生物農(nóng)藥辣椒素在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

王寅敏，徐 勇，張泗達(dá)，李海蕓，段福俊，吳學(xué)民*，徐建富*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京100193；2.國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102205）

農(nóng)藥作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)以及林業(yè)、草原和衛(wèi)生害蟲防控等方面發(fā)揮著重大作用，尤其是化學(xué)農(nóng)藥，其具有見(jiàn)效快，防效高等特點(diǎn)，在防治病蟲草鼠害中被廣泛使用，但由于其過(guò)量使用所導(dǎo)致的問(wèn)題越來(lái)越突出，如農(nóng)藥殘留超標(biāo)、產(chǎn)生抗藥性、殺傷有益生物等。二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和農(nóng)產(chǎn)品安全的日益關(guān)注以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的興起，利用對(duì)環(huán)境友好、生態(tài)和諧和有利食品安全等措施來(lái)防控農(nóng)作物病蟲害已經(jīng)成為了世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，這就要求農(nóng)藥必須向低毒、無(wú)公害方向發(fā)展。生物農(nóng)藥正是這樣一類既滿足上述要求又與環(huán)境相容的綠色農(nóng)藥。與化學(xué)農(nóng)藥相比，其具有選擇性強(qiáng)、無(wú)污染、不易產(chǎn)生抗藥性、不破壞生態(tài)環(huán)境且生產(chǎn)原料廣泛等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

1 生物農(nóng)藥及辣椒素簡(jiǎn)介

1.1 生物農(nóng)藥簡(jiǎn)介

1.1.1 生物農(nóng)藥定義

目前，對(duì)于生物農(nóng)藥或者生物源農(nóng)藥沒(méi)有相對(duì)統(tǒng)一的定義。學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為廣義的生物農(nóng)藥是指直接利用生物活體或生物代謝過(guò)程產(chǎn)生的具有生物活性的物質(zhì)，或從生物體提取的物質(zhì)，以及人工合成的與天然化合物結(jié)構(gòu)相同的物質(zhì)，作為防治農(nóng)林作物病、蟲、草、鼠害的農(nóng)藥[1]。我國(guó)并沒(méi)有明確生物源農(nóng)藥或生物農(nóng)藥的定義[2]。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種植業(yè)管理司對(duì)十三屆全國(guó)人大二次會(huì)議第6733號(hào)建議的答復(fù)，我國(guó)將生物農(nóng)藥分為3類：生物化學(xué)農(nóng)藥、微生物農(nóng)藥和植物源農(nóng)藥，農(nóng)用抗生素不包括在內(nèi)[3]。對(duì)于這3類生物農(nóng)藥，我國(guó)在2017年實(shí)施的《農(nóng)藥登記資料要求》中分別進(jìn)行了定義。生物化學(xué)農(nóng)藥是指同時(shí)滿足下列2個(gè)條件的農(nóng)藥：一是對(duì)防治對(duì)象沒(méi)有直接毒性，而只有調(diào)節(jié)生長(zhǎng)、干擾交配或引誘等特殊作用；二是天然化合物，如果是人工合成的，其結(jié)構(gòu)應(yīng)與天然化合物相同（允許異構(gòu)體比例的差異）。微生物農(nóng)藥是指以細(xì)菌、真菌、病毒和原生動(dòng)物或基因修飾的微生物等活體為有效成分的農(nóng)藥。植物源農(nóng)藥是指有效成分直接來(lái)源于植物體的農(nóng)藥。

1.1.2 生物農(nóng)藥的登記情況

截至2020年12月，我國(guó)在登記有效期內(nèi)的生物農(nóng)藥有效成分有125個(gè)，其中不包括農(nóng)用抗生素和天敵[4]。近5年來(lái)，我國(guó)的生物農(nóng)藥有效成分逐漸增加（圖1），生物農(nóng)藥正在快速發(fā)展。

圖1 2016—2020年我國(guó)生物農(nóng)藥有效成分登記數(shù)量

作為最早使用的一類生物農(nóng)藥，植物源農(nóng)藥的有效成分多為植物在進(jìn)化中產(chǎn)生具有保護(hù)作用的次生代謝物質(zhì)，這些物質(zhì)往往可以抵抗其他生物的侵害[5]。自然界中具有殺蟲或殺菌活性的植物次生代謝產(chǎn)物數(shù)量龐大、種類繁多，如萜烯類、生物堿、類黃酮、甾體、獨(dú)特的氨基酸和多糖等[6]，而這些物質(zhì)對(duì)非靶標(biāo)生物毒性較低，并且易降解，不會(huì)對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成持久性影響，安全性較高。

