枯茗醛、孜然精油及其微胶囊对两种储粮害虫的熏蒸效果比较

刘文妮,燕 璐,沈科萍,李海杰,毕 阳,张 忠

(甘肃农业大学食品科学与工程学院,甘肃兰州 730070)

枯茗醛、孜然精油及其微胶囊对两种储粮害虫的熏蒸效果比较

刘文妮,燕 璐,沈科萍,李海杰,毕 阳*,张 忠*

(甘肃农业大学食品科学与工程学院,甘肃兰州 730070)

本研究评价了孜然精油主成分枯茗醛、孜然精油及其微胶囊对玉米象(Sitophiluszeamais)和杂拟谷盗(Triboliumconfusum)两种储粮害虫的熏蒸效果。结果表明:孜然精油对玉米象和杂拟谷盗具有良好的熏蒸作用,20 μL/L浓度下熏蒸12 h可达到100%的控制效果;枯茗醛的熏蒸效果略逊于孜然精油,孜然精油微胶囊的熏蒸效果一般;杂拟谷盗对高浓度孜然精油的敏感性高于枯茗醛,而枯茗醛则对玉米象的作用效果明显,且随着浓度升高、作用时间延长,熏蒸效果越好。由此表明,孜然精油中的各种活性成分会通过协同作用达到良好的熏蒸效果。

孜然精油,枯茗醛,微胶囊,熏蒸,储粮害虫

多种昆虫与粮食储藏期间的损失有关,其中玉米象(Sitophiluszeamais)和杂拟谷盗(Triboliumconfusum)对玉米和小麦的损害最为严重[1]。虽然采用化学杀虫剂可有效控制这两种害虫在粮食贮藏期间的危害[2],但长期和大量使用会引起药物残留、环境污染并使昆虫产生抗性。因此,开发低毒、高效的新型杀虫剂便成为当前粮食贮藏中亟待解决的问题[3]。

多种植物精油具有抗虫活性[4-6]。野艾蒿精油可有效触杀、熏蒸和驱避玉米象[7];日本扁柏精油对绿豆象和米象具有熏蒸和触杀作用[8-9]。大蒜、丹参、何首乌和苦参精油分别对雌性或雄性象甲具有显著的选择性拒食活性[10]。八角茴香精油对长角扁谷盗具有很强的触杀作用[11]。α-蒎烯对赤拟谷盗具有较高的熏蒸活性[12]。其中,孜然精油对多种昆虫具有良好的熏蒸效果,这些昆虫包括埃及伊蚊[13]、面粉蛾[14]、米象[15]、长角扁谷盗和古蠹[16]等。但尚未见孜然精油主成分枯茗醛和孜然精油微胶囊对玉米象和杂拟谷盗杀虫效果的报道。由于植物精油普遍具有易挥发、易氧化、化学性质不稳定等特点[17],因此,采用微胶囊技术可有效克服植物精油在使用和贮存期间存在的问题[18]。

本研究拟以枯茗醛、孜然精油及其微胶囊作为熏蒸剂,采用三角瓶密闭熏蒸法对玉米象和杂拟谷盗两种储粮害虫的熏蒸效果进行比较,以期为枯茗醛、孜然精油及其微胶囊的防虫应用提供方法和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

孜然籽(品种:敦玉1号) 由敦煌种业股份有限公司提供;β-环糊精(β-CD)、麦芽糊精(MD)和壳聚糖均为食品级;单甘酯(分析纯);无水乙醇、石油醚(沸点30～60 ℃,分析纯) 天津市光复科技发展有限公司;对异丙基苯甲醛(枯茗醛) 上海达瑞精细化学品有限公司;250 mL试剂瓶;杂拟谷盗、玉米象 华中农业大学提供。

KQ-250B型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;DF-Ⅱ集热式磁力加热搅拌器 金坛市顺华仪器有限公司;SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司;珠江牌培养箱 韶关市泰宏医疗器械有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 孜然精油的提取方法 参照李大强[19]的方法,将植物原料粉碎,按物料比1∶10的比例加入到水蒸馏装置中,称取粉碎的植物原料160 g加入1600 mL蒸馏水进行蒸馏,蒸馏3 h后馏出液用冷凝水冷凝收集、静置、分层后除去溶剂获得精油,将收集的精油放在4 ℃的冰箱中备用。

