超声清洗条件下小白菜对甲萘威的吸附特性

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(1.北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,北京工商大学,北京 100048;2.食品添加剂与配料北京市高校工程研究中心,北京 100048)

超声清洗条件下小白菜对甲萘威的吸附特性

陈雪1,程磊1,白鸽1,张杰1,曹雁平1,2,*

(1.北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,北京工商大学,北京 100048;2.食品添加剂与配料北京市高校工程研究中心,北京 100048)

探讨超声清洗过程中蔬菜对清洗水中甲萘威的吸附特性。以小白菜为原料,研究超声频率、超声功率、超声时间、超声温度、清洗水中农药浓度对小白菜吸附甲萘威的影响。研究发现:随着频率减小、功率增大、时间延长、温度升高、甲萘威浓度增大,小白菜上甲萘威的吸附量增大。采用均匀实验优化清洗条件,利用偏最小二乘回归法分析均匀实验结果,得到最优条件为频率135 kHz、功率0.25 W/cm2、时间5 min、甲萘威浓度5 mg/L,此条件下实测小白菜上甲萘威吸附量为0.68 mg/kg,与理论相对误差为5.59%。本文可为超声清洗小白菜的条件提供一定的理论依据。

超声,清洗,小白菜,甲萘威

蔬菜是我国第二大农作物,年产量约占世界总产量的60%[1]。蔬菜中农残超标现象较为严重,据统计,自2013年起我国蔬菜中农药残留合格率分别为85.3%、85.2%、83.1%,呈现逐年下降的趋势。摄入农残超标的蔬菜或长期接触农药会对人体健康造成不良影响。甲萘威是一种光谱高效的低毒氨基甲酸酯类农药,应用广泛,近年来对其毒副作用的研究发现它可对人体产生免疫和慢性神经毒性等[2-3]。

超声作为一种先进高效的清洗技术,得到了越来越广泛的关注。现已有超声清洗设备应用于工厂和家庭的果蔬清洗中。超声对浸入液体中的物体表面的清洗作用主要是通过超声空化作用来实现的,同时伴随着诸多效应如机械效应、热效应等[4]。超声的空化作用主要体现在两方面:一是杀菌效应;二是冲击剥离效应[5]。目前,常用超声清洗设备可通过改变水浴温度、超声功率、超声频率、超声时间等4个因素来影响清洗效果。

国内已有研究表明,超声可以有效提升有机磷农药的清除率,其效果优于气泡清洗与清水浸泡[6]。张瑞等[7]研究发现,超声波气泡清洗比清水和洗洁精浸泡对莴苣上的有机磷农药去除率更高。王海鸥等[8]研究了超声臭氧联合技术可以降低乙酰甲胺磷、敌敌畏、乐果的残留量,并且降农残效果显著。毛春玲等[9]研究了贮藏法、紫外照射法、超声波处理法、臭氧处理和降解酶五种方法对3种农药残留的去除效果,超声与臭氧处理效果优于其他方法。另外,何天宇等[10]研究得出超声清洗方法对叶类蔬菜农残的去除效果比较明显,小白菜和菠菜农残最大去除率在90%左右。但对于清洗水中的农药是否会吸附到蔬菜上还鲜有研究。因小白菜是四季皆可食用的常见蔬菜,本研究以小白菜为代表物,研究超声频率、超声功率、超声时间、温度等条件对水中甲萘威吸附量的影响。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

新鲜小白菜 永辉超市,经检验小白菜上不含甲萘威残留;甲萘威标准品 Accustandard公司;甲醇 色谱纯,Fisher公司;冰醋酸 色谱纯,光复公司;无水硫酸镁、无水乙酸钠 分析纯,国药集团;N-丙基乙二胺(PSA) Agilent公司;超纯水。

W2695高效液相色谱仪、W2996二极管阵列检测器 WATERS公司;JXD-02型超声处理装置 北京金星超声波设备技术有限公司;SHB-ⅢA循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司;FS/1匀浆机 常州国华电器有限公司;ALC-1100.2电子天平、TB-214分析天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司;蔬菜脱水器 双马塑业有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 样品的预处理和制备 洁净样品:新鲜小白菜用清水洗去表面的泥土,均匀选取外层的叶子,使用蔬菜脱水器去除小白菜表面的水分,经处理后样品质量在97～103 g范围内视为无显著变化,经处理后的小白菜称为洁净的样品。

