六种蔬菜吸附吡虫啉的动力学研究初探

卢阳阳,关舒会,孙 强,饶钦雄,宋卫国∗

(1上海市农业科学院农产品质量标准与检测技术研究所,上海市农产品质量安全评价技术服务平台,上海市农产品质量安全工程技术研究中心,上海201403;2上海海洋大学食品学院,上海201306)

农药残留是我国果蔬类农产品的主要安全性问题。2001—2009年,江苏省农贸市场及超市中蔬菜、水果样品农药残留检出率为17.15%,超标率11.66%[1]。2006—2009年,山西省3 520个蔬菜样品的农药残留超标率为3.9%,叶菜类蔬菜超标4.3%[2]。2009年,上海市松江区的叶类蔬菜检出率最高[3]。农药残留主要来源于外部介质中农药在植物体内的吸收和积累。农药喷雾施用对残留的贡献率大于土壤施用,如吡虫啉,农药喷雾的农药残留量比滴灌施用高出5倍以上[4]。对于喷雾施用的农药,叶部吸收是农药残留的主要积累途径[5]。

表面上的农药在植物中的积累,实际上是植物吸附农药的过程[6]。1898年Lagergren用木炭吸附溶液中的溶质,提出了一级动力学方程[7],这个方程常被用于验证生物吸附剂的动力学吸附过程,反映了吸附剂的吸附量随时间的变化速率与吸附剂最大吸附量和t时刻吸附量的差成正比。为了区分基于固体吸附能力的动力学方程与以溶液浓度为基础的动力学方程,Lagergren一级动力学方程也称为准一级动力学方程[8]。准二级动力学方程是用于描述吸附过程的物理化学作用,可以用来验证吸附动力学[9]。

农药残留的吸收不仅与农药自身性质、环境因素有关,与作物本身也可能相关。同一种农药喷雾用于不同作物,受植物表面结构、植物细胞等因素影响,可能造成农药残留量具有差异。本试验以我国使用非常广泛、全球销量最大的杀虫剂吡虫啉[10]为目标农药,研究六种常见蔬菜表面吸附后的体内吡虫啉残留动态,从残留量累积的角度初步揭示农药残留形成的吸附动力学和不同蔬菜吸附的差异性,以期为农药的风险评估和及其选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

供试材料：青菜、杭白菜、黄瓜、番茄、芹菜、豇豆(采购于上海市农业科学院庄行试验站),委托农业部食用菌产品质量监督检验测试中心(上海)分析,未检出吡虫啉残留。

供试农药：吡虫啉(有效成分：10%,剂型：可湿性粉剂,上海悦联化工有限公司)。

农药标准品：99.5%吡虫啉(德国Dr.Ehrenstorfer GmbH公司)。

主要试剂：乙腈(色谱纯,上海安谱实验科技股份有限公司);氯化钠(分析纯,上海凌峰化学试剂有限公司);CNW dSPE分散固相萃取纯化管(150 mg无水硫酸镁,25 mg PSA,7.5 mg GCB,2 mL,上海安谱实验科技股份有限公司);纯净水(上海娃哈哈饮用水有限公司);超纯水,由Millipore超纯水仪制备得到。

1.2 仪器与设备

Acquity(BSM∕PDA)Waters超高压液相色谱仪(Waters科技有限公司);JY3002电子天平(上海舜宇恒平科学仪器有限公司);SK8210LHC超声波清洗器(上海科导超声仪器有限公司);EPFO-945605 Talboys基本型漩涡混合器、EOFO-945008 Talboys基本型多管式漩涡混合器(Troemner公司,美国);D-37520冷冻离心机(Thermo公司,德国);5424R高速冷冻离心机(Eppendorf公司,德国);超纯水仪(Millipore公司,美国);JYL-C022E料理机(九阳股份有限公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 蔬菜处理

称取8 g吡虫啉粉剂,放入4 L纯净水中搅拌溶解,将蔬菜分别浸没于浸泡液中,于10 min、1 h、3 h、5 h、8 h、12 h、24 h、30 h、36 h、48 h 取出部分疏菜,用水冲洗蔬菜表面的农药,擦干,匀浆,待测,以纯净水浸泡为空白对照。

1.3.2 样品前处理

称取5 g样品于离心管中,加入10 mL乙腈,涡旋30 min,加入2 g NaCl,涡旋1 min,4 500 r∕min离心5 min,取1 mL溶液于dSPE分散固相萃取纯化管中,涡旋1 min,12 000 r∕min离心3 min,取上清液过0.22 μm有机滤膜,乙腈稀释到线性范围内,待上机。

