超聲波降解蘋果汁中的甲胺磷*

張媛媛，楊斯超，張慧，侯亞西，張家寧，陳芳，胡小松

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)部果蔬加工重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京，100083)

超聲波降解蘋果汁中的甲胺磷*

張媛媛，楊斯超，張慧，侯亞西，張家寧，陳芳，胡小松

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)部果蔬加工重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京，100083)

為了去除蘋果汁中的有機(jī)磷農(nóng)藥殘留，提高其安全性，文中以甲胺磷為例，研究了超聲波處理對蘋果汁中甲胺磷的降解效果以及超聲功率和處理時間對甲胺磷降解的影響。結(jié)果表明:超聲波能顯著降低蘋果汁中的甲胺磷濃度，且超聲功率和處理時間對甲胺磷的降解均有顯著影響(P＜0.05)。隨著功率的增加和處理時間的延長，甲胺磷的降解率升高。當(dāng)超聲功率為500 W，處理時間為120 min時，甲胺磷的降解率最大，達(dá)到57.2%。動力學(xué)分析表明，一級動力學(xué)模型能很好擬合超聲波作用下的甲胺磷降解。

超聲波，甲胺磷，蘋果汁，動力學(xué)

有機(jī)磷農(nóng)藥是我國應(yīng)用范圍最廣的農(nóng)藥品種之一。研究表明有機(jī)磷農(nóng)藥具有強(qiáng)的抑制膽堿酯酶的作用［1］，在較高殘留量時會引起急性中毒。另外，有機(jī)磷農(nóng)藥還有細(xì)胞毒性［2］、免疫毒性［3］和遺傳毒性［4］等慢性毒性。因此，控制有機(jī)磷農(nóng)藥在農(nóng)產(chǎn)品以及食品中的殘留量對于促進(jìn)國際貿(mào)易以及保護(hù)消費(fèi)者健康均具有重要意義。

我國濃縮蘋果汁出口量已經(jīng)從1998年的不足10 t上升到了2009年的79 t;其中2009的出口量占世界年貿(mào)易量的50%以上，出口創(chuàng)匯高達(dá)6億美元［5］。然而，在蘋果種植中，長期大量和高頻率地使用有機(jī)磷農(nóng)藥，導(dǎo)致蘋果加工后濃縮蘋果汁中有機(jī)磷農(nóng)藥超標(biāo)的情況屢有發(fā)生［6］。隨著各國對食品安全要求的提高以及國際貿(mào)易競爭的不斷加劇，國際市場對濃縮蘋果汁中農(nóng)藥殘留的限制越來越嚴(yán)，降低濃縮蘋果汁中的農(nóng)藥殘留成為我國濃縮蘋果汁加工業(yè)的主要技術(shù)難題之一［7］。

超聲波是頻率高于16kHz的機(jī)械波，近年來在污染物降解包括農(nóng)藥降解方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用［8－9］，其最大的特點(diǎn)是在降解污染物過程中可以不用添加任何化學(xué)物質(zhì)。此外，超聲波技術(shù)具有一定的殺菌［10］和鈍化酶活［11］的作用;同時，和傳統(tǒng)的熱加工技術(shù)相比，超聲波技術(shù)具有殺菌溫度低、耗能小和對食品品質(zhì)的影響小等優(yōu)點(diǎn)［10］。因此，該技術(shù)已經(jīng)被美國食品與藥物管理局(FDA)列為可供選擇的非熱殺菌方法之一［12］。前人研究表明，超聲波能降解環(huán)境廢水中的農(nóng)藥［8］。因此，如果能將超聲波技術(shù)應(yīng)用于蘋果汁加工過程中，殺滅微生物、鈍化酶活及降解農(nóng)藥殘留將一步完成，同時最大程度的保持蘋果汁的新鮮度，將對生產(chǎn)產(chǎn)生重要意義。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)濃縮果汁的原料來源不同，殘留農(nóng)藥的種類和水平差異較大。因此，本研究選用具有高毒、高殘留、難以降解等特點(diǎn)［13］的甲胺磷作為目標(biāo)農(nóng)藥，同時，選用較高濃度的農(nóng)藥殘留量(mg/kg級)，建立用超聲波降解有機(jī)磷農(nóng)藥的模擬體系，研究超聲波技術(shù)對農(nóng)藥的降解效果。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和試劑

