粮食中主要农药残留的种类与检测前处理技术研究进展*

刘 玲 林永健

(中储粮江苏质检中心有限公司福建分公司 350002)

粮食作为膳食及基本营养的主要来源,是人类日常饮食中最为重要的一类食品,其全球年产量和消费量一直在不断增长,高品质的粮食对人类全面均衡的饮食至关重要。我国人口众多,粮食安全是保障国计民生的重要前提,也是相关研究的重点[1,2]。

农药指用于农业生产中各种药剂的统称,包括杀虫剂、杀螨剂、杀真菌剂、除草剂、增效剂和生长调节剂等[3]。为了最大限度地提高产量,减少粮食在运输和储存过程中的损失,现代农业使用了大量的农药[4]。然而在农业植物和环境中滥用农药,不仅破坏生态坏境,同时导致大量、高毒的农药及其降解产物在粮食等农产品中残留,使之融入食物链,对人类健康产生不利影响[5,6],如引起肌肉无力、内分泌紊乱、呼吸紊乱、瘫痪、癌症等[7]。稻谷和小麦经初加工,如脱壳、抛光等步骤后农药残留会得到较大程度的降低,近些年来,很少出现粮食中农药残留超标问题[8]。但农药残留管理仍然是至关重要的,为了避免农产品和食品中农药残留所造成的危害,许多国家和组织都规定了农药最大残留限量(Maximum Residue Limits,MRLs),并制订了相关的标准。我国也颁布了多项标准对食品中农药残留量进行了限定,其中GB 2763-2021《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》规定了564种农药在376种食品中10092项残留限量标准,全面覆盖了我国批准使用的农药品种和主要植物源性农产品[9]。

为了精准分析粮食中目标农药残留量,需要将样品中的农药残留最大限度地提取出来,并消除检测过程中的干扰物。因此开发高效分离和灵敏检测的分析方法具有十分重要的意义。近年来国内外学者在农药残留检测方法的开发方面进行了大量研究,本文综述了近年来粮食中农药残留检测技术发展现状,以期为相关研究提供一定参考。

1 粮食中主要农药残留的种类

1.1 有机氯类农药(Organochlorine pesticides)

有机氯农药是一类含有氯的有机杀虫剂,从20世纪50年代到70年代,有机氯农药在农业中被广泛使用[10]。一般分为两大类:一类是滴滴涕类,包括六六六及滴滴涕等;另一类是氯化甲撑萘类,包括艾氏剂、狄氏剂、七氯等,我国曾使用较多的是六六六及滴滴涕[11]。由于该类农药具有杀虫效力强、生产方法简便、价格低廉等优点,在防治害虫方面发挥了重大作用,并提高了农产品的产量和质量[12]。但有机氯农药的化学性质稳定,对微生物的降解有很强的抵抗力,因此在环境中降解十分缓慢,可以通过食物链进行富集,即食物链末端产生比原始浓度显著放大的浓度,一旦进入人体,会对人体健康构成严重威胁[13]。1983年我国开始禁止生产六六六和滴滴涕等有机氯农药[14]。

1.2 有机磷类农药(Organophosphorus pesticides)

有机磷类农药通常是五价磷酸酯,主要应用于农作物生长过程中杀虫、除菌、除草等。该类化合物是目前最有效的农药类别之一,在农业中也得到了广泛的应用[15]。有机磷农药包括对硫磷、马拉硫磷、甲基对硫磷、毒死蜱、二嗪农、敌敌畏、四氯磷、三氮磷、氧磷和甲基氮磷[16]。有机磷农药是为取代有机氯农药发展起来的,它比有机氯农药容易降解,对环境的污染相对较小[17]。有机磷类农药的药效高、化学性质不稳定、容易分解,因此不容易在生物体内累积。但是如果使用不恰当,受到有机磷化合物污染的水源与食品会对人体健康产生不利影响。有机磷化合物的主要急性毒性是抑制乙酰胆碱酯酶的活性,而乙酰胆碱酯酶是中枢神经系统正常运作所必需的[18]。因此导致乙酰胆碱的过度积累,从而引起神经毒性[19,20]。

