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

(河南工業大學糧油食品學院1，鄭州 450001) (江蘇科技大學糧食學院2，鎮江 212000)

我國每年有數億噸糧食儲備，雖然近年來糧食儲藏技術和基礎設施有了很大提高，但是在糧食儲藏期間由于霉變、蟲害及它們產生的有害物質，造成一定的損失[1,2]。對于儲糧害蟲來說，由于長期依靠化學藥劑防治，使儲糧害蟲產生了嚴重的抗藥性，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]。盡管化學藥劑對蟲霉有一定的抑制效果，但是由于存在不科學使用的情況，造成蟲霉的爆發和猖獗[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，開展針對減少化學藥劑使用或者化學藥劑的替代技術的研究已經成為糧食儲藏技術的的迫切需求。

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用，起到增強殺蟲效果、延長有效時間、降低用藥量、減少環境污染等作用[8,9]。由于儲糧環境是一個人工的半開放生態系統，可以為納米材料的作用發揮提供一個更加穩定的環境，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層[12,13]，造成體內水分流失，導致害蟲脫水死亡[14]，殺蟲效果十分顯著。經過納米氧化鋁(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致其子代數量大幅度降低，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 納米材料可用作農藥的遞送載體

納米材料通過吸附、共價結合、膠囊化和交聯作用等方式[22]，可以提高殺蟲活性物質的穩定性[23]。以納米材料作為農藥的遞送載體，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)提取物的納米脂質體(Nano liposomes)、結合孜然(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導致害蟲死亡[27,28]，經過石墨烯量子點(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藥殺蟲的穩定性和利用率。因此，以納米材料作為農藥的載體，具有良好的增強藥效作用[34]，可以減少農藥的使用量[35]，降低農藥對儲糧的污染。

1.3 納米材料作為農藥的緩釋劑

納米材料對農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修飾，發展為響應型控釋系統。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(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，能有效解決農藥中殺蟲活性成分釋放速度過快、藥效持續時間短的問題。

對納米材料進行特定修飾，可以做到響應釋放，有利于提高特定環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)、經過化學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、降低毒性對環境的污染等優點。

1.4 納米材料與RNA干擾技術(RNAi)結合在儲糧害蟲防治中的應用

納米材料與RNA干擾技術(RNAi)相結合，可以提高RNA干擾技術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的磷酸基團結合，形成穩定的復合物，在表面保留有正電荷，與細胞膜表面的負電荷相互作用，可通過細胞的內吞作用進入細胞內[44]，形成包含復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，進而引起害蟲的RNAi反應[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現了熒光，而飼喂單獨dsRNA的試蟲在相同區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或者細胞內的各種酶降解[48]。重鏈結合蛋白基因(Bip)的dsRNA與BAPCs結合形成的復合物，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]。這些結果表明，納米材料遞送dsRNA，可以防治dsRNA在害蟲體內的降解，提高RNAi的效果。總的來說，由納米材料介導的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在儲糧害蟲防治中的應用和發展。

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(10～100 nm)和表面效應，可以穿透細胞壁和細胞膜，進入細胞內對生理代謝進行擾亂，導致真菌失去活性，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)，體內產生過量活性氧，致使煙曲霉死亡[52]。青霉菌(Penicillium)在ZnO-NPs處理前后，菌體中與氧化應激相關的基因發生了顯著上調，通過誘導氧化應激損傷菌體來抑制增殖[53]。經過碳基納米材料(石墨烯和氧化石墨烯)處理的真菌體內磷酸酶、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、持續時間長、使用劑量低等優點。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30 d內均持續低于對照組[57]，且在低劑量(100 μg)下，對黑曲霉表現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合成金屬納米材料的新技術備受關注，它們的成本更低廉且對環境友好[59]。新鮮番茄提取物中的蘋果酸和檸檬酸是植物介導合成納米銀(Silver nanoparticles, Ag-NPs)的驅動力，將Ag+還原產生10 nm的球形單質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種蛋白質與納米金、Ag-NPs的合成緊密相關[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、真菌體內含有的硝酸還原酶，可以將電子從還原性物質(NADH等)轉移至金屬離子，是生成納米材料的關鍵物質之一[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]。生物源介導合成的納米材料對儲糧霉菌都具有優異的抑菌活性，而這種合成技術為納米材料的大規模生產提供了一種綠色安全、經濟高效的合成方法，將會更好地推動納米材料在抑制儲糧蟲霉的應用發展。

3 總結與展望

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

納米材料在開發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，這可能將導致儲糧蟲霉防治策略發生重大改變。本文對納米材料在儲糧中抑制蟲霉的相關研究進行了綜述，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。