高浓度臭氧水对柑橘多菌灵的降解及其精油品质的影响

朱玲风 李高阳 张菊花 黄寿恩 郭佳婧

ZHU Ling－feng 1 LI Gao－yang 1 ZHANG Ju－hua 1 HUANG Shou－en 2 GUO Jia－jing 1

（1.湖南省农产品加工研究所，湖南 长沙 410125；2.长沙理工大学，湖南 长沙 410114）

（1.Institute of Hunan Agricultural Product Processing，Changsha，Hunan 410125，China；2.Changsha University of Science﹠Technology，Changsha，Hunan 410114，China）

农药在农产品病虫防治、生产保收和保存方面的贡献是不可磨灭的［1－3］。然而，农药污染和食品安全问题已成为世界各国关注的热点，因此，加强农产品的质量监控，有效降低农残量是当务之急。目前降解果蔬农残的主要方法有：酶催化法［4］、清洗法［5，6］、吸附法［7］、超声法［8］、氧化 法［9］、光化学法［10］，但大多数方法仅适合对水溶性强或对光敏感的农药的降解，有些方法还存在二次污染和成本高等局限性，影响其在果蔬农残降解中产业化应用。臭氧是一种氧化性比氯还要高的强氧化剂，在水中有极强的氧化分解能力，可选择性的与化合物中杂原子发生反应，使化合物最终产生小分子物质。而大部分的农药本身含有杂原子，所以易被臭氧降解［11］。国外早在1996年 K.C.Ong等［12］分别用氯和臭氧处理苹果表面农残，因试验所用臭氧水的浓度（0.25 mg／L）太低，试验结果表明臭氧降解农残的能力弱于氯。中国也有很多学者从事此方面的研究：如伍小红等［13］研究了臭氧对3种有机磷农药残留的降解，并取得了较为理想的效果；张宁［14］研究了臭氧对蔬菜中农药残留的降解，发现臭氧对甲胺磷、氧化乐果、敌敌畏、对硫磷和溴氰菊酯均有较强的降解作用；杨挺等［15］研究了臭氧对蔬菜中拟虫菊酯类农药的降解，取得较好的农残降解效果。但是，纵观已有的大量臭氧降解农残的研究文献几乎都存在两个不足：① 试验所用的臭氧浓度太低（传统电晕法臭氧发生器理论上的臭氧浓度低于3 mg／L），而且无法实现在线检测；② 试验过程的臭氧水大多数采用通气鼓泡法，臭氧水的浓度更低，且极不稳定，导致试验无法精确定量。这两个问题长期制约着臭氧在农残降解中的广泛应用。

2013年，武汉威蒙环保科技有限公司基于武汉大学的一项国际发明专利“电解式臭氧制备技术”，研发了工业用大功率高浓度臭氧发生堆、高效气液混合装置，以及臭氧浓度在线检测系统，极大地超越了传统电晕法：臭氧水浓度可以确保在5～25 mg／L之间任意设定并保持稳定，最高可达50 mg／L。这无疑给臭氧的广泛应用和科研过程的精确性提供了技术支撑。中国是一个柑橘生产大国，柑橘农残是急需解决的问题，本研究拟选取柑橘种植过程中常用的农药——多菌灵作为研究对象，研究高浓度臭氧水对多菌灵的降解效果，以及降解过程对柑橘精油品质的影响，为臭氧对柑橘等其他农产品产后降农残处理提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

