黃腐酸鉀作為分散劑用于10%阿維菌素懸浮劑的開發(fā)

李浩林, 張大俠, 于 建, 張 鵬, 李北興, 慕 衛(wèi), 劉 峰*,

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院 農(nóng)藥毒理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；2. 福建農(nóng)林大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院閩臺(tái)作物有害生物生態(tài)防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350002；3. 山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司，山東 泰安 271699；4. 濟(jì)南天邦化工有限公司，濟(jì)南 251600)

黃腐酸鉀源于腐植酸，目前廣泛用作葉面肥和功能水溶肥，能促進(jìn)植物生長及提高抗逆能力，對(duì)作物抗旱能力的提升有重要作用，而且具有增產(chǎn)和改善作物品質(zhì)的作用。黃腐酸作為腐植酸中的活性組分[1-2]，來源廣泛，普遍存在于泥炭、褐煤和風(fēng)化煤中[3]，作為肥料使用時(shí)，一般從腐植酸中提取并通過與氧化鉀反應(yīng)制成黃腐酸鉀[4]。黃腐酸鉀是一種多價(jià)酚型芳香族化合物與含氮化合物的縮聚物[5]，外觀為棕褐色粉末，無毒副作用。據(jù)報(bào)道，腐植酸類物質(zhì)與農(nóng)藥混用具有增效作用，如將黃腐酸與殺蟲脒復(fù)配，在施用劑量減半的情況下，對(duì)二化螟和稻縱卷葉螟的防效仍可提高20%～30%；腐植酸與百菌清復(fù)配后，對(duì)尖鐮孢菌Fusarium oxysporum的抑制率可提高10%～20%[6]。

阿維菌素作為具有殺蟲、殺螨及殺線蟲活性的十六元大環(huán)內(nèi)酯類化合物[7]，對(duì)螨類、線蟲和昆蟲具有胃毒和觸殺作用[8]，常用于葉面噴霧。前期本研究團(tuán)隊(duì)在探究黃腐酸鉀能否使阿維菌素增效的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，黃腐酸鉀雖然未能提高阿維菌素對(duì)害蟲的活性，但是將兩者混用卻能夠提高阿維菌素原藥在稀釋液中的分散性。

懸浮劑加工時(shí)無粉塵污染，且以水為分散介質(zhì)，環(huán)境相容性好，近年來在國內(nèi)發(fā)展迅速[9]。由于懸浮劑為不穩(wěn)定的多相體系，為防止藥劑研磨后出現(xiàn)顆粒團(tuán)聚，保證其懸浮性能，配方中的分散劑發(fā)揮著重要作用[10-11]。目前常用分散劑主要為木質(zhì)素磺酸鹽、聚羧酸酯鈉鹽、十二烷基聚氧乙烯醚磷酸酯和多芳基酚聚氧乙烯醚磷酸酯等[12]。木質(zhì)素磺酸鹽類是應(yīng)用較為廣泛的分散劑[13-14]，其結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)和長碳鏈，以及羥基、醛基、酮基、羧基、甲氧基等多種官能團(tuán)[15-16]。從黃腐酸鉀的結(jié)構(gòu)可以看出，其中也含有羥基及羧基等官能團(tuán)[17-18]，據(jù)此推測如果將黃腐酸鉀作為分散劑用于農(nóng)藥制劑中，或許可以使制劑同時(shí)具有藥和肥的雙重功效。

本研究以10%阿維菌素懸浮劑為例，評(píng)價(jià)了黃腐酸鉀作為農(nóng)藥分散劑的可行性，以期為基于黃腐酸鉀的藥肥制劑的開發(fā)提供參考，同時(shí)也為拓展其應(yīng)用范圍提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 藥劑和儀器 95%阿維菌素 (abamectin，B1a) 原藥，河北興柏藥業(yè)集團(tuán)有限公司；5%阿維菌素懸浮劑 (SC)，海利爾藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司；黃腐酸鉀 [符合HG/T 5334—2018。以干基計(jì)，黃腐酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%～55%，鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～15%，余下組分為硫酸鹽等無機(jī)鹽，包括部分不溶于水的雜質(zhì)]，山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司；木質(zhì)素磺酸鈉85A (相對(duì)分子質(zhì)量 1.0 × 104～1.2 × 104，磺化度 0.85 mmol/g)，Meadwestvaco公司；乳化劑 OP-10、農(nóng)乳1602#及寧乳34#，淄博云川化工有限公司；黃原膠，淄博中軒生化有限公司；硅酸鎂鋁，中材礦物材料公司；乙二醇(分析純)，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；有機(jī)硅消泡劑X60，北京廣源益農(nóng)化學(xué)責(zé)任有限公司。

