超声波降解苹果汁中的甲胺磷*

张媛媛，杨斯超，张慧，侯亚西，张家宁，陈芳，胡小松

(中国农业大学食品科学与营养工程学院，农业部果蔬加工重点开放实验室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京，100083)

超声波降解苹果汁中的甲胺磷*

张媛媛，杨斯超，张慧，侯亚西，张家宁，陈芳，胡小松

(中国农业大学食品科学与营养工程学院，农业部果蔬加工重点开放实验室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京，100083)

为了去除苹果汁中的有机磷农药残留，提高其安全性，文中以甲胺磷为例，研究了超声波处理对苹果汁中甲胺磷的降解效果以及超声功率和处理时间对甲胺磷降解的影响。结果表明:超声波能显著降低苹果汁中的甲胺磷浓度，且超声功率和处理时间对甲胺磷的降解均有显著影响(P＜0.05)。随着功率的增加和处理时间的延长，甲胺磷的降解率升高。当超声功率为500 W，处理时间为120 min时，甲胺磷的降解率最大，达到57.2%。动力学分析表明，一级动力学模型能很好拟合超声波作用下的甲胺磷降解。

超声波，甲胺磷，苹果汁，动力学

有机磷农药是我国应用范围最广的农药品种之一。研究表明有机磷农药具有强的抑制胆碱酯酶的作用［1］，在较高残留量时会引起急性中毒。另外，有机磷农药还有细胞毒性［2］、免疫毒性［3］和遗传毒性［4］等慢性毒性。因此，控制有机磷农药在农产品以及食品中的残留量对于促进国际贸易以及保护消费者健康均具有重要意义。

我国浓缩苹果汁出口量已经从1998年的不足10 t上升到了2009年的79 t;其中2009的出口量占世界年贸易量的50%以上，出口创汇高达6亿美元［5］。然而，在苹果种植中，长期大量和高频率地使用有机磷农药，导致苹果加工后浓缩苹果汁中有机磷农药超标的情况屡有发生［6］。随着各国对食品安全要求的提高以及国际贸易竞争的不断加剧，国际市场对浓缩苹果汁中农药残留的限制越来越严，降低浓缩苹果汁中的农药残留成为我国浓缩苹果汁加工业的主要技术难题之一［7］。

超声波是频率高于16kHz的机械波，近年来在污染物降解包括农药降解方面已经实现产业化应用［8－9］，其最大的特点是在降解污染物过程中可以不用添加任何化学物质。此外，超声波技术具有一定的杀菌［10］和钝化酶活［11］的作用;同时，和传统的热加工技术相比，超声波技术具有杀菌温度低、耗能小和对食品品质的影响小等优点［10］。因此，该技术已经被美国食品与药物管理局(FDA)列为可供选择的非热杀菌方法之一［12］。前人研究表明，超声波能降解环境废水中的农药［8］。因此，如果能将超声波技术应用于苹果汁加工过程中，杀灭微生物、钝化酶活及降解农药残留将一步完成，同时最大程度的保持苹果汁的新鲜度，将对生产产生重要意义。

在实际生产中，由于生产浓缩果汁的原料来源不同，残留农药的种类和水平差异较大。因此，本研究选用具有高毒、高残留、难以降解等特点［13］的甲胺磷作为目标农药，同时，选用较高浓度的农药残留量(mg/kg级)，建立用超声波降解有机磷农药的模拟体系，研究超声波技术对农药的降解效果。

1 材料与方法

1.1 实验材料和试剂

浓缩苹果汁，烟台北方安德利果汁股份有限公司提供，该浓缩苹果汁中无甲胺磷检出。甲胺磷农药标准品购于Dr.Ehrenstorfer公司，使用前配制成1mg/mL农药储备液。重蒸乙腈，农残级丙酮，分析纯NaCl于140℃烘烤4 h后置于干燥器中备用。

1.2 主要仪器与设备

JY92－II型超声波细胞粉碎机(宁波新芝生物科技股份有限公司)，HX-1050恒温循环器(北京德天佑科技发展有限公司)，HP-5毛细管柱(30 m×0.53 mm，1.5μm;美国安捷伦公司)，0.22 μm 有机系针式过滤器，福立GC9790型气相色谱仪-配火焰光度检测器(GC-FPD，浙江福立分析仪器有限公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 苹果汁模拟体系的制备

将浓缩苹果汁加入7倍体积的水进行稀释，获得13°Brix的还原苹果汁。取1mg/mL的甲胺磷标准品储备液6mL于烧杯中，氮气吹干后用少量还原苹果汁溶解并转移至体积为3 L的还原苹果汁中。混合均匀后，测得该还原苹果汁中甲胺磷浓度为1.82 mg/L，用于后续实验处理。

