Для підвищення довгострокової стабільності та полегшення транспортування продукції використовуються різні методи, що вимагають певних умов. Тверді мікробні препарати привернули значну увагу в науковому світі для кількох застосувань завдяки своїм перевагам. Головним чином – для сільського господарства. Широке застосування в сільському господарстві, особливо в захисті як біопестициду та в харчуванні як біодобрива, розширило знання про виробництво твердих біопродуктів. Це дозволяє йти в ногу з розвитком у суспільстві.

Нещодавні наукові роботи розкрили різні методи, збільшили врожайність, оптимізували параметри та інші пов’язані процедури для виробництва твердих мікробних препаратів високої якості. Однак оптимальний протокол для твердих мікробних препаратів відрізняється залежно від виду та штаму. Механізми, що лежать в основі захисту та пошкодження під час методів сушіння та зберігання, на жаль, до кінця не зрозумілі.

В огляді висвітлено сучасний стан сублімаційного та розпилювального сушіння – обох фізичних методів, що застосовуються в препаратах мікроорганізмів. Крім того, у дослідженні висвітлено стреси, яким піддаються ці системи під час процесу сушіння, а також стратегії, що використовуються для забезпечення їхньої стабільності протягом обробки та зберігання.

Інформація в огляді забезпечує теоретичну основу для вибору цих відповідних технологій відповідно до вимог, що пред’являються до отримання сталого біовнеску.

За даними ФАО, стале сільське господарство включає такі фактори, як збереження ґрунту, води, генетичних ресурсів тварин і рослин, збереження навколишнього середовища та використання відповідних методів. Через зростання населення та підвищений попит на продукти харчування та інші природні ресурси, стале сільське господарство стало актуальною та надзвичайно актуальною темою. Всесвітня продовольча програма Організації Об’єднаних Націй оцінює, що врожайність сільськогосподарських культур має зрости на 70–100%, щоб прогодувати прогнозоване населення світу до 2050 року. Технологічний прогрес, досягнутий завдяки технологічним винаходам, таким як генетично модифіковані культури та нові пестицидні композити, досягнутий завдяки сучасному просапному землеробству, що призвело до небачених раніше врожайностей сільськогосподарських культур, є надзвичайним.

Швидке збільшення світового використання пестицидів, добрив та води було б не тільки економічно недоцільним для переважної більшості світу, але й мало б негативні наслідки для навколишнього середовища. Задоволення глобальних перспектив врожайності сільського господарства шляхом простого розширення існуючих високовкладних сільськогосподарських систем, що використовуються в більшості розвинених країн світу, просто неможливо. Таким чином, існує критична потреба в удосконалених методах підвищення продуктивності сільськогосподарських культур та визначення переважних рис бажаних видів рослин.

Поява економічно ефективних матеріалів та виробничих процесів, придатних для сталого сільського господарства, призвела до значного зростання розробки та використання мікрокапсульованих продуктів за останнє десятиліття. Використання мікробних продуктів як сільськогосподарських агентів було прийнято як альтернативну зелену стратегію для підтримки продуктивності та безпеки сільськогосподарських культур, одночасно зменшуючи застосування хімічних добрив та пестицидів. Ринок сільськогосподарських біологічних препаратів — біопестицидів, біодобрив та біостимуляторів — швидко зростає разом зі світовим сільським господарством. Прогнози показують, що світовий ринок біопестицидів досягне 15,66 мільярда доларів США до 2029 року, тоді як сукупний ринок біодобрив та біостимуляторів, як очікується, досягне 5,2 мільярда доларів США до 2028 року та 7,6 мільярда доларів США до 2029 року відповідно. Щодо значень, то протягом прогнозованого періоду було досягнуто середньорічного темпу зростання понад 10%.

Інкапсуляція – це нова технологія для боротьби з ґрунтовими патогенами та абіотичним стресом, а також для просування зелених сільськогосподарських проектів. Збереження структури та функції біологічних матеріалів під час тривалого зберігання за високої температури та вологості має суттєве значення для агропромисловості. Окрім підвищеної стабільності цих активних матеріалів, процес мікроінкапсуляції має інші переваги, такі як зменшення простору для зберігання та транспортних витрат. Наразі використовується широкий спектр методів інкапсуляції, класифікованих за механізмом синтезу.

Деякими прикладами є емульгування, екструзія, електроформування, електророзпилення, коацервація, пошарове складання, ліофілізація та розпилювальна сушіння. Серед цих методів інкапсуляції останні два зазвичай використовуються для збереження мікроорганізмів.

