秸秆木醋液的制备及其斑蝥复合剂抗菌活性

柴凤兰 张帆 王文辉 许兆斐

摘要：分别以玉米和芝麻秸秆为原料，采用低温分段热解技术制备了不同热解温度下的秸秆木醋液（SWV），测定了秸秆木醋液的基本性质，将秸秆木醋液与斑蝥原液复配制备了木醋液-斑蝥原液复合剂，并分别进行了抗菌活性试验。结果表明，在设定的热解温度范围内，玉米秸秆和芝麻秸秆木醋液总收率分别为20.92%和18.75%，最佳热解温度分别为180 ℃和220 ℃。抗菌活性试验表明，2种秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂具有较好的广谱抗菌活性。就大肠杆菌而言，玉米秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂、芝麻秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂体积比均为1∶2（220 ℃木醋液）的抗菌活性最佳；就金黄色葡萄球菌而言，玉米秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂体积比为1∶8（180 ℃木醋液），芝麻秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂体积比为1∶4（240 ℃木醋液）的抗菌活性最佳。复合剂对金黄色葡萄球菌的抗菌活性明显优于大肠杆菌，秸秆木醋液对斑蝥原液的抗菌活性有明显的增强作用。

关键词：玉米；芝麻；秸秆木醋液；斑蝥原液；复合剂；抗菌活性

中图分类号：S482.2+92；TK6         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）05-0056-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.010            开放科学（资源服务）标识码（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

基金项目：河南省高等学校重点科研项目（21B150007）；开封市科技计划农业类科技攻关项目（220203）；河南应用技术职业学院创新人才支持计划项目（2021-RC-01）

作者简介：柴凤兰（1968-），女，河南滑县人，教授，博士，主要从事农业环境治理研究和教学工作，（电话）15936250158（电子信箱）

965996899@qq.com。

柴凤兰，张 帆，王文辉，等. 秸秆木醋液的制备及其斑蝥复合剂抗菌活性［J］. 湖北农业科学，2024，63（5）：56-60．

木醋液是秸秆、木材等生物质在干馏过程中形成、具有烟熏味的酸性褐色或棕红色液体混合物。木醋液成分复杂，主要由水和有机酸类、酚类、醛类、酮类、酯类和醇类等有机小分子化合物及一些微量元素组成。木醋液具有防腐及抗菌等生物活性，广泛用于农林畜牧业、医药、食品及化妆品等领域［1，2］。木醋液可单独使用，也可与肥料、农药混合使用，具有促进种子萌发和作物生长、防治病虫害、增加作物产量、提高农作物品质和改良土壤等作用，可以用作保鲜剂、营养剂，也可作融雪剂，经济环保且不会腐蚀公路［3-8］。木醋液中含有较多具有抗菌活性的有机酸和酚类化合物，可与生物炭、精油复配制备绿色天然经济型植物源抗菌剂［9，10］。

斑蝥是鞘翅目芫菁科昆虫，是著名的中药材。斑蝥素存在于斑蝥体内，化学式C10H12O4，化学性质较稳定，具有利尿、抗肿瘤、抗病毒、抗菌等功能［11，12］，广泛用于人类肝癌、肺癌等肿瘤的治疗［13-15］，斑蝥素与其他抗菌剂等混合使用，表现出了较好的协同作用［16］。

秸秆生物质绿色综合利用课题组前期研究了斑蝥原液在畜禽绿色养殖中的应用，发现斑蝥原液具有很好的抗菌活性，代替抗生素用于畜禽养殖，不仅绿色无残留，而且畜禽抗病能力大大增加。但是由于斑蝥资源较少，人工养殖周期长，斑蝥原液价格昂贵，如何高效利用斑蝥原液，提高有限资源的利用率亟待研究。

为了研究秸秆木醋液与斑蝥原液的协同抗菌作用，本试验以玉米秸秆和芝麻秸秆为原料，采用低温热解法制备了不同热解温度下的秸秆木醋液，测定了木醋液的性质及其与斑蝥原液复配得到不同比例木醋液复合剂的抗菌试验，以期为木醋液-斑蝥原液复合剂的综合化应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料和试剂 玉米秸秆和芝麻秸秆（豫北，干燥，粉碎0.3～0.5 cm，备用）；斑蝥原液（深棕褐色，斑蝥素含量750 mg/L，河南牧农生物科技有限公司）；卡尔·费休试剂（国药集团化学试剂有限公司）；大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、牛肉膏蛋白胨固体培养基（河南应用技术职业学院制药学院）；药敏纸片（直径6 mm，常德比克曼生物科技有限公司）；去离子水，其他试剂均为分析纯。