1.3.2 超声波处理

准确量取75mL还原苹果汁于容积为100mL的冷阱中，分别在设定功率和设定时间下进行超声波处理。冷阱连接于25℃恒温循环器上以保持处理过程中温度恒定。处理后的样品于4℃下保存，并在48 h内分析完毕。

1.3.3 检测方法

样品前处理:苹果汁中有机磷农药的测定参考农业部标准NY/T 761－2004，并略作改进。准确量取20.00mL苹果汁于200mL具塞三角瓶中，加入50.00mL乙腈，振荡提取30 min;然后将苹果汁和乙腈的混合液转移至含有7g NaCl的100mL具塞量筒中，盖上塞子剧烈振摇1min，室温下静置10min，使乙腈和水相分层;用移液管准备吸取10.00mL乙腈相溶液，40℃下浓缩至近干，氮气吹干后用丙酮定容至2.0mL，用0.22μm的针式过滤器过滤后转移至样品瓶中待分析。

GC检测条件:HP-5色谱柱，柱温240℃，进样口温度250℃，FPD检测器温度(配磷滤光片)260℃;升温程序为120℃保持1min，10.0℃/min的速度升至240℃，保持5min;气流条件为载气(N2)压力0.05 MPa;氢气(H2)压力0.1 MPa;空气(助燃气)压力0.03 MPa;进样量1.0μL;进样方式为不分流进样。

1.4 统计分析

数据分析采用方差分析(ANOVA)，所有实验均重复3次。用Origin Pro7.5统计软件分析数据并制图。

2 结果与讨论

2.1 甲胺磷分析方法的回收率和精密度

甲胺磷的定性分析采用和标准品出峰时间比较的方法，其定量分析采用外标法。当苹果汁中甲胺磷的添加浓度为0.10～5.00 mg/L时，甲胺磷的回收率为85%～98%，相对标准偏差为5.1%～13.6%。方法的准确度和精密度能达到农药残留分析要求，检测方法准确可靠。

2.2 超声功率对甲胺磷降解效果的影响

将甲胺磷浓度为1.82 mg/L的苹果汁分别在100、300、500 W的超声功率下处理60 min，其浓度变化如图1所示。方差分析表明，超声波功对苹果汁中的甲胺磷的浓度具有显著影响(P＜0.05)。从图1中可以看出，随着超声功率的提高，甲胺磷的浓度显著降低。当超声功率为100 W时，甲胺磷的降解率为14.1%;当超声功率为300 W时，甲胺磷的降解率提高到30.1%;在功率为500 W时，甲胺磷的降解率最高，达到35.9%。这与Schramm等人在研究超声波降解敌敌畏时的结果相似［8］。超声波功率的提高对甲胺磷降解的促进作用可以用空化效应来解释。当超声功率提高时，体系中的能量增加，从而促进空化气泡增加，并使溶液中自由基的浓度升高［14］，从而有利于促进甲胺磷的降解;此外，高功率下超声所带来的更强烈的机械效应例如搅拌和振荡等［15］也有利于甲胺磷的降解。

图1 超声功率对苹果汁中甲胺磷的影响

2.3 超声时间对甲胺磷降解效果的影响

为分析超声时间对甲胺磷降解的影响，将含有甲胺磷为1.82 mg/L的苹果汁分别在100、300和500 W 的功率下处理 15、30、45、60、75、90、105、120 min，跟踪测定甲胺磷的浓度(图2所示)。

图2 超声处理时间对苹果汁中甲胺磷的影响

从图2中可以看出，在100、300和500 W功率下，随着处理时间的延长，甲胺磷的浓度均呈持续下降趋势。以功率300 W为例，处理60 min时，甲胺磷的降解率为30.1%;将处理时间延长至120 min，甲胺磷的降解率上升至47.2%。在功率为500 W，处理时间为120 min时，降解率达到最大值57.2%。方差分析的结果表明，处理时间对甲胺磷的降解有显著影响(P＜0.05)。这主要是因为随着处理时间的增长，体系内空化气泡增多，使体系中自由基浓度、过氧化氢浓度升高［16］，从而促进了甲胺磷的降解。

2.4 甲胺磷降解动力学

2.4.1 二级动力学模型

二级动力学的公式为:1/ct－1/c0=kt，其中t表示超声波的处理时间，k表示降解速率，c0和ct分别表示甲胺磷的初始浓度和超声处理t时间后的浓度。

以1/ct－1/c0为纵坐标，以时间为纵坐标作图，得到以k为斜率的直线方程，如图3所示。其相关参数列于表1。从表1可以看出，在3个功率下，尽管模型的P值都小于0.001，但对于100 W功率下的R2，其值仅仅为0.578，表明拟合度较低。这说明该模型不适合用于分析甲胺磷的降解动力学。

