淀粉基氟酰胺缓释剂的制备及性能研究 

2024-01-01 00:00:00吴景赵彩凤连静张乐平谢洪科郭峰刘璐邵赛
湖南农业科学 2024年6期
关键词:淀粉

引用格式:吴景,赵彩凤,连静,等. 淀粉基氟酰胺缓释剂的制备及性能研究[J]. 湖南农业科学,2024(6):78-84.

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2024.006.016

收稿日期:2024-01-03

基金项目:长沙市农业科研攻关专项(长财预〔2023〕1号);湖南省农业科技创新资金项目(2022CX96)

作者简介:吴景(1985—),男,湖南郴州市人,高级农艺师,主要从事植物保护和农产品质量安全研究。

通信作者:邵赛,刘璐

摘要:以淀粉为基材,利用60Co γ辐照接枝丙烯酸、丙烯酸羟丙酯、N-羟甲基丙烯酰胺等单体合成淀粉基材料,负载氟酰胺后制得氟酰胺缓释剂。通过扫描电镜、红外光谱和动力学分析,探究氟酰胺缓释剂的稳定性、载药量以及不同缓释方法和不同温度下的缓释性能。结果表明:该缓释剂相较于氟酰胺粉剂具有更优异的稳定性;载药量为11.35%,具有良好的缓释和温度响应释放性能;不同温度下的释放行为符合Korsmeyer Peppas动力学模型,拟合度为0.990 5~0.991 3,药物释放机制为Fick扩散。

关键词:淀粉;氟酰胺;缓释剂;温度响应;缓释性能

中图分类号:TQ450.6 文献标识码:A 文章编号:1006-060X(2024)06-0078-07

Preparation and Characterization of a Slow-Release Starch-Based Flutolanil Agent

WU Jing1,ZHAO Cai-Feng2,3,LIAN Jing1,ZHANG Le-ping2,3,XIE Hong-ke2,3,

GUO Feng2,3,LIU Lu2,3,SHAO Sai2,3

(1. Changsha Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410016, PRC; 2. Hunan Institute of Nuclear Agricultural Science and Space Mutation Breeding, Changsha 410125, PRC; 3. Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, PRC)

Abstract: A starch-based material was synthesized by grafting polymerization of starch with acrylic acid, hydroxypropyl acrylate, and N-methylol acrylamide by 60Co γ-ray radiation, and it was subsequently loaded with flutolanil to prepare a slow-release flutolanil agent. The stability, drug loading capacity, and slow release performance of the agent under different slow-release methods and temperatures were characterized by transmission electron microscopy, infrared spectroscopy, and kinetic analysis. The results showed that the slow-release agent had better stability than flutolanil powder. It exhibited good slow-release and thermal-responsive release performance with the drug loading capacity of 11.35%. The release kinetics at different temperatures could be fitted by the Korsmeyer Peppas model, with the R2 ranging from 0.990 5 to 0.991 3, indicating that the release followed the Fick’s law of diffusion.

Key words: starch; flutolanil; slow-release agent; thermal response; slow release performance

农药在防治农作物病虫草害、保证农作物正常生长、提高单位面积产量上发挥了重要作用,其种类繁多,按用途主要可分为杀菌剂、除草剂、杀虫剂等。氟酰胺是一种琥珀酸脱氢酶(SDH)抑制类杀菌剂,它通过抑制呼吸链中SDH活性影响天门冬氨酸盐和谷氨酸盐的合成,从而阻碍菌丝的生长和穿透,可用于防治禾谷类、果树以及蔬菜病害,尤其适用于防治水稻纹枯病[1]。市面上存在的氟酰胺大多为粉剂,施用后由于喷洒漂移、雨水冲洗、水田中排水等原因,大部分农药有效成分流失到水环境中[2],一方面导致氟酰胺有效成分利用率低,另一方面也造成水环境污染,目前已在多个水域中检测到该农药残留[3-5]。氟酰胺的水溶性强,能稳定存在于水相中,半衰期可达90.5 d[6],残留在水中代谢速度极慢,易对水生生物的生存造成威胁。Matsumoto等[7]发现氟酰胺对大型溞有生殖毒性,Yang等[8]发现氟酰胺对斑马鱼有毒性效应。因此,急需提高氟酰胺的利用率,降低其对水环境的污染。