1.1.2 主要仪器 粉碎机（CS-700型），武义海纳电器有限公司；微量水分测定仪（WS-2型），淄博正工仪器厂；微机生化培养箱（SPX-250B-Ⅱ型），上海悦丰仪器仪表有限公司；蒸汽高压灭菌锅（YXQ-LS-50A型），上海博讯实业有限公司；酸度计（PHS-3C型），上海佑科仪器仪表有限公司。

1.2 方法

1.2.1 木醋液的制备 利用自制秸秆热解装置［17］，采用分段加热低温热解方式（热解温度低于300 ℃），分别制备不同热解温度下的玉米秸秆和芝麻秸秆木醋液。

1.2.2 木醋液中总酸含量的测定    根据国标GB 12456—2021［18］采用酸碱滴定法测定木醋液总酸含量，以酚酞为指示剂，用氢氧化钠溶液滴定，分别测定斑蝥原液和不同温度不同秸秆木醋液中的总酸含量。用式（1）计算不同木醋液和斑蝥原液中的总酸含量，按醋酸折算。

[X=c×V×k×Fm×1 000]                （1）

式中，X为试样中总酸的含量（g/kg）或（g/L）；c为氢氧化钠溶液的浓度（mol/L）；V为滴定试验时消耗氢氧化钠溶液的体积（mL）；k为酸的换算系数，醋酸为0.060；F为试液的稀释倍数；m为试液的体积（mL）；1 000为换算系数。

1.2.3 含水量的测定 根据国标GB 6283—2008［19］采用卡尔·费休法测定微量水，使用卡尔·费休试剂，采用微量水分测定仪分别测定不同秸秆木醋液和斑蝥原液的含水量。

1.2.4 木醋液与斑蝥原液复配剂的制备 将秸秆木醋液与斑蝥原液按照体积比1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10进行复配得到木醋液-斑蝥复合剂，复合剂中木醋液及斑蝥素含量见表1。

1.2.5 抗菌活性试验

1）菌液的制备。本试验将培养好的菌种（大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）在超净工作台用接种环接种到准备好的牛肉膏蛋白胨固体培养基（2%琼脂粉，121 ℃灭菌25 min）上，在适宜温度下培养24 h后取出，用接种环刮去菌种，加入生理盐水混匀，即是所需要的菌液。

2）抑菌圈的测定。首先制备双层含菌平板若干，将菌液采用涂布法分别在平板上接种大肠杆菌、金黄色葡萄球菌。用空白药敏纸片分别蘸取各样品置于双层含菌平板上，将青霉素药敏纸片、庆大霉素药敏纸片置于双层平板上。将上述平板置于37 ℃培养24 h，用游标卡尺测量抑菌圈直径（dr）。抑菌活性判定标准：dr>15 mm，强抑制；10 mm

2 结果与分析

2.1 木醋液的产率及基本性质

利用自制热解装置低温热解玉米秸秆、芝麻秸秆，制备了玉米秸秆木醋液和芝麻秸秆木醋液，不同温度下不同秸秆木醋液的收率及其基本性质见表2，秸秆木醋液中总酸含量和含水量见表3。

由表2可以看出，热解温度对秸秆木醋液的收率、基本性质等有很大影响。玉米秸秆在150～240 ℃的木醋液收率为20.92%，玉米秸秆在热解温度为180 ℃时木醋液收率最高，随着热解温度的升高，收率逐渐下降，所以180 ℃为玉米秸秆的最佳热解温度。芝麻秸秆在180～260 ℃木醋液收率为18.75%，在热解温度为220 ℃时木醋液收率最高，因此，芝麻秸秆的最佳热解温度为220 ℃。

