納米材料在儲糧中抑制蟲霉的研究進展

魯玉杰，王凱巍，楊斌斌，苗世遠，王爭艷，魯 婷，王隨隨

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院1，鄭州 450001) (江蘇科技大學(xué)糧食學(xué)院2，鎮(zhèn)江 212000)

我國每年有數(shù)億噸糧食儲備，雖然近年來糧食儲藏技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施有了很大提高，但是在糧食儲藏期間由于霉變、蟲害及它們產(chǎn)生的有害物質(zhì)，造成一定的損失[1,2]。對于儲糧害蟲來說，由于長期依靠化學(xué)藥劑防治，使儲糧害蟲產(chǎn)生了嚴重的抗藥性，例如銹赤扁谷盜(Cryptolestesferrugineus)、赤擬谷盜(Triboliumcastaneum)、谷蠹(Rhizoperthadominica)、米象(Sitophilusoryzae)、書虱(Liposcelisspp.)等儲糧害蟲均產(chǎn)生嚴重的磷化氫抗性[3]。霉變則是糧食儲藏過程中面臨的另一大難題，每年全世界約有3%的糧食因為霉變造成重大損失[4]。盡管化學(xué)藥劑對蟲霉有一定的抑制效果，但是由于存在不科學(xué)使用的情況，造成蟲霉的爆發(fā)和猖獗[5,6]，威脅糧食儲藏的安全。由于對糧食安全的要求越來越高，開展針對減少化學(xué)藥劑使用或者化學(xué)藥劑的替代技術(shù)的研究已經(jīng)成為糧食儲藏技術(shù)的的迫切需求。

納米材料一般指粒徑在1～100 nm之間的粒子，其具有小尺寸、比表面積大、可修飾性強、吸附能力強等特點[7]。納米材料除了具備殺蟲效果，還能與外源殺蟲因子進行聯(lián)用，起到增強殺蟲效果、延長有效時間、降低用藥量、減少環(huán)境污染等作用[8,9]。由于儲糧環(huán)境是一個人工的半開放生態(tài)系統(tǒng)，可以為納米材料的作用發(fā)揮提供一個更加穩(wěn)定的環(huán)境，因此，納米材料有望用于新型的儲糧蟲霉防治策略[10]。

1 納米材料對儲糧害蟲的抑制作用

1.1 納米材料具有直接的殺蟲作用

無機納米材料表面的電荷使其在蟲體表面具有很強的粘附性能[11]，附著在蟲體表面后會破壞害蟲的角質(zhì)層[12,13]，造成體內(nèi)水分流失，導(dǎo)致害蟲脫水死亡[14]，殺蟲效果十分顯著。經(jīng)過納米氧化鋁(Nanostruc tured alumina, NSA)處理的米象，納米二氧化硅(Silica nanoparticles, SiO2-NPs)處理的四紋豆象(Callosobruchusmaculate)，死亡的試蟲表皮上均有明顯的損傷，體重明顯下降[14,15]。NSA、納米氧化銅(CuO nanoparticles, CuO-NPs)、納米氧化鋅(Zinc oxide nanoparticles, ZnO-NPs)、SiO2-NPs對米象、谷蠹、赤擬谷盜、四紋豆象幾種重要儲糧害蟲的致死率均在90%以上[14,16-19]。

無機納米材料還能導(dǎo)致其子代數(shù)量大幅度降低，可以很好地抑制害蟲種群的增長。用ZnO-NPs和親水性SiO2-NPs處理過的米象，CuO-NPs處理過的谷象(Sitophilusgranaries)和谷蠹，后代均減少了80%以上[17,20]。用納米銅(Copper nanoparticles, Cu-NPs)處理鷹嘴豆象(Callosobruchusanalis)，最高產(chǎn)卵量僅為對照組的25%[21]。無機納米材料這種良好的殺蟲和種群抑制效果，是作為殺蟲藥劑的潛力之一。

1.2 納米材料可用作農(nóng)藥的遞送載體

納米材料通過吸附、共價結(jié)合、膠囊化和交聯(lián)作用等方式[22]，可以提高殺蟲活性物質(zhì)的穩(wěn)定性[23]。以納米材料作為農(nóng)藥的遞送載體，可以提高殺蟲效果、增強殺蟲活性，從而顯著提高藥效。

