臭氧技术对果蔬农残去除效果的研究进展

郭柏汝，谢云飞，于 航，姚卫蓉

（江南大学食品学院，江苏无锡 214122）

中国统计年鉴2019 中指出，我国人均果蔬消费总量达148.2 kg，已超过粮食类人均消费的127.2 kg，果蔬类食物成为第一大消费食物。而我国作为果蔬生产和消费大国，果蔬农药残留状况不容乐观。2018 年，中国食品药品检定研究院对蔬菜水果进行的监督抽查结果显示，在抽查的2077 批次16 类蔬菜中，检出不合格样品68 批次，菠菜、芹菜、普通白菜的不合格原因主要是毒死蜱超标，韭菜的不合格原因主要是腐霉利超标[1]；在抽查的1549 批次水果中，检出不合格样品39 批次，柑橘类水果的合格率偏低，不合格原因主要是丙溴磷、三唑磷等农药残留超标[2]。并且，农药残留超标也是影响我国农产品如茶叶、果蔬等出口至日本和欧盟等国的重要因素[3]。

臭氧分子是由三个氧原子构成，具有强氧化性，臭氧气体的稳定性高于臭氧溶液，臭氧在20 ℃的水中溶解度为12.07 mg/L，在水中能与水分子作用产生羟基自由基，同样具有很强的氧化性[4]。臭氧的氧化机理包括氧原子直接氧化和由臭氧分子自分解产生的羟基自由基驱动的间接氧化。直接氧化反应速率低于间接氧化反应速率；间接氧化反应能迅速发生链式反应[5]，其中，羟基自由基能改变有机农药分子结构，使农药分子中的苯环打开、双键和三键断裂，进而被分解，还可以氧化硝基、氨基、甲氧基等化学基团。臭氧通过断裂化学键和氧化功能基团两种方式彻底改变农药的分子结构，从而使农药的性质发生改变，以达到解除农药的毒性，降低农药残留含量的目的。农药在臭氧作用下的分解产物多为酸类、醇类或胺类等小分子化合物，且多为水溶性物质。并且臭氧在降解为氧气的过程中不会产生二次污染物[6]，因此，利用臭氧降解果蔬农残被认为是安全的有效的环保的处理技术[7]。

臭氧的利用方式按其形态不同可分为气态或液态，两种方式在去除果蔬农残方面的效率与原理存在细微差别，本篇综述将依据现有实验成果阐明应用臭氧气熏蒸法和臭氧水浸泡法对果蔬表面农药残留的去除效果，并分析影响作用效果的环境因素，如气相温度湿度、气泡大小、水温和pH。

1 气态臭氧对果蔬农药残留的降解效果

气态臭氧通过熏蒸与果蔬表面充分接触，最终达到去除果蔬表面农残的目的，实验室中常用的一种气态臭氧处理受农药污染果蔬的装置如图1 所示：

图1 实验室用气相臭氧处理系统[8]Fig.1 Ozone treatment system for gaseous phase used for laboratory purposes[8]

同时，其它几种在葡萄种植中常见的农药如环酰菌胺、嘧菌环胺、嘧霉胺、异菌脲和啶酰菌胺等常用于葡萄预防灰霉病等真菌类病害，然而它们对于臭氧作用的易感性不同，前三种农药经历臭氧作用后，含量均显著下降，而异菌脲和啶酰菌胺的变化不明显。图2 所示是三种处理方式对新鲜葡萄上环酰菌胺、嘧菌环胺和嘧霉胺的降解效果。

图2 葡萄中常见的三种农药在不同处理方法下的降解率Fig.2 Degradation rates of three common pesticides in grapes under different treatments注：方法A：0.3 μL/L 臭氧的空气中储藏新鲜葡萄36 d，数据来自参考文献[10]；方法B：用1000 μL/L 臭氧熏蒸新鲜葡萄1 h，数据来自参考文献[11]；方法C：用（900±12）μL/L 的臭氧气氛熏蒸新鲜葡萄2 h，数据来自参考文献[12]。

三个实验中环酰菌胺的降解率差别不大，另外两种受实验方案影响较大，并且这些短期作用的结果和葡萄长期储存实验中的结果呈现的趋势是一致的，说明臭氧熏蒸可以显著降低这三种农药的残留。

