臭氧去除果蔬中农药残留研究进展

李晓晗, 吴 舸, 张贤钊, 刘成成, 彭庆蓉, 赵占平, 刘丰茂*,

(1.中国农业大学 应用化学系 农药创新研究中心，北京 100193；2.无限极 (中国) 有限公司，广州 510663)

目前，我国果蔬的产量和销量位于世界前列，果蔬安全作为食品安全的重要组成部分也备受关注[1-2]。农药作为果蔬种植中必不可少的植保产品，保证了果蔬的产量和质量，但农药的不科学使用也带来了很多农药残留问题[3-4]。人体暴露在不适当的农药残留中，依农药的种类和剂量，可能会引起头痛、恶心、哮喘等健康问题[5]。我国水果、蔬菜上农药残留超标也时有报道[6]。为了减少农药残留的摄入风险，进一步保证食品安全，去除果蔬中农药残留的研究具有重要意义。

果蔬中农药残留的常用去除方法主要为传统水清洗和加工去除。其中传统水清洗主要包括“清水浸泡、清水冲洗、苏打水浸泡、盐水浸泡、淘米水浸泡、果蔬清洗剂浸泡”等方法[7-11]；加工去除根据烹饪方式分为蒸煮、去皮、油炸、炒制、榨汁等[12-16]。很多水果果皮中含有多种营养素[17]，不去皮食用仍然是大众消费习惯；此外，尽管烹饪加工是主流，但生食蔬菜也越来越受到消费者认可[18]。因此，开发去除果蔬中农药残留的方法，同时兼顾果蔬的营养品质，仍然是目前研究的热点之一。

随着科学技术的发展，一些新方法被引入到去除果蔬中农药残留的领域，如超声、电解水、光照辐射、电离辐射、臭氧等[19-23]，但新技术的应用也有一定的局限性，如：超声作为一种机械波，其高频的震动和冲击可能会造成果蔬表皮损伤，影响食品的口感和质量[24]；电解水技术中应用的含氯溶液会威胁水体安全[25]；而臭氧技术则可以避免以上问题。臭氧是一种能够氧化多种无机物和有机物的强氧化剂[26]，由于其应用后分解为氧气，故不会对环境产生二次污染[27]。目前，臭氧已被应用于废水消毒、果蔬保鲜、果蔬中微生物抑制、果蔬中农药残留去除等领域[28-32]。图1A 给出了2017 年至2021 年有关农药残留去除研究性文章的检索结果 (废水基质除外)，总计6197 篇文章，其中采用加工方式去除农药残留的研究占比高达40%，传统水清洗占比17%，包括“氯、辐射、高级氧化、臭氧、超声、电解水”在内的新型去除方式占比27%，其中臭氧清洗在所有去除方式中占比5%，仍有很大的开发空间。图1B 中显示，2020 年非废水中农药残留去除的文章发表数量比往年大幅增加，臭氧清洗文章数量在新技术研究中持中等水平，臭氧清洗研究受到持续关注。

图1 “去除农药残留 (非废水) ”论文归类示意图Fig.1 Schematic diagram of the paper categorization on "Removal of pesticide residues (non-wastewater)"

针对臭氧清洗去除果蔬中农药残留的研究，本文总结了去除过程的规律和机制，并对臭氧清洗技术的发展方向进行探讨，以期为臭氧技术在食品安全领域的研究和应用提供参考。

1 臭氧的产生和应用

1.1 臭氧的产生

臭氧是一种极不稳定的强氧化剂，易分解为氧气，因此在制备后需立即使用。当前常用的产生臭氧的方式有：电化学法[33]、紫外辐射法[34]和无声放电法[35]。

电化学法是利用电极电解含氧电解质来制备臭氧，其中，电极的材料和反应器是臭氧产生效率的关键部件[36]。目前已可用纯水作为电解质，在室温下制备臭氧，如Ni/Sb-SnO2作为膜电极一体化的阳电极可使产生臭氧的电流效率从4%提高到33%，可通过控制电压，将产生1 kg 臭氧的功耗从36 kWh 降至25 kWh[37-38]，减少了能耗和设备损耗。电化学法制备臭氧在水处理领域占据了重要地位。

紫外辐射法是利用波长低于200 nm 的短波紫外线，将气体中的氧分子重排为臭氧，其中由低压汞灯发射的185 nm 波长紫外线效果最佳[39]；另外，新型172 nm 氙灯可以克服185 nm 低压汞灯高温工作的缺点，在低温干燥空气中也可产生质量浓度高达5% 的臭氧，但紫外辐射法产率较低，制备时间较长，多用于气体环境中，以控制食品气味和环境杀菌[40]。

无声放电法是在高电压作用下将氧分子分解为氧原子，其中活跃的原子氧自由基与剩余的氧分子结合产生臭氧，空气或纯氧可直接作为制备臭氧的氧源，在干燥空气下产率约为1%～3%。无声放电法高效稳定的工作性能使其成为目前应用最广泛的臭氧产生法[36,41-42]。

1.2 臭氧浓度的测定

臭氧去除农药残留的能力除了与臭氧发生器产生臭氧的效率有关，还与水中臭氧的浓度有关，因此臭氧浓度的测定对臭氧研究非常重要。臭氧浓度的测定方法可分为化学分析法和仪器法，化学分析法依赖于臭氧与有机物在水体系中的化学反应所引起的显色变化，具有较高的检测精密度，并常用于实验室水溶液中臭氧浓度的检测；仪器法依赖于臭氧与化合物在气体体系中反应所导致的光强变化，操作简单，常用于现场检测气体环境中的臭氧浓度。

