酸性电生功能水联合超声波去除马铃薯净菜中4种农药残留效果分析

刘 媛，程 铭，王 健, ，朱旭冉，刘 洋，万宇平，吴小胜，李 娜，王继英

（1.河北北方学院，河北省农产品食品质量安全分析检测重点实验室，河北张家口 075000；2.承德市农林科学院，河北承德 067000；3.北京勤邦生物技术有限公司，北京 102206；4.河北英茂生物科技有限公司，河北石家庄 050000）

马铃薯是一种粮菜兼用型蔬菜，与稻、麦、玉米、高粱一起被称为全球五大农作物。马铃薯营养素齐全，易为人体消化吸收，被誉为人类的“第二面包”[1]。张家口是我国北方重要的马铃薯产区，全市常年播种面积保持在180万亩左右，总产量240多万吨。所产马铃薯销往国内京津冀等地区及韩国、东南亚、加拿大等十余个国家，成为该市特色富民产业[2]。但马铃薯的销售形式多以未经处理的毛菜为主，不仅食用不便、费时费力，且商品附加值不高，净菜加工是目前解决该问题的有效途径。净菜加工是将新鲜的蔬菜进行挑选、切分、清洗、沥干、包装的过程。净菜在加工过程中除营养物质损失和微生物污染可导致马铃薯质量下降外，农药残留超标也是影响马铃薯净菜成品品质的重要问题。

清洗环节是马铃薯净菜加工过程中去除农药残留的关键步骤。目前，清洗方法主要包括化学清洗和物理清洗两大类。化学清洗法包括：含氯杀菌剂清洗[3−4]；臭氧杀菌[5]；酸碱溶液洗涤剂清洗[6]等，以上方法具有成本高、易损害感官品质、二次污染等缺点。电生功能水（electrolyzed functional water, EFW）具有无残留、无污染、无毒副作用、易制取、成本低等特点[7−10]。EFW是将稀盐溶液在特殊电解装置中进行电解，经过一系列复杂的反应，产生具有特殊理化性质的酸性电生功能水（acid electrolyzed water,AcEW）和碱性电生功能水（alkaline electrolyzed water, AlEW）的总称[11−13]，是一种新型的化学清洗技术。近年来，多位学者证明其能有效去除蔬菜表面的农药残留。胡朝晖等[14]研究了EFW对韭菜中乐果和毒死蜱的去除效果，结果表明：微酸性EFW去除农药残留的效果优于其他清洗液，乐果、毒死蜱的去除率达到了66.02%和72.55%。郝建雄等[15]用EFW进行了清洗蔬菜中乙酰甲胺磷残留的试验研究，结果表明，浸泡处理60 min时AcEW对乙酰甲胺磷的去除率能达到82%左右。

物理清洗方式主要包括：滚筒式清洗技术、振动喷淋式清洗技术、超高压清洗技术等[16]，这些方法有着覆盖面低、耗水量大、清洗效率低、清洗时间长等弊端。超声波清洗（ultrasonic cleaning）能够弥补这些不足，且能够解决净菜中不规则形状的死角问题。超声波清洗净菜是利用超声波的空化作用，通过对液体和污物之间的直接、间接作用，使污物层先被分散、乳化进而剥离达到清洗净菜的目的，具有波长短、穿透力强、能量集中等特性[17]。陈雪等[18]研究了超声波清洗条件下小白菜对甲萘威的吸附特性，结果表明超声波清洗可有效减少果蔬表面的农药残留。张瑞等[19]研究发现超声波清洗莴苣20 min，乐果、毒死蜱和三唑磷的去除率分别为90.41%、64.88%和81.44%。

截至目前，将物理与化学方法有机结合的清洗方式在理论研究及市场应用上均较为少见，因此，本研究采用EFW联合超声波清洗对4种切割方式马铃薯净菜进行清洗处理，以常用的甲拌磷、毒死蜱、腐霉利和百菌清4种农药为目标物，得到不同清洗条件对农药残留的去除率，探讨不同清洗参数对农药残留的去除规律，为建立针对不同切割方式马铃薯净菜的EFW联合超声波农药残留清洗方法提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

