超聲波處理降解蘋果汁中的農(nóng)藥毒死蜱

余振華，韓舜愈，盛文軍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，甘肅 蘭州　730070)

?

超聲波處理降解蘋果汁中的農(nóng)藥毒死蜱

余振華，韓舜愈，盛文軍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，甘肅 蘭州730070)

摘要：【目的】 為降低蘋果汁中農(nóng)藥毒死蜱的殘余量.【方法】 采用超聲波處理促進其降解，通過單因素試驗考察了蘋果汁中毒死蜱的初始濃度、超聲處理時間、超聲處理溫度對蘋果汁中毒死蜱降解率的影響，并在此基礎上采用響應面法對降解工藝進行優(yōu)化.【結果】 回歸模型能較好的反應各因素水平與響應值之間的關系，同時最佳降解工藝參數(shù)為超聲溫度65 ℃，處理時間85 min，蘋果汁中毒死蜱初始濃度為163 μg/L，在此條件下蘋果汁中毒死蜱降解率可達85.796 7%.【結論】 該研究可以為果汁中農(nóng)藥毒死蜱殘留的降解提供參考.

關鍵詞：蘋果汁；毒死蜱；超聲波；響應面法

毒死蜱(chlorpyrifos)， 化學名稱O，O-二乙基-O-(3，5，6-三氯-2-吡啶基)硫代磷酸酯，是一種含氯雜環(huán)類的有機磷低毒殺蟲劑，可防治地上、地下農(nóng)作物的病蟲危害[[1-2].動物試驗證明，毒死蜱可以增加超氧化物歧化酶的活性[3]，但是同時毒死蜱具有甲狀腺激素作用，刺激大鼠甲狀腺激素依賴的垂體細胞增殖，可能會導致嬰兒認知功能出現(xiàn)障礙[4].

毒死蜱在中性或弱酸性介質中水解緩慢，其殘留問題引起各國重視.歐盟委員會規(guī)定蘋果中毒死蜱最大殘留量為0.5 mg/kg；美國環(huán)保署將蘋果中毒死蜱的殘留限量定為0.01 mg/kg[5].在我國，規(guī)定蘋果中毒死蜱殘留最高限量為1 mg/kg[6].

現(xiàn)階段，毒死蜱仍作為國內蘋果種植常用殺蟲劑，在蘋果濃縮汁生產(chǎn)中造成農(nóng)藥殘留超標的情況時有發(fā)生.目前常見的農(nóng)藥殘留降解技術主要包括物理法、化學法和微生物法三大類[7]，而應用于蘋果汁中毒死蜱的降解方法鮮有報道.超聲波具有簡單、方便、高效、污染小等諸多優(yōu)點.因此，本研究擬以天水產(chǎn)區(qū)所榨蘋果汁為試驗原料，在其中接入定量毒死蜱工作液嘗試通過超聲波處理使其降解，以期為果汁中農(nóng)藥殘留的降解提供參考.

1材料與方法

1.1試驗材料

濃縮蘋果汁：天水產(chǎn)區(qū)主要榨汁蘋果所榨蘋果汁，由甘肅天水長城果汁有限公司提供.

1.2主要試劑

毒死蜱：市售毒死蜱農(nóng)藥；毒死蜱工作液：取市售農(nóng)藥1 mL稀釋至1 000 mL的容量瓶中，制備成毒死蜱工作液；含定量毒死蜱蘋果汁：取濃縮果汁72 mL，加入毒死蜱工作液10 mL，用蒸餾水定容至500 mL，低溫4 ℃保藏備用；氯化鈉、丙酮、石油醚均為分析純.

1.3儀器設備

RE-6000A旋轉蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠；SHZ-Ⅲ循環(huán)水真空泵，上海亞榮生化儀器廠；CPJ214型電子天平，奧豪斯儀器(上海)有限公司；JY92-11D 900W溫控超聲波細胞粉碎機，寧波新芝生物科技股份有限公司；TY10WD-12水浴氮吹儀，上海欠世環(huán)保科技有限公司；氣相色譜儀(美國PE公司).

1.4果汁中毒死蜱的測定

參照有機磷農(nóng)藥的測定( NY/T 761-2004)并做修改.準確量取10 mL試樣，置于125 mL分液漏斗中，加入2 g氯化鈉和20 mL丙酮，振搖1 min，靜置分層.取上層有機相，將水層放入另一分液漏斗，用丙酮重復提取2次(每次用量20 mL).棄去水層，合并3次丙酮提取液于原分液漏斗，并加入20 mL水溶液和20 mL石油醚振蕩、靜置分層，取上層有機相，提取2次，合并有機相.全部轉移至旋轉蒸發(fā)器內，于40～45 ℃下，蒸至剩余溶液約為1～2 mL.用石油醚將此溶液轉移至5 mL棕色小瓶內于40 ℃下用氮氣吹干.用2.0 mL石油醚溶解殘留物，經(jīng)0.45 μm濾膜濾至樣液小瓶內，供GC測定.