RW20 攪拌器，德國 IKA 公司；LS-POP(6)激光粒度分析儀，珠海歐美克儀器有限公司；DV-Ⅲ Ultra 流變儀，美國 Brookfield 公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；CX40 實(shí)驗(yàn)室生物顯微鏡，舜宇光學(xué)科技 (集團(tuán)) 有限公司；安捷倫1200高效液相色譜儀 (HPLC)，安捷倫科技有限公司。

1.1.2 生物試材 南方根結(jié)線蟲Meloidogyneincognita：于山東省齊河縣番茄日光溫室中采集感染的番茄植株根系，用NaClO溶液浸提蟲卵，將蟲卵鋪于加水培養(yǎng)皿中的尼龍篩 (孔徑30 μm) 上，于25 ℃下孵育。每天采集新生的二齡幼蟲，4 ℃保存，用于室內(nèi)試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 黃腐酸鉀對(duì)阿維菌素的分散能力測定 稱取1 g黃腐酸鉀與1 g有效成分的阿維菌素原藥，混勻，用去離子水補(bǔ)足至100 g體系后，研磨10 min，在400倍顯微鏡下觀察顆粒分布情況。以不添加黃腐酸鉀的處理為空白對(duì)照，以加入等量木質(zhì)素磺酸鈉的處理為陽性對(duì)照。

1.2.2 懸浮劑的制備 準(zhǔn)確稱取95%阿維菌素原藥10.53 g，一定量的黃腐酸鉀、OP-10、檸檬酸、黃原膠和硅酸鎂鋁，2 g乙二醇，加入砂磨杯中，用去離子水補(bǔ)足100 g，之后加入等體積的氧化鋯珠，于2 000 r/min下研磨1 h，即可得到10%阿維菌素懸浮劑[19]。

1.2.3 配方篩選

1.2.3.1 分散劑用量篩選 為了確定黃腐酸鉀的最佳添加量，按照1.2.2節(jié)中的方法，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、2%、3%和4%的黃腐酸鉀進(jìn)行10%阿維菌素懸浮劑的制備。采用激光粒度分析儀對(duì)制劑粒徑進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)不同用量黃腐酸鉀條件下的研磨效率。同時(shí)在顯微鏡下觀察制劑稀釋液顆粒的粒徑分布。

1.2.3.2 潤濕劑種類及用量篩選 為了確定適宜的潤濕劑種類及用量，在1.2.3.1節(jié)確定了最佳分散劑用量的基礎(chǔ)上，選擇常用乳化劑寧乳34#、農(nóng)乳1602#和OP-10，添加量分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1%和3%，按照1.2.2節(jié)中的方法制備得到6個(gè)10%阿維菌素懸浮劑。在研磨1 h過程中，每間隔10 min取樣1次，用激光粒度分析儀對(duì)制劑粒徑進(jìn)行分析，通過對(duì)比相同研磨時(shí)間下的制劑粒徑大小，評(píng)價(jià)不同種類及用量潤濕劑條件下的研磨效率。同時(shí)將制劑在54 ℃ ± 2 ℃下熱貯14 d，考察熱貯后制劑的析水率和懸浮率，評(píng)價(jià)不同種類及用量潤濕劑的效果。

1.2.3.3 增稠劑篩選 為了確定適宜的增稠劑種類及用量，在上述確定的最佳分散劑及潤濕劑條件下，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的黃原膠-硅酸鎂鋁 (配比見表1)，按照1.2.2節(jié)的方法制備10%阿維菌素懸浮劑。并在54 ℃ ± 2 ℃下熱貯24 h，對(duì)制劑的析水率進(jìn)行測定，篩選出最佳的增稠劑種類及用量。