使用納米材料負載植物精油，可以阻止有效成分的降解[22]，提高植物精油對儲糧害蟲的毒殺效果。負載大蒜精油的聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)納米顆粒、包埋車前子(Plantagomajor)提取物的納米脂質(zhì)體(Nano liposomes)、結(jié)合孜然(Cuminumcyminum)精油的改性納米殼聚糖(Chitosan nanoparticle, CS NPs)，對赤擬谷盜的致死率均比原液的明顯升高[24-26]。納米材料還能提高其他生物活性物質(zhì)的殺蟲效果。半胱氨酸蛋白酶(Cysteine protease)可以降解害蟲中腸和表皮中的幾丁質(zhì)導(dǎo)致害蟲死亡[27,28]，經(jīng)過石墨烯量子點(Graphene quantum dots, GQDs)封裝的半胱氨酸蛋白酶，對麥蛾(Sitotrogacerealella)成蟲的致死率比未封裝的提高了66.79%[29]。納米材料作為遞送載體增強了植物精油、生物活性物質(zhì)作為殺蟲劑對儲糧害蟲的殺蟲效果。

聚合物納米材料具有良好的生物相容性，能促進跨膜轉(zhuǎn)運，在負載殺蟲因子時，可以提高殺蟲活性，是一種高效的載體[30]。使用固體脂質(zhì)納米顆粒(Solid lipid nanoparticle，SLN)包埋丁香(SyringaoblataLindl)精油、PEG負載兩種精油(Geranium和Bergamot)處理赤擬谷盜，測得的LC50相較于精油原液的明顯降低[31,32]；檢測載有薄荷(Menthapiperita)和鼠尾草(Salviaofficinalis)2種植物精油的納米纖維對印度谷螟(Plodiainterpunctell)的接觸毒性，LC50分別由純精油的39.3、30.3 μL/L降低為11.7、9.1 μl/L[33]。

納米材料可以提高農(nóng)藥殺蟲的穩(wěn)定性和利用率。因此，以納米材料作為農(nóng)藥的載體，具有良好的增強藥效作用[34]，可以減少農(nóng)藥的使用量[35]，降低農(nóng)藥對儲糧的污染。

1.3 納米材料作為農(nóng)藥的緩釋劑

納米材料對農(nóng)藥或信息素具有很好的緩釋作用[22]，此外還可以對納米材料進行化學(xué)修飾，發(fā)展為響應(yīng)型控釋系統(tǒng)。將玉米醇溶蛋白(Zein)改性后包封AVM，50 h后的累計釋放率比未包封的低30%左右[36]。用介孔二氧化硅(Mesoporous silica nanoparticle, MSN)或者介孔活性炭(Mesoporous activated carbon)作為緩釋載體，分別在長時間內(nèi)(180 h和240 h)，對AVM的累計釋放率不超過30%[37,38]。改性的MSN負載毒死蜱，600 h的釋放率僅在20%左右[39]。負載到SiO2-NPs上的毒死蜱、包埋硫氟肟醚·甲基嘧啶磷的甲苯-2,4-二異氰酸酯納米制劑在長時間后(60 d和28 d)，對赤擬谷盜、谷蠹和玉米象的致死率仍能達到90%以上[40,41]。這些都說明了納米材料可以作為緩釋劑，能有效解決農(nóng)藥中殺蟲活性成分釋放速度過快、藥效持續(xù)時間短的問題。

對納米材料進行特定修飾，可以做到響應(yīng)釋放，有利于提高特定環(huán)境下活性分子的釋放效果。進行兩親性修飾的羧甲基殼聚糖(Carboxymethyl chitosan, CMCS)、經(jīng)過化學(xué)修飾的氮化硼納米片(Boron nitride nanoplatelets, BNNP)，在作為載體時，對AVM的釋放速率會隨著環(huán)境酸堿度的改變而改變[42,43]。納米材料作為活性分子的緩釋劑，具有提高有效利用率、延長有效時間、增強效果、減少總藥量、降低毒性對環(huán)境的污染等優(yōu)點。

