环糊精在农药中包络作用和应用，未来发展前景值得看好！

随着农药产业的发展，对环境造成的压力也不断增大，因此，开发更高效、低毒性、无残留和使用方便的农药剂型产品显得尤为重要。通常化学农药多为脂溶性农药，采用环糊精和环糊精衍生物的包络技术加工而成的新型农药产品，可以提高其溶解度，促进农药在特定表面的均匀分散和形成包络型缓控释放，从而提高农药的利用率、减少农药的施药次数和用量；同时，也能减少农药在环境中的流失以及对土壤-水系统的污染。

环糊精是由直链淀粉在芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基在转移酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称，通常含有6~12个D-吡喃葡萄糖单元。最早于1891年由Villiers从淀粉杆菌的淀粉消化液中分离出环糊精，但没有确证其结构；1903年由Schardinger用KI3进行鉴别，得到了蓝灰色晶体（α-环糊精）和红棕色晶体（β-环糊精）；1932年Pringshem发现环糊精具有识别客体（Guest）分子的能力；1935年Freudenbeng和Fernch表征了环糊精的结构，确定了环糊精分子中只含有α-1，4糖苷键；1971年Szejtli对环糊精在医药、食品、化妆品、分析化学等领域做了大量研究工作。

环糊精最显著的特点是具有外缘（Rim）亲水而内腔（Cavity）疏水的性质，因而它能够象酶一样提供一个疏水的结合部位。环糊精作为主体（Host）能包络（或包合）各种适当的客体（Guest），如有机分子、无机离子以及气体分子等物质；同时对上述包络的物质，可以起到保护、稳定、增溶客体分子和选择定向分子等作用。

随着人们对环糊精的研究不断深入，其应用领域也不断扩大，如今其在医药、卫生、食品、化妆品、化学分离材料的改性等方面都得到很好应用。目前环糊精在农药方面也有研究和应用报道，虽然并不多，但发现环糊精在农药（如稳定效应、增溶作用、光降解催化作用和转换剂型等）应用中，发挥了极其重要的作用，因而笔者对环糊精在农药中的发展前景十分看好。

环糊精的结构和包络作用

1.环糊精的结构

环糊精通常含有6~12个D-吡喃葡萄糖单元，其中研究得最多且具有实际应用较多的是含有6、7、8个葡萄糖单元分子，分别称为α-环糊精（α-CD）、β-环糊精（β-CD）和γ-环糊精（γ-CD）。环糊精各葡萄糖残基的C2和C3原子上的二个羟基位于环糊精圆环的分子一端，直径稍大；而C6上的一个羟基位于另一端，直径稍小。环糊精分子内部为一个呈“园锥梯形”型的疏水性空腔，内径大小约为0.5~1.0nm，可对有机分子、无机离子等进行包络，形成包络物，或称包合物，环糊精分子示意见图1。

2.环糊精的包络作用

环糊精的包络作用仅是一种物理过程，是一种客体分子被包嵌于环糊精的空腔内的过程。对于客体分子（在本文中是指农药分子）为主的有机分子，其分子大小适合于环糊精空腔尺寸、极性小于水时，则可能替代水分子进入环糊精空腔内形成包络物。利用环糊精的包络作用，将农药分子包络形成环糊精-农药包络物，可以起到改变农药分子的理化性质的作用。例如增加光解农药的稳定性、降低农药毒性、提高农药的溶解度、转换农药剂型成为安全制剂、减少不良气体的排放、提高生物利用率和控制农药药性的释放。

环糊精的结构参数和主要性质

1.环糊精的结构参数

应用最常见的环糊精有α-环糊精（α-CD）、β-环糊精β-CD）和γ-环糊精（γ-CD）3种，这些环糊精的主要结构参数见表1。

2.环糊精的主要性质

（1） 环糊精的溶解度

环糊精在水中和有机溶剂中的溶解度数据，分别见表2和表3。从表2可见，β-环糊精在水中的溶解度最小，γ-环糊精的溶解度最大；其中α-环糊精和γ-环糊精在水中溶解度可高达50%以上。无论α-环糊精、β-环糊精还是γ-环糊精，在水中溶解度都随温度增加而增加。从表3可见，β-环糊精除了在吡啶、二甲基甲酰胺、乙二醇和二甲亚砜外，在其他有机溶剂中几乎都难溶；α-环糊精除了在二甲基甲酰胺有较大的溶解度外，在其余有机溶剂中几乎也很难溶解；γ-环糊精仅在50%甲醇水溶液有非常大的溶解度，在其余有机溶剂中几乎都很难溶。

