一种哈茨木霉微胶囊及其制备方法与流程

1.本发明涉及微生物技术领域，特别是涉及一种哈茨木霉微胶囊及其制备方法。


背景技术：

2.哈茨木霉是木霉属中应用最为广泛的菌株，无论是在农业还是在林业，哈茨木霉均被广泛地应用于防治各种植物病害，其生防效果在多次应用试验中得到验证。目前，哈茨木霉的应用剂型主要有可湿性粉剂、水分散粒剂等。
3.王喜刚等(2020)公开了哈茨木霉m
‑
17厚垣孢子可湿性粉剂的组成成分和比例,其中厚垣孢子粉为20％,载体为67％的凹凸棒,润湿剂为5％的吐温
‑
40,分散剂为7％的羧甲基纤维素钠，紫外保护剂为1％维生素c。牛森林等(2020)研究确定哈茨木霉33104水分散粒剂中助剂的最佳配方(质量分数)为:炭黑0.5％、磷酸钾4％、羧甲基纤维素5％、可溶性淀粉5％、硅藻土5％和木质素磺酸钠5％。李秀明等(2013)研究确定在保护剂抗坏血酸0.5％，稳定剂羧甲基纤维素钠4％，润湿分散剂烷基萘磺酸盐(efw)4％，黏结剂淀粉5％，崩解剂可溶性淀粉4％时获得的哈茨木霉t4厚垣孢子水分散粒剂孢子含量为4.5
×
108cfu/g，悬浮率为43.8％，润湿时间为1.0s，崩解时间为52s，热贮分解率25.9％，产品各项指标均达到国家标准。
4.以上制剂主要是水分散粒剂及可湿性粉剂，都是适用于化学农药的剂型，这类剂型应用到微生物农药中并不能很好的保持微生物农药的活性，并且在环境中容易降解失活，药效无法很好保持，同时施用不方便，容易飘散，因此，急需发开出一种适用于生防菌剂哈茨木霉的新型制剂类型。
5.微胶囊可以利用壁材形成的囊壳很好的保护内部芯材——微生物的稳定性，又可以为微生物提供一定的营养成分，并抵抗不良环境，从而可以大大延长微生物活菌的活性，提高其在环境中的存活率。
6.目前制备微胶囊使用较多的方法有挤压法、乳化法以及喷雾干燥法。但挤压法制备的微胶囊尺寸一般较大，大多为毫米级别，进一步缩小尺寸对器材要求较高。乳化法制备的微胶囊尺寸均一性较差，且制备过程中需要剧烈的机械搅拌，对菌的活性有较大损伤。喷雾干燥法需要短时间的高温干燥，会不可避免的对菌造成较大损伤，而且对设备的要求也比较高。
7.目前，尚缺少一种制备方法简单、产品质量佳的哈茨木霉微胶囊制备方法。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种哈茨木霉微胶囊及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，将明胶和阿拉伯胶作为壁材，采用复凝聚法制备含有哈茨木霉厚垣孢子的微胶囊。
9.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
10.技术方案之一，提供了一种哈茨木霉微胶囊，所述微胶囊的壁材由明胶和阿拉伯
胶组成，所述微胶囊中包埋有哈茨木霉厚垣孢子，所述微胶囊粒径为20～40μm。
11.技术方案之二，提供了一种所述的哈茨木霉微胶囊的制备方法，包括以下步骤：
12.1)取浓度为1
×
106‑1×
10
10
cfu/ml的哈茨木霉孢子悬浮液，加入明胶溶液和阿拉伯胶溶液搅拌混匀，得到混合体系；所述明胶溶液和阿拉伯胶溶液的质量分数为0.5～2.5％；
13.2)取步骤1)中的混合体系加热至40℃，加热后的混合体系以300
‑
700r/min搅拌，待温度稳定后调节ph为3.6～4.4；持续搅拌20min；
14.3)将步骤2)中反应完毕的混合体系降温至5～10℃，调节ph为8.0～9.0，反应5min后加入交联剂，继续反应60min后得到微胶囊悬浮液，离心抽滤，得到哈茨木霉微胶囊。
