高鐵酸鉀聯(lián)合表面活性劑去除紫甘藍(lán)、生菜中農(nóng)藥殘留的條件優(yōu)化

1、高鐵酸鉀聯(lián)合表面活性劑去除紫甘藍(lán)、生菜中農(nóng)藥殘留的條件優(yōu)化鮮切蔬菜是當(dāng)前我國(guó)居民消費(fèi)升級(jí)的新趨勢(shì)，到2023年預(yù)計(jì)將達(dá)到317.1億元市場(chǎng)規(guī)模，但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的鮮切蔬菜已經(jīng)占據(jù)蔬菜市場(chǎng)60%以上份額相比，我國(guó)仍處于成長(zhǎng)期階段1，未建立全面的蔬菜保鮮、殺菌、農(nóng)殘去除等加工技術(shù)參數(shù)。我國(guó)是農(nóng)藥生產(chǎn)和使用大國(guó)，蔬菜農(nóng)殘超標(biāo)問(wèn)題仍時(shí)有發(fā)生2，鮮切蔬菜農(nóng)殘必將是主要監(jiān)測(cè)對(duì)象。我國(guó)農(nóng)藥用量年均約337萬(wàn)t，殺蟲(chóng)劑占比較大，其中用量較多的是有機(jī)磷類(lèi)(如毒死蜱、樂(lè)果)和氨基甲酸酯類(lèi)(如丁硫克百威)，它們毒性相對(duì)較高，市售蔬菜農(nóng)殘超標(biāo)率為8.43%和3.37%；此外還有擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)(如聯(lián)苯菊酯)，具有高效低毒

2、的優(yōu)勢(shì)，但易產(chǎn)生害蟲(chóng)抗藥性，其蔬菜農(nóng)殘超標(biāo)率為1.31%3。葉菜因葉片柔軟易招蟲(chóng)而要比根莖類(lèi)菜的農(nóng)藥殘留多，甘藍(lán)的農(nóng)藥殘留主要因“灌心”施藥所致。蔬菜的農(nóng)藥殘留會(huì)在人體內(nèi)積累富集而引發(fā)各種慢性疾病，并嚴(yán)重影響我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品聲譽(yù)和出口效益，清洗加工常用于果蔬農(nóng)殘的去除4-7。高鐵酸鉀(K2FeO4)的中心原子Fe以六價(jià)存在，極易溶于水而具有強(qiáng)氧化性8，同時(shí)兼具優(yōu)異的殺菌和消毒效果，被用于菠菜、小白菜等蔬菜的田間農(nóng)殘去除9，是一種新型高效多功能的綠色農(nóng)藥除殘?jiān)噭?，無(wú)二次污染，但K2FeO4應(yīng)用于鮮切蔬菜清洗加工去除農(nóng)殘的研究報(bào)道較少。椰子油脂肪酸二乙醇酰胺(coconut oil fatty acid

3、 diethanolamide，CDEA)是一種廣泛應(yīng)用的非離子表面活性劑，酰胺鍵的存在使其具有較強(qiáng)的耐水解性能，與其他非離子表面活性劑不同，沒(méi)有濁點(diǎn)。CDEA具有較強(qiáng)滲透去污力，能加強(qiáng)各類(lèi)液體洗滌劑的清潔效果10-11。表面活性劑復(fù)配往往會(huì)產(chǎn)生協(xié)同增效作用12，但其與K2FeO4等氧化物協(xié)同的農(nóng)殘去除效果還未有研究。本研究以鮮切蔬菜中常見(jiàn)的紫甘藍(lán)和生菜為研究對(duì)象，過(guò)量使用毒死蜱、樂(lè)果、丁硫克百威、聯(lián)苯菊酯等農(nóng)藥浸泡，優(yōu)化高鐵酸鉀溶液的清洗條件，聯(lián)合添加表面活性劑以提高蔬菜上農(nóng)藥殘留的去除效果，解決牢固吸附在葉表面的農(nóng)殘清洗問(wèn)題，為鮮切蔬菜質(zhì)量安全保障提供參考數(shù)據(jù)。1 材料與方法1.1 實(shí)驗(yàn)原