吸附样品:不同超声条件下,小白菜在一定浓度的甲萘威溶液中作用后吸附上甲萘威作为吸附样品。

1.2.2 甲萘威的测定

1.2.2.1 标准曲线的绘制 准确称取100 mg甲萘威标准品,超纯水溶解,1 L容量瓶定容,配制成100 mg/L标准储备液,保存于4 ℃冰箱待用。取甲萘威标准储备液用超纯水分别稀释到0.1、0.5、1、2、5、10、15、20 mg/L进行HPLC-UV检测,以标准溶液中甲萘威的质量浓度(X)为横坐标,色谱峰面积(Y)为纵坐标绘制标准曲线。在0.1～20 mg/L范围内线性关系良好,其线性方程y=32746x+4655,R2=0.999。

1.2.2.2 HPLC-UV检测条件 柱型:XTerra®MS,C18色谱柱(2.1 mm×150 mm,5 μm);流动相A:甲醇;流动相B:超纯水;洗脱条件:A∶B=60∶40;流速:1.0 mL/min;柱温:35 ℃;进样量:10.0 μL;检测器:二极管阵列检测器;检测波长:224 nm[11]。

1.2.2.3 小白菜样品的前处理及检测 小白菜中甲萘威的提取净化参考了AOAC.2007基质分散固相萃取方法,它是近年国际上新兴的一种用于农产品检测的快速样品前处理技术,又称QuEChERS方法[12-13]。具体实验步骤如下:取20 g吸附样品,切碎后加入100 mL,1%的冰醋酸酸化的乙腈,使用匀浆机匀浆,静置使固液分层。用一次性滴管吸取匀浆后的样品上清液加入含有1 g无水乙酸钠,4 g无水硫酸镁的离心管中,冷却,随后剧烈振摇,转速5000 r/min离心2 min。取5 mL离心后的上清液,加入含有0.25 mg PSA,0.75 mg无水硫酸镁的离心管中,剧烈振摇,转速5000 r/min离心2 min。离心后的上清液,即萃取液,过0.22 μm滤膜后进行HPLC-UV检测,按照以下公式计算甲萘威吸附量。

吸附量M=C×V/m

式中:C为测得的甲萘威的浓度,mg/L;V为萃取液的体积,L;m为小白菜的质量,kg。

1.2.2.4 精密度和回收率 分别称取5、10 mg的甲萘威标准品(纯度≥99.9%)加到1000 g经粉碎机粉碎成糊状的洁净的小白菜中,剧烈振摇2 min,使甲萘威均匀的分散,制得5、10 mg/kg的加标样品,按照1.2.2.2～1.2.2.3方法测定甲萘威含量,每个水平重复测定6次,进行回收率和精密度实验。计算公式如下:

回收率(%)=(检出量/添加量)×100

1.2.3 超声清洗对小白菜上甲萘威吸附量的影响的单因素实验

1.2.3.1 超声温度对小白菜上甲萘威吸附量的影响 超声频率为28 kHz,超声功率为0.15 W/cm2,超声温度分为25、30、35、40、45 ℃,甲萘威浓度为10 mg/L,超声时间为5 min,计算小白菜上甲萘威的吸附量,研究超声温度对小白菜上甲萘威吸附量的影响。

1.2.3.2 甲萘威浓度对小白菜上甲萘威吸附量的影响 超声频率为28 kHz,超声功率为0.15 W/cm2,超声温度为25 ℃,甲萘威浓度为5、10、15、20、25 mg/L,超声时间为5 min,计算小白菜上甲萘威的吸附量,研究甲萘威浓度对小白菜上甲萘威吸附量的影响。

1.2.3.3 超声频率对小白菜上甲萘威吸附量的影响 超声频率分别为28、40、50、135 kHz,超声功率为0.25 W/cm2,超声温度为25 ℃,甲萘威浓度为10 mg/L,分别超声5 min,计算小白菜上甲萘威的吸附量,研究超声频率对小白菜上甲萘威吸附量的影响。

1.2.3.4 超声功率对小白菜上甲萘威吸附量的影响 超声频率为28 kHz,超声功率为0.05、0.15、0.25、0.35、0.45 W/cm2,超声温度为25 ℃,甲萘威浓度为10 mg/L,分别超声5 min,计算小白菜上甲萘威的吸附量,研究超声功率对小白菜上甲萘威吸附量的影响。

1.2.3.5 超声时间对小白菜上甲萘威吸附量的影响 超声频率为28 kHz,超声功率为0.45 W/cm2,超声温度为25 ℃,甲萘威浓度为10 mg/L,超声时间分别为5、10、15、20、25 min,计算小白菜上甲萘威的吸附量,研究超声时间对小白菜上甲萘威吸附量的影响。