1.3 氨基甲酸酯类农药(Carbamate pesticides)

氨基甲酸酯类农药是一类合成的、广普性的农药,在许多国家的农业生产中被广泛用作杀虫剂与除草剂[21]。该类农药在水中比较难溶解,容易溶解于有机试剂,在碱性和高温的条件下容易分解,在酸性条件下比较稳定[22]。氨基甲酸酯类农药杀虫效果明显,具有广泛的生物活性,与有机氯类农药和有机磷类农药相比,氨基甲酸酯在自然条件下的持久性相对较低,对虫害的根除效果较高,甲萘威、涕灭威和克百威等是代表性的氨基甲酸酯类农药[23]。氨基甲酸酯类农药也是胆碱酯酶抑制剂,其作用机制与有机磷农药相似[24]。

1.4 拟除虫菊酯类农药(Pyrethroid pesticides)

拟除虫菊酯类农药含有从菊花中提取的除虫菊酯,是天然农药进行改性后的合成化学物质,但经过化学修饰以增加持久性和毒性[25,26]。该类农药的杀虫范围广、高效、低残留,对蚊、蝇和蟑螂等一些害虫都有良好的毒杀效果,对哺乳动物的毒性低于有机磷类和氨基甲酸酯类化合物[27]。随着对哺乳动物具有严重神经毒性的有机磷农药被逐步淘汰,拟除虫菊酯类杀虫剂的使用在过去20年里增加。拟除虫菊酯的预期作用机制主要是通过钠通道过度激活导致害虫因麻痹而死[28]。

1.5 三嗪类农药(Triazine pesticides)

三嗪类化合物主要用来阻止农作物生长过程中的杂草生长,其功能主要是抑制植物的光合作用,因此该类农药化合物具有高效性[29]。三嗪类除草剂是一种选择性很强的除草剂,对农作物具有重要的保护作用,由于其具有特殊的化学结构,因此其化学性质比较稳定、残留时间长、水溶性强。该类农药在农田种植过程中被广泛使用,但同时也会给周边环境带来许多潜在的危害,如对土壤、农作物、水源等造成一定程度的污染[30]。三嗪类农药及其降解产物能够对人体的内分泌和生殖系统进行干扰或破坏,还可能导致人体产生癌症和一些先天性缺陷[31]。

2 粮食中农药残留检测前处理技术研究进展

随着色谱技术快速发展,农药残留分析仪器可以根据分析物的结构对其进行检测、鉴定和定量。尽管农药残留测定的分析仪器的灵敏度较高,但通常需要进行前处理,从粮食中提取和分离目标分析物,排除干扰物,前处理技术是农药残留分析过程中的关键环节,直接影响检测的效率和准确度。

在农药残留检测前处理中液-液萃取(Liquid-liquid extraction)、加速溶剂萃取(Accelerated solvent extraction)、固相萃取(Solid phase extraction)、固相微萃取(Solidphase microextraction)、基质固相分散萃取(Matrix solid phase dispersion extraction)、QuEChERS(Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe)、超临界流体萃取法(Supercritical fluid extraction)、凝胶渗透色谱(Gel permeation chromatography)等技术广泛应用。

2.1 液—液萃取

液—液萃取也称为溶剂萃取和分离,主要是根据化合物在特殊的不混溶液体中的相对溶解度来分离化合物。液—液萃取是最古老、最完善的农药提取方法之一,该方法可靠、适应性强,与大多数仪器兼容。液—液萃取使用了不同的提取溶剂,如己烷、乙腈和乙酸乙酯,乙酸乙酯是从食品基质中提取农药最常用的中极性溶剂之一[32]。液—液萃取的主要缺点为溶剂消耗量大,分析时间长,难以自动化,以及对极性化合物的萃取效果不佳。

