《ACS Agricultural Science & Technology》：Eudragit L100 as a Polymeric Matrix for the Controlled Release of Thyme Essential Oil (Thymus vulgaris) with Antifungal Activity in Maize Seed Coating Applications
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玉米种子萌发过程中的真菌污染是一个重大农业挑战，而农业高度依赖对环境与健康构成风险的合成杀真菌剂。本研究开发了一种可持续的控释聚合物种子包衣，以减轻内生真菌生长而不损害种子活力。研究人员制备了基于甲基丙烯酸–甲基丙烯酸甲酯共聚物(Eudragit L100)并
玉米种子萌发过程中的真菌污染是一个重大农业挑战，而农业高度依赖对环境与健康构成风险的合成杀真菌剂。本研究开发了一种可持续的控释聚合物种子包衣，以减轻内生真菌生长而不损害种子活力。研究人员制备了基于甲基丙烯酸–甲基丙烯酸甲酯共聚物(Eudragit L100)并掺入0、10、20和30 wt%百里香精油(TEO)的聚合物制剂，利用旋转鼓包衣机均匀包覆玉米种子。理化表征确认了精油在聚合物基质中的均匀掺入且未损害聚合物完整性。TEO的释放动力学显示以费克扩散机制为主导。研究人员采用Korsmeyer–Peppas模型拟合数据，各制剂在精油浓度降低时表现出逐渐减慢的释放曲线，144小时内释放总量低于5%。萌发试验显示，与对照相比，包衣种子的真菌发生率显著降低，平均减少约30%。尽管在最高精油含量下观察到总萌发率同步下降(归因于植物毒性效应)，聚合物包衣成功缓解了精油的高挥发性。与常规处理相比，将TEO掺入Eudragit L100提供了一种坚固且环保的屏障，可减少挥发损失同时维持控释特性。因此，需要优化精油含量以保持萌发性能，特别是在涉及延长种子贮藏的应用中。本研究证明了该系统作为农业种子保护可持续策略的潜力，可针对土传病原体提供持久防御。
# 论文解读：基于Eudragit L100的百里香精油控释玉米种子包衣体系的开发与评价
## 一、研究背景与意义
玉米是全球最重要的粮食作物之一，巴西作为世界主要玉米生产国，玉米产业对国民经济具有重要支撑作用，广泛用于牲畜饲料、人类食品以及饮料、生物能源和食品加工等工业原料。然而，玉米种子在贮藏和萌发过程中极易受到内生真菌的侵染，导致种子腐烂、活力下降和萌发率降低，这一问题对小农户的影响尤为严重。传统上，控制真菌污染最常用的方法是使用合成杀真菌剂，尽管其效果显著，但此类化合物会引发生物多样性降低、人类健康威胁以及真菌耐药菌株产生等环境与安全问题，且耐药性问题迫使农民不断提高施药剂量，进一步加剧环境和经济负担。虽然已有生物防治、物理处理及遗传抗性等可持续替代方案，但普遍存在田间表现不稳定、实施成本高或研发周期长等限制。因此，开发具有控释能力的植物源杀菌剂种子包衣体系，成为兼具广谱抗真菌活性、持久保护和环境友好特性的新型策略。
精油尤其是百里香精油(Thymus vulgaris)因其优良的抗真菌、杀虫和抗菌活性，已被广泛研究作为合成杀真菌剂的天然替代品。然而，精油固有的高挥发性，特别是其主要活性成分百里酚的挥发性，严重限制了其在开放环境中的稳定性和持效性。将精油掺入聚合物基质是实现控释和持续释放的有效策略。Eudragit L100作为一种甲基丙烯酸–甲基丙烯酸甲酯共聚物(1:1)，具有pH响应性溶解特性，在pH高于6.5的 aqueous 环境中溶解，而这一pH值与玉米种植的健康农业土壤接近，使其具备在土壤条件下实现可控释放的潜力。此外，Eudragit L100可溶于乙醇，这与百里酚的溶解特性相似，有利于二者的均匀混合。尽管聚合物流送系统在食品保鲜和包装领域已有成功应用，但将其转化为有效的农业种子处理技术仍面临土壤环境中复杂理化相互作用的挑战。目前鲜有研究将pH响应性合成聚合物与种子包衣技术相结合，在真实农业约束条件下系统评估其性能。因此，本研究针对这一知识空白，系统关联了聚合物组成、释放动力学与种子生物学表现，为功能性种子包衣的设计提供了综合框架。
