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        秸稈木醋液的制備及其斑蝥復(fù)合劑抗菌活性

        2024-06-25 18:10:49柴鳳蘭張帆王文輝許兆斐
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2024年5期
        關(guān)鍵詞:抗菌活性芝麻玉米

        柴鳳蘭 張帆 王文輝 許兆斐

        摘要:分別以玉米和芝麻秸稈為原料,采用低溫分段熱解技術(shù)制備了不同熱解溫度下的秸稈木醋液(SWV),測(cè)定了秸稈木醋液的基本性質(zhì),將秸稈木醋液與斑蝥原液復(fù)配制備了木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑,并分別進(jìn)行了抗菌活性試驗(yàn)。結(jié)果表明,在設(shè)定的熱解溫度范圍內(nèi),玉米秸稈和芝麻秸稈木醋液總收率分別為20.92%和18.75%,最佳熱解溫度分別為180 ℃和220 ℃??咕钚栽囼?yàn)表明,2種秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑具有較好的廣譜抗菌活性。就大腸桿菌而言,玉米秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑、芝麻秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑體積比均為1∶2(220 ℃木醋液)的抗菌活性最佳;就金黃色葡萄球菌而言,玉米秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑體積比為1∶8(180 ℃木醋液),芝麻秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑體積比為1∶4(240 ℃木醋液)的抗菌活性最佳。復(fù)合劑對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌活性明顯優(yōu)于大腸桿菌,秸稈木醋液對(duì)斑蝥原液的抗菌活性有明顯的增強(qiáng)作用。

        關(guān)鍵詞:玉米;芝麻;秸稈木醋液;斑蝥原液;復(fù)合劑;抗菌活性

        中圖分類號(hào):S482.2+92;TK6???????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):0439-8114(2024)05-0056-05

        DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.010??????????? 開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):

        Preparation of the straw wood vinegar(SWV) and antibacterial activity of

        the SWV-cantharidin compound agent

        CHAI Feng-lan1, ZHANG Fan1, WANG Wen-hui1, XU Zhao-fei2

        (1.Henan Technical Institute/Key Laboratory of Green Comprehensive Utilization of Straw Biomass of Kaifeng,? Kaifeng? 475001, Henan,China;

        2.School of Chemistry and Chemical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou? 450001,China)

        Abstract: Corn and sesame stalks were used as raw materials to prepare the straw wood vinegar(SWV) at different pyrolysis temperatures by low temperature stage pyrolysis technology. The basic properties of SWV were determined. The antibacterial activity of SWV and the compound agents of the SWV and cantharidin solution were determined, respectively. The results showed that the total yield of SWV was respectively 20.92% and 18.75% and the optimum pyrolysis temperature was 180 ℃ and 220 ℃ for corn straw and for sesame straw within a set range of pyrolysis temperature, respectively. The antibacterial activity tests showed that the two kinds of composite agents of straw wood vinegar and cantharidin had good broad-spectrum antibacterial activity. For Escherichia coli, the antibacterial activity was optimal when the volume ratio of corn SWV to cantharidin solution and the volume ratio of sesame SWV to cantharidin solution were both 1∶2 (220 ℃ SWV). For Staphylococcus aureus, the best antibacterial activity was found when the volume ratio of corn SWV to cantharidin? solution was 1∶8 (180 ℃ SWV) and when the volume ratio of sesame SWV to cantharidin solution was 1∶4 (240 ℃ SWV), respectively. The antibacterial activity of the compound agent of the SWV and cantharidin solution against Staphylococcus aureus was significantly superior to that of Escherichia coli. The SWV could obviously improve the antibacterial activity of cantharidin solution.

        Key words: corn; sesame; straw wood vinegar(SWV); cantharidin solution; compound agent; antibacterial activity

        收稿日期:2022-10-23

        基金項(xiàng)目:河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(21B150007);開(kāi)封市科技計(jì)劃農(nóng)業(yè)類科技攻關(guān)項(xiàng)目(220203);河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院創(chuàng)新人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(2021-RC-01)

        作者簡(jiǎn)介:柴鳳蘭(1968-),女,河南滑縣人,教授,博士,主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境治理研究和教學(xué)工作,(電話)15936250158(電子信箱)

        965996899@qq.com。

        柴鳳蘭,張 帆,王文輝,等. 秸稈木醋液的制備及其斑蝥復(fù)合劑抗菌活性[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2024,63(5):56-60.