15.优选的，所述步骤1)中，哈茨木霉孢子悬浮液的制备方法为：活化后的哈茨木霉菌种利用发酵培养基，在28℃条件下以150r/min进行液体发酵培养144h；所述发酵培养基由以下成分组成：玉米粉63g，甘油7.5ml，蒸馏水1000ml；所述发酵培养基ph为4.0。
16.优选的，所述步骤1)中，所述的哈茨木霉孢子悬浮液与明胶溶液和阿拉伯胶溶液的体积比为1:40:40。
17.优选的，所述步骤1)中，所述明胶和阿拉伯胶的质量分数为1～2％。
18.优选的，所述步骤2)中，所述加热后的混合体系以400
‑
600r/min转速搅拌。
19.优选的，所述步骤2)中，调节ph为4.0
‑
4.4。
20.优选的，所述步骤3)中，所述交联剂为戊二醛。
21.优选的，所述步骤3)中，所述离心条件为4000r/min下离心1min。
22.优选的，所述制备方法步骤如下：
23.1)取1
×
109cfu/ml哈茨木霉孢子悬浮液，加入配制好的质量分数为1.6％的明胶溶液和阿拉伯胶溶液，得到混合体系；所述哈茨木霉孢子悬浮液与明胶溶液和阿拉伯胶溶液的体积比为1:40:40；将混合体系置于磁力搅拌器上，以200r/min搅拌3min，混匀；
24.2)将步骤1)中的混合体系温度加热至40℃，加热后的混合体系以500r/min搅拌，待体系温度稳定后，调节体系ph值至4.2，持续搅拌20min；
25.3)取步骤2)中的混合体系，待体系降温至5～10℃，调节ph值至8.0
‑
9.0；5min后滴加戊二醛溶液，室温下磁力搅拌交联固化60min，得微胶囊悬浮液；所述微胶囊悬浮液于4000r/min下离心1min，抽滤，得哈茨木霉微胶囊。
26.本发明公开了以下技术效果：
27.本发明以阿拉伯胶和明胶作为壁材，通过复凝聚法成功制备了哈茨木霉微胶囊。本发明制备的微胶囊粒径主要集中在20～40μm，尺寸均一性好；壁材对芯材有很好的包裹作用，包埋率高；在4℃下保存时720d后的孢子存活率为83.34％，；而在室温条件下的存活率为86.11％，对微生物有较好的保护作用。本发明通过单因素实验及响应面优化，确定了最佳的微胶囊制备方法，该方法操作简单，成本较低，工艺流程较短，适合在产业上推广应用。本发明开发了一种哈茨木霉的新型环保农药剂型，对哈茨木霉的进一步推广应用具有重要意义。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明制备方法工艺流程图；
30.图2为壁材浓度对哈茨木霉微胶囊包埋率的影响；图中不同字母表示0.05水平的显著性差异；
31.图3为搅拌速率对哈茨木霉微胶囊包埋率的影响；
32.图4为菌液浓度对哈茨木霉微胶囊包埋率的影响；
33.图5为ph对哈茨木霉微胶囊包埋率的影响；
34.图6为因素间交互作用对哈茨木霉微胶囊包埋率的影响；
35.图7为哈茨木霉微胶囊粒径分布图；
36.图8为哈茨木霉微胶囊光学显微镜下观察图；
37.图9为哈茨木霉微胶囊扫描电镜下观察图；
38.图10为不同浓度生防菌对苹果轮纹病的效果图。
具体实施方式
39.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
40.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本发明所使用的材料、仪器及试剂如无特殊说明，均可由商业途径获得；所使用的实验方法如无特殊说明，均为本领域常规实验方法。
41.本发明实验数据采用spss 19.0进行anova单因素方差分析，采用ducan检验(p<0.05)数据的差异显著性。
