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

鮮切蔬菜是當前我國居民消費升級的新趨勢，到2023年預(yù)計將達到317.1億元市場規(guī)模，但與國外發(fā)達國家的鮮切蔬菜已經(jīng)占據(jù)蔬菜市場60%以上份額相比，我國仍處于成長期階段[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)。我國是農(nóng)藥生產(chǎn)和使用大國，蔬菜農(nóng)殘超標問題仍時有發(fā)生[2]，鮮切蔬菜農(nóng)殘必將是主要監(jiān)測對象。

我國農(nóng)藥用量年均約337萬t，殺蟲劑占比較大，其中用量較多的是有機磷類(如毒死蜱、樂果)和氨基甲酸酯類(如丁硫克百威)，它們毒性相對較高，市售蔬菜農(nóng)殘超標率為8.43%和3.37%；此外還有擬除蟲菊酯類(如聯(lián)苯菊酯)，具有高效低毒的優(yōu)勢，但易產(chǎn)生害蟲抗藥性，其蔬菜農(nóng)殘超標率為1.31%[3]。葉菜因葉片柔軟易招蟲而要比根莖類菜的農(nóng)藥殘留多，甘藍的農(nóng)藥殘留主要因“灌心”施藥所致。蔬菜的農(nóng)藥殘留會在人體內(nèi)積累富集而引發(fā)各種慢性疾病，并嚴重影響我國農(nóng)產(chǎn)品聲譽和出口效益，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以六價存在，極易溶于水而具有強氧化性[8]，同時兼具優(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)藥除殘試劑，無二次污染，但K2FeO4應(yīng)用于鮮切蔬菜清洗加工去除農(nóng)殘的研究報道較少。椰子油脂肪酸二乙醇酰胺(coconut oil fatty acid 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的耐水解性能，與其他非離子表面活性劑不同，沒有濁點。CDEA具有較強滲透去污力，能加強各類液體洗滌劑的清潔效果[10-11]。表面活性劑復(fù)配往往會產(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的紫甘藍和生菜為研究對象，過量使用毒死蜱、樂果、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 實驗原料及試劑

新鮮紫甘藍(Brassica oleracea L.，十字花科蕓薹屬)、新鮮生菜(Lactuca sativa L.var.ramosa Hort.，菊科萵苣屬)，產(chǎn)自江蘇，采摘后0～4 ℃冷鏈保鮮技術(shù)經(jīng)過長途約2 h運輸至上海某超市。農(nóng)藥標準品：毒死蜱(chlorpyrifos,PubChem CID:2730)、樂果(dimethoate,PubChem CID:3082)、丁硫克百威(carbosulfan,PubChem CID:41384)、聯(lián)苯菊酯(bifenthrin,PubChem CID:6442842)，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。模擬農(nóng)殘的使用試劑：樂果(乳油48%)、毒死蜱(乳油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%)，蘇州富美實植物保護劑有限公司；K2FeO4(≥98.5%)，鄭州智遠化工產(chǎn)品有限公司；CDEA(≥98%)，上海源葉生物科技有限公司。分析純試劑：丙酮、石油醚、環(huán)己烷、異辛烷、乙腈、無水Na2SO4、NaCl等，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

準確移取農(nóng)藥標準溶液，丙酮稀釋成0.20、0.50、1.00、1.50、2.00、5.00 μg/mL 的標準使用液系列。分析純活性炭用3 mol/L鹽酸浸泡過夜，抽濾，用水洗至中性，在120 ℃下烘干備用。

1.2 實驗儀器和設(shè)備

GC-2010氣相色譜儀、GCMS-QP2010氣相色譜質(zhì)譜儀，島津；NISSEI ACE粉碎機，日本精機；JJ-2組織搗碎機，常州蒙特；Thermo電動振蕩器，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臺式離心機(4 000 r/min以上)，德國Eppendorf；GL-16高速臺式離心機(16 000 r/min以上)，常州諾基；MX-S旋渦式振蕩器，美國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)、樂果(1 mL/L)、丁硫克百威(1 mL/L)、聯(lián)苯菊酯(2 mL/L)。