Wang等[33]采用氯仿、二氯甲烷两种溶剂萃取,建立了糙米、玉米、小米和燕麦等谷物中7种新烟碱类杀虫剂残留的高效液相色谱分析方法。对于所有测试的农药,方法检出限为0.002 mg/kg～0.005 mg/kg,相关系数r2≥0.99,回收率为76%～123%。

2.2 加速溶剂萃取

加速溶剂萃取法是一种快速萃取法,该方法结合了高温、高压条件,以提高目标分析物的溶解度,从而实现从固体基质中快速有效地提取分析物[34]。该技术已用于食品、蔬菜、水果、鱼类等复杂基质中的农药提取。与其他传统样品前处理方法相比,该方法可以使萃取过程在较短时间内完成,且只需消耗少量的有机溶剂,萃取效率高,自动化程度高,选择性好,操作比较安全,对目标物回收率高,精密度高[35]。萃取压力和温度条件是加速溶剂萃取效率的主要影响因素。

Otake等[36]以加速溶剂萃取法分析糙米中邻苯二甲酸酯等4种农药,在130℃下进行加速溶剂萃取和水浸泡匀浆两种方法的对比,回收率分别为75%～88%和87%～109%,结果表明,加速溶剂萃取法与水浸均质法一样,可用于分析糙米中的4种农药。

2.3 固相萃取

固相萃取广泛应用于水果、蔬菜、粮食等农产品中农药残留的前处理,该方法主要用于净化待测物质,通过固相萃取柱中的固体吸附剂进行选择性吸附,以此分离待测物质与干扰物质。固相萃取因其简单、快速、处理量大且回收率高而成为最常用的方法[37]。固相萃取方法的优化,主要在吸附剂材料的选择和洗脱方案。实验室常用的吸附剂材料包括:中性氧化铝、硅酸镁、C18、PSA、硅胶等[38]。该方法样品中的悬浮物可能堵塞滤芯,而且吸附剂与样品之间的相互作用可能会降低回收率[39]。

Aguilera等[40]人建立了一种固相萃取法结合气相色谱技术对大米中三唑磷等22种农药进行了分析。该方法具有较高的精密度、灵敏度和选择性。16种多环芳烃检出限范围在2 ng/kg～60 ng/kg之间,相对标准偏差RSD均小于7.5%,回收率范围为88%～103%。

2.4 固相微萃取

固相微萃取是Arthur和Pawliszyn于1990年提出的一种简单的样品制备方法,该方法集成了采样、提取、浓缩和样品导入于一个步骤[41]。微量的固体吸附剂或液体聚合物以适当的形式暴露在样品中,将萃取相固定在熔融石英纤维或内涂层上,然后将目标分析化合物与基体进行分配,在达到平衡状态后,将纤维引入色谱系统等分析仪器中进行检测[42]。固相微萃取的优点在于自动化程度高,灵敏度高,不需要溶剂和样品预处理,从而最大限度地减少样品污染。其主要缺点为纤维间重复性差和测定精度差。该技术适用于相对易挥发的化合物。

Saraji等[43]合成了一种涂覆多孔碳纳米管——二氧化硅的高效固相微萃取纤维,并将其应用于有机磷农药的检测。结果表明,分析物在0.01 μg/L～3.0 μg/L范围内具有良好的线性关系,该方法成功应用于实际样品中有机磷农药的测定。

2.5 基质固相分散萃取

基质固相分散萃取法最早由Barker等在1989年提出,是一种基于固相萃取的简化方法,用研钵将样品和吸附剂进行均匀研磨,然后将获得的混合物转移到固相萃取柱,最后用适当的洗脱溶剂将目标化合物进行洗脱[44]。基质固相分散萃取的样品制备和进化在同一个步骤中进行,且无需稀释,吸附剂和溶剂消耗量大幅降低,减少了成本和分析时间,萃取效率得到提高,该方法主要的不足是缺乏自动化。

