不同清洗方式对生菜表面农药残留的降解效果

韩礼，侯亚西，汪俊涵，陈芳

(中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京，100083)

近年来，由于农药的滥用或泛用，导致农产品以及食品中的农药残留问题成为令消费者担忧的主要食品安全问题之一，受到政府、产业界以及消费者层面的普遍关注［1］。

有机磷农药由于具有品种多、对植物药害小、防治对象多、广谱性、高效性等诸多优点而被广泛应用于农业生产中［2］，约占所有杀虫剂使用量的70%［3］。尽管有机磷农药的使用能有效地提高农产品的产量和品质，但同时却对农产品、食物链以及生态环境造成污染。诸多研究表明，蔬菜中有机磷农药残留量较高，且超标现象时有发生［4］。例如，杨江龙等［5］对蔬菜中敌敌畏、甲拌磷、乐果、马拉硫磷、毒死蜱等农药的测定表明，豇豆、西红柿、白菜中的敌敌畏、甲拌磷和马拉硫磷的残留量均达到允许的农药残留浓度的最大限值。此外，有机磷农药已成为造成土壤污染的主要种类，在土壤中的残留量一般占施药量的20%～70%［6－8］。

人体内有机磷农药的长期蓄积会引发慢性中毒，导致人体神经功能紊乱，发生出汗、迟钝、神经失常和语言失常等症状。此外，有机磷农药还具有遗传毒性、生殖毒性，从而危害人类健康［9］。

有关农产品中有机磷农药残留的去除方法主要分三类，为物理方法、化学方法和生物方法。物理方法主要有清洗、吸附、去皮等传统的方法以及超声波处理法。化学方法主要有氧化法、光降解法、水解法等，比如臭氧、次氯酸盐、双氧水等［10］。生物法主要是利用微生物的生命活动以及微生物产生的酶对农药产生降解作用。由于物理方法多需要大型设备，作为家庭使用成本较高，目前在食品加工业中应用较多;生物法虽然安全，但对农药选择性强，降解作用具有局限性;化学法中的臭氧降解法虽然高效，且目前已有用于果蔬清洗去毒的家用设备，但一些农药的氧化产物具有更强的毒性，其安全性有待评估，而碱性水处理则是应用了有机磷农药在强碱条件下容易发生水解的原理［11］，其降解速率高、污染低、危害小、廉价、易于制备，更适用于家庭处理农药残留而被广泛看好。因此，本文以自来水和臭氧水为对照分别在水溶液体系和蔬菜体系研究碱性水对农药的降解效果。

1 材料与方法

1.1 实验材料

新鲜散叶生菜，购于中国农业大学农贸市场;农药标准品:乐果(纯度48%、天津华宇农药有限公司)，敌敌畏(纯度80%、山西化学厂)，马拉硫磷(纯度48%、天津华宇农药有限公司)，毒死蜱(纯度48%、天机华宇农药有限公司);氯化钠、氢氧化钠、乙腈和二氯甲烷等都为分析纯，丙酮为色谱纯。

1.2 实验仪器

臭氧发生器，北京爱思特公司;气相色谱仪，GC，日本岛津公司;RE-52AA旋转蒸发仪，上海振捷实验设备有限公司;SHZ-Ⅲ型循环水真空泵，上海亚荣生化仪器厂。火焰光度检测器(FPD)日本岛津公司;HZQ-C空气浴振荡器，哈尔滨市东明医疗仪器厂。

1.3 实验方法

1.3.1 碱性水的配制

将适量NaOH加入到去离子水中分别配置成pH=10.5和pH=11.5的水溶液，搅拌均匀，备用。

1.3.2 臭氧水的制取

在臭氧发生器中加入6 L去离子水，采用碘量法测定水中臭氧的浓度，当臭氧发生器工作10 min后溶液中臭氧浓度基本稳定在0.343 mg/L，保持臭氧发生状态，备用。

1.3.3 农药溶液的制备

敌敌畏、乐果、马拉硫磷、毒死蜱分别用丙酮准确配制成浓度为4 000 mg/L的母液，于－18℃贮存备用。

1.3.4 生菜样品制备

于容器中配制浓度约1 mg/L的4种农药的混合溶液2 L，将生菜叶片逐片剥离浸泡其中，使水全部没过所有叶片，5 min后取出，通风处晾置12 h后观察，蔬菜叶片表面干爽时，随机取样进行GC分析，当蔬菜的农药残留浓度为0.5～1 mg/L时为适宜浓度。若残留浓度不够，则反复进行上述程序。

1.3.5 污染生菜的清洗处理

分别配置6L清水和碱性水(pH=10.5和pH=11.5)于10 L的塑料箱中，取生菜样品适量于塑料箱中使其完全浸没于处理液中，加盖，置于空气浴振荡器中处理以模拟动态清洗环境。转速为100 r/min。

