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      油茶粕茶皂素作為農(nóng)藥助劑和生物農(nóng)藥的研究進(jìn)展*

      2010-05-16 00:44:56沈立榮祝洪剛
      關(guān)鍵詞:小藝皂素菜青蟲

      沈立榮 , 陳 瑩 , 祝洪剛

      (1.浙江大學(xué) 食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)系, 浙江 杭州 310029;2.浙江常發(fā)糧油食品有限公司, 浙江 衢州 324202)

      茶皂素又稱茶皂苷、皂角甙或皂草甙,在山茶科山茶屬的各種植物,如油茶、尖葉山茶的果實(shí)中含量很高。作為一種非離子型表面活性劑,茶皂素具有乳化、分散、濕潤(rùn)、發(fā)泡等性能,非常適合于生產(chǎn)農(nóng)藥產(chǎn)品。作為農(nóng)藥助劑,茶皂素可提高農(nóng)藥的殺蟲、殺菌效果;作為生物農(nóng)藥,茶皂素可直接用于防治某些病蟲害。由于茶皂素很容易降解,不污染環(huán)境,符合目前農(nóng)藥工業(yè)和農(nóng)業(yè)綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展要求,具有良好的應(yīng)用前景。本文綜述了茶皂素作為農(nóng)藥助劑和生物農(nóng)藥在國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究應(yīng)用進(jìn)展。

      1 茶皂素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

      1.1 茶皂素的化學(xué)結(jié)構(gòu)

      茶皂素屬于糖苷類化合物,日本學(xué)者青山新次郎在1931年從茶籽中首先分離得到該化合物,并命名為茶皂甙,即“Theasaponin”。隨后青山新次郎得到了茶皂素粗品,并確定了其實(shí)驗(yàn)式。1952年石館守三和上田陽(yáng)從茶籽中分離獲得熔點(diǎn)為224-225 ℃的茶皂甙結(jié)晶,確定了茶皂甙由皂甙甙元(C57H90O26)與當(dāng)歸酸和糖體(半乳糖、阿拉伯糖、葡萄糖醛酸) 結(jié)合而成,其基本結(jié)構(gòu)屬于三萜類,包括皂甙甙元、糖體及有機(jī)酸三部分(圖1),是一類由親水性的糖體、疏水性的配基和有機(jī)酸形成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的混合物。茶皂素系β-香樹素衍生物,基本骨架為齊墩果烷,屬于五環(huán)三萜類化合物。其糖體部分包括葡萄糖醛酸、阿拉伯糖、木糖和半乳糖。其有機(jī)酸部分包括當(dāng)歸酸(angelie acid)、惕各酸(tiglic acid)和醋酸(acetic acid)。到上世紀(jì)70年代已分離鑒定出7種茶皂素皂甙甙元結(jié)晶。日本學(xué)者迄今已從茶葉、茶籽中已分離鑒定了10幾種皂甙單體[1]。

      圖1 茶皂素的化學(xué)結(jié)構(gòu)

      1.2 茶皂素的理化性質(zhì)

      茶皂素分子量為1 191.28,熔點(diǎn)223-224 ℃,純品為無(wú)色無(wú)味的微細(xì)柱狀結(jié)晶,味苦辛辣,具有很強(qiáng)的起泡力。其結(jié)晶不溶于乙醚、氯仿等有機(jī)溶劑,難溶于冷水、無(wú)水甲醇和無(wú)水乙醇,可稍溶于溫水、二硫化碳和乙酸乙酯,易溶于含水甲醇、乙醇、丁醇、戊醇以及冰醋酸等物質(zhì)。在215毫微米處對(duì)紫外光有最大吸收峰[1]。

      茶皂素是一種非離子型天然表面活性劑。茶皂素的最低表面張力為36達(dá)因/厘米, 臨界股束濃度CMC值為0.05 %,完全可以作為天然表面活性劑加以開發(fā)和利用[2]。茶皂素水溶液的接觸角θ= 41.5°,小于90°,因此它具有良好的潤(rùn)濕性,可作為潤(rùn)濕劑。夏春華等(1990)曾對(duì)茶皂素水溶液表面張力進(jìn)行了測(cè)定,發(fā)現(xiàn)它能有效降低溶液的表面張力。在低濃度很,表面張力隨濃度增加而下降,由76.85達(dá)因/厘米下降至達(dá)46.73達(dá)因/厘米。其中以0.5 %左右表面張力最低,其CMC為0.5 %,水油平衡值HLB為16。用滴重法測(cè)得茶皂素的CMC為4000毫克/升,相當(dāng)于百分比濃度0.4 %。試驗(yàn)證明,茶皂素能顯著降低水在石蠟板上的接觸角,提高液體濕潤(rùn)能力。茶皂素對(duì)固體微粒的分散懸浮作用及對(duì)兩種互不相溶液體的乳化作用均很好。其親水基團(tuán)由強(qiáng)電負(fù)性的含氧基團(tuán)組成,分布在糖類配體、有機(jī)酸配體及與皂貳配基的連接部位。由非極性的碳?xì)洵h(huán)鏈構(gòu)成的配基屬于親油主體[4]。

