冷 陽(yáng)，錢(qián) 虹

(上海市肥料農(nóng)藥行業(yè)協(xié)會(huì)，上海 200336)

1 “非塑包封”將成為農(nóng)藥微囊劑發(fā)展的一個(gè)重要方向

1.1 農(nóng)藥微囊劑是近年來(lái)發(fā)展最快的劑型之一

以微囊懸浮劑(CS)為代表的微囊劑是現(xiàn)有農(nóng)藥制劑中最優(yōu)秀的劑型之一。

微囊懸浮劑于20世紀(jì)70年代初實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，至今已有50余年歷史。最初微囊劑是為了降低少數(shù)有機(jī)磷高毒農(nóng)藥毒性而開(kāi)發(fā)的；繼而擴(kuò)展到菊酯類、毒死蜱等農(nóng)藥，作為衛(wèi)生、糧庫(kù)、防治地下害蟲(chóng)等封閉環(huán)境下的用藥，作為緩釋劑使用。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)際農(nóng)藥界針對(duì)微囊劑走向大田防治所遇到的技術(shù)障礙開(kāi)展了一系列理論創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)，使農(nóng)藥微囊劑的許多優(yōu)點(diǎn)從空談的理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用[1]。此后，微囊劑產(chǎn)業(yè)化迅速擴(kuò)大到近百個(gè)農(nóng)藥品種，包括殺蟲(chóng)劑、除草劑、殺菌劑及植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、信息素等。21世紀(jì)以來(lái)微囊劑在全球獲得了快速發(fā)展。目前，農(nóng)藥中能實(shí)現(xiàn)控制釋放功能的就是微囊制劑，這與當(dāng)前發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)相合拍。在我國(guó)，近10年來(lái)農(nóng)藥微囊劑已成為發(fā)展最快的劑型之一。

至2018年我國(guó)微囊懸浮劑登記數(shù)已達(dá)243個(gè)，是2008年(23個(gè))的10倍多。

1.2 微囊技術(shù)需要與時(shí)俱進(jìn)，不斷完善和提升[2]

現(xiàn)代農(nóng)藥微囊劑制造技術(shù)通常可拆分為A、B兩類：A類是包封農(nóng)藥成囊的制劑技術(shù)，它構(gòu)建了制劑的“軀殼”；B類是使藥囊具有特定的釋藥功能的專用技術(shù)，它賦予了產(chǎn)品的“靈魂”。在一個(gè)產(chǎn)品中，這兩項(xiàng)技術(shù)交叉互融。

A類技術(shù)：我國(guó)與國(guó)際農(nóng)藥界相似，主流產(chǎn)品多是沿襲界面聚合或原位縮合傳統(tǒng)工藝成囊的，具有50余年歷史。囊材主要有聚脲、聚胺酯、胺基樹(shù)酯(脲-甲醛或三聚氰胺-甲醛)、聚甲基丙稀酸酯類樹(shù)酯等。面臨新時(shí)代，情況變了，要求高了，需要同步對(duì)原有技術(shù)進(jìn)行完善、提升。許多企業(yè)都這樣做了，但還有不少企業(yè)對(duì)此沒(méi)有認(rèn)識(shí)。

B類技術(shù)：體現(xiàn)在產(chǎn)品的功能上，取決于企業(yè)的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)。這是我國(guó)在微囊劑制造領(lǐng)域與世界水平的差距所在。生產(chǎn)微囊劑的企業(yè)中有個(gè)別至今還沒(méi)有自己的B類技術(shù)。

由于我國(guó)微囊劑長(zhǎng)期處于小規(guī)模生產(chǎn)狀態(tài)，故上述存在問(wèn)題并不明顯。但近10年來(lái)，隨著產(chǎn)品數(shù)量和規(guī)模的高速增長(zhǎng)及安全、環(huán)保監(jiān)管要求的不斷提升，這些問(wèn)題被放大并凸顯出來(lái)。就我國(guó)制劑行業(yè)而言，需要改進(jìn)的共性問(wèn)題主要有3方面：⑴ 個(gè)別產(chǎn)品低效、無(wú)效釋放要改進(jìn)；⑵ 部分產(chǎn)品中殘留甲醛需去除；⑶ 需要立足長(zhǎng)遠(yuǎn)，研發(fā)“低塑”“非塑”微囊制備新技術(shù)。下面對(duì)這3方面進(jìn)行具體陳述。

⑴ 個(gè)別產(chǎn)品低效、無(wú)效釋放要改進(jìn)

究其原因，十有八九是組分“類同替換”所致。

甲苯二異氰酸酯(TDI)原是聚脲、聚胺酯微囊制備的極其重要的一種原料，但因劇毒已在生產(chǎn)中禁用。面臨新情況，不少企業(yè)就簡(jiǎn)單地改用預(yù)聚體(如MDI，PAPI等)予以替代。結(jié)果產(chǎn)品貌似合格，但田間藥效極差。于是有的轉(zhuǎn)用于地下殺蟲(chóng)(封閉用藥)，有的停產(chǎn)(除草劑)，還有的改做氨基樹(shù)酯微囊。