将天然高分子材料作为缓控释载体,不仅能延缓药物释放时间,提高药物利用率,还能减少对环境的污染[9-11]。淀粉是一种大量存在于自然界的天然高分子聚合物,具有来源丰富、可生物降解、无毒无害等优点[12]。近年来,学者们专注于研究各种淀粉衍生物,例如对淀粉上的活性基团进行化学修饰,或通过化学交联合成淀粉衍生物,这些淀粉衍生物在农业领域展现出巨大的应用潜力[13-14]。但天然淀粉的抗水性、溶解度和加工性较差,需要在高温和极端碱度等条件下才能对淀粉进行加工改性[15-16]。邵赛等[17]利用辐照接枝技术成功地对淀粉进行了改性,且该方法工序简单、生产效率高,一定程度上解决了淀粉基农药缓释材料制备工艺难的问题。

该研究以淀粉为基材,利用60Co γ辐照接枝丙烯酸、丙烯酸羟丙酯、N-羟甲基丙烯酰胺等单体,从而合成一种低成本、易制备、可生物降解的淀粉基材料,负载氟酰胺后制得氟酰胺缓释剂。通过考察氟酰胺缓释剂的形貌特征、稳定性、载药量以及不同缓释方法和不同温度下的缓释性能,发现该缓释剂具有较优的稳定性、良好的缓释和温度响应释放性能,能够有效延长氟酰胺的持药时间和提高氟酰胺的利用率,为研发具有生物相容性与可降解性的缓释农药提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

主要试剂有丙烯酸羟丙酯、己二酸二酰肼、N-羟甲基丙烯酰胺(上海麦克林生化科技股份有限公司)、双丙酮丙烯酰胺(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)、次磷酸钠,氢氧化钠、丙烯酸、甲醇均为分析纯,购自国药集团化学试剂有限公司;马铃薯淀

粉[阿拉丁试剂(上海)有限公司],氟酰胺(HPLC>

99%)(广州佳途科技股份有限公司),20%氟酰胺粉剂(江阴苏利化学股份有限公司)。

主要仪器设备有60Co γ辐照装置(湖南省核农学与航天育种研究所)、MIRA LMS扫描电子显微镜(捷克TESCAN公司)、Nicolet iS5傅立叶红外光谱仪(美国赛默飞世尔公司)、TSQ Endura液质联用仪(UPLC-MS/MS)(美国赛默飞世尔公司)、SC7620溅射镀膜仪(英国Quorum公司)、MC-1021表面张力仪[闽测仪器设备(厦门)有限公司]、THZ-312恒温振荡器(上海精宏实验设备有限公司)、BGZ-76电热恒温干燥箱(上海博迅实业有限公司)。

1.2 研究方法

1.2.1 淀粉基材料的制备 根据邵赛等[17]的方法制备淀粉基材料,合成配方如下:马铃薯淀粉2.0 g,氢氧化钠8.8 g,丙烯酸22.0 g,丙烯酸羟丙酯3.5 g,

双丙酮丙烯酰胺3.6 g,N-羟甲基丙烯酰胺0.4 g,次磷酸钠0.7 g,水45.2 g。操作流程:先将氢氧化钠溶解于250 mL烧杯中,加入马铃薯淀粉进行糊化,一直搅拌至溶液呈透明状;然后依次加入丙烯酸、丙烯酸羟丙酯、N-羟甲基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰

胺、次磷酸钠,每加入一种试剂都进行充分搅拌使之成为均质溶液;最后,将均质溶液放置在60Co γ辐照装置中,以5 kGy的吸收剂量进行辐射聚合,聚合完毕即得到淀粉基材料。

