黃芪中藥渣生物有機肥制備配方優(yōu)化及其泡騰片研制

鄧文鈺 張家寧 王 平 張 麗

遼寧科技大學化學工程學院，遼寧 鞍山 114051

0 引言

眾所周知，中藥制藥過程中產生的廢渣是一類非常重要的生物質資源，將其進行充分的資源化利用，既能夠促進中藥產業(yè)鏈延長和經濟效益提高，又能夠有效解決長期以來中藥制藥企業(yè)因為藥渣處理不得當而引發(fā)的環(huán)保問題［1-3］。中藥渣中含有大量的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，并且重金屬含量低，作為肥源來培育作物有助于其生長［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）三水平正交設計試驗，測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肥的配方配比。另外，將黃芪中藥渣生物有機肥制備成泡騰片劑型，以發(fā)揮其田間施用便利的優(yōu)勢。在試驗過程中，筆者不僅探索了黃芪中藥渣有機肥對君子蘭的促萌芽作用，還試驗了滿天星、密花孔雀草、翠菊、長壽花、歐洲報春等10種花卉，但其對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開展試驗。

1 試驗材料與方法

1.1 供試材料

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

1.2 試驗方法

1.2.1 黃芪中藥渣生物有機肥制備。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，熬制高氏一號固體培養(yǎng)基，調整培養(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，熬制高氏一號液體培養(yǎng)基，調整培養(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肥制備完成后備用［7］。

1.2.2 黃芪中藥渣生物有機肥配方優(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個因素及不同添加量的3 個水平進行正交設計（見表1）。黃芪中藥渣生物有機肥制備配方中的其余原料種類和質量不變。按照所設計的L9（34）表（見表2），以君子蘭種子萌芽率為檢測指標進行黃芪中藥渣生物有機肥制備配方優(yōu)化試驗，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/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后施加試驗肥料液（用表1 各種試驗肥料1 g，兌水100 mL水），觀察君子蘭萌芽個數(shù)，計算君子蘭萌芽率。

表1 黃芪中藥渣生物有機肥制備正交試驗因素水平表

表2 黃芪中藥渣生物有機肥制備正交試驗設計

1.2.3 黃芪中藥渣生物有機肥泡騰片制備。泡騰片是以泡騰物料為崩解劑制成的一種片劑，投入水中會產生大量氣泡并在較短時間內溶解，具有起效迅速、分布均勻、成本低、便于攜帶等特點。選擇黃芪中藥渣生物有機肥、酸堿比（檸檬酸/碳酸氫鈉）、聚乙二醇6000和乳糖/甘露醇4 個因素及不同添加量的3 個水平進行正交設計（見表3），按照所設計的L9（34）表（見表4），采用酸堿混合制粒壓片法制備黃芪中藥渣有機肥泡騰片［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是潤滑劑，原材料是黃芪中藥渣生物有機肥。將上述材料與95%乙醇混合均勻，過0.024 mm篩濕法制粒，再將濕粒于50 ℃干燥2～3 h，過0.024 mm 篩整粒壓片制得泡騰片，并以崩解時限為檢測指標，確定泡騰片最佳配方配比［14-19］。

表3 黃芪中藥渣生物有機肥泡騰片制備正交試驗因素水平表

表4 黃芪中藥渣生物有機肥制備泡騰片正交試驗設計

2 試驗結果與分析

2.1 黃芪中藥渣生物有機肥制備

采用上述試驗方法制得D-3菌株發(fā)酵液和黃芪中藥渣生物有機肥，見圖1和圖2。

圖1 菌株發(fā)酵液

圖2 黃芪中藥渣生物有機肥

2.2 黃芪中藥渣生物有機肥配方優(yōu)化

如表5所示，第5組（A2B2C3D1）君子蘭種子萌芽率最高，為80.0%。對種子萌芽變化進行極差分析可知，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較?。ㄒ姳?）。通過正交試驗優(yōu)化的最佳黃芪中藥渣制備有機肥配方是50%黃芪中藥渣、7%硫酸亞鐵、3%菌株發(fā)酵液和5%尿素。對因素水平的直觀分析可以得出最優(yōu)的水平組合是A2B2C3D1（見圖3），試驗結果與推測相符。

圖3 黃芪中藥渣生物有機肥配方優(yōu)化結果

表5 黃芪中藥渣生物有機肥制備正交試驗結果

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，泡騰片崩解時間最短（為62 s）。對因素水平的直觀分析可以得出最優(yōu)的水平組合是A1B2C2D3（見圖4），試驗結果與推測不符合。由于這組水平不在試驗設計中，因此再增加一組該水平的試驗，繼而驗證結果是否符合試驗設計的推測。A1B2C2D3組泡騰片崩解時間為59 s，優(yōu)于第2組（A1B2C2D2）試驗結果，推測無誤。對崩解時間進行極差分析可知，黃芪中藥渣生物有機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較小（見表6）。因此，通過正交試驗優(yōu)化的最佳黃芪中藥渣生物有機肥泡騰片配方是20%黃芪中藥渣生物有機肥、酸堿比3∶2、2%聚乙二醇6000、乳糖甘露醇比10∶1。泡騰片成品見圖5。

圖4 黃芪中藥渣生物有機肥制備泡騰片配方優(yōu)化結果

圖5 泡騰片成品

表7 黃芪中藥渣生物有機肥制備泡騰片正交試驗結果

表8 崩解時間極差分析表

3 結論與討論

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、鉀等營養(yǎng)元素。利用其這一特性制備的生物有機肥具有明顯的改善土壤理化性質、增強作物抗?jié)承浴⑻岣唣B(yǎng)分利用率、防病害等作用。同時，隨著中藥產業(yè)的發(fā)展，中藥材加工產生的藥渣越來越多，對其進行資源化利用在一定程度上可以促進經濟增長和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

此試驗結果表明：黃芪中藥渣生物有機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%黃芪中藥渣有機肥、酸堿比3∶2、2%聚乙二醇6000、乳糖與甘露醇比10∶1。同時，該試驗證明了黃芪中藥渣生物有機肥對君子蘭種子萌芽具有明顯的促進作用。但黃芪中藥渣有機肥及其泡騰片的制備僅限于實驗室研究階段，并未進入中試階段，至于大規(guī)模應用效果及影響因素還有待進一步開展試驗進行探究。因此，今后將進一步擴大其試驗范圍及明確其施用穩(wěn)定性。