韓 悠 編譯

(上海市農(nóng)藥研究所，上海 200032)

植物次生代謝會(huì)合成多種生物活性物質(zhì)以抗御害蟲、病原菌以及抑制其他植物生長。精油和植物提取物中含有生物堿、氰苷、萜類、多炔類(polyacelylenes)和聚噻吩類(polythienyls)等眾多生物活性物質(zhì)。研究人員探討了這些分子的多樣性及其在害蟲和病原菌綜合治理中的應(yīng)用?；谥参锾崛∥锖途偷漠a(chǎn)品在許多國家都可用于防治植物病害。然而，盡管農(nóng)藥市場對(duì)植物制劑的需求量巨大，特別是對(duì)環(huán)保治理農(nóng)業(yè)害蟲的需求日益高漲，但植物源制劑的數(shù)量仍然有限。

植物病理學(xué)研究最常見的情形是，利用粗產(chǎn)物狀態(tài)的提取物和精油防治真菌、細(xì)菌和線蟲。在受控條件下，不同植物的提取物和精油對(duì)植物病原菌有抑制作用。但通常極難在大田觀察到如實(shí)驗(yàn)室或溫室試驗(yàn)取得的良好結(jié)果。田間條件下生物活性物質(zhì)的降解和揮發(fā)是造成植物源產(chǎn)品功效下降的主要因素。因此，由于生物活性物質(zhì)的損失，致使某些用于農(nóng)業(yè)的植物材料的潛在適用性最終被低估了。避免這些弊端的選擇之一是使用聚合物、增塑劑、穩(wěn)定劑和可生物降解的抗氧化劑來制備生物活性植物產(chǎn)品。

根據(jù)制劑類型，使用聚合物、乳化劑、表面活性劑、溶劑、穩(wěn)定劑、消泡劑和其他成分以確保生物活性化合物的穩(wěn)定性、黏附性和緩釋性。含植物活性成分的緩釋液體和固體制劑的例子在醫(yī)藥、制藥、食品技術(shù)和美容業(yè)等一些領(lǐng)域很常見。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，盡管這些技術(shù)是治理種子、土壤傳播和獲后病原菌的令人關(guān)注的選擇，但緩釋劑的應(yīng)用還處于初級(jí)階段。在這種制劑中，活性成分隨著時(shí)間的推移被釋放到環(huán)境中，這一特性具有減少活性成分的損失，延長持效期以及減少對(duì)動(dòng)植物的毒性的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)用于包封(encapsulation)的方法和材料，制備工藝大有不同，但重要的是制備植物源提取物制劑用于試驗(yàn)，而不是使用它們粗產(chǎn)物。Darlan Ferreira Borges等探討了植物提取物、精油及其分離的活性化合物制劑對(duì)植物病原菌的應(yīng)用潛力，提出了制備可用于植物病理學(xué)研究和相關(guān)領(lǐng)域的制劑的方案。

圖1 噴霧干燥形成顆粒

1 包封的主要方法

1.1 霧化法(噴霧干燥)

這一工藝包括3個(gè)步驟：首先，將產(chǎn)品(如提取物和精油)以液滴的形式分散，從而增加了產(chǎn)品的表面積。第二，分散的液滴與加熱的氣流接觸，第三，溶劑被蒸發(fā)，形成固體顆粒(圖1)。這在工業(yè)化中屬低成本工藝，特別是精油的微囊化。

噴霧干燥法制備的制劑對(duì)植物病原體的防治至今尚未進(jìn)行廣泛探究。僅有少數(shù)幾例，如咖啡葉提取物或沒食子酸的制劑被用作植物抗性誘導(dǎo)劑或用于防治紫丁香假單胞菌(Pseudomonas syringae pv.tomato)。

1.2 凍干法(冷凍干燥)

在冷凍干燥過程中，產(chǎn)品(提取物或油)被迅速冷凍，從而保持其化學(xué)特性。在接下來的步驟中，冷凍的材料進(jìn)行局部真空處理。然后，通過升華將冰或其他冷凍溶劑從材料中除去，將產(chǎn)品干燥至約2%濕基。粉碎脫水后的固體物料至所需粒度。