        木醋液是秸稈、木材等生物質(zhì)在干餾過(guò)程中形成、具有煙熏味的酸性褐色或棕紅色液體混合物。木醋液成分復(fù)雜,主要由水和有機(jī)酸類、酚類、醛類、酮類、酯類和醇類等有機(jī)小分子化合物及一些微量元素組成。木醋液具有防腐及抗菌等生物活性,廣泛用于農(nóng)林畜牧業(yè)、醫(yī)藥、食品及化妝品等領(lǐng)域[1,2]。木醋液可單獨(dú)使用,也可與肥料、農(nóng)藥混合使用,具有促進(jìn)種子萌發(fā)和作物生長(zhǎng)、防治病蟲(chóng)害、增加作物產(chǎn)量、提高農(nóng)作物品質(zhì)和改良土壤等作用,可以用作保鮮劑、營(yíng)養(yǎng)劑,也可作融雪劑,經(jīng)濟(jì)環(huán)保且不會(huì)腐蝕公路[3-8]。木醋液中含有較多具有抗菌活性的有機(jī)酸和酚類化合物,可與生物炭、精油復(fù)配制備綠色天然經(jīng)濟(jì)型植物源抗菌劑[9,10]。

        斑蝥是鞘翅目芫菁科昆蟲(chóng),是著名的中藥材。斑蝥素存在于斑蝥體內(nèi),化學(xué)式C10H12O4,化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定,具有利尿、抗腫瘤、抗病毒、抗菌等功能[11,12],廣泛用于人類肝癌、肺癌等腫瘤的治療[13-15],斑蝥素與其他抗菌劑等混合使用,表現(xiàn)出了較好的協(xié)同作用[16]。

        秸稈生物質(zhì)綠色綜合利用課題組前期研究了斑蝥原液在畜禽綠色養(yǎng)殖中的應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)斑蝥原液具有很好的抗菌活性,代替抗生素用于畜禽養(yǎng)殖,不僅綠色無(wú)殘留,而且畜禽抗病能力大大增加。但是由于斑蝥資源較少,人工養(yǎng)殖周期長(zhǎng),斑蝥原液價(jià)格昂貴,如何高效利用斑蝥原液,提高有限資源的利用率亟待研究。

        為了研究秸稈木醋液與斑蝥原液的協(xié)同抗菌作用,本試驗(yàn)以玉米秸稈和芝麻秸稈為原料,采用低溫?zé)峤夥ㄖ苽淞瞬煌瑹峤鉁囟认碌慕斩捘敬滓?,測(cè)定了木醋液的性質(zhì)及其與斑蝥原液復(fù)配得到不同比例木醋液復(fù)合劑的抗菌試驗(yàn),以期為木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑的綜合化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與儀器

        1.1.1 材料和試劑 玉米秸稈和芝麻秸稈(豫北,干燥,粉碎0.3~0.5 cm,備用);斑蝥原液(深棕褐色,斑蝥素含量750 mg/L,河南牧農(nóng)生物科技有限公司);卡爾·費(fèi)休試劑(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院制藥學(xué)院);藥敏紙片(直徑6 mm,常德比克曼生物科技有限公司);去離子水,其他試劑均為分析純。

        1.1.2 主要儀器 粉碎機(jī)(CS-700型),武義海納電器有限公司;微量水分測(cè)定儀(WS-2型),淄博正工儀器廠;微機(jī)生化培養(yǎng)箱(SPX-250B-Ⅱ型),上海悅豐儀器儀表有限公司;蒸汽高壓滅菌鍋(YXQ-LS-50A型),上海博訊實(shí)業(yè)有限公司;酸度計(jì)(PHS-3C型),上海佑科儀器儀表有限公司。

        1.2 方法

        1.2.1 木醋液的制備 利用自制秸稈熱解裝置[17],采用分段加熱低溫?zé)峤夥绞剑峤鉁囟鹊陀?00 ℃),分別制備不同熱解溫度下的玉米秸稈和芝麻秸稈木醋液。

        1.2.2 木醋液中總酸含量的測(cè)定??? 根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 12456—2021[18]采用酸堿滴定法測(cè)定木醋液總酸含量,以酚酞為指示劑,用氫氧化鈉溶液滴定,分別測(cè)定斑蝥原液和不同溫度不同秸稈木醋液中的總酸含量。用式(1)計(jì)算不同木醋液和斑蝥原液中的總酸含量,按醋酸折算。

        [X=c×V×k×Fm×1 000]?????? ???????? (1)