表1 增稠劑添加方案Table 1 Schemes of adding thickener

1.2.3.4 其他組分用量篩選 為了確保制劑的低溫貯存穩(wěn)定性，通常需要加入防凍劑。選用常用防凍劑乙二醇，添加量分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、2%和3%，按照1.2.2節(jié)的方法制備懸浮劑，并對(duì)制劑冷貯后的性能進(jìn)行考察。

由于體系偏堿性易導(dǎo)致阿維菌素的分解[20]，因此需調(diào)節(jié)pH值，確保制劑有效成分穩(wěn)定。本研究采用添加1 mol/L的檸檬酸溶液調(diào)節(jié)制劑pH值，每次滴加20 μL，用實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)對(duì)制劑pH值進(jìn)行測定，確定檸檬酸溶液的最佳添加量。

1.2.4 添加黃腐酸鉀的必要性驗(yàn)證 考慮到潤濕劑同時(shí)也具有分散作用，為了排除潤濕劑對(duì)制劑分散性能的影響，將篩選后的優(yōu)選配方去除黃腐酸鉀組分后再進(jìn)行10%阿維菌素懸浮劑的制備。將所得制劑在54 ℃ ± 2 ℃條件下熱貯14 d，在0 ℃ ± 1 ℃條件下冷貯7 d后，觀察制劑的穩(wěn)定性，以驗(yàn)證添加黃腐酸鉀的必要性。

1.2.5 制劑理化性質(zhì)測定

1.2.5.1 持久起泡性 按GB/T 28137—2011[21]測定。

1.2.5.2 傾倒性 按GB/T 31737—2015[22]測定。

1.2.5.3 pH值 按NY/T 1860.1—2016[23]測定。

1.2.5.4 細(xì)度 按GB/T 16150—1995[24]測定。

1.2.5.5 黏度 按NY/T 1860.21—2010[25]測定，采用SC4-18轉(zhuǎn)子。

1.2.5.6 粒徑分布 采用激光粒度分析儀測定10%阿維菌素懸浮劑樣品的粒徑及其分布，重復(fù)測定3次，取平均值。

1.2.5.7 懸浮率 按GB/T 14825—2006[26]測定。

1.2.5.8 冷貯穩(wěn)定性 按GB/T 19137—2003[27]測定。

1.2.5.9 熱貯穩(wěn)定性 按GB/T 19136—2003[28]測定。

1.3 室內(nèi)活性測定

用無菌水將采用最優(yōu)配方制備的10%阿維菌素懸浮劑分別稀釋配制成2.5、1.25、0.5、0.25及0.1 mg/L系列質(zhì)量濃度的藥液。采用24孔養(yǎng)蟲板，每孔加入500 μL不同濃度藥液及等體積的二齡南方根結(jié)線蟲懸浮液，于25 ℃條件下保濕培養(yǎng)。每個(gè)濃度重復(fù)3次，以無菌水處理為空白對(duì)照。分別在處理后12 h及24 h檢查線蟲幼蟲的存活及死亡數(shù)量，計(jì)算死亡率。線蟲僵直不動(dòng)為死蟲，呈彎曲蠕動(dòng)狀態(tài)為活蟲。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

采用SPSS (V20.0) 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所有圖表均使用Origin 8.0軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃腐酸鉀對(duì)阿維菌素原藥的分散能力

與空白對(duì)照及添加等量木質(zhì)素磺酸鈉的陽性對(duì)照組的顆粒分布情況 (圖1) 比較發(fā)現(xiàn)，空白對(duì)照組制劑顆粒存在團(tuán)聚現(xiàn)象，而添加黃腐酸鉀與木質(zhì)素磺酸鈉的制劑顆粒均分布均勻。表明黃腐酸鉀同木質(zhì)素磺酸鈉一樣，有助于提高阿維菌素原藥的研磨效率，并可使顆粒分散均勻。