对于新鲜葡萄而言，臭氧在较短的时间内降低其农药残留的同时且不影响其感官品质十分必要。研究人员用2.0 和3.0 mg/L 臭氧气体处理1 h，探究葡萄果肉和果皮上百菌清的去除率和对葡萄品质的影响，该实验结果表明，两种浓度的臭氧处理结果在统计学上有显著差异，但浓度高的臭氧处理带来更高去除率的同时，也会显著影响葡萄的可滴定酸度、pH、可溶性固形物和色度，2.0 mg/L 的臭氧处理后则没有显著差异，所以该团队认为采用2.0 mg/L 的臭氧处理是较为合适的选择，同时还可以防止葡萄在储存过程中变酸，从而在较长期的储存中保存果实品质[13]。

臭氧气氛熏蒸法在其他基质上对农药残留的降解实验也呈现出良好的结果。实验内容和结果如表1所示。

表1 臭氧气氛熏蒸降解果蔬农药残留的效果Table 1 Effects of ozone gas on pesticide residues in fruits and vegetables degraded

综合来看，低浓度的臭氧气体可以降解一些臭氧敏感性的农药，且臭氧的浓度增加可以提高农药的降解率，但臭氧浓度不能过高，否则会有对果蔬品质造成影响的风险。需要注意的是，臭氧并不是对于所有农药都可以起到显著的降解作用，如啶酰菌胺和异菌脲，这两种农药在上述实验条件下均未产生显著的降解效果，这可能与农药的结构有关。

2 臭氧溶于水浸泡对果蔬农药残留的降解效果

利用臭氧水来去除果蔬农残的方式应用较广，市面上在售的臭氧果蔬清洗机为在家庭中使用臭氧水清洗果蔬提供了简便的方法，为了发明出效果更好的臭氧果蔬清洗装置，在实验室中对臭氧水降解农残的效果也进行了大量的研究，一般臭氧水处理果蔬表面农残的实验装置如图3 所示，表2 提供了一些文献中对臭氧水在果蔬基质上对某些农药的降解效果。

表2 臭氧水降解果蔬上农药残留的效果Table 2 Effects of ozone water on pesticide residues in fruits and vegetables degraded

图3 水相臭氧处理系统[11]Fig.3 Ozone treatment system for aqueous phase[11]

臭氧水浸泡对多种农药残留均有良好的去除效果。用浓度为0.4 mg/kg 臭氧水洗涤30 min 后，菠菜中毒死蜱、腈菌唑、戊唑醇、联苯菊酯、高效氯氟氰菊酯、高效氯氰菊酯、顺式氰戊菊酯、苯醚甲环唑、啶虫脒和吡虫啉的残留量分别降低了53%、72%、73%、62%、67%、65%、78%、68%、64%和63%，与自来水清洗相比，清除效果提升了三到四倍[28]。并且处理时间越长效果越好，例如臭氧氧化15 min 可使苹果上毒死蜱、氯氰菊酯、嘧菌酯、己唑醇、甲基对硫磷、百菌清六种农药残留降低26.91%~73.58%，臭氧氧化30 min 可使农药残留降低39.39%~95.14%[29]。

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3 气态臭氧处理与臭氧水处理效果的比较

基于对气态臭氧或臭氧水对于农药降解效果的单独研究，如何设计实验比较两种状态下臭氧降解同一基质上同种农药的降解效果成为需要探究的问题。对这个问题的解决，有利于找到臭氧利用效率最高，且去除农残效果最好的应用手段。针对这一问题，已经有一些研究团体从不同的角度出发，设计了对比实验来比较两种方式对于同一基质上同种农药的作用效果，其实验结果如表3 所示。第一个实验中没有对臭氧的浓度进行测量，只是用相同的臭氧发生器处理，但未指明臭氧气体作用时是否在封闭环境，容量是多少，实验较为简陋；第二个实验中没有控制臭氧气体熏蒸和臭氧水浸泡的浓度和时长相同，因此实验结果不具备可比较性；第三个实验中臭氧气体被证明比臭氧水对毒死蜱的快速降解更有效[31]。该实验中，用的是同一台臭氧发生器，向一定容量的封闭熏蒸室内释放臭氧60 min 或者向一定体积水中连续鼓泡60 min，再对熏蒸室内和水中的臭氧浓度进行检测，最后得出实验中的臭氧浓度数值。因此，虽然熏蒸室内和水中臭氧浓度不同，但也可以进行比较。这样利用同一台臭氧发生器工作相同的时间来控制臭氧气体和臭氧水浓度的实验方法，在之后以苹果为基质的实验中也有体现[32]。后来，又有学者做了更加严格的实验，采用相同浓度的气态臭氧和臭氧水，进而比较两者对农药残留的降解效果[14]，结果同样表明了臭氧气体处理可以达到更好的降解效果，这可能是因为臭氧气体形式的稳定性高于其溶解形式[33]。