        式中,X為試樣中總酸的含量(g/kg)或(g/L);c為氫氧化鈉溶液的濃度(mol/L);V為滴定試驗(yàn)時(shí)消耗氫氧化鈉溶液的體積(mL);k為酸的換算系數(shù),醋酸為0.060;F為試液的稀釋倍數(shù);m為試液的體積(mL);1 000為換算系數(shù)。

        1.2.3 含水量的測(cè)定 根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 6283—2008[19]采用卡爾·費(fèi)休法測(cè)定微量水,使用卡爾·費(fèi)休試劑,采用微量水分測(cè)定儀分別測(cè)定不同秸稈木醋液和斑蝥原液的含水量。

        1.2.4 木醋液與斑蝥原液復(fù)配劑的制備 將秸稈木醋液與斑蝥原液按照體積比1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10進(jìn)行復(fù)配得到木醋液-斑蝥復(fù)合劑,復(fù)合劑中木醋液及斑蝥素含量見(jiàn)表1。

        1.2.5 抗菌活性試驗(yàn)

        1)菌液的制備。本試驗(yàn)將培養(yǎng)好的菌種(大腸桿菌和金黃色葡萄球菌)在超凈工作臺(tái)用接種環(huán)接種到準(zhǔn)備好的牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基(2%瓊脂粉,121 ℃滅菌25 min)上,在適宜溫度下培養(yǎng)24 h后取出,用接種環(huán)刮去菌種,加入生理鹽水混勻,即是所需要的菌液。

        2)抑菌圈的測(cè)定。首先制備雙層含菌平板若干,將菌液采用涂布法分別在平板上接種大腸桿菌、金黃色葡萄球菌。用空白藥敏紙片分別蘸取各樣品置于雙層含菌平板上,將青霉素藥敏紙片、慶大霉素藥敏紙片置于雙層平板上。將上述平板置于37 ℃培養(yǎng)24 h,用游標(biāo)卡尺測(cè)量抑菌圈直徑(dr)。抑菌活性判定標(biāo)準(zhǔn):dr>15 mm,強(qiáng)抑制;10 mm

        2 結(jié)果與分析

        2.1 木醋液的產(chǎn)率及基本性質(zhì)

        利用自制熱解裝置低溫?zé)峤庥衩捉斩?、芝麻秸稈,制備了玉米秸稈木醋液和芝麻秸稈木醋液,不同溫度下不同秸稈木醋液的收率及其基本性質(zhì)見(jiàn)表2,秸稈木醋液中總酸含量和含水量見(jiàn)表3。

        由表2可以看出,熱解溫度對(duì)秸稈木醋液的收率、基本性質(zhì)等有很大影響。玉米秸稈在150~240 ℃的木醋液收率為20.92%,玉米秸稈在熱解溫度為180 ℃時(shí)木醋液收率最高,隨著熱解溫度的升高,收率逐漸下降,所以180 ℃為玉米秸稈的最佳熱解溫度。芝麻秸稈在180~260 ℃木醋液收率為18.75%,在熱解溫度為220 ℃時(shí)木醋液收率最高,因此,芝麻秸稈的最佳熱解溫度為220 ℃。

        隨熱解溫度的升高,木醋液的pH逐漸增大,顏色逐漸加深,即2種秸稈木醋液均由淡黃色透明液體逐漸變?yōu)樯罴t棕色透明液體。玉米秸稈木醋液在150 ℃時(shí)氣味是淡淡的煙熏味,芝麻秸稈木醋液在180 ℃和200 ℃時(shí)的氣味是芝麻油的香味,隨著溫度的升高,煙熏味逐漸變重。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),2種秸稈木醋液靜置3個(gè)月均沒(méi)有明顯分層現(xiàn)象。

        由表3可以看出,隨著熱解溫度的升高,木醋液總酸含量出現(xiàn)先增加后減少的現(xiàn)象,含水量先減少后增加。熱解溫度為220 ℃時(shí)制備的玉米秸稈木醋液總酸含量最高,隨著熱解溫度的繼續(xù)升高,總酸含量降低;芝麻秸稈在240 ℃熱解制備的木醋液總酸含量最高。隨著熱解溫度的升高,含水量與總酸含量呈相反的變化趨勢(shì),玉米秸稈在220 ℃熱解制備的木醋液含水量最低,含酸量最高,而芝麻秸稈在240 ℃熱解制備的木醋液含水量最低,含酸量最高。

        2.2 抗菌活性測(cè)定結(jié)果分析

        選用革蘭氏陰性菌大腸桿菌和革蘭氏陽(yáng)性菌金黃色葡萄球菌作為供試菌,研究木醋液、斑蝥原液及其復(fù)合劑的抗菌活性,以及木醋液對(duì)斑蝥原液抗菌活性的協(xié)同作用。