濃縮蘋果汁，煙臺北方安德利果汁股份有限公司提供，該濃縮蘋果汁中無甲胺磷檢出。甲胺磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品購于Dr.Ehrenstorfer公司，使用前配制成1mg/mL農(nóng)藥儲備液。重蒸乙腈，農(nóng)殘級丙酮，分析純NaCl于140℃烘烤4 h后置于干燥器中備用。

1.2 主要儀器與設(shè)備

JY92－II型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)(寧波新芝生物科技股份有限公司)，HX-1050恒溫循環(huán)器(北京德天佑科技發(fā)展有限公司)，HP-5毛細(xì)管柱(30 m×0.53 mm，1.5μm;美國安捷倫公司)，0.22 μm 有機(jī)系針式過濾器，福立GC9790型氣相色譜儀-配火焰光度檢測器(GC-FPD，浙江福立分析儀器有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 蘋果汁模擬體系的制備

將濃縮蘋果汁加入7倍體積的水進(jìn)行稀釋，獲得13°Brix的還原蘋果汁。取1mg/mL的甲胺磷標(biāo)準(zhǔn)品儲備液6mL于燒杯中，氮?dú)獯蹈珊笥蒙倭窟€原蘋果汁溶解并轉(zhuǎn)移至體積為3 L的還原蘋果汁中?；旌暇鶆蚝?，測得該還原蘋果汁中甲胺磷濃度為1.82 mg/L，用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)處理。

1.3.2 超聲波處理

準(zhǔn)確量取75mL還原蘋果汁于容積為100mL的冷阱中，分別在設(shè)定功率和設(shè)定時間下進(jìn)行超聲波處理。冷阱連接于25℃恒溫循環(huán)器上以保持處理過程中溫度恒定。處理后的樣品于4℃下保存，并在48 h內(nèi)分析完畢。

1.3.3 檢測方法

樣品前處理:蘋果汁中有機(jī)磷農(nóng)藥的測定參考農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)NY/T 761－2004，并略作改進(jìn)。準(zhǔn)確量取20.00mL蘋果汁于200mL具塞三角瓶中，加入50.00mL乙腈，振蕩提取30 min;然后將蘋果汁和乙腈的混合液轉(zhuǎn)移至含有7g NaCl的100mL具塞量筒中，蓋上塞子劇烈振搖1min，室溫下靜置10min，使乙腈和水相分層;用移液管準(zhǔn)備吸取10.00mL乙腈相溶液，40℃下濃縮至近干，氮?dú)獯蹈珊笥帽ㄈ葜?.0mL，用0.22μm的針式過濾器過濾后轉(zhuǎn)移至樣品瓶中待分析。

GC檢測條件:HP-5色譜柱，柱溫240℃，進(jìn)樣口溫度250℃，F(xiàn)PD檢測器溫度(配磷濾光片)260℃;升溫程序?yàn)?20℃保持1min，10.0℃/min的速度升至240℃，保持5min;氣流條件為載氣(N2)壓力0.05 MPa;氫氣(H2)壓力0.1 MPa;空氣(助燃?xì)?壓力0.03 MPa;進(jìn)樣量1.0μL;進(jìn)樣方式為不分流進(jìn)樣。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)分析采用方差分析(ANOVA)，所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次。用Origin Pro7.5統(tǒng)計(jì)軟件分析數(shù)據(jù)并制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 甲胺磷分析方法的回收率和精密度

甲胺磷的定性分析采用和標(biāo)準(zhǔn)品出峰時間比較的方法，其定量分析采用外標(biāo)法。當(dāng)蘋果汁中甲胺磷的添加濃度為0.10～5.00 mg/L時，甲胺磷的回收率為85%～98%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.1%～13.6%。方法的準(zhǔn)確度和精密度能達(dá)到農(nóng)藥殘留分析要求，檢測方法準(zhǔn)確可靠。