常用的化学分析法有“靛蓝二磺酸钠分光光度法”和“碘量法”[43]。靛蓝二磺酸钠分光光度法的原理是，靛蓝类化合物中碳碳双键的共轭发色体系与臭氧反应后被破坏导致褪色，其褪色程度与臭氧含量相关，通过测定靛蓝吸光度的变化值即可计算出臭氧含量，原理见反应式 (1)[44]。

碘量法是利用O3与I-发生氧化反应生成I2，利用硫代硫酸钠 (Na2S2O3) 标准溶液滴定，直至I2变为I-，完全褪色至反应终点为止，最后通过Na2S2O3的消耗量计算臭氧浓度，通过测定反应体系中I2吸光度的变化计算得到臭氧浓度，原理见反应式 (2) 和 (3)[45]。

以碘量法为基础衍生出了硼酸-碘化钾紫外分光光度法，该方法省略了Na2S2O3与I2的反应步骤，直接测定352 nm 处I2吸光度的变化计算臭氧浓度[46]；以碘量法为基础衍生出的方法还有碘化钾-N,N-二乙基对苯二胺法，该方法将碘量法中的Na2S2O3替换为N,N-二乙基对苯二胺，最终通过测定520 nm 处的红色反应产物吸光度的变化计算臭氧浓度，反应原理式 (4)[47]。

靛蓝二磺酸钠分光光度法通常用于低浓度臭氧气体检测，碘量法通常用于中高浓度臭氧气体检测[48]。

仪器法是商用臭氧检测仪器中常用的方法，包括化学发光法和紫外线吸收法[43]。化学发光法是利用臭氧与过量乙烯混合后瞬间产生的400 nm可见光光强与空气样品中臭氧浓度的正比关系，根据光强变化通过计算获得臭氧浓度，该方法具有检出限低、反应时间短的特点，是美国环境局选定的标准参考方法，许多商用臭氧检测仪也多采用该方法[49-50]。另外，有研究利用臭氧与一氧化氮瞬间反应产生特定波长光的原理，同样用光强变化来计算臭氧浓度，其原理如反应式 (5) 和 (6)所示[51]，在NO2激发态 (NO2*) 返回基态时发出光辐射。紫外线吸收法是以Lambert-Beer 定律为基础，利用臭氧对紫外光的吸收特性，通过光强变化来检测臭氧浓度，具有无毒、无腐蚀性和响应快的特点，是目前大气中臭氧浓度检测的主要方法[52]。

1.3 臭氧的应用形式

根据应用场景的不同，臭氧在食品领域通常以气体和水溶液两种形式发挥作用。此外，臭氧水溶液可与“超声、辐射、添加有机酸和微气泡”技术联用以提高应用效果。

1.3.1 气体形式 臭氧气体的研究重心在于果蔬保鲜，而其在去除果蔬中农药残留方面的研究较少。结果表明，一定浓度的臭氧环境可以抑制果蔬的呼吸作用，对果蔬样品具有显著的保鲜效果，可延长果实储存时间[31,53-54]。同时，Sintuya 等[55]发现干辣椒暴露在5.5 g/L 的臭氧气体环境中可以促进残留农药的去除，干辣椒上的马拉硫磷、毒死蜱、丙溴磷和乙硫磷4 种有机磷农药的半衰期分别从67、76、74 和121 d 缩短为17、27、34和18 min。Whangchai 等[56]用200 mg/L 臭氧气体处理含有毒死蜱的玉米幼粒60 min，发现其对毒死蜱的去除率为32%。农药残留的去除能力与臭氧浓度有关，Özen 等[57]发现2 mg/L 的臭氧气体对鲜椒中的马拉硫磷、甲氨基阿维菌素苯甲酸盐和啶虫脒残留没有明显的去除效果。

1.3.2 水溶液形式 在去除果蔬中农药残留时，常将臭氧与水清洗方式相结合，即臭氧与水混合得到具有氧化能力的臭氧水溶液。臭氧在碱性溶液中的氧化还原电位为2.07 eV，可氧化多种无机和有机物质[26]；臭氧在水中还可分解产生羟基自由基，其具有更高的氧化还原电位 (2.80 eV)，这意味着臭氧水溶液比臭氧气体拥有更强的氧化能力[58]。

臭氧水溶液的应用形式分为“静态臭氧水溶液”和“动态臭氧水溶液”。“静态臭氧水溶液”是指在清洗果蔬样品之前将臭氧与水在气液混合泵的辅助下进行混合；“动态臭氧水溶液”是指将臭氧在清洗果蔬样品过程中持续通入水中，边清洗边混合，这一过程通常伴随着水溶液不断的搅动。Rodrigues 等[59]对比了“静态臭氧水溶液”和“动态臭氧水溶液”对青椒上嘧菌酯、苯醚甲环唑和百菌清3 种杀菌剂的去除效果，发现两种形式的臭氧水溶液对3 种杀菌剂均表现出良好的去除效果，但是后者的去除率 (67%～87%) 比前者的(59%～80%) 更高。由于臭氧不稳定，而“动态臭氧水溶液”可维持水中臭氧含量和臭氧水的有效性[60]，因此其在果蔬清洗中的应用更广泛。

1.3.3 臭氧水溶液处理与其他技术联用 臭氧在水中的溶解度较低，因而限制了臭氧水溶液的氧化能力，进而影响其应用效果[26]。为了提高臭氧的利用率，最大限度地发挥臭氧在去除果蔬中农药残留上的作用，超声辅助、辐射辅助和有机酸辅助等技术已被应用到与臭氧水溶液的联用中，并发现联用技术可以有效提高农药残留去除效果。