1.4 納米材料與RNA干擾技術(shù)(RNAi)結(jié)合在儲糧害蟲防治中的應(yīng)用

納米材料與RNA干擾技術(shù)(RNAi)相結(jié)合，可以提高RNA干擾技術(shù)對儲糧害蟲的殺蟲效果。作為遞送載體的納米材料通過與dsRNA的磷酸基團結(jié)合，形成穩(wěn)定的復(fù)合物，在表面保留有正電荷，與細胞膜表面的負電荷相互作用，可通過細胞的內(nèi)吞作用進入細胞內(nèi)[44]，形成包含復(fù)合物的小泡沿著微管移動到達溶酶體，納米載體能夠保護dsRNA避免被其中的核酸酶降解[45]，最終將dsRNA釋放入細胞質(zhì)，進而引起害蟲的RNAi反應(yīng)[30]。利用納米材料建立的高效遞送載體[46]，可以攜帶dsRNA快速穿透害蟲體內(nèi)的器官基膜、細胞膜和腸道圍食膜等屏障[7]。對飼喂含唾液腺蛋白(Armet)dsRNA的支鏈兩親性肽膠囊(Branched amphiphilic peptide capsules, BAPCs)的赤擬谷盜進行熒光標記，8 h后，在試蟲的中腸上皮細胞、脂肪體和馬氏管中發(fā)現(xiàn)了熒光，而飼喂單獨dsRNA的試蟲在相同區(qū)域顯示低背景熒光或無背景熒光[47]，這顯示出納米材料遞送的高效性，可以負載dsRNA快速到達靶標位置，提升RNAi的成功率。

對dsRNA用納米材料進行包埋，可以防止其被消化系統(tǒng)或者細胞內(nèi)的各種酶降解[48]。重鏈結(jié)合蛋白基因(Bip)的dsRNA與BAPCs結(jié)合形成的復(fù)合物，用于飼喂赤擬谷盜，其致死效率比單獨飼喂dsRNA的提高45%[47]。對赤擬谷盜幼蟲注射攜帶α-微管蛋白(α-tubulin)的dsRNA的碳納米管(Carbon nanotubes, CNTs)，與單獨注射dsRNA的幼蟲相比，α-微管蛋白的生成受到明顯抑制[49]。這些結(jié)果表明，納米材料遞送dsRNA，可以防治dsRNA在害蟲體內(nèi)的降解，提高RNAi的效果?？偟膩碚f，由納米材料介導(dǎo)的RNAi，改善了dsRNA易被核酸酶降解、穿透效率低等缺點[50]，從而提高對靶標的干擾效率和效果，更好地促進新型生物技術(shù)在儲糧害蟲防治中的應(yīng)用和發(fā)展。

2 納米材料在儲糧中抑制霉菌的研究

2.1 納米材料對儲糧霉菌的抑制作用

納米材料的獨特尺寸效應(yīng)(10～100 nm)和表面效應(yīng)，可以穿透細胞壁和細胞膜，進入細胞內(nèi)對生理代謝進行擾亂，導(dǎo)致真菌失去活性，從而達到殺滅真菌的作用[51]。Ag/TiO2納米材料處理過的煙曲霉(Aspergillusfumigatus)，體內(nèi)產(chǎn)生過量活性氧，致使煙曲霉死亡[52]。青霉菌(Penicillium)在ZnO-NPs處理前后，菌體中與氧化應(yīng)激相關(guān)的基因發(fā)生了顯著上調(diào)，通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激損傷菌體來抑制增殖[53]。經(jīng)過碳基納米材料(石墨烯和氧化石墨烯)處理的真菌體內(nèi)磷酸酶、磷酸水解酶等幾種重要酶的合成減少，最終造成這些真菌死亡[54]。ZnO-NPs處理過的黃曲霉(A.flavus)，菌絲干重顯著降低，菌絲生長形態(tài)異常甚至斷裂[55]。