      2 茶皂素作為農(nóng)藥助劑

      2.1 作為可濕性農(nóng)藥的濕潤(rùn)劑

      由于大多數(shù)農(nóng)藥原藥不溶于水或極難溶于水,通常需將原藥與助劑復(fù)配加工成可濕性粉劑、乳劑等制劑,使原藥懸浮于水中,使農(nóng)藥充分發(fā)揮活性作用。目前農(nóng)藥助劑的種類很多,國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有農(nóng)藥劑型超過(guò)3 000種。常用的助劑材料有表面活性劑、溶劑、增效劑、分散劑、粘著劑和穩(wěn)定劑等。表面活性劑能在液體表面形成單分子層,并顯著降低兩種液體界面表面張力,是除溶劑外用量最大的一類農(nóng)藥助劑[4]。茶皂素是一種非離子型天然表面活性劑,具有良好的乳化性能,能夠顯著降低制劑的表面張力,已作為濕潤(rùn)劑廣泛應(yīng)用于可濕性粉劑農(nóng)藥生產(chǎn)。

      錢琴菊等曾研究了茶皂素在異丙威、乙磷鋁、多效唑等可濕性粉劑中的應(yīng)用效果,發(fā)現(xiàn)茶皂素作為濕潤(rùn)劑可改善可濕性粉劑的濕潤(rùn)性能,提高懸浮率。將10 %葉蟬散分別與1 %-19 %的茶皂素復(fù)配,懸浮率測(cè)定結(jié)果,茶皂素用量的增加與可濕性粉劑懸浮率的提高成正比,懸浮率的幅度為64.3 %-69.04 %,大大超過(guò)了懸浮率52 %的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)踐證明,將茶皂素作為農(nóng)藥濕潤(rùn)劑的突出優(yōu)點(diǎn)是濕潤(rùn)速度快、分散性強(qiáng),pH值為5.5-6.5,不影響農(nóng)藥化學(xué)質(zhì)量,不會(huì)引起農(nóng)藥分解失效,有利于貯存,這些優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)合成表面活性劑所無(wú)法與之相比的[5]。

      2.2 作為農(nóng)藥增效劑與展著劑

      胡紹海等曾利用茶皂素開發(fā)出代號(hào)為148B的助劑,使茶皂素能與各類殺蟲劑復(fù)配成穩(wěn)定的乳油而增效,從而使化學(xué)農(nóng)藥有效成分的用量減少50 %-75 %,為開發(fā)茶皂素資源找到了一條有效的新途徑[6]。按茶皂素與噠螨靈有效成分質(zhì)量比22∶5,配成27 %的乳油,對(duì)桔全爪螨室內(nèi)殺蟲毒力LC50測(cè)定結(jié)果,茶皂素對(duì)噠螨靈有顯著的增效作用,增效18.67倍[9]按茶皂素和尼索朗的有效成分比30.5∶1.5,,加148B助劑殺螨劑乳油,室內(nèi)殺卵試驗(yàn)結(jié)果表明:茶皂素對(duì)尼索朗有顯著的增效作用,增效61.18倍,使尼索朗有效成分用量減少70 %[8]。茶皂素對(duì)20 %滅多威乳油殺滅菜青蟲增效6.33倍,茶皂素對(duì)噠螨靈、尼索朗和滅多威這3種農(nóng)藥乳油的田間殺蟲效果均穩(wěn)定保持在90 %以上。王小藝、黃炳球曾分別測(cè)定了不同濃度的茶皂素、樂(lè)果及茶皂素與樂(lè)果混劑對(duì)菜縊管蚜的毒力。結(jié)果表明,茶皂素本身對(duì)菜縊管蚜的毒力很低,但對(duì)樂(lè)果有極顯著的增效作用。同濃度的樂(lè)果藥液凡是加入了茶皂素的處理蚜蟲死亡率均明顯比未加的單劑高。24小時(shí)測(cè)定樂(lè)果單劑、樂(lè)果+500 mg/ L茶皂素和樂(lè)果+1 000 mg/L茶皂素處理的毒力,結(jié)果它們的LC50分別為40.15、32.87和18.59 mg/L;而48 小時(shí)測(cè)定的LC50則分別為15.33、10.11和7.77 mg/ L[9]。此外,茶皂素對(duì)與魚藤酮和托爾克混用,對(duì)這兩種農(nóng)藥對(duì)柑桔全爪螨均有顯著的增效作用[10];茶皂素與98 %的魚藤酮混用對(duì)蘿卜蚜[11],與90 %殺蟲單混用對(duì)葉蟬、粘蟲也有增效作用[12]。