1.3.3.1 超声辅助臭氧水溶液处理 超声技术在果蔬清洗中已被广泛使用[61]。Whangchai 等[62]利用超声辅助臭氧水溶液处理柑橘上的乙硫磷，处理60 min 后乙硫磷的去除率可达73%，果实的色泽、质量、总酸度等品质并未受到显著影响。有研究发现，单独使用臭氧水溶液去除生菜上的甲胺磷和敌敌畏，农药去除率分别为66%和55%，而加入超声辅助技术后，其去除效率分别提升至80%和68%[63]，这表明超声辅助技术提高了臭氧水溶液对果蔬中农药残留的去除效果。然而，目前将超声技术单独应用于去除果蔬中农药残留的研究报道较多，将超声与臭氧水溶液的联合应用的研究报道较少。

1.3.3.2 辐射辅助臭氧水溶液处理 辐射降解技术作为高级氧化技术之一，用一束加速电子照射或伽马射线照射促进各种污染物的分解，多被应用于去除天然水中污染物[64]。有研究利用伽马射线去除蔬菜中的二嗪磷、毒死蜱和磷胺农药残留，随着辐射强度从0.5 kGy 增加到1.0 kGy，3 种农药的去除率从30%～48%提高至80%～95%，表明辐射促进了果蔬中农药残留的去除[64]。Lin 等[65]对比了光辐射辅助臭氧水溶液和水冲洗两种方法去除茶叶中残留农药，发现联合清洗技术中氯氰菊酯的去除率提高至3.5 倍，马拉硫磷的去除率提高至1.16 倍，但敌敌畏的去除效果无显著提高。这表明辐射辅助臭氧水溶液去除农药残留的效果因农药种类而有所差异。目前，该联合技术在果蔬中农药残留去除方面的研究报道较少。

1.3.3.3 有机酸辅助臭氧水溶液处理 在传统的果蔬清洗方式中，通常用有机酸调节清洗环境至酸性，并将其作为一种能有效提高农药残留去除效果的手段。Rodrigues 等[59]分别用质量分数为0.15%和5% 的乙酸水溶液去除鲜椒中的多种农药残留，去除率分别在25%～53%和43%～67%之间，证明了有机酸具有去除农药残留的作用。Wang 等[66]联合乳酸和臭氧水溶液去除新鲜果蔬上的多种微生物，对果蔬进行消毒保鲜，保证了果蔬的品质。Pounraj 等[67]联合乳酸和臭氧水溶液清洗番茄、黄瓜等多种蔬菜，发现乳酸和臭氧水溶液联合处理对新鲜蔬菜上的大肠杆菌的去除效果优于乳酸和臭氧水溶液的单独处理，对比用水冲洗，联合处理对毒死蜱的去除率从12%～57%提高至26%～97%，对λ-氯氟氰菊酯的去除率也从30%～82%提升至62%～100%。乳酸-臭氧水溶液联合处理对果蔬中农药去除效果的提升，为其他有机酸对臭氧水溶液去除农药残留的辅助效果研究提供了重要的参考价值。

1.3.3.4 微气泡辅助与臭氧水溶液 微气泡是一类直径小于50 μm 的气泡，微小的尺寸导致其具有一些特殊的性质，比如负电性，微气泡在蒸馏水环境中表面带有负电荷，电位约为 -35 mV，而当环境pH 小于4.5 时，微气泡表面电荷转正[68]。Li 等[69]对比分析了臭氧水、微泡水和臭氧微泡水3 种方法对苹果上丁硫克百威和敌百虫的去除效果，发现两种农药的去除率分别为86%～88%、90%～91%和98%～100%。Ikeura 等[70]在去除柿叶上的杀螟硫磷时也发现，相同浓度下，用臭氧微泡水处理比仅用普通臭氧水处理，杀螟硫磷的去除率提高了36%，证明了微泡具有去除果蔬中农药残留的能力，并在联用技术中对臭氧水溶液去除农药残留起到辅助作用。联用技术中的微泡通常由高压水泵和曝气装置直接产生，此时的微气泡在没有外动态刺激下会发生“温和”坍塌。Takahashi 等[71-72]研究发现，水中微气泡在“温和”坍塌过程中可诱导水中所存在的微量有机物产生少量的烷基自由基，但数量极少不足以降解苯酚，而加入少量硝酸 (硫酸和盐酸也有同等效果)后，微气泡坍塌可产生羟基自由基，并在3 h 内降解30%苯酚，在比较臭氧大气泡和臭氧微气泡水环境的电子自旋共振 (ESR) 信号时发现，两种体系均可在20 s 左右产生羟基自由基，但产量均太低，无法对聚乙烯醇 (对羟基自由基敏感的化合物) 产生影响，说明微气泡在促进臭氧分解产生羟基自由基方面的作用不大。从微气泡辅助提高臭氧在水中溶解度的角度，Ikeura 等[73]研究发现，在臭氧大气泡和微气泡辅助下，水中臭氧的浓度分别为0.2 mg/L 和2 mg/L，表明微气泡有助于提高臭氧在水中的溶解度，同时用其处理樱桃番茄，其对杀螟硫磷的去除率分别为31%和48%。此外，目前已有研究表明，在有外动态刺激时 (如超声引起的声空化和流体压差引起的水动力空化)，微气泡坍塌更加剧烈导致绝热压缩，引发气泡内部温度的急剧上升，导致气泡内部水蒸气和气体 (包括空气) 分解产生以羟基自由基为主要成分的多种自由基[74-77]。因此，微气泡可以通过提高水中的臭氧浓度来辅助去除农药残留，羟基自由基并不是果蔬中农药残留去除的主要原因。