其實(shí)解決此類問(wèn)題的思路很多，如重新調(diào)整囊材組分，篩選另外的囊材，變更囊內(nèi)囊外的“環(huán)境”等。企業(yè)需要組織專題攻關(guān)，以獲得自己的B類技術(shù)。

值得一提的是薄殼微囊包覆技術(shù)可使產(chǎn)品在田間迅速釋放，既能解決上述問(wèn)題，又降低了成本，更重要的是把產(chǎn)品中的“殼”改成“膜”，大幅度減少了產(chǎn)品的含“塑”量。

目前高含量(500 g/L左右)無(wú)溶劑、薄殼微囊懸浮劑工藝的研發(fā)已突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。其囊材占產(chǎn)品重量比例均在1%以下，最低可達(dá)0.4% (僅相當(dāng)于制劑中消泡劑的用量)[1,2]。藥劑施用后見(jiàn)效快，藥效與乳油相當(dāng)。

適用這一技術(shù)的產(chǎn)品有低熔點(diǎn)、高含量的450 g/L二甲戊靈，500 g/L氟樂(lè)靈，480 g/L甲草胺、野麥畏、高效氯氟氰菊酯、毒死蜱CS等的大田用藥產(chǎn)品。該項(xiàng)工程化技術(shù)已在國(guó)內(nèi)個(gè)別企業(yè)投產(chǎn)，產(chǎn)品已投放到國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。

⑵ 部分產(chǎn)品中殘留甲醛需消除

此類情況存在于囊材為胺基樹(shù)酯的微囊產(chǎn)品中。由于在由脲甲醛預(yù)聚物形成微囊的過(guò)程中，脲甲醛預(yù)聚物中存在的羥甲基相互反應(yīng)產(chǎn)生甲醛，故通常制得的微囊制劑產(chǎn)品中含有0.5%或以上的游離甲醛，技術(shù)水平低的企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品可能含有更多。

對(duì)此需要相關(guān)企業(yè)組織工藝技術(shù)攻關(guān)，以消除這一隱患。

⑶ 需要立足長(zhǎng)遠(yuǎn)，研發(fā)“低塑”“非塑”微囊制備新技術(shù)

目前，我國(guó)生產(chǎn)的產(chǎn)品中囊殼平均占比約3%～5%(折合450 g/L左右的產(chǎn)品)，這些材料最終將滯留在土壤中。在過(guò)去，CS產(chǎn)量小，此問(wèn)題并不顯眼；但伴隨著CS生產(chǎn)規(guī)模的快速增長(zhǎng)和治理塑料污染力度的加強(qiáng)，生產(chǎn)企業(yè)將會(huì)面臨挑戰(zhàn)，需要未雨綢繆。

上述新情況給微囊劑的研發(fā)提出了新的發(fā)展方向：⑴ 要注重“低塑”微囊劑產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，如薄殼技術(shù)、塑-非塑復(fù)合囊材技術(shù)等的開(kāi)發(fā)；⑵ 要開(kāi)辟新領(lǐng)域，加快農(nóng)藥微囊劑非塑包封技術(shù)的研發(fā)。

1.3 歐盟化學(xué)品管理局“微塑料限制令”的擬提案，將加快非塑包封技術(shù)的發(fā)展

當(dāng)今，被拋入海洋和陸地的廢棄塑料已造成“白色污染”。這些物質(zhì)需要100年以上才能降解掉，此前將轉(zhuǎn)化成“塑料微?！?。監(jiān)測(cè)顯示此微粒現(xiàn)已進(jìn)入食物鏈和人體等。于是在相關(guān)大小國(guó)際會(huì)議上，人們紛紛呼吁各國(guó)政府要治理和出臺(tái)禁限令。

目前，我國(guó)政府和許多國(guó)家的政府都已分別出臺(tái)了相應(yīng)的禁限令，還有的正在積極籌劃提出更加嚴(yán)格的限制，其中歐盟化學(xué)品管理局?jǐn)M提出的最嚴(yán)“微塑料限制令”提案最引人注目[3,4]。2018年1月16日，歐盟委員會(huì)宣布了首個(gè)在全歐洲范圍內(nèi)實(shí)行的塑料戰(zhàn)略，作為歐盟向更高層次的循環(huán)經(jīng)濟(jì)過(guò)渡的一部分。該戰(zhàn)略計(jì)劃到2030年，歐盟市場(chǎng)上的所有塑料包裝將全部可回收利用，一次性塑料的消費(fèi)量將減少，塑料微粒的刻意使用也將受到限制。2019年1月18日，歐盟化學(xué)品管理局(EU Chemicals Agency，簡(jiǎn)稱ECHA)擬提出一項(xiàng)2020年前全面禁止歐盟地區(qū)生產(chǎn)商在化妝品、洗滌劑和農(nóng)用化肥等產(chǎn)品中刻意添加塑料微粒(microplastics)的禁令提案，以對(duì)抗塑料污染。