2.2 黃腐酸鉀用量對(duì)阿維菌素懸浮劑粒徑的影響

將1.2.3.1節(jié)中添加不同量黃腐酸鉀制備所得4個(gè)制劑同等倍數(shù)稀釋后，在400倍顯微鏡下觀察(圖2A)，可以看出阿維菌素原藥顆粒分散均較為均勻。利用激光粒度分析儀測定制劑粒徑，結(jié)果(圖2B) 表明，隨著黃腐酸鉀添加量升高，制劑粒徑逐漸降低，表明其研磨效率隨著黃腐酸鉀用量的增加逐步升高。其中黃腐酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%和4%的 2 個(gè)制劑，其粒徑D90值無顯著性差異 (P>0.05)，但與黃腐酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%和2%的 2 個(gè)制劑間有顯著性差異 (P>0.05)，且其粒徑范圍在0～3 μm 之間，達(dá)到懸浮劑的粒徑要求[29]。綜合考慮成本因素，最終確定黃腐酸鉀的適宜添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%。

2.3 潤濕劑的確定

利用激光粒度分析儀測定1.2.3.2節(jié)中制得的6個(gè)10%阿維菌素懸浮劑的最終粒徑。結(jié)果(圖3A)表明，在確定黃腐酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%條件下，經(jīng)過1 h的研磨，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3% OP-10、1% OP-10和3%農(nóng)乳1602#的3個(gè)制劑的粒徑小于其他3個(gè)制劑，且這3個(gè)制劑之間D10、D50以及D90值差異不顯著 (P> 0.05) (圖3B)。

如圖4所示，將1.2.3.2節(jié)中所得6個(gè)配方制劑在54 ℃ ± 2 ℃下熱貯14 d，其中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% OP-10的制劑析水率最低。各制劑達(dá)到最小粒徑時(shí)所用的研磨時(shí)間見表2，從中可看出：6種制劑的粒徑均在40～60 min左右達(dá)到最小值，其研磨效率相差不大；熱貯14 d后，添加1% OP-10的制劑析水率最低，為50.62% ± 1.07%，且6個(gè)配方制劑的懸浮率均大于94%。

表2 熱貯14 d后不同配方10%阿維菌素懸浮劑的各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 2 Indexes of abamectin 100 SC with different formulations after hot storage for 14 days

綜上可見，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的OP-10時(shí)，所得制劑粒徑最小且符合要求，同時(shí)熱貯14 d 后的析水率也最低，因此最終選擇1% OP-10作為潤濕劑。

2.4 增稠劑的確定

按1.2.3.3節(jié)中所述方案配制10%阿維菌素懸浮劑，觀察熱貯24 h后制劑的析水率及流動(dòng)性。結(jié)果 (表3) 表明，只有方案5所得制劑未發(fā)生分層且具有良好的流動(dòng)性，所以確定選擇方案5，即最終配方中適宜的增稠劑用量為黃原膠0.15%-硅酸鎂鋁0.5%。

表3 熱貯24 h后不同配方10%阿維菌素懸浮劑的穩(wěn)定性及流動(dòng)性Table 3 Water extraction rate and fluidity of abamectin 100 SC with different formulations after heat storage for 24 hours

2.5 其他組分用量確定

2.5.1 防凍劑及消泡劑 研究表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的乙二醇可以有效保證制劑的冷貯穩(wěn)定性，0.1%的有機(jī)硅X60可有效抑制制劑氣泡的產(chǎn)生。

2.5.2 pH調(diào)節(jié)劑 結(jié)果見圖5，當(dāng)檸檬酸溶液滴加量為100 μL，折算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)，制劑pH值符合要求[30]。

2.6 10%阿維菌素懸浮劑的優(yōu)選配方

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，最終得到10%阿維菌素懸浮劑的優(yōu)選配方 (表4)。優(yōu)選配方下所得制劑外觀見圖6，54 ℃ ± 2 ℃下熱貯14 d后制劑無明顯析水。

表4 10%阿維菌素懸浮劑優(yōu)選配方Table 4 Abamectin 100 SC optimization formula

2.7 10%阿維菌素懸浮劑的質(zhì)量控制指標(biāo)

