劉南南 王桂清
摘要:為明確細(xì)辛精油乳油制劑中有機(jī)溶劑、乳化劑的理想種類和乳油的最佳配方及配制技術(shù),以細(xì)辛精油為原料,通過溶解度試驗(yàn)、親水親油值(HLB)測定、穩(wěn)定性試驗(yàn)和生物活性測定法,證明N-甲基吡咯烷酮和植物油乳化劑是細(xì)辛精油的理想有機(jī)溶劑和乳化劑,細(xì)辛精油乳油的配方為以1 000 mL計,其中,細(xì)辛精油250 mL,N-甲基吡咯烷酮675 mL,植物油乳化劑75 mL,制備特征是先將植物油乳化劑與N-甲基吡咯烷酮按比例混合均勻,再加入細(xì)辛精油。該細(xì)辛精油乳油的研制成功,填補(bǔ)了國內(nèi)尚無植物精油乳油制劑的空白,將滿足人們對綠色蔬菜和有機(jī)蔬菜的需求。
關(guān)鍵詞:細(xì)辛精油;N-甲基吡咯烷酮;植物油乳化劑;乳油;植物源農(nóng)藥
中圖分類號:S482.3+9 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A ?文章編號:1002-1302(2019)13-0114-05
生物防治技術(shù)與產(chǎn)品已成為全球新型產(chǎn)業(yè)之一,具有廣闊前景。截至2016年底,我國生物農(nóng)藥有效成分登記超過90種,登記產(chǎn)品約3 000個,生物防治技術(shù)及產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)有害生物防控中份額已超過15%。遼細(xì)辛[北細(xì)辛,Asarum heterotropoides F. Schmidt var. mandshuricum(Maxim)Kitag.]為馬兜鈴科(Aristolochiaceae)細(xì)辛屬(Asarum Linn.)植物,是我國重要的中草藥,精油是其主要的活性成分。細(xì)辛精油具有很高的生物活性,殺蟲抑菌譜廣泛,作用方式多樣,靶標(biāo)位點(diǎn)豐富,具備研制開發(fā)成新型植物源農(nóng)藥的潛質(zhì)[1-9]。本研究以細(xì)辛精油為材料,探討其乳油制劑的配制方法,優(yōu)化其配方,為將其推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
1 材料與方法
1.1 菌種與試劑
1.1.1 菌種與培養(yǎng) 黃瓜灰霉病菌(Botrytis cinerea)由聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)院植物病理實(shí)驗(yàn)室提供,該真菌經(jīng)馬鈴薯葡萄糖瓊脂(PDA)平板培養(yǎng)基、(25±1) ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5 d,備用。
1.1.2 試劑及配制 原藥:遼細(xì)辛精油,超臨界CO2法提取。 ?有機(jī)溶劑:二甲基亞砜,天津匯英化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn),含量≥99.00%;乙酸乙酯,萊陽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠生產(chǎn),含量≥99.50%;無水乙醇,天津市登科化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn),含量≥99.70%;石油醚,天津市登科化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn),含量≥94.78%;N-甲基吡咯烷酮,天津市大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn),含量≥99.00%;以上溶劑均為分析純。
乳化劑:植物油乳化劑(EL),聊城大學(xué)實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn);乳化劑601,宜興市雙利化工有限公司生產(chǎn);乳化劑602,杭州市電化集團(tuán)助劑化工有限公司生產(chǎn);吐溫-80,鄭州化工試劑廠生產(chǎn),含量≥97.00%;By-140,南京太化化工有限公司生產(chǎn)。
