生物農藥辣椒素在農業領域的研究進展

王寅敏，徐 勇，張泗達，李海蕓，段福俊，吳學民*，徐建富*

（1.中國農業大學理學院，北京100193；2.國民核生化災害防護國家重點實驗室，北京102205）

農藥作為重要的農業生產資料，在農產品生產以及林業、草原和衛生害蟲防控等方面發揮著重大作用，尤其是化學農藥，其具有見效快，防效高等特點，在防治病蟲草鼠害中被廣泛使用，但由于其過量使用所導致的問題越來越突出，如農藥殘留超標、產生抗藥性、殺傷有益生物等。二十一世紀以來，隨著全球對環境保護和農產品安全的日益關注以及可持續發展戰略的興起，利用對環境友好、生態和諧和有利食品安全等措施來防控農作物病蟲害已經成為了世界農業發展的新趨勢，這就要求農藥必須向低毒、無公害方向發展。生物農藥正是這樣一類既滿足上述要求又與環境相容的綠色農藥。與化學農藥相比，其具有選擇性強、無污染、不易產生抗藥性、不破壞生態環境且生產原料廣泛等特點，應用前景廣闊。

1 生物農藥及辣椒素簡介

1.1 生物農藥簡介

1.1.1 生物農藥定義

目前，對于生物農藥或者生物源農藥沒有相對統一的定義。學術界普遍認為廣義的生物農藥是指直接利用生物活體或生物代謝過程產生的具有生物活性的物質，或從生物體提取的物質，以及人工合成的與天然化合物結構相同的物質，作為防治農林作物病、蟲、草、鼠害的農藥[1]。我國并沒有明確生物源農藥或生物農藥的定義[2]。根據農業農村部種植業管理司對十三屆全國人大二次會議第6733號建議的答復，我國將生物農藥分為3類：生物化學農藥、微生物農藥和植物源農藥，農用抗生素不包括在內[3]。對于這3類生物農藥，我國在2017年實施的《農藥登記資料要求》中分別進行了定義。生物化學農藥是指同時滿足下列2個條件的農藥：一是對防治對象沒有直接毒性，而只有調節生長、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，其結構應與天然化合物相同（允許異構體比例的差異）。微生物農藥是指以細菌、真菌、病毒和原生動物或基因修飾的微生物等活體為有效成分的農藥。植物源農藥是指有效成分直接來源于植物體的農藥。

1.1.2 生物農藥的登記情況

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

圖1 2016—2020年我國生物農藥有效成分登記數量

作為最早使用的一類生物農藥，植物源農藥的有效成分多為植物在進化中產生具有保護作用的次生代謝物質，這些物質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物數量龐大、種類繁多，如萜烯類、生物堿、類黃酮、甾體、獨特的氨基酸和多糖等[6]，而這些物質對非靶標生物毒性較低，并且易降解，不會對環境和生態系統造成持久性影響，安全性較高。

截至2020年底，我國在登記有效期內的植物源農藥有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]。不過也有不少已成功進入登記應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。由于市場等多方面原因，在登記到期后未能延續[8]。

1.2 辣椒素簡介

辣椒素，是一種從茄科植物辣椒的成熟果實中提取得到的有效成分，最早由Thresh[9]于1876年從辣椒果實中分離出來，是辣椒辛辣味和具有藥物功能的主要來源，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

辣椒素純品化學名稱為(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，相對分子質量為305.41，結構式如圖2所示。其純品為單斜長方形狀無色結晶，無毒，但刺激性較強，熔點為62～66℃，沸點為210～220℃，其化學穩定性較高，在各種有機溶劑萃取過程中損失極小，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 辣椒素結構式

1.2.2 辣椒素的生物活性

辣椒素具有止痛[10]、抗癌[11]、調節血脂[12]、抗菌消炎[13]、減肥[14]等作用，還可導致皮膚血管擴張、改善微循環，又能利用其刺激性辣味對人和動物產生一系列生理反應和驅避作用[15]。因此，辣椒素廣泛應用在醫療、美容、有害生物防治、食品添加劑等領域。