一些植物的凍干提取物具有殺菌活性。蕓香(Ruta graveolens)的凍干提取物能抑制植物病原真菌鏈孢菌(Fusarium solani)、番茄棘殼孢(Pyrenochaeta lycopersici)、根串珠霉(Thielaviopsis basicola)、大麗輪枝菌(Verticillium dahliae)和青霉菌的菌絲生長。而天竺葵(Pelargonium sp.)、鼠尾草(Salvia officinalis)、薰衣草(Lavandula officinalis)、唇萼薄荷(Mentha pulegium)和亞洲薄荷(Mentha arvensis)的凍干提取物則可使大豆銹病病菌(Phakopsora pachyrhizi)的孢子萌發(fā)率降低85%。

1.3 脂質(zhì)體包裹法(乳劑)

乳劑的定義為含有至少2種不可混溶的液相的熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，其中一相含有的膠體顆粒分散于另一相中。納米乳(nanoemulsions)是研究最多的乳劑類型。它們?yōu)闊o色微乳液，液滴大小為50～200 nm，而常規(guī)乳劑呈現(xiàn)大小為1～1 00 μm的藍(lán)色液滴。與常規(guī)乳劑相比，納米乳具有更高的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性，更易于擴(kuò)散和納米顆粒轉(zhuǎn)運(yùn)，強(qiáng)化了對(duì)親水或親脂分子在其分散相中的摻入和保護(hù)。例如，對(duì)納米乳液微囊化所制得的產(chǎn)品，有利于植物化學(xué)物質(zhì)跨細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)。

精油和植物提取物的乳劑是防治植物病害值得推薦的方法。例如，肉桂、檸檬和佛手柑精油納米膠囊對(duì)黑曲霉(Aspergillus niger)具有抗菌活性。其他值得注意的例子有玫瑰草(palmarosa)精油納米乳可抑制草莓黃單胞菌(Xanthomonas fragariae)，印楝(Azadirachta indica A. Juss)和亞香茅[Cymbopogon nardus(L)Rendle]精油納米乳可抑制立枯絲核菌(Rhizoctonia solani)和齊整小核菌(Sclerotium rolfsii)。

1.4 擠壓-澆鑄法

在該方法中，將乳液/提取物芯和涂層材料(海藻酸鈉、乙酸鹽、淀粉等)通過移液管或噴嘴在高壓下加入某離子溶液中，如氯化鈣溶液，邊加邊攪拌。20 min后收集凝膠微球并干燥。微球壁的阻力取決于制劑的組分和顆粒與離子溶液的吸附時(shí)間。必須注意盡量減少或避免在包封過程和儲(chǔ)存期間活性化合物損失。

擠壓包封的植物提取物和精油可用于食品保藏，例如輕度加工的蘋果和蘑菇。然而，利用這種技術(shù)對(duì)防治植物病害的植物源提取物的制劑技術(shù)并未進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1.5 流化床法

流化床涂層即在流化粉末床上噴涂包封劑。被包封的物料在特定溫度下以固態(tài)懸浮于煤氣體流，噴涂液體包封材料的霧滴，在物料顆粒上形成一層薄液膜。最后，材料經(jīng)潤濕和干燥形成一牢固的均質(zhì)層。物料循環(huán)速率、噴嘴霧化壓力、濕度和涂層溫度都會(huì)影響涂層的效率。流化床法廣泛應(yīng)用于制藥和食品工業(yè)，也可用于合成農(nóng)藥、染料和其他工業(yè)化學(xué)品。

與噴霧干燥法相比，此技術(shù)制備的顆?；钚曰衔锖扛?，流動(dòng)性更好，涂覆率更高。有望使用該工藝制備用于防治土壤傳播病原體的緩釋劑產(chǎn)品。這種方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，除了具有高度的可控性和自動(dòng)化之外，還可以進(jìn)行大批量應(yīng)用，即顆粒循環(huán)時(shí)間短，熱傳輸量大。?migielski等人(2011年)觀察到薰衣草(L. angustifolia)精油在干燥過程中損失率超過40%。然而，如果在具干燥劑和熱交換器的密閉循環(huán)系統(tǒng)中，通過流化床干燥植物的鮮生物量，所得產(chǎn)物中的揮發(fā)性和生物活性的物質(zhì)將比其他工藝方法含量更高。