取生菜样品适量于臭氧发生器中，使其完全浸没于已制备好的臭氧水处理液中，加盖进行臭氧清洗。

各清洗处理均从生菜放入塑料箱中计时，分别于0、5、10、15、20 min 取出约 80 g 生菜样品，置于清水中漂洗以除去表面残留溶液。

1.4 有机磷农药的测定

1.4.1 样品前处理

样品前处理参考农业部标准NY/T 761－2004方法，并略作改进［11］。用榨汁机将处理后的生菜样品匀浆，准确称取20.00 g样本置于200 mL具塞三角瓶中，加入0.5 g活性炭。向三角瓶中加入50.00 mL乙腈，盖好塞子，放入空气浴振荡器震荡提取30 min。过滤混合液，将滤液收集到装有7 g NaCl的100mL具塞量筒中，盖上塞子剧烈振摇1 min，室温下静置10 min，使乙腈相和水相分层。吸取10.00 mL乙腈相溶液，在40℃下旋转蒸发浓缩至近干，用丙酮定容至2 mL。

1.4.2 样品检测方法

GC-FPD检测4种有机磷农药。气相色谱分析条件为:柱温240℃，进样口温度240℃，FPD检测器温度(配磷滤光片)250℃;升温程序采用120℃初温保持 1 min，15℃/min的速度升至 240℃，30℃/min的速度升至280℃保持3 min;载气(N2)流速1.5 mL/min;氢气(H2)流速80.0 mL/min;空气流速120 mL/min;进样量1.0 μL;进样方式为不分流进样。采用外标法定量。

1.5 数据处理

每项测定设置3个平行，取其平均值，使用ORIGIN7.5作图。

2 结果分析

2.1 四种有机磷农药的总体均降解情况

基于偶发的有机磷农残超标的情况，本实验建立的生菜污染模拟体系的农药污染浓度为0.5～1 mg/kg，处理后生菜4种农药的污染量见表1。将该生菜分别在臭氧水、自来水、pH 11.5和pH 10.5碱性水中进行不同时间的动态清洗后的结果如图1所示。结果表明，pH 11.5碱性水对敌敌畏、马拉硫磷、乐果和毒死蜱4种农药的平均降解率最高，分别达到72%、54%、63%、70%。与臭氧水清洗相比，碱性水清洗对4种农药的平均降解率为臭氧水的2.32、1.15、1.75和2.91倍。此外，农药降解情况基本在处理10～15 min时趋于平缓，为减少处理过程对蔬菜造成的机械损伤，建议清洗操作15 min为宜。

表1 生菜表面有机磷农药初始浓度 mg/kg

图1 不同清洗方法对蔬菜体系四种有机磷农药平均降解效果

2.2 不同清洗方法对敌敌畏的降解效果

在4种水溶液中敌敌畏的降解趋势如图2所示。当农药浓度为0.5 mg/kg时，敌敌畏在pH 11.5的碱性水中的降解率呈直线上升，降解趋势在前10 min降解较为迅速，此后降解率增加慢，作用20 min时的降解率接近72%，降解效果明显优于pH 10.5的碱性水。另外，臭氧水与自来水对于敌敌畏的降解程度在处理前15 min较为缓慢，至20 min才有明显效果;与碱性水相比，碱性水在20 min内对敌敌畏的降解效果优于臭氧水的降解效果。

图2 生菜体系中敌敌畏的降解效果

2.3 不同清洗方法对马拉硫磷的降解效果

由图3可以看出，马拉硫磷在碱性水中的降解效果优于臭氧水和清水。4种清洗方式对于马拉硫磷的降解主要为前10 min较明显;至10 min时，pH 11.5与pH 10.5的碱性水对马拉硫磷降解率分别为49.9%和47.8%，而臭氧水与自来水对其降解率分别为 32.9% 和 31.7%;至 20 min时，pH 11.5、pH 10.5、臭氧水和自来水对马拉硫磷的降解率分别为53.8%、50.9%46.8%和42%，可见碱性水对马拉硫磷的降解率明显高于臭氧水，其中，臭氧处理和清水降解效果近似。

图3 生菜体系中马拉硫磷的降解效果

2.4 不同清洗方法对乐果的降解效果

由图4可看出，乐果降解在前5 min降解迅速，10 min后降解趋势平缓。其中pH 11.5的碱性水降解效果最佳，在20 min时其降解率可达55%左右，而臭氧水和清水处理在20 min时的降解率分别为32%和30%左右。

