Certis Biologicals是日本三井的全资子公司,在生物技术领域的创新可以追溯到上个世纪40年代。此后数十年的时间里,公司不断丰富产品组合,目前已拥有极为丰富的生物农药品类,包括生防菌、病毒农药、脂肪酸、生物化学农药、植物提取物、发酵提取物,覆盖杀菌、除草、杀虫、杀螨、杀线虫和杀螺功能,共计约75款产品。其产品已进入全球五十多个国家的市场。


Certis Biologicals的制剂开发团队拥有制剂科学家、分析化学家、微生物学家等。其中,公司高级制剂科学家Brittany Nordmark毕业于卡内基梅隆大学,曾在Marrone Bio Innovations(MBI)担任制剂团队主管,在生物农药配方技术领域拥有多年经验。


以下,Brittany向我们分享开发生物农药制剂(尤其是真菌制剂)需要考虑的重要事宜,以及开发生物制剂碰上的挑战和应对经验[1]


在开发生物农药时,制剂研究员需要首先决定采用哪种剂型:水分散粒剂(WG)、水悬浮剂 (SC)、油悬浮剂(OD),还是乳油(EC)等。国际作物保护联盟(Croplife International)的农药制剂类型和国际编码体系目录列出了超过60种不同剂型,该如何选择?惰性成分应该选择哪些?Brittany在做决定前会考虑:


1. 活性成分的特性。活性成分的特性决定了哪些剂型可用于产品开发。Certis Biologicals位于加利福尼亚州 Wasco 的工厂通过液体发酵培养的细菌,可以轻松配制成悬浮剂。其位于蒙大拿州 Butte 的生产工厂通过固体发酵培养的真菌具有疏水性,因此油悬浮剂或可湿性粉剂是适合的剂型选择。印楝素溶于油,因此乳油是该产品系列的理想剂型。


2. 活性成分的稳定性。就活体微生物而言,固体生物农药的保质期一般比液体生物农药更长。但农民更喜欢使用液体配方。若选择液体配方则可以使用惰性物质,如抗菌剂(防止杂菌与活性成分争夺资源)、抗氧化剂、食物来源,或使用诱导休眠的药剂来延长保质期。


3. 活性成分的载入。产品中含有多少活性成分合适?这给惰性成分留下了多少空间?这需要取得平衡。在配制挤压的水分散粒剂(WG)时需要加入惰性物质,如分散剂、崩解剂、润湿剂、助挤剂和稳定剂。如果该 WG 需要90%的活性成分,则只留下10%的惰性成分,可能会导致产品物理性质不佳。


4. 活性成分的功能。活性成分的杀灭功能是什么:杀虫、杀菌、杀线虫还是除草?一些杀虫剂需要惰性成分作为诱饵来引诱害虫食用。叶用杀菌剂可以从粘展剂中受益。而针对施用于犁沟内的杀线虫剂,润湿剂可以减少浸出。除草剂在低硬度水中最有效,因此在配方中添加软水剂是有帮助的。


5. 监管法规。用于(生物)农药前,惰性成分必须获准用于作物,并且在美国,必须遵守环保署 40 CFR 第 180 部分规定的配方要求。用于具备有机认证的(生物)农药前,惰性成分必须列在环保署 4A 或 4B 清单中,或具备OMRI 有机认证。在全球销售产品必须参考当地法规,例如 (EC) No 1107/2009(欧盟禁用助剂清单)。


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开发生物制剂会碰上哪些挑战?


液体产品通常易于使用,因此受到种植者的青睐,但液体生物农药,尤其是活性成分为真菌的液体制剂的开发,给配方科学家带来了特殊的挑战:


1. 疏水性。真菌孢子可以通过液体或固体发酵培养。液体发酵产生芽生孢子,固体发酵则产生分生孢子。尽管芽生孢子具有亲水性,但在生物农药配方中,芽生孢子比疏水性分生孢子更难保存。因此,分生孢子通常被优先用作真菌产品的活性成分。


微生物制剂最知名的两种液体剂型是水悬浮剂(SC)和油悬浮剂(OD)。由于分生孢子具有疏水性,因此需要润湿剂和分散剂来配制悬浮液。但将真菌孢子储存在水中会影响保质期。分生孢子会在有水的情况下形成孢子,如果配方中没有营养成分,它们就会死亡。如果配方中存在营养成分,分生孢子就会发芽,产生菌丝,随着时间的推移,菌丝会使配方变稠,甚至达到污泥的稠度。