        2.2.1 不同溫度下不同秸稈木醋液的抗菌活性 木醋液的精制方法及精制木醋液的抗菌活性研究均有報(bào)道,精制木醋液的抗菌活性明顯低于粗木醋液[20,21],因?yàn)樵谀敬滓壕七^(guò)程中,溶于水的有機(jī)小分子如甲酸、乙酸、醇醛類等具有揮發(fā)性或受熱易氧化的活性物質(zhì)會(huì)大量損失。因此,本試驗(yàn)利用自制熱解裝置,采用低溫?zé)峤夥绞綄?duì)秸稈進(jìn)行分段式熱解制備秸稈木醋液,得到的2種秸稈木醋液透明、干凈,無(wú)煤焦油生成。因此,本試驗(yàn)制備的秸稈木醋液不需要進(jìn)一步精制處理,可以很好地保持木醋液原液的性質(zhì)。試驗(yàn)首先探究了秸稈木醋液、斑蝥原液對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性,并與抗生素青霉素和慶大霉素進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表3。

        由表3可以看出,2種木醋液對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有較好的抗菌活性,且木醋液的總酸含量越高、含水量越低,抗菌活性越好,熱解溫度220 ℃得到的玉米秸稈木醋液抗菌活性最好,而220 ℃芝麻秸稈木醋液抗大腸桿菌活性明顯優(yōu)于抗生素慶大霉素,240 ℃芝麻秸稈木醋液抗金黃色葡萄球菌活性與青霉素和慶大霉素2種抗生素活性基本相當(dāng),芝麻秸稈木醋液的抗菌活性優(yōu)于玉米秸稈木醋液。

        總體上,就大腸桿菌而言,5種抗菌劑的抗菌活性表現(xiàn)為芝麻秸稈木醋液>慶大霉素>玉米秸稈木醋液>斑蝥原液>青霉素;就金黃色葡萄球菌而言,? 5種抗菌劑的抗菌活性表現(xiàn)為慶大霉素>芝麻秸稈木醋液>青霉素>玉米秸稈木醋液>斑蝥原液。

        2.2.2 不同秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑的抗菌活性 為了探索秸稈木醋液與斑蝥原液復(fù)合劑的抗菌活性,將秸稈木醋液和斑蝥原液按照一定的體積比(1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10)進(jìn)行復(fù)配,制備了秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑。以大腸桿菌和金黃色葡萄球菌為供試菌,探究2種秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑的抗菌活性,以及其抗菌活性與總酸含量的相關(guān)性,結(jié)果如圖1至圖4所示。

        由圖1和圖2可以看出,玉米秸稈木醋液與斑蝥原液形成的復(fù)合劑對(duì)大腸桿菌的抗菌活性與秸稈的熱解溫度有關(guān),與玉米秸稈木醋液相比,秸稈熱解溫度大于180 ℃時(shí)所得的玉米秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑的抗菌活性明顯低于玉米秸稈木醋液,但均高于斑蝥原液(dr=9.86 mm);該復(fù)合劑對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌活性明顯優(yōu)于大腸桿菌。就大腸桿菌而言,復(fù)合劑的抗菌活性與玉米秸稈木醋液中的總酸含量變化趨勢(shì)一致,最佳復(fù)合劑為熱解溫度220 ℃制備的玉米秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑,最佳配比為1∶2;而就金黃色葡萄球菌而言,該復(fù)合劑的抗菌活性與玉米秸稈木醋液的總酸含量表現(xiàn)出明顯的差異,最佳復(fù)合劑為180 ℃制備的玉米秸稈木醋液與斑蝥原液復(fù)合劑,最佳體積比為1∶8。從圖2還可以看出,240 ℃制備的玉米秸稈木醋液與斑蝥原液體積比為1∶2、1∶4、1∶6的復(fù)合劑對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌活性與玉米秸稈木醋液抗菌活性相當(dāng),這說(shuō)明玉米秸稈木醋液復(fù)合劑的抗菌活性并不完全由其木醋液的總酸含量決定,可能也與在較高溫度下熱解出來(lái)的酚類、醛類等有關(guān)。玉米秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑的抗菌活性明顯低于玉米秸稈木醋液的原因可能是玉米秸稈木醋液與斑蝥原液二者混合后,含水量明顯增加,溶液的酸性減弱,導(dǎo)致抗菌活性降低。