2 辣椒素在農業領域的應用情況

作為一種從植物果實中提取出來的有效成分，由于其獨特的抗蟲抑菌活性，辣椒素被認為是一種良好的生物農藥。美國環保局（EPA）認為，作為一種傳統食物，沒有發現辣椒素對人體有害的證據，并于1991年將辣椒素類化合物認定為生物農藥[16]，且免除其在蔬菜、水果上殘留量的限制，應用于生物防治領域。在我國，辣椒素作為植物源農藥有效成分，也已經成功進入登記應用階段。

2.1 殺蟲作用

辣椒素類物質對害蟲的觸殺作用明顯，害蟲與辣椒素類物質接觸后即表現麻痹（不活動、不取食）、癱瘓、最終死亡的現象。其對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受阻而引起生理病變，生長發育受到抑制而死亡。

Claros等[17]研究了辣椒素和芥子油苷對蚜蟲的殺蟲活性。室內試驗表明，2種活性成分對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%芥子油苷復配溶液作用于蚜蟲時，蚜蟲死亡率在83%～99%；田間試驗發現，噴灑5%辣椒素、50%芥子油苷或5%辣椒素和45%芥子油苷復配的溶液，蚜蟲死亡率達到87%～97%。劉新等[18]對辣椒素類物質對桃蚜的生物活性及其于幾種殺蟲劑的聯合作用進行了研究。結果表明，辣椒素類物質對桃蚜具有較強的毒力和良好的防效，當辣椒素質量濃度為20 mg/L時，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%，并且在與其他農藥復配時，辣椒素類物質與阿維菌素和三唑磷復配增效明顯，而辣椒素類物質與高效氯氰菊酯復配，拮抗作用明顯。Isaacs等[19]通過對辣椒堿及傳統的殺蟲劑，如谷硫磷、吡蟲啉等對葡萄及玫瑰害蟲的作用效果對比，發現辣椒堿與其他生物殺蟲劑類似，其速效性和持效性與傳統的高毒農藥相比，無明顯優勢，但對環境安全。作為一種植物源殺蟲劑，辣椒素具有安全、低毒的特點，但藥效不如化學農藥顯著。目前文獻報道的大多數研究僅限于辣椒粗提物或辣椒素類似物，因此有必要做進一步的研究，驗證辣椒素單體的殺蟲活性。

2.2 殺菌作用

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

關于辣椒堿抑菌作用的早期文獻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種菌進行了抑菌試驗，辣椒堿對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，而對其他試驗菌沒有抑菌效果，高于此濃度范圍則對實驗菌均有明顯抑制效果。吳影等[24]以7種實驗菌種生長情況為依據，認為辣椒堿對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，對前5種菌株的抑菌效果較明顯。王夢等[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細菌和真菌的抑制效果，其結果表明，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。進一步比較發現，辣椒堿單體對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。總的來說，辣椒素對球菌、桿菌、弧菌（螺旋菌）具有良好的抑制作用，對霉菌、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，辣椒素還具有驅避作用。辣椒素具有強烈的刺激性，可以用作鳥類、動物和昆蟲的驅避劑，其特點是藥效高、持效長、可降解，而且不會對哺乳動物造成持久性的傷害，是一種新型的生物農藥[26]。

陳渠玲等[27]對湖南省望城縣農村的老鼠進行了密度調查和鼠種分類，并展開以辣椒素為主要成分的農村儲糧害鼠防制劑的研究。試驗結果表明，辣椒素對儲糧害鼠有良好的驅避效果。使用0.2%辣椒素對農村儲糧害鼠防護期超過349 d。楊衛東等[28]通過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證明，辣椒素對小鼠具有驅避性質，且在濃度低至1%時，驅避效果仍然顯著，并且能夠維持效果長達一周。