表3 气态臭氧处理与臭氧水处理的效果比较Table 3 Comparison of the effects of gaseous ozone treatment and ozone water treatment

4 影响臭氧降解农药效果的环境因素

总结之前提到的实验，可以发现，臭氧降解农药的效果是与臭氧浓度和作用时长成正比的，在不考虑果蔬品质变化的情况下，臭氧浓度越高，作用时间越长，对于农药的降解效果是越好的，当到达一定时长后，继续增加时长对农药去除效果的提升作用不大。由于臭氧是在常温下极不稳定的气体，不论是在空气中还是在水中都会自发分解成氧气，同时在水中的分解速度要快于空气中的分解速度，而且水中的矿物质杂质会使臭氧分解加快，臭氧在pH 为5 且温度接近0 ℃纯水中比较稳定，而温度的升高和pH 的变化都会加速臭氧的分解反应，所以这些环境因素都会影响臭氧在降解果蔬农残时的作用效果[34]。影响臭氧降解农药效果的环境因素还有臭氧熏蒸时气相温度和湿度，臭氧向水中鼓泡时气泡的大小和水温，pH 等。

4.1 气相温度和湿度对臭氧降解农药效果的影响

气相温度对臭氧的浓度有很大影响，温度越高臭氧的衰减就越快，实验证明，在臭氧起始浓度相似的情况下，当温度为0.5 ℃时，40 min 内臭氧衰减了23.5%；提高温度到20 ℃，40 min 内臭氧的衰减率提高到75.8%，并且，在任何测试温度下，初始臭氧浓度越高则衰减量的绝对值就越大。臭氧在0 ℃下的降解速率较慢，而0 ℃也是有利于大部分果蔬保鲜的温度，在0 ℃下使用较低浓度的臭氧就可以达到较长时间的作用效果；而在室温下作用则适合选用较高浓度且短时间的臭氧作用[35]。

气相湿度也会影响臭氧浓度，一般来说，湿度越高，臭氧浓度越小，但杀菌效果越好。相关内容如表4所示。

表4 气相湿度与臭氧浓度和杀菌效果的关系Table 4 Relationship between gas phase humidity, ozone concentration and sterilization effect

用同一臭氧发生器工作相同的时间，仅控制实验空间的相对湿度不同，发现在相对湿度小于35%时，实验容器内臭氧浓度要显著高于相对湿度大于75%的时候。然而相对湿度小于35%时，臭氧对金黄色葡萄球菌的杀灭效果却不如相对湿度75%时[36]。在另一单因素实验中设置相对湿度为40%、60%和80%的实验组，发现随着相对湿度的增高，臭氧浓度是逐渐降低的，同时湿度越高杀灭白色葡萄球菌的效果越好[37]。在以浓度为60 mmol/L 的臭氧气体对含有杀螨硫磷和溴氰菊酯的小麦籽粒进行熏蒸时，水分活度高的小麦籽粒上残留的两种农药更少[38]，这个实验也可以侧面体现湿度对臭氧降解农药效果存在一定的积极影响。

最后，气体的温度和湿度对臭氧浓度的影响存在交叉作用[35]。起始臭氧浓度相似的情况下，在较低温度（0.5~1.0 ℃）下持续200 min 后再次测定臭氧浓度，相对湿度42%下臭氧的降解率为83%；相对湿度为84%的条件下臭氧降解率为85%，两者相比臭氧的降解率没有显著差异，而在温度升高到26 ℃后，相同时间内，相对湿度更高的实验组中臭氧残留量显著小于相对湿度低的实验组，这说明温度升高会显著提高相对湿度对臭氧分解速率的影响。

这些实验虽然不是直接研究了空气温度和相对湿度对臭氧降解农药残留效果的影响，但其实可以表明单一的臭氧浓度指标不足以说明臭氧的作用效果，在进行相关实验时，应该注意控制实验组中温度和湿度的相对一致。