1.2.2 氟酰胺缓释剂的制备 在容器中依次加入氟酰胺粉剂25.0 g、水15.0 g、高岭土5.0 g和己二酸二酰肼0.2 g,60℃下搅拌均匀后,再加入30%的淀粉基材料5.0 g,快速搅拌充分混合1 min,最后静置反应2 h形成凝胶。将凝胶剪碎成小颗粒于75℃下干燥3 h,用研磨钵碾成20~100目的粉末即制得氟酰胺缓释剂。采用傅立叶红外光谱仪对粉末样品进行结构分析,以溴化钾(KBr)为稀释剂,样品与KBr的质量比为1∶100,在400~4 000 cm-1范围内测定其光谱。将样品黏到导电胶上,采用溅射镀膜仪喷金45 s(10 mA),随后使用扫描电子显微镜在3 kV加速电压下扫描样品形貌。

1.2.3 稳定性测定 根据标准GB/T 19136—2021对氟酰胺缓释剂的热稳定性进行检测。将100 mg氟酰胺缓释剂放入棕色玻璃瓶中,分别在4、25和54℃下保存14 d后测定氟酰胺的含量,以上每个温度重复检测3次。

1.2.4 载药量测定 称取100 mg氟酰胺缓释剂放入250 mL螺口瓶中,用30%甲醇洗涤3次去除未负载在材料上的氟酰胺。通过UPLC-MS/MS测量洗脱液中氟酰胺的含量。检测条件为:以甲醇-0.1%甲酸为流动相,比例为95∶5;柱温35℃;流速0.3 mL/min;

进样量5 μL;保留时间为4.08 min。采用外标法定量,将浓度为1 000 mg/L的氟酰胺母液用色谱甲醇稀释成浓度为10.000、1.000、0.500、0.100、0.050、0.010、0.005、0.001 mg/L的标准溶液,利用标准曲线测定氟酰胺含量。根据公式(1)计算氟酰胺缓释剂中氟酰胺的负载量:

(1)

式中:LC表示氟酰胺的负载质量分数;m表示缓释剂的初始质量;Cloading、C1、C2、C3、Vloading、V1、V2、V3分别表示初始计算浓度、第一次、第二次、第三次洗脱浓度以及各自对应的体积。

1.2.5 缓释性能测定 (1)不同缓释方法下的缓释性能。采用透析袋、无透析袋2种缓释方法,选取30%甲醇作为缓释介质进行氟酰胺缓释剂和20%氟酰胺粉剂的缓释性能对比。首先称取氟酰胺含量相等的2份缓释剂及粉剂,一份添加5 mL 30%甲醇后装入截留分子量为4 000 Da的透析袋,置于盛有100 mL 30%甲醇的螺口瓶中;一份直接倒入盛有100 mL 30%甲醇的螺口瓶中,在25℃恒温摇床中以100 r/min转速避光摇动。在特定的时间分别吸取1.5 mL溶液待测,然后补加同等体积的释放介质。为减小误差,平行测定3次。(2)不同温度下的缓释性能。按照上述试验结果及步骤选择合适的缓释方法,分别在4、25、40℃温度下进行氟酰胺缓释剂的缓释性能测定。为减小误差,平行测定3次。根据公式(2)计算氟酰胺的累积缓释百分比[18]:

(2)

式中:Q表示累积释放百分比;m表示加入的氟酰胺缓释剂中氟酰胺的质量;V0表示缓释介质的总体积;V表示每次取样的体积;CT表示第T次取样时对应的氟酰胺浓度;Ci表示第i次取样时对应的氟酰胺浓度。

1.2.6 氟酰胺释放动力学模型 通过动力学分析该农药缓释剂的缓释过程及氟酰胺释放机理。如表1所示,通过Zero-order、First-order、Higuchi和Korsmeyer Peppas模型[19-20]对氟酰胺缓释剂在不同温度下的释放行为进行拟合。