对于液体真菌产品,油悬浮剂(OD)比水悬浮剂(SC)更适合选用。油能够润湿疏水性活性物质,而分生孢子不会在油中形成孢子。但配制油悬浮剂也存在一系列挑战,这些挑战在以下第2-6项中讨论。


2. 均匀性。种植者和配方科学家都希望他们的液体生物农药是均匀的。出现分离有时会让人怀疑其功效受到了影响,可能会引发诸如″这个产品仍然有效还是变质?″或″摇晃后活性成分是否均匀分散在整个罐中?″等问题。


均匀性差也会影响产品的易用性。虽然在使用前摇晃液体生物农药是个很好的处理办法,但不应需要剧烈摇晃来让沉淀物重新悬浮。理想的液体配方不会随着时间的推移而出现分层,但如果满足这两个标准,分层就不会影响产品销售:1)沉淀物应易于重新悬浮;2)沉淀应在几天后出现,而非几小时,甚至几分钟。


对于油悬浮剂,分层通常是由于油和活性成分之间的密度差异而产生的。为了解决这种分离问题,配方科学家通常在制剂中使用表面活性剂和二氧化硅。但这些成分可能会造成增稠问题,影响产品倾倒。


3. 可倾倒性。可倾倒性是指液体从容器中倒出的能力,也与种植者使用产品的易用性相关。如果液体配方太稀或表面张力较低,倒出时可能会滴落,导致产品浪费。更常见的情况是液体配方太稠。稠配方会比稀配方更多地覆盖于罐子表面。为了回收产品,种植者可能需要将罐子倒置一段时间或用水冲洗罐子。为了防止给种植者带来这些不便,配方科学家可以向液体配方中添加流变改性剂以达到理想的黏稠度。


4. 乳化性。制剂在加水稀释使用时,由于油和水不相溶,因此表面活性剂在油悬浮剂开发中起着重要作用。油在水中保持稳定的乳液状态,与混罐中活性成分的均匀分布相关。这又与产品施用过程中活性成分的均匀分布相关,这对种植者来说非常重要。如果乳液不稳定,油就会浮到混罐表层。由于疏水性活性成分更喜欢油(在油中具有较低的化学势),它会跟随油聚集在混罐表层。


如何选择有效的表面活性剂?


Brittany一般会从亲水亲油平衡值 (HLB)开始。这一数值是表面活性剂亲水基团与亲油基团的比值。平衡值低则亲油性更强 (< 10),平衡值高则亲水性更强 (> 10)。Angela Lemmon Turner整理了一份超过60种油脂所需要的表面活性剂亲水亲油平衡值[2]。在得知所使用油脂的亲水亲油平衡值后,就可以尝试具备该值的不同表面活性剂在产品中的适用性。


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以亲水亲油平衡值范围展示表面活性剂功能分类(图源:维基百科)


5. 存活力。生物农药配方最大的挑战是存活力。制剂开发商可以配制一款均匀的油悬浮剂,它很容易倒出并形成稳定的乳液,但如果微生物活性成分不能在室温下存活至少6个月,就等于没有产品。短活力的油悬浮剂通常可以归因于配方中的油载体或其他惰性成分。在批准产品之前,应进行稳定性试验。


6. 成本。制剂产品的成本需要较低才能被种植者接受。一些制剂开发商用于真菌油悬浮剂的载体能够满足上述要求,但因成本过高最终难以销售。


生物农药开发的最大挑战是同时解决所有配方难题。在这个油悬浮剂案例中,研究人员通过添加可以乳化载体油的表面活性剂来配制均匀的配方。但这些表面活性剂使配方变得黏稠,以至于难以倒出。一旦添加流变改性剂使配方可以倒出,制剂就不再是稳定的乳液,因此不得不改用其他表面活性剂。配方开发是一个循环过程,需要研究、试验、时间和毅力,但当配方能够让种植者受益时,这些付出都是非常值得的。


[1] 本文内容主要来自Brittany第五届国际农化制剂与应用技术高峰论坛(FAT 2024)上分享的报告,及其撰写的文章。 

[2] https://www.researchgate.net/profile/Jean-Canselier/post/How-can-I-determine-the-Hydrophilic-Lipophilic-Balance-of-an-oil/attachment/59d6235879197b8077981ae7/AS%3A306873738170368%401450175808132/download/Required_HLB_for_Oils_and_Lipids.pdf


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