酸性電生功能水聯合超聲波去除馬鈴薯凈菜中4種農藥殘留效果分析

劉 媛，程 銘，王 健, ，朱旭冉，劉 洋，萬宇平，吳小勝，李 娜，王繼英

（1.河北北方學院，河北省農產品食品質量安全分析檢測重點實驗室，河北張家口 075000；2.承德市農林科學院，河北承德 067000；3.北京勤邦生物技術有限公司，北京 102206；4.河北英茂生物科技有限公司，河北石家莊 050000）

馬鈴薯是一種糧菜兼用型蔬菜，與稻、麥、玉米、高粱一起被稱為全球五大農作物。馬鈴薯營養素齊全，易為人體消化吸收，被譽為人類的“第二面包”[1]。張家口是我國北方重要的馬鈴薯產區，全市常年播種面積保持在180萬畝左右，總產量240多萬噸。所產馬鈴薯銷往國內京津冀等地區及韓國、東南亞、加拿大等十余個國家，成為該市特色富民產業[2]。但馬鈴薯的銷售形式多以未經處理的毛菜為主，不僅食用不便、費時費力，且商品附加值不高，凈菜加工是目前解決該問題的有效途徑。凈菜加工是將新鮮的蔬菜進行挑選、切分、清洗、瀝干、包裝的過程。凈菜在加工過程中除營養物質損失和微生物污染可導致馬鈴薯質量下降外，農藥殘留超標也是影響馬鈴薯凈菜成品品質的重要問題。

清洗環節是馬鈴薯凈菜加工過程中去除農藥殘留的關鍵步驟。目前，清洗方法主要包括化學清洗和物理清洗兩大類。化學清洗法包括：含氯殺菌劑清洗[3?4]；臭氧殺菌[5]；酸堿溶液洗滌劑清洗[6]等，以上方法具有成本高、易損害感官品質、二次污染等缺點。電生功能水（electrolyzed functional water, EFW）具有無殘留、無污染、無毒副作用、易制取、成本低等特點[7?10]。EFW是將稀鹽溶液在特殊電解裝置中進行電解，經過一系列復雜的反應，產生具有特殊理化性質的酸性電生功能水（acid electrolyzed water,AcEW）和堿性電生功能水（alkaline electrolyzed water, AlEW）的總稱[11?13]，是一種新型的化學清洗技術。近年來，多位學者證明其能有效去除蔬菜表面的農藥殘留。胡朝暉等[14]研究了EFW對韭菜中樂果和毒死蜱的去除效果，結果表明：微酸性EFW去除農藥殘留的效果優于其他清洗液，樂果、毒死蜱的去除率達到了66.02%和72.55%。郝建雄等[15]用EFW進行了清洗蔬菜中乙酰甲胺磷殘留的試驗研究，結果表明，浸泡處理60 min時AcEW對乙酰甲胺磷的去除率能達到82%左右。

物理清洗方式主要包括：滾筒式清洗技術、振動噴淋式清洗技術、超高壓清洗技術等[16]，這些方法有著覆蓋面低、耗水量大、清洗效率低、清洗時間長等弊端。超聲波清洗（ultrasonic cleaning）能夠彌補這些不足，且能夠解決凈菜中不規則形狀的死角問題。超聲波清洗凈菜是利用超聲波的空化作用，通過對液體和污物之間的直接、間接作用，使污物層先被分散、乳化進而剝離達到清洗凈菜的目的，具有波長短、穿透力強、能量集中等特性[17]。陳雪等[18]研究了超聲波清洗條件下小白菜對甲萘威的吸附特性，結果表明超聲波清洗可有效減少果蔬表面的農藥殘留。張瑞等[19]研究發現超聲波清洗萵苣20 min，樂果、毒死蜱和三唑磷的去除率分別為90.41%、64.88%和81.44%。

截至目前，將物理與化學方法有機結合的清洗方式在理論研究及市場應用上均較為少見，因此，本研究采用EFW聯合超聲波清洗對4種切割方式馬鈴薯凈菜進行清洗處理，以常用的甲拌磷、毒死蜱、腐霉利和百菌清4種農藥為目標物，得到不同清洗條件對農藥殘留的去除率，探討不同清洗參數對農藥殘留的去除規律，為建立針對不同切割方式馬鈴薯凈菜的EFW聯合超聲波農藥殘留清洗方法提供理論依據與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