42.本发明技术流程如图1所示。
43.实施例1
44.哈茨木霉微胶囊的制备
45.1、哈茨木霉孢子悬浮液的制备
46.哈茨木霉菌菌种由沈阳农业大学植物保护学院农药学教研组提供，将哈茨木霉菌菌种活化后进行液体发酵培养，具体组分如下，玉米粉63g，甘油7.5ml，起始ph 4.0，蒸馏水1000ml。分装至500ml锥形瓶中，每瓶装液量为150ml，在28℃下以150r/min培养144h，过滤后离心，收集菌泥，加入少量生理盐水混匀。通过平板计数法检测菌悬液的活菌数，保证活菌数为1
×
10
10
cfu/ml，置于4℃冰箱保存备用。
47.2、哈茨木霉微胶囊制备单因素条件优化
48.2.1壁材浓度对微胶囊成囊的影响
49.取1
×
109cfu/ml哈茨木霉孢子悬浮液1ml，分别加入配制好的质量分数分别为0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％的明胶溶液和阿拉伯胶溶液各40ml，1:1混合，考察不同
壁材浓度对微胶囊成囊的影响。将混合溶液置于磁力搅拌器上，以200r/min搅拌3min，使其混合均匀。之后将体系温度加热至40℃，并提高转速至500r/min，待体系温度稳定后，缓慢滴加体积分数为10％的冰乙酸溶液调节体系ph值至4.0。持续搅拌20min后，停止加热。待体系温度降至室温后将反应混合液置于冰水浴中降温至5～10℃，加入体积分数为30％的氢氧化钠溶液调节ph值至8.0
‑
9.0。5min后，滴加25％的戊二醛溶液2ml。室温下磁力搅拌交联固化60min，得微胶囊悬浮液。悬浮液于4000r/min下离心1min，抽滤，测定包埋率，每个试验设3次重复。
50.2.2搅拌转速对微胶囊成囊的影响
51.取1
×
109cfu/ml哈茨木霉孢子悬浮液1ml，加入配制好的浓度为1.5％的明胶溶液和阿拉伯胶溶液各40ml，1:1混合。将混合溶液置于磁力搅拌器上，以200r/min搅拌3min，使其混合均匀。之后将体系温度加热至40℃，并分别改变转速为300、400、500、600、700r/min，考察不同转速对微胶囊成囊的影响，待体系温度稳定后，缓慢滴加体积分数为10％的冰乙酸溶液调节ph值至4.0。持续搅拌20min后，停止加热。待体系温度降至室温后将反应混合液置于冰水浴中降温至5～10℃，加入体积分数为30％的氢氧化钠溶液调节ph值至8.0
‑
9.0。5min后，滴加25％的戊二醛溶液2ml。室温下磁力搅拌交联固化60min，得微胶囊悬浮液。悬浮液于4000r/min下离心1min，抽滤，测定包埋率，每个试验设3次重复。
52.2.3孢子浓度对微胶囊成囊的影响
53.分别取1ml孢子浓度为1
×
106cfu/ml、1
×
107cfu/ml、1
×
108cfu/ml、1
×
109cfu/ml、1
×
10
10
cfu/ml的哈茨木霉孢子悬浮液，加入配制好的浓度为2.0％的明胶溶液和阿拉伯胶溶液各40ml，1:1混合，考察不同孢子悬浮液添加量对微胶囊成囊的影响。将混合溶液置于磁力搅拌器上，以200r/min搅拌3min，使其混合均匀。之后将体系温度加热至40℃，并提高转速为400r/min，待体系温度稳定后，缓慢滴加体积分数为10％的冰乙酸溶液调节体系ph值至4.0。持续搅拌20min后，停止加热。待体系温度降至室温后将反应混合液置于冰水浴中降温至5～10℃，加入体积分数为30％的氢氧化钠溶液调节ph值至8.0
‑
9.0。5min后，滴加25％的戊二醛溶液2ml。室温下磁力搅拌交联固化60min，得微胶囊悬浮液。悬浮液于4000r/min下离心1min，抽滤，测定包埋率，每个试验设3次重复。