1.2.4 超声对小白菜上甲萘威吸附量条件的优化 根据单因素实验结果,选择超声频率、超声功率、超声时间、甲萘威浓度4个因素,以小白菜上甲萘威吸附量为评价指标,利用DPSv15.10数据处理系统进行实验因素设计混合水平均匀实验优化小白菜的超声清洗条件,实验因素水平设计如表1所示。

表1 实验因素水平表Table 1 Factors and levels table for the trial

1.3数据处理

实验中每个处理重复三次,实验结果以平均值表示。采用DPSv15.10数据处理系统进行均匀实验设计。数据的统计与分析应用Microsoft Excel 2007。

2 结果与分析

2.1方法的精密度

甲萘威检测方法回收率和精密度实验结果见表2。由表2可知，加标量为5、10 mg/kg时,HPLC-UV法测定甲萘威的平均回收率分别为89.22%和106.45%,相对标准偏差在7%以下,测定结果准确可靠。

表2 甲萘威回收实验结果Table 2 Carbaryl recycling experimental results

2.2超声对小白菜上甲萘威吸附量的影响

2.2.1 超声温度对小白菜上甲萘威吸附量的影响 由图1可知,随着超声温度的升高,小白菜上甲萘威的吸附量先缓慢升高然后急剧升高然后趋于平稳。随着温度的升高甲萘威分子运动加剧,增加了与小白菜的碰撞机会,增大了有效碰撞几率,从而造成小白菜上甲萘威的吸附量增加。而引起吸附量先缓慢后急剧再平稳的原因可能是分子运动速率对吸附反应的影响达到极值。

图1 超声温度对小白菜上甲萘威吸附量的影响Fig.1 Effect of ultrasonic temperature on the adsorption quantity of carbaryl on Chinese cabbage

2.2.2 甲萘威浓度对小白菜上甲萘威吸附量的影响 由图2可知,随着甲萘威浓度的升高,小白菜上甲萘威的吸附量呈增加的趋势。随着浓度的增加,单位体积内甲萘威的分子数增加,增大了甲萘威分子与小白菜的碰撞几率从而使吸附量增加。

图2 浓度对小白菜上甲萘威吸附量的影响Fig.2 Effect of concentration on the adsorption quantity of carbaryl on Chinese cabbage

2.2.3 超声频率对小白菜上甲萘威吸附量的影响 由图3可知,随着超声频率的增大,小白菜上甲萘威的吸附量减小,由2.84 mg/kg逐渐减小到1.74 mg/kg。进行超声清洗时,频率增加空化强度减弱[14],理论上频率越高清洗密度越大,清洗洁净度越高,但清洗的相对作用力小,由于频率增大,超声力度减小,使小白菜与甲萘威分子接触的作用力减弱,减弱了小白菜对甲萘威的吸附,吸附量较小[15]。超声频率越小,越容易产生瞬间的空化效应,微泡在瞬间空化时崩溃,可以形成局部的热点和高压,随着高压释放,液体中形成强大的冲击波或者高速射流,产生较大的能量,加大传质速率[16],增强了小白菜与甲萘威分子之间的相互作用,从而使小白菜上甲萘威的吸附量增大。

图3 超声频率对小白菜上甲萘威吸附量的影响Fig.3 Effect of ultrasonic frequency on the adsorption quantity of carbaryl on Chinese cabbage

2.2.4 超声功率对小白菜上甲萘威吸附量的影响 由图4可知,随着超声功率的增大,小白菜上甲萘威的吸附量呈现先增加再减小又增加的趋势,并在0.45 W/cm2时达到最大值为4.22 mg/kg;在0.05 W/cm2时取得最小值为1.50 mg/kg。超声功率越大,机械作用越强烈,振荡幅度加大,从而使小白菜与甲萘威分子的接触机会增大,造成小白菜上甲萘威吸附量的增加,但随着超声功率的进一步加大会造成甲萘威分子的降解,造成小白菜上甲萘威吸附量的微量减小,当超声功率进一步加大时，超声机械作用的振荡强度进一步加大，超过超声对甲萘威的降解作用,从而使小白菜上甲萘威吸附量再次增加[17]。

图4 超声功率对小白菜上甲萘威吸附量的影响Fig.4 Effect of ultrasonic power on the adsorption quantity of carbaryl on Chinese cabbage