4、料及試劑新鮮紫甘藍(lán)(BrassicaoleraceaL.，十字花科蕓薹屬)、新鮮生菜(LactucasativaL.var.ramosaHort.，菊科萵苣屬)，產(chǎn)自江蘇，采摘后04 冷鏈保鮮技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途約2 h運(yùn)輸至上海某超市。農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品：毒死蜱(chlorpyrifos,PubChem CID:2730)、樂(lè)果(dimethoate,PubChem CID:3082)、丁硫克百威(carbosulfan,PubChem CID:41384)、聯(lián)苯菊酯(bifenthrin,PubChem CID:6442842)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。模擬農(nóng)殘的使用試劑：樂(lè)果(乳油48%)、毒死蜱(乳

5、油48%)，天津華宇農(nóng)藥有限公司；聯(lián)苯菊酯(乳油5%)，常州曄康化學(xué)制品有限公司；丁硫克百威(乳油20%)，蘇州富美實(shí)植物保護(hù)劑有限公司；K2FeO4(98.5%)，鄭州智遠(yuǎn)化工產(chǎn)品有限公司；CDEA(98%)，上海源葉生物科技有限公司。分析純?cè)噭罕?、石油醚、環(huán)己烷、異辛烷、乙腈、無(wú)水Na2SO4、NaCl等，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。準(zhǔn)確移取農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)溶液，丙酮稀釋成0.20、0.50、1.00、1.50、2.00、5.00 g/mL 的標(biāo)準(zhǔn)使用液系列。分析純活性炭用3 mol/L鹽酸浸泡過(guò)夜，抽濾，用水洗至中性，在120 下烘干備用。1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備GC-2022氣相色譜儀、GCM

6、S-QP2022氣相色譜質(zhì)譜儀，島津；NISSEI ACE粉碎機(jī)，日本精機(jī)；JJ-2組織搗碎機(jī)，常州蒙特；Thermo電動(dòng)振蕩器，賽默飛；RE-501旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，科興儀器；HHWO-50 L恒溫水浴鍋，瑞德儀器；5425臺(tái)式離心機(jī)(4 000 r/min以上)，德國(guó)Eppendorf；GL-16高速臺(tái)式離心機(jī)(16 000 r/min以上)，常州諾基；MX-S旋渦式振蕩器，美國(guó)Scilogex。1.3 蔬菜模擬農(nóng)殘污染及清洗配制混合農(nóng)藥溶液：毒死蜱(2 mL/L)、樂(lè)果(1 mL/L)、丁硫克百威(1 mL/L)、聯(lián)苯菊酯(2 mL/L)。蔬菜簡(jiǎn)單清洗去除臟物，切掉根，將葉片逐片剝離浸泡至混合

7、農(nóng)藥溶液，5 min左右取出，清水沖洗0.5 min，瀝干，通風(fēng)處晾置至蔬菜葉片表面干爽。蔬菜的農(nóng)藥殘留濃度為農(nóng)藥最大殘留限量的10倍以上，若殘留濃度不夠，則反復(fù)進(jìn)行上述程序。把染毒后的菜葉放入配制好的CDEA、K2FeO4溶液(現(xiàn)配)，選擇不同濃度、溫度和時(shí)間的清洗條件。瀝干后，通風(fēng)處晾置至蔬菜葉片表面干爽。1.4 樣品農(nóng)藥檢測(cè)前處理抽取蔬菜樣品，切去蔬菜切口部分，混勻放入粉碎機(jī)中搗碎。準(zhǔn)確稱(chēng)取25.0 g試樣置于勻漿機(jī)中，加入50.0 mL乙腈，高速勻漿2 min，用濾紙過(guò)濾，用裝有57 g NaCl的100 mL的具塞量筒收集濾液4050 mL，蓋上蓋子，劇烈振蕩1 min，靜置30 m