随热解温度的升高，木醋液的pH逐渐增大，颜色逐渐加深，即2种秸秆木醋液均由淡黄色透明液体逐渐变为深红棕色透明液体。玉米秸秆木醋液在150 ℃时气味是淡淡的烟熏味，芝麻秸秆木醋液在180 ℃和200 ℃时的气味是芝麻油的香味，随着温度的升高，烟熏味逐渐变重。试验发现，2种秸秆木醋液静置3个月均没有明显分层现象。

由表3可以看出，随着热解温度的升高，木醋液总酸含量出现先增加后减少的现象，含水量先减少后增加。热解温度为220 ℃时制备的玉米秸秆木醋液总酸含量最高，随着热解温度的继续升高，总酸含量降低；芝麻秸秆在240 ℃热解制备的木醋液总酸含量最高。随着热解温度的升高，含水量与总酸含量呈相反的变化趋势，玉米秸秆在220 ℃热解制备的木醋液含水量最低，含酸量最高，而芝麻秸秆在240 ℃热解制备的木醋液含水量最低，含酸量最高。

2.2 抗菌活性测定结果分析

选用革兰氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌作为供试菌，研究木醋液、斑蝥原液及其复合剂的抗菌活性，以及木醋液对斑蝥原液抗菌活性的协同作用。

2.2.1 不同温度下不同秸秆木醋液的抗菌活性 木醋液的精制方法及精制木醋液的抗菌活性研究均有报道，精制木醋液的抗菌活性明显低于粗木醋液［20，21］，因为在木醋液精制过程中，溶于水的有机小分子如甲酸、乙酸、醇醛类等具有挥发性或受热易氧化的活性物质会大量损失。因此，本试验利用自制热解装置，采用低温热解方式对秸秆进行分段式热解制备秸秆木醋液，得到的2种秸秆木醋液透明、干净，无煤焦油生成。因此，本试验制备的秸秆木醋液不需要进一步精制处理，可以很好地保持木醋液原液的性质。试验首先探究了秸秆木醋液、斑蝥原液对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性，并与抗生素青霉素和庆大霉素进行对比，结果见表3。

由表3可以看出，2种木醋液对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有较好的抗菌活性，且木醋液的总酸含量越高、含水量越低，抗菌活性越好，热解温度220 ℃得到的玉米秸秆木醋液抗菌活性最好，而220 ℃芝麻秸秆木醋液抗大肠杆菌活性明显优于抗生素庆大霉素，240 ℃芝麻秸秆木醋液抗金黄色葡萄球菌活性与青霉素和庆大霉素2种抗生素活性基本相当，芝麻秸秆木醋液的抗菌活性优于玉米秸秆木醋液。

总体上，就大肠杆菌而言，5种抗菌剂的抗菌活性表现为芝麻秸秆木醋液>庆大霉素>玉米秸秆木醋液>斑蝥原液>青霉素；就金黄色葡萄球菌而言，  5种抗菌剂的抗菌活性表现为庆大霉素>芝麻秸秆木醋液>青霉素>玉米秸秆木醋液>斑蝥原液。

2.2.2 不同秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂的抗菌活性 为了探索秸秆木醋液与斑蝥原液复合剂的抗菌活性，将秸秆木醋液和斑蝥原液按照一定的体积比（1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10）进行复配，制备了秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂。以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为供试菌，探究2种秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂的抗菌活性，以及其抗菌活性与总酸含量的相关性，结果如图1至图4所示。

由图1和图2可以看出，玉米秸秆木醋液与斑蝥原液形成的复合剂对大肠杆菌的抗菌活性与秸秆的热解温度有关，与玉米秸秆木醋液相比，秸秆热解温度大于180 ℃时所得的玉米秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂的抗菌活性明显低于玉米秸秆木醋液，但均高于斑蝥原液（dr=9.86 mm）；该复合剂对金黄色葡萄球菌的抗菌活性明显优于大肠杆菌。就大肠杆菌而言，复合剂的抗菌活性与玉米秸秆木醋液中的总酸含量变化趋势一致，最佳复合剂为热解温度220 ℃制备的玉米秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂，最佳配比为1∶2；而就金黄色葡萄球菌而言，该复合剂的抗菌活性与玉米秸秆木醋液的总酸含量表现出明显的差异，最佳复合剂为180 ℃制备的玉米秸秆木醋液与斑蝥原液复合剂，最佳体积比为1∶8。从图2还可以看出，240 ℃制备的玉米秸秆木醋液与斑蝥原液体积比为1∶2、1∶4、1∶6的复合剂对金黄色葡萄球菌的抗菌活性与玉米秸秆木醋液抗菌活性相当，这说明玉米秸秆木醋液复合剂的抗菌活性并不完全由其木醋液的总酸含量决定，可能也与在较高温度下热解出来的酚类、醛类等有关。玉米秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂的抗菌活性明显低于玉米秸秆木醋液的原因可能是玉米秸秆木醋液与斑蝥原液二者混合后，含水量明显增加，溶液的酸性减弱，导致抗菌活性降低。

