基于酶抑制法的自助式農藥殘留檢測平臺建立

陳子鵬，馬建博，杜建華

（中南財經政法大學 信息與安全工程學院，武漢 430000）

0 引 言

食品安全問題，尤其是水果蔬菜等農產品中的農藥、添加劑以及其他有毒物質的污染和殘留情況，是近年來持續受到廣泛關注的社會熱點話題[1-5]。歐美、日韓等國家和地區普遍建立有食品安全監管或預警體系[6]。目前中國對農藥殘留問題也十分重視，陸續出臺和修正了相關法律，如《中華人民共和國農藥殘留法》、《農藥管理條例》等相關法律來保障人民的利益。1

科學合理的使用農藥不但可以減少農業損失，同時為人類身體健康和生態環境有著積極作用，但過量，高毒的農藥會造成嚴重后果。因此、農藥殘留檢測就成為了食品安全管理中的重要環節[7-13]。目前對市場上出售的果蔬農產品農藥殘留檢測的方法中，以色譜法和酶抑制法最為常見。色譜法包括薄層色譜法，氣相色譜法和高效液相色譜法[14-16]。如氣象色譜法是采用氣體作流動相的色譜法，用于揮發性農藥的檢測。色譜法具有高選擇性、高分離效能、高靈敏度和快速的優勢，但因其檢測器較為昂貴，操作方法復雜，目前主要應用與實驗室檢測，而無法廣泛推廣應用與日常居民對市場果蔬農藥殘留的檢測中[17-20]。酶抑制法，是以化學反應為依據，乙酰膽堿酯酶利用使農藥中的有機磷和氨基甲酸酯發生化學反應為根本，通常酶在催化2,6-二氯乙酰錠酚后會分解出藍色靛酚，如果存在有機磷農藥，酶的活性就會被暫時抑制，反應后的溶液將變成淺藍色或者保持原來的顏色不變，這時可以通過與對照溶液的對比來確定有機磷農藥的具體成分。酶抑制法多被應用于試紙檢測，檢測方法簡便、價格低廉，可研制多類便攜式農藥殘留檢測設備[21-24]。但以酶抑制法試紙檢測結果的可靠性與洗脫液量、抑制時長、抑制溫度等多項操作環節有關[25]，且其對多項農藥殘留的檢出限度高于國家規定的農藥殘留限量[26]，這使得酶抑制法試紙檢測僅適用于定性判斷。

本文選擇以酶抑制法為基礎，通過圖像識別技術對試紙檢測結果進行精細分析及多檔劃分。通過大量試驗數據統計擬合，將檢測試紙檢測結果的顏色差別細分為5級，分別代表農藥殘留情況的無殘留（1 級）、安全（2級）、弱殘留（3 級）、強殘留（4 級）、危險（5 級）。實現試紙檢測結果的數據化。將試紙測試結合自動化技術和圖像識別技術構建了自助式農藥殘留檢測平臺。該自助式農藥殘留檢測平臺可為普通民眾提供自主自助的果蔬農產品農藥殘留檢測條件，使消費者能夠直接參與檢測過程中并獲得檢測結果，保證信息的對稱公開透明，為食品安全檢測和監管提供新的思路。

1 自助式農藥殘留檢測平臺設計

本文中所構建的自助式農藥殘留檢測平臺，主要包括以酶抑制法為基礎的試紙檢測、圖像識別技術、自動化技術。通過此3 種技術的結合，使自助式農藥殘留檢測平臺能夠通過機械臂自動完成試紙檢測并拍照儲存、計算機處理照片圖像并最終獲得細分檢測結果，顯示農藥殘留分級信息的功能。

1.1 農藥殘留的試紙檢測

傳統的農藥速測法是利用對有機磷和氨基甲酸脂類農藥高敏感的膽堿酯酶和顯色劑做成的試紙。具體檢測過程如圖1 所示。

圖1 酶抑制法試紙的殘留農藥檢測過程 Fig.1 Process of pesticide residues detection with enzymatic inhibition test paper

大量試驗數據統計結果表明，試紙顏色變化與農藥含量存在近似負線性關系[27-30]。可根據農產品中農藥含量不同引起試紙顏色的深淺程度變化和檢測過程中試紙變色情況，對被測樣品農藥殘留量范圍進行更加精細的劃分。

1.2 圖像識別技術

在酶抑制法試紙監測對農藥殘留含量的判定中，最大的局限在于人眼對色彩變化識別的精確程度較低。針對此問題，自助式農藥殘留檢測平臺中借助圖像識別技術來完成對圖像的處理、分析和理解。在一般工業使用中，圖像識別技術是采用工業相機拍攝圖片，再利用后臺軟件根據圖片灰階差做進一步識別處理。

