擇

完成振蕩時(shí)間為1h，轉(zhuǎn)數(shù)200r/min，載銅活性炭為2g，震蕩溫度不同的抗菌測(cè)試。表2為進(jìn)行試驗(yàn)的條件及結(jié)果。

表2 不同震蕩溫度完成的抗菌測(cè)試結(jié)果

2.1.3 不同轉(zhuǎn)數(shù)的選擇

完成振蕩時(shí)間為1h，振蕩溫度為30℃，載銅活性炭為2g，轉(zhuǎn)數(shù)不同的抗菌測(cè)試。表3為進(jìn)行試驗(yàn)的條件及結(jié)果。

表3 不同轉(zhuǎn)數(shù)完成的抗菌測(cè)試結(jié)果

圖3 不同轉(zhuǎn)數(shù)完成的抗菌測(cè)試結(jié)果 圖4 不同載銅活性炭質(zhì)量完成的抗菌測(cè)試結(jié)果

2.1.4 不同載銅活性炭質(zhì)量的選擇

完成振蕩時(shí)間為1h，振蕩溫度為30℃，轉(zhuǎn)數(shù)200r/min，載銅活性炭質(zhì)量不同的抗菌測(cè)試。表4為進(jìn)行試驗(yàn)的條件及結(jié)果。

表4 不同載銅活性炭質(zhì)量完成的抗菌測(cè)試結(jié)果

2.2 篩選實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——Plackett-Burman設(shè)計(jì)[6]

在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程五個(gè)主要因素氯化銅濃度、振蕩時(shí)間、振蕩溫度、轉(zhuǎn)數(shù)和載銅活性炭質(zhì)量，外加六個(gè)虛擬因素，共進(jìn)行12次實(shí)驗(yàn)，以確定每個(gè)因素的影響因子。PB實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 Plackett-Burman設(shè)計(jì)結(jié)果

表6 抗菌率偏回歸系數(shù)及影響因素的顯著性分析

注：P<005顯著；P>0.1不顯著；P<0.0001極顯著。

2.3 中心組合設(shè)計(jì)(BBD)結(jié)果與響應(yīng)面結(jié)果[7-10]

根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，在單因素的基礎(chǔ)上，以振蕩時(shí)間(A)、振蕩溫度(B)、轉(zhuǎn)數(shù)(C)、載銅活性炭濃度(D)四個(gè)因素為自變量，以抗菌率(Y)為響應(yīng)值，做四因素三水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，共29個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。設(shè)計(jì)結(jié)果見表7、表8。

表7 試驗(yàn)自變量因素編碼及水平

表8 BBD優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

2.4 優(yōu)化結(jié)果

RSM預(yù)測(cè)出來(lái)的最佳結(jié)果為：振蕩時(shí)間2.5h、振蕩溫度60℃、載銅活性炭質(zhì)量2.25g、轉(zhuǎn)數(shù)250r/min，抗菌率高達(dá)100.313%，考慮實(shí)際情況，抗菌率在以上參數(shù)條件下，抗菌率高達(dá)100%。在最優(yōu)條件下，抗菌率達(dá)到100%，與預(yù)測(cè)值相符。

3 實(shí)驗(yàn)討論

3.1 單因素試驗(yàn)

從表1和圖1可知，隨著振蕩時(shí)間的增加，抗菌率也越來(lái)越大。當(dāng)振蕩時(shí)間大于1.5h后，抗菌率增長(zhǎng)比較緩慢。所以選取振蕩時(shí)間為2.5h時(shí)，抗菌率最大。另外由表2和圖2知，隨著振蕩溫度的增加，抗菌率也顯著增加。所以選取振蕩溫度為60℃，抗菌率達(dá)到最大。表3和圖3表明隨著轉(zhuǎn)數(shù)的增加，抗菌率也增大；當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到200轉(zhuǎn)時(shí)，抗菌率達(dá)到最大，之后抗菌率下降。所以選取轉(zhuǎn)數(shù)為200轉(zhuǎn)時(shí)，抗菌率最好。而表4和圖4表明隨著活性炭質(zhì)量的增加，抗菌率也增加，接近于線性關(guān)系，當(dāng)質(zhì)量達(dá)到2.5g時(shí)，抗菌率最大。所以選取載銅活性炭的質(zhì)量為2.5g，抗菌率最好。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，得到單因素最佳工藝條件為：振蕩時(shí)間為2.5h、振蕩溫度60℃、轉(zhuǎn)數(shù)200r/min、載銅活性炭質(zhì)量為2.5g。

3.2 篩選實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——Plackett-Burman設(shè)計(jì)

由表6可知，振蕩時(shí)間(A)、振蕩溫度(B)、轉(zhuǎn)數(shù)(C)、載銅活性炭濃度(D)為主要的影響因子。

3.3 抗菌率的響應(yīng)面分析

(1)抗菌率方差分析

表9 抗菌率方差分析

注：P<005顯著；P>0.1不顯著；P<0.0001極顯著。

由表9抗菌率方差分析可知：模型的F=13.95，P<0.0001，表明實(shí)驗(yàn)所采用的二次模型是極顯著的，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上是有意義的。失擬項(xiàng)用來(lái)表示所采用模型與實(shí)驗(yàn)擬合的程度。本例P=0.3272>0.05，不存在失擬因素。因素A振蕩時(shí)間、B振蕩溫度、C轉(zhuǎn)數(shù)的P值均<0.05，而D載銅活性炭濃度的P值<0.0001。說明因素D影響極顯著，因素A、因素B和因素C影響顯著。交互項(xiàng)AB、AC、AD、BC、BD、CD的P值均大于0.05，所以交換項(xiàng)對(duì)抗菌率沒有影響。因素A、B、C、D的二次項(xiàng)P值均大于0.05，說明A2對(duì)抗菌率影響顯著，B2、C2、D2對(duì)抗菌率影響不顯著。