图3 苹果汁中甲胺磷二级动力学模型拟合图

表1 苹果汁中甲胺磷降解动力学拟合相关数据

2.4.2 一级动力学模型

一级动力学模型是一个广泛应用于描述农药在环境中降解的数学模型［17－18］，也常应用于分析超声波作用下污染物的降解规律［15］。其表达式为:ct=c0e-kt，其中t表示超声波的处理时间，k表示降解速率，c0和ct分别表示甲胺磷的初始浓度和超声处理t时间后的浓度。两边取对数，该公式可以换化为:ln(ct/c0)=-kt。

以ln(ct/c0)为纵坐标，以时间为横坐标做图，得到以k为斜率的直线方程，如图4所示。其相关参数列于表1。从表1可以看出，在3个功率下，模型的相关系数R2均大于0.97，表现出良好的拟合度。此外，各P值均小于0.000 1，表现出极强的显著性。这说明该模型能够很好的拟合苹果汁中的甲胺磷在超声处理过程中的降解规律。

图4 苹果汁中甲胺磷一级动力学模型拟合图

此外，通过对k值和半衰期t1/2的分析可以看出，甲胺磷的k值随着功率的增加而增加，而半衰期随功率的增加而缩短。例如当功率从100 W提高到300 W时，k值由0.002 5提高到0.007 7，相应的半衰期由279.5 min减少至90.3 min。另外，一级动力学的k值也可以反映甲胺磷在不同功率条件下降解的速率:功率越大，k值越大，甲胺磷越容易被降解。这与甲胺磷的降解率随着功率的升高而升高一致。

2.4.3 零级动力学模型

零级动力学的公式为:ct=-kt+c0，其中t表示超声波的处理时间，k表示降解速率，c0和ct分别表示甲胺磷的初始浓度和超声处理t时间后的浓度。以ctc0为纵坐标，以时间为纵坐标作图，得到以k为斜率的直线方程，如图5所示。其相关参数列于表1。从表1可以看出，在3个功率下，模型的P值均小于0.001，表现出良好的显著性。同时，各功率下的相关系数R2均大于0.95，表现出良好的拟合度。这说明该模型能够在一定程度上拟合苹果汁中甲胺磷的降解规律。然而，就R2而言，一级动力学模型的R2更高，能更好的解释甲胺磷的降解规律。

图5 苹果汁中甲胺磷零级动力学模型拟合图

3 结论与展望

超声波能显著降低苹果汁中的甲胺磷残留，且随着功率的增加和超声时间的延长，超声波技术能显著提高甲胺磷的降解率(P＜0.05);当超声功率为500 W，处理时间为 120 min时，降解率达到最大值57.2%。

模型分析的结果表明，与二级动力学模型和零级动力学模型相比，一级动力学模型能很好的拟合苹果汁中的甲胺磷在超声下的降解规律。

在实际生产中，残留农药的浓度常常低于本研究所采用的浓度。而Hua等人［19］的研究表明，在同一超声处理条件下，农药的降解率随着农药初始浓度的降低而上升。因而，在实际的苹果汁体系中，采用超声波处理完全有可能使农药残留降到较低的水平，从而达到国际贸易中对苹果汁中农药残留的限量要求，并大幅度降低消费者的安全风险。

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Degradation of Methamidophos in Apple Juice by Ultrasonic Treatment

Zhang Yuan-yuan，Yang Si-chao，Zhang Hui，Hou Ya-xi，Zhang Jia-ning，Chen Fang，Hu Xiao-song
(College of Food Science＆ Nutritional Engineering，Key Laboratory of Fruits and Vegetables Processing，Ministry of Agriculture，Engineering Research Centre for Fruits and Vegetables Processing，Ministry of Education，China Agricultural University，Beijing 100083，China)

In order to eliminate the organophosphorus pesticides residues in apple juice and improve its safety，ultrasonic treatment was use to decrease the concentration of methamidophos in apple juice.Results showed that ultrasonic treatment was effective for the degradation of methamidophos.The degradation percentage of methamidophos was significantly improved as power and treatment time increased during ultrasonic treatment(P ＜0.05).The maximum degradation(57.2%)was achieved after the ultrasonic treatment at 500W for 120 min.The degradation kinetics of methamidophos was fitted to the first－order kinetics model well.

ultrasonic treatment，methamidophos，apple juice，degradation kinetics

博士研究生(陈芳副教授为通讯作者)。

*北京市科技计划项目(101105046610001);中国农业大学基本科研业务费研究生科研创新专项(kycx09100);中国农业大学基本科研业务费(2009JS77)。

2010－05－02，改回日期:2010－10－05