在此自助式農藥殘留檢測平臺中，通過內置自主編寫基于labview 的image.vi 軟件來完成圖像識別處理，軟件后臺界面如圖2 所示。該軟件可主動控制攝像頭獲取檢測艙實時視頻，當實時畫面中出現測試試紙后自動抓拍并顯示于截取畫面中。軟件具有自動定位選取圓形測試結果區域圖像的功能，根據試紙左側為測試用藥片、右側為測試結果顯色圖像的設定，將取色區域控制在右側圓環中，如采樣分割圖所示。局部放大界面則通過放大測試結果顯色圖像，并利用顏色取樣器，對顏色進行取樣分析純色色調、飽和度、亮度、RGB 值，最終得到不同農藥含量下的顏色差別細化指標。采樣參數和識別結果將自動顯示與軟件界面最上方的控制界面中。

如圖3 所示為image.vi 軟件界面中識別結果區域，在對某校外大型超商農產品農藥殘留檢測的圖像識別處理結果。根據試紙檢測對照標準為其飽和度S 的區別來判定農藥殘留的多少。飽和度S 越小，表明農藥殘留越多。即圖3 中空心菜農藥殘留大于蘋果表面農藥殘留。通過image.vi 軟件中圖像識別技術的應用，在Lab 顏色空間下對圖像進行分割，細分明度指數和色品指數的級差，利用圖像增強技術通過像素合并和子成像模式2 種方法讀出圖像。以此克服傳統試紙檢測時肉眼識別造成的色值分辨精確度不足，判定標準不統一等問題，實現對檢測試紙結果的精細分析。

圖2 自助式農藥殘留檢測平臺中內置image.vi 軟件界面 Fig.2 Image.vi software interface builted in self-service detection platform of pesticide residue

圖3 大型超商農產品農藥殘留檢測 Fig.3 Pesticide residue detection of produces from supermarket

1.3 自動化技術

試紙檢測中的洗脫液量、抑制時長、抑制溫度等多項參數在人工測試時很難保證完全一致，使酶抑制試紙法測試結果的統一判定標準很難標定。

在此自助式農藥殘留檢測平臺中，使用單片機模塊控制機械臂，代替手工操作。以步進電機作為驅動實現洗脫自動化，可設置出統一的洗脫液量和抑制時長。由溫度變送器、加熱電阻絲和簡單機械部件構成處理模塊，在控制變量的條件下處理試紙。由定時裝置控制測試時長和拍照時間。由GSM 模塊和藍牙模塊為通信模塊，連接單片機與后臺主機，便于結果輸出。通過自動化技術的應用，極大程度上排除掉人工操作中產生的影響因素，保證測試結果的準確性和穩定性，為后期數據分析處理提供保障。

1.4 自助式農藥殘留檢測平臺實際裝置雛形

圖4a 所示為自助式農藥殘留檢測平臺實物圖。裝置設計為可手持的裝置以提高設備便攜性。選取立體矩形作為裝置外觀，以單片機為主體，將工業攝像頭、GSM 模塊等小型器件作為附屬元件構建檢測裝置最終設計的裝置雛形長達150 mm、寬度125 mm、高度100 mm，整個裝置不超過2 dm3，可作為手持式檢測設備，實現了檢測儀器的便攜化，方便用戶實時的對食品進行檢測。

圖4b 為設備內部結構示意圖。其基本結構包括單片機、測試艙、蓄電磁、工業攝像機、碳加熱片、LED 燈、定時器、顯示屏等核心部件。其基本工作原理是通過自動化技術，對投入測試艙的檢材完成自動洗脫；由led 燈和工業攝像機自動完成現場拍攝并將數據傳輸入后臺；通過image.vi 軟件對拍攝圖像做圖像識別和處理，獲取檢測結果中的飽和度S數值；最后根據預設的分級參數設置，將檢測結果在顯示屏上呈現給用戶，同時上傳數據至后臺數據庫。

此自助式農藥殘留檢測平臺實現了檢測過程自動化，通過圖像識別技術實現對檢測見過的統一度量和準確細分，通過可視化顯示窗口使使用者能夠直觀讀取檢測結果。該自助式農藥殘留檢測平臺具有設備造價合理、應用范圍廣泛、操作流程簡單、檢測耗材成本低廉、檢測結果準確等特點。

圖4 自助式農藥殘留檢測平臺 Fig.4 Self-service detection platform

2 自助式農藥殘留檢測平臺檢測試驗及結果分析

選取某高校周邊共4 處果蔬售賣點，分別為校內蔬果市場（編號1）、校內超市（編號2）、校外農貿市場（編號3）、校外大型超商（編號4）。對四個售賣點選取5 種果蔬，包括：空心菜（A），黃瓜（B），番茄（C）、茄子（D）、蘋果（E），分5 d 對每種果蔬共取樣5 份，共計100 份樣品。將此100 份樣品使用自助式農藥殘留檢測平臺完成快速檢測。