（2） 热稳定性

环糊精对热稳定，无固定熔点，在常温下可长期保存，约200℃开始分解。

（3） 酸碱稳定性

环糊精对碱稳定，高pH值下可以成盐；对酸稳定性较差，强酸中可以发生水解，但在常温下稀酸中较稳定。

（4） 水解稳定性

环糊精不被β-淀粉酶水解，但可被α-淀粉酶缓慢水解；一般环糊精的环越大，水解速度越快。

（5） 环糊精的毒理性

由于环糊精的分子较大，在人体内吸收困难（主要为小肠吸收），大部分以原形排出。环糊精的生物毒性轻微，经口服几乎不产生毒性。

3.改性环糊精

目前市场上使用比较多的是β-环糊精，并已经广泛用于医药、食品、化工和农药等行业。由于β-环糊精在水中的溶解度较小（室温下为1.85%），从而也限制了它的应用范围。为了改善它的性能，通常在环糊精大环基本骨架不变情况下，将其他基团引入到环糊精分子中，得到改性环糊精，又称为环糊精衍生物。它具有比母体环糊精更优良的性能，可以解决母体环糊精不能解决的许多技术难题。这些改性环糊精有甲基环糊精（Me-β-CD）、羟丙基环糊精（HP-β-CD）和磺化环糊精等，其特点是水溶性好、毒性低。例如，2，6-二甲基β-CD在100ml水中能溶解55g，比β-CD在水中溶解度提高近50倍；羟丙基β-CD在25℃时，100ml水中能溶解65g，为极易溶解的物质。

1.客体分子的相配性

环糊精只能与其空腔内径相配的客体分子（如农药分子）形成稳定的包络物。α-CD、β-CD和γ-CD具有不同的空腔内径，因此需选用相应分子大小的农药分子进行包络。同时客体分子的几何形状，即立体效应（如不同的取代基，以及空间位置不同构型异构体）对环糊精包络作用也有很大影响，也应该予以考虑。

2.客体分子的疏水和亲水性

通常疏水性越强的农药分子，越容易进入环糊精空腔内，越易包络，而带有亲水性基团的农药分子则不易进入环糊精的空腔。

3.氢键

某些农药分子能与环糊精的羟基形成氢键，这将有助于提高包络物的稳定性，使农药分子的疏水基团进入环糊精空腔，从而取代环糊精空腔内的高能水；同时也能降低环糊精空腔与水分子的非极性-极性相互作用能量。

4.溶剂

一般来说，形成农药包络物是不需要溶剂的。例如，对于容易升华的粉状物质可与环糊精混合，无需使用溶剂就可制得环糊精包络物，但是对于不易升华的粉状物质，必须使用溶剂。而水是最常用的亲水性溶剂，在水溶液中包络是一个快速过程，但对于易水溶的物质（如水溶性农药），要达到水溶液中平衡，需要很长的反应时间（有时长达7~8小时），得到的包络物一般稳定性较差。因此有时将农药分子溶于有机溶剂，可帮助疏水物质进入环糊精空腔内，然后再去除溶剂，能够得到稳定的包络物。但溶剂的选择是有所限制的，除了有些小分子的强亲水性溶剂外，大多数溶剂不能使用，因为它们也能与环糊精形成稳定的包络物，与农药分子形成竞争或组成三组分体系。

5.其他因素

包络物的形成还会受到其他因素影响，主要有反应时间、温度、搅拌时间、环糊精浓度等条件。一般包络物形成在室温下进行比较有利，但增加反应时间、延长搅拌时间、提高环糊精浓度也都有利于包络物形成。

1.在水或以水为主要成分的溶液中制备

环糊精先制成饱和水溶液，再加入农药分子（即包络物质），充分混合搅拌一定时间，大多数包络物几乎定量地会沉淀析出。对那些溶解度很小或者难于分散的农药分子，可用少量的而又合适的溶剂（如丙酮和醇类）溶解后，再进行混合，就能得到均匀的包络物析出。经过过滤，用水洗涤后（也可按农药分子的性质用适当溶剂洗涤）经干燥即可得到稳定的农药包络物。