此前，ECHA受歐盟委員會(huì)的委托對(duì)在化妝品、洗滌劑等家用產(chǎn)品中使用塑料微粒所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了調(diào)查。事后ECHA發(fā)言人Matti Vainio提到調(diào)查中最讓他們感到意外的是農(nóng)業(yè)是產(chǎn)生塑料微粒的最大行業(yè)，現(xiàn)在在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中有一種被廣泛使用的技術(shù)：即將肥料包封裝在微型塑料殼中，讓肥料通過(guò)塑料殼緩慢地進(jìn)入土壤中，但最后這些微型塑料殼就被遺留下來(lái)。

ECHA提出將微塑料定義為“在至少一個(gè)外部尺寸上具有5 mm或更小尺寸的任何聚合物或含聚合物的固體或半固體顆?！薄７隙x且可能受到限制的產(chǎn)品包括用于肥料和植物保護(hù)產(chǎn)品的聚合物包封系統(tǒng)。可能符合定義且可能受到限制的產(chǎn)品包括：⑴ 聚合物基種子涂層；⑵ 超吸收性聚合物用于農(nóng)業(yè)用途[5,6]。

上述信息令世界農(nóng)藥界意外和震驚。人們正在密切關(guān)注ECHA限制令提案能否獲準(zhǔn)實(shí)施和最終的禁限內(nèi)容有無(wú)變化。不管結(jié)果如何，農(nóng)藥微囊劑非塑包封技術(shù)的研發(fā)是到了加速推進(jìn)的時(shí)候了。

2 農(nóng)藥微囊非塑包封技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展

為謀劃未來(lái)，從20世紀(jì)90年代起，世界農(nóng)藥界及全球許多研發(fā)機(jī)構(gòu)和高校，已著手研發(fā)農(nóng)藥微囊劑非塑包封技術(shù)，至今已經(jīng)取得了多項(xiàng)科技成果，并獲得了一批在降解后能以大自然原有形態(tài)回歸的新型囊壁材料和制劑工藝。最主要的有⑴ 硅基材料；⑵ 化學(xué)改性的生物材料；⑶ 微生物細(xì)胞壁。

2.1 硅基材料做囊材的研究開(kāi)發(fā)

硅基材料是當(dāng)代材料科學(xué)中最熱門(mén)研究領(lǐng)域之一。使用硅基材料制備非塑農(nóng)藥微囊是今后最重要的方法之一。早在20多年前，世界農(nóng)藥科技界已開(kāi)始了這方面的研究，現(xiàn)在從選材到包封技術(shù)已經(jīng)取得了多個(gè)系列的研發(fā)成果，其中最主要的有2類：⑴ 聚烷基硅氧烷作囊材的包封技術(shù)；⑵ 二氧化硅凝膠作囊材的包封技術(shù)。

2.1.1 聚烷基硅氧烷作囊材

聚烷基硅氧烷(簡(jiǎn)稱聚硅氧烷，圖1)是最早研發(fā)制備微囊劑的硅基材料囊壁。其原料為三烷氧基硅烷，在農(nóng)藥乳化液中通過(guò)原位聚合包封成囊。20世紀(jì)末已在歐洲建有中試裝置，試生產(chǎn)多年。近年來(lái)，經(jīng)多方深入研究，使整體水平有了極大提高。以前用此法制得的CS產(chǎn)品主要為緩釋制劑，如衛(wèi)生用藥等。

圖1 聚硅氧烷結(jié)構(gòu)

2.1.2 二氧化硅凝膠壁微囊

前述的聚硅氧烷并非純高分子硅材料，其分子中的Si-O矩陣上仍鏈接了有機(jī)基團(tuán)。而二氧化硅凝膠則與大自然原有的形態(tài)一致，被喻為是“回娘家”的囊壁材料(圖2)。

圖2 二氧化硅凝膠結(jié)構(gòu)

2.1.2.1 二氧化硅凝膠壁微囊的包封工藝

起始原料為烷氧基硅烷(Si(OR)4)，常用四甲氧基硅烷(TMOS)或四乙氧基硅烷(TEOS)。在油相囊芯物乳化液的油水界面通過(guò)原位聚合(溶膠-凝膠聚合)而獲得微膠囊。