2.2 超聲功率對甲胺磷降解效果的影響

將甲胺磷濃度為1.82 mg/L的蘋果汁分別在100、300、500 W的超聲功率下處理60 min，其濃度變化如圖1所示。方差分析表明，超聲波功對蘋果汁中的甲胺磷的濃度具有顯著影響(P＜0.05)。從圖1中可以看出，隨著超聲功率的提高，甲胺磷的濃度顯著降低。當(dāng)超聲功率為100 W時，甲胺磷的降解率為14.1%;當(dāng)超聲功率為300 W時，甲胺磷的降解率提高到30.1%;在功率為500 W時，甲胺磷的降解率最高，達(dá)到35.9%。這與Schramm等人在研究超聲波降解敵敵畏時的結(jié)果相似［8］。超聲波功率的提高對甲胺磷降解的促進(jìn)作用可以用空化效應(yīng)來解釋。當(dāng)超聲功率提高時，體系中的能量增加，從而促進(jìn)空化氣泡增加，并使溶液中自由基的濃度升高［14］，從而有利于促進(jìn)甲胺磷的降解;此外，高功率下超聲所帶來的更強(qiáng)烈的機(jī)械效應(yīng)例如攪拌和振蕩等［15］也有利于甲胺磷的降解。

圖1 超聲功率對蘋果汁中甲胺磷的影響

2.3 超聲時間對甲胺磷降解效果的影響

為分析超聲時間對甲胺磷降解的影響，將含有甲胺磷為1.82 mg/L的蘋果汁分別在100、300和500 W 的功率下處理 15、30、45、60、75、90、105、120 min，跟蹤測定甲胺磷的濃度(圖2所示)。

圖2 超聲處理時間對蘋果汁中甲胺磷的影響

從圖2中可以看出，在100、300和500 W功率下，隨著處理時間的延長，甲胺磷的濃度均呈持續(xù)下降趨勢。以功率300 W為例，處理60 min時，甲胺磷的降解率為30.1%;將處理時間延長至120 min，甲胺磷的降解率上升至47.2%。在功率為500 W，處理時間為120 min時，降解率達(dá)到最大值57.2%。方差分析的結(jié)果表明，處理時間對甲胺磷的降解有顯著影響(P＜0.05)。這主要是因?yàn)殡S著處理時間的增長，體系內(nèi)空化氣泡增多，使體系中自由基濃度、過氧化氫濃度升高［16］，從而促進(jìn)了甲胺磷的降解。

2.4 甲胺磷降解動力學(xué)

2.4.1 二級動力學(xué)模型

二級動力學(xué)的公式為:1/ct－1/c0=kt，其中t表示超聲波的處理時間，k表示降解速率，c0和ct分別表示甲胺磷的初始濃度和超聲處理t時間后的濃度。

以1/ct－1/c0為縱坐標(biāo)，以時間為縱坐標(biāo)作圖，得到以k為斜率的直線方程，如圖3所示。其相關(guān)參數(shù)列于表1。從表1可以看出，在3個功率下，盡管模型的P值都小于0.001，但對于100 W功率下的R2，其值僅僅為0.578，表明擬合度較低。這說明該模型不適合用于分析甲胺磷的降解動力學(xué)。

圖3 蘋果汁中甲胺磷二級動力學(xué)模型擬合圖

表1 蘋果汁中甲胺磷降解動力學(xué)擬合相關(guān)數(shù)據(jù)

2.4.2 一級動力學(xué)模型

一級動力學(xué)模型是一個廣泛應(yīng)用于描述農(nóng)藥在環(huán)境中降解的數(shù)學(xué)模型［17－18］，也常應(yīng)用于分析超聲波作用下污染物的降解規(guī)律［15］。其表達(dá)式為:ct=c0e-kt，其中t表示超聲波的處理時間，k表示降解速率，c0和ct分別表示甲胺磷的初始濃度和超聲處理t時間后的濃度。兩邊取對數(shù)，該公式可以換化為:ln(ct/c0)=-kt。

以ln(ct/c0)為縱坐標(biāo)，以時間為橫坐標(biāo)做圖，得到以k為斜率的直線方程，如圖4所示。其相關(guān)參數(shù)列于表1。從表1可以看出，在3個功率下，模型的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.97，表現(xiàn)出良好的擬合度。此外，各P值均小于0.000 1，表現(xiàn)出極強(qiáng)的顯著性。這說明該模型能夠很好的擬合蘋果汁中的甲胺磷在超聲處理過程中的降解規(guī)律。

