六種蔬菜吸附吡蟲啉的動力學研究初探

盧陽陽,關舒會,孫 強,饒欽雄,宋衛國?

(1上海市農業科學院農產品質量標準與檢測技術研究所,上海市農產品質量安全評價技術服務平臺,上海市農產品質量安全工程技術研究中心,上海201403;2上海海洋大學食品學院,上海201306)

農藥殘留是我國果蔬類農產品的主要安全性問題。2001—2009年,江蘇省農貿市場及超市中蔬菜、水果樣品農藥殘留檢出率為17.15%,超標率11.66%[1]。2006—2009年,山西省3 520個蔬菜樣品的農藥殘留超標率為3.9%,葉菜類蔬菜超標4.3%[2]。2009年,上海市松江區的葉類蔬菜檢出率最高[3]。農藥殘留主要來源于外部介質中農藥在植物體內的吸收和積累。農藥噴霧施用對殘留的貢獻率大于土壤施用,如吡蟲啉,農藥噴霧的農藥殘留量比滴灌施用高出5倍以上[4]。對于噴霧施用的農藥,葉部吸收是農藥殘留的主要積累途徑[5]。

表面上的農藥在植物中的積累,實際上是植物吸附農藥的過程[6]。1898年Lagergren用木炭吸附溶液中的溶質,提出了一級動力學方程[7],這個方程常被用于驗證生物吸附劑的動力學吸附過程,反映了吸附劑的吸附量隨時間的變化速率與吸附劑最大吸附量和t時刻吸附量的差成正比。為了區分基于固體吸附能力的動力學方程與以溶液濃度為基礎的動力學方程,Lagergren一級動力學方程也稱為準一級動力學方程[8]。準二級動力學方程是用于描述吸附過程的物理化學作用,可以用來驗證吸附動力學[9]。

農藥殘留的吸收不僅與農藥自身性質、環境因素有關,與作物本身也可能相關。同一種農藥噴霧用于不同作物,受植物表面結構、植物細胞等因素影響,可能造成農藥殘留量具有差異。本試驗以我國使用非常廣泛、全球銷量最大的殺蟲劑吡蟲啉[10]為目標農藥,研究六種常見蔬菜表面吸附后的體內吡蟲啉殘留動態,從殘留量累積的角度初步揭示農藥殘留形成的吸附動力學和不同蔬菜吸附的差異性,以期為農藥的風險評估和及其選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試材料：青菜、杭白菜、黃瓜、番茄、芹菜、豇豆(采購于上海市農業科學院莊行試驗站),委托農業部食用菌產品質量監督檢驗測試中心(上海)分析,未檢出吡蟲啉殘留。

供試農藥：吡蟲啉(有效成分：10%,劑型：可濕性粉劑,上海悅聯化工有限公司)。

農藥標準品：99.5%吡蟲啉(德國Dr.Ehrenstorfer GmbH公司)。

主要試劑：乙腈(色譜純,上海安譜實驗科技股份有限公司);氯化鈉(分析純,上海凌峰化學試劑有限公司);CNW dSPE分散固相萃取純化管(150 mg無水硫酸鎂,25 mg PSA,7.5 mg GCB,2 mL,上海安譜實驗科技股份有限公司);純凈水(上海娃哈哈飲用水有限公司);超純水,由Millipore超純水儀制備得到。

1.2 儀器與設備

Acquity(BSM∕PDA)Waters超高壓液相色譜儀(Waters科技有限公司);JY3002電子天平(上海舜宇恒平科學儀器有限公司);SK8210LHC超聲波清洗器(上海科導超聲儀器有限公司);EPFO-945605 Talboys基本型漩渦混合器、EOFO-945008 Talboys基本型多管式漩渦混合器(Troemner公司,美國);D-37520冷凍離心機(Thermo公司,德國);5424R高速冷凍離心機(Eppendorf公司,德國);超純水儀(Millipore公司,美國);JYL-C022E料理機(九陽股份有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1 蔬菜處理

稱取8 g吡蟲啉粉劑,放入4 L純凈水中攪拌溶解,將蔬菜分別浸沒于浸泡液中,于10 min、1 h、3 h、5 h、8 h、12 h、24 h、30 h、36 h、48 h 取出部分疏菜,用水沖洗蔬菜表面的農藥,擦干,勻漿,待測,以純凈水浸泡為空白對照。

1.3.2 樣品前處理

稱取5 g樣品于離心管中,加入10 mL乙腈,渦旋30 min,加入2 g NaCl,渦旋1 min,4 500 r∕min離心5 min,取1 mL溶液于dSPE分散固相萃取純化管中,渦旋1 min,12 000 r∕min離心3 min,取上清液過0.22 μm有機濾膜,乙腈稀釋到線性范圍內,待上機。