腐霉利（43%懸浮劑） 中農立華（天津）農用化學品有限公司；甲拌磷（3%顆粒劑） 安徽華微農化股份有限公司；百菌清（75%可濕性粉劑） 青島奧迪斯生物科技有限公司；毒死蜱（45%乳油） 濟南綠霸農藥有限公司；腐霉利、甲拌磷、百菌清、毒死蜱農藥標準品（標準值100 μg·mL?1，擴展不確定度0.13 μg·mL?1，純度≥95%） 農業部環境保護科研監測所；乙酸乙酯、乙腈 色譜純，天津市科密歐化學試劑有限公司；N-丙基乙二胺（PSA） Agela Technologies公司；次氯酸鈉 分析純，天津市博華通化工產品銷售中心；無水硫酸鎂 分析純，天津科密歐化學試劑有限公司；試驗用水，如未特殊說明，均為超純水；馬鈴薯均購自當地有機農場，切割方式見表1。

表1 馬鈴薯切割方式Table 1 Cutting methods of potato

GCMS-TQ8050三重四極桿型氣相色譜質譜聯用儀 日本島津公司；KD200氮吹儀 杭州奧盛儀器有限公司；XYS-C-12電生功能滅菌水生成器 寶雞新宇光機電有限責任公司；LE225D精密電子天平

北京賽多利斯儀器有限公司；TD5A臺式低速離心機 湖南赫西儀器裝備有限公司；XYJ-H帕恩特實驗室中央超純水系統 北京湘順源科技有限公司；SX721pH/ORP氧化還原電位計 上海三信儀表廠；KQ-500DE數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；舜科2000潛水泵 廣州世承五金機電有限公司；SK-1渦旋混合器 上海耀壯檢測儀器設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 EFW的制備 以濃度為0.5‰的NaCl溶液為電解質，電生功能滅菌水生成器通10.0 V交流電壓，電流變化范圍為2.8~4.3 A，時間為10 min，得到pH為2.8~3.0，氧化還原電位（oxidation-reduction potential, ORP）為1000~1300 mV，有效氯含量（available chlorine content, ACC）為30~120 mg·L?1的AcEW和pH為11.4~11.9，ORP為?800~?1000 mV，ACC為10~60 mg·L?1的AlEW。pH和ORP值用pH/ORP氧化還原電位計檢測，ACC采用碘量法滴定測定[20]。低溫避光保存，現用現制。

1.2.2 模擬污染 將上述不同切割方式的馬鈴薯（經QuEChERS前處理方法結合GC-MS檢測不含腐霉利、甲拌磷、百菌清、毒死蜱）用稀釋后的農藥混合液（腐霉利0.054%，甲拌磷0.15%，百菌清0.094%，毒死蜱0.056%）在室溫下浸泡20 min[21]，取出置于通風櫥中避光自然風干待用。取上述經模擬污染處理后的馬鈴薯凈菜進行進樣前處理，作農藥殘留量本底測定。

1.2.3 不同清洗處理對蔬菜中農藥去除效果研究為評價EFW聯合超聲波對不同切割方式馬鈴薯中4種農藥殘留的去除效果，進行如下4種清洗處理。處理后，所有樣品在室溫下自然干燥1 h，然后進行農藥殘留提取和分析。所有獨立試驗均重復3次。

1.2.3.1 清洗液對農藥殘留去除的影響 取污染后樣品各50 g，在400 mL的AcEW、AlEW、自來水（tap water, TW）和NaClO溶液中25 ℃浸泡20 min。

1.2.3.2 樣液比對農藥殘留去除的影響 取污染后樣品各50 g，以AcEW為清洗液，25 ℃下分別以1:20、1:40、1:80、1:160和1:320的樣液比進行浸泡，時間為20 min。樣液比為樣品質量（g）與清洗液體積（mL）之比。

1.2.3.3 超聲波功率對農藥殘留去除的影響 取污染后樣品各50 g，以AcEW為清洗液，25 ℃下以1:20為樣液比，分別在超聲波功率為200、300、400、500 W時進行清洗，時間為20 min。

1.2.3.4 清洗時間對農藥殘留去除的影響 根據上述篩選的清洗條件，分別對污染后的凈菜樣品進行5、10、15、20、25 min清洗處理。

1.2.4 農藥殘留測定

1.2.4.1 樣品前處理 取均勻樣品5 g于離心管中，加1 g氯化鈉，7 mL乙腈，渦旋混勻后振蕩20 min，加2 g無水硫酸鎂，渦旋混勻，5000 r/min離心5 min，取出上清液移于另一離心管中，再加1.5 g無水硫酸鎂，0.5 g PSA，渦旋混勻，5000 r/min離心3 min，取上清液在室溫下氮氣吹干，加入2 mL乙酸乙酯，渦旋混勻后過0.22 μm有機濾膜，待GC-MS分析測定。