蔬菜簡單清洗去除臟物，切掉根，將葉片逐片剝離浸泡至混合農(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)藥檢測前處理

抽取蔬菜樣品，切去蔬菜切口部分，混勻放入粉碎機中搗碎。準確稱取25.0 g試樣置于勻漿機中，加入50.0 mL乙腈，高速勻漿2 min，用濾紙過濾，用裝有5～7 g NaCl的100 mL的具塞量筒收集濾液40～50 mL，蓋上蓋子，劇烈振蕩1 min，靜置30 min，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 μm濾膜過濾，分別移入2個自動進樣器樣品瓶中，供色譜GC測定。

1.5 GC檢測條件

進樣口溫度240 ℃，檢測器溫度280 ℃，進樣量1.00 mL，柱流量4.13 mL/min，總流量100 mL/min，毛細管柱：DB-17(30 m×0.32 mm×0.25 μm)，進樣：不分流進樣。

升溫程序：起始溫度50 ℃，20 ℃/min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；燃氣為H2，純度≥99.999%，流速75 mL/min；助燃氣為空氣。根據(jù)樣品溶液峰面積與標準溶液峰面積比較定量。

1.6 農(nóng)藥殘留計算

試樣中被測農(nóng)藥殘留量以質(zhì)量分數(shù)w計，單位以mg/kg表示，按公式(1)計算。

(1)

式中：ρ，標準溶液中農(nóng)藥的質(zhì)量濃度，mg/L；A，樣品溶液中被測農(nóng)藥的峰面積；As，農(nóng)藥標準溶液中被測農(nóng)藥的峰面積；V1，提取溶劑總體積，mL；V2，吸取出用于檢測的提取溶液的體積，mL；V3，樣品溶液定容體積，mL；m，試樣的質(zhì)量，g。

1.7 K2FeO4去除蔬菜農(nóng)殘的響應(yīng)面實驗

在預(yù)實驗基礎(chǔ)上，選擇清洗溫度、時間、K2FeO4濃度3個因素進行單因素試驗，考察K2FeO4對模擬污染的紫甘藍、生菜中農(nóng)殘去除的作用，確定各因素的優(yōu)化區(qū)間。進而選取3因素3水平，以農(nóng)殘去除率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken試驗設(shè)計[13]，因素編碼及水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平表
Table 1 Factors and their coded levels used in response surface analysis

用Excel 2010和Design-Expert 12軟件進行數(shù)據(jù)處理，對響應(yīng)面實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸和方差分析，模擬因素的顯著性均通過P值考察(P<0.05)，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

在上述響應(yīng)面實驗確定的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，檢測不同配比復(fù)合清洗劑對紫甘藍和生菜中4種農(nóng)藥殘留的去除，采用Excel、DPS2000進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蔬菜浸毒處理前后農(nóng)藥含量

市售紫甘藍和生菜中各檢測農(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)殘測定結(jié)果見表2。參考有報道的我國市售生菜農(nóng)藥超標率為10.8%[14]，紫甘藍、生菜等蔬菜農(nóng)藥超標情況，一般為限值的10～60倍，本實驗蔬菜浸毒后農(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，作物生長會對這部分農(nóng)藥進行吸收、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/kg

Table 2 The vegetables pesticide residues (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、生菜中毒死蜱、樂果、丁硫克百威、聯(lián)苯菊酯農(nóng)殘的響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果如表3，對應(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)面試驗設(shè)計及結(jié)果
Table 3 The experimental design and results for response surface analysis

表4 K2FeO4溶液清洗對紫甘藍、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 for removal rate of pesticide residues from purple cabbage and lettuce by K2FeO4

表5 K2FeO4溶液清洗紫甘藍、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 (P<0.05)；**，差異顯著(P<0.01)；***，差異極顯著 (P<0.001)