1.3.3 檢測方法

儀器：超高壓液相色譜(UPLC),PDA檢測器,流動相為色譜純乙腈(A相)和水(B相),色譜柱為CORTECS C18(2.1 ×100 mm,1.6 μm),柱溫：30 ℃,進樣量：5 μL,吸收波長：256 nm,流速：0.4 mL∕min。 流動相梯度：0—6.0 min,A相從5%升到30%;6.0—6.5 min,A相降到5%;6.5—8.0 min,A相保持5%。

1.3.4 標準曲線的制作

用乙腈配制 0.1 mg∕L、0.2 mg∕L、0.5 mg∕L、1.0 mg∕L、2.0 mg∕L、4.0 mg∕L、8.0 mg∕L的吡蟲啉標準溶液,分別進樣,繪制定量標準曲線。

1.3.5 回收率的測定

在空白樣品中添加吡蟲啉標準溶液,添加水平分別為青菜 0.1 mg∕kg、10 mg∕kg、30 mg∕kg,杭白菜1 mg∕kg、25 mg∕kg、50 mg∕kg,黃瓜 0.5 mg∕kg、6 mg∕kg、12 mg∕kg,番茄 0.2 mg∕kg、1 mg∕kg、3 mg∕kg,芹菜5 mg∕kg、40 mg∕kg、80 mg∕kg,豇豆 1 mg∕kg、20 mg∕kg、40 mg∕kg,每個添加水平設置 5 個重復,添加標準品溶液后靜置2 h左右,按前述方法進行提取,并進行定量分析,計算回收率。

2 結果與分析

2.1 標準曲線

吡蟲啉的保留時間為4.32 min,以質量濃度為橫坐標,峰面積為縱坐標,做線性回歸曲線,測得吡蟲啉在0.1—8.0 mg∕L范圍內,峰面積與質量濃度呈線性相關,標準曲線方程為y=14 300x+1 090,決定系數R2=0.9981。

2.2 六種蔬菜中吡蟲啉的回收率

吡蟲啉在青菜、杭白菜、黃瓜、番茄、芹菜和豇豆中的平均回收率分別為98.87%—102.10%、96.28%—101.04%、94.74%—99.85%、93.72%—97.46%、98.84%—108.34%和97.48%—102.33%,變異系數分別為0.84%—1.96%、1.51%—4.67%、1.63%—7.14%、1.39%—7.55%、1.23%—4.24%和1.44%—6.38%,均在允許范圍內,符合分析標準。六種蔬菜采用該檢測方法的定量限均為0.1 mg∕kg。

2.3 六種蔬菜中吡蟲啉的殘留動態

對照處理中未檢出吡蟲啉農藥殘留。如圖1所示,浸泡初期蔬菜吸附的殘留量較少,隨著時間延長,殘留量持續升高并達到最大值。六種蔬菜中吡蟲啉的殘留量分別在不同時間達到殘留峰值,在30 h時,青菜(20.736 mg∕kg)、杭白菜(42.617 mg∕kg)和黃瓜(11.541 mg∕kg)達到殘留峰值;在 36 h 時,番茄(2.780 mg∕kg)、芹菜(73.125 mg∕kg)和豇豆(32.779 mg∕kg)達到殘留峰值。 采用 SPSS 17.0 軟件對吡蟲啉在六種蔬菜中吸收量的動態變化進行多因素分析發現,每個時間點不同蔬菜的殘留量存在極顯著差異(P＜0.001),殘留量大小順序為芹菜＞杭白菜＞豇豆＞青菜＞黃瓜＞番茄。

圖1 6種蔬菜對浸泡液中吡蟲啉的吸附殘留量Fig.1 Adsorption residues of imidacloprid in six vegetables for soaking solution