        由圖3和圖4可以看出,與芝麻秸稈木醋液抗菌活性相比,芝麻秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑對(duì)大腸桿菌的抗菌活性均降低,但高于斑蝥原液的抗菌活性(dr=9.86 mm);復(fù)合劑對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌活性與木醋液的制備溫度有關(guān),芝麻秸稈熱解溫度180 ℃時(shí)制備的木醋液,其復(fù)合劑的抗菌活性高于芝麻秸稈木醋液,而熱解溫度超過(guò)200 ℃時(shí)所得的木醋液,其復(fù)合劑的抗菌活性低于芝麻秸稈木醋液,但均明顯高于斑蝥原液的抗菌活性(dr=11.46 mm)。就大腸桿菌而言,抗菌活性最佳的復(fù)合劑為熱解溫度220 ℃、體積比1∶2的芝麻秸稈木醋液-斑蝥復(fù)合劑;就金黃色葡萄球菌而言,抗菌活性最佳的芝麻秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑為熱解溫度240 ℃、體積比1∶4的復(fù)合劑。由圖4可以看出,芝麻秸稈木醋液斑蝥原液復(fù)合劑對(duì)金黃色葡萄球菌抗菌活性的變化趨勢(shì)與木醋液中的總酸含量變化一致,這說(shuō)明就金黃色葡萄球菌而言,芝麻木醋液的總酸含量對(duì)復(fù)合劑的抗菌活性起決定作用。

        對(duì)比圖1至圖4可以看出,雖然2種秸稈木醋液與斑蝥原液1∶10(體積比)復(fù)合劑的抗菌活性仍低于木醋液,但在180 ℃以上秸稈熱解制備的木醋液與斑蝥原液1∶10的復(fù)合劑,其抗菌活性總體上明顯高于斑蝥原液,這說(shuō)明少量的木醋液即可大幅提高斑蝥原液的抗菌活性,這為斑蝥原液的高效利用提供了比較好的理論依據(jù)。

        對(duì)比2種秸稈木醋液及其與斑蝥原液復(fù)合劑的抗菌活性試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),秸稈木醋液及其復(fù)合劑優(yōu)于斑蝥原液,芝麻秸稈木醋液的抗菌活性優(yōu)于玉米秸稈木醋液,復(fù)合劑的抗菌活性低于秸稈木醋液。結(jié)合表3和圖1至圖4可以看出,本次試驗(yàn)得到的最佳復(fù)合劑抗菌活性仍低于試驗(yàn)用抗生素慶大霉素和青霉素,因此,復(fù)合劑的配比仍需進(jìn)一步探索。同時(shí)發(fā)現(xiàn),木醋液及其與斑蝥原液復(fù)合劑的抗菌活性與木醋液的總酸含量基本呈正相關(guān),與含水量呈負(fù)相關(guān)。

        3 小結(jié)

        試驗(yàn)采用低溫分段式熱解制備的玉米、芝麻秸稈木醋液為透明的淡黃色至深紅棕色有一定氣味的酸性液體,不含焦油成分,不需精制提純,很好地保留了木醋液中的活性抗菌物質(zhì)??咕囼?yàn)表明,秸稈木醋液有較好的廣譜抗菌活性,秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑提高了斑蝥原液的抗菌活性,其中,芝麻秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑的抗菌活性明顯優(yōu)于玉米秸稈木醋液復(fù)合劑,但抗菌活性仍低于慶大霉素和青霉素等畜禽養(yǎng)殖用抗生素。木醋液中總酸含量在復(fù)合劑的抗菌活性中起主導(dǎo)作用,斑蝥素在較低熱解溫度下的復(fù)合劑中可起協(xié)同作用,抗菌活性與木醋液總酸含量呈正相關(guān)。秸稈木醋液與斑蝥原液復(fù)配后,不僅提高了斑蝥原液的抗菌活性,也使斑蝥原液的臭味得以掩蓋,可以更好地代替抗生素用于畜禽綠色養(yǎng)殖,同時(shí),木醋液中含有的酸性物質(zhì)可以刺激畜禽等動(dòng)物的食欲,有利于提升畜禽消化吸收功能,促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng),提高畜禽出欄率。

        關(guān)于秸稈木醋液-斑蝥原液復(fù)合劑的抗菌活性研究及其在畜禽綠色養(yǎng)殖中的應(yīng)用有待進(jìn)一步開(kāi)展,以便為秸稈的高效利用和木醋液復(fù)合劑在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

        參考文獻(xiàn):

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