2 臭氧处理去除果蔬中农药残留的应用

2.1 应用效果

目前有许多利用臭氧处理去除果蔬中农药残留的研究 (表1)。与传统的清洗方式对比，臭氧处理去除果蔬中农药残留的效率更高。Liu 等[78]利用臭氧发生器向水溶液中注入臭氧气体30 min 至水溶液中臭氧质量浓度达到1.4 mg/L，随即用其对鲜切白菜进行5 min 的冲洗，发现鲜切白菜上5 种农药残留 (毒死蜱、敌百虫、灭多威、敌敌畏和乐果) 的去除率达到28%～38%，显著优于清水冲洗的去除率 (2%～15%)。Swami 等[79]利用臭氧水清洗葡萄和青椒上嘧菌酯、百菌清等6 种农药残留，农药去除率达到49%～97%，远远优于清水清洗。此外，Rodrigues 等[59]对比分析了臭氧水溶液清洗和常规家用的清洗方式 (蒸馏水和洗涤剂、醋酸、碳酸氢钠以及次氯酸钠溶液) 对甜椒上嘧菌酯、苯醚甲环唑和百菌清残留的去除效果，发现臭氧水溶液清洗效果最佳，家用清洗方式中用5%碳酸氢钠和1%次氯酸钠溶液的清洗效果与臭氧水效果接近，但是两种家用清洗方式均造成青椒的质量、颜色、维生素C 的含量发生显著变化。Lozowicka 等[80]对比分析了具有相同消毒作用的臭氧水和氯水对农药残留的去除效果，发现臭氧水对农药的去除率多达50%以上，氯水的去除效果较弱。此外，氯水处理可能会产生有害的副产品，如三卤甲烷和卤乙酸等，对人类和环境安全产生不利影响[81]，而臭氧水处理则弥补了这一不足，其最终的降解产物为氧气，对环境更安全绿色。

表1 臭氧处理去除果蔬中农药残留Table 1 Ozone treatment to remove the pesticide residues in fruits and vegetables

续表1Table 1 (Continued)

2.2 影响农药残留去除效果的因素

2.2.1 清洗条件

2.2.1.1 清洗时长 清洗时长是清洗过程中最易控的清洗条件之一，也是影响臭氧清洗效率的因素之一。Swami 等[82]发现，臭氧水溶液清洗时长从15 min 延长至30 min 后，苹果上6 种农药残留的去除效率均有所提高，其中，毒死蜱残留的去除率提高了26%。臭氧水溶液从基质上去除农药残留的过程是农药在基质和水之间的动态交换过程，去除的终点是交换过程无限趋近于动态平衡的时刻，此时也是达到最佳去除效果的时间。

2.2.1.2 臭氧浓度 水中的臭氧浓度越高，臭氧水溶液的氧化能力越强，对有机污染物的降解作用越强，进而提高去除效率。Ikeura 等[83]分别利用1.6 mg/L 和1.3 mg/L 的臭氧水溶液去除生菜中的杀螟硫磷，发现两种质量浓度处理下杀螟硫磷的去除率分别为56%和45%。Rodrigues 等[84]对比分析了0.7 mg/L 和0.08 mg/L 的臭氧水溶液去除番茄中农药残留的效果，发现高浓度臭氧水溶液对嘧菌酯和苯醚甲环唑的去除率分别为70% 和77%，而低浓度下去除率分别为57%和63%，高浓度的臭氧水溶液表现出更强的农药残留去除效果。

2.2.1.3 处理温度 温度变化会改变农药在基质和水之间的传质效率以及臭氧水环境的浓度[85]，最终影响农药去除效率。温度升高促进分子的运动速率，进而可提高传质速率[86]，导致农药去除效率提高，但温度升高会降低臭氧在水中的浓度，进而降低臭氧去除农药残留的效果。因而温度变化对于臭氧水去除不同农药残留的效果可能会出现不同的趋势。Wu 等[87]研究了不同温度下的同浓度臭氧水对蔬菜中二嗪磷、甲基对硫磷、对硫磷和氯氰菊酯的去除效果，发现24 ℃下去除率达到48%～61%，远高于14 ℃时的20%～44%；Kusvuran等[86]单独采用清水对农药残留去除率进行了研究，利用清水去除柠檬、橙子和葡萄柚中的乙基毒死蜱、三氯杀螨砜和百菌清，发现随着温度从10 ℃升至40 ℃，3 种水果中乙基毒死蜱和三氯杀螨砜的去除率均有所提高。但由于以相同速率向水中输送臭氧的情况下，温度的升高会降低臭氧在水中的溶解度[88]，这降低了臭氧水溶液中臭氧的浓度，不利于残留农药的去除。De Souza 等[22]研究就发现在4～24 ℃不同温度下，臭氧水溶液和臭氧气体对胡萝卜上苯醚甲环唑的去除效率没有显著影响。