50%多菌灵湿性粉剂：山东华阳科技股份有限公司；

多菌灵标准溶液：浓度为100 mg／L，国家标准物质研究中心；

甲醇：色谱纯，天津市康科德科技有限公司；

乙腈：色谱纯，天津康巢正兴科技开发有限公司；

橘子：未喷过农药的柑橘。

1.1.2 主要仪器与设备

超高效液相色谱串联四级杆液质联用仪：Acquity UPLC－TQD型，美国 Waters公司；

高浓度臭氧发生装置：GCFZ101Z0型，武汉威蒙环保科技有限公司；

气相色谱－质谱联用仪：7890C－5975A型，美国Agilent公司；

电子天平：FA1104型，上海楚定分析仪器有限公司；

粉碎机：YB－1500A型，上海运邦信息科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 臭氧水浓度的测定 为了确保臭氧浓度的精确度，在对臭氧浓度进行在线检测的同时，本课题组还采用滴定法进行臭氧浓度的即时测定。方法如下：在250 m L碘量瓶中加入20%碘化钾溶液20 m L，加入臭氧发生器产生的臭氧水100 m L，混匀，加入3 mol／L硫酸溶液5 m L，用0.005 mol／L的硫代硫酸钠标准溶液滴定至近无色时加0.5%淀粉溶液1 m L，继续滴定至溶液无色，按式（1）计算臭氧的浓度。

1.2.2 多菌灵农药的配置 称取50%可湿粉剂多菌灵0.6 g放于装有10 L自来水的桶里，充分混匀，即得30 mg／L多菌灵溶液。现配现用。

1.2.3 柑橘样品的制备与处理 将购买的柑橘分成11份，每份6个，大小基本一致，其中一份作为原材料多菌灵农药对照，其他10份先放入30 mg／L多菌灵溶液中浸泡20 min后，捞出，阴干，处理方法见表1。

表1 柑橘不同处理方法Table 1 Using different processing methods for the citrus

表1 柑橘不同处理方法Table 1 Using different processing methods for the citrus

理论值是指试验设计方案预设的浓度，但在应用过程中臭氧水浓度在小范围内会有动态的偏差（±2%以内），为尽可能符合生产实际，在试验过程中自来水与臭氧水均采用流动浸泡方式。

序号 农药浸泡处理 下一步处理方法1 未处理 未处理2 浸泡 未处理3 浸泡 自来水流动浸泡5 min 4 浸泡 自来水流动浸泡10 min 5 浸泡 自来水流动浸泡15 min 6 浸泡 持续通入理论值8 mg／L臭氧水浸泡5 min 7 浸泡 持续通入理论值8 mg／L臭氧水浸泡10 min 8 浸泡 持续通入理论值8 mg／L臭氧水浸泡15 min 9 浸泡 持续通入理论值11 mg／L臭氧水浸泡5 min 10 浸泡 持续通入理论值11 mg／L臭氧水浸泡10 min 11 浸泡 持续通入理论值11 mg／L臭氧水浸泡15 min

1.2.4 农残的检测 将阴干后的橘子皮分别剥下，打浆机充分打碎，用超高效液相色谱串联四级杆液质联用仪检测，质谱条件：ESI（＋）毛细管电压3.0 k V；离子源温度110℃；脱溶剂温度365℃；脱溶剂气流速度650 L／h；锥孔反吹气流速50 L／h；碰撞气及氩气流速0.2 m L／min；正离子 MRM扫描。方法参照GB／T 20769—2008。

1.2.5 柑橘精油的提取与检测

（1）精油的提取：每组称取100 g柑橘皮，粉碎至2～3 mm，加入250 m L水和3.5 g NaCl，装入1 000 m L圆底烧瓶浸泡3 h，加热，水蒸气蒸馏收集精油，待气质检测。

（2） 气 相 色 谱 条 件：HP－5MS 毛 细 管 柱 （30 m×0.25 mm×0.25μm），程 序 升 温，初 始 温 度 40 ℃，保 持1 min，以3℃／min升温到220℃；载气高纯氦气，流速1 m L／min；进样口温度250℃，进样量1μL，分流比30∶1。

（3）质谱条件：离子源为EI，电子能量70 e V；离子源温度230℃；MS四级杆温度150℃；接口温度280℃；NIST08标准谱库检索；面积归一法计算相对含量。

1.2.6 数据分析 采用SPSS 11.0统计软件对试验数据进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 臭氧水浓度的测定结果

由表2可知，整个试验过程臭氧水的实际浓度基本上是恒定的，这不仅保证了降解试验理论需要的浓度，同时也证明了高浓度臭氧发生装置的稳定性。

表2 高浓度臭氧水对柑橘上多菌灵农药降解效果的影响Table 2 The data of the degradation test of carbendazim pesticide on the citrus with high concentration of ozone water