在溶膠-凝膠(sol-gel)界面反應(yīng)過(guò)程中，前驅(qū)體(四甲氧基硅烷或四乙氧基硅烷等)將經(jīng)歷復(fù)雜的水解、縮合和縮聚過(guò)程，烷氧基硅烷中的Si-OR基團(tuán)會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為Si-OH和Si-O-Si基團(tuán)，體系中二聚體和多聚體逐漸生成，最終經(jīng)陳化形成多孔的(可調(diào)控)具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的二氧化硅凝膠囊殼。

下面將對(duì)現(xiàn)有制備工藝中的水解、縮合和縮聚3個(gè)關(guān)鍵過(guò)程的化學(xué)變化進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

⑴ 水解反應(yīng)(hydrolysis)

水解反應(yīng)以酸或堿為催化劑，前驅(qū)物Si(OR)4在相應(yīng)的水溶液中，其烷氧基(Si-OR)與水的氫氧基反應(yīng)轉(zhuǎn)化為Si-OH基，前驅(qū)物變成Si(OH)n(OR)4-n稱為水解反應(yīng)；在酸催化時(shí)發(fā)生親電性水解反應(yīng)，副產(chǎn)1分子醇。而在堿催化時(shí)則為親核性水解反應(yīng)，副產(chǎn)1分子醇鹽(圖3)，每水解1次就有1個(gè)Si-OR從有機(jī)轉(zhuǎn)為無(wú)機(jī)的Si-OH基，前驅(qū)物的親水性就提高1次。

圖3 堿催化的水解反應(yīng)

⑵ 縮合反應(yīng)(condensation)

水解反應(yīng)啟動(dòng)后，縮合反應(yīng)便開(kāi)始了?？s合反應(yīng)有2種方式：①一個(gè)已水解的分子中的Si-OH基與另一分子中的未水解的Si-OR基發(fā)生脫醇縮合反應(yīng)(圖4)；② 2個(gè)已水解的分子通過(guò)各自的Si-OH相結(jié)合所產(chǎn)生的脫水縮合反應(yīng)(圖5)。通過(guò)縮合反應(yīng)，先后產(chǎn)生了二聚體和多聚體。同時(shí)越來(lái)越多的Si-OR基被剔出，前驅(qū)物也越來(lái)越無(wú)機(jī)化，隨著親水性增強(qiáng)而溶于水，此過(guò)程稱為溶膠。

圖5 脫水縮合反應(yīng)

⑶ 聚合反應(yīng)(polymerization)

隨著二聚體的增多，水解反應(yīng)和縮合反應(yīng)的頻數(shù)和速度快速增大，sol-gel進(jìn)入聚合反應(yīng)階段。預(yù)先水解過(guò)的Si(OH)n(OR)4-n彼此互相聚合，由于分子量的增大，溶解度又慢慢變小而形成凝膠，最終經(jīng)陳化制得了呈三維矩陣網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的SiO2凝膠微囊殼，反應(yīng)如圖6。

圖6 Si(OH)n(OR)4-n聚合為SiO2凝膠微囊殼的過(guò)程

2.1.2.2 包封成囊工藝過(guò)程的主要控制點(diǎn)[7,8]

⑴ pH：在2～13中選取

在酸性環(huán)境下，水解反應(yīng)速率比縮合反應(yīng)速率快，制得的囊殼比較致密，微囊劑的緩釋性提高。相反，在堿性環(huán)境下，縮合反應(yīng)速率比水解反應(yīng)快，制得的囊殼孔隙率大，藥物釋放速率加快。

⑵ 水量：油相∶水相=2∶1～1∶3

料液中水與前驅(qū)物的克分子比在3以下時(shí)，水解反應(yīng)不完全。隨著水量的增加，水解反應(yīng)越完全；但在高含水量，如克分子比大于25時(shí)，縮合反應(yīng)將受到影響，不易形成凝膠。

⑶ 投料

前驅(qū)物直接加入囊芯物的乳化液中制得的囊殼孔徑較大，孔隙率較高，利于快速釋放。也可加入部分水解和縮合的聚合物(分子量1 000～9 000)，利于縮短制備時(shí)間。低黏度的囊芯也可與前驅(qū)物混和一起乳化，制得的微囊密度較大，具有緩釋作用。

⑷ 溫度

溫度要求較寬松，一般控制在40～50 ℃。

⑸ 壓力

常壓，必要時(shí)用真空抽取副產(chǎn)的醇，以利反應(yīng)進(jìn)行。

⑹ 囊芯比

囊芯比控制為(3∶97)～(15∶85)即可。

⑺ 粒度

可按需控制，一般將粒度(D50)控制在1～10 μm。

⑻ 制劑

可用于制備懸浮劑、粒劑或微囊粉。

目前的包封成囊工藝國(guó)際水平已達(dá)到：粒徑0.1～10 μm；囊材占囊重量比<5%；囊體占制備液重量比可達(dá)50%以上；游離率<2%。

2.1.3 硅基材料微囊包封技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

⑴ 針對(duì)提升控釋功能的研究開(kāi)發(fā)