8、in，使乙腈與水分層。從具塞量筒中吸取10.00 mL乙腈溶液，放入150 mL燒杯中，將燒杯置于80 水浴鍋加熱，蒸發(fā)近干，加入2.0 mL丙酮，備用。將備用液完全轉(zhuǎn)移至15 mL的離心管，用3 mL丙酮分3次沖洗燒杯，轉(zhuǎn)移至離心管，定容至5.0 mL，用漩渦混合器混勻，0.2 m濾膜過(guò)濾，分別移入2個(gè)自動(dòng)進(jìn)樣器樣品瓶中，供色譜GC測(cè)定。1.5 GC檢測(cè)條件進(jìn)樣口溫度240 ，檢測(cè)器溫度280 ，進(jìn)樣量1.00 mL，柱流量4.13 mL/min，總流量100 mL/min，毛細(xì)管柱：DB-17(30 m0.32 mm0.25 m)，進(jìn)樣：不分流進(jìn)樣。升溫程序：起始溫度50 ，20 /min

9、速度升至120 ，再以10 /min速率升至180 ，保持4 min，然后10 /min升至270 ，保持8 min。載氣為N2，純度99.999%，流速2 mL/min；燃?xì)鉃镠2，純度99.999%，流速75 mL/min；助燃?xì)鉃榭諝?。根?jù)樣品溶液峰面積與標(biāo)準(zhǔn)溶液峰面積比較定量。1.6 農(nóng)藥殘留計(jì)算試樣中被測(cè)農(nóng)藥殘留量以質(zhì)量分?jǐn)?shù)w計(jì)，單位以mg/kg表示，按公式(1)計(jì)算。(1)式中：，標(biāo)準(zhǔn)溶液中農(nóng)藥的質(zhì)量濃度，mg/L；A，樣品溶液中被測(cè)農(nóng)藥的峰面積；As，農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)溶液中被測(cè)農(nóng)藥的峰面積；V1，提取溶劑總體積，mL；V2，吸取出用于檢測(cè)的提取溶液的體積，mL；V3，樣品溶液定容體積，m

10、L；m，試樣的質(zhì)量，g。1.7 K2FeO4去除蔬菜農(nóng)殘的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)在預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇清洗溫度、時(shí)間、K2FeO4濃度3個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，考察K2FeO4對(duì)模擬污染的紫甘藍(lán)、生菜中農(nóng)殘去除的作用，確定各因素的優(yōu)化區(qū)間。進(jìn)而選取3因素3水平，以農(nóng)殘去除率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)13，因素編碼及水平見(jiàn)表1。表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and their coded levels used in response surface analysis用Excel 2022和Design-Expert 12軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性回

11、歸和方差分析，模擬因素的顯著性均通過(guò)P值考察(P0.05)，結(jié)果以農(nóng)殘去除率(%)表示。1.8 K2FeO4聯(lián)合CDEA去除蔬菜農(nóng)殘?jiān)谏鲜鲰憫?yīng)面實(shí)驗(yàn)確定的K2FeO4去除蔬菜農(nóng)殘最優(yōu)化清洗條件下，添加2.0%、4.0%、6.0%、8.0%、10.0%、12.0%的CDEA，檢測(cè)不同配比復(fù)合清洗劑對(duì)紫甘藍(lán)和生菜中4種農(nóng)藥殘留的去除，采用Excel、DPS2000進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。2 結(jié)果與分析2.1 蔬菜浸毒處理前后農(nóng)藥含量市售紫甘藍(lán)和生菜中各檢測(cè)農(nóng)藥含量均小于最大殘留限量，經(jīng)農(nóng)藥混合液浸毒處理后，農(nóng)殘測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。參考有報(bào)道的我國(guó)市售生菜農(nóng)藥超標(biāo)率為10.8%14，紫甘藍(lán)、生菜等蔬菜農(nóng)藥超標(biāo)