      盛書祥等將殺菌劑苯霜靈與茶皂素以1∶4混用對(duì)抑制黃瓜灰霉病菌菌絲的生長(zhǎng)有一定的增效作用[13]。余淑英等將殺蟲單與茶皂素3∶1混配對(duì)葉蟬、粘蟲均表現(xiàn)顯著增效。馬拉硫磷與茶皂素以4∶1混配對(duì)葉蟬、蚜蟲表現(xiàn)為增效;而對(duì)紅蜘蛛的聯(lián)合毒力表現(xiàn)為相加作用[14]。吳耀軍等將25 %茶皂素水乳劑與4.5 %高效氯氰菊酯乳油復(fù)配,測(cè)定了對(duì)蘿卜蚜殺蟲的效果。結(jié)果當(dāng)兩者的比例為5∶1時(shí)增效作用最為顯著,茶皂素達(dá)到與高效氯氰菊酯乳油相同的防治效果,降低了高效氯氰菊酯的用量,大大降低了農(nóng)藥使用成本[15]。李耀明等在微生物農(nóng)藥蘇云金桿菌Bt 藥液中加入1 000 mg/L的茶皂素用于防治小菜蛾,結(jié)果茶皂素具有顯著的增效作用,施藥3天以后,Bt 3000倍加茶皂素處理的防治效果與Bt 單劑1 000倍無(wú)顯著差異[18]。

      王小藝、黃炳球?qū)υ硭禺a(chǎn)生增效作用的機(jī)理作了初步研究,他們先測(cè)定了茶皂素的臨界膠束濃度(Critical Micellar Concent ration,CMC) 以及茶皂素對(duì)草甘膦、殺蟲雙、樂(lè)果和托爾克等不同劑型農(nóng)藥水溶液表面張力的影響。結(jié)果表明,茶皂素可顯著降低水及這幾種農(nóng)藥水溶液的表面張力,其CMC在4 000 mg/L左右; 對(duì)水的表面張力降低最高可達(dá)33.85 %[17]。然后測(cè)定了茶皂素對(duì)草甘膦、殺蟲雙、樂(lè)果、托爾克、Bt 和氰戊菊酯等6 種農(nóng)藥分別在馬唐、水稻、小白菜、柑桔、芥藍(lán)等5種植物和小菜蛾、菜青蟲等2種害蟲的體表接觸角的影響。結(jié)果表明,茶皂素對(duì)這幾種農(nóng)藥水溶液液滴在植物和害蟲的體表接觸角均有不同程度的降低,特別是對(duì)Bt 在芥藍(lán)葉背、草甘膦在馬唐葉正面、氰戊菊酯在菜青蟲體表等處理, 其單劑接觸角在106°以上,加入濃度為1 000-4 000mg/L 的茶皂素后均下降到78°以下,從而提高了藥液在靶標(biāo)體表的濕展力和附著力[18]。最后測(cè)定了茶皂素對(duì)草甘膦、殺蟲雙、樂(lè)果、托爾克和Bt等5種農(nóng)藥分別在馬唐、水稻、小白菜、柑桔、芥藍(lán)葉片上的沉積量的影響。結(jié)果表明, 加入茶皂素后,可顯著提高殺蟲雙在水稻葉片和草甘膦在馬唐葉片表面的沉積量,提高率分別為72.7 %-90.9 %和32.1 %-98.2 %,從而減少了農(nóng)藥的損失,提高了藥效[19]。也有學(xué)者提出,茶皂素作為生物堿,有利于提高藥劑在生物表皮的穿透性,對(duì)因體壁不透性增強(qiáng)而具有較強(qiáng)抗性的害蟲的治理有重要作用[14]。