54.2.4ph值对微胶囊成囊的影响
55.取1
×
109cfu/ml的哈茨木霉孢子悬浮液1ml，加入配制好的浓度为2.0％的明胶溶液和阿拉伯胶溶液各40ml，1:1混合。将混合溶液置于磁力搅拌器上，以200r/min搅拌3min，使其混合均匀。之后将体系温度加热至40℃，并提高转速为400r/min，待体系温度稳定后，缓慢滴加体积分数为10％的冰乙酸溶液分别调节体系ph值至3.6、3.8、4.0、4.2、4.4，考察不同ph对微胶囊成囊的影响。持续搅拌20min后，停止加热。待体系温度降至室温后将反应混合液置于冰水浴中降温至5～10℃，加入体积分数为30％的氢氧化钠溶液调节ph值至8.0
‑
9.0。5min后，滴加25％的戊二醛溶液2ml。室温下磁力搅拌交联固化60min，得微胶囊悬浮液。悬浮液于4 000r/min下离心1min，抽滤，测定包埋率，每个试验设3次重复。
56.3.响应面法优化哈茨木霉微胶囊制备条件
57.根据单因素试验的结果，采用design
‑
expert 8.06软件，选取搅拌转速(a)、壁材浓度(b)和成囊ph值(c)对微囊包埋率具有显著影响的3个因素，以包埋率(y)为响应值进行box
‑
behnken响应面设计，试验因素和水平编码设计见表1。
58.表1响应面试验因素与水平
[0059][0060][0061]
4微胶囊响包埋率的测定方法
[0062]
微胶囊包埋率根据魏伟(魏伟.生物除草剂qz
‑
2000微囊剂的研究[d]；南京农业大学,2014.)采用的方法测定。吸取微囊剂溶液，滴一滴溶液于血球计数板上，在10x10倍显微镜镜下测定未被包埋的孢子数和总孢子数。
[0063]
包埋率(％)＝(总孢子数－未被包裹的孢子数)/总孢子数
×
100％
[0064]
3、实验结果
[0065]
3.1 哈茨木霉微胶囊制备单因素条件优化
[0066]
3.1.1 壁材浓度对哈茨木霉微胶囊包埋率的影响
[0067]
由图2可知在壁材浓度在0.5％～1.5％范围内时，随着壁材浓度的增大，微胶囊的包埋率也随之增加。当壁材浓度为1.5％时到达峰值，此时微胶囊的包埋率为90.83％；当壁材浓度大于1.5％的时候包埋率随浓度的升高而降低，原因是较低浓度的壁材溶液，壁材间的相互作用力弱，壁材产生的复凝聚物较少，使得凝聚率较小。而随着壁材浓度的不断增大，两种壁材间相互作用力逐渐增大，壁材产生的复凝聚物不断增多，有效的包埋情况不断增大，当壁材浓度达到一定值后由于其较大的相互作用力使得壁材间发生黏连，阻碍了后续微胶囊的形成，导致包埋率不断下降。所以将壁材浓度的响应面优化范围确定在1％～2％。
[0068]
3.1.2 转速对哈茨木霉微胶囊包埋率的影响
[0069]
由图3可知，随着搅拌速率的增加微胶囊的包埋率不断上升，并且粒径逐渐均匀，并在500r/min的时候达到峰值，包埋率为90.67％，此条件下形成的微胶囊呈现良好的球形；当转速大于500r/min时，包埋率随着转速的提高而下降。原因可能是在低转速的时候，由于搅拌速率偏小，形成的微胶囊粒径偏大，囊壁薄易破裂，使芯材流出，从而呈现出较低的包埋率；而转速增大后，由于过快的转速导致反应体系中出现泡沫，阻碍了微胶囊的形成。所以将搅拌速度的响应面优化范围确定在400r/min～600r/min。
[0070]
3.1.3 孢子浓度对哈茨木霉微胶囊包埋率的影响
[0071]
孢子浓度对包埋率的影响可见图4，当孢子接种量在1
×
109cfu以下时，包埋率保持在90％左右，而当孢子接种量达到1
×
10
10