Сублімаційне та розпилювальне сушіння – це прості, але добре вивчені методи консервації для розробки твердих рецептур та продуктів для біологічного контролю. Сублімаційне сушіння підходить для термочутливих сполук завдяки безперервній обробці за низької температури, тоді як розпилювальне сушіння є вигідним, оскільки воно економить час, є гнучким та утворює краплі меншого розміру. Сублімаційне сушіння вважається відносно м’яким методом дегідратації, при якому клітини спочатку включаються в матрицю для їх захисту під час заморожування та сушіння. Розпилювальне сушіння передбачає розпилення рідкої матриці в камері з гарячим повітрям, що призводить до швидкого випаровування води та утворення сухих частинок. Порошкоподібні продукти, отримані за допомогою цих методів, стабільні та можуть зберігатися протягом тривалого часу, що має хорошу комерційну цінність для терміну придатності продуктів.

Загалом, хоча дослідження щодо розробки інноваційних стратегій, рецептур та методів обробки біологічного контролю вже добре налагоджені, очікується, що нові підходи в цих галузях значно підвищать продуктивність та сприятимуть ширшому впровадженню та комерціалізації продуктів на основі мікробів. Виходячи з цього контексту, поточний огляд зосереджений на твердих мікробних рецептурах у сільськогосподарській галузі з різних мікробних штамів. Акцент робиться на короткому огляді ролі процесів ліофільної та розпилювальної сушки.

Мікробна формуляція, або біоформуляція, являє собою комбінацію одного або консорціуму мікробних агентів (основний матеріал) та матеріалу-носія (стінка, оболонка, захисний матеріал, інкапсульований або покривний матеріал), який забезпечує доставку потрібної кількості активних клітин у потрібний час. На основі вибраних середовищ-носіїв її умовно класифікують на два типи: тверді біоформули та рідкі біоформули. Тип обраної формуляції має вирішальне значення для успіху застосування. Тверді формуляції є найпопулярнішим методом інкапсуляції мікроорганізмів, що лідирує на ринку зареєстрованих продуктів. Тверді формуляції за своєю суттю стабільні, на відміну від рідких, які змінюються з часом через випаровування та вплив розчинника, що ускладнює реєстрацію продукту. Тверді формуляції менш схильні до забруднення, ніж рідкі, та зберігають спори в їхньому природному стані, запобігаючи пошкодженню від вбирання. Він включає гранули, мікрогранули, змочувані порошки (ЗП), змочувані гранули (ЗГ)/вододисперсні гранули (ВДГ) та інкапсуляцію в полімерні гелі.

Звичайні рецептури виготовляються шляхом змішування корисних мікроорганізмів з інертним носієм, таким як тальк, тирса, пил, зола та торф. Складання рецептур вимагає різних методів, таких як подрібнення та сушіння. Основою процесу розробки рецептури є ефективність, виживання, стабільність під час зберігання та транспортування, легкість застосування, краща продуктивність у польових умовах та успіх застосування в екстремальних умовах. Щоб подолати обмеження, пов’язані з традиційними біоформулами, наука просунулася в напрямку розробки нових рецептур. Інкапсуляція, яку також називають іммобілізацією, є перспективним процесом, який має значні переваги перед іншими рецептурами. Основні етапи та матеріали, що використовуються в технологіях мікрокапсуляції, розглянутих у цьому огляді.

Вибір штаму є фундаментальним для визначення процесу. Кожен мікроорганізм унікальний; отже, процеси не ідентичні. Мікроорганізми схильні до пошкоджень від змін температури. Природа, причини та профілактика цих пошкоджень до кінця не вивчені. Наприклад, хоча вважається, що грампозитивні бактерії потребують меншого захисту, ніж грамнегативні бактерії, кожен з них, ймовірно, потребує індивідуального розгляду. Фактори, які необхідно враховувати, включають вік культури, швидкість росту, тип середовища для росту, величину та швидкість зниження температури, а також подальший характер росту після впливу холодового стресу. Додавання цукру, знежиреного молока, гліцерину, диметилсульфоксиду (ДМСО) або інших кріопротекторних агентів може стабілізувати культури. Різні кріопротекторні агенти мають різну дію, і їх використання визначається емпірично.