1.5GC檢測條件

甘肅省出入境檢驗檢疫局Elite-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；進樣口溫度：250 ℃；載氣(氮氣)；流速：0.8 mL/min；分流比為30∶1；升溫程序：181 ℃保持3 min，以3 ℃/min的速度升至280 ℃，保持4 min；ECD檢測器溫度：375 ℃.結果以下式計算：

θ毒死蜱(%)=(C0-C1)/C0×100%；

式中：C0為空白對照果汁中的毒死蜱質量濃度，μg/L；C1為試驗處理后的果汁中的毒死蜱質量濃度，μg/L.

1.6超聲波降解蘋果汁中毒死蜱條件的優(yōu)化

1.6.1超聲波處理溫度對毒死蜱降解率的影響取上述50 mL含毒死蜱的蘋果汁于燒杯中，選擇25、35、45、55、65 ℃ 5個不同溫度進行單因素試驗，處理時間為70 min，每個處理做2個重復.空白不做處理.

1.6.2超聲波處理時間對毒死蜱降解率的影響取上述50 mL含毒死蜱的蘋果汁于燒杯中，控制環(huán)境溫度30 ℃，處理溫度為之前所選最優(yōu)值，選擇30、50、70、90、110 min 5個不同的處理時間進行單因素試驗，每個處理做2個重復，空白不做處理.

1.6.3毒死蜱初始質量濃度對其降解率的影響控制環(huán)境溫度30 ℃，固定之前所選的最優(yōu)處理溫度與最優(yōu)處理時間，選擇蘋果汁中毒死蜱初始質量濃度分別為50、100、150、200、250μg/L 5個梯度進行單因素試驗，每個處理做2次重復，空白不做處理.

1.6.4響應面法優(yōu)化試驗在單因素試驗基礎上根據(jù)Box-Behnken的中心組和設計原理，以處理溫度(℃)、處理時間(min)和毒死蜱初始質量濃度(μg/L)3個因素為自變量，毒死蜱降解率(%)為響應值設計三因素三水平的響應面試驗[8]，試驗因素水平編碼見表1.

2結果與分析

2.1超聲波處理溫度對毒死蜱降解率的影響

超聲處理溫度對果汁中毒死蜱的降解效果見圖1，隨著溫度的升高，果汁中毒死蜱降解率呈先上升后下降趨勢.在低于55 ℃時，毒死蜱降解率緩慢增加，其上升比例分別為58.30%、1.79%和11.56%.當超聲波處理溫度為55 ℃時，降解率達到最高，為64.45%.之后其隨著溫度的升高逐漸下降，這可能是由于溫度過高使得果汁溶液表面產(chǎn)生霧化現(xiàn)象，導致原來界面趨于不明顯化，液體中的氣泡大量增多，液面反射能力削弱，聲波散射損耗加強，減少了聲波的利用率；并使氣泡的蒸氣壓增大，增強了氣泡閉合期間的緩沖作用，使空化能力減弱，降解能力也隨之減弱[9].在65 ℃時比55 ℃降低10.03%.因此，選擇超聲波處理溫度為55 ℃為最佳處理溫度.

表1　響應面試驗因素水平編碼

圖1　不同溫度超聲波處理對毒死蜱降解率的影響Fig.1　Variations of chlorpyrifos degradability after ultrasonic with different temperuture

2.2超聲波處理時間對毒死蜱降解率的影響

由圖2可以看出，在溫度為55 ℃時，超聲波處理對蘋果汁中毒死蜱的降解能力起初隨著處理時間的延長而逐漸增強，在90 min時達到最高點72.19%，而隨著處理時間的繼續(xù)延長，毒死蜱的降解率逐漸呈下降趨勢，到110 min時只能降解53.27%，比90 min時高出40.5%.其原因可能是由于果汁固有理化性質及營養(yǎng)成分對超聲波有削弱作用，此外，長時間超聲波處理造成果汁中水分蒸發(fā)也是使果汁中毒死蜱質量濃度不降反升的原因之一.因此選擇90 min為去除最佳時間.

圖2　不同時間超聲處理對毒死蜱降解率的影響Fig.2　Variations of chlorpyrifos degradability after ultrasonic with different time

2.3超聲處理含不同質量濃度毒死蜱的果汁對降解效果的影響

蘋果汁中毒死蜱初始質量濃度對降解率的影響見圖3，在55 ℃下處理90 min時，隨著蘋果汁中毒死蜱質量濃度的增加，超聲處理后降解率呈先增后減趨勢，在毒死蜱初始質量濃度為50 μg/L時降解率僅有38.15%，當毒死蜱初始質量濃度為150 μg/L時，其去除率達到最高點，為65.02%，此時果汁中毒死蜱的殘余量為42.84 μg/L.而當繼續(xù)加大毒死蜱初始質量濃度至250 μg/L時，只能去除果汁中38.36%的毒死蜱，其殘余量為75.5 μg/L.說明蘋果汁中毒死蜱初始質量濃度對降解效果有較大的影響.