2.2.2 农药性质 农药性质是影响臭氧水溶液去除农药残留的重要因素，臭氧水溶液清洗涉及到“臭氧和水”两种条件。因此容易被氧化或水解的农药更容易被去除[89]。农药分子中的碳碳双键更易被臭氧破坏，Wang 等[90]采用臭氧水溶液去除油菜中的马拉硫磷和丁硫克百威，发现马拉硫磷(53%) 比丁硫克百威 (33%) 的去除率更高，这一结果与马拉硫磷具有3 个碳碳双键，而丁硫克百威只有1 个的化学结构特征相符。此外，在臭氧水溶液中，水环境的pH 值对农药的水解效率影响较大，如甲基对硫磷、敌敌畏和甲胺磷在碱性环境下的水解速率大于在酸性环境下的水解速率[91]，Wu 等[92]将其用0.4 mg/L 的臭氧水溶液处理金桔、菠菜和黄瓜3 种果蔬30 min 后，发现拟除虫菊酯类农药以44%～61%的去除率高于24%的有机磷农药，这可能与拟除虫菊酯在碱性环境中不稳定的性质相关。

农药的水溶性也是影响其去除率的重要因素。Lozowicka 等[93]利用臭氧水溶液清洗草莓上的16 种农药残留30 min，发现在高水溶性农药，如啶虫脒 (Sw=2950 mg/L) 和抗蚜威 (Sw=3100 mg/L)，分别以63% 和60% 的去除率高于氟醚唑 (Sw=156.6 mg/L) 和肟菌酯 (Sw=0.61 mg/L) 等低水溶性的农药。此外，基质表皮对农药的捕捉和滞留作用会阻碍农药的去除，而高辛醇水分配系数 (Kow)的农药由于具有较低的极性，更易被基质表皮上的蜡质层捕捉，导致高Kow的农药去除效果较差[94]。

农药的内吸性也对农药残留去除率产生影响，通常非内吸性农药更易被去除。Swami 等[79]研究发现，在臭氧水的处理下，水溶性低的百菌清比水溶性高的农药获得了更高的去除率，该结果与水溶性对农药去除率的影响规律相反，推测是百菌清的非内吸性起到了关键作用，非内吸性农药不易被果蔬表皮吸收，而更倾向于残留在果蔬表面，因此更易被清洗去除。Rodrigues 等[95]研究表明，无论是内吸性农药还是非内吸性农药，都会在一定程度上通过果皮渗入到果实内部，不过最终的清洗效果仍显示非内吸性农药有更高的去除率。Heleno 等[96]也证实，在着药过程中仍有少量的百菌清 (13%～18%) 渗透进葡萄果肉中，在臭氧气体处理下，百菌清可达到60%以上的去除率。Yang 等[97]证实，内吸性农药噻菌灵在苹果皮中的渗透深度是非内吸性农药亚胺硫磷的4 倍，渗透进果肉中的农药由于与臭氧水的接触受限，因而更难被去除。尽管臭氧可以通过果皮渗透到果蔬内部，但清除农药残留的作用非常有限，甚至在到达果蔬内部之前就已经失去活性[66,96]，因此臭氧水主要对吸附在果皮表面的农药产生去除作用，对于渗透进果皮的农药作用不大。

2.2.3 基质形态 果蔬形态会影响农药残留的去除效率。Swami 等[79]对比分析了臭氧水溶液对葡萄和青椒上的嘧菌酯、百菌清等6 种农药残留的去除率以及臭氧水溶液中6 种农药的降解率，发现处理30 min后，臭氧水溶液中6 种农药的降解率超过90%，但果蔬上6 种农药的去除率仅在49%～97%之间，远不如臭氧水溶液对农药的直接降解效果，这表明了臭氧水溶液对农药的降解效果受到基质的限制，果蔬对农药降解效率的影响因其类型甚至特定类型内的物种而异[98]。

基质的不同可能导致同种农药获得不同的去除效果。果皮对农药扩散至基质内部的行为起到了关键作用，Kusvuran 等[86]利用臭氧水去除柠檬、橙子和葡萄柚上的百菌清残留，3 种水果上百菌清的去除率分别为98%、100%和47%；对比全果和果肉中的农药残留量发现，通过果皮扩散到葡萄柚果肉中的百菌清占全果的56%，而其他两种果肉中百菌清的含量在12%以下，果皮对农药的扩散率与臭氧对农药的去除率成反比。Li 等[99]利用臭氧水溶液去除芹菜、小油菜和豇豆上的5 种农药，去除率分别达到57%～94%, 59%～86% 和28%～65%，根据扫描电镜观察，豇豆表面的气孔密度高于其他两种农药，这可能是引起豇豆上农药残留去除率低的原因，农药通过气孔更易进入基质内部，进而导致农药残留的去除率偏低。

3 臭氧处理去除果蔬中农药残留的机理

从是否破坏农药分子结构方面考虑，臭氧水溶液去除果蔬中农药残留的作用途径可分为物理去除和化学去除。物理去除是指使用臭氧水溶液将农药从果蔬表面洗脱并转移至水中，以达到去除目的；化学去除是指臭氧水通过降解清洗环境中的农药分子来达到去除目的。研究中可通过测定果蔬中农药残留的初始含量、清洗后果蔬中的农药含量、清洗后水溶液中的农药含量，来计算清洗过程中的物理去除量 (清洗后水溶液中所测定的农药含量) 和化学去除量 (果蔬中农药残留初始含量减去清洗后果蔬中的农药含量，再减去清洗后水溶液中农药含量)。

3.1 物理去除

臭氧因对废水中的污染物具有氧化降解的作用，目前已被广泛用于废水中污染物的去除，并取得良好的效果，但臭氧对果蔬中农药残留的去除作用并不完全来源于其对农药的氧化降解作用，还源于农药从果蔬上的“脱离”。Rodrigues等[84]对使用臭氧水溶液清洗前后的基质和水溶液中的农药残留量进行测定发现，百菌清在臭氧处理后番茄上的残留率为10%，水中的百菌清含量为75%，而未被检测到的15%被认定为降解量。可见，物理洗脱是去除果蔬中农药残留的主要途径。