12、情況，一般為限值的1060倍，本實(shí)驗(yàn)蔬菜浸毒后農(nóng)殘量較合理。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)藥的利用率僅在20%左右，大量的農(nóng)藥殘留在土壤中，作物生長(zhǎng)會(huì)對(duì)這部分農(nóng)藥進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)移和富集，如生菜和小白菜根部能富集大量毒死蜱并且不再向外釋放15。這部分農(nóng)藥存留在蔬菜內(nèi)部，不同于農(nóng)藥田間葉面噴灑，不易通過(guò)清洗去除。另有部分農(nóng)藥分子與富含羥基的纖維素和木質(zhì)素的葉表面形成氫鍵16，較難去除。本研究采用蔬菜農(nóng)藥浸泡后清水沖洗0.5 min處理，去除了浮于表層的農(nóng)藥，主要探討蔬菜表面吸附農(nóng)藥的去除。表2 蔬菜農(nóng)藥含量(浸毒處理前后) 單位：mg/kgTable 2 The vegetables pesticide r

13、esidues (before and after poisoned)2.2 響應(yīng)面模型的建立與分析K2FeO4溶液去除紫甘藍(lán)、生菜中毒死蜱、樂(lè)果、丁硫克百威、聯(lián)苯菊酯農(nóng)殘的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表3，對(duì)應(yīng)的擬合多元二次回歸方程和方差分析如表4、表5所示。表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 The experimental design and results for response surface analysis表4 K2FeO4溶液清洗對(duì)紫甘藍(lán)、生菜農(nóng)殘去除率的回歸方程(代碼值)Table 4 Final equation in terms of coded factors fo

14、r removal rate of pesticide residues from purple cabbage and lettuce by K2FeO4表5 K2FeO4溶液清洗紫甘藍(lán)、生菜農(nóng)殘去除率的回歸模型方差分析結(jié)果Table 5 Regression model analysis of variance results for removal rate of pesticide residues from purple cabbage and lettuce by K2FeO4續(xù)表5注：*，有差異 (P0.05)；*，差異顯著(P0.01)；*，差異極顯著 (P0.001)由表5可

15、知，各模型P0.000 1，響應(yīng)回歸模型極顯著；失擬項(xiàng)P0.05，差異不顯著，說(shuō)明方程對(duì)實(shí)驗(yàn)的擬合情況較好，實(shí)驗(yàn)誤差??；校正系數(shù)R2和修正系數(shù)表明各模型較好地反映了各因素的關(guān)系。除了A、B、C項(xiàng)外，AB、BC、AC項(xiàng)對(duì)農(nóng)殘去除率也均有顯著影響。各回歸方程(表4)一次項(xiàng)的回歸系數(shù)絕對(duì)值大小依次為A、C、B，表明清洗溫度對(duì)農(nóng)殘去除的影響最大，其次是K2FeO4溶液濃度，最后是清洗時(shí)間。根據(jù)上述回歸方程及方差分析得雙因子效應(yīng)分析圖，兩因素之間的影響均呈先增后減的拋物線(xiàn)型關(guān)系，存在交互關(guān)系，且均有一個(gè)極大值點(diǎn)，以去除率較高的生菜中毒死蜱、樂(lè)果、丁硫克百威農(nóng)殘清洗為例，見(jiàn)圖1。a-清洗溫度和K2FeO4

16、濃度(毒死蜱)；b-清洗時(shí)間和K2FeO4濃度(毒死蜱)；c-清洗溫度和時(shí)間(毒死蜱)；e-清洗溫度和 K2FeO4濃度(樂(lè)果)；f-清洗時(shí)間和K2FeO4濃度(樂(lè)果)；g-清洗溫度和時(shí)間(樂(lè)果)；h-清洗溫度和K2FeO4濃度(丁硫克百威)； i-清洗時(shí)間和K2FeO4濃度(丁硫克百威)；j-清洗溫度和時(shí)間(丁硫克百威)圖1 兩因素交互作用影響生菜中毒死蜱、樂(lè)果、丁硫克百威農(nóng)殘去除率的響應(yīng)曲面Fig.1 Response surface plots showing the effects of pair wise interaction of the factor on removal ra