由图3和图4可以看出，与芝麻秸秆木醋液抗菌活性相比，芝麻秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂对大肠杆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）；复合剂对金黄色葡萄球菌的抗菌活性与木醋液的制备温度有关，芝麻秸秆热解温度180 ℃时制备的木醋液，其复合剂的抗菌活性高于芝麻秸秆木醋液，而热解温度超过200 ℃时所得的木醋液，其复合剂的抗菌活性低于芝麻秸秆木醋液，但均明显高于斑蝥原液的抗菌活性（dr=11.46 mm）。就大肠杆菌而言，抗菌活性最佳的复合剂为热解温度220 ℃、体积比1∶2的芝麻秸秆木醋液-斑蝥复合剂；就金黄色葡萄球菌而言，抗菌活性最佳的芝麻秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂为热解温度240 ℃、体积比1∶4的复合剂。由图4可以看出，芝麻秸秆木醋液斑蝥原液复合剂对金黄色葡萄球菌抗菌活性的变化趋势与木醋液中的总酸含量变化一致，这说明就金黄色葡萄球菌而言，芝麻木醋液的总酸含量对复合剂的抗菌活性起决定作用。

对比图1至图4可以看出，虽然2种秸秆木醋液与斑蝥原液1∶10（体积比）复合剂的抗菌活性仍低于木醋液，但在180 ℃以上秸秆热解制备的木醋液与斑蝥原液1∶10的复合剂，其抗菌活性总体上明显高于斑蝥原液，这说明少量的木醋液即可大幅提高斑蝥原液的抗菌活性，这为斑蝥原液的高效利用提供了比较好的理论依据。

对比2种秸秆木醋液及其与斑蝥原液复合剂的抗菌活性试验结果可以发现，秸秆木醋液及其复合剂优于斑蝥原液，芝麻秸秆木醋液的抗菌活性优于玉米秸秆木醋液，复合剂的抗菌活性低于秸秆木醋液。结合表3和图1至图4可以看出，本次试验得到的最佳复合剂抗菌活性仍低于试验用抗生素庆大霉素和青霉素，因此，复合剂的配比仍需进一步探索。同时发现，木醋液及其与斑蝥原液复合剂的抗菌活性与木醋液的总酸含量基本呈正相关，与含水量呈负相关。

3 小结

试验采用低温分段式热解制备的玉米、芝麻秸秆木醋液为透明的淡黄色至深红棕色有一定气味的酸性液体，不含焦油成分，不需精制提纯，很好地保留了木醋液中的活性抗菌物质。抗菌试验表明，秸秆木醋液有较好的广谱抗菌活性，秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂提高了斑蝥原液的抗菌活性，其中，芝麻秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂的抗菌活性明显优于玉米秸秆木醋液复合剂，但抗菌活性仍低于庆大霉素和青霉素等畜禽养殖用抗生素。木醋液中总酸含量在复合剂的抗菌活性中起主导作用，斑蝥素在较低热解温度下的复合剂中可起协同作用，抗菌活性与木醋液总酸含量呈正相关。秸秆木醋液与斑蝥原液复配后，不仅提高了斑蝥原液的抗菌活性，也使斑蝥原液的臭味得以掩盖，可以更好地代替抗生素用于畜禽绿色养殖，同时，木醋液中含有的酸性物质可以刺激畜禽等动物的食欲，有利于提升畜禽消化吸收功能，促进动物生长，提高畜禽出栏率。

关于秸秆木醋液-斑蝥原液复合剂的抗菌活性研究及其在畜禽绿色养殖中的应用有待进一步开展，以便为秸秆的高效利用和木醋液复合剂在农牧业中的应用奠定理论基础。

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