物理去除的本质是农药从果蔬表面“脱离”下来，此过程需要克服果蔬表皮对农药的“吸引力”，这些吸引力来自于表皮化合物与农药分子的分子间相互作用。Li 等[69]选取了5 个萜类物质和3 个丙烯酸长链烷基酯 (LCA) 化合物作为苹果表面有机物的代表分子，利用计算化学的方法对分子体系的能量、氢键活性位点和亲脂性进行分析，发现萜类化合物由于具有较多的羟基而具有较多的氢键活性位点，更有利于果蔬表面的分子与农药分子形成氢键，而LCA 化合物虽然没有氢键活性位点，但具有很强的亲脂性，有助于果蔬表面的分子与农药分子之间形成范德华力。从对农药分子的计算结果可以看出，敌百虫具有更多的氢键活性位点 (图2，红色部分)，这意味着敌百虫与萜类化合物能之间的氢键能量更大，而丁硫克百威的亲脂性位点更多 (图2，绿色部分)，则丁硫克百威与LCA 化合物之间的范德华力更强。因此，虽然敌百虫和丁硫克百威的氢键活性位点相差较大，但是敌百虫与丁硫克百威在自来水清洗处理下的去除率相近，分别为77%和88%。

图2 农药分子的活性位点及亲脂性[69]Fig.2 Active sites on pesticide molecules and the lipophilicity of pesticide molecular system[69]

臭氧水溶液的“物理去除”途径是通过破坏农药分子与果蔬表面有机分子之间的相互作用，将农药从果蔬中去除，这些相互作用主要由“氢键、范德华力”等分子间弱相互作用提供，也包括π-π等共轭作用。Rodrigues 等[84]利用清水清洗番茄，发现有23%嘧菌酯、41%百菌清和18%苯醚甲环唑转移到了水中，而利用臭氧水溶液清洗后，转移到水中的农药量分别提高至57%、69% 和60%，可见臭氧的加入提高了“物理去除”途径的去除率。

3.2 化学去除

“化学去除”途径源于水和臭氧对农药分子结构的协同破坏作用。

农药在水中的降解过程一直备受关注，该降解过程包含光解、水解和微生物降解多种降解途径[100]。阿维菌素及甲氨基阿维菌素苯甲酸盐作为光不稳定农药，在高压汞灯光照下可被完全降解，而在太阳光光照下则并不能完全降解，其在水、土及作物表面的光解产物也已被确认，降解产物的化学结构及相对分子质量 (MW) 见图式1[101]。

图式1 阿维菌素及甲氨基阿维菌素苯甲酸盐光解产物分子结构[101]Scheme 1 Structure of photolysis products of abamectin and emamectin benzoate[101]

光活性高的化合物在光照作用下会被降解为更小的有机分子。刘媛发现，甲基对硫磷的水解速率随着环境pH 值的升高而增加，且降解途径不同。在强碱性环境中，甲基对硫磷中的磷原子被OH-进攻，对硝基苯氧基被置换下来；而在中性和酸性条件下，H2O 进攻甲氧基上的碳原子导致C－O 键断裂，甲氧基被置换了下来，得到水解产物O-甲基-O-(4-硝基苯基)硫代磷酸酯[91]。果蔬清洗过程中农药通常暴露在有光照下的水环境中，已有研究发现，清洗菠菜时，在光和碱性环境中不稳定的拟除虫菊酯类农药可以获得更高的去除率[98]。可见，水作为臭氧清洗的重要部分，在降解农药方面发挥巨大作用。

臭氧也可利用自身的氧化能力降解农药分子。有研究表明，有机分子中的双键结构易受到臭氧攻击，并且臭氧在水中产生的单原子氧、羟基和羟基自由基能非常有效地分解有机分子，通过破坏分子中的强极性键，可将大分子有机物降解为酸、醇、胺和氧化物等小分子化合物[78,89,102-103]。Maldonado 等[104]利用20.8 g/m3O3的恒定速率，向50 L 水溶液中不断注入臭氧，之后通过测定污染物母体含量、总有机碳 (TOC) 含量、无机分子(Cl-，NH4+，NO3-，PO43-)，证明甲胺磷、莠去津、毒虫畏、敌草隆和异丙隆5 种农药虽然在270 min后就被完全降解，但1000 min 后，仅有26%的TOC 被去除，表明农药被臭氧降解为小分子有机物后仍有大部分留在水中，对比理论产生无机分子的含量与实际检测到的无机分子的含量发现，Cl、N 和P 3 种元素在无机分子中的含量分别达到理论值的74%、10% 和14%，这表明农药中的Cl 比N 和P 更易被臭氧降解为无机小分子。由于降解速率的限制，农药有机分子不会在短时间内全部降解为无机分子，因此臭氧作用下产生的有机副产物的物化性质和毒性引起许多学者的关注。Pierpoint 等[105]用臭氧气体处理土壤中氟乐灵，并用同位素示踪的方法追踪氟乐灵降解物的最终去向，发现虽然土壤中氟乐灵成分在30 min后降低了80%以上，但仍可追踪到70%以上的同位素标记物，这表明约30%的氟乐灵成分以挥发的形式去除，而剩余部分被臭氧降解并留在土壤中。此外，检测到氟乐灵的氧化副产物——丙基被氧化后生成的2,6-二硝基-N-丙基-N-乙酰-4-(三氟甲基)苯甲胺，氟乐灵失去一个丙基形成的2,6-二硝基-N-丙基-4-(三氟甲基)苯甲胺和失去两个丙基形成的2,6-二硝基-4-(三氟甲基)苯胺。随着处理时间增加，这些氧化副产物的易挥发性导致土壤中的同位素标记量逐渐降低。