1.6 凝聚法

凝聚法是按3個(gè)步驟進(jìn)行包封的一種方法：制備乳液、微囊化包封和固化。表面活性劑，如吐溫80，用于乳液制備。單寧酸、甘油或戊二醛可用于固化工藝。一些生物高聚物被用于包封、保護(hù)和釋放親脂性化合物，主要有大豆蛋白/阿拉伯樹膠、明膠/阿拉伯樹膠和明膠/果膠。凝聚法技術(shù)成本低廉，最適合用于油性化合物和精油的微囊化。

以復(fù)合凝聚法制備的波爾多樹(Peumus boldus Mol.)精油微膠囊處理花生種子，在長達(dá)114 d貯存期內(nèi)對(duì)青霉菌和曲霉菌具有極佳的防效。據(jù)報(bào)道，有人還用凝聚法包封芥菜精油，其物化性質(zhì)穩(wěn)定并具較強(qiáng)的抗菌作用。

1.7 分子包合法

分子包合物通常是特殊的化合物，其中一個(gè)組分的分子，稱為客體分子(guest molecules)，被完全或部分地包在另一個(gè)組分即主體分子(host molecule)的空腔中。環(huán)糊精是最常用的主體分子，這些復(fù)合物的結(jié)構(gòu)取決于其空腔的性質(zhì)。

圖2 海藻酸鹽(alginate)和鈣的三維網(wǎng)(“蛋盒模型”)

環(huán)糊精是淀粉在環(huán)糊精酶糖基轉(zhuǎn)移酶作用下生成的環(huán)狀寡糖。環(huán)糊精的外緣為親水性，內(nèi)腔為疏水性。因此，一旦有一個(gè)客體分子適合這個(gè)空腔，就會(huì)形成一個(gè)包合物。因此，有機(jī)分子和無機(jī)分子可以包封起來，從而改變客體分子的溶解性和穩(wěn)定性。與環(huán)糊精分子包合的主要優(yōu)點(diǎn)是增加了化合物在水中的溶解性，這是包封精油的一個(gè)理想特性。

近年來，環(huán)糊精分子包合物已被應(yīng)用于包封防治植物病原物的活性化合物，尤其是真菌。丁香酚β-環(huán)糊精包合物微膠囊對(duì)荔枝霜疫霉菌(Peronophythora litchi)有較好的防治效果。丁香精油和牛至精油 β-環(huán)糊精微膠囊對(duì)尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)的菌絲生長也有抑制作用。另一方面，苯丙素類化合物用環(huán)糊精包封時(shí)能更有效地抑制尖孢鐮刀菌和灰霉病菌的生長?？捎靡恍┘僭O(shè)解釋這一結(jié)果，比如真菌可利用包合物作為碳水化合物的來源，或者由真菌自身生成的殼體物也可自主抑制菌絲的生長。

2 主要的包封材料

2.1 海藻酸鹽

海藻酸鹽是甘露糖醛酸的線型共聚物，其 C-5差向異構(gòu)體為古羅糖醛酸，分子式(C6H8O6)n。它存在于海藻和某些細(xì)菌中。該物質(zhì)根據(jù)甘露糖醛(M)與古羅糖醛酸(G)的比例以及其序列結(jié)構(gòu)和聚合度不同差別很大。因此，該物質(zhì)可以呈現(xiàn)為M-G殘基和由2個(gè)或2個(gè)以上M-G殘基組成的嵌段(blocks)的交替序列。

海藻酸鹽是一種可生物降解的聚合物，在Ca2+和Mg2+等二價(jià)陽離子存在時(shí)會(huì)形成三維凝膠。鈣離子與海藻酸鹽鏈中的古羅糖醛酸嵌段結(jié)合，形成一個(gè)三維網(wǎng)(圖2)。這種特性使海藻酸鹽成為包封生物活性化合物的理想材料，包括植物病理研究關(guān)注的化合物。

例如，海藻酸鈉可用于從植物中提取的酚類化合物的制備，確保保留此類物質(zhì)80%以上功效。用海藻酸鈣微球包封植物提取物、精油和生防劑可延長活性化合物或拮抗微生物的有效性。

