秸稈木醋液的制備及其斑蝥復合劑抗菌活性

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制備了不同熱解溫度下的秸稈木醋液（SWV），測定了秸稈木醋液的基本性質，將秸稈木醋液與斑蝥原液復配制備了木醋液-斑蝥原液復合劑，并分別進行了抗菌活性試驗。結果表明，在設定的熱解溫度范圍內，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钚栽囼灡砻鳎?種秸稈木醋液-斑蝥原液復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-斑蝥原液復合劑、芝麻秸稈木醋液-斑蝥原液復合劑體積比均為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-斑蝥原液復合劑體積比為1∶8（180 ℃木醋液），芝麻秸稈木醋液-斑蝥原液復合劑體積比為1∶4（240 ℃木醋液）的抗菌活性最佳。復合劑對金黃色葡萄球菌的抗菌活性明顯優(yōu)于大腸桿菌，秸稈木醋液對斑蝥原液的抗菌活性有明顯的增強作用。

關鍵詞：玉米；芝麻；秸稈木醋液；斑蝥原液；復合劑；抗菌活性

中圖分類號：S482.2+92；TK6???????? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）05-0056-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.010??????????? 開放科學（資源服務）標識碼（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

基金項目：河南省高等學校重點科研項目（21B150007）；開封市科技計劃農業(yè)類科技攻關項目（220203）；河南應用技術職業(yè)學院創(chuàng)新人才支持計劃項目（2021-RC-01）

作者簡介：柴鳳蘭（1968-），女，河南滑縣人，教授，博士，主要從事農業(yè)環(huán)境治理研究和教學工作，（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合劑抗菌活性［J］. 湖北農業(yè)科學，2024，63（5）：56-60．

木醋液是秸稈、木材等生物質在干餾過程中形成、具有煙熏味的酸性褐色或棕紅色液體混合物。木醋液成分復雜，主要由水和有機酸類、酚類、醛類、酮類、酯類和醇類等有機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，廣泛用于農林畜牧業(yè)、醫(yī)藥、食品及化妝品等領域［1，2］。木醋液可單獨使用，也可與肥料、農藥混合使用，具有促進種子萌發(fā)和作物生長、防治病蟲害、增加作物產量、提高農作物品質和改良土壤等作用，可以用作保鮮劑、營養(yǎng)劑，也可作融雪劑，經濟環(huán)保且不會腐蝕公路［3-8］。木醋液中含有較多具有抗菌活性的有機酸和酚類化合物，可與生物炭、精油復配制備綠色天然經濟型植物源抗菌劑［9，10］。

斑蝥是鞘翅目芫菁科昆蟲，是著名的中藥材。斑蝥素存在于斑蝥體內，化學式C10H12O4，化學性質較穩(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，表現出了較好的協同作用［16］。

秸稈生物質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)殖中的應用，發(fā)現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，斑蝥原液價格昂貴，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同抗菌作用，本試驗以玉米秸稈和芝麻秸稈為原料，采用低溫熱解法制備了不同熱解溫度下的秸稈木醋液，測定了木醋液的性質及其與斑蝥原液復配得到不同比例木醋液復合劑的抗菌試驗，以期為木醋液-斑蝥原液復合劑的綜合化應用提供理論依據。

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，河南牧農生物科技有限公司）；卡爾·費休試劑（國藥集團化學試劑有限公司）；大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基（河南應用技術職業(yè)學院制藥學院）；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（CS-700型），武義海納電器有限公司；微量水分測定儀（WS-2型），淄博正工儀器廠；微機生化培養(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），上海博訊實業(yè)有限公司；酸度計（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］，采用分段加熱低溫熱解方式（熱解溫度低于300 ℃），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定??? 根據國標GB 12456—2021［18］采用酸堿滴定法測定木醋液總酸含量，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為滴定試驗時消耗氫氧化鈉溶液的體積（mL）；k為酸的換算系數，醋酸為0.060；F為試液的稀釋倍數；m為試液的體積（mL）；1 000為換算系數。

1.2.3 含水量的測定 根據國標GB 6283—2008［19］采用卡爾·費休法測定微量水，使用卡爾·費休試劑，采用微量水分測定儀分別測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進行復配得到木醋液-斑蝥復合劑，復合劑中木醋液及斑蝥素含量見表1。

1.2.5 抗菌活性試驗

1）菌液的制備。本試驗將培養(yǎng)好的菌種（大腸桿菌和金黃色葡萄球菌）在超凈工作臺用接種環(huán)接種到準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，用游標卡尺測量抑菌圈直徑（dr）。抑菌活性判定標準：dr>15 mm，強抑制；10 mm

2 結果與分析

2.1 木醋液的產率及基本性質

利用自制熱解裝置低溫熱解玉米秸稈、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見表2，秸稈木醋液中總酸含量和含水量見表3。