1.2.4.2 標準溶液配制 取4種農藥標準品1 mL，使用乙酸乙酯溶解，渦旋混勻，定容至100 mL作標準貯備液，濃度均為1 μg·mL?1，在?20 ℃冰箱中保存待用。

1.2.4.3 色譜條件 Rtx-5Sil MS毛細色譜柱，30 m×0.25 mm×0.25 μm；柱箱溫度：50 ℃；柱溫升溫程序60 ℃（2 min），以25 ℃/min上升至150 ℃，以2 ℃/min上升至260 ℃（15 min）；進樣口溫度：250 ℃；載氣：高純氦氣；進樣量：1 μL；流速：1 mL·min?1；進樣模式：不分流進樣。

1.2.4.4 質譜條件 離子源：EI源；離子源溫度：220 ℃；電子轟擊能量：70 eV；掃描方式：單離子檢測掃描方式（SIM）；傳輸線溫度：250 ℃。腐霉利、甲拌磷、百菌清、毒死蜱4種農藥的質量分析參數見表2。

表2 農藥的質量分析參數Table 2 Mass spectrometric parameters for pesticides

1.2.4.5 農藥殘留去除率的計算

1.3 數據處理

利用島津GC Solution軟件對數據進行采集，Microsoft Office Excel 2019版對數據進行分析，SPSS 17.0統計軟件對試驗數據進行處理；使用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 農藥標準曲線的繪制及選擇離子色譜圖

將各農藥標準物質貯備液配制成1、2、10、50、100、200、500 μg·kg?1系列的標準工作液，在1.2.4的儀器分析條件下進行測定，經單離子檢測掃描，以各農藥組分的峰面積（y）為縱坐標、質量濃度（x）為橫坐標繪制標準曲線。結果表明：4種農藥的質量濃度在一定濃度范圍內與響應值呈線性關系，相關系數（r）均大于0.998。以信噪比（S/N）為3確定檢出限（LOD），以信噪比（S/N）為10確定定量限（LOQ），方法檢出限和定量限分別在1~3 μg·kg?1和3~10 μg·kg?1（表3）。腐霉利、甲拌磷、百菌清、毒死蜱4種農藥標準溶液的選擇離子色譜圖見圖1。

圖1 甲拌磷（A）、百菌清（B）、毒死蜱（C）和腐霉利（D）的選擇離子色譜圖Fig.1 Select ion chromatograms of phorate (A), chlorothalonil(B), chlorpyrifos (C) and procymidone (D)

表3 4種農藥的線性范圍、線性方程、相關系數、檢出限和定量限Table 3 Linear ranges, linear equations, correlation coefficients, detection limits and quantitative limits of 4 pesticides

2.2 添加回收率與相對標準偏差

在空白馬鈴薯凈菜樣品中添加10、20、50 μg·kg?13個水平4種農藥的混合標準溶液進行回收率實驗。每個添加濃度重復測定6次，計算添加回收率和測定結果的相對標準偏差（relative standard deviation, RSD），各農藥在馬鈴薯凈菜樣品中的相關參數見表4。結果表明：馬鈴薯凈菜樣品中農藥添加回收率在93.70%~98.57%之間，RSD為4.1%~8.0%，方法的準確度和精密度均符合分析的要求。

表4 4種農藥的添加回收率和相對標準偏差（n=6）Table 4 Recoveries and RSDs of 4 pesticides(n=6)

2.3 不同因素對農藥殘留去除效果的影響

2.3.1 清洗液對農藥殘留去除效果的影響 由圖2可知，4種清洗液對不同切割方式馬鈴薯凈菜中農藥殘留均有去除效果，且差異顯著（P<0.05）。甲拌磷和毒死蜱在清洗液為AcEW時去除效果優于AlEW、NaClO溶液和TW。這與胡朝暉等[14]用4種清洗液處理毒死蜱農藥殘留去除效果結果一致。AlEW對腐霉利和百菌清的去除率高于AcEW、NaClO溶液和TW。鑒于有機磷農藥毒性強且AcEW去除有機磷的能力遠高于AlEW，因此實驗選取AcEW作為清洗液。在AcEW清洗條件下，馬鈴薯絲有機磷（甲拌磷和毒死蜱）和殺菌劑（腐霉利和百菌清）農藥殘留去除率分別是37.42%和35.31%；馬鈴薯條有機磷和殺菌劑農藥殘留去除率分別是33.26%和27.52%；馬鈴薯片有機磷和殺菌劑農藥殘留去除率分別是26.18%和23.39%；馬鈴薯丁有機磷和殺菌劑農藥殘留去除率分別是21.11%和20.02%。