## 二、主要技术方法
研究人员采用多种表征手段和实验体系开展研究。百里香精油中的百里酚含量通过气相色谱(GC)定量分析。聚合物薄膜的制备采用溶剂浇铸法，将Eudragit L100(15% w/v)溶解于无水乙醇中，分别掺入0、10、20和30 wt%的百里香精油，成膜后用于各项表征和释放研究。玉米种子包衣利用旋转鼓包衣机完成，以5 mL溶液处理25 g种子的比例均匀包覆。薄膜的理化性质表征包括：采用扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜断面形貌，热重分析(TGA)评估热稳定性，衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)分析化学结构。精油释放行为通过紫外–可见光谱(UV–Vis)在270.5 nm波长下监测百里酚的扩散进行评价，并使用Higuchi、Korsmeyer–Peppas和Peppas–Sahlin模型分析释放动力学机制。生物学评价方面，玉米种子(Zea mays L.)经1%次氯酸钠消毒处理后，设定了0、10、20、30 wt%精油包衣及未包衣对照共五组处理，每组50粒种子置于三层发芽纸上，在30°C BOD培养箱中萌发7天，重复三次，评价萌发率、14天后根长及真菌污染率。数据采用R软件4.0.2版本进行Scott–Knott检验(p < 0.05)统计分析。
## 三、研究结果
### 3.1 百里香精油表征
气相色谱分析显示，百里香精油在16.12分钟处出现与百里酚标准品一致的保留峰，定量确认精油中百里酚含量为24.4 wt%(244.4 mg/g)，略低于文献报道的典型值(30 wt%)，但仍可验证百里香精油作为活性抗真菌剂的有效性。薄膜中百里酚的定量分析进一步证实，所有含精油制剂均在16.12分钟处检测到保留峰，薄膜中百里酚含量范围为13.65至42.75 mg/g，证明精油在聚合物基质中的有效掺入。不含精油的对照薄膜在该保留时间处无信号，证实了方法的特异性。
### 3.2 薄膜表征
扫描电子显微镜(SEM)观察结果显示，所有制剂均呈现连续的内部分学结构，无明显相分离或大孔形成，表明Eudragit L100与百里香油具有良好的相容性，这与两者在乙醇中共同的溶解性一致。不含精油的薄膜呈现典型的脆性材料断裂面，表面相对光滑均匀。随着精油含量增加，薄膜表面逐渐出现褶皱、粗糙度增大，指示塑性变形机制的启动；10 wt%时褶皱初现，20 wt%时特征更为明显和广泛，反映延展性增加和断裂前能量耗散能力增强。30 wt%时表面呈现高度纤维状和空穴化形态，伴随显著变形，指示明确的韧性行为和更不均匀的微观结构。高浓度下可能形成富油微区，作为变形过程中的空穴成核位点。这些差异归因于精油的增塑效应。
热重分析(TGA)和微分热重(DTG)曲线显示，与粉末状Eudragit L100相比，聚合物薄膜的降解速度更快，归因于乙醇诱导的结构修饰。精油含量增加进一步加速质量损失，反映精油相对聚合物具有更高的挥发性，并降低了残炭率。然而，所有薄膜在150°C以下均保持优异稳定性，仅在100°C附近出现微小降解事件。这一热稳定性远高于大多数热带国家的平均土壤温度以及粮仓中谷物的最佳贮藏条件，表明其适用于农业应用。
傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析确认了百里香精油在Eudragit L100基质中的存在。百里香油的谱图显示了百里酚的特征官能团，包括1619和1585 cm?1处的C=C伸缩振动，以及1088、944和808 cm?1处的C–H面外弯曲振动峰。聚合物基体方面，原料粉末和加工薄膜均显示C–O–C伸缩振动(1150–1250 cm?1)和C=O伸缩振动(1700–1730 cm?1)。值得注意的是，溶剂浇铸过程使聚合物链获得流动性，使C=O带分解为～1720和～1708 cm?1两个独立峰，证实成膜过程诱导了链重排而非化学改性。含油薄膜中百里酚特征峰强度随精油含量增加而增强，且未出现新的未归属吸收峰，表明精油与聚合物之间的相互作用主要由氢键和范德华力等弱分子间力主导，而非共价键形成，这种物理包埋有利于保持精油的化学完整性和生物活性。