由表2可以看出，熱解溫度對秸稈木醋液的收率、基本性質等有很大影響。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 ℃時氣味是淡淡的煙熏味，芝麻秸稈木醋液在180 ℃和200 ℃時的氣味是芝麻油的香味，隨著溫度的升高，煙熏味逐漸變重。試驗發(fā)現，2種秸稈木醋液靜置3個月均沒有明顯分層現象。

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先增加后減少的現象，含水量先減少后增加。熱解溫度為220 ℃時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，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 抗菌活性測定結果分析

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

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道，精制木醋液的抗菌活性明顯低于粗木醋液［20，21］，因為在木醋液精制過程中，溶于水的有機小分子如甲酸、乙酸、醇醛類等具有揮發(fā)性或受熱易氧化的活性物質會大量損失。因此，本試驗利用自制熱解裝置，采用低溫熱解方式對秸稈進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，無煤焦油生成。因此，本試驗制備的秸稈木醋液不需要進一步精制處理，可以很好地保持木醋液原液的性質。試驗首先探究了秸稈木醋液、斑蝥原液對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行對比，結果見表3。

由表3可以看出，2種木醋液對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，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-斑蝥原液復合劑的抗菌活性 為了探索秸稈木醋液與斑蝥原液復合劑的抗菌活性，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）進行復配，制備了秸稈木醋液-斑蝥原液復合劑。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-斑蝥原液復合劑的抗菌活性，以及其抗菌活性與總酸含量的相關性，結果如圖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合劑對大腸桿菌的抗菌活性與秸稈的熱解溫度有關，與玉米秸稈木醋液相比，秸稈熱解溫度大于180 ℃時所得的玉米秸稈木醋液-斑蝥原液復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）；該復合劑對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一致，最佳復合劑為熱解溫度220 ℃制備的玉米秸稈木醋液-斑蝥原液復合劑，最佳配比為1∶2；而就金黃色葡萄球菌而言，該復合劑的抗菌活性與玉米秸稈木醋液的總酸含量表現出明顯的差異，最佳復合劑為180 ℃制備的玉米秸稈木醋液與斑蝥原液復合劑，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的復合劑對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，這說明玉米秸稈木醋液復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的酚類、醛類等有關。玉米秸稈木醋液-斑蝥原液復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-斑蝥原液復合劑對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）；復合劑對金黃色葡萄球菌的抗菌活性與木醋液的制備溫度有關，芝麻秸稈熱解溫度180 ℃時制備的木醋液，其復合劑的抗菌活性高于芝麻秸稈木醋液，而熱解溫度超過200 ℃時所得的木醋液，其復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，抗菌活性最佳的復合劑為熱解溫度220 ℃、體積比1∶2的芝麻秸稈木醋液-斑蝥復合劑；就金黃色葡萄球菌而言，抗菌活性最佳的芝麻秸稈木醋液-斑蝥原液復合劑為熱解溫度240 ℃、體積比1∶4的復合劑。由圖4可以看出，芝麻秸稈木醋液斑蝥原液復合劑對金黃色葡萄球菌抗菌活性的變化趨勢與木醋液中的總酸含量變化一致，這說明就金黃色葡萄球菌而言，芝麻木醋液的總酸含量對復合劑的抗菌活性起決定作用。

對比圖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的復合劑，其抗菌活性總體上明顯高于斑蝥原液，這說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。

對比2種秸稈木醋液及其與斑蝥原液復合劑的抗菌活性試驗結果可以發(fā)現，秸稈木醋液及其復合劑優(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，復合劑的抗菌活性低于秸稈木醋液。結合表3和圖1至圖4可以看出，本次試驗得到的最佳復合劑抗菌活性仍低于試驗用抗生素慶大霉素和青霉素，因此，復合劑的配比仍需進一步探索。同時發(fā)現，木醋液及其與斑蝥原液復合劑的抗菌活性與木醋液的總酸含量基本呈正相關，與含水量呈負相關。

3 小結

試驗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?？咕囼灡砻?，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-斑蝥原液復合劑的抗菌活性明顯優(yōu)于玉米秸稈木醋液復合劑，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合劑的抗菌活性中起主導作用，斑蝥素在較低熱解溫度下的復合劑中可起協同作用，抗菌活性與木醋液總酸含量呈正相關。秸稈木醋液與斑蝥原液復配后，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，木醋液中含有的酸性物質可以刺激畜禽等動物的食欲，有利于提升畜禽消化吸收功能，促進動物生長，提高畜禽出欄率。

關于秸稈木醋液-斑蝥原液復合劑的抗菌活性研究及其在畜禽綠色養(yǎng)殖中的應用有待進一步開展，以便為秸稈的高效利用和木醋液復合劑在農牧業(yè)中的應用奠定理論基礎。

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