①囊殼表面的結(jié)構(gòu)修飾[9]

按需選擇合適的金屬無(wú)機(jī)鹽進(jìn)行表面處理，調(diào)節(jié)囊材的孔隙率、滲透功能和釋放速率。

②開(kāi)發(fā)有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化壁

篩選生物高分子材料開(kāi)展有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化壁的開(kāi)發(fā)，用以提升外殼的彈性和柔軟度，減弱囊殼孔隙對(duì)有機(jī)非極性物質(zhì)的阻塞效應(yīng)，優(yōu)化藥物的釋放通道。

⑵ 低成本凝膠微囊的開(kāi)發(fā)

選用廉價(jià)的水玻璃和硅酸等為前驅(qū)物，通過(guò)sol-gel反應(yīng)來(lái)研制二氧化硅凝膠微囊。

⑶ 分子模板技術(shù)的應(yīng)用研發(fā)

跟蹤分子印跡溶膠-凝膠材料的研發(fā)進(jìn)展，開(kāi)展將分子模板技術(shù)移植到二氧化硅凝膠囊材中的制備研究。有許多適合農(nóng)藥控制釋放乃至智能釋放的新材料，不能用作囊材。因?yàn)椴豢赡苡媒缑婧铣蓙?lái)制備，這是農(nóng)藥微囊劑技術(shù)的最大痛點(diǎn)。使用分子模板技術(shù)后，可以先另外合成，制得模板分子加入到溶膠-凝膠的前驅(qū)物(或溶膠)中，通過(guò)sol-gel過(guò)程使模板分子包埋于凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。這將是農(nóng)藥微囊制劑技術(shù)劃時(shí)代的突破。

2.2 化學(xué)改性的天然高分子材料

明膠、阿拉伯膠、海藻類等生物材料直接用于制備微囊懸浮劑后，產(chǎn)品的儲(chǔ)存穩(wěn)定性難以達(dá)標(biāo)。可以將囊體濾出干燥后制得固體制劑，故僅只能作為特殊用途藥物。

針對(duì)這些缺陷，將某些生物材料經(jīng)化學(xué)結(jié)構(gòu)改造，使之具有符合要求囊壁性能，是農(nóng)藥微囊劑非塑囊材開(kāi)發(fā)的又一領(lǐng)域。例如，以天然淀粉為囊壁材料，使用凝聚法成囊后，再用含烯鍵的單體直接進(jìn)行淀粉接枝共聚(如醋酸乙烯等)，以此制得了一系列菊酯類殺蟲(chóng)劑的CS。這些產(chǎn)品在田間能迅速釋放，具有優(yōu)異的藥效。此類研發(fā)成果甚多，其中不少有望很快產(chǎn)業(yè)化。

生物高分子材料多質(zhì)軟、親水、強(qiáng)度低，做囊材后藥物易逸出，這正是某些合成材料囊壁所缺乏的。把它們做成復(fù)合材料，開(kāi)展天然/合成雜化囊壁的開(kāi)發(fā)，這方面的研究近年來(lái)也很熱門(mén)。已開(kāi)展了對(duì)上文所述的硅基材料、聚脲等都相關(guān)的雜化囊壁研究。

用環(huán)糊精、硅鋁酸鹽等天然材料作吸附載體來(lái)制備微囊制劑，其技術(shù)障礙較少，已最先獲得了產(chǎn)業(yè)化，包覆對(duì)象主要為信息素、植物刺激素、植物精油、特種保鮮劑等(如1-甲基環(huán)丙稀)，用于超長(zhǎng)效緩釋。

2.3 酵母菌細(xì)胞壁作囊殼的微囊劑開(kāi)發(fā)

2.3.1 酵母菌細(xì)胞的微囊結(jié)構(gòu)

2.3.1.1 選用酵母菌細(xì)胞做囊材的理由

人類設(shè)計(jì)制造的囊芯結(jié)構(gòu)的微囊，大自然原來(lái)就有。許多細(xì)菌的細(xì)胞就是天然的微囊(圖7)。于是從20世紀(jì)70年代起便有了利用細(xì)胞殼做微囊的研究和開(kāi)發(fā)。

圖7 顯微鏡下的釀酒酵母

篩選的菌種是真菌類的酵母菌，尤以釀酒酵母菌最宜，啤酒酵母菌更佳。因?yàn)樗鼈兣c微米級(jí)的微囊多處相近(圖7)：⑴ 存在狀態(tài)相似，都是自然分散的單細(xì)胞。⑵ 大小相似，直徑都為幾微米-數(shù)十微米。用于糧食釀酒酵母菌細(xì)胞直徑約2～6 μm，長(zhǎng)徑比≤2。⑶ 外表形狀相似，多為圓形、卵圓形或卵形。⑷ 殼體結(jié)構(gòu)相似，以細(xì)胞壁構(gòu)成囊芯結(jié)構(gòu)。