### 3.3 控释行为
释放研究采用UV–Vis光谱法，在百里酚最大吸收波长270.5 nm处监测释放过程。校准曲线呈现优异的线性关系(R2 = 0.9985)，证实了定量方法的准确性和可重复性。在144小时释放试验期间，10、20和30 wt%精油薄膜的累积释放浓度分别为0.25、0.45和0.65 mg/mL。重要的是，即使经过144小时，释放的总油量仍低于精油总量的5%，展示了该体系的控释特性。释放量随精油含量增加而增加的趋势与SEM观察结果相关，高精油含量产生的表面沟槽和非均匀性可能形成优先扩散通路，促进稍快的释放。然而，整体较低释放百分比凸显了Eudragit基质强大的保留能力。
动力学模型拟合表明，释放遵循以费克扩散为主导的机制，Korsmeyer–Peppas模型的释放指数n值均低于0.5(0.29–0.39)，指示精油扩散不受聚合物松弛的显著影响，与Eudragit L100相对刚性的结构一致。Peppas–Sahlin模型中的k2值为负(?0.02至?0.05)，进一步确认聚合物链松弛/溶蚀的贡献可忽略。从机制角度而言，费克扩散主导表明释放过程主要由浓度梯度和分子流动性控制，而非聚合物松弛或溶蚀。有限的释放量(<5%/144小时)同时反映了精油组分与聚合物基质之间的强相互作用，两者均具疏水性且可在分子水平部分混溶。这种强保留性虽减少了挥发损失，但也可能限制活性化合物的即时生物利用度，提示稳定性和效力之间存在需针对目标应用进行优化的权衡关系。
### 3.4 生物试验：萌发测试与真菌含量
萌发试验结果显示，不含精油的聚合物包衣(0 wt%)与未包衣对照相比未显著降低萌发率，表明纯聚合物基质不会损害种子发育所需的生理过程。百里香精油的掺入导致萌发率呈剂量依赖性降低；然而，10和20 wt% TEO制剂与0 wt%相比仅表现出轻微下降，这是极为有利的结果，因为这两种中等浓度成功降低了真菌发生率而未严重损害种子活力。相比之下，最高浓度(30 wt%)处理组观察到更明显的萌发率下降。关键的是，含油处理的真菌发生率显著降低，特别是20和30 wt%精油处理组(p < 0.05)，确证了靶向抗真菌活性。该效应归因于百里酚通过破坏微生物膜来抑制真菌生长的机制。
根长测量结果与萌发数据一致。纯聚合物包衣(0 wt%)较未包衣对照导致根长可测量的减少，这可能是聚合物基质对初始胚根伸长引入了一定程度的机械或生理约束。10 wt% TEO处理组与纯聚合物组的根长在统计学上相似，表明该浓度的活性化合物不会加剧这一基础发育延迟。而20和30 wt%精油浓度则诱导了渐进且显著的根生长下降，进一步印证了精油在较高浓度下的剂量依赖性植物毒性效应。与基于壳聚糖或海藻酸盐等天然聚合物的已有系统相比，本研究中Eudragit基制剂表现出显著更慢的释放曲线，这可能有利于长期保护，但也可能限制快速抗真菌作用。与通常在初期即展现高效力的合成杀真菌剂相比，该系统提供更渐进和持续的作用模式，可能减少环境影响和耐药性发展。
## 四、讨论与结论
研究人员通过系统的理化表征、释放动力学模型和生物学验证，证实了Eudragit L100包衣结合百里香精油作为合成杀真菌剂可持续替代方案的有效性。均匀薄膜的成功开发有效掺入了活性精油而未损害聚合物基质。工程化包衣显著抑制了种子上的真菌污染，这一抗真菌性能由百里酚从聚合物网络中的控释和持续释放所驱动。通过同时作为挥发保护屏障和递送平台，Eudragit L100体系成功克服了精油的固有挥发性限制，提供了高度可行且环境友好的先进农业处理策略。然而，研究结果揭示了抗真菌效力与植物毒性之间存在一个"治疗窗口"，最佳精油浓度应在最大化抗真菌效果的同时最小化对种子活力的不利影响。未来研究应聚焦于优化精油浓度以建立精确的治疗窗口，开展涵盖不同土壤类型(pH和湿度变异)的田间试验以评估Eudragit包衣的长期性能和生物降解速率，以及探索百里香油与其他天然植物提取物的协同效应或将纳米材料纳入包衣基质以增强结构耐久性和广谱生物活性。