例如，肟菌酯是一种甲氧基丙烯酸酯类含氟杀菌剂。它能被植物蜡质层强烈吸附，对植物表面能提供优异的保护活性，主要用于苹果、葡萄、小麦、花生、香蕉和蔬菜等进行茎叶处理和防治。它在土壤中和水中可快速降解，对环境安全，但其在水中溶解度很低（25℃，610μg/L）。为了增加其溶解度、增加稳定性、提高附着力，并达到控制释放的效果（可持续保持活性）。张荣华等科研人员制备了肟菌酯β-环糊精包络物，经实验发现，在β-环糊精的水溶液（蒸馏水50mL）中加入乙醇（20mL）溶解的肟菌酯溶液，容易形成包络物。用紫外-可见光谱研究，结果表明，2分子的β-环糊精与1分子的肟菌酯能生成稳定的包络物，包络率达到63%，使肟菌酯在水中溶解度提高了59倍，从而提高了肟菌酯的利用率，大大减少了对环境的污染。

2.研磨法制备

定量的环糊精与2~5倍水量混合均匀后，加入农药分子（必要时可将农药分子溶解在有机溶剂中），在研磨机中充分混合研磨成糊状物，取出干燥后，用适当溶剂洗净，即得稳定的包络物。

除此之外，还有冷冻干燥法，适用于能溶解于水、加热干燥时易分解或变色的包络物，可通过此法除去溶剂，使之粉末化。

环糊精用于农药，在增溶、稳定、剂型转换以及降低毒性等方面有着十分突出和优越的效果。

1.对疏水性农药的增溶作用

（1）刘嫦娥等科研人员报道了Me-β-CD的水溶液对于甲基对硫磷有明显的增溶效果。在120g/L Me-β-CD处理的条件下，甲基对硫磷的溶解度增加了125倍多。Me-β-CD的增溶作用大小与其浓度有很大关系，即随Me-β-CD浓度的增加而增强。

（2）周细红等科研人员研究了β-CD对3种有机农药（甲萘威、草枯醚和五氯酚）的增溶作用，发现β-CD与农药形成的包络物对农药的相对增溶倍数随着β-CD浓度的增加而呈线性增大。

2.光降解作用

（1）刘嫦娥等科研人员报道，Me-β-CD或HP-β-CD（羟丙基-β-CD）与甲基对硫磷混合经光照后，甲基对硫磷的光解速度加速了4.87~6.85倍。Me-β-CD及HP-β-CD表现了较强的光敏降解效应，其光敏化效率随光照时间延长而提高。

（2）汤灿等科研人员研究了β-CD和羟丙基-β-CD对甲基对硫磷和五氯酚的增溶和光解的影响，表明羟丙基-β-CD对农药的增溶效果和光解的影响比β-CD更显著。

3.降低毒性作用

刘嫦娥等科研人员还报道了Me-β-CD对于甲基对硫磷的生物毒性影响很大。例如，在0.5g/L Me-β-CD中，甲基对硫磷溶液对蝌蚪的半致死剂量LC50由5.92mg/L增加到12.53mg/L（96小时），毒性明显减弱。

4.抑制水解作用

Zhang等科研人员报道了农药马拉硫磷受pH和温度的影响而分解。作者研究了β-CD、RM-β-CD（是C2、C3或C6位随意甲基化的产品）和HP-β-CD对马拉硫磷水解的抑制作用，发现在15~35℃之间RM-β-CD对马拉硫磷的水解抑制的程度随其浓度的增加而增加。另一方面β-CD和HP-β-CD在不同温度和pH条件下对马拉硫磷都没有明显的稳定效果。

5.调节植物生长，提高作物产量

科研人员用β-环糊精（β-CD）水溶液处理种子，发现发芽推迟，这是由于一些降解种子淀粉粒的淀粉酶至少部分受到抑制；植物秧苗初期生长受到抑制，后期生长速度会加快。如大麦、春小麦、黑麦经处理后分蘖特征增强，结果提高了产量；小萝卜、莴苣、欧芹等蔬菜的种子处理后，不仅产量较高，而且也提高了块茎中干物质的含量。