以上試劑無菌水配制終濃度為62.5、125.0、250.0、500.0、1 000.0 mg/L。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 抑菌試驗(yàn) 采用生長速率法[10]測定乳化劑、有機(jī)溶劑、混劑、乳油等對黃瓜灰霉病菌的抑制作用。制含藥培養(yǎng)基,菌餅直徑0.5 cm,每皿1塊,3次重復(fù),(25±1) ℃光照培養(yǎng)。待對照菌落直徑達(dá)3 cm以上時,用十字交叉法測量菌落直徑,計算抑制生長率。
菌絲生長抑制率=(對照菌落生長直徑-處理菌落生長直徑)/對照菌落生長直徑×100%。
1.2.2 溶解度測定 根據(jù)2010版藥典[11]測定細(xì)辛精油在5種有機(jī)溶劑中的溶解度。若10 mL溶劑不能使1 mL細(xì)辛精油完全溶解,則該溶劑不適合配制乳油制劑,棄去。如果在某一溶劑中完全溶解時,則將其混合液放入0 ℃冰箱觀察分層和沉淀產(chǎn)生情況。根據(jù)下式計算溶解度,根據(jù)溶解度大小,篩選出合適的單一溶劑。
溶解度=精油的體積(mL)/所用溶劑的體積 (mL)×100%。
1.2.3 分散性測定 參考吳學(xué)民等的方法[12]測定“1.1.2”節(jié)5種單一乳化劑的分散性,以及N-甲基吡咯烷酮與植物油乳化劑按不同比例(79 ∶ 1、39 ∶ 1、19 ∶ 1、9 ∶ 1、4 ∶ 1、1 ∶ 1)進(jìn)行復(fù)配后混合物的分散性。
1.2.4 乳油配方篩選 根據(jù)有機(jī)溶劑和乳化劑的合適配比,將其與細(xì)辛精油按比例配制成乳油配方,進(jìn)行抑菌試驗(yàn),選出增效最強(qiáng)的配制比例。
1.2.5 穩(wěn)定性測定 標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性測定:參照GB/T 1603—2001《農(nóng)藥乳液穩(wěn)定性測定方法》,將配好的0.5 mL乳油逐滴加入盛有100 mL 342 g/L標(biāo)準(zhǔn)硬水的具塞量筒中,上下顛倒30次后將量筒放到(30±2) ℃的水浴鍋中,靜止1 h后無浮油、浮膏和沉淀為合格。
低溫穩(wěn)定性測定:參照GB/T 19137—2003《農(nóng)藥低溫穩(wěn)定性測定方法》,取80 mL配好的乳油置于100 mL燒杯中,0 ℃ 保持1 h,觀察有無固體或油狀物析出變化。繼續(xù)在(0±2) ℃的冰水浴中放置7 d,800 r/min離心15 min,計算沉淀物體積。
熱貯穩(wěn)定性測定:參照GB/T 19136—2003《農(nóng)藥熱貯穩(wěn)定性測定方法》,將配好的乳油10 g密封于具塞試管中,3次重復(fù),冷卻至室溫稱質(zhì)量。將封好的樣品放到(54±2) ℃恒溫箱中放置14 d。取出,將外面擦凈后稱質(zhì)量,質(zhì)量未發(fā)生變化的試樣,于24 h內(nèi)測定含量。以熱貯前測定的含量作為對照計算分解率,熱貯分解率≤5%為合格。
熱貯分解率=[(熱貯前含量-熱貯后含量)/熱貯前含量]×100%。
1.2.6 藥效對比試驗(yàn) 供試試劑:細(xì)辛精油EC(乳油),4種農(nóng)藥(2.0×109億孢子/g蠟質(zhì)芽孢桿菌WP(可濕性粉劑)、0.3%苦參堿水劑、50%福美雙WP、10.3%霜霉立克EC(10%的霜氰唑和0.3%的丁子香酚)等。
供試靶標(biāo):黃瓜灰霉病菌。
試驗(yàn)方法:生長速率法,同“1.2.1”節(jié)。
1.3 數(shù)據(jù)處理
試驗(yàn)數(shù)據(jù)線性回歸由SPSS 13.0完成;差異顯著性分析依據(jù)Duncans新復(fù)極差法,由DPSv13.0專業(yè)版完成。并利用Wadley法[13]計算復(fù)配組合增效系數(shù)(SR),評價試劑復(fù)配增效影響因子。
2 結(jié)果與分析
2.1 有機(jī)溶劑的篩選
2.1.1 有機(jī)溶劑的溶解度測定 在實(shí)驗(yàn)室測定了二甲基亞砜、石油醚、乙酸乙酯、無水乙醇、N-甲基吡咯烷酮等有機(jī)溶劑對細(xì)辛精油的溶解度,結(jié)果表明,二甲基亞砜和無水乙醇與細(xì)辛精油任意比互溶,且放置后無分層;乙酸乙酯和N-甲基吡咯烷酮與細(xì)辛精油1 ∶ 1溶解,溶解度為100%;而細(xì)辛精油在石油醚中難溶,搖動試管也不能完全溶解,放置一段時間后,出現(xiàn)明顯分層。
2.1.2 有機(jī)溶劑對黃瓜灰霉病菌的抑菌作用 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),采用生長速率法測定了5種有機(jī)溶劑對黃瓜灰霉病菌的抑制作用,結(jié)果見表1。