cfu时微胶囊的包埋率骤降至38.67％。当孢子接种量偏少时，会出现大量空包的微胶囊，造成壁材的浪费，因此选择1
×
109cfu为孢子接种量进行试验。
[0072]
3.1.4 ph对哈茨木霉微胶囊包埋率的影响
[0073]
ph对微胶囊包埋率的影响可见图5，当ph小于4.2时，随着ph的不断增大，微胶囊的包埋率也不断增大，微胶囊的形态逐渐由不规则形状向规则的球形转变。并在ph为4.2时达到最高值，此时的微胶囊的包埋率为91.17％；而ph值大于4.2后，由于明胶的特殊性质过了
其等电点后由带正电转变带负电，而阿拉伯胶一直带负电，使得复凝聚反应难以发生，从而使包埋率下降。所以将复凝聚ph值的响应面优化范围确定在4.0～4.4。
[0074]
3.2 响应面分析法优化哈茨木霉微胶囊制备条件
[0075]
3.2.1 哈茨木霉微胶囊制备条件
[0076]
以哈茨木霉微胶囊制备单因素实验结果为基础，以壁材浓度、复凝聚ph、搅拌速度为响应因素，以包埋率为响应值，设计三因素三水平的响应面实验，方案及结果见表2。通过design
‑
expert 8.0.6软件对实验数据进行二次多项式拟合，得到回归方程为：r1＝ 92.04 4.25*a 3.53*b 1.80*c
‑
2.27*a*b
‑
3.64*a*c
‑
3.62*b*c
‑
4.58*a2‑
4.81*b2‑
4.35*c2.
[0077]
表2哈茨木霉微胶囊响应面试验设计及结果
[0078][0079]
回归方程方差分析见表3。由表可知，模型中p<0.001，表明该回归模型极显著，即对哈茨木霉微胶囊包埋率的影响明显。失拟项p＝0.1868>0.05为不显著，决定系数r2＝0.9931，校正系数r2adj＝0.9843，变异系数(cv)为0.97％，表明该模型拟合程度良好，误差较小。从三种因素对包埋率的影响上看，一次项中a,b,c三者对包埋率的影响情况为a>b>c。二次项中均对包埋率有极显著的影响。交互项中ab，ac和bc为极显著影响。影响程度为ac>bc>ab。从图可看出三个相应曲面在所选条件范围内有顶点，且开口向下，等高线的疏密程度可反应出交互作用的强弱，等高线越密集，曲面坡度越陡，交互作用越强(图6)。
[0080]
表3响应面试验回归方程方差分析
[0081][0082]
3.2.2 回归方程验证
[0083]
根据回归方程可得哈茨木霉微胶囊的最佳工艺条件为：搅拌速度551r/min，壁材浓度1.645％，成囊ph4.17，此条件得到的最优解为93.37％。为简便操作选取搅拌转速500r/min，壁材浓度1.6％，成囊ph4.2。在此条件下得到的微胶囊包埋率为理论值为92.55％，实际操作得到的包埋率为92.17
±
0.14％，与预测值接近。
[0084]
4、结论
[0085]
根据单因素实验与响应面优化结果，最终确定哈茨木霉微胶囊制备的配方及方法为：取1
×
109cfu/ml哈茨木霉孢子悬浮液1ml，分别加入配制好的浓度为1.6％的明胶溶液和阿拉伯胶溶液各40ml，1:1混合。将混合溶液置于磁力搅拌器上，以200r/min搅拌3min，使其混合均匀。之后将体系温度加热至40℃，并提高转速至500r/min，待体系温度稳定后，缓慢滴加体积分数为10％的冰乙酸溶液调节体系ph值至4.2。持续搅拌20min后，停止加热。待体系温度降至室温后将反应混合液置于冰水浴中降温至5～10℃，加入体积分数为30％的氢氧化钠溶液调节ph值至8.0
‑
9.0。5min后，滴加25％的戊二醛溶液2ml。室温下磁力搅拌交联固化60min，得微胶囊悬浮液。悬浮液于4000r/min下离心1min，抽滤，测定包埋率，每个试验设3次重复。在此条件下得到的微胶囊包埋率为理论值为92.55％。