3 辣椒素的農藥劑型

辣椒素因其獨特的殺蟲抑菌和驅避作用，在農業領域具有良好的應用前景。目前，僅有辣椒素乳油、微乳劑等劑型被開發，這極大地限制了辣椒素在農業中的應用，因此需要開發更加高效環保的辣椒素制劑，擴展辣椒素在農業領域的應用。辣椒素化學穩定性較好，可溶于大部分有機溶劑，難溶于水，可以開發乳油、微膠囊懸浮劑等常規農藥劑型，也可以開發納米乳、納米分散體等納米農藥劑型。

3.1 常規農藥劑型

3.1.1 乳油

乳油因加工工藝簡單，產品穩定性好，使用方便，生物活性高等優點，一直以來都是農藥制劑的注藥劑型之一。辣椒素易溶于大多數有機溶劑，且化學穩定性好，因此可以采用環保溶劑來開發辣椒素乳油制劑，避免使用有害溶劑，降低乳油中有機溶劑對人體健康、安全和環境的危害。可采用的綠色環保溶劑主要有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植物中提取的低毒類天然產物，可生物降解，對環境污染較小，并且對大多數疏水性的農藥原藥有良好的溶解性；二是礦物源溶劑，主要為飽和的環烷烴與鏈烷烴混合物，如埃森克美孚公司生產的高沸點重芳烴溶劑油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，且對多種農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，對大多數農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勢[29]。因此，利用這些環保溶劑，開發環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，大小一般在微米級范圍（1～400 μm），而辣椒素本身具有強烈的刺激性，因此可以利用一些天然高分子材料，如環糊精、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，延長其持效期，從而可減少施藥的數量和頻率。此外，天然的高分子材料具有無毒、可降解等特性，有利于生態和環境保護，這對于農藥低毒、無毒化發展具有重要意義。

3.2 納米農藥劑型

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相對穩定的均相分散體系[30]。辣椒素單體化學穩定性較高，在極性溶劑中溶解度較好，因此可利用環保型溶劑和易生物降解的表面活性劑來開發辣椒素納米乳。與乳油相比，其不僅可以降低其溶劑和乳化劑的使用量，更加安全環保，而且由于其較小的液徑，藥效也將進一步提高。開發辣椒素納米乳，有助于提高這類生物農藥的藥效以及擴展其使用農藥劑型和使用場景。

3.2.2 納米分散體

納米分散體是將難溶于水的有機農藥化合物，利用研磨、熔融乳化法、微沉淀法、溶劑揮發法結合噴霧干燥、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]。辣椒素單體熔點較低、穩定性好，可應用熔融乳化法結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，還可以提高在運輸和儲存過程中的穩定性和安全性。此外，固體納米分散體還可以通過直接噴粉施藥對溫室大棚中的病蟲害進行防治，避免由噴霧施藥引起的大棚濕度增加而導致病蟲害嚴重化。

辣椒素由于具有良好的抑菌抗蟲作用，開發適合的劑型是辣椒素在農業領域中應用的關鍵環節，尤其是在細菌病害的防治和糧食儲藏安全等方面。乳油和微膠囊懸浮劑屬于常規尺寸制劑。乳油加工工藝簡單，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，可以更好地發揮其藥效，從而能降低辣椒素的施藥量，達到減量增效的目的。

4 展 望

隨著人們健康環保意識的加強，低殘留、高效的綠色環保型農藥越來越受關注。農業農村部提出農藥使用量要達到零增長，倡導建立資源節約型和環境友好型的生態文明和綠色生產。生物農藥由于其選擇性強，對環境危害小，原料廣泛等特點，將會在未來的有害生物防治中扮演越來越重要的角色。辣椒素對害蟲具有良好的觸殺與驅避作用，并且對多種真菌和細菌都具有較好的抑菌作用，是一種良好的植物源農藥。其低毒性、易降解的優點，在有害生物的生物防治領域具有廣闊開發前景。因此，針對辣椒素這類天然的植物源農藥活性成分，開發其適合的劑型，擴展其在農業領域的應用場景，將有助于農藥的低毒、低殘留化以及推動生態農業的可持續發展。