圖2 清洗液對馬鈴薯絲（A）、馬鈴薯條（B）、馬鈴薯片（C）、馬鈴薯丁（D）農藥殘留去除率的影響Fig.2 Effect of different washing solutions on pesticide removal rates in potato silks （A）, potato strips（B）, potato slices（C）and potato dices （D）

2.3.2 樣液比對農藥殘留去除效果的影響 由圖3可知，隨樣液比的升高，不同切割方式的馬鈴薯凈菜農藥殘留去除率變化不大，可知樣液比對AcEW去除馬鈴薯凈菜中農藥殘留影響不顯著（P>0.05）。樣液比過高會造成水資源浪費，考慮節約成本和便于控制等一系列問題，不同切割方式馬鈴薯凈菜均取1:20作為適宜樣液比。此時，馬鈴薯絲、馬鈴薯條、馬鈴薯片和馬鈴薯丁的有機磷和殺菌劑農藥殘留去除率分別是35.14%、33.30%；30.80%、27.47%；29.34%、21.82%和22.70%、20.65%。

圖3 樣液比對馬鈴薯絲（A）、馬鈴薯條（B）、馬鈴薯片（C）、馬鈴薯丁（D）農藥殘留去除率的影響Fig.3 Effect of the ratio of sample to washing solution on pesticide removal rates in potato silks （A）, potato strips（B）,potato slices（C）and potato dices （D）

2.3.3 超聲波功率對農藥殘留去除效果的影響 由圖4可知，隨超聲波功率的增加，不同切割方式馬鈴薯凈菜的農藥殘留去除率呈現不同變化趨勢且有顯著差異（P<0.05）。馬鈴薯絲在超聲波功率為200 W時出現峰值，農藥殘留去除率分別為78.79%和45.96%。馬鈴薯條和馬鈴薯片在超聲波功率為500 W出現峰值，但此時觀察到其出現了輕微磨損現象，產品品質受到影響，因此選取400 W為適宜超聲波功率，此時馬鈴薯條的農藥殘留去除率分別為75.05%和45.91%，馬鈴薯片的農藥殘留去除率分別為70.56%和37.50%。隨著超聲功率的增加，馬鈴薯丁的農藥殘留去除率呈現升高后下降的趨勢，在功率為400 W時達到峰值，有機磷和殺菌劑農藥殘留去除率分別為68.46%和36.92%。

圖4 超聲波功率對馬鈴薯絲（A）、馬鈴薯條（B）、馬鈴薯片（C）、馬鈴薯丁（D）農藥殘留去除率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on pesticide removal rates in potato silks （A）, potato strips（B）, potato slices（C）and potato dices （D）

2.3.4 清洗時間對農藥殘留去除效果的影響 由圖5可知，隨清洗時間的增加，不同切割方式馬鈴薯凈菜的農藥殘留去除效果呈現不同的變化趨勢且差異顯著（P<0.05）。馬鈴薯絲和馬鈴薯條農藥殘留去除率呈先升高再降低的趨勢，在清洗時間為10 min時農藥殘留去除率出現峰值，有機磷和殺菌劑農藥殘留去除率分別為78.03%、47.27%和75.52%、45.05%。馬鈴薯片和馬鈴薯丁農藥殘留去除率呈先降低再升高的趨勢，在清洗時間為25 min出現峰值，但此時馬鈴薯片和馬鈴薯丁出現輕微萎蔫，因此，馬鈴薯片和馬鈴薯丁的清洗時間選取與其農藥殘留去除效果接近的20 min為宜。此時，有機磷和殺菌劑農藥殘留去除率為71.85%、40.65%和69.18%、41.33%。

圖5 清洗時間對馬鈴薯絲（A）、馬鈴薯條（B）、馬鈴薯片（C）、馬鈴薯丁（D）農藥殘留去除率的影響Fig.5 Effect of washing time on pesticide removal rates in potato silks （A）, potato strips（B）, potato slices（C）and potato dices （D）

