黃芪中藥渣生物有機(jī)肥制備配方優(yōu)化及其泡騰片研制

鄧文鈺 張家寧 王 平 張 麗

遼寧科技大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051

0 引言

眾所周知，中藥制藥過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣是一類非常重要的生物質(zhì)資源，將其進(jìn)行充分的資源化利用，既能夠促進(jìn)中藥產(chǎn)業(yè)鏈延長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)效益提高，又能夠有效解決長(zhǎng)期以來(lái)中藥制藥企業(yè)因?yàn)樗幵幚聿坏卯?dāng)而引發(fā)的環(huán)保問(wèn)題［1-3］。中藥渣中含有大量的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，并且重金屬含量低，作為肥源來(lái)培育作物有助于其生長(zhǎng)［4-6］。

該研究以黃芪中藥渣為主，添加其他輔料（如茶葉渣等）制備黃芪中藥渣生物有機(jī)肥，并采用四因素（黃芪中藥渣、硫酸亞鐵、D-3菌株發(fā)酵液、尿素）三水平正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，測(cè)定君子蘭等植物種子的萌芽率，以確定最佳的黃芪中藥渣生物有機(jī)肥的配方配比。另外，將黃芪中藥渣生物有機(jī)肥制備成泡騰片劑型，以發(fā)揮其田間施用便利的優(yōu)勢(shì)。在試驗(yàn)過(guò)程中，筆者不僅探索了黃芪中藥渣有機(jī)肥對(duì)君子蘭的促萌芽作用，還試驗(yàn)了滿天星、密花孔雀草、翠菊、長(zhǎng)壽花、歐洲報(bào)春等10種花卉，但其對(duì)君子蘭的促萌芽作用最顯著，效果最優(yōu)異，因此選擇促萌芽作用最佳的君子蘭來(lái)開展試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 供試材料

黃芪中藥渣，購(gòu)買于湖北金貴中藥飲片有限公司。D-3菌株，由遼寧科技大學(xué)生物工程系生物制藥工藝實(shí)驗(yàn)室提供。中藥渣生物有機(jī)肥（自制），由遼寧科技大學(xué)生物工程系生物制藥工藝實(shí)驗(yàn)室提供。君子蘭種子，由遼寧科技大學(xué)生物工程系生物制藥工藝實(shí)驗(yàn)室提供。君子蘭種子收集方法：在果實(shí)外皮從綠色轉(zhuǎn)為紅色，輕輕按壓觸感柔軟時(shí)，采下果實(shí)并從中剝離出種子即可。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥制備。首先，活化D-3 菌株。取可溶性淀粉20 g、硝酸鉀1 g、磷酸氫二鉀0.5 g、硫酸鎂0.5 g、氯化鈉0.5 g、硫酸亞鐵0.01 g、瓊脂20 g、水1 000 mL，熬制高氏一號(hào)固體培養(yǎng)基，調(diào)整培養(yǎng)基pH 為7.2～7.4。之后將其分裝至不同錐形瓶，塞好棉塞后置于滅菌鍋中，121 ℃、滅菌30 min。滅菌結(jié)束后，將約30 mL培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿中，待培養(yǎng)基凝固后以劃線的方式接入D-3菌株，接菌完畢后置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5 d，D-3菌株活化完成后備用。

其次，制備D-3菌株發(fā)酵液。取可溶性淀粉20 g、硝酸鉀1 g、磷酸氫二鉀0.5 g、硫酸鎂0.5 g、氯化鈉0.5 g、硫酸亞鐵0.01 g、水1 000 mL，熬制高氏一號(hào)液體培養(yǎng)基，調(diào)整培養(yǎng)基pH 為7.2～7.4。將液體培養(yǎng)基分裝至不同錐形瓶，塞好棉塞后置于滅菌鍋中，121 ℃、滅菌30 min。滅菌結(jié)束后，將活化的D-3菌株按15%的接種量接入液體培養(yǎng)基中，接菌完畢后置于28 ℃、150 r/min搖床中培養(yǎng)5 d，D-3菌株發(fā)酵液制備完成后備用。

最后，制備黃芪中藥渣生物有機(jī)肥。稱取黃芪中藥渣烘干粉末30 g、茶葉渣2.5 g、硫酸鉀2 g、硫酸亞鐵5 g、磷酸二氫鉀3 g、尿素7.5 g、D-3菌株發(fā)酵液加入量2%，充分混勻，黃芪中藥渣生物有機(jī)肥制備完成后備用［7］。

1.2.2 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥配方優(yōu)化。選擇黃芪中藥渣、硫酸亞鐵、D-3 菌株發(fā)酵液添加量和尿素4個(gè)因素及不同添加量的3 個(gè)水平進(jìn)行正交設(shè)計(jì)（見(jiàn)表1）。黃芪中藥渣生物有機(jī)肥制備配方中的其余原料種類和質(zhì)量不變。按照所設(shè)計(jì)的L9（34）表（見(jiàn)表2），以君子蘭種子萌芽率為檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行黃芪中藥渣生物有機(jī)肥制備配方優(yōu)化試驗(yàn)，從而確定最佳配方配比［8-9］。具體操作方法：將君子蘭種子（15個(gè)/皿）放在鋪有浸濕濾紙的培養(yǎng)皿中培養(yǎng)（保證培養(yǎng)皿中的濕度），培養(yǎng)3 d后施加試驗(yàn)肥料液（用表1 各種試驗(yàn)肥料1 g，兌水100 mL水），觀察君子蘭萌芽個(gè)數(shù)，計(jì)算君子蘭萌芽率。