      3 茶皂素作為殺蟲劑

      黃繼軫和孫華志曾測(cè)定了茶皂素對(duì)菜青蟲的毒殺效果,發(fā)現(xiàn)茶皂素對(duì)菜青蟲有十分明顯的忌避作用[20]。據(jù)陳樹仁等報(bào)道,茶皂素對(duì)菜青蟲低齡幼蟲殺傷效果較好[21, 22]。25 %茶皂素TS2D水劑500倍液的室內(nèi)校正防效為83.9 %,田間校正防效為74 %。茶皂素TS2D水劑的作用方式以觸殺作用最強(qiáng),其次為胃毒作用[23]。據(jù)王小藝、黃炳球報(bào)道,茶皂素還有一定的胃毒作用,取食較低濃度茶皂素可使菜青蟲提早化蛹,高濃度茶皂素可使菜青蟲產(chǎn)生興奮。茶皂素單用的主要活性為拒食作用,當(dāng)茶皂素濃度高于800 mg/L時(shí),對(duì)菜青蟲和斜紋夜蛾幼蟲均有拒食作用,并抑制昆蟲生長(zhǎng)發(fā)育[24]。茶皂素對(duì)家蠅3齡幼蟲的致死中濃度LC50為12.77 mg/L,表現(xiàn)為很高的活性,對(duì)其化蛹率有明顯的抑制作用, 且隨濃度的升高而抑制作用越明顯,抑制中濃度IC50為15.79 μg/g[25]。

      4 茶皂素作為殺螺和殺魚的清塘劑

      茶皂素具有溶血和魚毒作用,對(duì)魚類的毒性很大,一般認(rèn)為其作用機(jī)理是引起細(xì)胞膜通透性改變,細(xì)胞質(zhì)外滲,使紅細(xì)胞解體。已知其魚毒活性的半致死量LD50為318 mg/L,其魚毒活性隨水溫升高而增強(qiáng)。目前茶皂素已在水產(chǎn)養(yǎng)殖上作為清除敵害魚類的魚塘和蝦池的清潔劑廣泛應(yīng)用[26]。羅毅志等研究表明,茶皂素對(duì)淡水甲殼類養(yǎng)殖池塘中常見的野雜魚,如麥穗魚、魚白魚、鯽魚等具有較強(qiáng)的毒性,在濃度215 mg/ L 時(shí)即可將其殺死;而對(duì)甲殼類的淡水青蝦、羅氏沼蝦和河蟹卻很安全, 即使?jié)舛冗_(dá)18 mg/L其也能正常存活,對(duì)青蝦的生長(zhǎng)無(wú)不良影響。五氯酚鈉是過(guò)去水產(chǎn)養(yǎng)殖中常用的化學(xué)清塘劑,由于五氯酚鈉的毒性以及對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染,2002年4月農(nóng)業(yè)部193號(hào)令已明確禁止使用。該試驗(yàn)證明,茶皂素可作為清塘劑替代五氯酚鈉清除淡水甲殼類養(yǎng)殖池塘中的野雜魚[27]。近年來(lái),東南亞國(guó)家每年從我國(guó)大量進(jìn)口茶粕,作為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的清塘劑大量使用。茶皂素還是一種天然植物殺螺劑,浸殺對(duì)傳播血吸蟲中間宿主的釘螺有較好殺滅作用,用量5 mg/L,浸殺3天,釘螺死亡率可達(dá)100 %[28]。此外,茶皂素對(duì)有為害蔬菜的細(xì)鉆螺、為害高爾夫球場(chǎng)的草坪蚯蚓也具有良好的毒殺活性[29]。茶皂素對(duì)為害水稻的福壽螺的毒力測(cè)定結(jié)果表明,在較低濃度下茶皂素對(duì)福壽螺幼螺有很好的浸殺作用,用量2.5 mg/L 3天死亡率達(dá)100 %,對(duì)福壽螺的卵和成螺也有一定控制作用[30]。