17、te of chlorpyrifos, dimethoate and carbosulfan pesticide residue from lettuce求解回歸方程可得，K2FeO4去除蔬菜農(nóng)殘的最優(yōu)條件為：清洗溫度28 、清洗時(shí)間為1516 min、K2FeO4質(zhì)量濃度為0.60.7 g/L，在此條件下，不同農(nóng)殘?jiān)谧细仕{(lán)和生菜中去除率的預(yù)測(cè)值為39.55%73.72%，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)值為40.09%72.59%，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間的相對(duì)誤差為0.33%2.43%(表6)，預(yù)測(cè)條件與實(shí)際較相符，采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的清洗參數(shù)準(zhǔn)確可靠，按此模型進(jìn)行預(yù)測(cè)在實(shí)踐中可行。從研究結(jié)果分析，對(duì)于紫甘藍(lán)來(lái)說(shuō)，農(nóng)

18、藥去除率為：毒死蜱樂(lè)果丁硫克百威聯(lián)苯菊酯(P0.05)，去除率值分別為60.02%、54.82%、50.95%和40.09%；對(duì)于生菜來(lái)說(shuō)，毒死蜱、樂(lè)果、丁硫克百威均有較好的去除效果，去除率達(dá)72.09%73.52%(P0.05)，但聯(lián)苯菊酯的去除率僅為50.74%，低于其他幾種農(nóng)藥(P0.05)(表6)。表6 K2FeO4溶液清洗去除紫甘藍(lán)、生菜農(nóng)殘的最優(yōu)化Table 6 The optimization results for removing pesticide residues from purple cabbage and lettuce by K2FeO42.3 K2FeO4聯(lián)合C

19、DEA去除紫甘藍(lán)、生菜中農(nóng)藥殘留效果CDEA是一種非離子表面活性劑，常應(yīng)用于果蔬清洗劑，預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，100 g/L CDEA對(duì)紫甘藍(lán)和生菜中4種農(nóng)殘的去除率為19%34%，與清水的農(nóng)殘去除率9%17%相比，具有一定的滲透去污功能。為提高紫甘藍(lán)的農(nóng)殘去除率，并針對(duì)聯(lián)苯菊酯等農(nóng)藥的脂溶性，在0.6 g/L的K2FeO4溶液添加不同濃度CDEA，28 條件下清洗15 min，結(jié)果如圖2所示。添加20 g/L CDEA可顯著提高蔬菜中毒死蜱、樂(lè)果、丁硫克百威農(nóng)殘的去除率，紫甘藍(lán)中上述3種農(nóng)殘去除率從原來(lái)50%60%分別提高到77.35%、73.56%、70.12%(圖2-a)，生菜中則從原來(lái)72%

20、左右分別提高到82.34%、78.11%、79.58%(圖2-b)，之后隨著CDEA濃度增加，農(nóng)殘去除率增加趨于平緩。在4080 g/L CDEA質(zhì)量濃度下，紫甘藍(lán)和生菜中聯(lián)苯菊酯去除率為65.24%70.57%和71.43%74.48%，較未添加時(shí)有顯著提高(P0.05)，并隨CDEA濃度增加農(nóng)殘去除率繼續(xù)略有提高，但過(guò)高濃度CDEA會(huì)因黏稠而影響后續(xù)清水漂洗效率。以上述K2FeO4聯(lián)合CDEA去除紫甘藍(lán)、生菜中農(nóng)藥殘留，蔬菜質(zhì)構(gòu)未受顯著影響，主要是清洗時(shí)間較短且清洗液濃度較低，未對(duì)蔬菜組織造成損傷。a-紫甘藍(lán)；b-生菜圖2 K2FeO4聯(lián)合CDEA去除紫甘藍(lán)、 生菜中農(nóng)藥殘留Fig.2 R