Вибір відповідних матеріалів та методів інкапсуляції для конкретних застосувань вимагає ретельного розгляду. Різні властивості матеріалів для інкапсуляції впливають на кінетику вивільнення, стабільність та сумісність з речовинами, що інкапсулюються, що вимагає великих експериментів та досвіду для визначення найкращих комбінацій. Однією з головних проблем у розробці рецептур мікроорганізмів є пошук відповідних речовин-носіїв. Ці носії повинні забезпечувати високий рівень виживання, підтримувати стан спокою або життєздатність під час зберігання та бути нетоксичними для клітин. Вони також повинні бути економічними та простими у використанні. За даними Алі та ін, використання відповідних носіїв корисне для вирішення сільськогосподарських проблем та сприяння сталому розвитку сільського господарства.

Під час спроб мінімізувати цю шкоду досліджувалися такі типи захисних речовин, як вуглеводи (моно-, ди- та полісахариди), амінокислоти, поліоли та білки, для оцінки їхніх захисних властивостей. Мікробна біоінженерія, що включає використання та вдосконалення інкапсуляції з використанням полісахаридів, має необхідний потенціал для вирішення екологічних проблем та сприяння «зеленій» хімії. Полісахариди демонструють кілька корисних властивостей, таких як добра розчинність, нижча в’язкість при вищих концентраціях, швидке висихання та висока температура склування, що робить їх придатними матеріалами для інкапсуляції. Поліоли та дисахариди, такі як гліцерин та трегалоза, є найпоширенішими осмотичними регуляторами. Ці речовини захищають білки та мембрани від пошкоджень, спричинених стресом висихання. Їх додавання може замінити воду між ліпідами, утворюючи в’язку скляну матрицю, яка запобігає втраті клітинного матеріалу під час регідратації.

Суміш численних сполук захисного середовища (наприклад, білок-вуглеводного комплексу) може призвести до кращого захисту мікроорганізмів, ніж одна сполука, завдяки адитивним або синергетичним захисним ефектам. Білки викликають інтерес у дослідників та промисловості як стінковий матеріал для інкапсуляції біоактивних речовин завдяки своїй надзвичайні й конкурентоспроможності, наприклад, щодо природних носіїв, високої відновлюваності, безпеки та вологоутримувальної здатності. Їхні емульгуючі, гелеутворюючі, плівкоутворюючі та піноутворюючі здібності, а також їхня здатність самоасоціюватися в комплекси, роблять їх перспективними інкапсулюючими матеріалами. Сухе знежирене молоко в основному складається з лактози та розчинних сироваткових білків. Ці компоненти можуть діяти як осмопротектори та термозахисні засоби, допомагаючи підтримувати цілісність клітин під час процесу розпилювального сушіння, подібно до невідновлювальних дисахаридів, таких як трегалоза та сахароза.

Окрім традиційних носіїв, оцінюються нові сполуки. Екзополісахариди (EPS) є важливим класом мікробних біополімерів, що використовуються як біоемульгатори в сільськогосподарській галузі. Клітини, що продукують EPS, з суворих умов являють собою цінне джерело різноманітних EPS з новими та незвичайними властивостями та біоактивністю. Кріозахисна та ліофілізаційна захисна активність EPS, виробленого Zygosaccharomyces rouxii, була досліджена для оцінки його потенційного промислового застосування. EPS мав сильніший захисний ефект на Lactococcus lactis, ніж трегалоза, що свідчить про те, що EPS має величезний потенціал для розробки та застосування як ліопротектора.

Вибір методу мікрокапсулювання залежить від застосування, матеріалів носія та розміру цільових частинок. Масштаб виробництва, вартість та механізм вивільнення є іншими важливими факторами. Як повідомлялося раніше, найбільш вивченими методами мікрокапсулювання є ліофілізація та розпилювальне сушіння.

Сублімаційне сушіння

Сублімаційне сушіння або ліофілізація спочатку проводилися в 1890 році, а промислове сублімаційне сушіння розпочалося з виробництва пеніцилію та консервованої плазми крові. Сьогодні сублімаційне сушіння є традиційним методом консервації мікроорганізмів. Сублімаційне сушіння – це трифазний процес, в якому матеріал спочатку заморожується (заморожування), а потім вода видаляється шляхом сублімації у вакуумі (первинне сушіння) та десорбується (вторинне сушіння) до рівня, достатньо низького, щоб запобігти хімічним реакціям або біологічному росту.