從表1可以看出,N-甲基吡咯烷酮的抑制中濃度EC50較低,為292.09 mg/L,而其他4種有機(jī)溶劑的EC50均超過了550 mg/L,說明N-甲基吡咯烷酮的抑制效果較好,即N-甲基吡咯烷酮是較理想的有機(jī)溶劑。
2.2 乳化劑的篩選
2.2.1 乳化劑分散性的測定 植物油乳化劑、吐溫-80、乳化劑601、乳化劑602、By-140等5種乳化劑以及N-甲基吡咯烷酮與植物油乳化劑混合試劑的分散性,結(jié)果見圖1。
從試驗(yàn)觀察過程和圖1可以得出,單一乳化劑的分散性不同,5種供試乳化劑的分散性依次為植物油乳化劑>乳化劑601=乳化劑602>吐溫-80=By-140。植物油乳化劑逐滴加入即可分散溶解,乳化成乳白色液體,繼續(xù)觀察,溶液呈淡藍(lán)色熒光,分散性最好;乳化劑601和乳化劑602逐滴加入自動分散溶解,輕輕搖晃可呈霧狀散開,掛壁均勻,溶液透明,分散性較好;吐溫-80和By-140逐滴加入不會立刻分散溶解,輕輕搖動一段時間后分散溶解,溶液透明。分散性與乳化劑的親水親油(HLB)值有關(guān),植物油乳化劑的HLB值為7~8,吐溫-80的為15,By-140為10~16,乳化劑601和乳化劑602為 12~16。相比較而言,植物油乳化劑的HLB值最小,說明植物油乳化劑的親油性較強(qiáng),形成穩(wěn)定的乳狀分散,所以分散性最好,而另外4種乳化劑的HLB值較大,親水性較好,形成透明溶液,所以分散性沒有那么好。
N-甲基吡咯烷酮與植物油乳化劑按不同比例混合,逐滴加入水中,呈絲狀分散開,輕輕搖動,溶解分散。且隨著植物油乳化劑所占比例的增加,熒光藍(lán)加強(qiáng),乳化效果加強(qiáng),分散性增強(qiáng)。
2.2.2 乳化劑對黃瓜灰霉病菌的抑菌作用 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),采用生長速率法測定了5種乳化劑對黃瓜灰霉病菌的抑制作用,在供試濃度下,植物油乳化劑、乳化劑601和乳化劑602等對黃瓜灰霉病菌表現(xiàn)出明顯的抑制作用,毒力效果見表2;而吐溫-80表現(xiàn)為促進(jìn)作用,By-140表現(xiàn)為高濃度(≥500 mg/L)促進(jìn)、低濃度(≤250 mg/L)抑制。因此吐溫-80和By-140對黃瓜灰霉病菌的毒力效果沒有計算。
2.3 有機(jī)溶劑和乳化劑的配比試驗(yàn)
N-甲基吡咯烷酮與植物油乳化劑混合對黃瓜灰霉病菌的抑制作用,結(jié)果見表3。
從表3可以看出,N-甲基吡咯烷酮與植物油乳化劑比例為1 ∶ 1、4 ∶ 1、9 ∶ 1時,EC50較低,分別為34.11、68.54、171.22 mg/L,且增效系數(shù)分別為7.218 5、4.084 4和 1.713 2,表現(xiàn)為增效作用;但乳油制劑要求,乳化劑的占比為8%~10%,所以1 ∶ 1、4 ∶ 1這2個配比不適合用于乳油制劑。當(dāng)比例為 19 ∶ 1、39 ∶ 1、79 ∶ 1時,EC50>760 mg/L,增效系數(shù)<0.4,表現(xiàn)出拮抗作用。說明N-甲基吡咯烷酮與植物油乳化劑比例為9 ∶ 1時最為合適。
2.4 細(xì)辛精油乳油的配方篩選
在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),以N-甲基吡咯烷酮為有機(jī)溶劑、以植物油乳化劑為乳化劑配制細(xì)辛精油乳油,采用生長速率法測定細(xì)辛精油含量分別為25.0%和12.5%的乳油對黃瓜灰霉病菌的抑制作用,結(jié)果見表4。
由表4可見,當(dāng)細(xì)辛精油含量為25.0%時的乳油對黃瓜灰霉病菌的抑制效果比較好,EC50均低于750 mg/L,而含12.5%細(xì)辛精油乳油對黃瓜灰霉病菌的抑制效果不理想,EC50高達(dá)3 409.66 mg/L,說明細(xì)辛精油含量為25.0%的乳油比較理想。比較細(xì)辛系數(shù),當(dāng)N-甲基吡咯烷酮與植物油乳化劑比例為9 ∶ 1時,表現(xiàn)為相加作用,說明含25.0%細(xì)辛精油的N-甲基吡咯烷酮與植物油乳化劑比例為9 ∶ 1的乳油配比為最優(yōu)。
2.5 乳油穩(wěn)定性測定
2.5.1 標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性測定 在實(shí)驗(yàn)室用恒溫水浴鍋在30 ℃下在硬水(CaCl、MgCl)中對所選理想乳油進(jìn)行1 h的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性測定,觀察結(jié)果為無浮油、浮膏和沉淀,乳油合格。說明CaCl與MgCl在水中的各種離子鍵(Ca2+、Mg2+、Cl-1)對乳化的各種分子鍵沒有破壞作用。