截至2020年底，我國(guó)在登記有效期內(nèi)的植物源農(nóng)藥有28種，其中研究比較深入的主要有苦參堿、魚藤酮、印楝素、狼毒素、蛇床子素、除蟲菊素、煙堿等[7]。不過(guò)也有不少已成功進(jìn)入登記應(yīng)用階段的品種如羊角扭苷、辣椒堿、楝素、百部堿、莨菪堿、烏頭堿、馬錢子堿等。由于市場(chǎng)等多方面原因，在登記到期后未能延續(xù)[8]。

1.2 辣椒素簡(jiǎn)介

辣椒素，是一種從茄科植物辣椒的成熟果實(shí)中提取得到的有效成分，最早由Thresh[9]于1876年從辣椒果實(shí)中分離出來(lái)，是辣椒辛辣味和具有藥物功能的主要來(lái)源，主要由辣椒素單體（約占68%）、二氫辣椒素單體（約占25%）和降二氫辣椒素單體（約占5%）組成。

1.2.1 辣椒素理化性質(zhì)

辣椒素純品化學(xué)名稱為(反)-N-[(4-羥基-3-甲氧基苯基)-甲基]-8-甲基-6-壬烯酰胺，分子式為C18H27NO3，相對(duì)分子質(zhì)量為305.41，結(jié)構(gòu)式如圖2所示。其純品為單斜長(zhǎng)方形狀無(wú)色結(jié)晶，無(wú)毒，但刺激性較強(qiáng)，熔點(diǎn)為62～66℃，沸點(diǎn)為210～220℃，其化學(xué)穩(wěn)定性較高，在各種有機(jī)溶劑萃取過(guò)程中損失極小，易溶于乙醇、乙醚、苯、丙酮及氯仿中，微溶于二硫化碳，難溶于冷水，也可溶于堿性水溶液。

圖2 辣椒素結(jié)構(gòu)式

1.2.2 辣椒素的生物活性

辣椒素具有止痛[10]、抗癌[11]、調(diào)節(jié)血脂[12]、抗菌消炎[13]、減肥[14]等作用，還可導(dǎo)致皮膚血管擴(kuò)張、改善微循環(huán)，又能利用其刺激性辣味對(duì)人和動(dòng)物產(chǎn)生一系列生理反應(yīng)和驅(qū)避作用[15]。因此，辣椒素廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、美容、有害生物防治、食品添加劑等領(lǐng)域。

2 辣椒素在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況

作為一種從植物果實(shí)中提取出來(lái)的有效成分，由于其獨(dú)特的抗蟲抑菌活性，辣椒素被認(rèn)為是一種良好的生物農(nóng)藥。美國(guó)環(huán)保局（EPA）認(rèn)為，作為一種傳統(tǒng)食物，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)辣椒素對(duì)人體有害的證據(jù)，并于1991年將辣椒素類化合物認(rèn)定為生物農(nóng)藥[16]，且免除其在蔬菜、水果上殘留量的限制，應(yīng)用于生物防治領(lǐng)域。在我國(guó)，辣椒素作為植物源農(nóng)藥有效成分，也已經(jīng)成功進(jìn)入登記應(yīng)用階段。

2.1 殺蟲作用

辣椒素類物質(zhì)對(duì)害蟲的觸殺作用明顯，害蟲與辣椒素類物質(zhì)接觸后即表現(xiàn)麻痹（不活動(dòng)、不取食）、癱瘓、最終死亡的現(xiàn)象。其對(duì)害蟲也具有胃毒作用，害蟲取食后，則抑制解毒酶系，影響消化吸收、干擾呼吸代謝，致使害蟲因正常的生理活動(dòng)受阻而引起生理病變，生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制而死亡。