Коротше кажучи, процес сублімаційного сушіння базується на механізмі сублімації, де затверділі матеріали-носії перетворюються безпосередньо в газоподібний стан, не проходячи через рідку фазу. Заморожування має вирішальне значення в циклі сублімаційного сушіння, оскільки воно впливає на структуру та поведінку продукту під час сушіння. Умови заморожування впливають на якість та термін придатності сублімаційно висушених продуктів. Первинному сушінню приділяється найбільша увага, оскільки воно може значно скоротити час циклу, але може спричинити дефекти, якщо його виконати неправильно. Регулювання тепло/масопередачі під час первинного сушіння допомагає контролювати та прогнозувати поведінку продукту, на відміну від непередбачуваного процесу заморожування. Підтримка вищої температури продукту прискорює первинне сушіння, але вона не повинна перевищувати критичну межу для забезпечення якості. Вторинне сушіння видаляє незамерзлу воду для досягнення бажаного залишкового вмісту та зазвичай є простим. Кінцевий вміст вологи в продуктах зазвичай коливається від 0,5% до 3%. Дегідратація призводить до структурних пошкоджень мікробних клітин, що призводить до зниження метаболічної активності та зниження життєздатності клітин — ефекти, які особливо виражені, коли дегідратація проводиться без використання матриць або кріопротекторних агентів.

Ліофілізацію рекомендується використовувати для біоактивних сполук, чутливих до високих температур; водночас цей процес може бути шкідливим для багатьох чутливих біологічних матеріалів. Втрата життєздатності зумовлена ​​змінами фізичної форми мембранних ліпідів, що супроводжується порушенням цілісності та ліквідності. Покращення життєздатності клітин та мінімальних структурних пошкоджень можна досягти шляхом включення простих або складних сполук, таких як цукри, білки, амінокислоти, харчові волокна та гліцерин. Ці матричні речовини в першу чергу діють для захисту мікробних клітин, пом’якшуючи шкідливий вплив зневоднення.

Часто в літературі з ліофілізаційного сушіння, що стосується стабілізації мікроорганізмів, є численні посилання на цукри як носії (головним чином дисахариди). Дисахариди можуть взаємодіяти як з фосфатними, так і з карбонільними групами полярних головок двошарового шару через водневі зв’язки та/або з метильною групою їхньої гідрофобної частини. Цукри також зменшують ван-дер-ваальсові взаємодії між вуглеводневими ланцюгами, подовжуючи проміжки між полярними головками фосфоліпідів. Зазвичай використовуються мономери, олігомери або полімери через їхню властивість бути «склоутворювачами». Цей термін зазвичай стосується сполуки або речовини, яка легко розчиняється в розчині та не густіє та не полімеризується при контакті з водою. Такі реагенти додаються для забезпечення або підвищення стабільності біоактивної речовини під час та після процесу сушіння або для тривалого зберігання сухого порошкового продукту. Ці носії також називають кріопротекторами (стадія заморожування) та/або ліопротекторами (стадія сушіння). Через їх вплив на температуру склування полімерів, їх часто використовують для досягнення аморфної форми, відповідної редиспергованості та стабілізації висушених зразків. Моносахариди (наприклад, глюкоза, фруктоза та галактоза) та дисахариди (наприклад, сахароза та трегалоза) забезпечують стабільність завдяки своїй гнучкості, впливаючи на стеричні перешкоди. Однак оліго-/полісахариди (наприклад, інулін та декстран) та коротколанцюгові цукри можуть мати синергетичну дію в кріопротекції та заміщенні води. Полісахариди, такі як хітозан, пектин, карагенан, крохмаль та альгінат, є складними субстратами, які також можуть бути використані як носії для інкапсуляції біоактивних сполук. Тим не менш, жорсткі полісахариди здатні взаємодіяти, але залишають відкриті проміжки. Для цукрів з високою молекулярною масою та обмеженою гнучкістю ці проміжки великі порівняно з меншими цукрами. Інші добавки, такі як буфери, наповнювачі, модифікатори тонічності та поверхнево-активні речовини, також можуть бути використані під час процесу ліофілізації.

Параметри процесу, включаючи температуру та швидкість заморожування, тиск у камері, етапи відпалу та температуру сушіння, а також фактори рецептури, такі як вибір кріопротекторів, мають вирішальне значення для загального успіху процесу. Процес сублімаційного сушіння має високу собівартість виробництва та низьку продуктивність, обмежений малим розміром зразка та не може бути виконаний з використанням бар’єрної технології для забезпечення стерильності матеріалу, а також є дуже тривалим (більше 24 годин), що робить його непридатним.