由表5可知，各模型P<0.000 1，響應(yīng)回歸模型極顯著；失擬項P>0.05，差異不顯著，說明方程對實驗的擬合情況較好，實驗誤差小；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項外，AB、BC、AC項對農(nóng)殘去除率也均有顯著影響。各回歸方程(表4)一次項的回歸系數(shù)絕對值大小依次為A、C、B，表明清洗溫度對農(nóng)殘去除的影響最大，其次是K2FeO4溶液濃度，最后是清洗時間。

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型關(guān)系，存在交互關(guān)系，且均有一個極大值點，以去除率較高的生菜中毒死蜱、樂果、丁硫克百威農(nóng)殘清洗為例，見圖1。

a-清洗溫度和K2FeO4濃度(毒死蜱)；b-清洗時間和K2FeO4濃度(毒死蜱)；c-清洗溫度和時間(毒死蜱)；e-清洗溫度和 K2FeO4濃度(樂果)；f-清洗時間和K2FeO4濃度(樂果)；g-清洗溫度和時間(樂果)；h-清洗溫度和K2FeO4濃度(丁硫克百威)； i-清洗時間和K2FeO4濃度(丁硫克百威)；j-清洗溫度和時間(丁硫克百威)
圖1 兩因素交互作用影響生菜中毒死蜱、樂果、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 rate 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 ℃、清洗時間為15～16 min、K2FeO4質(zhì)量濃度為0.6～0.7 g/L，在此條件下，不同農(nóng)殘在紫甘藍和生菜中去除率的預(yù)測值為39.55%～73.72%，驗證實驗值為40.09%～72.59%，實際值與預(yù)測值之間的相對誤差為0.33%～2.43%(表6)，預(yù)測條件與實際較相符，采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的清洗參數(shù)準確可靠，按此模型進行預(yù)測在實踐中可行。

從研究結(jié)果分析，對于紫甘藍來說，農(nóng)藥去除率為：毒死蜱>樂果>丁硫克百威>聯(lián)苯菊酯(P<0.05)，去除率值分別為60.02%、54.82%、50.95%和40.09%；對于生菜來說，毒死蜱、樂果、丁硫克百威均有較好的去除效果，去除率達72.09%～73.52%(P>0.05)，但聯(lián)苯菊酯的去除率僅為50.74%，低于其他幾種農(nóng)藥(P<0.05)(表6)。

表6 K2FeO4溶液清洗去除紫甘藍、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 K2FeO4

2.3 K2FeO4聯(lián)合CDEA去除紫甘藍、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)實驗結(jié)果顯示，100 g/L CDEA對紫甘藍和生菜中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。為提高紫甘藍的農(nóng)殘去除率，并針對聯(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、樂果、丁硫克百威農(nóng)殘的去除率，紫甘藍中上述3種農(nóng)殘去除率從原來50%～60%分別提高到77.35%、73.56%、70.12%(圖2-a)，生菜中則從原來72%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40～80 g/L CDEA質(zhì)量濃度下，紫甘藍和生菜中聯(lián)苯菊酯去除率為65.24%～70.57%和71.43%～74.48%，較未添加時有顯著提高(P<0.05)，并隨CDEA濃度增加農(nóng)殘去除率繼續(xù)略有提高，但過高濃度CDEA會因黏稠而影響后續(xù)清水漂洗效率。以上述K2FeO4聯(lián)合CDEA去除紫甘藍、生菜中農(nóng)藥殘留，蔬菜質(zhì)構(gòu)未受顯著影響，主要是清洗時間較短且清洗液濃度較低，未對蔬菜組織造成損傷。

a-紫甘藍；b-生菜
圖2 K2FeO4聯(lián)合CDEA去除紫甘藍、 生菜中農(nóng)藥殘留
Fig.2 Removal of pesticide residues in purple cabbage and lettuce by K2FeO4 combined with CDEA