1.2.2 孜然精油微胶囊的制备 采用刘文妮[20]的方法制备孜然精油微胶囊,备用。

1.2.3 供试昆虫的饲养 由华中农业大学城市有害生物研究所提供的供试昆虫在本室的恒温养虫室内(温度为(28±1)℃,RH 75%±5%)饲养。杂拟谷盗用麸皮∶面粉为7∶3比例做饲料,玉米象用完整的小麦作为饲料,饲料使用前均先置于烘箱(80 ℃)中消毒2 h,调整含水量至14%左右,分装于广口瓶内,然后分别接入杂拟谷盗成虫,置于养虫室内饲养。7 d后筛去成虫,继续饲养,待新一代成虫大量出现后5～10 d,用此成虫做试虫[21]。

1.2.4 枯茗醛、孜然精油及其微胶囊对杂拟谷盗杂熏蒸作用 参照Saeidi[22]的方法,先将杂拟谷盗成虫放入容量为250 mL的试剂瓶内,每瓶接入20头成虫,再将5、10、15、20和25 μL/L等不同浓度的供试孜然精油或枯茗醛用微量进样器滴于10 cm×1 cm的滤纸条中部(对照组不加),将滤纸条粘在试剂瓶瓶口,将瓶盖拧紧密封,每个处理设3次重复;将含有与孜然精油相同浓度的孜然精油微胶囊200、300、400、500、600 mg/L放入瓶底(对照组不加),其它条件同上,再将试剂瓶移入与培养条件相同的培养箱中,分别于2、4、8、12、24、48 h后检查试虫死亡情况,计算死亡率、校正死亡率。

1.2.5 枯茗醛、孜然精油及其微胶囊对玉米象的熏蒸作用 采用Wang[23]和王雪松[24]的方法,先将玉米象成虫放入容量为250 mL的试剂瓶内,每瓶接入20头成虫,再将5、10、15、20、25 μL/L等不同浓度的供试孜然精油或枯茗醛用微量进样器滴于10 cm×1 cm的滤纸条中部(对照组不加),将滤纸条粘在试剂瓶瓶口,将瓶盖拧紧密封,每个处理设3次重复;将孜然精油微胶囊20、50、100、150、200 mg/L放入瓶底(对照组不加),其它条件同上,再将试剂瓶移入与培养条件相同的培养箱中,分别于2、4、8、12、24、48 h后检查试虫死亡情况,计算死亡率、校正死亡率。

1.2.6 数据统计 采用Microsoft Excel 2003对实验数据进行统计和处理,计算死亡率、校正死亡率和标准偏差(±SE)。

死亡率(%)=试虫死亡率/试虫总数×100

校正死亡率(%)=(处理组死亡率-对照组死亡率)/(1-对照组死亡率)×100

2 结果与分析

2.1 枯茗醛、孜然精油及其微胶囊对杂拟谷盗的熏蒸作用

图1 枯茗醛(A)、孜然精油(B)及其微胶囊(C)对杂拟谷盗的熏蒸效果Fig.1 Fumigation action of cuminaldehyde(A),cumin essential oil(B)and its microcapsules(C)on T. confusum注:图中竖线表示标准误(±SE)，图2同。