1.3.3 检测方法

仪器：超高压液相色谱(UPLC),PDA检测器,流动相为色谱纯乙腈(A相)和水(B相),色谱柱为CORTECS C18(2.1 ×100 mm,1.6 μm),柱温：30 ℃,进样量：5 μL,吸收波长：256 nm,流速：0.4 mL∕min。 流动相梯度：0—6.0 min,A相从5%升到30%;6.0—6.5 min,A相降到5%;6.5—8.0 min,A相保持5%。

1.3.4 标准曲线的制作

用乙腈配制 0.1 mg∕L、0.2 mg∕L、0.5 mg∕L、1.0 mg∕L、2.0 mg∕L、4.0 mg∕L、8.0 mg∕L的吡虫啉标准溶液,分别进样,绘制定量标准曲线。

1.3.5 回收率的测定

在空白样品中添加吡虫啉标准溶液,添加水平分别为青菜 0.1 mg∕kg、10 mg∕kg、30 mg∕kg,杭白菜1 mg∕kg、25 mg∕kg、50 mg∕kg,黄瓜 0.5 mg∕kg、6 mg∕kg、12 mg∕kg,番茄 0.2 mg∕kg、1 mg∕kg、3 mg∕kg,芹菜5 mg∕kg、40 mg∕kg、80 mg∕kg,豇豆 1 mg∕kg、20 mg∕kg、40 mg∕kg,每个添加水平设置 5 个重复,添加标准品溶液后静置2 h左右,按前述方法进行提取,并进行定量分析,计算回收率。

2 结果与分析

2.1 标准曲线

吡虫啉的保留时间为4.32 min,以质量浓度为横坐标,峰面积为纵坐标,做线性回归曲线,测得吡虫啉在0.1—8.0 mg∕L范围内,峰面积与质量浓度呈线性相关,标准曲线方程为y=14 300x+1 090,决定系数R2=0.9981。

2.2 六种蔬菜中吡虫啉的回收率

吡虫啉在青菜、杭白菜、黄瓜、番茄、芹菜和豇豆中的平均回收率分别为98.87%—102.10%、96.28%—101.04%、94.74%—99.85%、93.72%—97.46%、98.84%—108.34%和97.48%—102.33%,变异系数分别为0.84%—1.96%、1.51%—4.67%、1.63%—7.14%、1.39%—7.55%、1.23%—4.24%和1.44%—6.38%,均在允许范围内,符合分析标准。六种蔬菜采用该检测方法的定量限均为0.1 mg∕kg。

2.3 六种蔬菜中吡虫啉的残留动态

对照处理中未检出吡虫啉农药残留。如图1所示,浸泡初期蔬菜吸附的残留量较少,随着时间延长,残留量持续升高并达到最大值。六种蔬菜中吡虫啉的残留量分别在不同时间达到残留峰值,在30 h时,青菜(20.736 mg∕kg)、杭白菜(42.617 mg∕kg)和黄瓜(11.541 mg∕kg)达到残留峰值;在 36 h 时,番茄(2.780 mg∕kg)、芹菜(73.125 mg∕kg)和豇豆(32.779 mg∕kg)达到残留峰值。 采用 SPSS 17.0 软件对吡虫啉在六种蔬菜中吸收量的动态变化进行多因素分析发现,每个时间点不同蔬菜的残留量存在极显著差异(P＜0.001),残留量大小顺序为芹菜＞杭白菜＞豇豆＞青菜＞黄瓜＞番茄。

图1 6种蔬菜对浸泡液中吡虫啉的吸附残留量Fig.1 Adsorption residues of imidacloprid in six vegetables for soaking solution