Claros等[17]研究了辣椒素和芥子油苷對(duì)蚜蟲的殺蟲活性。室內(nèi)試驗(yàn)表明，2種活性成分對(duì)蚜蟲的毒力隨濃度的增加而逐漸增加。采用10%辣椒素、75%～100%芥子油苷或10%辣椒素和90%芥子油苷復(fù)配溶液作用于蚜蟲時(shí)，蚜蟲死亡率在83%～99%；田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴灑5%辣椒素、50%芥子油苷或5%辣椒素和45%芥子油苷復(fù)配的溶液，蚜蟲死亡率達(dá)到87%～97%。劉新等[18]對(duì)辣椒素類物質(zhì)對(duì)桃蚜的生物活性及其于幾種殺蟲劑的聯(lián)合作用進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，辣椒素類物質(zhì)對(duì)桃蚜具有較強(qiáng)的毒力和良好的防效，當(dāng)辣椒素質(zhì)量濃度為20 mg/L時(shí)，噴藥1 d后防效為83.8%，3 d后防效為93.6%，7 d后防效為85.6%，并且在與其他農(nóng)藥復(fù)配時(shí)，辣椒素類物質(zhì)與阿維菌素和三唑磷復(fù)配增效明顯，而辣椒素類物質(zhì)與高效氯氰菊酯復(fù)配，拮抗作用明顯。Isaacs等[19]通過(guò)對(duì)辣椒堿及傳統(tǒng)的殺蟲劑，如谷硫磷、吡蟲啉等對(duì)葡萄及玫瑰害蟲的作用效果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)辣椒堿與其他生物殺蟲劑類似，其速效性和持效性與傳統(tǒng)的高毒農(nóng)藥相比，無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，但對(duì)環(huán)境安全。作為一種植物源殺蟲劑，辣椒素具有安全、低毒的特點(diǎn)，但藥效不如化學(xué)農(nóng)藥顯著。目前文獻(xiàn)報(bào)道的大多數(shù)研究?jī)H限于辣椒粗提物或辣椒素類似物，因此有必要做進(jìn)一步的研究，驗(yàn)證辣椒素單體的殺蟲活性。

2.2 殺菌作用

辣椒素不僅具有強(qiáng)烈的刺激性，也是一種高活性的抑菌劑。Soetarno等[20]通過(guò)對(duì)辣椒乙醇提取物的抑菌實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然不同種類辣椒中，其辣椒素含量不同，但是對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌、革蘭氏陰性菌、酵母以及霉菌均有抑制效果，并且通過(guò)生物自顯影法測(cè)定，確定該提取物中的主要抑菌成分為辣椒素。王建明等[21]發(fā)現(xiàn)辣椒素在3.57～50 μg/mL質(zhì)量濃度時(shí)對(duì)辣椒枯萎病菌有明顯抑制生長(zhǎng)作用，20 μg/mL時(shí)對(duì)番茄葉霉病菌、番茄灰霉病菌、洋蔥灰霉病菌等都有強(qiáng)烈的抑制作用。魏玉西等[22]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，辣椒堿對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、枯草芽胞桿菌、普通變形桿菌、四連球菌、痢疾志賀氏菌等細(xì)菌有較強(qiáng)抑制活性，但對(duì)芒果灰斑病菌、番茄灰霉病菌等霉菌的抑制作用弱。同時(shí)，辣椒堿的抑制細(xì)菌作用受其濃度的影響，質(zhì)量濃度在0.012 5 mg/mL以下無(wú)抑菌活性；在較高質(zhì)量濃度（≥0.05 mg/mL）時(shí)，辣椒堿對(duì)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌都有較強(qiáng)的抑制作用，但濃度的變化對(duì)霉菌的抑制效果變化并不明顯。

關(guān)于辣椒堿抑菌作用的早期文獻(xiàn)所采用的辣椒堿樣品大多是辣椒堿的粗制品或提取液，樣品中的辣椒堿含量較低，不能證明是辣椒堿的抑菌作用。因此為了確證辣椒堿的抑菌效果，劉可春等[23]采用純化后的辣椒堿樣品對(duì)大腸桿菌、綠膿桿菌、金黃葡菌、乙型溶血性鏈球菌、白色葡萄球菌、白色念珠菌等6種菌進(jìn)行了抑菌試驗(yàn)，辣椒堿對(duì)乙型溶血性鏈球菌和白色念珠菌的最低抑菌濃度（MIC）分別為37.5～50 mg/L和75～100 mg/L，而對(duì)其他試驗(yàn)菌沒(méi)有抑菌效果，高于此濃度范圍則對(duì)實(shí)驗(yàn)菌均有明顯抑制效果。吳影等[24]以7種實(shí)驗(yàn)菌種生長(zhǎng)情況為依據(jù)，認(rèn)為辣椒堿對(duì)7種菌株的抑菌作用依次為金黃色葡萄球菌＞枯草芽孢桿菌＞大腸桿菌＞啤酒酵母菌＞葡萄酒酵母＞黑曲霉＞青霉，對(duì)前5種菌株的抑菌效果較明顯。王夢(mèng)等[25]研究了辣椒素單體、二氫辣椒素單體、降二氫辣椒素單體及辣椒素對(duì)細(xì)菌和真菌的抑制效果，其結(jié)果表明，辣椒堿單體具有明顯的抑菌作用，抑菌效果明顯好于二氫辣椒堿單體、降二氫辣椒堿單體和辣椒素。進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)，辣椒堿單體對(duì)5種菌株抑菌效果由大到小依次為金黃色葡萄球菌＞大腸桿菌＞銅綠假單胞菌＞白色念珠菌＞黑曲霉菌?？偟膩?lái)說(shuō)，辣椒素對(duì)球菌、桿菌、弧菌（螺旋菌）具有良好的抑制作用，對(duì)霉菌、酵母也有一定抑制作用。