3 討論

本實驗選用的4種農藥在常溫、中性環境下均具有穩定的理化性質。腐霉利在堿性條件下不穩定易水解，在酸性條件下，水解緩慢。百菌清在酸性和微堿性溶液中較為穩定，在pH9時緩慢水解，在強堿下易分解，因此，腐霉利和百菌清在AlEW中去除率優于AcEW。毒死蜱和甲拌磷在強酸環境下不穩定，容易水解，毒性降低。AcEW提供的酸性環境對毒死蜱和甲拌磷的水解十分有利，低pH使EFW具有較強的氧化性，可以氧化農藥，將毒死蜱和甲拌磷中的P=S轉化成P=O，并能破壞其環狀結構[14]，使AcEW去除有機磷農藥殘留效果優于AlEW。這與劉振龍[22]得出的酸性條件下去除小白菜中毒死蜱殘留效果優于堿性條件的研究結果相一致。由于有機磷農藥與殺菌劑相比對人體的毒性和危害更大，遂采用AcEW作為清洗液對這4種農藥進行清洗。

超聲波降解農藥是利用超聲波的空化作用，引起的自由基反應來降解農藥殘留[23]。高頻率的振動加速了農藥分子之間的運動，使其化學鍵斷裂，變為易溶的小分子無毒物質[24?25]，增加農藥分子降解溶出幾率，以達到去除農藥殘留的目的。超聲波的功率越大，機械作用越強烈，越有利于農藥殘留的降解[17]，但本實驗中不同切割方式馬鈴薯凈菜均出現了因較高功率清洗時機械作用強度過大而導致的損傷現象。馬鈴薯絲的比表面積較大，在200 W時已達到峰值，但隨著超聲波功率的增加，馬鈴薯絲的組織結構和細胞形態產生破壞，造成農藥二次污染，從而出現農藥殘留去除率不升反降的現象。馬鈴薯條、馬鈴薯片、馬鈴薯丁的比表面積較馬鈴薯絲小，更能適應較高的功率清洗，但均在超過400 W后出現了馬鈴薯凈菜磨損的現象。

在AcEW與超聲波清洗的聯合作用下，清洗時間的增加會促進農藥殘留降解。但劉偉森等[6]研究表明：超聲波作用處理5 min后，娃娃菜中樂果的殘留去除率逐步降低。本實驗中馬鈴薯絲和馬鈴薯條在清洗處理超過10 min后，農藥殘留去除率也出現逐步降低的現象，可能是由于馬鈴薯絲的比表面積較大，清洗時間的增加會引起馬鈴薯凈菜的細胞破裂，影響馬鈴薯凈菜表面細胞的滲透作用，導致農藥在馬鈴薯凈菜中再次內吸和富集[26?27]。馬鈴薯片和馬鈴薯丁的比表面積較小，能夠在25 min時達到農藥殘留去除率的峰值，但也因清洗時間過長，導致馬鈴薯片和馬鈴薯丁出現部分萎蔫，因此清洗時間不宜過長。不同切割方式的馬鈴薯凈菜農藥殘留去除率均在清洗時間5 min后才出現峰值，表明短時間超聲波清洗不利于發揮超聲波的空化作用。此外，AcEW的理化性質以及馬鈴薯的營養成分對超聲波作用也有削弱能力[28]，從而影響農藥殘留的去除效果。

4 結論

馬鈴薯凈菜中不同農藥殘留去除率由大到小依次為：甲拌磷>毒死蜱>腐霉利>百菌清。去除不同切割方式馬鈴薯凈菜中甲拌磷、毒死蜱農藥殘留效果較優的清洗液為AcEW，去除腐霉利、百菌清農藥殘留效果較優的清洗液為AlEW，綜合分析選取AcEW為馬鈴薯凈菜的清洗液。樣液比對不同切割方式的馬鈴薯凈菜農藥殘留去除效果效果不顯著。超聲波功率和清洗時間對不同切割方式馬鈴薯凈菜的影響效果明顯。馬鈴薯絲的適宜超聲波清洗功率為200 W，馬鈴薯條、馬鈴薯片和馬鈴薯丁的適宜超聲波清洗功率均為400 W。馬鈴薯絲和馬鈴薯條的適宜清洗時間為10 min，馬鈴薯片和馬鈴薯丁的適宜清洗時間為20 min。本研究為電生功能水-超聲波清洗在去除果蔬農藥殘留領域的應用以及馬鈴薯凈菜品質保持，奠定了理論基礎和技術支持，具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。