2.5.2 低溫穩(wěn)定性測定 在實(shí)驗(yàn)室0 ℃下對所選理想乳油進(jìn)行低溫穩(wěn)定性測定,結(jié)果觀察沒有任何析出物或沉淀,沒有顏色和狀態(tài)的變化,低溫穩(wěn)定性較好。本來各種單一乳化劑和有機(jī)溶劑以及細(xì)辛精油在低溫為合適的儲存方式,所以乳油在0 ℃低溫下,穩(wěn)定性也會比較好。
2.5.3 高溫穩(wěn)定性測定 在實(shí)驗(yàn)室用恒溫箱54 ℃進(jìn)行14 d的高溫穩(wěn)定性測定,熱貯前含量為6.336 1 g,熱貯后含量為6.024 8 g,熱貯分解率為4.913 1%,但能觀察到少許黑色沉淀物,說明經(jīng)過高溫穩(wěn)定性測定,乳油發(fā)生變化,但質(zhì)量變化不大,熱貯分解率≤5%,即高溫穩(wěn)定性較好。
2.5.4 穩(wěn)定性測定后的抑制作用 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),采用生長速率法測定穩(wěn)定性處理后乳油對黃瓜灰霉病菌的抑制作用,結(jié)果見表5。0 ℃貯藏后,EC50為298.89 mg/L,是處理前乳油EC50為238.82 mg/L的1.25倍,即低溫貯藏后,細(xì)辛精油乳油的藥效略有下降;54 ℃貯藏,EC50僅為4.58 mg/L,約為處理前的1/50,表明所配制的乳油高溫貯藏后藥效提高。
2.6 藥效對比試驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)室采用生長速率法比較篩選出的理想細(xì)辛精油乳油與較廣泛使用的殺菌劑(苦參堿、蠟質(zhì)芽孢桿菌、霜霉立克和福美雙)對黃瓜灰霉病菌的抑制作用,結(jié)果見表6。4種已經(jīng)推廣使用殺菌劑的EC50均低于220 mg/L,即對黃瓜灰霉病菌的抑制效果都比較理想。所配制的細(xì)辛精油乳油的EC50為238.82 mg/L與福美雙EC50為219.72 mg/L的抑制效果相當(dāng),說明細(xì)辛精油乳油可以推廣應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
3 結(jié)論與討論
植物源農(nóng)藥來源于自然,殺菌譜廣,毒性小,不易產(chǎn)生藥害,對人畜健康危害小,并且有助于提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。細(xì)辛精油抑菌譜較廣,具有開發(fā)成植物源農(nóng)藥的價值。本研究以細(xì)辛精油為原料,通過溶解度、分散性、配比和穩(wěn)定性試驗(yàn)等優(yōu)化了其乳油配方:N-甲基吡咯烷酮、植物油乳化劑為最佳的有機(jī)溶劑和乳化劑,二者的最佳混合比為9 ∶ 1;最佳的細(xì)辛精油乳油配方為細(xì)辛精油 ∶ 有機(jī)溶劑 ∶ 乳化劑=10(25.0%) ∶ 27(67.5%) ∶ 3(7.5%)。所配細(xì)辛精油乳油的穩(wěn)定性較好,其對黃瓜灰霉病菌的抑制作用與50%的福美雙WP的抑制效果相當(dāng)。其制備方法特征是,先將植物油乳化劑與N-甲基吡咯烷酮按比例混合均勻,再加入細(xì)辛精油。該乳油的研制成功,填補(bǔ)了國內(nèi)尚無植物精油乳油制劑的空白,將滿足人們對綠色蔬菜和有機(jī)蔬菜的需求,推廣使用必將帶來巨大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。
乳油是農(nóng)藥傳統(tǒng)的、常見的基本劑型之一,相較其他農(nóng)藥劑型而言,乳油具有諸多優(yōu)勢,工藝簡單,藥效高,施用方便,性質(zhì)較穩(wěn)定,便于長期儲存,防治效果較為理想。因而使農(nóng)藥乳油制劑產(chǎn)品在農(nóng)作物的防蟲和除草方面發(fā)揮出了良好的應(yīng)用價值,至今仍舊是我國及大多數(shù)發(fā)展中國家所使用的主要農(nóng)藥劑型之一,占制劑產(chǎn)量的50%[14]。