6.剂型转换

这在当前的农药剂型产品加工中显得尤为重要，可以把不安全的乳油产品转换成安全环保剂型产品。关于剂型转换的案例如下：

（1）阿维菌素是一种生物农药，能有效防治双翅目、同翅目、鞘翅目和鳞翅目害虫及多种害螨，应用广泛。目前使用的大多为乳油产品，由于大量使用二甲苯等溶剂，对人类和环境存在严重危害；同时使用时存在光解，影响其药效发挥且对昆虫高毒。加工中可以通过环糊精（CD）包络阿维菌素，从而可增强阿维菌素产品的药效，延长阿维菌素杀虫、杀螨的有效期，从而开发成阿维菌素的新剂型，提高阿维菌素的实际利用率。

阿维菌素-β-CD包络物制备：10.0gβ-CD和25ml蒸馏水加入反应瓶内，取少量阿维菌素原药（Bla含量95%），用丙酮为溶剂溶解后，加入反应瓶内；在50℃下进行包络操作，包络完毕后，用10.0ml蒸馏水分2次洗涤包合物，合并洗涤液；冷贮后过滤，用甲醇洗涤过滤并在40℃下真空干燥，即得到阿维菌素-β-CD包络物，该包络物可按照悬浮剂或水分散粒剂加工成安全环保的剂型产品。

（2）甲维盐一般加工剂型为含量很低的乳油，由于大量使用二甲苯等溶剂，对人类和环境存在严重危害，同时也浪费大量宝贵的石化资源。为替代乳油剂型，国内一般研制的水分散粒剂含量也很低（一般不超过5%）。

刘斌等科研人员报道用β-CD作包络剂，利用其分子空腔比较大的特点，将甲维盐分子包络在内，得到甲维盐包络物。甲维盐包络物制备方法：原药先粉碎到900目，100g原药加入200ml丙酮，搅拌下完全溶解后加入β-CD 200g，加热至40℃搅拌数小时，然后真空下脱溶，最终得到甲维盐（β-CD）包络物。

该甲维盐包络物再按可溶性粒剂方法加工，得到5.7%甲维盐可溶性粒剂产品。用β-CD制得甲维盐包络物，不但含量高，而且增强了甲维盐抗紫外线的能力。制成可溶性粒剂（SG）比制成水分散粒剂（WG）提高了药剂的利用率（SG的稀释液为溶剂，利用率达100%；而WG稀释液为悬浮液，利用率受悬浮率控制，一般仅能达到90%），此外还增加了制剂的渗透性，同时药效更高，而且比乳油更安全和环保。

（3）烯草酮是由Chevron化学公司开发的一种内吸传导型、高选择性的芽后茎叶处理的环己烯酮除草剂，可防治一年生和多年生禾本科杂草，对双子叶植物安全。由于烯草酮的酯溶性强，一般加工剂型以乳油（12%和24%）为主；同时它对紫外光、高温、强酸、强碱等因素具有不稳定性。如果转换加工成水基性的悬浮剂型，不仅可以节省大量有机溶剂，降低对环境污染，而且更加安全和环保。由于烯草酮原药为琥珀色透明液体，溶于大多数有机溶剂；不具备加工成悬浮剂条件。

徐妍等科研人员利用液相法制备了烯草酮-β环糊精（β-CD）包络物。形成的烯草酮-β环糊精包络物后，按悬浮剂加工方法制得了24%烯草酮-β环糊精（β-CD）包络物悬浮剂。该包络物具有的特点：①使液体的烯草酮包络在β-环糊精空腔内形成包络物（为白色疏松粉末，含量大于90%），基本符合加工成悬浮剂的条件；②增加了对紫外光、高温、强酸、强碱等因素的稳定性；③增加了控制释放性能，发挥了持效期长的优势，提高了烯草酮药剂的利用率；④其水溶性提高4.8倍，较好地改善了药剂的传导性能。