Tsochatzis等[45]采用优化的基质固相分散方法,以中性氧化铝为溶剂,乙腈为洗脱溶剂,并结合高效液相色谱——二极管阵列检测系统对稻谷中8种农药进行分析。结果表明,线性回归系数r2均大于0.9948。检出限LOD和定量限LOQ分别为0.002 mg/kg～0.200 mg/kg和0.006 mg/kg～0.600 mg/kg,8种农药的回收率范围为74%～127%,相对标准偏差RSD低于12%。

2.6 QuEChERS

QuEChERS法是在食品农药残留分析中最受欢迎的前处理技术之一。由Anastassiades等在2003年提出[46]。该方法是为了从水果和蔬菜中提取农药残留而发展起来,由于其操作简单、成本低、效率相对较高、步骤少等优点,在不同的样品基质中分离农药方面迅速得到普及[37]。QuEChERS技术包括两个步骤:液—液萃取和分散固相萃取净化。该方法前处理的样品足够干净,并且省去或取代了传统方法中通常使用的许多复杂的分析步骤,采用手摇或涡旋提取均质样品,在不需要溶剂蒸发步骤的情况下获得提取物[47]。

Kolberg[48]等利用QuEChERS方法对小麦、白面粉和麸皮中24种农药进行前处理,并建立了液相色谱串联质谱法对目标农药进行分析。结果表明,小麦的线性范围为1.0 μg/L～100 μg/L,面粉和麸皮的线性范围为2.0 μg/L～200 μg/L,线性回归系数r2均大于0.99。大多数化合物的回收率为70%～120%,相对标准偏差RSD<20%。

2.7 超临界流体萃取法

超临界流体萃取法是一种物理萃取技术,它通过超临界流体作为萃取剂,使目标化合物组分从液体和固体中被分离出来[49]。二氧化碳是迄今为止从固体基质提取各种农药使用最多的超临界流体,先进的技术可以精确调节温度和压力的变化,从而控制超临界流体的溶解特性,这有助于萃取各种极性的天然产物[50]。该方法的主要优点是选择性强、耗时短、溶剂消耗少,且使用无毒,不易燃,廉价的流体。超临界流体萃取技术在测定粮食中的农药残留的限制因素主要是仪器的高成本。

2.8 凝胶渗透色谱

凝胶渗透色谱法作为提取后的净化方法,用来对不同物质进行分离和鉴别,在实验室植物油农药残留检测中应用比较广泛,样品经过多孔性凝胶时,其中的分子按照大小顺序,大的一般先被洗脱下来[51]。该方法操作简单,自动化程度高,适用范围广,可以使样品基质中的干扰物质如脂肪、色素等有效地除去,有效提高了分析的精度和准确性,同时可以延长色谱柱的寿命和仪器的使用寿命[52]。

3 讨论与展望

本文以国内外相关研究为参考,综述了粮食中主要农药残留的种类,以及前处理技术的相关应用。粮食中农药残留污染仍然是世界各地的重点关注问题。及时追踪新方法、新技术的研究进展,不断总结完善,探索更适用于粮食中农药残留的检测技术,对加强我国粮食安全的风险监控,保障行业高质量发展及消费者的身体健康,促进经济社会的可持续发展具有重要意义。

由于农药的高经济效应,新的农药也在不断开发,需要检测农药的种类也随之增加。同时分析粮食中的多种农药的方法建立,仍然是一项极具挑战性的任务,由于样品复杂的基质会造成干扰增加,以及农药的化学性质和极性不同,批量检测难度大。在未来,高效分离和灵敏检测的联用技术仍然是多残留农药分析的研究方向。高分离效率、低分析时间、高分辨率、低试剂消耗的检测技术将是未来研究重点。