乳油由原藥、有機(jī)溶劑、乳化劑和其他成分組成,使用時直接加水稀釋。溶劑對原藥起溶解和稀釋作用,要求對原藥溶解度大,與原藥相容性好等。國際上有在農(nóng)藥制劑中禁用甲苯、二甲苯等有機(jī)溶劑的規(guī)定;我國臺灣地區(qū)農(nóng)業(yè)委員會對二甲苯、苯胺、苯、四氯化碳、三氯乙烯等農(nóng)藥產(chǎn)品中使用的38種有機(jī)溶劑進(jìn)行了限量管理;2006年以來,工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委員會等陸續(xù)出臺政策,在適當(dāng)?shù)臅r候除一些只適合制備乳油的農(nóng)藥產(chǎn)品外,停止以苯、甲苯、二甲苯等芳烴類為溶劑的乳油產(chǎn)品生產(chǎn)。本研究選用非限制性的N-甲基吡咯烷酮為配制細(xì)辛精油乳油的較理想有機(jī)溶劑,該溶劑沸點(diǎn)高、極性強(qiáng)、黏度低、溶解能力強(qiáng)、無腐蝕、毒性小、生物降解能力強(qiáng)、揮發(fā)度低、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、熱穩(wěn)定性優(yōu)良,廣泛應(yīng)用于石油化工、藥品、農(nóng)藥等許多方面[15]。乳化劑是乳油配方篩選的關(guān)鍵,使得原本互不相容的油水充分混合乳化并長期穩(wěn)定存在,乳化后的乳液具有極高的穩(wěn)定性[14]。乳油制劑的禁限還與其中必不可少的乳化劑有一定的關(guān)系。烷基酚聚氧乙烯醚類乳化劑由于其生物降解性差,并隨著降解過程,毒性增大,對魚類、無脊椎動物、海藻和微生物具有很高毒性[16]。本研究中作為最佳乳化劑(植物油乳化劑)和有機(jī)溶劑(N-甲基吡咯烷酮)避免了這些問題,研制的理想乳油也克服了傳統(tǒng)乳油存在的問題。
我國是一個農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著十分重要的作用。為了降低農(nóng)藥殘留量,努力開發(fā)新型農(nóng)藥已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。生物農(nóng)藥又稱天然農(nóng)藥,在有機(jī)農(nóng)業(yè)使用的整合害蟲管理系統(tǒng)(IPM)中扮演重要的角色。植物源農(nóng)藥作為綠色農(nóng)藥之一,在未來的植物保護(hù)中肩負(fù)著巨大的歷史使命[17-18]。湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院喻大昭研究員團(tuán)隊從植物代謝產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)制了用于防治植物病害的天然蒽醌類農(nóng)用系列殺菌劑,榮獲第十七屆中國專利獎金獎[19],自2006年獲得發(fā)明專利授權(quán)后,產(chǎn)品累計應(yīng)用面積達(dá)141.07萬hm2,創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益43億元。0.5%丁子香酚可溶液劑250倍液+1.3%苦參堿水劑500倍液果穗套袋前混用浸果對葡萄灰霉病防效達(dá)85%以上[20];LS-1是東北農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)系研制的植物源殺菌劑,對番茄葉霉病、番茄早疫病和黃瓜霜霉病均有良好的防治效果,與甲基托布津和諾毒霉等防效相當(dāng)[21];20%銀泰EC在0~200 μg/mL濃度范圍內(nèi),對早疫病菌的抑菌活性和對照藥劑撲海因基本相當(dāng),對灰霉病菌的抑菌活性強(qiáng)于撲海因[22]。本研究表明,25.0%的細(xì)辛精油乳油對黃瓜灰霉病菌的EC50為238.82 mg/L與福美雙EC50為219.72 mg/L的抑制效果相當(dāng),說明細(xì)辛精油乳油可以推廣應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
近年來,隨著國內(nèi)農(nóng)資市場向外開放,一些歐美企業(yè)將新型的植物源農(nóng)藥帶進(jìn)我國市場,體現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力。Michael等以殼聚糖和植物農(nóng)藥為原料,研制了殼聚糖納米農(nóng)藥制劑CSNS-TPP-PONNEM,該制劑對棉鈴蟲的拒食活性為88.5%,殺蟲活性為90.2%[23]。今后需進(jìn)一步加大細(xì)辛提取物及其他植物源農(nóng)藥新劑型的研究。
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