“农产品中有机磷及氨基甲酸酯类农药残留测定方法” 实验中有机溶剂重蒸及回收方法的改进

阮元，刘淼，王丽，常纪萍，秦蕾，张珂，寿纪刚，张朋展，文春南，麻兵继*

（1.河南农业大学农学院中心实验室，河南 郑州 450002；2.河南农业大学农学院中药材系，河南 郑州 450002）

实验教学能够把理论抽象的知识具体化，有助于学生对理论知识的深入理解，在一定程度上提高学生的综合素质水平和对专业学科的整体把握[1]，在培养学生动手能力、科研能力和创新能力方面都具有理论教学不可替代的作用。因此，改善实验教学条件，与时俱进地丰富实验教学内容，提升实验教学的内涵是高校实验教学改革应该长期坚持的重要原则。实验教学改革的目的就是要建立既满足大众化教育，又适应学生个性化发展，有利于学生能力培养的多层次、开放式的实验教学体系[2]。深化实验教学体系改革，其核心是要针对实验教学中存在的问题，加强实验教学内容、形式和体系的建设。

“农产品中有机磷及氨基甲酸酯类农药残留测定方法”是农学专业核心课程《农产品质量检测技术》的一个重要的综合性实验[3]，占8 个实验学时。有机磷和氨基甲酸酯类农药是当前我国使用量很大的两类杀虫剂[4]。农产品中农药多种残留分析方法囊括了多种农药的残留检测技术[5～8]，可以进行食品中多种组分及未知组分农药的残留分析。该检测方法能够实现粮食和蔬菜中敌敌畏等16 种有机磷以及速灭威等4 种氨基甲酸酯类农药的残留分析，同时也适用于其他有机磷及氨基甲酸酯农药的残量分析。实验中需要用到有毒有机溶剂丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇和正己烷等，且使用量较大，具体涉及到3 个步骤。（1）溶剂准备：重蒸丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇、正己烷等有机溶剂备用；（2） 提取：称取粮食样品20 g 于三角瓶中，加入无水硫酸钠5 g 和丙酮100 mL，振荡提取30 min，过滤后取滤液50 mL 于分液漏斗中；（3） 净化：向提取粮食样品的分液漏斗中加入5%氯化钠溶液50 mL，再依次用50、50、30 mL 二氯甲烷各提取1 次，合并二氯甲烷层，经无水硫酸钠过滤后回收溶剂浓缩近干，定容至1 mL[9]。目前在本科生实验教学中，以上溶剂的重蒸和农药残留的提取主要采用普通的加热蒸馏装置来处理。但该方法的主要问题是有毒有机溶剂在教学实验中使用量过大且回收效率低、回收时间长，存在影响同学们身体健康、污染环境的安全隐患[10]，同时也增加了实验费用。另外，

由于以上溶剂的蒸馏回收处理时间较长，导致该实验耗时过长，实验教学环节不够紧凑。

针对上述问题，结合绿色环保理念和低温冷却循环系统技术，对“农产品中有机磷及氨基甲酸酯类农药残留测定方法”实验中的有机溶剂重蒸和回收方法进行了改进，期望在后续教学实验工作中实现低温、环保、高效的有毒有机溶剂重蒸和回收操作，改善教学条件，节约试剂，节省教学时间，打造绿色环保的实验教学课堂环境。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验有机溶剂为丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇、正己烷，共5 种。

所用仪器设备有RE-52AA 旋转蒸发仪（上海亚荣生化仪器厂）、DLSB-5L/10 低温冷却液循环泵（巩义市予华仪器有限责任公司） 和SHB-3 循环水式多用真空泵（郑州杜甫仪器厂）。

1.2 试验方法

“农产品中有机磷及氨基甲酸酯类农药残留测定方法”实验中有3 个步骤需要用到有毒有机溶剂丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇和正己烷。本研究中，采用3 种方法对溶剂进行回收处理。以常规蒸馏法为对照，对减压回收法改进前后的溶剂回收时间和回收率进行比较。

1.2.1 常规蒸馏法 该法采用目前本科生实验所用的普通加热蒸馏装置，其中，热源为酒精灯，温度由水银温度计监测，冷却液为自来水。具体方法为：精密量取有机溶剂250 mL，试验设5 个有机溶剂处理；用漏斗倒入蒸馏烧瓶内并加入数粒沸石，装好蒸馏头与温度计；认真检查装置后通水并缓慢升温加热，加热即开始计时；待蒸馏瓶内溶剂完全蒸干后结束计时，并精密计量回收溶剂的体积。每处理均设3 次重复。

1.2.2 减压回收法 试验在连接低温冷却液循环泵和循环水真空泵等设备的旋转薄膜蒸发仪中进行。具体方法为：精密量取有机溶剂250 mL 于旋蒸瓶中，试验设5 个有机溶剂处理；放入已达设置温度的旋转薄膜蒸发仪中，其中，旋蒸温度为45 ℃，冷凝液温度为4 ℃；打开真空泵，关闭蒸发仪气阀即开始计时；待蒸馏瓶内溶剂完全蒸干后结束计时，并精密计量回收溶剂的体积。每处理均设3 次重复。