人類使用和食用釀酒酵母菌已數(shù)千年，釀酒酵母菌是目前產(chǎn)業(yè)化批量最大的益生菌品種之一，來(lái)源易得。

2.3.1.2 酵母菌細(xì)胞的囊壁結(jié)構(gòu)

⑴ 酵母菌細(xì)胞

酵母菌細(xì)胞(圖8)與高級(jí)生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)相似，但不具備向細(xì)胞外輸送營(yíng)養(yǎng)成分的功能。它屬真核生物，具有細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核、液泡等。

圖8 酵母菌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)

⑵ 酵母菌細(xì)胞壁、膜

細(xì)胞壁是細(xì)胞的外圍的殼體，有很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度，有彈性，有孔隙，呈“復(fù)合板”結(jié)構(gòu)，由表及里分別為外纖維層、外甘露蛋白層、β-葡聚糖層、β-葡聚糖-甲殼素層、內(nèi)甘露蛋白層(圖9)。壁的內(nèi)側(cè)緊貼著一層極薄的膜(細(xì)胞膜)，由幾丁質(zhì)、纖維素等多糖類組成，性柔軟，有彈性，具有半滲透膜功能。細(xì)胞膜與胞內(nèi)的細(xì)胞質(zhì)相連。

圖9 酵母菌細(xì)胞壁橫向截面示意圖

⑶ 優(yōu)秀的微囊殼材料

酵母菌細(xì)胞壁、膜緊貼在一起用作微囊殼材料，有許多得天獨(dú)厚的功能，主要是：①殼體強(qiáng)度合適，耐水、耐溫，有利于未來(lái)制劑；②囊壁有彈性、有空隙，可釋放藥物；③具有半滲透功能的細(xì)胞膜可控制藥物的進(jìn)出；④可吸入、釋放的物質(zhì)范圍廣(等同酵母菌活體的范圍，可進(jìn)出的有機(jī)無(wú)機(jī)物質(zhì)數(shù)千種)；⑤水溶液、疏水和親水的溶液都能包囊，優(yōu)于常規(guī)的CS；⑥殼外表面為纖維層，帶有負(fù)電性，內(nèi)層聚糖和蛋白質(zhì)等的結(jié)構(gòu)清楚，這些都為今后包封、修飾和壁膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)改造提供有利條件。

2.3.2 酵母菌細(xì)胞微囊的制備

酵母菌細(xì)胞微囊的制備沒(méi)有傳統(tǒng)技術(shù)，數(shù)十年來(lái)通過(guò)幾代研究者們探索，已取得了多方面的成果。筆者僅對(duì)其中適合產(chǎn)業(yè)化工藝的共性部分的操作技術(shù)作了初步整理，對(duì)酵母菌細(xì)胞微囊的制備簡(jiǎn)要?dú)w納了一個(gè)操作流程，供參考。

⑴ 清洗和制備酵母菌細(xì)胞懸浮液

⑵ 細(xì)胞的預(yù)處理

預(yù)處理是為了清除需要去除的細(xì)胞內(nèi)容物。目前預(yù)處理操作是整套技術(shù)的關(guān)鍵和重點(diǎn)。操作要點(diǎn)是以不損壞囊壁和囊膜為前提。已經(jīng)創(chuàng)建的方法主要有①堿處理：1%～20%的氫氧化鈉溶液，40～60 ℃，處理24 h以上。②酶處理：又稱自溶法。利用酵母菌細(xì)胞本身含有的蛋白酶系、核酸酶系、碳水化合物水解酶系等，使細(xì)胞內(nèi)容物自溶。同時(shí)加入自溶促進(jìn)劑(由表面活性劑和某些化學(xué)品組合)控制溫度40～60 ℃，24～48 h。③酸處理：如用0.5%～10%的鹽酸溶液處理20～40 h。④溶劑法：用配置好的組合溶劑將細(xì)胞內(nèi)容物溶出后再清洗。⑤混合法：同時(shí)使用上述2種以上的方法，如堿處理+自溶法。⑥外源酶法：該法是在完成預(yù)處理后，按需引入外源酶，對(duì)細(xì)胞壁等囊材的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行裁剪，進(jìn)行2次處理。例如引入葡聚糖酶系處理，可使細(xì)胞壁中的這一成分減少。要注意此操作之前需將細(xì)胞的內(nèi)源酶通過(guò)高溫(85 ℃)處理滅活。