将孜然精油、枯茗醛和孜然精油微胶囊分别对杂拟谷盗进行熏蒸实验,结果(图1)可以看出,三种熏蒸剂对杂拟谷盗具有相同的影响趋势,即熏蒸剂浓度越大,熏蒸时间越长,试虫的校正死亡率越高,熏蒸效果越好。其中孜然精油的熏蒸效果最好,15 μL/L熏蒸8 h对杂拟谷盗的校正死亡率高达91.67%,24 h时基本完全控制;枯茗醛的熏蒸效果其次,25 μL/L熏蒸24 h校正死亡率可达86.67%;孜然精油微胶囊的熏蒸效果最差,800 mg/L微胶囊熏蒸48 h校正死亡率仅有68.33%。由于微胶囊是一个缓释体系,空间中的熏蒸成分浓度和数量均低于孜然精油,可通过增大熏蒸剂的浓度和延长熏蒸时间改善熏蒸效果。当孜然精油的浓度为20 μL/L时,熏蒸2 h时为0.00%,4 h为93.33%,8 h为98.33%,12、24、48 h为100.00%,熏蒸时间越久,熏蒸效果越明显,此浓度下熏蒸12 h就可达到全部控制的效果。单体成分对杂拟谷盗的熏蒸效果弱于精油,提高微胶囊的浓度可以达到控制杂拟谷盗的作用,进而为控制储粮害虫提供一定的理论基础。

2.2 枯茗醛、孜然精油及其微胶囊对玉米象的熏蒸作用

熏蒸剂的类型不同,对玉米象的熏蒸效果也不相同(图2)。相同培养条件下,总体的熏蒸效果为孜然精油>枯茗醛>孜然精油微胶囊,且随着浓度的增大,熏蒸时间的延长,各种熏蒸剂的熏蒸效果差异显著,熏蒸作用越明显。15 μL/L孜然精油熏蒸24 h可完全致死玉米象;枯茗醛25 μL/L熏蒸24 h的校正死亡率也高达98.33%,但不及孜然精油;孜然精油微胶囊200 mg/L熏蒸48 h的校正死亡率为90.00%。分析数据可知,枯茗醛对玉米象的熏蒸效果低于孜然精油,而微胶囊的熏蒸效果弱于枯茗醛,但可以达到控制释放的效果。相同浓度200 mg/L的孜然精油微胶囊对玉米象熏蒸不同时间后的校正死亡率分别是2 h为53.33%,4 h为61.67%,8 h为73.33%,12 h为78.33%,24 h为81.67%,48 h为90.00%,熏蒸时间越长,校正死亡率越高,熏蒸效果越好,且可通过增大熏蒸剂浓度和调整熏蒸时间来控制储粮害虫。对孜然精油进行微胶囊化可以延长贮存期,达到控制释放速度和释放量的结果。

图2 枯茗醛(A)、孜然精油(B)及其微胶囊(C)对玉米象的熏蒸效果Fig.2 Fumigation action of cuminaldehyde(A),cumin essential oil(B)and its microcapsules(C)on S. zeamai

2.3 枯茗醛、孜然精油及其微胶囊对杂拟谷盗和玉米象的熏蒸效果比较

20 μL/L的孜然精油或枯茗醛,熏蒸2 h时玉米象的校正死亡率显著高于杂拟谷盗,但随着熏蒸时间的延长,杂拟谷盗的校正死亡率与玉米象相当。200 mg/L的孜然精油微胶囊对于玉米象的熏蒸效果显著高于杂拟谷盗,由此表明,杂拟谷盗对高浓度孜然精油的敏感性高于枯茗醛,而玉米象在枯茗醛的作用下熏蒸效果显著。总体来看,孜然精油对杂拟谷盗的熏蒸效果要优于玉米象(2 h除外),而枯茗醛和孜然精油微胶囊等易挥发单体物质对玉米象的熏蒸效果要好于杂拟谷盗。