Проблеми розвитку в процесі масштабування

Технологічні труднощі обмежують зростання ринку мікрокапсулювання, впливаючи на доступність, інновації та масштабованість у галузі. Складна природа технологій мікрокапсулювання вимагає спеціалізованих знань та обладнання, до яких може бути важко отримати доступ малим та середнім підприємствам. Крім того, складні виробничі процеси та необхідність спеціалізованого обслуговування обладнання створюють додаткові перешкоди для широкого впровадження та інновацій, особливо для компаній з обмеженими ресурсами.

Масштабування процесів мікрокапсулювання з лабораторного до промислового виробництва вимагає суттєвих коригувань конструкції обладнання, параметрів процесу та заходів контролю якості. Досягнення відтворюваності та ефективності у більших масштабах, зберігаючи при цьому цілісність продукту, є значним технічним завданням. Крім того, розробка передових методів інкапсулювання для задоволення потреб конкретного застосування є постійною галуззю досліджень у галузі мікрокапсулювання.

Сублімаційне сушіння часто вважається складним процесом для розробки та масштабування з лабораторії до промисловості. Для досягнення контролю та оптимізації процесу необхідно враховувати проблеми тепло- та масообміну. ​​Параметри процесу сублімаційного сушіння, такі як температура полиці, швидкість нарощування та тиск у камері, часто визначаються методом спроб і помилок. Такий підхід може призвести до процесів, які не є оптимальними, мають тривалий час обробки та стикаються з проблемами масштабування.

Кожен етап процесу сублімаційного сушіння створює унікальні труднощі для розробки та масштабування процесу. За словами Карвалью, однією з найважливіших проблем у масштабуванні процесу сублімаційного сушіння є варіація характеристик апарату. Важливо розуміти, як конструкція обладнання впливає на швидкість сублімації та потік пари, щоб запобігти проблемам під час масштабування.

Масштаби роботи розпилювальних сушарок безпосередньо впливають на якість та вихід порошку. Якість отриманих частинок цим методом є прийнятною, особливо у великих масштабах, коли умови процесу оптимізовані. Порошки, вироблені в лабораторному масштабі, зазвичай демонструють помірну або низьку змочуваність та сипучість. Ці властивості часто покращуються завдяки поєднанню розпилювального сушіння з подальшим псевдозрідженим сушінням у промислових процесах, що призводить до збільшення розміру частинок. Крім того, вихід порошку значно варіюється залежно від масштабу роботи при використанні традиційних розпилювальних сушарок. Більш масштабні установки, як правило, забезпечують вищий вихід, оскільки втрачена фракція становить меншу частину від загального обсягу виробництва, тоді як лабораторні масштаби зазвичай забезпечують вихід у діапазоні 20–70%. Загалом, низький вихід порошку пояснюється втратами продукту на стінках сушильної камери, при цьому кількості залишаються незмінними. Крім того, дрібні частинки можуть потрапляти у відпрацьоване повітря через недостатню розділювальну здатність циклону. Однак деякі сепаратори, такі як фільтрувальні системи, ефективно працюють у промислових умовах для покращення виходу продукту. Промислове сушильне обладнання, яке дозволяє контролювати відносну вологість повітря, доступне та може бути адаптоване для зневоднення грибкових пропагул. Цей метод пропонує дбайливе сушіння, придатне для чутливих мікробних клітин, таких як бластоспори.

Стабільність та життєздатність твердої мікробної формуляції

Подолання таких обмежень, як низька ефективність інкапсуляції, погана стабільність та обмежена сумісність з чутливими сполуками, вимагає постійних інновацій та міждисциплінарної співпраці. Деякі фактори, такі як відповідний штам та носій, умови зберігання, термін придатності, конкуренція та умови навколишнього середовища, метод застосування, контроль якості та генетична стабільність, можуть впливати на ефективність мікробної формуляції. Підтримка відповідних умов зберігання, таких як температура (4 °C), вологість (3%) та упаковка, є важливою для збереження життєздатності та терміну придатності мікробів у формуляції. Життєздатність стосується здатності утворювати колонії (КУО або колонієутворюючі одиниці) на поживному середовищі, придатному для росту мікроорганізмів (не повинно бути менше 104 КУО на грам зразка), тоді як термін придатності стосується життєздатності біоформули (зазвичай очікується від 6 до 12 місяців).