腐霉利（43%悬浮剂） 中农立华（天津）农用化学品有限公司；甲拌磷（3%颗粒剂） 安徽华微农化股份有限公司；百菌清（75%可湿性粉剂） 青岛奥迪斯生物科技有限公司；毒死蜱（45%乳油） 济南绿霸农药有限公司；腐霉利、甲拌磷、百菌清、毒死蜱农药标准品（标准值100 μg·mL−1，扩展不确定度0.13 μg·mL−1，纯度≥95%） 农业部环境保护科研监测所；乙酸乙酯、乙腈 色谱纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；N-丙基乙二胺（PSA） Agela Technologies公司；次氯酸钠 分析纯，天津市博华通化工产品销售中心；无水硫酸镁 分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司；试验用水，如未特殊说明，均为超纯水；马铃薯均购自当地有机农场，切割方式见表1。

表1 马铃薯切割方式Table 1 Cutting methods of potato

GCMS-TQ8050三重四极杆型气相色谱质谱联用仪 日本岛津公司；KD200氮吹仪 杭州奥盛仪器有限公司；XYS-C-12电生功能灭菌水生成器 宝鸡新宇光机电有限责任公司；LE225D精密电子天平

北京赛多利斯仪器有限公司；TD5A台式低速离心机 湖南赫西仪器装备有限公司；XYJ-H帕恩特实验室中央超纯水系统 北京湘顺源科技有限公司；SX721pH/ORP氧化还原电位计 上海三信仪表厂；KQ-500DE数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；舜科2000潜水泵 广州世承五金机电有限公司；SK-1涡旋混合器 上海耀壮检测仪器设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 EFW的制备 以浓度为0.5‰的NaCl溶液为电解质，电生功能灭菌水生成器通10.0 V交流电压，电流变化范围为2.8~4.3 A，时间为10 min，得到pH为2.8~3.0，氧化还原电位（oxidation-reduction potential, ORP）为1000~1300 mV，有效氯含量（available chlorine content, ACC）为30~120 mg·L−1的AcEW和pH为11.4~11.9，ORP为−800~−1000 mV，ACC为10~60 mg·L−1的AlEW。pH和ORP值用pH/ORP氧化还原电位计检测，ACC采用碘量法滴定测定[20]。低温避光保存，现用现制。

1.2.2 模拟污染 将上述不同切割方式的马铃薯（经QuEChERS前处理方法结合GC-MS检测不含腐霉利、甲拌磷、百菌清、毒死蜱）用稀释后的农药混合液（腐霉利0.054%，甲拌磷0.15%，百菌清0.094%，毒死蜱0.056%）在室温下浸泡20 min[21]，取出置于通风橱中避光自然风干待用。取上述经模拟污染处理后的马铃薯净菜进行进样前处理，作农药残留量本底测定。

1.2.3 不同清洗处理对蔬菜中农药去除效果研究为评价EFW联合超声波对不同切割方式马铃薯中4种农药残留的去除效果，进行如下4种清洗处理。处理后，所有样品在室温下自然干燥1 h，然后进行农药残留提取和分析。所有独立试验均重复3次。

1.2.3.1 清洗液对农药残留去除的影响 取污染后样品各50 g，在400 mL的AcEW、AlEW、自来水（tap water, TW）和NaClO溶液中25 ℃浸泡20 min。

1.2.3.2 样液比对农药残留去除的影响 取污染后样品各50 g，以AcEW为清洗液，25 ℃下分别以1:20、1:40、1:80、1:160和1:320的样液比进行浸泡，时间为20 min。样液比为样品质量（g）与清洗液体积（mL）之比。

1.2.3.3 超声波功率对农药残留去除的影响 取污染后样品各50 g，以AcEW为清洗液，25 ℃下以1:20为样液比，分别在超声波功率为200、300、400、500 W时进行清洗，时间为20 min。

