農殘檢測中酶抑制率法的數學原理闡釋及其部分證明

林華鋒 常彥磊

【摘要】酶抑制率法在農藥殘留檢測中廣泛應用，其基本檢測原理是分光光度法.本文對農殘檢測中酶抑制率法的原理進行闡述并應用數學的方法來證明吸光度值A關于時間點t的曲線斜率K值的求解不需要運用入射光強度I0值.

【關鍵詞】農殘檢測;酶抑制率法;數學原理;數學證明

【基金項目】“十三五”國家重點研發計劃重點專項（2017YFF0104904）;廣東省科技計劃項目（2017B020207004）

前?言

食品安全問題是一個常談常新的問題.農藥在保證農作物產量和增加人類食物供給方面做出了巨大貢獻，但是由于農藥的過量使用或者濫用，食品及某些中藥產品中的農藥殘留能對人類身體的生理健康造成一定程度的威脅.人們若是誤食被農藥污染的蔬菜水果等食品，則殘留在其中的農藥會逐漸在機體內累積或富集，當富集到一定濃度時，可以引起人體急性或慢性中毒[1].

有機磷農藥自發明至今已有70余年的歷史[2]，它對世界農業發展的重要性不言而喻.我國現已生產和投入使用的有機磷農藥達到數十種之多，大多數呈無色或者黃色油狀液體，有蒜臭味（比如：馬拉硫磷、內吸磷等），少數為低熔點固體（比如：敵百蟲）;農業實踐上比較常用的有機磷農藥分別有敵百蟲、樂果、馬拉硫磷、甲拌磷和敵敵畏等.目前引起人們關注和重視的是，有機磷農藥存在著較高殘留率和較高毒性的安全性問題.氨基甲酸酯類農藥是繼有機磷農藥之后出現的一種廣泛應用于糧食、蔬菜和水果等農作物的農藥，該類合成農藥種類已達1000多種，具有分解快、殘留時間短、低毒高效和選擇性強的特點[3].農業生產上常見的氨基甲酸酯類農藥有西維因、呋喃丹（克百威）、涕滅威和除草劑等[4].隨著各類農藥的規模化投入使用和大眾消費者對食品安全意識的提高，農藥殘留檢測勢在必行！

然而，由于氣相色譜、液相色譜和氣-液質聯用等大型精密儀器檢測在實際應用中存在檢測時間長、檢測成本高以及檢測人員需要較高的科研技術水平等要求的限制而難以向基層生產推廣和普及，因此，快速安全可靠的食品農藥殘留現場分析技術進入了大眾的眼簾，為廣大食品行業和農業從業者提供實在的便利.其中，以酶抑制率法為代表的農殘快速現場檢測技術便是首選，以其較高的專一性、較好的靈敏性和準確度以及較低成本的優勢而迅速被各類食品、農產品生產基地所接受.

隨著農業生產規模化發展步伐的進一步加快和食品安全責任意識的落實，農產品農藥殘留的快速現場檢測和篩查技術將日益受到廣大社會群體的青睞.

一、實驗原理和理論闡述

蔬菜、水果中殘留的有機磷和氨基甲酸酯類農藥與昆蟲的神經中樞及周圍神經系統中的乙酰膽堿酯酶（AChE，是生物有機體神經正常傳導中的一種關鍵性酶）形成的難逆性結合產物——磷酰化膽堿酯酶，致使AChE喪失酶催化活性，失去水解乙酰膽堿的能力，從而使昆蟲體內乙酰膽堿不斷累積而導致昆蟲產生遲發性神經中毒而致死.酶抑制率法就是依據這一原理來檢測產品中的有機磷農藥和氨基甲酸酯類農藥的殘留量.

以乙酰膽堿為底物，在乙酰膽堿酯酶（AChE）的作用下，乙酰膽堿水解成膽堿和乙酸，膽堿和顯色劑二硫雙對硝基苯甲酸（DNTB）[5]產生顯色反應，形成黃色反應產物——5-硫基-2-硝基苯甲酸（在光譜學上于410 nm波長處出現最大吸收峰值）.具體抑制情況主要分為以下三種：A. 采用乙酰膽堿酯酶測定農藥殘留量時，當AChE完全水解底物乙酰膽堿時，溶液顯現黃色，其抑制率為0%;B. 當酶活性被農藥抑制而部分水解乙酰膽堿，測定溶液顯淡黃色，出現相應的抑制率（0%100%）;C. 當AChE完全被農藥所抑制，被測溶液呈現無色，抑制率為100% .

值得注意的是，在酶抑制率法檢測中所使用的酶主要有3種，分別是羧酸酯酶、丁酰膽堿酯酶、乙酰膽堿酯酶[6].其中研究資料顯示乙酰膽堿酯酶敏感性和活性最好，為了保證檢測質量和工作效率，乙酰膽堿酯酶相較于前兩種酶應用更為廣泛些[7].

二、數學推演與證明

根據酶促反應動力學原理，在缺少有機磷和氨基甲酸酯類農藥時，底物在AChE的催化作用下發生水解，反應速率可以用吸光度值A隨時間T的變化率K0來表示.當有機磷和氨基甲酸酯類農藥存在于酶的顯色體系中時，農藥便抑制了乙酰膽堿酯酶的活性，減緩顯色體系的反應速度，此時體系吸光度隨時間的變化率為Kt.因此，有機磷和氨基甲酸酯類農藥對乙酰膽堿酯酶活性的抑制率Y的計算公式如下：Y=

【參考文獻】

[1] 李寶福. 農產品農藥殘留現狀與對策 [J]. 農民致富之友，2014（21）： 61.

[2] 馬瑾，潘根興，萬洪富等. 有機磷農藥的殘留、毒性及前景展望 [J]. 生態環境， 2003（2）： 213-215.

[3] 郭立，張清敏. 氨基甲酸酯類農藥殘留分析方法的研究進展[J]. 天津農學院學報，2001（4）： 15-18.

[4] 付曉陸，馬麗萍，汪少敏等. 食品農產品認證及檢驗教程 [M].杭州：浙江大學出版社， 2018.

[5] 扶繼軍. 酶抑制率法農殘速測技術及常見問題探究 [J]. 農業與技術，2014（2）： 29-29.

[6] 李衛霞. 乙酰膽堿酯酶法在農藥殘留檢測中的應用及質量控制 [J]. 湖南農業科學，2010（3）： 71-73，76.

[7] 胡蓉. 酶抑制法在蔬菜農藥殘留快速檢測中的應用 [J]. 辣椒雜志，2013（4）： 42-44.

[8] 王小紅. 酶抑制法檢測蔬菜中的有機磷農藥殘留的方法研究 [D]. 華中農業大學，2006.