      5 茶皂素作為殺菌劑

      茶皂素粗體(如茶枯水) 曾作為“土農(nóng)藥”用于防治水稻病害稻瘟病和稻紋枯病[31]。眾多研究表明茶皂素有良好的抗菌活性,據(jù)日本學(xué)者報(bào)道,茶葉皂素混合物對(duì)皮膚致病真菌具有良好的抑制活性,對(duì)小孢霉屬病菌的最低抑制濃度MIC值為10 μg/mL;茶皂素還有很強(qiáng)的抑制酵母生長(zhǎng)活性,低濃度茶皂素能殺死嗜鹽接合酵母菌。從茶葉中提取的茶皂素可抑制食品、衣物和室內(nèi)霉菌生長(zhǎng)[1]。國(guó)內(nèi)報(bào)道表明,茶皂素具有抑制白色念珠菌、大腸桿菌活性,可治療淺表真菌感染、多種皮膚病瘙癢。體外和臨床預(yù)試驗(yàn)均證明,與茶葉皂素結(jié)構(gòu)類似的油茶皂素對(duì)紅色毛癬菌、石膏樣癬菌、斷發(fā)癬菌、黃色癬菌、紫色癬菌、絮狀表皮癬菌的MIC為0.125-1.100 0 mg/mL,對(duì)白色念珠菌MIC為0.062 5-0.250 0 mg/mL。臨床試用20例皮膚癬菌病痊愈率為75 %[32]。在植物病害防治方面,山茶葉的抗菌皂甙Camellidin I、II 可抑制茶炭疽病或輪斑病菌分生孢子發(fā)芽,使水稻病海稻瘟病菌、水稻胡麻斑病菌,水果病害柑桔黑斑病菌、蘋果輪斑病菌和梨黑斑病,茶葉病害茶灰色霉菌、茶枯病菌的孢子產(chǎn)生異常發(fā)芽[32]。王小藝等(1998)用含毒介質(zhì)培養(yǎng)法測(cè)定了茶皂素對(duì)稻紋枯病菌、白絹菌、芒果炭疽病菌、柱帚霉菌、擬盤多毛孢菌、瓜枯萎病菌、尖孢鐮刀菌等7種植物病原菌的生物活性,結(jié)果表明,在濃度為100 mg/L 和200 mg/L時(shí),茶皂素可抑制瓜枯萎病菌,3天抑制率達(dá)到89.71%-95.88 %,此外對(duì)白絹菌和稻紋枯病菌也有一定抑制作用[33]。

      6 展望

      以上研究報(bào)道充分顯示,茶皂素是一類非常具有發(fā)展前景的農(nóng)藥助劑和生物農(nóng)藥。目前茶皂素的研究與應(yīng)用尚存在一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,例如:工業(yè)化提純的茶皂素成品純度難以提高,提取成本過(guò)高;在基礎(chǔ)理論方面,對(duì)茶皂素的構(gòu)效關(guān)系、活性機(jī)理等缺乏深入研究,茶皂素價(jià)格難以與化工原料競(jìng)爭(zhēng),企業(yè)不愿使用。因此,我國(guó)的茶粕資源至今尚未得到充分開發(fā)利用,大部分餅粕當(dāng)燃料燒掉,或廉價(jià)出口到日本、東南亞等國(guó)家,造成資源的極大浪費(fèi),更為嚴(yán)重的是積壓的油茶餅粕發(fā)霉生蟲污染環(huán)境。因此,積極推進(jìn)茶皂素生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用迫在眉睫。

      近年來(lái),山茶油產(chǎn)業(yè)作為國(guó)家食用油安全戰(zhàn)略的重要組成部分受到高度重視,在南方的16 個(gè)省(區(qū))1 100 多個(gè)縣廣大黃土丘陵山區(qū)大面積栽培,年產(chǎn)油茶籽60余萬(wàn)噸,油茶栽培面積占全國(guó)木本油料面積的80 %以上,山茶油加工業(yè)發(fā)展迅猛,每年有榨油后剩下的油茶餅粕50多萬(wàn)噸,茶粕中含茶皂素10 %-15 %,為生產(chǎn)茶皂素提供了豐富的原料[34]。作為綠色環(huán)保產(chǎn)品,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外日化工原料市場(chǎng)對(duì)茶皂素的需求量逐漸擴(kuò)大,其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)利用受到國(guó)家和相關(guān)地方政府高度重視和扶植。作為浙江省油茶產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè),浙江常發(fā)糧油食品有限公司以浙江大學(xué)作為技術(shù)依托,已建立了“浙江常發(fā)油茶區(qū)域性創(chuàng)新中心”,承擔(dān)了省重大科技專項(xiàng)“油茶粕生物綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化”,開展了茶皂素提取和生物農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)化新技術(shù)研究開發(fā),預(yù)期所取得的技術(shù)成果將為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供重要技術(shù)支撐,將產(chǎn)生良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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