1.2.3.4 清洗时间对农药残留去除的影响 根据上述筛选的清洗条件，分别对污染后的净菜样品进行5、10、15、20、25 min清洗处理。

1.2.4 农药残留测定

1.2.4.1 样品前处理 取均匀样品5 g于离心管中，加1 g氯化钠，7 mL乙腈，涡旋混匀后振荡20 min，加2 g无水硫酸镁，涡旋混匀，5000 r/min离心5 min，取出上清液移于另一离心管中，再加1.5 g无水硫酸镁，0.5 g PSA，涡旋混匀，5000 r/min离心3 min，取上清液在室温下氮气吹干，加入2 mL乙酸乙酯，涡旋混匀后过0.22 μm有机滤膜，待GC-MS分析测定。

1.2.4.2 标准溶液配制 取4种农药标准品1 mL，使用乙酸乙酯溶解，涡旋混匀，定容至100 mL作标准贮备液，浓度均为1 μg·mL−1，在−20 ℃冰箱中保存待用。

1.2.4.3 色谱条件 Rtx-5Sil MS毛细色谱柱，30 m×0.25 mm×0.25 μm；柱箱温度：50 ℃；柱温升温程序60 ℃（2 min），以25 ℃/min上升至150 ℃，以2 ℃/min上升至260 ℃（15 min）；进样口温度：250 ℃；载气：高纯氦气；进样量：1 μL；流速：1 mL·min−1；进样模式：不分流进样。

1.2.4.4 质谱条件 离子源：EI源；离子源温度：220 ℃；电子轰击能量：70 eV；扫描方式：单离子检测扫描方式（SIM）；传输线温度：250 ℃。腐霉利、甲拌磷、百菌清、毒死蜱4种农药的质量分析参数见表2。

表2 农药的质量分析参数Table 2 Mass spectrometric parameters for pesticides

1.2.4.5 农药残留去除率的计算

1.3 数据处理

利用岛津GC Solution软件对数据进行采集，Microsoft Office Excel 2019版对数据进行分析，SPSS 17.0统计软件对试验数据进行处理；使用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 农药标准曲线的绘制及选择离子色谱图

将各农药标准物质贮备液配制成1、2、10、50、100、200、500 μg·kg−1系列的标准工作液，在1.2.4的仪器分析条件下进行测定，经单离子检测扫描，以各农药组分的峰面积（y）为纵坐标、质量浓度（x）为横坐标绘制标准曲线。结果表明：4种农药的质量浓度在一定浓度范围内与响应值呈线性关系，相关系数（r）均大于0.998。以信噪比（S/N）为3确定检出限（LOD），以信噪比（S/N）为10确定定量限（LOQ），方法检出限和定量限分别在1~3 μg·kg−1和3~10 μg·kg−1（表3）。腐霉利、甲拌磷、百菌清、毒死蜱4种农药标准溶液的选择离子色谱图见图1。

图1 甲拌磷（A）、百菌清（B）、毒死蜱（C）和腐霉利（D）的选择离子色谱图Fig.1 Select ion chromatograms of phorate (A), chlorothalonil(B), chlorpyrifos (C) and procymidone (D)

表3 4种农药的线性范围、线性方程、相关系数、检出限和定量限Table 3 Linear ranges, linear equations, correlation coefficients, detection limits and quantitative limits of 4 pesticides

2.2 添加回收率与相对标准偏差

在空白马铃薯净菜样品中添加10、20、50 μg·kg−13个水平4种农药的混合标准溶液进行回收率实验。每个添加浓度重复测定6次，计算添加回收率和测定结果的相对标准偏差（relative standard deviation, RSD），各农药在马铃薯净菜样品中的相关参数见表4。结果表明：马铃薯净菜样品中农药添加回收率在93.70%~98.57%之间，RSD为4.1%~8.0%，方法的准确度和精密度均符合分析的要求。

表4 4种农药的添加回收率和相对标准偏差（n=6）Table 4 Recoveries and RSDs of 4 pesticides(n=6)