2.4 吡蟲啉在六種蔬菜中的吸附動力學

利用Origin 8.5軟件對所得的吡蟲啉吸收數據進行準一級動力學及準二級動力學擬合,準一級動力學方程為準二級動力學方程為式中qe為吸附平衡時蔬菜中吡蟲啉的殘留量(mg∕kg),qt為時間t時蔬菜中吡蟲啉的含量(mg∕kg),k1為準一級動力學反應速率常數(∕h),k2為準二級動力學反應速率常數[kg∕(mg·h)]。根據表1所示的數據及擬合參數,比較準一級及準二級擬合的平衡殘留量與實際量,并用決定系數R2分析。結果表明：六種蔬菜吸附溶液中吡蟲啉的動態符合準一級動力學模型,決定系數R2為0.9084—0.9771,六種蔬菜中吡蟲啉達到吸附平衡時的準一級動力學理論殘留量為青菜 21.223 mg∕kg、杭白菜 38.618 mg∕kg、黃瓜 12.629 mg∕kg,、番茄 2.908 mg∕kg、芹菜76.139 mg∕kg、豇豆 36.843 mg∕kg,吡蟲啉殘留量的實際值為青菜 20.736 mg∕kg、杭白菜 42.617 mg∕kg、黃瓜 11.541 mg∕kg,、番茄 2.780 mg∕kg、芹菜 73.125 mg∕kg、豇豆 32.779 mg∕kg,兩者接近。 但準二級吸附動力學模型并不適合全部六種蔬菜,青菜、杭白菜和芹菜吸附的決定系數R2大于0.9,且理論上的吸附平衡殘留量和實際吸附平衡殘留量接近,其他三種蔬菜的準二級吸附動力學模型預測結果的決定系數R2均小于0.9。因此,蔬菜吸附溶液中吡蟲啉的行為更符合準一級動力學模型,六種蔬菜對吡蟲啉吸收的準一級動力學模型如圖2所示。不同蔬菜吸附能力不同,且吸附速率k1值越大,浸泡初期吸附能力越強,故按照吸附速率判斷浸泡初期的吸附能力大小為杭白菜(k1=0.1448∕h)＞青菜(k1=0.1083∕h)＞芹菜(k1=0.0823∕h) ＞ 黃瓜(k1=0.0719∕h) ＞ 番茄(k1=0.0617∕h) ＞ 豇豆(k1=0.0563∕h)。

表1 6種蔬菜對吡蟲啉的吸附動力學參數Table 1 Adsorption kinetic parameters for imidacloprid in six vegetables

圖2 6種蔬菜對吡蟲啉吸附的準一級動力學模型Fig.2 Pseudo-first order kinetic model for imidacloprid adsorption in six vegetables

3 討論

本試驗通過吡蟲啉溶液浸泡,采用QuEChERS法檢測不同蔬菜中的吡蟲啉殘留吸附量。結果表明：六種蔬菜吸附吡蟲啉的殘留量逐漸升高達到最高值,隨后可能由于蔬菜吸附的藥量達到飽和,吡蟲啉含量趨于穩定的狀態,最后蔬菜發生腐爛,可認為是由于蔬菜細胞一直處于高濃度環境中,導致細胞失水并發生質壁分離[11],當失水過多時,細胞死亡,細胞膜失去選擇透過性,農藥可隨意進出植物細胞[12]。

青菜、杭白菜、黃瓜、番茄、芹菜和豇豆吸附藥液中吡蟲啉殘留量擬合的準一級動力學模型的決定系數R2均大于0.9,且平衡時實際吸附量與理論吸附量很接近,說明這六種蔬菜在藥液中吸附吡蟲啉的過程符合準一級動力學模型,但不同蔬菜的吸附速率不同。

由于蔬菜表面接觸面積與表面結構有差異,對吡蟲啉的吸附能力也不同,葉菜類杭白菜和青菜葉面較大,接觸農藥面積較大,吸附量較大,吸附速度相對較快;茄果類蔬菜番茄和黃瓜表面較光滑,與農藥接觸面積最小,黃瓜吸附量較低,吸附速度較快,番茄的吸附量最小,吸附速度在初期較慢,后期較快;根莖類蔬菜芹菜可通過根部吸收農藥,且體積小,其吸附量最大,但吸附速度最慢;莢果類蔬菜豇豆體積小,接觸表面積大,其吸附量在中間水平,吸附速度較慢。蔬菜中農藥殘留水平與農藥吸附密切相關,因此,該方面的深入研究對于定量評估農藥的殘留水平具有積極意義。

日本“肯定列表”[13]規定吡蟲啉在青菜和杭白菜中的殘留限量為0.5 mg∕kg,黃瓜中的殘留限量為1 mg∕kg,番茄中的殘留限量為2 mg∕kg,芹菜中的殘留限量為4 mg∕kg,豇豆中的殘留限量為3 mg∕kg;而我國食品安全國家標準對食品中農藥最大殘留限量規定[14],青菜和杭白菜中的殘留限量為0.2 mg∕kg,黃瓜和番茄中的殘留限量為1 mg∕kg,芹菜中的殘留限量為5 mg∕kg,豇豆未制定殘留限量標準。基于日本和我國制定的農藥殘留限量標準,可知殘留限量為芹菜＞豇豆＞番茄＞黃瓜＞杭白菜=青菜,本試驗采用同一濃度吡蟲啉浸泡的方式得到的殘留量為芹菜＞杭白菜＞豇豆＞青菜＞黃瓜＞番茄,由于標準的制定不僅要根據人體每日膳食攝入量[15]和毒理學試驗[16],還要依據農藥使用的發展趨勢[17]及國際貿易的需求[18]等,所以對這六種蔬菜吸附能力的研究可為殘留限量的修訂提供參考。