2.2 殼聚糖

殼聚糖是幾丁質(zhì)脫乙?；玫囊环N陽離子氨基多糖，是昆蟲和甲殼類動(dòng)物外骨骼中含量最高的部分。殼聚糖的結(jié)構(gòu)由β (1-4)2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖(或 D-氨基葡萄糖)重復(fù)單元構(gòu)成，分子式為(C6H11O4N)n。殼聚糖可用作多種包封方法的成分，如凝聚、乳液和擠壓。當(dāng)殼聚糖納米凝膠(Chitosannanogels)在水中分散時(shí)具有生物相容性和穩(wěn)定性，有利于納米膠囊的處理。

肉桂粉和肉桂提取物與殼聚糖的混合物對(duì)立枯絲核菌和南方根結(jié)線蟲(Meloidogyne incognita)具有一定的離體防治潛力，但還未在田間對(duì)此進(jìn)行研究。在室內(nèi)試驗(yàn)中，巴柑檬(Citrus bergamia)和酸橙(Citrus aurantium)精油殼聚糖膠囊可抑制黃曲霉(Aspergillus flavus)的生長。

2.3 乙酸纖維素

纖維素是地球上最豐富的天然高分子。由于纖維素的熔點(diǎn)較低，通常將其轉(zhuǎn)化為其衍生物，使之更易于加工。乙酸纖維素(CA)、丙酸纖維素和丁酸纖維素等一些纖維素衍生熱塑性酯類即是如此。

乙酸纖維素是木纖維與醋酐和乙酸反應(yīng)生成的一種酯。這個(gè)反應(yīng)在硫酸存在的條件下發(fā)生。產(chǎn)物隨后被水解以除去酸、硫酸基和乙酸，直到獲得所需的性質(zhì)。乙酸纖維素粗纖維是由乙酸纖維素薄片物理轉(zhuǎn)化而來，即乙酸纖維素在丙酮中溶解，隨后在粗纖維中膨脹。乙酸纖維素可以較大范圍的取代度(DS)生成。但由于必須得到具有適當(dāng)摩爾質(zhì)量、熔化溫度和適當(dāng)溶解度的產(chǎn)品，最常見的是生產(chǎn)DS為2.5的乙酸纖維素。當(dāng)DS＞2.5時(shí)，使用二氯甲烷作為溶劑。

乙酸纖維素膜可包含植物提取物和精油。根據(jù)膜的特性，可向乙酸纖維素中添加增塑劑，如鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)、檸檬酸三乙酯(TEC)和丙三醇。Pola等人(2016)開發(fā)了含牛至油和蒙脫石黏土精油的乙酸纖維素膜，用于防治采后病原菌鏈格孢菌(Alternaria alternata)和匍枝根霉(Rhizopus stolonifer)。這些膜通過可直接接觸和釋放活性揮發(fā)性化合物發(fā)揮抗真菌作用。

2.4 淀粉

淀粉是以顆粒形式儲(chǔ)存的植物貯存多糖。它價(jià)廉易得，來源廣泛，如玉米、大米、木薯、小麥等。淀粉的結(jié)構(gòu)單元為 α-D-(1,4)糖苷鍵連接的脫水葡萄糖。它由2個(gè)同聚物組分組成：直鏈淀粉(15%～30%)和支鏈淀粉(85%～70%)。在植物病理學(xué)研究中，淀粉基膜可用于獲后水果貯藏，可能含有植物提取物、水楊酸和精油。

淀粉在薄膜生產(chǎn)中的應(yīng)用，是基于直鏈淀粉形成凝膠的化學(xué)、物理和功能特性及其成膜的性能。由于其線性，溶液中的直鏈淀粉分子往往平行排列，從而在相鄰聚合鏈的羥基間形成氫鍵。因此, 聚合物對(duì)水的親和性降低了，這有利于形成不透明的糊狀物和牢固的薄膜。直鏈淀粉在淀粉中占比高會(huì)形成更堅(jiān)固、更有彈性的薄膜，由于支鏈淀粉的支鏈結(jié)構(gòu)則一般形成機(jī)械性能較差的薄膜。