毒性方面，Zheng等[106]对不同pH 值环境中臭氧处理的废水进行傅里叶变换红外 (FT-IR) 光谱分析，发现酸性环境下臭氧处理可以去除农药废水中的芳香族杂环化合物，碱性环境下臭氧处理可以去除高毒性的卤杂环和烯烃，与原废水相比，臭氧处理水中大型溞的存活率 (48 h) 显著提高，表明臭氧显著降低了农药废水的生物毒性。Masten等[107]利用大鼠肝脏上皮细胞系对马拉硫磷、DDT及其氧化物的非遗传毒性进行研究，发现马拉硫磷及其氧化副产物马拉氧磷对大鼠肝脏细胞间的通讯传递没有抑制作用，而DDT 的氧化产物则会抑制细胞间通讯的传递，但抑制作用低于DDT 母体。Tsuda 等[108]利用鳉鱼测定了二嗪磷、马拉硫磷、杀螟硫磷、苯硫磷及其各自氧化物的水生生物急性毒性，其氧化物由农药分子结构中的P＝S(硫磷键) 被氧化为P＝O (氧磷键) 而来，发现除了杀螟硫磷，其他3 种农药被氧化为副产物之后，48 h 半致死浓度 (LC50) 分别从4.4 mg/L 降至0.22 mg/L (二嗪磷)，1.8 mg/L 降至0.28 mg/L (马拉硫磷)，0.58 mg/L 降至0.16 mg/L (苯硫磷)，4 种农药的生物富集因子分别从49 降至0.5 (二嗪磷)，11 降至1.1 (马拉硫磷)，122 降至2.3 (杀螟硫磷)，1124 降至11 (苯硫磷)，虽然这些有机磷农药的氧化产物毒性增大，但是生物富集因子大幅下降，导致其对水生生物的危害作用小于母体。因此，对臭氧降解物的毒性研究应从环境毒性、生物毒性、生物富集能力等多方面进行评估。目前对于臭氧降解产物的研究集中在废水处理中，对果蔬清洗中的农药降解研究较少，废水中臭氧降解物的研究对果蔬中农药残留的臭氧降解产物研究具有重要参考价值。

4 臭氧处理对果蔬品质的影响

由于臭氧具有强氧化性，利用臭氧水处理果蔬可能对果蔬产生氧化胁迫作用，甚至破坏果蔬表面形态，引起营养品质的损失。因此，研究臭氧处理果蔬不仅要关注农药残留去除效率，还需考察臭氧处理对果蔬外观和营养品质的影响。

4.1 外观品质

Wang 等[109]采用实验者对樱桃番茄气味打分的方法发现，采用6.85 mg/L 的臭氧气体处理樱桃番茄4 h 后导致其气味改变，显著降低了其品质，而用1.71 mg/L 的臭氧处理则对气味没有显著影响。Selma 等[110]同样采用评分方法发现，用5000 mg/L 和20 000 mg/L 的臭氧气体处理，并不影响鲜切哈密瓜的气味。可见，臭氧对果蔬气味的影响程度，取决于臭氧浓度和果蔬种类。用臭氧水处理果蔬时，对果蔬气味影响评价研究较少，多是对果蔬的质量、颜色和质地进行评价。质量的变化多由水分流失引起，果蔬的蒸腾和呼吸作用均会引起质量损失，而一定浓度的臭氧则可以通过关闭果蔬表皮气孔来减少蒸腾和呼吸作用，进而起到延缓果蔬质量损失的作用，因此，臭氧处理在一定程度上可以延长果蔬储存期[111]。王宏等[112]研究了臭氧水溶液处理对生菜品质的影响，发现臭氧水清洗降低了生菜的呼吸速率，从而减少了果蔬的质量损失。果蔬的颜色外观通常由总色差值和色度参数判定，这两个参数可由果蔬的3 种色差值 (L*-黑白、a*-红绿、b*-黄蓝) 计算得到。Ikeura 等[70]通过总色差值测定，发现臭氧微泡水处理对生菜和樱桃番茄的颜色未产生显著影响。Rodrigues 等[84]发现，虽然0.08 mg/L 和0.7 mg/L 的臭氧气泡水对番茄的总色差值均没有显著影响，但其却显著提高了番茄的色度，这一变化可能由果蔬表皮灰尘被清洗导致。果蔬质地通常由果蔬的“机械强度”表示，其具体判定指标因果蔬种类不同而各异，如：瓜果类质地通常由“硬度”表示，而叶菜类质地通常由菜叶的“拉力强度”表示。Rodoni 等[113]在短时间内用臭氧气体(10 μL/L，10 min) 处理番茄发现，番茄的硬度并没有显著变化，Ali 等[31]利用不同浓度的臭氧长时间熏蒸木瓜 (96 h)，熏蒸结束后立即测定其硬度，发现不同浓度处理组的木瓜硬度均有所提高。可见，虽然果蔬气味受到臭氧浓度的影响，但影响程度因果蔬种类而异，而臭氧处理对果蔬的质量、颜色和质地通常不产生显著影响，甚至会起到减缓损失的作用。