許多研究結(jié)果表明：預(yù)處理后的細(xì)胞內(nèi)保留有10%以上的脂質(zhì)將有利于包封更多的疏水性活性物。

⑶ 制備農(nóng)藥疏(或親)水性液體

按活性物特性配置相應(yīng)的有機(jī)溶液、乳化液、水溶液、可溶液等。

⑷ 包封制微囊

將預(yù)處理好的細(xì)胞壁囊材置于上述⑶的藥液中，在加熱攪拌下，藥液進(jìn)入囊內(nèi)。另根據(jù)需要可添加高分子生物材料對(duì)囊體外表涂層。

目前的包封率一般在10%～20%左右，個(gè)別脂溶性囊芯物如植物精油、油脂等高于此值。已試制的農(nóng)藥主要有檸檬烯、子香酚、香葉醇、百里香酚等植物源藥物，化學(xué)農(nóng)藥有阿維菌素類、擬除蟲(chóng)菊酯類、毒死蜱等。

⑸ 干燥

包封完成后，濾出囊體進(jìn)行干燥。

⑹ 制劑

主要用于制備微囊粉劑，也有研究者試制過(guò)懸浮劑。

2.3.3 酵母菌細(xì)胞微囊包封技術(shù)發(fā)展動(dòng)向

酵母菌細(xì)胞微囊包封是一門(mén)正在開(kāi)發(fā)中的新技術(shù)，縱觀從1977年起至今的技術(shù)發(fā)展歷程可比喻為一篇不斷前進(jìn)的三部曲：⑴ 菌種的選用，從培植專用菌種起步，到使用已產(chǎn)業(yè)化的菌種，21世紀(jì)以來(lái)已發(fā)展到利用啤酒廢酵母菌細(xì)胞制作微囊。⑵ 包封的囊芯物，從研制復(fù)寫(xiě)紙酵母微囊開(kāi)始，到開(kāi)發(fā)投產(chǎn)油脂和眾多的食品酵母微囊，21世紀(jì)以來(lái)已發(fā)展到包封藥品和農(nóng)藥的研發(fā)。

隨著農(nóng)藥和醫(yī)藥微囊等開(kāi)發(fā)，可以預(yù)判這門(mén)技術(shù)將會(huì)在新領(lǐng)域譜寫(xiě)出新篇的發(fā)展三部曲：⑴ 囊材的研究，將會(huì)從現(xiàn)在的細(xì)胞預(yù)處理發(fā)展到對(duì)包封機(jī)理和條件優(yōu)化的研究，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出更高包封率，更多農(nóng)藥品種的微囊。⑵ 藥物釋放的研究，將會(huì)從現(xiàn)在依靠細(xì)胞壁、膜的自然結(jié)構(gòu)釋放藥物發(fā)展到對(duì)囊壁表面的孔隙大小的修改，進(jìn)而對(duì)細(xì)胞壁、膜材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，以符合藥物釋放的需要。例如對(duì)細(xì)胞壁表面的纖維層使用物理或化學(xué)方法接枝或涂層，用外源酶法對(duì)細(xì)胞壁、膜化學(xué)結(jié)構(gòu)的修改等，將會(huì)得到應(yīng)用。

上述發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)已初見(jiàn)端倪：⑴ 近年來(lái)的研究已發(fā)現(xiàn)對(duì)活性物包封的溶液配置適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┙M合，可顯著提高包封率；⑵ 使用酵母菌細(xì)胞包封納米顆粒藥物實(shí)現(xiàn)受體靶向傳遞的技術(shù)已在美國(guó)的一所大學(xué)研發(fā)成功；⑶ 國(guó)內(nèi)的研究成果：以常見(jiàn)的酸、堿、鹽、有機(jī)溶劑和表面活性劑對(duì)酵母菌細(xì)胞進(jìn)行化學(xué)處理，不僅能使酵母菌細(xì)胞內(nèi)部空化，而且能部分降解酵母菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，從而有效增大酵母菌細(xì)胞孔徑，能用于生物大分子的包封，生物大分子的包埋度可以達(dá)10.09%；⑷ 2020年初，一家超大型農(nóng)藥跨國(guó)公司與英國(guó)的一家生物技術(shù)公司協(xié)議合作。后者擁有的酵母微囊制備技術(shù)已上市2款產(chǎn)品：①活性成分：子香酚+香葉醇+百里香酚，用于防治葡萄灰霉病；②活性成分：基于萜烯的創(chuàng)新型生物殺線蟲(chóng)劑。該公司的包封技術(shù)水平：可負(fù)載高達(dá)200%(w/w)的活性成分(相當(dāng)于包封率60%以上)[10]。

3 討論和展望

⑴ 微囊非塑包封技術(shù)是大自然賜給農(nóng)藥制劑發(fā)展的新領(lǐng)域。除本文所述及的技術(shù)外，還有許多新材料、新技術(shù)(如β-環(huán)糊精、甲殼素、海藻酸鹽等)等待開(kāi)發(fā)。它是農(nóng)藥微囊劑未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向，前景廣闊。