21、emoval of pesticide residues in purple cabbage and lettuce by K2FeO4combined with CDEA3 討論劉紅玉等17研究顯示，采用田間菠菜葉面噴施0.6 g/L的K2FeO4后21 d采摘可使菠菜中敵敵畏、毒死蜱和樂(lè)果的降解率達(dá)到72.43%、87.15%和75.45%，對(duì)蔬菜品質(zhì)指標(biāo)沒(méi)有明顯影響。陽(yáng)如春18報(bào)道，在0.010.08 g/L敵敵畏水溶液中加入0.8 g/L的K2FeO4反應(yīng)15 min可使敵敵畏含量降低到510-5g/L。郭盈岑等19報(bào)道0.5 g/L K2FeO4溶液對(duì)甘蔗中模擬特丁磷、樂(lè)果殘留的降解

22、率可達(dá)到100%和90.7%，常溫下反應(yīng)時(shí)間分別為10和30 min。本研究結(jié)果表明，0.60.7 g/L的K2FeO4溶液用于蔬菜農(nóng)殘的清洗去除也有較好效果。已有研究表明，K2FeO4溶于水分解將產(chǎn)生強(qiáng)氧化性，堿液中0.1 g/L K2FeO4隨溫度升高而迅速降解，16 下1 h后K2FeO4殘存40%，而40 下15 min內(nèi)K2FeO4分解完全20，溫度對(duì)其分解有明顯影響，這與本實(shí)驗(yàn)中清洗溫度對(duì)蔬菜農(nóng)殘去除有影響的結(jié)果一致。由結(jié)果可知，同樣條件下紫甘藍(lán)的各農(nóng)藥殘留去除率均低于生菜，這可能因蔬菜本身的不同特性導(dǎo)致的。甘藍(lán)類(lèi)蔬菜表皮的臘質(zhì)層比葉菜類(lèi)厚，田間噴灑農(nóng)藥時(shí)藥液呈小珠狀，不能濕潤(rùn)植株

23、葉面而流失，但浸泡時(shí)較厚的葉面脂質(zhì)層反而可以吸附脂溶性農(nóng)藥，農(nóng)殘較難去除。值得注意的是，與其他研究相比，本實(shí)驗(yàn)因蔬菜浸毒后清水沖洗0.5 min的前處理已去除部分浮于蔬菜表面的農(nóng)藥，上述去除率數(shù)據(jù)表明了較難去除的那部分吸附農(nóng)殘的去除效果。已有研究顯示，在甘藍(lán)中毒死蜱和樂(lè)果的降解半衰期分別為2.52、2 d21-22，而丁硫克百威為25 d23，聯(lián)苯菊酯則為7.7 d24，推測(cè)農(nóng)藥去除難易與該類(lèi)農(nóng)藥在此植物中的半衰期有關(guān)。另?yè)?jù)相關(guān)報(bào)道顯示，聯(lián)苯菊酯在土壤中的殘留期較長(zhǎng)，而有機(jī)磷和氨基甲酸酯類(lèi)以及一些殺菌劑的殘留時(shí)間一般只有幾天或幾周25。因此，與其他3種農(nóng)藥相比，聯(lián)苯菊酯在這2種蔬菜中去除率均為最低，可能與該農(nóng)藥較難氧化消解有關(guān)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，采用K2FeO4同一清洗方法對(duì)不同蔬菜的不同農(nóng)殘去除效果有差異，這是由于不同的蔬菜葉表面結(jié)構(gòu)(表面的光滑程度和是否覆有蠟質(zhì)層)不同26，以及農(nóng)殘種類(lèi)(正辛醇/水分配系數(shù))、含量和其降解情況有差異27而導(dǎo)致。CDEA既有親水基