3 讨论

本实验结果表明,孜然精油、枯茗醛和孜然精油微胶囊对杂拟谷盗和玉米象均具有良好的熏蒸作用,其中孜然精油的效果最好,枯茗醛其次,孜然精油微胶囊最差。孜然精油中枯茗醛、α-蒎烯等组成成分的协同作用使其表现出较好的熏蒸效果[15]。黄花蒿精油和野艾蒿精油对玉米象成虫在50 μL/L浓度下熏蒸48 h时两种精油熏蒸效果出现显著性差异,在100、116.7 μL/L的浓度下校正死亡率均达到80%以上[24],而孜然精油在10 μL/L浓度时高达85%,说明孜然精油具有良好的防虫效果。扁柏叶精油对玉米象成虫表现出强烈的触杀和熏蒸毒杀活性[25],魁蒿和樟树精油均可驱避和毒杀米象及蚕豆象[26],兰香草精油对玉米象的半数致死浓度LC50为10.05 mg/L[27]。艾蒿、迭迭香和长叶薄荷精油对杂拟谷盗具有熏蒸效果,低浓度时长叶薄荷精油的熏蒸活性显著地高于艾蒿和迭迭香精油[22]。枯茗醛对两种储粮害虫的熏蒸作用仅次于孜然精油。实验中用浓度为10 μL/L的孜然精油对杂拟谷盗和玉米象进行熏蒸处理48 h后,校正死亡率分别是98.33%和86.67%,而用枯茗醛处理时为50.00%和61.67%,由此可知孜然精油及枯茗醛对两种储粮害虫均具有较好的熏蒸作用,且低浓度的孜然精油对杂拟谷盗的敏感性较高,而枯茗醛对玉米象的作用效果明显。10 μL/L的α-蒎烯对杂拟谷盗熏蒸48 h时的校正死亡率大于90%[18],枯茗醛浓度为25 μL/L时达到相同熏蒸效果,6 μL/L的α-蒎烯对米象熏蒸72 h时的校正死亡率为71.72%[28],可见不同化合物对同一昆虫的熏蒸作用存在差异。本研究发现800 mg/L孜然精油微胶囊对杂拟谷盗熏蒸48 h时校正死亡率为68.33%,5 μL/L的孜然精油校正死亡率为88.33%,这是因为微胶囊是一个缓释体系[21],通过缓慢释放活性成分达到防虫效果,但相同条件下空间中的熏蒸剂浓度和数量均低于孜然精油,因此,熏蒸效果不及孜然精油。香茅精油对储粮害虫具有不同的生物活性,熏蒸处理3 d后,香茅精油的丙酮稀释液对玉米象和赤拟谷盗的校正死亡率为94.46%和87.32%[29],臭椿树皮精油对玉米象和杂拟谷盗成虫熏蒸处理4 d后,成虫的校正死亡率分别为83.2%和96.8%[30]。艾叶精油微胶囊对玉米象和杂拟谷盗两种储粮害虫均有很强的杀虫效果,处理72 h后LD50浓度的防虫剂对玉米象和杂拟谷盗的致死率分别为80%、76.7%[3],说明不同储粮害虫的抗性存在差异,这与本实验结果一致。

孜然精油中枯茗醛[31]、p-伞花烃[32]、α-蒎烯[33]等主要成分对昆虫会产生神经毒性,影响其活动行为,达到防虫目的。为了较全面地研究孜然精油对储粮害虫的防治作用,可从精油的种类[34-35]、剂型、昆虫的物种[36]、作用方式[37]等方面全面地对其酶系、作用机理和防虫效果进行评价。本实验首次以枯茗醛、孜然精油及其微胶囊作为熏蒸剂较系统地研究了对杂拟谷盗和玉米象两种储粮害虫的熏蒸效果,研制精油微胶囊作为粮食防虫剂在粮食储藏中防治玉米象、杂拟谷盗等储粮害虫是可行的,这也将会对开发绿色、安全、高效的植物保护剂和杀虫剂等绿色储粮工程提供一定的依据。

4 结论

孜然精油对玉米象和杂拟谷盗具有良好的熏蒸作用,20 μL/L浓度下熏蒸12 h可达到100%的控制效果;枯茗醛的熏蒸作用比精油的较弱,12 h后25 μL/L的浓度对两种储粮害虫的校正死亡率均高于80%;孜然精油微胶囊的浓度越高、作用时间越长,微胶囊对两种储粮害虫的熏蒸效果越好,200 mg/L的微胶囊处理48 h后对玉米象和杂拟谷盗的校正死亡率分别是90.00%和28.33%,说明孜然精油微胶囊对玉米象成虫较杂拟谷盗敏感,说明不同次级代谢产物之间存在协同作用,对两种储粮害虫熏蒸效果的总体趋势为孜然精油>枯茗醛>微胶囊,可采用升高浓度和延长熏蒸时间的方式达到有效防虫的目的。

[1]张海燕,邓永学,王进军,等.植物精油防治储粮害虫的研究进展[J].粮食储藏,2004,33(3):7-11.