2.2 高浓度臭氧水降解多菌灵的效果

由表2可知，未浸泡组测得的多菌灵含量为0 mg／kg，可确定试验所用的橘子无多菌灵农药，减少了试验误差，保证了整个试验的有效性。从表2中多菌灵的降解结果可看出，清水可以冲洗掉一部分的多菌灵农药，清水处理15 min后，测的多菌灵的降解率达49.9%；高浓度臭氧水对多菌灵农药的降解效果是非常显著的，尤其是11 mg／L的臭氧水处理后，降解率达86.3%，是自来水处理组的1.72倍。

由图1可知：随着臭氧水浓度的提高，多菌灵的降解率也在提高；不同浓度的臭氧水处理组，随着处理时间的延长，多菌灵的降解率也依次提高，在处理的前10 min内降解了68.6%～80.5%，说明经高浓度臭氧水处理的柑橘皮中的多菌灵大部分在前10 min内降解，这是由于在臭氧与多菌灵的反应中，随着底物浓度的减少，反应的速率也在减缓，同时也说明强氧化剂臭氧和多菌灵的反应是快速进行的。

图1 处理方式对柑橘中多菌灵降解效果的影响Figure 1 The effect of the degradation of cabendazim on the citrus with different treatments

2.3 高浓度臭氧水对柑橘精油品质的影响

将10个试验组的柑橘皮粉碎提取其精油，通过气相—质谱联用仪测得精油各成分及含量比，见表3。柑橘精油成分中易被氧化的物质主要是烯烃类、醛类、醇类、酯类，故选取精油中主要的烯类、醛类、醇类、酯类为分析对象，通过对臭氧未处理组及臭氧处理组提取的精油主要的烯类、醛类、醇类、酯类分别求和，再进行方差单因素分析。由表3可知，烯类、醛类、醇类、酯类的P值分别是0.09，0.59，0.47，0.41，均大于0.05，说明臭氧处理柑橘前后柑橘精油主要成分含量无明显差别，即高浓度臭氧水浸泡柑橘对其精油品质无影响，这主要由于柑橘皮精油贮存在密闭的油胞里，外面的臭氧短时间内很难渗人油胞层，因此保护了柑橘精油未被氧化。

3 结论

臭氧是一种强氧化剂，在水中发生还原反应，产生氧化能力极强的单原子（O）和羟基（OH·），瞬间可分解水中的有机物质，是强氧化剂及催化剂，可使有机物发生连锁反应，且反应十分迅速［16］。臭氧微溶于水中，不仅可以将多菌灵中的碳碳双键、碳氮双键碳链开环，同时还对其氨基基团具有强烈的氧化作用，这种双重作用的方式，使得多菌灵的分子结构发生巨大改变，改变了多菌灵农药的性质，从而达到了降解多菌灵的效果。本研究结果表明：高浓度臭氧水降解多菌灵的能力强于低浓度臭氧；随着处理时间的延长，高浓度臭氧水对多菌灵农残的降解效果增加；由于柑橘精油处于油胞层里，高浓度臭氧在短时间内很难进入并接触发生反应，因此可以推断，利用高浓度臭氧水降解柑橘农残对柑橘精油品质并无影响。

表3 高浓度臭氧处理对柑橘精油品质的影响Table 3 The effect of quality essential oil in citrus by the high concentration of ozone water／%

关于本试验设定的臭氧水浓度及处理时间，主要是考虑到高浓度臭氧水在实际应用中的效率问题，因本研究使用的高浓度臭氧发生装置（产品型号GCFZ101Z0）是目前最先进的制备臭氧水设备，设置在浓度为8 mg／L和11 mg／L时，其产臭氧水的量分别为1.2 t／h和1.0 t／h。如果浓度设定很高（即实际产臭氧水量很低），或处理时间延长，都会导致柑橘后续加工的效率降低。农药的品种、数量非常庞大，且体系繁杂，有有机的、无机的、植物源的、动物源的及微生物源的农药，目前所进行的农残降解主要是针对有机农药，多菌灵仅仅是其中的沧海一栗。下一步研究将扩大农药品种以及水果品种作为研究对象，研究高浓度臭氧水对不同水果中各种常见农药残留的降解效果。

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