（4）氯氟氰菊酯悬浮剂在对水喷雾时，对人的脸、皮肤和口腔黏膜的刺激性非常大，而且这个问题长时间一直没有得到很好的解决，限制了氯氟氰菊酯悬浮剂的安全性能。陈素云等科研人员利用环糊精制得了2.5%β-环糊精-氯氟氰菊酯包络物，方法是将原药、β-环状糊精、自来水按照1∶2∶2的比例混合，搅拌升温至合适温度，送进胶体磨研磨6~8小时，使原药和β-环状糊精充分接触和包结。得到β-环糊精-氯氟氰菊酯包合物按照悬浮剂的加工方法用砂磨机研磨到要求的细度，调整pH值和含量到规定的要求。β-环糊精-氯氟氰菊酯包合物悬浮剂的悬浮率热贮前后分别为98%和93%，常温贮存3、6和9个月后悬浮率分别为95%、94%、93%以上。

当用2.5%β-环状糊精的氯氟氰菊酯悬浮剂与2.5%氯氟氰微囊剂对德国小蠊成虫在不同时间（1、3和6个月）以此进行比较后发现后，发现二者具有相同效果。这表明β-环状糊精对杀虫活性成分氯氟氰菊酯进行包裹后，能延缓杀虫活性成分的降解速度，延长药物的有效滞留时间。微胶囊剂虽然最终产品刺激性小，但在生产加工过程中仍然需要使用大量的有机溶剂，对生产人员仍然存在健康与安全的影响，而加工悬浮剂在生产过程中基本不使用有机溶剂，对人体健康影响较小。因此，用2.5%β-环状糊精的氯氟氰菊酯悬浮剂的经济与环境效益将可以和2.5%氯氟氰菊酯微胶囊剂相媲美。

将含有β-环状糊精和不含β-环状糊精的氯氟氰菊酯悬浮剂分别对水稀释100倍，用背负式手动喷雾器进行喷雾试验，不含有β-环状糊精的普通氯氟氰菊酯悬浮剂在稀释前可闻到一股呛人的刺激性气味，制剂对水稀释后在喷雾时对人的呼吸道刺激非常大。喷雾作业时大部分人都不停地咳嗽，打喷嚏，流鼻涕，喷药结束后脸部感觉到火辣和针刺状疼痛，一两天后症状才完全消失。而含有2.5%β-环状糊精的氯氟氰菊酯悬浮剂，在稀释前基本闻不到任何刺激性气味，制剂对水稀释后喷雾时大部分人感觉不到明显的刺激，喷药结束后大部分人脸部、皮肤无异常感觉。

7.缓释期长

章彬等科研人员用β-环状糊精为载体分别与聚丁二酸丁二醇酯（PBS）按不同配比组成改性壁材，用来制备七氟菊酯原药微胶囊，呈圆球形；当PBS∶β-环糊精比例为4∶3.5及3∶4时制备的微胶囊，呈囊后无明显黏连现象。得到的β-环糊精改性七氟菊酯原药微胶囊平均粒径在3~12μm之间，呈正态分布，且分布范围较窄；而用原位聚合法制备的脲醛树脂微胶囊的平均粒径在1~40μm之间，分布范围较大，且因粒径较大，容易引起沉降，从而导致减损药效。

将β-环糊精改性七氟菊酯原药微胶囊样品溶于100mL水中，在低速搅拌下每隔1天测定其释放量。制得曲线可见，由原位聚合法制备的脲醛树脂微胶囊有明显的突释现象，且在11~12天累计释放量已无明显变化。

对于β-环糊精改性材料，比例3∶4的壁材因微胶囊表面有孔洞，在释放初期也显示出一定的突释现象，在15~17天时累计释放量达到最大，释放速率比脲醛树脂微胶囊要慢；比例4∶3的壁材的微胶囊表面微孔较少，且结构完整，因此无明显突释现象，并能保持较好的缓释速率，缓释期在25~27天左右，实现了可控释放，表现出优异的应用前景。

由于环糊精具有独特的结构和优异的理化性质及生物学特性，虽然目前在农药中应用研究还比较少，但是在农药剂型加工中引入环糊精包络物，具有重要的实用价值和现实意义。特别是对水溶性低、容易挥发、在空气中稳定性差或在光照条件下容易降解的农药有效成分，其产品的应用受到很大限制，而当上述这些农药经过环糊精包络后，可用来加工成安全、环保剂型产品（如悬浮剂、水分散粒剂等），也可在加工含有环糊精包络物的控制释放农药有效成分（如微胶囊剂）方面发挥作用。

作者为本刊特约撰稿人

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