2.2.5 超声时间对小白菜上甲萘威吸附量的影响 由图5可知,随着超声时间的增大,小白菜上甲萘威的吸附量增大,并在25 min时达到最大值12.49 mg/kg。随着超声时间的增加,甲萘威分子与小白菜的有效接触几率提高,从而使小白菜上甲萘威的吸附量增大。

表3 最小指标时各个因素组合与目标函数Table 3 Each factor combination and objective function of the optimal index

图5 超声时间对小白菜上甲萘威吸附量的影响Fig.5 Effect of ultrasonic time on the adsorption quantity of carbaryl on Chinese cabbage

2.3均匀实验优化分析

采用偏最小二乘回归分析方法对实验结果分析。以超声频率、超声功率、超声时间、甲萘威浓度为因变量。实验结果见表2。根据数据处理系统所得出的实验处理结果给出了最小吸附时各个因素组合,偏最小二乘回归方程为y=0.6251171-0.027349X1-0.016611X2+0.626330X3-0.001012X4+0.000316X1X1+0.000160X2X2-1.991167X3X3+0.000012X4X4+0.000613X1X2+0.014270X1X3-0.000024X1X4-0.007838X2X3-0.000025X2X4+0.002431X3X4。为了验证偏最小二乘回归方程以及实验的可信程度,因此安排一次验证实验,测得各性能指标,如表3所示。

表2 均匀实验设计和结果Table 2 The design and result uniform experiment

对比运用数据处理系统所得出来的预测值和进行优化实验的实测值可以说明偏最小二乘回归模型是可信的,所建立的模型优化预测成立。

3 结论

通过单因素实验,研究了超声频率、超声功率、超声时间、超声温度、甲萘威浓度对小白菜上甲萘威吸附量的影响。在单因素实验的基础上,通过均匀实验,确定最小吸附量的条件频率135 kHz、功率0.25 W/cm2、时间5 min、甲萘威浓度5 mg/L,吸附量为0.601 mg/kg。验证实验证明最小吸附量条件下的小白菜上甲萘威的吸附量为0.68 mg/kg,相对误差为5.59%,说明建立的预测模型具有一定的实践指导意义。

超声清洗可以有效减少果蔬表面的尘土、微生物、农药残留等物质,可以提高果蔬的加工及贮藏性能。由于超声清洗可以去除农药残留,致使农药到清洗水中,长时间清洗可能会使清洗水中的农药吸附到果蔬上,对果蔬造成一定污染,因此果蔬的超声清洗条件的研究具有一定的应用价值。本文只实验了超声频率、超声功率、超声时间、超声温度、甲萘威浓度对小白菜上甲萘威吸附量的影响,但对于吸附过程的探究,还有待于进一步实验。

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TheadsorptioncharacteristicsofChinesecabbageoncarbarylundertheultrasoniccleaning

CHENXue1,CHENGLei1,BAIGe1,ZHANGJie1,CAOYan-ping1,2,*

(1.Beijing High-Tech Innovation Centre of Food Nutrition and Human Health,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China;2.Beijing Engineering Research of Food Additives and Ingredients,Beijing 100048,China)

In this paper,the Chinese cabbage were used as the experimental materials to study the characteristics of carbaryl in washing water adsorbed to the vegetables under the ultrasonic technology,which involved different frequencies,powers,washing times,temperatures and the concentration of the cararyl.The results showed that the adsorption quantity of carbaryl on Chinese cabbage increased with the decrease of the frequencies,the rise of ultrasonic power,the length of cleaning time,the increase of water-bath temperature,the increase of concentration of carbaryl.The optimal ultrasound treatment conditions were determined by uniform design and least square regression analysis to be that frequency was 135 kHz,power was 0.25 W/cm2,time was 5 min and concentration was 5 mg/L.The result of validation experiments showed an actual vaule of 0.68 mg/kg with a realitive error of 5.59% compared with theoretical value. This study provides a theoretical basis for the conditions of ultrasonic technology for washing Chinese cabbage.

ultrasonic;washing;Chinese cabbage;carbaryl

2017-02-28

陈雪(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：超声清洗，E-mail:chenxue0226@163.com。

*通讯作者:曹雁平(1961-)，男，博士，教授，研究方向：食品化学与安全，E-mail:caoyp@btbu.edu.cn。

“十三五”国家重点研发计划项目课题(2016YFD0400802)；北京市自然科学基金项目(6142003)。

TS201.2

:A

:1002-0306(2017)16-0009-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.003