表1 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥制備正交試驗(yàn)因素水平表

表2 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥制備正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.3 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥泡騰片制備。泡騰片是以泡騰物料為崩解劑制成的一種片劑，投入水中會(huì)產(chǎn)生大量氣泡并在較短時(shí)間內(nèi)溶解，具有起效迅速、分布均勻、成本低、便于攜帶等特點(diǎn)。選擇黃芪中藥渣生物有機(jī)肥、酸堿比（檸檬酸/碳酸氫鈉）、聚乙二醇6000和乳糖/甘露醇4 個(gè)因素及不同添加量的3 個(gè)水平進(jìn)行正交設(shè)計(jì)（見(jiàn)表3），按照所設(shè)計(jì)的L9（34）表（見(jiàn)表4），采用酸堿混合制粒壓片法制備黃芪中藥渣有機(jī)肥泡騰片［10-13］。檸檬酸是酸源，碳酸氫鈉是堿源，乳糖/甘露醇是稀釋劑，聚乙二醇6000是潤(rùn)滑劑，原材料是黃芪中藥渣生物有機(jī)肥。將上述材料與95%乙醇混合均勻，過(guò)0.024 mm篩濕法制粒，再將濕粒于50 ℃干燥2～3 h，過(guò)0.024 mm 篩整粒壓片制得泡騰片，并以崩解時(shí)限為檢測(cè)指標(biāo)，確定泡騰片最佳配方配比［14-19］。

表3 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥泡騰片制備正交試驗(yàn)因素水平表

表4 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥制備泡騰片正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥制備

采用上述試驗(yàn)方法制得D-3菌株發(fā)酵液和黃芪中藥渣生物有機(jī)肥，見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 菌株發(fā)酵液

圖2 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥

2.2 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥配方優(yōu)化

如表5所示，第5組（A2B2C3D1）君子蘭種子萌芽率最高，為80.0%。對(duì)種子萌芽變化進(jìn)行極差分析可知，D-3 菌株發(fā)酵液添加量的影響在各因素中最大，其次是尿素和黃芪中藥渣，硫酸亞鐵的影響相對(duì)較小（見(jiàn)表6）。通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化的最佳黃芪中藥渣制備有機(jī)肥配方是50%黃芪中藥渣、7%硫酸亞鐵、3%菌株發(fā)酵液和5%尿素。對(duì)因素水平的直觀分析可以得出最優(yōu)的水平組合是A2B2C3D1（見(jiàn)圖3），試驗(yàn)結(jié)果與推測(cè)相符。

圖3 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥配方優(yōu)化結(jié)果

表5 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥制備正交試驗(yàn)結(jié)果

表6 君子蘭種子萌芽變化極差分析表

2.3 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥泡騰片制備

如表7所示，第2組（A1B2C2D2）泡騰片崩解速度最快，泡騰片崩解時(shí)間最短（為62 s）。對(duì)因素水平的直觀分析可以得出最優(yōu)的水平組合是A1B2C2D3（見(jiàn)圖4），試驗(yàn)結(jié)果與推測(cè)不符合。由于這組水平不在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，因此再增加一組該水平的試驗(yàn)，繼而驗(yàn)證結(jié)果是否符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)的推測(cè)。A1B2C2D3組泡騰片崩解時(shí)間為59 s，優(yōu)于第2組（A1B2C2D2）試驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)無(wú)誤。對(duì)崩解時(shí)間進(jìn)行極差分析可知，黃芪中藥渣生物有機(jī)肥的影響在各因素中最大，其次是酸堿比和聚乙二醇6000，乳糖與甘露醇比的影響相對(duì)較小（見(jiàn)表6）。因此，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化的最佳黃芪中藥渣生物有機(jī)肥泡騰片配方是20%黃芪中藥渣生物有機(jī)肥、酸堿比3∶2、2%聚乙二醇6000、乳糖甘露醇比10∶1。泡騰片成品見(jiàn)圖5。

圖4 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥制備泡騰片配方優(yōu)化結(jié)果

圖5 泡騰片成品

表7 黃芪中藥渣生物有機(jī)肥制備泡騰片正交試驗(yàn)結(jié)果

表8 崩解時(shí)間極差分析表

3 結(jié)論與討論

在“綠水青山就是金山銀山”理念日漸深入人心的大背景下，研發(fā)高附加值的生物有機(jī)肥是科研人員不懈的追求。中藥渣中含有大量的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素。利用其這一特性制備的生物有機(jī)肥具有明顯的改善土壤理化性質(zhì)、增強(qiáng)作物抗?jié)承浴⑻岣唣B(yǎng)分利用率、防病害等作用。同時(shí)，隨著中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中藥材加工產(chǎn)生的藥渣越來(lái)越多，對(duì)其進(jìn)行資源化利用在一定程度上可以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

此試驗(yàn)結(jié)果表明：黃芪中藥渣生物有機(jī)肥的最佳配方配比為50%黃芪中藥渣、7%硫酸亞鐵、3%菌株發(fā)酵液、5%尿素，最佳泡騰片配方配比為20%黃芪中藥渣有機(jī)肥、酸堿比3∶2、2%聚乙二醇6000、乳糖與甘露醇比10∶1。同時(shí)，該試驗(yàn)證明了黃芪中藥渣生物有機(jī)肥對(duì)君子蘭種子萌芽具有明顯的促進(jìn)作用。但黃芪中藥渣有機(jī)肥及其泡騰片的制備僅限于實(shí)驗(yàn)室研究階段，并未進(jìn)入中試階段，至于大規(guī)模應(yīng)用效果及影響因素還有待進(jìn)一步開展試驗(yàn)進(jìn)行探究。因此，今后將進(jìn)一步擴(kuò)大其試驗(yàn)范圍及明確其施用穩(wěn)定性。