1.2.3 改进减压回收法 该法由减压回收法改进而来。具体方法为：在真空泵与旋转薄膜蒸发仪之间加装1 个气密性良好的三通阀，当真空泵压力表压力显示-0.1 MPa 时关闭此三通阀，即可阻断蒸发仪与真空泵的联系，同时仍能维持蒸发仪内部的减压环境；其他操作与1.2.2 相同。

2 结果与分析

2.1 不同方法的溶剂回收时间比较

采用常规蒸馏法时，沸点最低的二氯甲烷回收时间为55.74 min，耗时最久的甲醇回收时间长达211.24 min，其他3 种溶剂的回收时间均在80 min 左右（表1）。溶剂回收时间长，在很大程度上延缓了实验教学的进度。

采用减压回收法时，无论是否关闭三通阀，5 种溶剂的回收时间均较常规蒸馏法显著缩短，平均耗时仅为常规蒸馏法的10%左右。2 种减压回收试验中，关闭三通阀时参试溶剂的回收时间普遍长于不关三通阀，其中正己烷和乙酸乙酯的回收时间差异达到了显著水平。关闭三通阀较不关闭三通阀处理的耗时普遍增加，原因是关闭三通阀处理后旋转蒸发仪内的压强缓慢增加，会导致溶剂沸点逐渐提高，进而造成回收时间的增加。

综上分析可以看出，与常规蒸馏法相比，减压回收法能够大幅度缩短溶剂的回收时间，提高实验效率，确保教学任务的顺利进行。

表1 不同溶剂的回收时间Table 1 Recovery time of different solvents （min）

2.2 不同方法的溶剂回收体积比较

溶剂回收率是影响试验成本、决定是否符合绿色环保理念的关键因素，因此，可以将溶剂的回收体积作为一个重要的判断指标。

与常规蒸馏法相比，采用关闭三通阀减压回收法的溶剂回收体积除二氯甲烷表现出显著降低外，其他溶剂均表现差异不显著（表2）。但这2 种方法在溶剂回收时均有约3%的损失，属于系统误差，证明溶剂很难100%回收。然而，不关闭三通阀减压回收法的回收体积与这2 种方法相比均显著降低，溶剂平均损失率高达27.38%，尤其是丙酮和甲醇损失得更多。采用不关闭三通阀减压回收法时，丙酮和甲醇的回收体积分别为129、150.67 mL，回收率均≤50%，主要原因是丙酮和甲醇的蒸汽易与水混溶，大量气体被真空泵抽走，易造成溶剂浪费和环境污染。

表2 不同溶剂的回收体积Table 2 Recovery volume of different solvents （mL）

综上分析可以看出，与常规蒸馏法和不关闭三通阀减压回收法相比，关闭三通阀减压回收法的溶剂回收率高，符合绿色环保的理念。

3 结论与讨论

河南农业大学农学院实验中心为河南省高等学校实验教学示范中心，硬件条件较好，具有良好的实验教学平台，可以保障2～3 个本科生实验室约200 m2的面积用于本课题的具体实施。“农产品中有机磷及氨基甲酸酯类农药残留测定方法”是农学专业核心课程的一个重要综合性实验。实验中需要用到有毒有机溶剂丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇、正己烷等，且使用量较大。目前本科生教学实验时主要采用普通的加热蒸馏装置来重蒸和回收处理。常规蒸馏法的操作过程是将溶剂加热到其沸点，再将蒸汽冷凝回收，是蒸发和冷凝2 种单元操作的联合。教学中常使用500 mL 或1 000 mL 圆底烧瓶，试剂耗费量大[11]，操作时长，浪费自来水，且以酒精灯为热源长时间蒸馏有机溶剂危险性高。该实验方法耗时长，实验教学环节不够紧凑；且有机溶剂回收效率低，易对人类和环境造成安全隐患。

减压回收法系统中的旋转薄膜蒸发仪热源为水浴锅，同时其气密性较好，外接的真空泵可为蒸发仪内部提供减压环境以达到降低溶剂沸点的效果。另外，外接低温冷却液循环泵提高了冷凝效果，冷却液温度恒定可控。系统整体是蒸发、冷凝和减压3 种单元操作的联合。系统中的冷却液和真空泵中的水均为循环利用，具有耗时短、效率高、适应性强、操作方便等优点[12]；缺点是真空泵会抽走部分溶剂蒸气造成溶剂浪费并可能污染空气，若在真空泵与旋转薄膜蒸发仪之间加装1 个气密性良好的三通阀即可有效解决这一问题。结合绿色环保理念和低温冷却循环系统技术，作者对该测定实验中有机溶剂的重蒸和回收处理方法进行了改进。以常规蒸馏法为对照，采用减压回收法进行溶剂回收试验，并在此基础上对减压回收法进行了改进。结果表明，关闭三通阀的减压回收法溶剂回收时间较普通蒸馏法平均节省约90%，极大地提高了实验效率，不仅解决了溶剂回收时间长导致教学环节不够紧凑的问题，还实现了在较低温度下有机溶剂的重蒸和高回收率，在节约试剂的同时还保持了环境友好。

项目成员分别指导2016 级和2017 级农标专业本科生完成了“农产品中有机磷及氨基甲酸酯类农药残留测定方法”的改进实验，并根据实验操作体会和经验编写了实验手册。关闭三通阀的减压回收法不仅明显节省溶剂的回收时间，提高了实验效率，而且实现了溶剂的高效回收，符合绿色环保的理念，具有进一步推广应用的价值。