4.2 营养品质

营养品质代表了果蔬的膳食价值，奠定了果蔬的膳食地位。臭氧处理影响果蔬营养品质的研究通常涉及“可溶性固形物、可滴定酸度、多酚物质或抗坏血酸”等指标，不同研究涉及的指标并不相同。Rodrigues 等[84]利用0.08 mg/L 和0.7 mg/L的臭氧气泡水浸泡番茄30 min，对储存了1、5、9、13 d 的番茄中可溶性固形物和可滴定酸度进行检测，发现与未处理组相比，两种臭氧浓度处理均未对番茄中可溶性固形物含量产生显著影响，但高浓度臭氧处理组的可滴定酸度显著高于未处理组；Heleno 等[114]利用0.3、0.6 和0.8 mg/L 的臭氧气体熏蒸草莓，在4 ℃条件下储存3、7、10 d后进行检测，发现经过臭氧处理的草莓，可溶性固形物和可滴定酸度的损失受到显著抑制，抑制效果受到臭氧浓度和储藏时间的显著影响。Swami等[79,82]检测臭氧水处理后苹果中的3,4-二羟基苯甲酸、丁香酸等11 种多酚物质，发现处理15 min时有4 种多酚物质含量减少，30 min 时有8 种多酚物质含量减少，青椒的多酚含量变化情况与苹果相似，但葡萄中多酚物质在臭氧水处理后均呈增多趋势，表明不同果蔬中多酚物质对臭氧水清洗的氧化应激反应能力不同。对于抗坏血酸 (VC)，吴双桃等[115]发现，具有还原性的VC可与臭氧接触发生降解，持续通臭氧30 min 可造成蔬菜中的VC损失，损失程度排序为：芥兰 ＞ 油菜 ＞ 青椒 ＞黄瓜，叶菜由于具有更大的比表面积，与臭氧接触面积较大，进而VC流失率大于瓜果类蔬菜，同时发现，采用缩短清洗时间、在清洗体系中加入少量食醋以及降低水温等手段可以有效减少VC的损失。VC对温度也有很强的依赖性，在高温下易被抗坏血酸氧化酶催化降解形成脱氢抗坏血酸，并进一步降解[116]。因此，可以通过控制臭氧水处理时的温度、时长以及加入食醋等条件有效减少VC损失。

4.3 储存品质

对于家庭清洗果蔬，通常只需考察臭氧处理后果蔬品质的即时变化，但对于市场果蔬来讲，除了控制果蔬中的农药残留量，还需保证运输和贮藏过程种果蔬品质的稳定，即：果蔬的储存品质。Liu 等[78]将鲜切蔬菜在臭氧水中分别处理1、5、10 min，发现处理1 min 蔬菜中的总酚含量有所升高，5 min 和10 min 的处理条件均导致总酚含量比清水组略有下降，但是储存4 d 后，3 种臭氧水处理的蔬菜中的总酚含量均高于清水组。这表明经过臭氧处理后的果蔬中的多酚更“耐储存”。Rodoni 等[113]在短时间内用臭氧气体 (10 μL/L，10 min) 处理番茄，并检测在20 ℃条件下储存6 d 和9 d 后果实的损伤，发现随着时间的增加，未处理组的损伤率越来越高于臭氧处理组的损伤率，并且臭氧处理后番茄中的总酚含量在0 d 和6 d 时均显著高于未处理组。Ali[31]利用不同浓度臭氧气体 (1.5、2.5、3.5、5.0 mg/L) 熏蒸木瓜96 h，并在2、4、6、8、10、12、14 d 对木瓜的重量、硬度、可溶性固形物、可滴定酸度、抗坏血酸、β-胡萝卜素和番茄红素等品质参数进行测定，发现4 种质量浓度的臭氧处理均有效减缓了硬度、可溶性固形物、抗坏血酸、β-胡萝卜素及番茄红素的损失，但对其质量和可滴定酸度没有显著影响。以上研究表明，臭氧处理可以有效减缓储存期间果蔬品质的变化，有利于保证储存期间果蔬的品质。

5 总结与展望

对比传统清洗方式，臭氧清洗技术具有更高效地去除果蔬中农药残留的效果，且比其他新兴清洗技术更加绿色环保，保证了果蔬品质，应用前景广阔。但臭氧由于在水中的溶解度低，水中易分解等特性，其应用仍受到一定限制，而其与“超声辅助、辐射辅助、微泡辅助”等技术联用可以从不同角度弥补臭氧在食品安全领域应用的不足。

从农药去除效率的角度来看，臭氧清洗去除农药残留的效率受到农药性质、清洗条件和基质形态的综合影响，并且由于不同果蔬中的农药去除效率存在差异，因此仍需探究针对不同果蔬使用臭氧清洗的最佳条件。从果蔬品质的角度来看，臭氧清洗可以保护果蔬的外观品质并延长储存时间，但不同果蔬种类的生化系统对臭氧刺激会产生不同的应激反应，导致有些果蔬中的部分功能性成分产生损失，比如：维生素C、多酚物质等，因此控制臭氧清洗条件对降低这些成分的损失尤为重要。综上，研究臭氧清洗条件需要根据果蔬种类进行调整，以便在去除农药残留和保证果蔬品质之间取得良好的平衡。

从农药去除机制的研究来看，农药残留的去除效果依赖“物理去除”和“化学去除”两种途径，稳定性差的农药多通过化学方式去除，而其他农药多通过物理方式去除，而目前对臭氧水溶液去除果蔬中农药残留的研究中，缺乏对臭氧清洗产生的农药降解产物的物化性质和生物毒性研究。因此，为了推动臭氧在食品安全中的应用，应进一步开展农药去除机制方面的研究。结合当前科技发展，可将计算化学模拟、生物毒理试验等技术作为辅助研究手段，为臭氧清洗技术研究提供科学参考。