1.3 数据处理

使用Origin 8.0、Excel 2016软件对数据进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 扫描电子显微镜分析

淀粉基材料和氟酰胺缓释剂的扫描电镜图像如图1所示,淀粉基材料表面有一些条纹状结构,表面较为光滑,未吸附其他物质;而氟酰胺缓释剂有很多颗粒状结构堆积,形成了多孔结构,表明氟酰胺改变了材料的形貌,且已成功负载在材料上。

2.2 傅立叶红外光谱分析

由图2可知,淀粉基材料在3 328 cm-1左右的宽峰为O—H的伸缩振动峰,在2 937 cm-1处的峰为C—H的伸缩振动峰[21],在1 740 cm-1处的峰为C=O伸缩振动吸收峰,在1 166 cm-1处的峰是酯键中C—O—C的吸收峰[22];氟酰胺在3 254 cm-1处的峰为N—H伸缩振动吸收峰,在2 937 cm-1处的峰为C—H的伸缩振动峰,在1 660 cm-1处的峰为苯酰胺中C=O的伸缩振动吸收峰,1 491 cm-1处为苯环骨架的伸缩振动峰,1 415 cm-1处为C—F的振动吸收峰,1 257 cm-1处为芳香醚的吸收峰[23],680 cm-1处为苯环间位取代吸收峰。相较材料而言,氟酰胺缓释剂O—H的伸缩振动峰在3 328 cm-1处向高波数偏移,表明负载氟酰胺过程中羟基通过氢键或其他作用力减弱;在3 254、2 937、1 660、1 491、1 415、

1 257、680 cm-1处均出现了氟酰胺的特征峰,表明氟酰胺已成功负载在材料上。

2.3 稳定性分析

农药在贮存或运输过程中,环境的温度会影响农药有效成分的含量,通过测定4、25和54℃条件下氟酰胺的含量来评估氟酰胺缓释剂和氟酰胺粉剂的稳定性,结果如图3所示。经过14 d的储存,4和25℃条件下缓释剂及粉剂的氟酰胺含量没有明显变化;54℃条件下缓释剂及粉剂中氟酰胺的含量都有明显下降,缓释剂中氟酰胺含量占比为92.20%,粉剂中氟酰胺含量占比为86.30%,粉剂的分解率高于缓释剂的分解率。

2.4 载药量分析

通过UPLC-MS/MS测定,计算得到制备的氟酰胺缓释剂的负载率为11.35%。

2.5 缓释性能分析

2.5.1 不同缓释方法的缓释行为分析 由图4可知,利用透析袋法测定的缓释剂和粉剂缓释速率基本一致,在1 530 min时的累积释放浓度分别为为64.40和60.53 mg/L,累积释放百分比分别为45.35%和42.63%;而无透析袋法测定的缓释行为出现明显差异,粉剂释放速率迅速,在30 min时粉剂的累积释放百分比为39.19%,而缓释剂的累积释放百分比仅为8.48%,因此无透析袋法更有利于比较不同温度下的缓释效果。

2.5.2 不同温度下的缓释行为分析 根据上述结果,不同温度下的缓释行为分析选择无透析袋法进行。4、25、40℃条件下氟酰胺缓释剂的缓释累积释放浓度及累积释放百分比如图5所示,在4℃低温条件下释放速度较为平缓,1 530 min的累积释放百分比为23.30%;在25℃、40℃条件下释放速度较快,1 530 min的累积释放百分比分别为57.04%和62.89%。

2.6 缓释动力学分析

分别使用Zero-order、First-order、Higuchi和Kors-

meyer Peppas模型对4、25、40℃条件下氟酰胺的累积释放百分比进行拟合[19],动力学参数如表2所示,拟合结果见图6。其中,3种温度的Zero-order的拟合度(R2)在0.834 3~0.886 6之间,First-order的拟合度在0.713 7~0.969 5之间,Higuchi的拟合度在0.960 5~