⑵ 微囊非塑包封是一類正在開(kāi)發(fā)中的新技術(shù)。在過(guò)去幾十年的研究中，專門(mén)針對(duì)農(nóng)藥的研發(fā)不多。其中硅基材料、生物材料和酵母菌細(xì)胞等的微囊包封技術(shù)盡管已走在前列，但產(chǎn)業(yè)化技術(shù)還尚未完全成熟。目前僅在少數(shù)農(nóng)藥微囊中應(yīng)用且只能提供緩釋功能。要把微囊非塑包封的功能提升到控制釋放，將有許多技術(shù)難題要攻關(guān)。預(yù)計(jì)非塑包封技術(shù)的推廣是個(gè)逐步發(fā)展、速度加快的過(guò)程。這就給制劑企業(yè)帶來(lái)了提前進(jìn)入的商機(jī)。

⑶ 農(nóng)藥微囊現(xiàn)在所用的囊材是聚脲、聚胺酯、氨基樹(shù)酯等，不使用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等塑料，而后者是構(gòu)成當(dāng)前垃圾危害的主要品種。盡管到目前為止，這些微塑料進(jìn)入食物鏈究竟能產(chǎn)生多少危害并無(wú)證據(jù)，但其中增塑劑的危害是社會(huì)公認(rèn)的。然而農(nóng)藥微囊劑并不使用增塑劑。預(yù)計(jì)此類問(wèn)題將會(huì)在農(nóng)藥界、學(xué)術(shù)界等引起討論。農(nóng)藥制劑企業(yè)應(yīng)積極宣傳上述真相，以免微囊劑這一優(yōu)秀的農(nóng)藥劑型受到影響。

⑷ 目前世界各國(guó)出臺(tái)的各種“限塑令”大多針對(duì)已成公害的塑料垃圾的構(gòu)成，立足于限制使用塑料包裝、一次性塑料用品和減少塑料廢棄物等方面。而歐盟的擬禁塑令以禁限微塑料為立足點(diǎn)，這種逆向推理的結(jié)果在客觀上建立了一條多米諾骨牌，將會(huì)連鎖地、大范圍波及到有機(jī)高分子材料領(lǐng)域的多條產(chǎn)業(yè)鏈。有機(jī)高分子產(chǎn)品的品種規(guī)格數(shù)以萬(wàn)計(jì)，它們分別轉(zhuǎn)化成微塑料的過(guò)程和各自的危害究竟有哪些？全球目前的研究尚未取得清晰的結(jié)論，更無(wú)定性和定量的結(jié)果。在這樣的情況下，如果不加區(qū)別而籠統(tǒng)地設(shè)定一個(gè)尺寸概念并附上一個(gè)單詞：microplastic(微塑)來(lái)做靶標(biāo)，然后再以此擬訂禁限令，必然會(huì)引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)更大的微塑料源，例如車輛的輪胎、鋪設(shè)道路的瀝青、建筑物和構(gòu)置物的外墻(表面)涂料、各種人造草坪及體育場(chǎng)等。可是要限制這些難度極大，一是高額的替代成本難以承受，二是還沒(méi)有找到更多的替代品。

⑸ 2020年1月16日我國(guó)國(guó)家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見(jiàn)》，文件明確了我國(guó)當(dāng)前禁限的范圍：①禁止生產(chǎn)、銷售的塑料制品包括：厚度小于0.025 mm的超薄塑料購(gòu)物袋和厚度小于0.01 mm的聚乙烯農(nóng)用地膜；禁止以醫(yī)療廢物為原料制造塑料制品；全面禁止廢塑料進(jìn)口；一次性發(fā)泡塑料餐具、一次性塑料棉簽；含塑料微珠的日化產(chǎn)品。②禁止、限制使用的塑料制品，包括：不可降解塑料袋；一次性塑料餐具；賓館、酒店一次性塑料用品；快遞塑料包裝。

文件提出分3步走，按照“禁限一批、替代循環(huán)一批、規(guī)范一批”的思路，分2020年、2022年、2025年3個(gè)時(shí)間段，明確加強(qiáng)塑料污染治理分階段的任務(wù)目標(biāo)。

隨著時(shí)代的發(fā)展，未來(lái)對(duì)塑料禁限的范圍和力度必然會(huì)越來(lái)越大。面臨限塑、減塑大趨勢(shì)，農(nóng)藥制劑企業(yè)要高瞻遠(yuǎn)矚，審時(shí)度勢(shì)，要看到今后的一段有限時(shí)期是抓緊開(kāi)展對(duì)非塑包封技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略機(jī)遇期。既要抓緊對(duì)微囊劑現(xiàn)有技術(shù)的提升，又要搶先占據(jù)未來(lái)。當(dāng)塑料禁限的沖擊波真正迎面撲來(lái)的時(shí)候，迎接勝利的必然屬于先知先覺(jué)的人們。