Правила, положення та комерціалізація

Комерціалізація продуктів біоконтролю та біодобрив зростає у всьому світі, але без ефективного регулювання їх проникнення на ринок залишається повільним. Правила щодо біопестицидів відрізняються залежно від країни та часто схожі на правила щодо хімічних речовин. Глобальна гармонізація правил щодо біопестицидів допоможе подолати ці бар’єри та сприяти комерціалізації. Занепокоєння споживачів щодо живих мікроорганізмів є ще одним обмежувальним фактором для комерціалізації. Слід запровадити належну освіту та підвищення обізнаності для вирішення цих питань, а також підтримку з боку фінансових установ (державних та приватних). Бразилія має одні з найсучасніших у світі правила реєстрації продукції для бразильського сільського господарства та міського середовища. З цими правилами пов’язані кілька інших, яких також повинні дотримуватися підприємці, які прагнуть легалізувати свою продукцію.

Мікрокапсуляція в сільському господарстві

Інкапсуляція – це нова технологія, яка особливо ефективна для продовження дії пестицидів, підвищення безпеки та якості зерна, що зберігається. Застосування інкапсульованих добрив і пестицидів сприяє здоров’ю рослин і контролює хвороби рослин. Мікрокапсуляція може зменшити кількість відходів і підвищити ефективність продукту, стабілізуючи та продовжуючи термін придатності активних інгредієнтів. Це особливо актуально в сільському господарстві, де мікрокапсульовані пестициди та добрива можуть збільшити врожайність сільськогосподарських культур і мінімізувати вплив на навколишнє середовище. Наприклад, BASF швидко впровадила технологію мікрокапсуляції для покращення сільськогосподарської практики. Аналогічно, Syngenta та інші компанії використовують технології розпилення для розробки більш ефективних та органічних засобів від шкідників.

У Бразилії ентомопатогенні гриби переважають на ринку біопестицидів, складаючи приблизно 50% зареєстрованих мікробних біопестицидів. Більшість з них базуються на Metarhizium anisopliae та Beauveria bassiana. Однак часто зазначається, що деякі продукти демонструють низьку якість і непослідовну ефективність у практичному застосуванні. Цей факт пояснюється тим, що більшість ентомопатогенних грибів використовуються у вигляді неформульованих технічних концентратів (чисті конідії або субстрати, колонізовані грибами, 72,5%), при цьому лише обмежена кількість препаратів доступна на ринку. Найефективніший підхід до застосування агентів біоконтролю в сільськогосподарських умовах передбачає розробку та приготування відповідних порошкоподібних препаратів. Ці препарати полегшують їх використання для обробки насіння, особливо для боротьби з хворобами насіння та коренів. У таблиці 2 наведено огляд мікроінкапсуляції мікробних клітин у літературі, із зазначенням матеріалів-носіїв, використаних біоактивних сполук та мети дослідження.

Метархізіум (Metarhizium) – це рід ентомопатогенних грибів, що зустрічається по всьому світу. Його вивчали завдяки вузькому колу хазяїв, безпеці, екологічній сумісності та легкості масового виробництва. Прикладом цього є мікоінсектицид, розроблений Bayer (BIO 1020), який містить Metarhizium anisopliae як активний інгредієнт для боротьби зі шкідниками видів Coleoptera. Цю та ін. оптимізували процес виробництва мікрокапсул M. anisopliae, використовуючи желатин та гуміарабік як носії. Автори, окрім покращення якості продукту, сприяли розробці та використанню мікроорганізмів-пестицидів для боротьби з Solenopsis invicta.
Маскарін та ін. продемонстрували, що бластоспори Beauveria bassiana вижили після висушування розпилювальним способом, продемонстрували хороший термін зберігання при 28 °C у сухому вигляді за умови зберігання у належних умовах та зберегли вірулентність проти німф білокрилки після регідратації та застосування у вигляді спрею. Бластоспори продемонстрували відмінну виживаність після розпилювального сушіння при вмісті вологи менше 5%. Висока життєздатність після розпилювального сушіння може частково бути пов’язана з використанням сухого знежиреного молока як носія для рецептури. Додавання аскорбінової кислоти під час розпилювального сушіння не покращило стійкість до висихання, але збільшило стабільність клітин (приблизно вдвічі довший період напіврозпаду). Осмотичні регулятори, такі як гліцерин і трегалоза, як захисні речовини, викликали інтерес як інгредієнти рецептури для збереження життєздатних мікробних клітин під час тривалого зберігання та для захисту клітин під час застосування в польових умовах.
Рід Trichoderma широко вивчається в усьому світі як біологічний засіб боротьби. Його сільськогосподарське значення полягає в сильній антагоністичній активності проти ґрунтових фітопатогенних грибів, виробництві протигрибкових метаболітів, конкуренції за простір і поживні речовини, індукції захисних реакцій рослин, мікопаразитичній поведінці та їхній здатності сприяти росту рослин. Однак, незважаючи на численні дослідження, залишаються значні проблеми у великомасштабному виробництві та комерціалізації цього продукту. Основна проблема полягає у відсутності відповідних рецептур, які забезпечують життєздатність та ефективність біологічного засобу боротьби при застосуванні в польових умовах. Це обмеження створює значну перешкоду для розширення та використання біопестицидів у традиційному сільському господарстві. Альтернативою для підвищення ефективності цих продуктів може бути розробка рецептур, що містять суміш мікроорганізмів. Це спосіб досягнення різних цілей або навіть дозволяє різним механізмам дії одночасно діяти на одну й ту саму ціль (синергізм). Дослідження культивування кількох організмів в одній ферментації зросли.
Bacillus spp. вважаються дуже корисними агентами біоконтролю та широко використовуються. Цей рід включає велику групу грампозитивних, паличкоподібних та спороутворюючих бактерій. Вони визнані одним із найважливіших родів бактерій, які посилюють ріст рослин та забезпечують біоконтроль як біотичних, так і абіотичних стресових факторів. Крім того, вони продемонстрували потенціал як біодобрива та біопестициди та виробляють широкий спектр потенційних антагоністичних сполук . Bacillus velezensis продемонстрував ефективні результати в боротьбі зі шкідливими фітопатогенами та у виробництві біофунгіцидів. Деякі штами B. velezensis здатні стимулювати ріст рослин і проявляти антибіотичні властивості проти фітопатогенів.