0.987 3之间,Korsmeyer Peppas的拟合度在0.990 5~

0.991 3之间。其中Korsmeyer Peppas模型的拟合度最好,3个温度下的拟合公式分别为:y=3.951 9x0.237 5、y=2.282 3x0.443 6和y=3.018 1x0.418 6。

Korsmeyer Peppas模型是用来分析多孔材料中活性成分释放的理想模型[24],其中的参数n为释放参数,用来描述药物释放机制。当n≤0.45时,释放机制主要为Fick扩散;当0.45<n<0.89时,释放机制为Non-Fick扩散;当n≥0.89时,释放机制主要为骨架溶蚀[25]。Korsmeyer Peppas模型下,3种不同温度下的n值均小于0.45,即农药释放主要为Fick扩散。

3 讨论与结论

淀粉作为一种天然高分子聚合物,含有较多的碳链及羟基结构,易通过官能团转化进行修饰改性,具有成本低、可再生、可降解性等优点[26-27],在农业领域具有较高的研究和应用价值[28-29]。

该研究利用60Co γ射线辐射合成一种淀粉基材料,负载氟酰胺后得到了氟酰胺缓释剂。通过扫描电子显微镜分析和傅立叶红外光谱分析对比了缓释剂及淀粉基材料的形貌特征及结构组成,扫描电镜结果显示,相比于负载材料,氟酰胺缓释剂出现颗粒状结构堆积形貌,且形成了多孔结构,表明氟酰胺改变了材料的形貌。傅立叶红外光谱分析图中,氟酰胺缓释剂的红外谱线上出现了许多氟酰胺特征峰,且材料原有的特征峰也出现偏移,说明氟酰胺已成功负载在淀粉基材料上。经过14 d的储存,4和25℃条件下缓释剂及粉剂的氟酰胺含量没有明显变化,但54℃条件下的分解率为7.80%,大于国家对分散剂热储稳定性的要求,说明该氟酰胺缓释剂在低温和常温贮存条件下具有较优异的稳定性,但是在高温下的稳定性较差,后续将继续改进合成材料及材料与氟酰胺的负载方式,以提高氟酰胺缓释剂的热稳定性。

农药释放的快慢主要由农药及载体自身的化学性质、农药与载体之间的相互作用以及外界释放介质决定[30]。氟酰胺缓释剂中氟酰胺与材料结合紧密,具有明显的缓释效果。无透析袋方式中,氟酰胺粉剂和氟酰胺缓释剂在30 min时累积释放百分比分别为39.19%和8.48%,氟酰胺缓释剂的释放速率减缓了78.36%。在不同温度进行缓释行为分析,结果表明,在4℃低温下释放速度较慢,在25、40℃条件下释放速度增快,累积释放百分比均高于4℃下的累积释放百分比。以上结果表明该研究中的氟酰胺缓释剂具有良好的缓释效果,且具有优异的温度响应释放性能,这可能是由于淀粉基材料中所含有的酯基、羧基、羰基等功能性基团能为氟酰胺的结合提供更多的反应位点,从而延长药物释放时间。进行动力学模拟分析该氟酰胺缓释剂在不同温度下的缓释过程,使用Zero-order、First-order、Higuchi和Korsmeyer Peppas模型拟合释放曲线,其中Korsmeyer Peppas模型的拟合度最高,且释放参数n均小于0.45,说明释放机制主要为Fick扩散。

综上所述,该研究成功制备了一种氟酰胺缓释剂,且制备方法简单,具有较好的缓释性及稳定性,能提高氟酰胺的持药时间、利用率,减少农药对环境的污染,为农药缓释剂的研发提供了一种新方法,对进一步发展环境友好型农业、减小农药对环境及人类健康的影响具有重要意义。

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(责任编辑:王婷)

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