蔬菜中残留的高效氯氰菊酯的超声波清除工艺优化

闫薇*，杨亚鹏，左双全，高晗，苏超，符之之

珠海格力电器股份有限公司（珠海 519070）

蔬菜作为生活中必需的食物，营养丰富，具有抗衰老和预防疾病等优势，受到追求健康人群的喜爱[1-3]，但是果蔬易受到害虫的侵害[4]，拟除虫菊酯类杀虫剂因高效、低毒的特点，被广泛应用于害虫防治中[5]。但是其半衰期较长，较难在自然条件下快速降解，而果蔬的生长周期较短，残留的农药对哺乳动物的生殖、免疫等方面有一定的毒副作用，危害人体健康[6-7]。

农药去除有物理法、微生物法及化学法，其中研究最多的是化学法[8-9]。吕金海等[10]发现次氯酸钙溶液对氧乐果的清除率达57%；Ong等[11]采用臭氧降解苹果表面的多种农残，清除率均在29%~42%之间。氧化降解在一定程度上可以去除农残，但在降解过程中可能会产生毒性更强的物质[12-13]，且在氧化剂条件下会造成营养物质的流失[14-15]，所以亟需一种安全、高效物理去除果蔬农残的技术。

清洗粉作为家用的果蔬清洗剂，具有杀菌和去除农残的作用[16-17]，但是因浓度和机理的限制，清除农药的能力较低[18-19]，且不定量手动添加可能会造成一定的残留。

超声波是一种新兴的清洗技术，通过振荡和空化作用，达到除农残和提高洁净度的目的，具有广泛的应用前景[20-23]。而现有产品存在功率较小、体积较大、清洗效果差等问题，用户体验较差。

试验旨在建立一种安全高效的物理去除蔬菜中的高效氯氰菊酯残留的方法，研究超声功率、时间、清洗粉添加量等条件对高效氯氰菊酯清除的影响，同时优化的工艺条件可为超声波和清洗粉一体机的开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

蔬菜；高效氯氰菊酯（有效成分4.5%）；果蔬清洗粉（市售）；离心管（北京诺博莱德科技有限公司）；Envi-18柱、2Envi-Carb活性碳柱（上海楚定分析仪器有限公司）；3Sep-Park NH2固相萃取柱（深圳逗点生物技术有限公司）；乙腈、甲苯、氯化钠、无水硫酸钠（阿拉丁生化科技股份有限公司）。

1.2 仪器与设备

MA200电子天平（上海良平仪器公司）；超声波清洗机（陕西普洛帝测定技术有限公司）；7820A气相色谱仪（美国Aglient）；eppendorf移液器（山东博科生物产业有限公司）；高速均质乳化机（上海生析超声仪器有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 样品前处理

将菜市场购买的新鲜叶类蔬菜放入高效氯氰菊酯的稀释液中（稀释后农药浓度4.0 mg/L）浸泡1 min，取出后自然晾干2 h。

1.3.2 单因素试验

称取等量经过高效氯氰菊酯稀释液浸泡晾干的蔬菜放入盛有2 L自来水的超声波清洗机中，分别在超声功率30，60，90和120 W，清洗粉添加量0.5，1.0，1.5和2.0 g，超声时间1，3，5和7 min的条件下进行清洗，以0 W时清水浸泡相同的时间为空白对照。清洗完成后取出，混匀，自然晾干，剪切成小段。

1.3.3 样品中高效氯氰菊酯含量的测定方法

随机取20 g（精确到0.01 g）清洗后的蔬菜置于50 mL离心管，加入20 mL乙腈，高速匀浆，加入5 g氯化钠，在3 000 r/min条件下离心5 min，取10 mL上清液，待净化，整个净化过程参照GB 23200.8—2016《食品安全国家标准 水果和蔬菜中500种农药及相关化学品残留的测定 气相色谱-质谱法》[24]，计算果蔬中高效氯氰菊酯含量。所有清洗过程均进行3次，取平均值。

1.3.4 农药清除率的计算

以农药浸泡过但未清洗的蔬菜中高效氯氰菊酯的含量为基数，按照式（1）进行计算。

1.3.5 响应面试验

在单因素试验基础上，利用Design-Expert 10.0软件进行响应面试验的设计，以蔬菜中高效氯氰菊酯的清除率为响应值，以超声功率（A）、超声时间（B）和清洗粉添加量（C）为响应因素，进行三因素三水平的响应面试验设计，中心试验重复3次，共计17个试验点，试验因素水平如表1所示。

表1 响应面分析法的因素与水平

2 结果与讨论

2.1 单因素变量试验结果

2.1.1 超声功率对蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果

图1为超声时间5 min、清洗粉添加量1.0 g时，超声功率对蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果，横坐标表示超声功率，纵坐标为高效氯氰菊酯清除率。超声波功率对蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果有显著性影响，在0~90 W的功率范围内，随着超声功率增加，其对高效氯氰菊酯的清除效果呈现增大趋势，但增加到一定程度后呈现小幅下降趋势，其中超声功率90 W时，高效氯氰菊酯的清除效果最好，达84.43%。

图1 超声功率对蔬菜中高效氯氰菊酯清除效果的影响

有研究表明[25-26]，超声功率在一定范围内，超声波的空化泡破灭半径会随着功率增加而增大，空化作用的效果显著，农药大分子从蔬菜表面剥离、脱落，从而提高对高效氯氰菊酯的清除效果，达到一定超声功率后，空化效应产生的空化气泡由于过度积累而无法在瞬间崩灭，进而形成一道屏障，造成整个系统内利用超声能的效率降低，农残的清除效果得不到进一步提升。综上，选择超声功率60，90和120 W进行响应面优化试验。