圖4 蘋果汁中甲胺磷一級動力學(xué)模型擬合圖

此外，通過對k值和半衰期t1/2的分析可以看出，甲胺磷的k值隨著功率的增加而增加，而半衰期隨功率的增加而縮短。例如當(dāng)功率從100 W提高到300 W時，k值由0.002 5提高到0.007 7，相應(yīng)的半衰期由279.5 min減少至90.3 min。另外，一級動力學(xué)的k值也可以反映甲胺磷在不同功率條件下降解的速率:功率越大，k值越大，甲胺磷越容易被降解。這與甲胺磷的降解率隨著功率的升高而升高一致。

2.4.3 零級動力學(xué)模型

零級動力學(xué)的公式為:ct=-kt+c0，其中t表示超聲波的處理時間，k表示降解速率，c0和ct分別表示甲胺磷的初始濃度和超聲處理t時間后的濃度。以ctc0為縱坐標(biāo)，以時間為縱坐標(biāo)作圖，得到以k為斜率的直線方程，如圖5所示。其相關(guān)參數(shù)列于表1。從表1可以看出，在3個功率下，模型的P值均小于0.001，表現(xiàn)出良好的顯著性。同時，各功率下的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.95，表現(xiàn)出良好的擬合度。這說明該模型能夠在一定程度上擬合蘋果汁中甲胺磷的降解規(guī)律。然而，就R2而言，一級動力學(xué)模型的R2更高，能更好的解釋甲胺磷的降解規(guī)律。

圖5 蘋果汁中甲胺磷零級動力學(xué)模型擬合圖

3 結(jié)論與展望

超聲波能顯著降低蘋果汁中的甲胺磷殘留，且隨著功率的增加和超聲時間的延長，超聲波技術(shù)能顯著提高甲胺磷的降解率(P＜0.05);當(dāng)超聲功率為500 W，處理時間為 120 min時，降解率達(dá)到最大值57.2%。

模型分析的結(jié)果表明，與二級動力學(xué)模型和零級動力學(xué)模型相比，一級動力學(xué)模型能很好的擬合蘋果汁中的甲胺磷在超聲下的降解規(guī)律。

在實(shí)際生產(chǎn)中，殘留農(nóng)藥的濃度常常低于本研究所采用的濃度。而Hua等人［19］的研究表明，在同一超聲處理?xiàng)l件下，農(nóng)藥的降解率隨著農(nóng)藥初始濃度的降低而上升。因而，在實(shí)際的蘋果汁體系中，采用超聲波處理完全有可能使農(nóng)藥殘留降到較低的水平，從而達(dá)到國際貿(mào)易中對蘋果汁中農(nóng)藥殘留的限量要求，并大幅度降低消費(fèi)者的安全風(fēng)險。

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Degradation of Methamidophos in Apple Juice by Ultrasonic Treatment

Zhang Yuan-yuan，Yang Si-chao，Zhang Hui，Hou Ya-xi，Zhang Jia-ning，Chen Fang，Hu Xiao-song
(College of Food Science＆ Nutritional Engineering，Key Laboratory of Fruits and Vegetables Processing，Ministry of Agriculture，Engineering Research Centre for Fruits and Vegetables Processing，Ministry of Education，China Agricultural University，Beijing 100083，China)

In order to eliminate the organophosphorus pesticides residues in apple juice and improve its safety，ultrasonic treatment was use to decrease the concentration of methamidophos in apple juice.Results showed that ultrasonic treatment was effective for the degradation of methamidophos.The degradation percentage of methamidophos was significantly improved as power and treatment time increased during ultrasonic treatment(P ＜0.05).The maximum degradation(57.2%)was achieved after the ultrasonic treatment at 500W for 120 min.The degradation kinetics of methamidophos was fitted to the first－order kinetics model well.

ultrasonic treatment，methamidophos，apple juice，degradation kinetics

博士研究生(陳芳副教授為通訊作者)。

*北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(101105046610001);中國農(nóng)業(yè)大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)研究生科研創(chuàng)新專項(xiàng)(kycx09100);中國農(nóng)業(yè)大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(2009JS77)。

2010－05－02，改回日期:2010－10－05