[0086]
实施例2
[0087]
哈茨木霉微胶囊性能指标测定
[0088]
1、实验方法
[0089]
1.1 微胶囊粒径的测定方法
[0090]
采用bt
‑
9300h激光粒度分布仪测量微胶囊的粒径区间及中位径，将少量的微胶囊置于装有蒸馏水的搅拌器中，超声处理3min，待微囊均匀散在水中后进行粒径测定。
[0091]
1.2 微胶囊的形态特征观察方法
[0092]
将所制微胶囊悬浮液滴1滴到有测微尺的载玻片上(1div＝0.01mm)，用光学显微镜在10x10倍下观察微胶囊的形态。将制得的微胶囊粉末黏在sem样品台上观察微胶囊表面形态，扫描电镜加速电压为5kv。
[0093]
1.3 哈茨木霉微胶囊的贮藏稳定性测定
[0094]
将制备好的哈茨木霉微胶囊放于
‑
80℃冰箱中预冻18h后，放入真空冷冻干燥机中，在
‑
53℃，61pa的条件下干燥18h以上，使其充分干燥后，分别放于4℃冰箱和室内背光处，每隔30d测定一次存活率。
[0095]
1.4 哈茨木霉微胶囊对苹果轮纹病室内离体活性测定
[0096]
选取大小一致的健康无损伤苹果，用苹果表面用清水洗净后，然后用75％的酒精擦拭表面，待苹果表面干燥后，用打孔器在苹果的中上部打孔，配制1
×
106cfu/ml、1
×
107cfu/ml、1
×
108cfu/ml、1
×
109cfu/ml、1
×
10
10
cfu/ml的哈茨木霉微胶囊孢子溶液，并将混合孢子悬浮液喷施打孔处，以喷洒无菌水作为对照空白，25℃下恒温恒湿培养。同时与不同浓度的市售生物农药多抗霉素、苦参
·
蛇床素进行对比，试验方法同上。其中多抗霉素根据建议剂量配制浓度梯度为1000倍液，1200倍液，1400倍液。苦参
·
蛇床素配制有效含量40μg/ml，60μg/ml，80μg/ml的对照液。
[0097]
2、实验结果
[0098]
1粒径分布
[0099]
哈茨木霉微胶囊粒径分布情况如图7所示，可以看出哈茨木霉微胶囊粒径呈近似正态分布，哈茨木霉微胶囊粒径大小分布均匀，粒径主要集中在20～40μm，中位粒径为27.19μm。
[0100]
2扫描电镜与显微镜观察
[0101]
光学显微镜和扫描电镜观察结果如图8和图9所示，微胶囊呈现良好的球形，表明壁材对芯材有很好的包裹作用，基本达到预期目的。
[0102]
3.哈茨木霉微胶囊的贮藏稳定性测定
[0103]
表4哈茨木霉微胶囊的贮藏稳定性测定
[0104][0105][0106]
注：表中不同小写字母代表在0.05水平具有显著差异，不同大写字母表示在0.01水平具有显著差异。
[0107]
将以最佳条件制备的哈茨木霉微胶囊放在条件下不同贮存，并定期测定孢子存活率，由图可以看出，孢子存活率存在一定差异，当微胶囊在4℃下保存时720d后的孢子存活率为83.34％；而在室温条件下的存活率为86.11％。但不论在室温还是在4℃下都能很好保持菌种的活力。比市售产品的保存时间延长了一倍以上。
[0108]
4.哈茨木霉微胶囊对苹果轮纹病室内离体活性测定
[0109]
由表5及图10可知，有效含量为1
×
109cfu/ml的微胶囊悬浮剂对苹果轮纹病的防治为60％，与多抗霉素1000倍液的和苦参
·
蛇床素80μg/ml防治率大小相近，二者的防治率分别为61.68％和65.81％。
[0110]
表5不同浓度生防菌对苹果轮纹病的效果
[0111][0112]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。