2.1.2 超声时间对蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果

图2描述超声功率90 W、清洗粉添加量1.0 g条件下，超声时间对蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果，横坐标为超声时间，纵坐标为高效氯氰菊酯的清除率。随着超声时间延长，其对蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果呈现增大趋势，而后持平。超声时间5 min时，清除效果最好，清除率达84.40%，继续超声清除效果无显著提高，可能是因为随着超声时间延长，液体中农药浓度越来越大，溶液黏系数增大，同时表面张力增加，超声波的空化作用不会进一步增强，对高效氯氰菊酯的清除效果也没有显著提升[27]。但是延长超声时间后发现蔬菜的叶面上出现轻微损伤，可能是时间延长后导致整个系统内能量过大，过大的能量穿透过叶子表面对细胞壁产生破壁作用，造成其表面损伤，因此，选择超声时间3，5和7 min进行响应面试验。

图2 超声时间对蔬菜中高效氯氰菊酯清除效果的影响

2.1.3 清洗粉添加量对蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果

图3为超声功率90 W、超声时间5 min时，清洗粉添加量对蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果，横坐标为清洗粉添加量，纵坐标为高效氯氰菊酯清除率。超声波协同清洗粉可以提高蔬菜中高效氯氰菊酯的清除率，且随着清洗粉含量的增加，其清除效果越来越好，但是清洗粉添加量大于1.5 g时，高效氯氰菊酯清除率并没有明显提高，可能是由于少量高效氯氰菊酯农药分子在加标浸泡过程中渗入蔬菜内部，在一定程度上无法将其完全清除，此外高浓度清洗粉的加入可能造成蔬菜表面清洗粉的残留量过高，存在一定安全隐患，因此，选择清洗粉添加量1.0，1.5和2.0 g进行响应面试验。

图3 清洗粉添加量对蔬菜中高效氯氰菊酯清除效果的影响

2.2 响应面试验结果

2.2.1 响应面试验设计结果与方差分析

表2 Box-Behnken试验设计与结果

利用Design-Expert 11软件的Box-Behnken设计，建立超声功率、超声时间和清洗粉添加量三因子回归模型方程式：高效氯氰菊酯的清除率Y=88.83+8.49A+3.50B+1.79C-4.73AB-0.200 0AC+2.83BC-16.01A2-3.63B2-7.92C2。

由表3可知，此模型的回归项极显著（p＜0.000 1），而失拟项不显著（p=0.104 1＞0.05），决定系数R2=0.994 3，说明蔬菜中高效氯氰菊酯的清除率与模型预测值有较高的一致性，且模型的校正系数Radj2=0.987 0，说明试验结果中有99.70%的结果是受到试验因素的影响，因此可用建立的模型对蔬菜中高效氯氰菊酯清除的工艺条件进行分析进而预测。对方差结果进行分析，这3个因素对清除效果影响的顺序依次为A（超声功率）＞B（超声时间）＞C（清洗粉添加量）。

表3 回归模型的方差分析

2.2.2 各因素的交互效应分析

图4为回归分析结果的响应面及其等高线图。响应面是响应值对各个试验因素固定的条件下，考虑两两因素的交互作用对试验结果的影响。由图4（a）可知，超声功率和超声时间的交互作用对其响应值的影响非常显著：超声时间一定时，随着超声功率延长，蔬菜中高效氯氰菊酯的清除率呈现先迅速增加而后下降的趋势，影响显著；超声功率一定时，超声时间对蔬菜中高效氯氰菊酯清除效果影响呈现缓慢上升而后缓慢下降趋势，影响不显著，只在中等超声功率的情况下存在响应。同理对图4（c）（e）进行分析，得出超声功率与清洗粉添加量交互作用不显著，这也与方差分析的结果相一致。由超声波的工艺优化试验得到预测的最佳工艺条件：超声功率99.80 W、超声时间4.60 min、清洗粉添加量1.53 g，预测清除率达88.99%，考虑到实际应用情况，将最佳工艺进行调整为超声功率100 W、超声时间5.0 min、清洗粉添加量1.53 g。以调整后的工艺条件进行蔬菜中高效氯氰菊酯清除效果的验证，得到其清除率为85.48%，相较于理论预测值88.99%，相对误差为3.94%，说明建立的模型能较好预测高效氯氰菊酯清除率，优化的工艺较可靠。

图4 各因素交互作用对蔬菜中高效氯氰菊酯清除率的影响

3 结论

试验以蔬菜为研究对象，对其加标后的残留的高效氯氰菊酯进行超声处理，以高效氯氰菊酯的清除率为衡量指标，在单因素基础上，选择超声功率、超声时间和清洗粉添加量进行响应面的优化和分析，经数据拟合，得到20 g蔬菜中浸泡4.0 mg/L质量浓度的高效氯氰菊酯超声清除的最佳工艺条件：超声功率100 W、超声时间5.0 min、清洗粉添加量1.53 g，此时高效氯氰菊酯清除率为85.48%。从验证试验的清除效果来看，该工艺条件下蔬菜中高效氯氰菊酯的残留量明显下降，可为家用、小型化的果蔬清洗机的发展提供最佳的清洗工艺，为健康厨电产品的研发提供技术参考。