傳統(tǒng)上，淀粉基膜是由澆鑄法產(chǎn)生，因?yàn)樘烊恍问降牡矸鄣娜埸c(diǎn)高于其分解溫度。在這種方法中，將淀粉溶于溶劑中，所得成膜劑溶液(filmogenic solution)在干凈平整的表面應(yīng)用。溶液于 25～30 ℃放置蒸發(fā)溶劑。Dias (2010)報(bào)道了一種用澆鑄法制備大米淀粉和米粉薄膜的技術(shù)。簡而言之，生淀粉(raw starch)或面粉水溶液(質(zhì)量體積比為5%)以4 000 rpm攪拌15 min。向水溶液中添加增塑劑(丙三醇或山梨醇)，濃度為0.20 g/g或0.30 g/g干生淀粉或面粉。隨后，將混合物加熱至85 ℃，期間連續(xù)攪拌1 h，均勻地倒在有機(jī)玻璃板上，置于鼓風(fēng)烘箱中于30 ℃烘干 14 h。為制備米粉膜, 將水溶液的 pH 值調(diào)至10.0，以促進(jìn)蛋白質(zhì)溶解。

膜中添加增塑劑可提高其彈性、加工性和延展性。最常用的增塑劑是丙三醇和山梨醇。丙三醇是一種具易與淀粉鏈相互作用的羥基基團(tuán)的親水性小分子。當(dāng)希望降低淀粉膜的親水性時(shí)，脂肪酸和精油也可用作增塑劑。

淀粉膜在具有效水的環(huán)境中可迅速生物降解。在共混物中加入其他更穩(wěn)定的組分能延緩淀粉膜的降解。淀粉共混物可以用殼聚糖、聚乳酸(PLA)生產(chǎn)；聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯共聚物(PBAT)和聚丁二酸丁二醇-己二酸丁二醇酯共聚物(PBSA)。

2.5 聚己內(nèi)酯和聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯共聚物

聚己內(nèi)酯(PCL)是一種對(duì)活性化合物具有高滲透性的可生物降解的合成聚合物。PCL為半結(jié)晶聚合物，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為?60 ℃，熔點(diǎn)為59～64 ℃。PCL確保了制劑的穩(wěn)定性，提高了耐應(yīng)力開裂的能力，增強(qiáng)了緩釋性。Lippia sidoides(一種富含百里香酚的植物)精油PCL納米膠囊可在5 ℃下穩(wěn)定保存60 d?？蓪⒈崂w維素、乙酸丁酸纖維素、聚乳酸和聚乳酸-羥基乙酸共聚物(polylactic acid-co-glycolic acid)與PCL混合，以改善制劑特性。

聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯共聚物是以丁烷-1,4-二醇、己二酸和對(duì)苯二甲酸為原料合成的一種共聚酯。雖然它來自石油，但它可在幾個(gè)星期內(nèi)完全生物降解。PBAT膜具有良好的加工性、高彈性、疏水性以及優(yōu)異的機(jī)械和阻隔性。它比其他聚合物價(jià)格昂貴。但PBAT與低成本的生物聚合物的混合物可生產(chǎn)具有良好機(jī)械和阻隔性的價(jià)廉、可生物降解的膜。

3 結(jié) 語

植物合成了一系列可用于防治植物病原菌的化合物。由于許多國家植物物種的多樣性，特別是位于熱帶和亞熱帶地區(qū)，若干對(duì)植物病原物有抑制作用的物質(zhì)目前還尚未被人類發(fā)現(xiàn)。由于這些物質(zhì)在田間試驗(yàn)中效果較差，許多前景看好的植物源物質(zhì)的潛力被低估了。植物提取物和精油制劑可以減少生物活性化合物的損失，許多植物源產(chǎn)品可用作防治植物病害的替代藥劑。在植物病理學(xué)的研究中，很少對(duì)植物源物質(zhì)制劑的生物活性進(jìn)行探討。如上所述，可根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康闹苽湟恍┑统杀镜闹苿瑴p少生物活性化合物的損失。要將有潛力的植物材料開發(fā)成商業(yè)化產(chǎn)品取決于多種因素，如操作工藝和經(jīng)濟(jì)狀況。納米材料和納米技術(shù)為新穎植物源產(chǎn)品的開發(fā)提供了前所未有的可能性。因此，必須鼓勵(lì)植物病理學(xué)家使用制備的植物源物質(zhì)制劑，而不是它們的粗產(chǎn)物，這樣可能會(huì)增加植物病害環(huán)境友好型防治方案數(shù)量。