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食品添加剂竟可用来驱蚊虫,效果甚过驱蚊胺?

编者按:

诺卡酮(nootkatone)是葡萄柚中最重要、最昂贵的芳香物质,被认为是葡萄柚气味和风味的主要化学成分之一,可用于各种香精和调味剂配方中,主要用于软饮料等。然而,令人意外的是,该成分还具有驱虫的功能。

今天,我们共同关注诺卡酮。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

① 诺卡酮

2020 年 8 月,美国环境保护署(EPA)发表了一项决定:一种最初来自葡萄柚皮、现使用基因工程酵母制成的化合物――诺卡酮(nootkatone),被批准用作驱虫剂或杀虫剂。

这项用于害虫防治的批准为刚刚起步的代谢工程行业奠定了基础,即使用发酵方法制造珍贵的植物衍生生物分子。该成分由总部位于瑞士赖纳赫的 Evolva 公司与美国疾病控制与预防中心(CDC)合作开发。

诺卡酮的这项批准还标志着该行业首次涉足害虫防治。但这并不是市场上第一个微生物衍生的生物分子,其他几种生物分子也已经在销售,包括一种带有香草特有风味的化合物香草醛;作为保健品出售的白藜芦醇;在甜味剂甜叶菊中发现的关键分子莱鲍迪甙(Reb)M 或 D;以及可用作柑橘香精香料成分的瓦伦烯。

② 过程复杂且效率低下

在自然界中,柚子皮和阿拉斯加黄雪松树中含有微量的诺卡酮,它带有柚子特有的气味和味道,香精香料工业将其提取物用于苏打水和香水等产品中。然而,有意思的是,与市场上的避蚊胺(二乙基甲苯胺)和其他杀虫剂相比,诺卡酮还可以大量驱除蜱虫、蚊子和其他叮咬昆虫。

据 Evolva 称,制作 1 公斤诺卡酮需要大约 40 万个葡萄柚。一升高度纯化的食品级诺卡酮售价高达 4000 美元(约合 25,777 元人民币)。这个价位可能适用于需求量较低的调味品行业。但是驱虫剂和杀虫剂需要更多的量,因此从水果或树木中提取诺卡酮在经济上是不可行的。

诺卡酮可以化学合成,但过程复杂且效率低下。田纳西州立大学农业与环境科学系副教授 KarlaAddesso 说:“用纯化学合成通常需要很多步骤,每一步都会损失一部分起始材料。即便使用最有效的方法,都要损失 50%的原料,最终只能获得理论值 50%的诺卡酮产品。”

但是,诱导酵母产生诺卡酮前体是一种可行且具有成本效益的替代方案。研究人员通过修改酵母的基因组以产生关键酶,来操纵参与产生诺卡酮中间体的代谢途径,从而将这些生物变成小型生物工厂。然后使用糖作为原料,通过发酵过程使工程微生物大量生长。

Evolva 公司通过将来自蓟属植物的基因添加到酵母菌种酿酒酵母中,通过半合成过程完成了诺卡酮的生产。工程酵母产生了一种诺卡酮的化学中间体――瓦伦烯。

根据 Evolva 公司的说法,瓦伦烯随后经过化学氧化和纯化步骤,就可以得到纯度超过 99%的诺卡酮,其化学结构与提取物的化学结构完全相同。但是,由于 Evolva 公司使用了化学转化步骤和催化剂,该公司的诺卡酮化合物不能作为“天然”成分进行销售。

③ 可以食用的驱蚊剂

即便如此,诺卡酮天然存在于食品中的事实可能使其对正在寻找避蚊胺和其他常见化学合成杀虫剂成分替代品的消费者更具吸引力。

Addesso 说:“它闻起来更香,效果也很好,因为它是一种食品添加剂,你可以吃它。我觉得对于那些无论是因为觉得避蚊胺不安全,还是因为不喜欢它的气味而担心使用避蚊胺的人来说,诺卡酮都会更受欢迎。”

虽然我们对诺卡酮驱蚊的作用方式尚未完全了解,但可能与避蚊胺和其他害虫防治成分并不相同。这使其成为某些区域的理想选择,因为这些地方的害虫已经对常见杀虫剂产生了抗药性。

Evolva 公司将以“NootkaShield”的名字销售该成分,并将与大大小小的公司合作,把这一成分纳入各种产品配方中。

CDC 媒介传播疾病部门副主任 BenBeard 说:“我们希望在未来看到的一些诸如乳液驱虫剂之类的东西,然后我们可以在早上喷在衣服上或擦在皮肤上,接着,这些成分会长时间留在那里,持续地驱除蜱虫和其他昆虫。或者也可以做成可杀死蜱虫的软肥皂或洗发水,这将会很有帮助。”

Evolva 的首席执行官 Oliver Walker 表示,除了在人身上使用诺卡酮之外,诺卡酮还可以帮助牛对抗牛蜱。他说:“把诺卡酮制成农作物和其他农业应用的杀虫剂可能是一个长期目标。因为这类化学物质都很便宜。”

④ 变得更安全

来自微生物的诺卡酮的最初发现和专利源于 CDC 的工作。该机构于 2014 年将该技术授权给 Allylix 公司,同年 Allylix 公司被 Evolva 公司收购。两年后,CDC 和 Evolva 公司达成了一项研究协议,将使用诺卡酮作为驱虫剂和杀虫剂来对抗蜱虫和蚊子,并进行安全性和有效性试验。

2017 年,寨卡病毒爆发后,Evolva 公司通过与 CDC 的姊妹机构生物医学高级研究与发展局(BARDA)签订的合同获得了 835 万美元,用于推进诺卡酮的开发,以预防蚊媒疾病。

目前除了 Evolva,至少还有两家公司――荷兰赫伦的 Isobionics 和英国米尔顿公园的 Oxford Biotrans一直致力于通过微生物发酵生产诺卡酮。迄今为止,两家公司都瞄准了香精香料行业。在中国,也有研究人员对酵母进行基因改造,以生产诺卡酮。

Addesso 说:“如果我们能找到其他真正有效的植物化合物,并且可以通过这种方式廉价生产,它可能会为新的生物友好型、环境友好型杀虫剂和驱虫剂打开大门。农药世界的发展轨迹一直是让事情变得更安全。因此,如果你能做出这样的东西――可以吃而且也有效,那你就在朝这一方向前进了。”

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41587-020-00760-z

作者|EmilyWaltz,Nashville

编译|Orchid

审校|617

编辑|D