茶树油纳米乳液的设计、性质表征及其在种子储存保护中的生物有效性

《Sustainable Materials and Technologies》：Design, characterization and bio-efficacy of tea tree oil nanoemulsion for stored seed protection

　　

摘要

储粮的产后损失仍然是全球粮食安全面临的重大挑战，尤其是在存储基础设施和害虫管理措施不完善的发展中地区。茶树精油（TTO）是一种可再生的植物源生物农药，具有很强的杀虫、抗真菌和抗氧化特性。GC–MS分析鉴定出几种具有潜在杀虫活性的植物化学成分。计算机模拟分子对接研究进一步揭示了TTO主要成分与关键代谢和神经靶蛋白之间的相互作用，为它们的杀虫潜力提供了佐证。然而，TTO的实际应用受到其高挥发性和在不同环境条件下的稳定性较差的制约。为了克服这些限制，通过超声波技术制备了纳米乳剂，并将其与精油和宏观乳剂配方进行了比较评估。该研究采用了完全随机设计，对比了TTO、宏观乳剂和TTO纳米乳剂配方。优化的TTO纳米乳剂的物理化学特性表现为纳米级液滴尺寸（134.3 nm）、高物理稳定性（ζ电位?42.2 mV），此外FT-IR分析表明配方成分之间存在分子间相互作用，进一步证明了茶树精油能够顺利融入纳米乳剂体系。比较生物测定显示纳米乳剂的杀虫活性更优（LC??值为23.78 μL/100 g种子），分子对接分析以及酶活性变化（AChE活性从对照组的20.48 mOD/min/mg蛋白下降到LC??和LC??时的7.71和5.87 mOD/min/mg蛋白）表明中可能存在多种解毒和神经生理途径参与其中。此外，纳米乳剂还对具有抑制作用，且未对种子发芽和幼苗生长产生不良影响。总体而言，本研究表明TTO纳米乳剂可能作为一种有前景的植物基储粮害虫管理制剂，但还需进一步研究以确认其在实际存储条件下的有效性。

引言

保护储粮对于确保全球粮食安全和产后可持续性至关重要[1]。在各种害虫中，米象虫（Sitophilus oryzae Linnaeus, 1763）是对储粮危害最大的昆虫之一，会导致粮食和种子的重量、营养价值、发芽潜力及市场价值大幅下降[2],[3],[4]。传统的防治方法主要依赖合成熏蒸剂和接触性杀虫剂。尽管这些方法有效，但长期使用带来了多重问题，如害虫抗药性、残留物积累和环境污染[5],[6]。这些挑战凸显了迫切需要更安全、可持续且对环境友好的储粮害虫管理替代方案[7],[8]。在这种背景下，植物源精油（EOs）受到了越来越多的关注。这些天然产物含有多种生物活性萜烯和酚类物质，可干扰昆虫生理，发挥驱虫、熏蒸和抑制酶的作用。它们可生物降解，作为综合害虫管理计划中的补充成分，有助于减少对合成杀虫剂的依赖。然而，由于水溶性差、高挥发性和光热降解等实际限制，其大规模应用仍受到阻碍[9],[10]。

材料科学和纳米技术的进步为克服这些限制带来了新机遇。纳米乳剂（NE）技术为稳定和有效输送EOs提供了可行的策略。纳米乳剂由纳米级的油滴在表面活性剂的辅助下分散在水溶液中构成。极小的液滴尺寸增加了与昆虫表皮的接触面积，有助于更好地附着和可控释放生物活性化合物。此外，纳米乳剂提高了物理稳定性，减少了蒸发损失，并在储存过程中保持了长期的活性[9],[11],[12],[13],[14]。在各种制备技术中，超声波（超声化学）乳化方法因其清洁和节能特性而脱颖而出[15]。超声波产生强烈的空化作用，将油滴破碎成纳米级颗粒，无需加热或使用有毒溶剂即可生成稳定的乳液。这一过程快速且可重复，使得超声化学处理成为将天然油转化为适合农业应用的功能性纳米材料的有效途径[16],[17],[18],[19]。茶树油（TTO）（Melaleuca alternifolia）是极具潜力的杀虫精油之一，含有多种生物活性成分如α-萜品醇和萜品烯-4-醇，具有杀虫、抗真菌和抗氧化作用[9],[20],[21],[22],[23]。虽然已有研究探讨了茶树油的杀虫活性，但关于其纳米乳剂的研究主要集中在抗真菌和抗氧化特性上，其对抗储粮害虫的潜力尚未得到充分探索。基于纳米乳剂的配方能够有效稳定TTO，提高其生物利用度和残留效果。因此，本研究旨在制备富含萜烯的TOE超声化学纳米乳剂，以控制储藏玉米种子中的。该配方旨在提升稳定性、分散性及降低使用浓度下的毒性，从而实现储藏条件下的害虫管理。同时，研究还评估了其抗真菌活性及其对种子质量的影响，全面评估了其作为种子保护剂的潜力。

部分片段

化学物质

TTO由印度中央邦的Exotic Aromas Pvt. Ltd.提供。乳化剂Tween 80（聚氧乙烯山梨醇单油酸酯）和Span 80（山梨醇单油酸酯）从印度Sigma-Aldrich Pvt. Ltd.购买。Deltamethrin 2.8% EC由印度Bayer CropScience Ltd.提供。所有用于检测解毒酶（谷胱甘肽S-转移酶（GST）、羧酸酯酶（CarE）、细胞色素P450（Cyt P450）及神经酶乙酰胆碱酯酶）的化学物质和试剂均来自同名公司。

TTO的植物化学特性

GC–MS分析显示TTO是由34种化合物组成的化学多样性混合物，包括酯类、醇类、单萜烃、氧化单萜和倍半萜（见补充表1），其中11种化合物具有杀虫活性（表1，图1）。主要成分包括α-萜品醇（29.32%）、3-蒎烯（17.00%）和萜品烯-4-醇（6.98%）。本研究中观察到的化学组成与先前报道一致。

结论

本研究表明，茶树精油纳米乳剂（TTO NE）作为一种实用的植物基储粮害虫管理制剂具有良好效果。通过纳米化处理、表面活性剂稳定化和可控超声处理，优化后的纳米乳剂形成了均匀且物理稳定的液滴，提高了活性成分的生物利用度。该配方显著增强了对的杀虫效果，并影响了其神经系统和解毒机制。

CRediT作者贡献声明

Samyuktha Senthil Kumar Sakthiyavathi：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、数据整理。Kannan Malaichamy：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、数据分析、概念构思。Dineshkumar Selvaraj：初稿撰写、可视化处理、验证、资源协调、方法设计。Vishnu Murugesan：初稿撰写、验证、资源协调、实验设计。Madesh Kamalakannan：验证、实验设计、数据分析。

利益冲突声明

作者声明本人不存在可能影响本论文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢印度泰米尔纳德邦哥印拜陀泰米尔纳德农业大学植物保护研究中心农业昆虫学系提供的实验设施支持。

作者名单：Samyuktha Senthil Kumar Sakthiyavathi | Kannan Malaichamy | Dineshkumar Selvaraj | Vishnu Murugesan | Madhesh Kamalakannan | Soundararajan Raga Palanisamy | Anand Theerthagiri | Raghu Rajasekaran | Govindaraju Kasivelu | Muralitharan Venkidusamy 印度泰米尔纳德邦哥印拜陀泰米尔纳德农业大学农业昆虫学系，邮编641 003