2.4 吡虫啉在六种蔬菜中的吸附动力学

利用Origin 8.5软件对所得的吡虫啉吸收数据进行准一级动力学及准二级动力学拟合,准一级动力学方程为准二级动力学方程为式中qe为吸附平衡时蔬菜中吡虫啉的残留量(mg∕kg),qt为时间t时蔬菜中吡虫啉的含量(mg∕kg),k1为准一级动力学反应速率常数(∕h),k2为准二级动力学反应速率常数[kg∕(mg·h)]。根据表1所示的数据及拟合参数,比较准一级及准二级拟合的平衡残留量与实际量,并用决定系数R2分析。结果表明：六种蔬菜吸附溶液中吡虫啉的动态符合准一级动力学模型,决定系数R2为0.9084—0.9771,六种蔬菜中吡虫啉达到吸附平衡时的准一级动力学理论残留量为青菜 21.223 mg∕kg、杭白菜 38.618 mg∕kg、黄瓜 12.629 mg∕kg,、番茄 2.908 mg∕kg、芹菜76.139 mg∕kg、豇豆 36.843 mg∕kg,吡虫啉残留量的实际值为青菜 20.736 mg∕kg、杭白菜 42.617 mg∕kg、黄瓜 11.541 mg∕kg,、番茄 2.780 mg∕kg、芹菜 73.125 mg∕kg、豇豆 32.779 mg∕kg,两者接近。 但准二级吸附动力学模型并不适合全部六种蔬菜,青菜、杭白菜和芹菜吸附的决定系数R2大于0.9,且理论上的吸附平衡残留量和实际吸附平衡残留量接近,其他三种蔬菜的准二级吸附动力学模型预测结果的决定系数R2均小于0.9。因此,蔬菜吸附溶液中吡虫啉的行为更符合准一级动力学模型,六种蔬菜对吡虫啉吸收的准一级动力学模型如图2所示。不同蔬菜吸附能力不同,且吸附速率k1值越大,浸泡初期吸附能力越强,故按照吸附速率判断浸泡初期的吸附能力大小为杭白菜(k1=0.1448∕h)＞青菜(k1=0.1083∕h)＞芹菜(k1=0.0823∕h) ＞ 黄瓜(k1=0.0719∕h) ＞ 番茄(k1=0.0617∕h) ＞ 豇豆(k1=0.0563∕h)。

表1 6种蔬菜对吡虫啉的吸附动力学参数Table 1 Adsorption kinetic parameters for imidacloprid in six vegetables

图2 6种蔬菜对吡虫啉吸附的准一级动力学模型Fig.2 Pseudo-first order kinetic model for imidacloprid adsorption in six vegetables

3 讨论

本试验通过吡虫啉溶液浸泡,采用QuEChERS法检测不同蔬菜中的吡虫啉残留吸附量。结果表明：六种蔬菜吸附吡虫啉的残留量逐渐升高达到最高值,随后可能由于蔬菜吸附的药量达到饱和,吡虫啉含量趋于稳定的状态,最后蔬菜发生腐烂,可认为是由于蔬菜细胞一直处于高浓度环境中,导致细胞失水并发生质壁分离[11],当失水过多时,细胞死亡,细胞膜失去选择透过性,农药可随意进出植物细胞[12]。

青菜、杭白菜、黄瓜、番茄、芹菜和豇豆吸附药液中吡虫啉残留量拟合的准一级动力学模型的决定系数R2均大于0.9,且平衡时实际吸附量与理论吸附量很接近,说明这六种蔬菜在药液中吸附吡虫啉的过程符合准一级动力学模型,但不同蔬菜的吸附速率不同。

由于蔬菜表面接触面积与表面结构有差异,对吡虫啉的吸附能力也不同,叶菜类杭白菜和青菜叶面较大,接触农药面积较大,吸附量较大,吸附速度相对较快;茄果类蔬菜番茄和黄瓜表面较光滑,与农药接触面积最小,黄瓜吸附量较低,吸附速度较快,番茄的吸附量最小,吸附速度在初期较慢,后期较快;根茎类蔬菜芹菜可通过根部吸收农药,且体积小,其吸附量最大,但吸附速度最慢;荚果类蔬菜豇豆体积小,接触表面积大,其吸附量在中间水平,吸附速度较慢。蔬菜中农药残留水平与农药吸附密切相关,因此,该方面的深入研究对于定量评估农药的残留水平具有积极意义。

日本“肯定列表”[13]规定吡虫啉在青菜和杭白菜中的残留限量为0.5 mg∕kg,黄瓜中的残留限量为1 mg∕kg,番茄中的残留限量为2 mg∕kg,芹菜中的残留限量为4 mg∕kg,豇豆中的残留限量为3 mg∕kg;而我国食品安全国家标准对食品中农药最大残留限量规定[14],青菜和杭白菜中的残留限量为0.2 mg∕kg,黄瓜和番茄中的残留限量为1 mg∕kg,芹菜中的残留限量为5 mg∕kg,豇豆未制定残留限量标准。基于日本和我国制定的农药残留限量标准,可知残留限量为芹菜＞豇豆＞番茄＞黄瓜＞杭白菜=青菜,本试验采用同一浓度吡虫啉浸泡的方式得到的残留量为芹菜＞杭白菜＞豇豆＞青菜＞黄瓜＞番茄,由于标准的制定不仅要根据人体每日膳食摄入量[15]和毒理学试验[16],还要依据农药使用的发展趋势[17]及国际贸易的需求[18]等,所以对这六种蔬菜吸附能力的研究可为残留限量的修订提供参考。