2.3 不同因素对农药残留去除效果的影响

2.3.1 清洗液对农药残留去除效果的影响 由图2可知，4种清洗液对不同切割方式马铃薯净菜中农药残留均有去除效果，且差异显著（P<0.05）。甲拌磷和毒死蜱在清洗液为AcEW时去除效果优于AlEW、NaClO溶液和TW。这与胡朝晖等[14]用4种清洗液处理毒死蜱农药残留去除效果结果一致。AlEW对腐霉利和百菌清的去除率高于AcEW、NaClO溶液和TW。鉴于有机磷农药毒性强且AcEW去除有机磷的能力远高于AlEW，因此实验选取AcEW作为清洗液。在AcEW清洗条件下，马铃薯丝有机磷（甲拌磷和毒死蜱）和杀菌剂（腐霉利和百菌清）农药残留去除率分别是37.42%和35.31%；马铃薯条有机磷和杀菌剂农药残留去除率分别是33.26%和27.52%；马铃薯片有机磷和杀菌剂农药残留去除率分别是26.18%和23.39%；马铃薯丁有机磷和杀菌剂农药残留去除率分别是21.11%和20.02%。

图2 清洗液对马铃薯丝（A）、马铃薯条（B）、马铃薯片（C）、马铃薯丁（D）农药残留去除率的影响Fig.2 Effect of different washing solutions on pesticide removal rates in potato silks （A）, potato strips（B）, potato slices（C）and potato dices （D）

2.3.2 样液比对农药残留去除效果的影响 由图3可知，随样液比的升高，不同切割方式的马铃薯净菜农药残留去除率变化不大，可知样液比对AcEW去除马铃薯净菜中农药残留影响不显著（P>0.05）。样液比过高会造成水资源浪费，考虑节约成本和便于控制等一系列问题，不同切割方式马铃薯净菜均取1:20作为适宜样液比。此时，马铃薯丝、马铃薯条、马铃薯片和马铃薯丁的有机磷和杀菌剂农药残留去除率分别是35.14%、33.30%；30.80%、27.47%；29.34%、21.82%和22.70%、20.65%。

图3 样液比对马铃薯丝（A）、马铃薯条（B）、马铃薯片（C）、马铃薯丁（D）农药残留去除率的影响Fig.3 Effect of the ratio of sample to washing solution on pesticide removal rates in potato silks （A）, potato strips（B）,potato slices（C）and potato dices （D）

2.3.3 超声波功率对农药残留去除效果的影响 由图4可知，随超声波功率的增加，不同切割方式马铃薯净菜的农药残留去除率呈现不同变化趋势且有显著差异（P<0.05）。马铃薯丝在超声波功率为200 W时出现峰值，农药残留去除率分别为78.79%和45.96%。马铃薯条和马铃薯片在超声波功率为500 W出现峰值，但此时观察到其出现了轻微磨损现象，产品品质受到影响，因此选取400 W为适宜超声波功率，此时马铃薯条的农药残留去除率分别为75.05%和45.91%，马铃薯片的农药残留去除率分别为70.56%和37.50%。随着超声功率的增加，马铃薯丁的农药残留去除率呈现升高后下降的趋势，在功率为400 W时达到峰值，有机磷和杀菌剂农药残留去除率分别为68.46%和36.92%。

图4 超声波功率对马铃薯丝（A）、马铃薯条（B）、马铃薯片（C）、马铃薯丁（D）农药残留去除率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic power on pesticide removal rates in potato silks （A）, potato strips（B）, potato slices（C）and potato dices （D）

2.3.4 清洗时间对农药残留去除效果的影响 由图5可知，随清洗时间的增加，不同切割方式马铃薯净菜的农药残留去除效果呈现不同的变化趋势且差异显著（P<0.05）。马铃薯丝和马铃薯条农药残留去除率呈先升高再降低的趋势，在清洗时间为10 min时农药残留去除率出现峰值，有机磷和杀菌剂农药残留去除率分别为78.03%、47.27%和75.52%、45.05%。马铃薯片和马铃薯丁农药残留去除率呈先降低再升高的趋势，在清洗时间为25 min出现峰值，但此时马铃薯片和马铃薯丁出现轻微萎蔫，因此，马铃薯片和马铃薯丁的清洗时间选取与其农药残留去除效果接近的20 min为宜。此时，有机磷和杀菌剂农药残留去除率为71.85%、40.65%和69.18%、41.33%。

图5 清洗时间对马铃薯丝（A）、马铃薯条（B）、马铃薯片（C）、马铃薯丁（D）农药残留去除率的影响Fig.5 Effect of washing time on pesticide removal rates in potato silks （A）, potato strips（B）, potato slices（C）and potato dices （D）