(2) 抗菌率回歸模型R2分析

表10 抗菌率回歸模型R2分析表

注：P<005顯著；P>0.1不顯著；P<0.0001極顯著。

由表10可知，決定系數(shù)R2=0.9331，表明因變量與自變量之間的非線性關(guān)系顯著，證明這種試驗(yàn)方法是可靠的，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，該數(shù)學(xué)回歸模型具有良好的預(yù)測(cè)。此外，R2校正值為0.8663，表明該模型可以解釋86.63%響應(yīng)值的變化，因此該模型擬合程度良好。

影響抗菌率的四個(gè)因素的等高線圖及三維曲線圖

① 振蕩時(shí)間與振蕩溫度對(duì)抗菌率交互影響

圖5 振蕩時(shí)間與振蕩溫度對(duì)抗菌率交互影響的等高線圖和三維曲線圖

從圖5可知，振蕩時(shí)間與振蕩溫度對(duì)抗菌率的等高線圖較為平行，說明兩者交互影響較顯著；另外，振蕩溫度比振蕩時(shí)間的響應(yīng)面曲線較陡，說明振蕩溫度對(duì)抗菌率的影響比振蕩時(shí)間對(duì)抗菌率的影響較大。

② 振蕩時(shí)間與轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)抗菌率交互影響

圖6 振蕩時(shí)間與轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)抗菌率交互影響的等高線圖和三維曲線圖

從圖6可知，振蕩時(shí)間與轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)抗菌率的等高線圖較圓，說明兩者交互影響較不顯著；轉(zhuǎn)數(shù)比振蕩時(shí)間的響應(yīng)面曲線較陡，說明轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)抗菌率的影響比振蕩時(shí)間對(duì)抗菌率的影響較大。

③ 振蕩時(shí)間與載銅活性炭濃度對(duì)抗菌率交互影響

圖7 振蕩時(shí)間與載銅活性炭濃度對(duì)抗菌率交互影響的等高線圖和三維曲線圖

從圖7可知，振蕩時(shí)間與載銅活性炭濃度對(duì)抗菌率的等高線圖幾乎成平行，說明兩者交互影響很顯著；氯化銅濃度比振蕩時(shí)間的響應(yīng)面曲線較陡，說明氯化銅濃度對(duì)抗菌率的影響比振蕩時(shí)間對(duì)抗菌率的影響大。

④ 振蕩溫度與轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)抗菌率交互影響

圖8 振蕩溫度與轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)抗菌率交互影響的等高線圖和三維曲線圖

從圖8可知，振蕩溫度與轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)抗菌率的等高線圖較圓，說明兩者交互影響較不顯著；振蕩溫度比轉(zhuǎn)數(shù)的響應(yīng)面曲線較陡，說明振蕩溫度對(duì)抗菌率的影響比轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)抗菌率的影響較大。

⑤ 振蕩溫度與載銅活性炭濃度對(duì)抗菌率交互影響

圖9 振蕩溫度與載銅活性炭濃度對(duì)抗菌率交互影響的等高線圖和三維曲線圖

從圖9可知，振蕩溫度與載銅活性炭濃度對(duì)抗菌率的等高線圖較平行，說明兩者交互影響較顯著；載銅活性炭濃度比振蕩溫度的響應(yīng)面曲線較陡，說明載銅活性炭濃度對(duì)抗菌率的影響比振蕩溫度對(duì)抗菌率的影響較大。

⑥ 轉(zhuǎn)數(shù)與載銅活性炭濃度對(duì)抗菌率交互影響

圖10 轉(zhuǎn)數(shù)與載銅活性炭濃度對(duì)抗菌率交互影響的等高線圖和三維曲線圖

從圖10可知，轉(zhuǎn)數(shù)與載銅活性炭濃度對(duì)抗菌率的等高線圖較平行，說明兩者交互影響較顯著；載銅活性炭濃度比轉(zhuǎn)數(shù)的響應(yīng)面曲線較陡，說明載銅活性炭對(duì)抗菌率的影響比轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)抗菌率的影響較大。

綜上可知，載銅活性炭濃度對(duì)抗菌率影響最為顯著，響應(yīng)面較陡，振蕩溫度次之，轉(zhuǎn)數(shù)再次之，震蕩時(shí)間影響最弱，曲線較平滑。

4 結(jié) 論

該研究以抗菌率為響應(yīng)目標(biāo)，通過單因素實(shí)驗(yàn)、Plackett-Burman(PB)設(shè)計(jì)和Box-Behnken Design(BBD)中心組合設(shè)計(jì)對(duì)載銅活性炭抗菌率的各個(gè)因素進(jìn)行篩選優(yōu)化，確定抗菌測(cè)試的最佳工藝條件為振蕩時(shí)間2.5h、振蕩溫度60℃、載銅活性炭質(zhì)量2.25g、轉(zhuǎn)數(shù)250r/min，抗菌率達(dá)100 %。

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[責(zé)任編輯：崔海瑛]

李素瓊(1986-)，女，福建安溪人，講師，碩士，從事炭材料與植物纖維化學(xué)研究。

福建省教育廳科技產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(JAI5508)國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(2012107002)；武夷學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目(xq1208)。

TQ351

A

2095-0063(2016)06-0074-07

2016-05-21

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2016.06.016