3 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、毒死蜱和樂果的降解率達到72.43%、87.15%和75.45%，對蔬菜品質(zhì)指標沒有明顯影響。陽如春[18]報道，在0.01～0.08 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5×10-5 g/L。郭盈岑等[19]報道0.5 g/L K2FeO4溶液對甘蔗中模擬特丁磷、樂果殘留的降解率可達到100%和90.7%，常溫下反應(yīng)時間分別為10和30 min。本研究結(jié)果表明，0.6～0.7 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]，溫度對其分解有明顯影響，這與本實驗中清洗溫度對蔬菜農(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。甘藍類蔬菜表皮的臘質(zhì)層比葉菜類厚，田間噴灑農(nóng)藥時藥液呈小珠狀，不能濕潤植株葉面而流失，但浸泡時較厚的葉面脂質(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，本實驗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，在甘藍中毒死蜱和樂果的降解半衰期分別為2.52、2 d[21-22]，而丁硫克百威為2～5 d[23]，聯(lián)苯菊酯則為7.7 d[24]，推測農(nóng)藥去除難易與該類農(nóng)藥在此植物中的半衰期有關(guān)。另據(jù)相關(guān)報道顯示，聯(lián)苯菊酯在土壤中的殘留期較長，而有機磷和氨基甲酸酯類以及一些殺菌劑的殘留時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)。

由實驗結(jié)果分析，采用K2FeO4同一清洗方法對不同蔬菜的不同農(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(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既有親水基團又有親脂基團，常與烷基糖苷(alkyl glycoside，APG)、脂肪酸甲酯乙氧基化物(fatty acid methyl ester ethoxylate，F(xiàn)MEE)、SDS等復(fù)配[12]，用于油性物質(zhì)的去除。已有研究顯示，含有表面活性劑的洗潔精可去除果蔬中的農(nóng)藥殘留[28]，此類表面活性劑的疏水基團與脂溶性農(nóng)藥結(jié)合，親水基團和水相接觸，從而實現(xiàn)果蔬農(nóng)殘去除。本研究結(jié)果顯示，提高CDEA在K2FeO4中的復(fù)配濃度，將有效提高蔬菜中聯(lián)苯菊酯的去除率，特別是紫甘藍等蠟質(zhì)層較厚的蔬菜，這可能與CDEA增加聯(lián)苯菊酯從葉面蠟質(zhì)層的溶出率有關(guān)。

4 結(jié)論

紫甘藍和生菜是常見的鮮切即食蔬菜，針對蔬菜經(jīng)簡單沖洗后較難去除的葉面吸附農(nóng)藥，本研究利用響應(yīng)面法建立其農(nóng)殘清洗去除的二次多項回歸模型，擬合程度高，優(yōu)化得到最佳清洗條件為：在28 ℃下0.6 g/L的K2FeO4清洗15 min，此條件下得到的蔬菜農(nóng)殘去除率明顯優(yōu)于未經(jīng)優(yōu)化的數(shù)值。K2FeO4可較好地氧化去除生菜中毒死蜱、樂果、丁硫克百威農(nóng)藥殘留，去除率為72%左右，而在紫甘藍中則相對較難去除，推測原因是其葉面脂質(zhì)層較厚而吸附住農(nóng)藥。此外，聯(lián)苯菊酯在2種蔬菜中的去除率相對較低，為40%～50%，可能與K2FeO4對其氧化消解能力低有關(guān)。

K2FeO4和CDEA聯(lián)合可提高蔬菜中農(nóng)殘的去除效果，在上述K2FeO4最優(yōu)化條件下添加20 g/L CDEA，2種蔬菜中毒死蜱、樂果、丁硫克百威農(nóng)殘去除率為70.12%～82.34%；對于較難去除的聯(lián)苯菊酯，可提高CDEA質(zhì)量濃度至80 g/L，其在紫甘藍和生菜中的去除率可提高至70%以上。

K2FeO4和CDEA均為安全綠色試劑，兩者聯(lián)合使用能增強對農(nóng)藥的氧化分解和溶解性，有效提高蔬菜農(nóng)殘的去除效果，且蔬菜質(zhì)構(gòu)未受顯著影響，對于常見鮮切蔬菜的清洗去除農(nóng)殘具有重要的應(yīng)用推廣價值。