4.2 影响臭氧水浸泡法去除农残效果的因素

4.2.1 臭氧水浓度 一般来说臭氧水浓度增大可以增大农药降解率。以1.4 mg/L 的臭氧水冲洗白菜表面15 min，除去了27%~34%的残留农药；而在2.0 mg/L 的臭氧水下冲洗可使农药去除效率提高到30%~54%[39]。若用3~4 mg/L 的臭氧水浸泡蔬菜15 min 可以使其表面的有机磷农药残留降低50%~60%，并且臭氧浓度越高，浸泡时间越长（超过15 min）并且在密闭容器中浸泡可以显著提高农药去除率，3 次超过15 min 的浸泡可基本上去除蔬菜表面的农药残留[40]，这些实验都可以说明臭氧水浓度越大农药的降解效率就越高。

但如果在臭氧水浓度已经很大且农药去除率很高的情况下，浓度的增加对去除率的贡献就会减弱。例如：用10 mg/L 臭氧水氧化5 min 后，吸附在柑橘类基质上的百菌清残留物全部被去除，三氯杀螨砜和毒死蜱去除率分别为98.6%和94.2%。此时如果继续增加臭氧水的浓度对农药的去除率影响不大，并且臭氧水温度的升高会降低农药的去除率[41]。

4.2.2 臭氧水状态 臭氧水在静态（臭氧水不流动）和动态（臭氧水循环流动）下对农药去除的效果也是不同的。一项探究臭氧水降解油麦菜上敌敌畏的实验结果显示，在30 min 内动态处理的效果明显优于静态处理，这可能是因为搅拌可以加速蔬菜表面的农药残留脱落，也可以使容器内臭氧水的浓度保持均匀和恒定，臭氧的渗透能力也得到增强，这种处理可以提高清除农药的效率，动态臭氧水处理效果优于静态臭氧水处理[42]。在哈密瓜基质上这一研究结论也得到了证实，其他条件不变，若采用动态臭氧水处理，则马拉硫磷、毒死蜱、高效氯氰菊酯和百菌清的降解率还会显著升高[43]。

4.2.3 农药残留量 研究人员还发现，果蔬表面残留的农药含量越高，相同条件下农药的降解率也越高。用浓度为5 mg/L 的臭氧处理番茄表面的腈菌唑时，15 min 内，添加量为2、6 和10 mg/L 的腈菌唑的最大降解率分别为92.31%、94.80%和98.32%[16]。另有实验表明，使用同样的臭氧水设备处理相同时间，番茄表面氟乐灵残留量为0.025 mg/kg 时，臭氧水处理后降解率为84.4%；而残留量为0.1 mg/kg 时，相同条件下的降解率达到92.7%[44]。

4.2.4 农药性质 臭氧去除农药的效果还与果蔬自身的表面性质和农药本身性质有关。同样在1.5 mg/L臭氧水浸泡30 min 情况下，白菜、番茄、菜花、菜豆和油菜上的同种农药降解率差异很大；同时同种基质上不同农药的降解率差异也很大。降解效果上表现为在叶菜类蔬菜上的优于在茄果类和豆类上；小分子农药优于大分子农药[45]；非内吸性农药优于内吸性农药[26]，而农药溶解度与降解效果直接的相关性并不十分显著[22]。

4.2.5 气泡大小对臭氧降解农药效果的影响 使用臭氧水降解农药时，臭氧发生器产生的气泡大小对其降解农药的效果也有显著影响。在番茄上的实验证明在相同浓度下，臭氧鼓泡清洗的效果要优于臭氧化水浸泡[22]。同时，臭氧气泡的大小决定了臭氧在反应器中的反应动力学。如图4 所示，与直径小于50 μm的臭氧微泡相比，直径大的臭氧气泡（2~3 mm）会在水中迅速上升并在水面破裂，而微泡可以在水面下停留更长的时间，有利于臭氧充分与水接触，增大臭氧的溶解度[46]，增加臭氧降解水中有机物的效率。理论上，若采用直径＜200 nm 的纳米气泡效果会更佳，但目前缺乏相关实验结果。

图4 普通气泡、微气泡和纳米气在水中的状态[41]Fig.4 The state of ordinary bubbles, micro bubbles and nano gas in water[41]