Pseudomonas sp. визнані за їхню роль як природних біологічних засобів боротьби з різними фітопатогенами. Однак такі проблеми, як погана переносимість висихання та обмежена стабільність при зберіганні, перешкоджають їх комерціалізації. Оскільки грамнегативні бактерії, що не утворюють спор і не мають клітинної стінки, види Pseudomonas є одними з найменш стійких мікроорганізмів. Слінгер та ін. досліджували потенційні осмопротектори трисахариду ізомелезитози (IMZ) на двох штамах Pseudomonas fluorescens, що використовуються для боротьби з хворобами картоплі, що зберігається після збору врожаю. Автори повідомили, що IMZ продемонстрував потенційно вищу активність, ніж структурно споріднена сполука мелезитоза та дисахарид трегалоза, що зараз продається.

Нещодавнє застосування мікрокапсульованих матеріалів у сільському господарстві

Очікується, що світовий ринок мікрокапсуляції досягне 13,4 мільярда доларів США до 2026 року, а сукупний річний темп зростання (CAGR) становитиме 10,3% у всіх сегментах з 2023 по 2030 рік. Це зростання в першу чергу зумовлене розширенням спектру застосувань мікрокапсульованих продуктів у різних секторах. Однак високі витрати, пов’язані з процесом мікрокапсуляції, а також значні інвестиції, необхідні для досліджень та розробок, продовжують створювати значні труднощі для багатьох компаній, які прагнуть впровадити цю технологію в різних галузях промисловості.

У сільськогосподарському секторі мікрокапсульовані пестициди відображають тенденцію, забезпечуючи тривалу ефективність, мінімізуючи забруднення навколишнього середовища та зменшуючи ризики для здоров’я як фермерів, так і споживачів. Глобальна сільськогосподарська продуктивність стикається з загрозами від бур’янів, які щорічно спричиняють втрати 10–15% врожаю. Гербіциди, які становлять 47,5% від 2 мільйонів тонн пестицидів, що використовуються щороку, мають серйозний вплив на навколишнє середовище та здоров’я. Формули з контрольованим вивільненням за допомогою мікрокапсуляції можуть покращити ефективність гербіцидів при нижчих дозах, вирішуючи ці проблеми, одночасно підвищуючи безпеку та економічну ефективність. Такі компанії, як BASF та Syngenta, використовують цю технологію для створення пестицидів та добрив з повільним вивільненням, мінімізуючи ризики для здоров’я споживачів та максимізуючи сільськогосподарську продукцію.