3 讨论

本实验选用的4种农药在常温、中性环境下均具有稳定的理化性质。腐霉利在碱性条件下不稳定易水解，在酸性条件下，水解缓慢。百菌清在酸性和微碱性溶液中较为稳定，在pH9时缓慢水解，在强碱下易分解，因此，腐霉利和百菌清在AlEW中去除率优于AcEW。毒死蜱和甲拌磷在强酸环境下不稳定，容易水解，毒性降低。AcEW提供的酸性环境对毒死蜱和甲拌磷的水解十分有利，低pH使EFW具有较强的氧化性，可以氧化农药，将毒死蜱和甲拌磷中的P=S转化成P=O，并能破坏其环状结构[14]，使AcEW去除有机磷农药残留效果优于AlEW。这与刘振龙[22]得出的酸性条件下去除小白菜中毒死蜱残留效果优于碱性条件的研究结果相一致。由于有机磷农药与杀菌剂相比对人体的毒性和危害更大，遂采用AcEW作为清洗液对这4种农药进行清洗。

超声波降解农药是利用超声波的空化作用，引起的自由基反应来降解农药残留[23]。高频率的振动加速了农药分子之间的运动，使其化学键断裂，变为易溶的小分子无毒物质[24−25]，增加农药分子降解溶出几率，以达到去除农药残留的目的。超声波的功率越大，机械作用越强烈，越有利于农药残留的降解[17]，但本实验中不同切割方式马铃薯净菜均出现了因较高功率清洗时机械作用强度过大而导致的损伤现象。马铃薯丝的比表面积较大，在200 W时已达到峰值，但随着超声波功率的增加，马铃薯丝的组织结构和细胞形态产生破坏，造成农药二次污染，从而出现农药残留去除率不升反降的现象。马铃薯条、马铃薯片、马铃薯丁的比表面积较马铃薯丝小，更能适应较高的功率清洗，但均在超过400 W后出现了马铃薯净菜磨损的现象。

在AcEW与超声波清洗的联合作用下，清洗时间的增加会促进农药残留降解。但刘伟森等[6]研究表明：超声波作用处理5 min后，娃娃菜中乐果的残留去除率逐步降低。本实验中马铃薯丝和马铃薯条在清洗处理超过10 min后，农药残留去除率也出现逐步降低的现象，可能是由于马铃薯丝的比表面积较大，清洗时间的增加会引起马铃薯净菜的细胞破裂，影响马铃薯净菜表面细胞的渗透作用，导致农药在马铃薯净菜中再次内吸和富集[26−27]。马铃薯片和马铃薯丁的比表面积较小，能够在25 min时达到农药残留去除率的峰值，但也因清洗时间过长，导致马铃薯片和马铃薯丁出现部分萎蔫，因此清洗时间不宜过长。不同切割方式的马铃薯净菜农药残留去除率均在清洗时间5 min后才出现峰值，表明短时间超声波清洗不利于发挥超声波的空化作用。此外，AcEW的理化性质以及马铃薯的营养成分对超声波作用也有削弱能力[28]，从而影响农药残留的去除效果。

4 结论

马铃薯净菜中不同农药残留去除率由大到小依次为：甲拌磷>毒死蜱>腐霉利>百菌清。去除不同切割方式马铃薯净菜中甲拌磷、毒死蜱农药残留效果较优的清洗液为AcEW，去除腐霉利、百菌清农药残留效果较优的清洗液为AlEW，综合分析选取AcEW为马铃薯净菜的清洗液。样液比对不同切割方式的马铃薯净菜农药残留去除效果效果不显著。超声波功率和清洗时间对不同切割方式马铃薯净菜的影响效果明显。马铃薯丝的适宜超声波清洗功率为200 W，马铃薯条、马铃薯片和马铃薯丁的适宜超声波清洗功率均为400 W。马铃薯丝和马铃薯条的适宜清洗时间为10 min，马铃薯片和马铃薯丁的适宜清洗时间为20 min。本研究为电生功能水-超声波清洗在去除果蔬农药残留领域的应用以及马铃薯净菜品质保持，奠定了理论基础和技术支持，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。