很多研究都证明了臭氧微泡水去除农残的效果优于非微泡水，例如采用连续鼓泡的臭氧微泡水处理柿叶15 min 可使其表面的杀螟硫磷残留降低56%，而一般臭氧水处理15 min 仅可使其降低25%[47]。同样的，臭氧微泡处理的草莓样品上的杀螟硫磷残留显著小于气泡处理的草莓样品[42]。最新的研究发现与使用自来水和次氯酸水相比，利用臭氧水和臭氧微泡水可以显著提高苹果上有机磷农药的去除效率，臭氧微泡水的去除效果最好[20]。

4.2.6 水温对臭氧降解农药效果的影响 水温影响臭氧在水中的溶解度，臭氧在20 ℃下的溶解度为12.07 mg/L，根据亨利定律，臭氧的溶解度随水温的升高而降低，然而臭氧的反应速率随水温的升高而升高。实验结果如表5 所示，在前三组实验中，较高温度的臭氧水浸泡效果好于温度较低的臭氧水浸泡效果。因为氧化反应与温度密切相关，温度升高有利于臭氧和水作用产生更多的羟基自由基，从而增强臭氧对农药的去除能力。然而在马水桔上的实验却是0 ℃时对四种有机磷农药的去除效果更好，原因推测是温度升高，使臭氧在水中不稳定、易分解，从而使参与反应的臭氧量下降。因此，要探寻臭氧水洗涤某种农药的最佳温度，需要设计实验使不同温度下臭氧水浓度在实验时长内保持稳定，否则会影响实验结论。第五组实验说明，即使处理条件相同，不同基质上表现出的降解效果变化趋势也是不一样的，这可能与蔬菜表皮的性质有关。

表5 不同水温下对臭氧降解农药效果Table 5 Effects of ozone degradation pesticides at different water temperatures

4.2.7 pH 对臭氧降解农药效果的影响 臭氧水降解农药的效率还与pH 有关，在臭氧对水中农残降解效果的研究结果中体现了不同农药有不同的最佳降解pH，例如碱性条件下的臭氧水对敌敌畏和马拉硫磷的降解效率最高，而在酸性条件下对氯氰菊酯的降解效率最高[51]；臭氧对溶液中代森锰锌的降解作用在pH 为7.0 时为最强，且降解率随pH 的升高而降低[52]；还有甲基对硫磷在pH>7.0 的臭氧水中的还原效果好于在pH 为3.0 的臭氧水中[53]。

在果蔬上的研究也体现了臭氧水降解效果在农药间的差异性。臭氧水对苹果上甲基嘧啶磷的最大降解发生在pH4.5 时，并且降解率随pH 升高而降低，并且差异显著[49]；而在研究不同pH 的臭氧水对马铃薯上百菌清的降解效果时，实验人员并没有发现不同pH（pH 为4.0、7.0 和9.0）对百菌清去除效果之间的显著差异（P>0.05）[54]。因此，pH 对于臭氧水降解农药的效果影响需要对应特定的农药进行研究，不能一概而论，这与农药本身的性质有关。

5 前景与展望

臭氧作为去除果蔬农残的高效方式，因其作用效果好，且本身可降解为无毒无害物质，不会对果蔬造成二次污染的优点，受到食品工业的青睐，总结之前的研究结论可以发现：臭氧气氛熏蒸法和臭氧水浸泡法均可以去除果蔬表面的农药残留，但需要控制臭氧气氛浓度在安全范围内并保证气体不外泄；臭氧水浸泡法更适合家庭中去除果蔬农残，操作简单，且有商业化的产品可以实现。虽然臭氧对不同农药降解的最佳条件不同，但可以寻找合适作用的条件以扩大适用范围，达到对大多数常见农药都有良好降解作用的目的。

未来，对于臭氧降解果蔬农残的研究应该要继续深入，对一些现有问题设计针对性的实验去探究：例如比较气相和臭氧水降解果蔬表面农药的时候，应该控制臭氧发生器的工作功率和时长相同，还是控制气体浓度和臭氧水的浓度相同，需要设计实验验证这两种实验方案哪一种更能反映真实情况，并探寻结果背后的原理；以及纳米泡（直径＜200 nm 的微小气泡）在臭氧清洗装置中的应用，探究对农药降解的效果。在未来，应用非热氧化技术对食品中有害物进行清除的研究会更加广泛，可以探究臭氧与紫外、超声、等离子等非热氧化技术联合对果蔬农残的降解效果及其对果蔬品质的影响，利用栅栏技术可以提高对农药降解的效率和作用范围。