Бразилія виділяється на світовій арені стійких та ефективних рішень для сільського господарства. Наразі за останні 20 років зареєстровано загалом 6421 патент, пов’язаний з біодобавками, основними компонентами яких є бактерія Bacillus та грибок Trichoderma. Національна програма біодобавок, створена у 2020 році, стимулює інновації в цьому секторі, що призводить до значного збільшення кількості зареєстрованих патентів. Деякі з цих відповідних патентів, що стосуються методів підвищення продуктивності сільськогосподарських культур, представлені в таблиці 3. Окрім Бразилії, основними країнами, що зробили внесок, є Сполучені Штати, Японія, Китай, Південна Корея, Канада, Росія та Австралія.

Томпсон та ін. створили патент США №2014/274691, що стосується інокулята для застосування на рослинах, насінні рослин або середовищі для росту рослин, де інокулят містить ефективну кількість біологічно чистої бактеріальної культури, розкритої тут, та сільськогосподарсько прийнятний носій. Винахід США №2019/0194259-A1 стосується вбудовування мікроорганізмів та/або біоактивних матеріалів у захисну суху матрицю рецептури, приготовлену шляхом ліофілізації.

Мікроорганізми композицій можуть працювати синергетично. Повідомляється про комбінацію грибів та бактерій, Trichoderma harzianum та Bacillus amyloliquefaciens, яка використовується для покращення здоров’я, росту та/або врожайності рослин. BR112020/014469-A2 стосується лікування та/або профілактики патогенних бактеріальних інфекцій рослин з використанням комбінацій дріжджів та бактерій, Starmerella bombicola, Wickerhamomyces anomalus, Pseudozyma aphidis, Pichia spp., Bacillus amyloliquefaciens, Pseudomonas chlororaphis, Rhodococcus erythropolis та/або побічних продуктів їх росту.

US2020/0390106-A1 описує виробництво та використання ентомопатогенних грибів для боротьби зі шкідниками. Зокрема, описані методи виробництва Metarhizium anisopliae та Beauveria bassiana, а також їх використання та біопестицидні композиції. Нещодавно в BR102023/003698-A2 розкрито біодобавки на основі грибів Trichoderma harzianum та софороліпідів, що утворюються шляхом ферментації дріжджів Starmerella bombicola, що використовуються для боротьби зі шкідниками та індукції росту рослин. Цей винахід також стосується процесу виробництва софороліпідів шляхом використання агропромислових субпродуктів як допоміжних речовин для сушіння.

Як видно, сільськогосподарський сектор докладає значних зусиль для комерціалізації певних спеціалізованих продуктів, таких як засоби захисту рослин та покращення ґрунту. Однак, незважаючи на зростаючу тенденцію до збільшення кількості патентів серед багатьох агрохімічних компаній, на ринок потрапляє лише обмежена кількість продуктів.

Висновки та перспективи

Скорочення використання агрохімікатів вимагає інноваційних та ефективних стратегій у сільському господарстві. Тверді мікробні препарати виявилися важливими, а методи мікроінкапсулювання, такі як сублімаційне сушіння та розпилювальне сушіння, все частіше використовуються для підвищення життєздатності та терміну зберігання біоактивних порошків. Вибір матеріалу-носія та визначення параметрів обробки мають вирішальне значення, оскільки вони безпосередньо впливають на відновлення порошку та якість кінцевого продукту. Порошкоподібна форма також полегшує зберігання та обробку. У контексті сталого сільського господарства оптимізація процесів мікроінкапсулювання за допомогою консолідованих технологій та відповідних носіїв може зробити виробництво біоактивних сполук економічно вигідним. Таким чином, у цьому рукописі досліджується виробництво мікробних біоформулів методом ліофілізації та розпилювального сушіння, розглядаючи вибір носіїв, проблеми розробки та нещодавнє застосування в сільському господарстві.

Це дослідження було профінансовано Національною радою з питань наукового та технологічного розвитку (CNPq—150182/2023-6) та Фондом підтримки досліджень у штаті Ріу-Гранді-ду-Сул.

У рукописі використовуються такі скорочення:

CAGR Річний темп зростання складної суміші
КУО Колонієутворюючі одиниці
КМЦ Карбоксиметилцелюлоза
ДМСО Диметилсульфоксид
ДВПІ Денатурований ізолят сироваткового білка
Екзополісахариди
ФАО Продовольча та сільськогосподарська організація Об’єднаних Націй
ФОС Фруктоолігосахарид
ГПМЦ Гідроксипропілметилцелюлоза
ІМЗ Трисахарид ізомелезитоза
СА Альгінат натрію
ВДГ Вододисперсні гранули
ВГ Змочувані гранули
ВП Змочувані порошки
ВПІ Ізолят сироваткового білка