2.5 不同清洗方法对毒死蜱的降解效果

图4 生菜体系中乐果的降解效果

毒死蜱的降解效果与乐果降解有相似之处。其中2种碱性水降解效果相近，臭氧水和清水清洗降解效果近似。碱性水中，毒死蜱的降解呈逐步上升趋势，在20 min时为65%左右，而在臭氧水和清水中毒死蜱降解效果较差，臭氧水处理20 min的降解率仅为20%左右，是碱性水在相同条件下处理的1/3，自来水的降解效果则更差。

图5 生菜体系中毒死蜱的降解效果

3 讨论

3.1 碱性水和臭氧水作用机理

在本研究中，4种有机磷农药都表现出在pH 11.5的碱性水中降解速率快于pH 10.5。对其机理进行分析认为，对含有磷酰或硫代磷酰基团的有机磷农药来说(多数有机磷农药含有此类基团)，在碱性条件下均会发生水解;在该类化合物中，极化的磷酰基在磷原子上产生一个正电荷，因而亲电性强，极易与亲核试剂反应从而发生水解;在碱性水中，有大量亲核性的羟基离子存在，羟基可以进攻磷酸酯或硫代磷酸酯(含有 P—O(S)—C)中的磷原子，使 P—O(S)键断开，此外，羟基也可以进攻碳原子，使 O(S)—C键断开;但由于磷酰的P是硬酸中心，C四面体是一个软酸，羟基离子是一个硬碱，因而它优先进攻磷原子。因此，对有机磷农药的碱降解而言，就是碱性水中的羟基有选择的进攻磷原子，伴以P—O(S)键断开的过程。此外，碱性条件的水解反应主要受羟基离子催化，pH值每增加一个单位，水解速率几乎增加10倍。但在pH值相同的条件下，由于受有机磷农药本身结构的影响，各农药的降解速率会有很大不同。这取决于与磷酸酯或硫代磷酸酯中与中心原子磷相连的那个原子电负性的大小以及有无共轭效应等。有机磷农药之所以容易水解，是由于其磷酸酯结构中与磷原子相连的基团和H3CO-具有拉电子特性，因此使磷原子的亲电性增强，更易于受羟基攻击而发生水解［12］。

同时，有机磷农药在臭氧存在的情况下能够发生氧化反应，其结构中主要发生氧化的位点为:P=S或—S—，即发生P＝S→P＝O和—S—→的转变生成氧化产物，例如，马拉硫磷被氧化成马拉氧磷，毒死蜱被氧化成氧化毒死蜱，乐果被氧化为氧化乐果。

在碱性水中，水解反应是主要的降解途径，而在臭氧水中，有机磷农药的降解可能是水解和氧化同时作用的结果。诸多研究表明，农药的化学结构会对其降解过程造成重要的影响。这也是造成本研究中不同种类农药的降解趋势有所差异的原因。

3.2 碱性水对果蔬品质的影响

在水果或者蔬菜的表面，通常有一层蜡质，采用短时低温的碱水处理一般不会破外蜡质层，因此，能够在一定程度上阻止碱液向内部渗入。由于清洗是个物理过程，其前提是不会破坏果蔬的完整性。但是，果蔬表层的结构特点各不相同，因此不能一概而论。对于部分叶菜类蔬菜，其蜡质层薄且不完整，可能会引起碱水的渗入，但目前未有前人关于这方面的报道。本试验发现，生菜经碱液动态清洗20 min后稍显萎蔫，且颜色变深，这些现象表明可能表层组织受损，造成碱液渗入。有研究表明，将蔬菜在0.01%的氢氧化钠等稀碱溶液中浸泡20～30 min，叶绿素可生成叶绿酸盐、叶绿醇等，颜色为鲜绿色。

但通常情况下，由于果蔬完整性未收到破坏，且碱液的渗透作用并不明显，所以，果蔬内部的pH值和果肉风味都不会受到影响。而如果有碱液渗入组织的话，则果蔬的pH值会表现为上升，但需要对不同种类的果蔬进行实验验证。

对于风味来说，蔬菜中呈味物质多是不饱和醇、醛类，这些物质不会受碱性处理的影响。酯类主要存在于水果的果实内部，且呈香物质的阈值都非常低(例如，水中乙酸异戊酯含量达到5×10－6mg/kg，就会产生香蕉气味)，尽管在碱性条件下，酯类容易发生降解，然而，可以推断，碱性水清洗的渗透作用以及处理时间不足以影响到果蔬的味道。

4 结论

与臭氧水清洗相比，碱性水清洗对生菜所污染的敌敌畏、马拉硫磷、乐果、毒死蜱的降解效果更为明显。通过pH 11.5碱性水处理，对4种农药的去除率分别为臭氧水处理的2.31、1.38、1.36和1.36倍。同时，碱性水对4种有机磷农药的降解受溶液的pH值、处理时间的影响;同样处理条件对不同种类有机磷农药的降解效果不同。

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