[2]程人俊,周远,兰波,等.植物精油防治储粮害虫研究进展[J].粮油食品科技,2009,17(2):26-28.

[3]葛玲艳,李喜宏,王静.艾叶精油型粮食防虫剂研制及应用[J].粮食储藏,2011,39(5):3-6.

[4]李光灿,李隆术.植物芳香油防治仓虫的实验[J].粮食储藏,1985,63(4):1-8.

[5]丁玉军,谢慧琴,林楠,等.几种植物精油生物活性的初步研究[J].安徽农业科学,2009,37(24):11608-11609.

[6]李文辉,陈嘉东,林亚珍,等.储粮害虫生物防治研究与应用[J].粮食科技与经济,2012,37(6):35-38.

[7]袁海滨. 野艾蒿(Artemisia lavandulaefolia DC.)精油的生物活性,作用机制及安全性研[D].长春:东北师范大学,2010.

[8]Park I K,Lee S G,Choi D H,et al. Insecticidal activities of constituents identified in the essential oil from leaves of Chamaecyparis obtuse against Callosobruchus chinensis(L.)and Sitophilus oryzae(L.)[J]. Journal of Stored Products Research,2003,39(4):375-384.

[9]Lee B H,Annis P C,Tumaalii F,et al. Fumigant toxicity of essential oils from the Myrtaceae family and 1,8-cineole against 3 major stored-grain insects[J]. Journal of Stored Products Research,2004,40(5):553-564.

[10]边文波,王国昌,龚一飞,等. 十九种植物精油对茶丽纹象甲成虫的驱避和拒食活性[J]. 应用昆虫学报,2012,49(2):496-502.

[11]何玉杰,花日茂,李世广,等. 八角茴香提取物对长角扁谷盗的触杀和驱避活性[J]. 中国粮油学报,2013,28(8):63-67.

[12]刘国军. 植物精油及混用熏蒸剂对嗜卷书虱和赤拟谷盗的熏蒸控制作用[D].重庆:西南大学,2009.

[13]胡林峰. 孜然杀菌活性成分研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2005.

[14]陈芹芹,李淑燕,等. 孜然精油成分分析及其功能研究进展[J].食品科学,2011,32(3):301-304.

[15]Nerio L S,Olivero-Verbel J,Stashenko E. Repellent activity of essential oils:a review[J]. Bioresource Technology,2010,101(1):372-378.

[16]李国林.孜然精油对四种储粮害虫的控制及其部分机理[D].兰州:甘肃农业大学,2013.

[17]李新民,张永茂,熊善柏. 喷雾干燥法生成孜然精油微胶囊工艺研究[J].中国调味品,2012,37(2):65-71.

[18]王娣,许晖,汪张贵,等.百里香精油的微胶囊制备及其缓释性能[J].食品科学,2013,34(6):60-63.

[19]李大强,张忠,毕阳,等.甘肃和新疆产区孜然精油成分的比较[J].食品工业科技,2012,33(11):141-143.

[20]刘文妮,沈科萍,张忠,等.响应面法优化孜然精油微胶囊工艺[J].食品科学,2014,35(18):17-21.

[21]李冠华,王苏宁,曾东强,等.灰毛豆精油对谷蠹的毒杀作用[J].湖南农业大学学报:自然科学版,2011,37(2):181-184.

[22]Saeidi M.,Moharramipour S. Insecticidal and repellent activities of Artemisia khorassanica,Rosmarinus officinalis and Mentha longifolia essential oils on Tribolium confusum[J]. Journal of Crop Protection,2013,2(1):23-31.

[23]Wang C F,Liu P,Yang K,et al. Chemical composition and toxicities of essential oil of Illicium fragesii fruits against Sitophilus zeamais[J]. African Journal of Biotechnology,2013,10(79):18179-18184.

[24]王雪松,袁海滨,马丽滨,等.植物精油与甲酸乙酯混配对玉米象成虫的熏蒸作用[J].东北师大学报:自然科学版,2012,44(3):107-111.