按照1.2.5節(jié)方法，對(duì)采用優(yōu)選配方制備的10%阿維菌素懸浮劑的持久起泡性、傾倒性及pH值等性能指標(biāo)進(jìn)行測定，結(jié)果見表5，均達(dá)到懸浮劑的基本要求[30]。

表5 10%阿維菌素懸浮劑質(zhì)量控制指標(biāo)Table 5 Physical and chemical properties of abamectin 100 SC

采用激光粒度分析儀測得優(yōu)選配方制劑粒徑的D50值為 (1.50 ± 0.03) μm (圖7A)；通過流變儀測得不同剪切速率下制劑的黏度范圍為16.50～146.28 mPa·s，表明其存在明顯的剪切稀化現(xiàn)象(圖7B)。

2.8 黃腐酸鉀對(duì)制劑貯存穩(wěn)定性的作用

按照1.2.2節(jié)方法制備得到的制劑在54 ℃ ±2 ℃條件下熱貯14 d后，在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，不添加黃腐酸鉀的空白對(duì)照制劑顆粒發(fā)生了嚴(yán)重的團(tuán)聚，同時(shí)伴隨晶體長大現(xiàn)象 (圖8A)，而添加了黃腐酸鉀的制劑中藥劑顆粒分布均勻 (圖8B)，表明黃腐酸鉀在制劑穩(wěn)定性方面發(fā)揮了重要作用。

2.9 10%阿維菌素懸浮劑對(duì)南方根結(jié)線蟲的室內(nèi)活性

由表6可以看出，添加黃腐酸鉀后制備的阿維菌素懸浮劑與常規(guī)商品制劑對(duì)南方根結(jié)線蟲的活性相當(dāng)，表明以黃腐酸鉀作為分散劑對(duì)制劑的活性沒有影響。

表6 阿維菌素懸浮劑對(duì)南方根結(jié)線蟲的室內(nèi)活性Table 6 Indoor activity of abamectin SC against Meloidogyne incognita

3 結(jié)論與討論

本研究將黃腐酸鉀作為分散劑應(yīng)用到阿維菌素懸浮劑制劑加工中，與潤濕劑OP-10、增稠劑黃原膠和硅酸鎂鋁組合，搭配乙二醇和檸檬酸，通過研磨能夠獲得理化性能良好的阿維菌素懸浮劑。優(yōu)選后的配方 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 為黃腐酸鉀3%，OP-10 1%，黃原膠0.15%，硅酸鎂鋁0.5%，檸檬酸0.02%，乙二醇2%，消泡劑X60 0.1%。

目前生產(chǎn)上對(duì)分散劑的要求主要包括綠色環(huán)保、成本適中、分散懸浮性能好和貯存穩(wěn)定性好[31-33]，在性能方面一般要求其能夠牢固吸附在農(nóng)藥有效成分粒子表面，提供必要的靜電斥力和位阻障礙，防止顆粒聚集合并，以便藥液能夠在水中懸浮[34]。本研究表明，利用黃腐酸鉀能夠制備出性能穩(wěn)定的10%阿維菌素懸浮劑，表明其符合農(nóng)藥分散劑的要求，具有一般分散劑的性能。但按照阿維菌素田間推薦用量對(duì)所得制劑進(jìn)行稀釋后，黃腐酸鉀的質(zhì)量濃度僅為3.33 mg/L，而其葉面施用的推薦質(zhì)量濃度在10～100 mg/L之間，田間沖施用量為150～225 kg/hm2，因此本研究開發(fā)的10%阿維菌素懸浮劑尚不能達(dá)到同時(shí)具備藥肥雙效的預(yù)期，未來可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景 (土壤或葉面) 對(duì)藥劑和肥料的劑量需求，通過合理調(diào)節(jié)兩者的比例來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。至于黃腐酸鉀是否適用于制備其他不同類型的農(nóng)藥懸浮劑，以及其對(duì)農(nóng)藥有效成分的分散穩(wěn)定作用機(jī)理等還有待進(jìn)一步明確。