無機納米材料對曲霉屬等真菌的防治具有抑制效果強、持續(xù)時間長、使用劑量低等優(yōu)點。CuO-NPs對黑曲霉和黃曲霉的抑制率分別可達83%和81%[56]。ZnO-NPs處理過的黑曲霉、黃曲霉和桔青霉(Penicilliumcitrinum)的菌落總數(shù)30 d內(nèi)均持續(xù)低于對照組[57]，且在低劑量(100 μg)下，對黑曲霉表現(xiàn)出了明顯的抑制效果[58]。由此可見，無機納米材料具有作為儲糧防霉劑的潛力。

2.2 生物源介導(dǎo)的納米材料對儲糧霉菌抑制

近年來，由植物提取物、細菌和真菌這些生物源介導(dǎo)合成金屬納米材料的新技術(shù)備受關(guān)注，它們的成本更低廉且對環(huán)境友好[59]。新鮮番茄提取物中的蘋果酸和檸檬酸是植物介導(dǎo)合成納米銀(Silver nanoparticles, Ag-NPs)的驅(qū)動力，將Ag+還原產(chǎn)生10 nm的球形單質(zhì)Ag-NPs[60]。稻殼提取物中的還原性糖類在合成Ag-NPs中也是至關(guān)重要的，合成后的左旋葡聚糖、葡萄糖、6-磷酸海藻糖和6-磷酸葡萄糖含量幾乎降低為零[61]。從藻類的提取物中分離純化得到2種蛋白質(zhì)與納米金、Ag-NPs的合成緊密相關(guān)[62,63]。利用植物如方莖青紫葛(Cissusquadrangularis)、印度塔樹(Polyalthialongifolia)葉的提取物，可以分別合成CuO-NPs和Cu-NPs，且均對黑曲霉有良好的抑制效果[56,64]。植物提取物還原生成納米材料，對儲糧霉菌具有良好的抑制作用。細菌、真菌體內(nèi)含有的硝酸還原酶，可以將電子從還原性物質(zhì)(NADH等)轉(zhuǎn)移至金屬離子，是生成納米材料的關(guān)鍵物質(zhì)之一[65,66]，可將Ag+還原為Ag-NPs[67]，合成效果與硝酸還原酶的活性成正比[68]。土曲霉(Aspergillusterreus)介導(dǎo)合成的Ag-NPs對黃曲霉和煙曲霉的抑菌效果比對照組的效果提高了約45%[69]。生物源介導(dǎo)合成的納米材料對儲糧霉菌都具有優(yōu)異的抑菌活性，而這種合成技術(shù)為納米材料的大規(guī)模生產(chǎn)提供了一種綠色安全、經(jīng)濟高效的合成方法，將會更好地推動納米材料在抑制儲糧蟲霉的應(yīng)用發(fā)展。

3 總結(jié)與展望

納米材料在儲糧蟲霉抑制中表現(xiàn)出了很好的應(yīng)用潛力，不僅能單獨作為新型藥劑來進行開發(fā)，同時作為遞送載體或者緩釋劑可以提高農(nóng)藥、dsRNA等殺蟲因子的殺蟲效果，延長持效期，減少使用量等。由生物源介導(dǎo)合成無機納米材料的技術(shù)，降低了納米材料的合成成本，為納米材料的大量合成提供了技術(shù)支撐，將促進納米材料在儲糧中抑制蟲霉應(yīng)用和發(fā)展。未來將會繼續(xù)研發(fā)篩選高效、安全、成本低、適用性強的新型納米材料，開發(fā)納米材料在儲糧抑制蟲霉中的應(yīng)用技術(shù)；開展納米材料或其介導(dǎo)的外源殺蟲因子(農(nóng)藥、植物精油、dsRNA)等毒力提升的機理研究等。

納米材料在開發(fā)用于儲糧蟲霉防治的更安全有效的制劑方面具有良好的前景和潛力，這可能將導(dǎo)致儲糧蟲霉防治策略發(fā)生重大改變。本文對納米材料在儲糧中抑制蟲霉的相關(guān)研究進行了綜述，以期為儲糧蟲霉防治提供新的思路，達到有效防治蟲霉的效果，減少蟲霉造成的儲糧損失，保證儲糧的儲藏安全，做到綠色儲糧。