[25]袁伊旻,王植芳,何诗静,等.国内外杀虫植物研究进展[J].北京农业,2013,2:83-84.

[26]Liu C H,Mishra A K,Tan R X,et al. Repellent and insecticidal activities of essential oils from Artemisia princeps and Cinnamomum camphora and their effect on seed germination of wheat and broad bean[J]. Bioresource Technology,2006,97(15):1969-1973.

[27]Chu S S,Liu O Z,Zhou L,et al. Chemical composition and toxic activity of essential oil of Caryopteris incana against Sitophilus zeamais[J]. African Journal of Biotechnology,2013,10(42):8476-8480.

[28]李兰青,苏丽,罗鸿,等. 4种植物精油对米象的熏蒸活性研究[J].广西植保,2013,25(4):3-5.

[29]肖洪美,屠康.香茅精油对两种主要储粮害虫的控制作用[J].粮食储藏,2008,37(3):8-11.

[30]吕建华,邹政,王殿轩,等.臭椿树皮提取物对玉米象和杂拟谷盗成虫的控制作用[J].中国粮油学报,2009,24(9):112-115.

[31]Regnault-Roger C. Essential Oils in Insect Control[M]//Natural Products. Springer Berlin Heidelberg,2013:4087-4107.

[32]张慧. 虫害诱导油蒿挥发性物质在害虫寄主选择中的作用机制[D].北京:北京林业大学,2013.

[33]吕建华,林敏刚,屠亚伟. α-蒎烯对杂拟谷盗成虫的控制作用[J].中国粮油学报,2010,25(12):88-91.

[34]郭钰,曾玲,梁广文. 5种植物精油对长头谷盗的控制作用研究[J].中国粮油学报,2013,28(5):57-62.

[35]马志卿,张小泉,李雪娇,等. 99种植物提取物对玉米象的生物活性测定[J].中国粮油学报,2013,28(9):103-108.

[36]Benzi V,Stefanazzi N,Murray A P,et al. Composition,Repellent,and Insecticidal Activities of Two South American Plants against the Stored Grain Pests Tribolium castaneum and Tribolium confusum(Coleoptera:Tenebrionidae)[J]. ISRN Entomology,2014.

[37]聂霄艳,邓永学,王进军,等.花椒精油和麻素对赤拟谷盗成虫的控制作用[J].中国粮油学报,2009,23(4):185-188.

Comparison of fumigation effect of cuminaldehyde,cumin essential oil with its microcapsules on two stored-products insects

LIU Wen-ni,YAN Lu,SHEN Ke-ping,LI Hai-jie,BI Yang*,ZHANG Zhong*

(College of Food Science and Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

The fumigation activity was determined againstSitophiluszeamaisandTriboliumconfusumwith cuminaldehyde,cumin essential oil and microcapsules. Results showed that cumin essential oil at 20 μL/L reached 100% corrected mortality after 12 h of fumigation. Cuminaldehyde had less effective than cumin essential oil. Microcapsules of cumin essential oil inhibited insect activity,however,less effective than cuminaldehyde.T.confusumshowed more sensitivity to cumin essential oil at higher concentration,cuminaldehyde inhibited activity ofS.zeamaisobviously. The better effect of fumigation were gained along with the increase of concentration and fumigation time. It was suggested that active ingredients of cumin essential oil showed good fumigation effect against two insects through synergistic function.

cumin essential oil;cuminaldehyde;microcapsule;fumigation;stored-products insects

2014-05-19

刘文妮(1989-)，女，硕士研究生，研究方向：天然活性物质，E-mail:15095403087@163.com。

*通讯作者:毕阳(1962-)，男，博士，教授，研究方向：采后生物学与技术，E-mail:biyang@gsau.edu.cn。 张忠(1977-)，男，博士，副教授，研究方向：天然活性物质，E-mail:zhangzhong@gsau.edu.cn。

国家自然科学基金(31360416)；甘肃省自然科学基金(1308RJZA162)；甘肃省中药材产业科技攻关项目(GYC2014-07)。

TS202.1

A

1002-0306(2015)15-0330-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.061