由于此自助式農藥殘留檢測平臺是基于酶抑制法試紙檢測為基礎，其檢測結果輸出為測試卡藍色飽和度。通過自動化技術，設定檢測過程中所獲取的洗脫液量、抑制時長、抑制溫度、拍照背景光源等參數具有一致性，保證了多次檢測結果的統一。試驗中設定抑制時間15 min、抑制溫度35℃、洗脫液量100 μL[25]。對樣品B3 的重復性試驗結果如圖5 所示，其飽和度S 值較為穩定，波動范圍在3 以內，表明此檢測平臺通過自動化技術的應用，可基本排除檢測過程中的其他試驗因素對檢測結果的影響。

圖5 樣品B3 的10 次重復性試驗 Fig.5 Ten times repetitive experiment of sample B3

通過對比自助平臺檢測結果與氣相色譜法檢測結果，并依照文件GB 2763-2016《食品安全國家標準食品中農藥最大殘留限量》中對應農藥殘留標準限定，對檢測結果做出分級劃分，如表1 所示。

表1 4 處樣品采集點5 種樣品的農藥殘留檢測平均結果 Table 1 Testing results of pesticide residues in 4 different sample collection sites and 5 different samples classes

根據文件GB 2763-2016 對無公害果蔬安全要求，設定自助式農藥殘留檢測平臺的檢測數據分級劃分。設定飽和度S 參數處于S≥122 為1 級無殘留，99≤S≤121為2 級安全，85≤S≤99 為3 級弱殘留，43≤S≤84 為4級強殘留，S≤42 為5 級危險。使用氣相色譜法對同一樣品的農藥殘留量進行驗證。

在此次檢測中，共有42 份樣品通過自助檢測結果可劃分為1~2 級的樣品。對1~2 級樣品，使用氣相色譜法檢測樣品中的毒死蜱、百菌清和氯氰菊酯等的殘留量值，其中40 份均小于國標中對無公害果蔬安全要求中的農藥殘留標準，僅2 份樣品中的百菌清達到2.08 mg/kg，略超過國標中對百菌清≤2 mg/kg 的要求。 即在對符合國標安全要求的農藥殘留量的檢測上，此自助式農藥殘留檢測平臺的正確率可達到95.23%。

自助檢測結果等級劃分為3~5 級的樣品共有58 份。使用氣相色譜法對此類樣品做對比檢測，結果顯示其中僅有5 份樣品符合國標要求，其余53 份樣品的毒死蜱、百菌清和氯氰菊酯等的殘留量均遠大于國標要求。即在對不符合國標安全要求的農藥殘留量的檢測上，此自助式農藥殘留檢測平臺的正確率可達到91.37%。同時樣品自助檢測飽和度S 值變化也與氣相色譜法檢測結果較為吻合，飽和度越小的樣品，其氣相色譜法檢測的農藥殘留情況也越嚴重。

綜上所述，此自助式農藥殘留檢測平臺能夠對多種果蔬的農藥殘留情況作出快速、準確的檢測。在對100份樣品檢測結果的5 級安全劃分中，1~2 級樣品符合國標安全要求的準確率達95.23%，3~5 級樣品不符合國標安全要求的準確率達91.37%，表明此自助式農藥殘留檢測平臺檢測結果真實可靠。

3 結 論

本文針對目前農作物農藥殘留檢測方法的弊端，通過結合自動化技術和圖像識別處理技術，設計制作了基于酶抑制法的自助式農藥殘留檢測平臺。

1）自主研制到了便攜式自助農藥殘留檢測平臺，通過自動化技術，實現了自助式農藥殘留試紙檢測過程的標準化。此設備中可設定洗脫液量、抑制時長、抑制溫度等多項參數，使試紙檢測結果更加準確可靠。

2）通過圖像識別技術，實現自助式農藥殘留試紙檢測過程的精細劃分。并通過對照氣相色譜法檢測結果和國標，建立了自助式農藥殘留檢測結果的5 級安全評分機制。

3）通過100 份樣品的檢測試驗，將自助式農藥殘留檢測平臺檢測結果與實驗室色譜法檢測結果對比國標顯示，此安全等級劃分對符合安全要求的檢測準確率為95.23%，對不符合安全要求的檢測準確率為91.37%。

此自助式農藥殘留檢測平臺具有體積小質量輕、設備造價合理、操作流程簡單、檢測耗材成本低廉、檢測結果準確等特點，可供普通民眾自助完成對果蔬等農產品農藥殘留情況的檢測。5 級農藥殘留安全評分機制輸出結果簡潔易懂，準確率高，能夠有效保障民眾對于食品安全問題的了解和監督，從而為食品安全問題尤其是農作物農藥殘留問題的進一步規范提供思路。