2.3 趨避作用

除了殺蟲和抑菌作用，辣椒素還具有驅(qū)避作用。辣椒素具有強(qiáng)烈的刺激性，可以用作鳥類、動(dòng)物和昆蟲的驅(qū)避劑，其特點(diǎn)是藥效高、持效長(zhǎng)、可降解，而且不會(huì)對(duì)哺乳動(dòng)物造成持久性的傷害，是一種新型的生物農(nóng)藥[26]。

陳渠玲等[27]對(duì)湖南省望城縣農(nóng)村的老鼠進(jìn)行了密度調(diào)查和鼠種分類，并展開(kāi)以辣椒素為主要成分的農(nóng)村儲(chǔ)糧害鼠防制劑的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，辣椒素對(duì)儲(chǔ)糧害鼠有良好的驅(qū)避效果。使用0.2%辣椒素對(duì)農(nóng)村儲(chǔ)糧害鼠防護(hù)期超過(guò)349 d。楊衛(wèi)東等[28]通過(guò)將辣椒素混合明膠等多糖后涂覆于聚乙稀薄膜袋外的試驗(yàn)證明，辣椒素對(duì)小鼠具有驅(qū)避性質(zhì)，且在濃度低至1%時(shí)，驅(qū)避效果仍然顯著，并且能夠維持效果長(zhǎng)達(dá)一周。

3 辣椒素的農(nóng)藥劑型

辣椒素因其獨(dú)特的殺蟲抑菌和驅(qū)避作用，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。目前，僅有辣椒素乳油、微乳劑等劑型被開(kāi)發(fā)，這極大地限制了辣椒素在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，因此需要開(kāi)發(fā)更加高效環(huán)保的辣椒素制劑，擴(kuò)展辣椒素在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。辣椒素化學(xué)穩(wěn)定性較好，可溶于大部分有機(jī)溶劑，難溶于水，可以開(kāi)發(fā)乳油、微膠囊懸浮劑等常規(guī)農(nóng)藥劑型，也可以開(kāi)發(fā)納米乳、納米分散體等納米農(nóng)藥劑型。

3.1 常規(guī)農(nóng)藥劑型

3.1.1 乳油

乳油因加工工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品穩(wěn)定性好，使用方便，生物活性高等優(yōu)點(diǎn)，一直以來(lái)都是農(nóng)藥制劑的注藥劑型之一。辣椒素易溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑，且化學(xué)穩(wěn)定性好，因此可以采用環(huán)保溶劑來(lái)開(kāi)發(fā)辣椒素乳油制劑，避免使用有害溶劑，降低乳油中有機(jī)溶劑對(duì)人體健康、安全和環(huán)境的危害?？刹捎玫木G色環(huán)保溶劑主要有3類：一是生物源溶劑，主要包括大豆油，玉米油、生物柴油、植物精油、松脂基植物油等。這些溶劑主要是從動(dòng)植物中提取的低毒類天然產(chǎn)物，可生物降解，對(duì)環(huán)境污染較小，并且對(duì)大多數(shù)疏水性的農(nóng)藥原藥有良好的溶解性；二是礦物源溶劑，主要為飽和的環(huán)烷烴與鏈烷烴混合物，如埃森克美孚公司生產(chǎn)的高沸點(diǎn)重芳烴溶劑油Solvesso-100（S-100）、Solvesso-150（S-150）和Solvesso-200（S-200）等系列溶劑，其毒性比甲苯、二甲苯低，且對(duì)多種農(nóng)藥具有較好的溶解性能，而人工合成溶劑，如乙酸仲丁酯、乙二醇二乙酸酯（EGDA）等，其毒性也比甲苯、二甲苯低，對(duì)大多數(shù)農(nóng)藥的溶解性和其成本均比生物源溶劑和礦物源溶劑更有優(yōu)勢(shì)[29]。因此，利用這些環(huán)保溶劑，開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型辣椒素乳油具有良好的前景。

3.1.2 微膠囊懸浮劑

微膠囊技術(shù)是一種用成膜材料把固體或液體包覆形成微小粒子的技術(shù)，大小一般在微米級(jí)范圍（1～400 μm），而辣椒素本身具有強(qiáng)烈的刺激性，因此可以利用一些天然高分子材料，如環(huán)糊精、殼聚糖、海藻酸鈉等，將辣椒素包覆，制備辣椒素微膠囊，以降低其刺激性，延長(zhǎng)其持效期，從而可減少施藥的數(shù)量和頻率。此外，天然的高分子材料具有無(wú)毒、可降解等特性，有利于生態(tài)和環(huán)境保護(hù)，這對(duì)于農(nóng)藥低毒、無(wú)毒化發(fā)展具有重要意義。

3.2 納米農(nóng)藥劑型

3.2.1 納米乳劑

納米乳是由水、油、表面活性劑和助表面活性劑等形成的粒徑在20～200 nm的透明或半透明且熱力學(xué)相對(duì)穩(wěn)定的均相分散體系[30]。辣椒素單體化學(xué)穩(wěn)定性較高，在極性溶劑中溶解度較好，因此可利用環(huán)保型溶劑和易生物降解的表面活性劑來(lái)開(kāi)發(fā)辣椒素納米乳。與乳油相比，其不僅可以降低其溶劑和乳化劑的使用量，更加安全環(huán)保，而且由于其較小的液徑，藥效也將進(jìn)一步提高。開(kāi)發(fā)辣椒素納米乳，有助于提高這類生物農(nóng)藥的藥效以及擴(kuò)展其使用農(nóng)藥劑型和使用場(chǎng)景。

3.2.2 納米分散體

納米分散體是將難溶于水的有機(jī)農(nóng)藥化合物，利用研磨、熔融乳化法、微沉淀法、溶劑揮發(fā)法結(jié)合噴霧干燥、冷凍干燥等方法直接加工成納米顆粒的粉劑，或分散于水中形成納米混懸劑，其顆粒粒徑通常在50～200 nm[31]。辣椒素單體熔點(diǎn)較低、穩(wěn)定性好，可應(yīng)用熔融乳化法結(jié)合冷凍干燥法制備其固體納米分散體。這種方法不僅可以提高其藥效，還可以提高在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性。此外，固體納米分散體還可以通過(guò)直接噴粉施藥對(duì)溫室大棚中的病蟲害進(jìn)行防治，避免由噴霧施藥引起的大棚濕度增加而導(dǎo)致病蟲害嚴(yán)重化。

辣椒素由于具有良好的抑菌抗蟲作用，開(kāi)發(fā)適合的劑型是辣椒素在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是在細(xì)菌病害的防治和糧食儲(chǔ)藏安全等方面。乳油和微膠囊懸浮劑屬于常規(guī)尺寸制劑。乳油加工工藝簡(jiǎn)單，使用方便。微膠囊化可以使辣椒素控制釋放，增加其持效期，降低其刺激性。納米乳和納米分散體屬于納米制劑，由于具有更小的粒徑，可以更好地發(fā)揮其藥效，從而能降低辣椒素的施藥量，達(dá)到減量增效的目的。

4 展 望

隨著人們健康環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，低殘留、高效的綠色環(huán)保型農(nóng)藥越來(lái)越受關(guān)注。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出農(nóng)藥使用量要達(dá)到零增長(zhǎng)，倡導(dǎo)建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的生態(tài)文明和綠色生產(chǎn)。生物農(nóng)藥由于其選擇性強(qiáng)，對(duì)環(huán)境危害小，原料廣泛等特點(diǎn)，將會(huì)在未來(lái)的有害生物防治中扮演越來(lái)越重要的角色。辣椒素對(duì)害蟲具有良好的觸殺與驅(qū)避作用，并且對(duì)多種真菌和細(xì)菌都具有較好的抑菌作用，是一種良好的植物源農(nóng)藥。其低毒性、易降解的優(yōu)點(diǎn)，在有害生物的生物防治領(lǐng)域具有廣闊開(kāi)發(fā)前景。因此，針對(duì)辣椒素這類天然的植物源農(nóng)藥活性成分，開(kāi)發(fā)其適合的劑型，擴(kuò)展其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景，將有助于農(nóng)藥的低毒、低殘留化以及推動(dòng)生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。