圖3　不同毒死蜱初始質量濃度對降解率的影響Fig.3　Variations of chlorpyrifos degradability after ultrasonic with different concentration

2.4蘋果汁中毒死蜱去除條件的優(yōu)化

2.4.1回歸方程建立與方差分析以單因素試驗結果為基礎，根據(jù)Box-Behnken試驗設計原理，以處理溫度(℃)、處理時間(min)和毒死蜱初始濃度(μg/L)3個因素為自變量，毒死蜱降解率(%)為響應值進行三因素三水平響應面試驗，因素水平見表2，試驗設計及結果見表2.

試驗結果用 Design-Expert.8.05b數(shù)據(jù)分析軟件進行回歸分析，以處理溫度(℃)、時間(min)與毒死蜱初始質量濃度(μg/L)為響應變量，以毒死蜱降解率(%)為響應值進行二次回歸分析，得到二次回歸方程為：

表2　響應面試驗因素水平

Y=76.80+11.65A-2.00B+2.95C-0.55AB+0.65AC-1.95BC-2.67A2-6.67B2-7.58C2

表3　響應面設計方案和試驗結果

表4　響應面二次模型模型方差分析

*表示差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01).

2.4.2響應面分析利用Design-Expert.8.05b對表3進行多元二次回歸擬合分析，以超聲波處理溫度、處理時間以及蘋果汁中毒死蜱初始質量濃度之間的交互作用對蘋果汁中毒死蜱降解率的影響進行分析比較，做出響應面和等高線圖(圖4).

等高線的形態(tài)可直觀的反應出交互作用的強弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則與之相反[11].通過圖4等高線可以直觀的看出超聲處理時間與毒死蜱初始質量濃度等高線圖最為扁平，表示這2個因素之間相互影響最大，而超聲處理時間與處理溫度以及毒死蜱初始質量濃度與超聲處理溫度之間的相互影響較小.

由圖4-A可以看出，在因素考察范圍內，蘋果汁中毒死蜱降解率隨超聲波處理時間的延長而先增后減，處理時間為89 min為轉折點；隨超聲處理溫度的升高而逐漸增加強，到65 ℃左右時達到最大值；由圖4-B～C可知，超聲波處理溫度與毒死蜱初始質量濃度、超聲波處理時間與毒死蜱初始質量濃度對蘋果汁中毒死蜱的去除率均呈現(xiàn)出先增后減的關系，且超聲波處理溫度、毒死蜱初始質量濃度、超聲波處理時間的最大致出現(xiàn)在89 ℃、169 μg/L、65 min左右.

圖4　兩因素交互影響的響應面與等高線Fig.4　Response surface and contour plots for the interactive effects of three process parameters on the extraction efficiency of puerarin

2.4.3響應面驗證試驗根據(jù)Box-Behnken所得出的結果和二次多項式方程，利用Design-Expert計算出降低蘋果汁中毒死蜱吸附率的最佳工藝條件為：溫度65 ℃、超聲處理時間85.38 min、毒死蜱初始質量濃度為163.39 μg/L，在此條件下，蘋果汁中毒死蜱的降解率理論值為86.549 3%.根據(jù)實際試驗條件和計量精度將以上參數(shù)略作修改，即超聲波溫度65 ℃、處理時間85 min，毒死蜱初始質量濃度163 μg/L.根據(jù)修改后的工藝條件進行3次平行驗證試驗，蘋果汁中毒死蜱降解率為85.796 7%，與預測值相比降低了0.75%，可見該模型能夠較好的預測試驗結果，可以為蘋果汁生產(chǎn)中農(nóng)藥毒死蜱的去除提供一定的參考.

3結論

采用試驗設計軟件Design-Expert.8.05b，通過Box-Behnken中心組合試驗設計得出蘋果汁中毒死蜱降解率與超聲處理時間、超聲處理溫度以及蘋果汁中毒死蜱初始質量濃度的二次回歸方程模型為：Y=76.80+11.65A-2.00B+2.95C-0.55AB+0.65AC-1.95BC-2.67A2-6.67B2-7.58C2，對其進行方差分析表明該模型P=0.001 5遠小于0.01，極顯著，而失擬項P=0.767 8>0.05，不顯著，說明該模型擬合效果較好，能夠充分反映實際情況.

利用模型響應面及等高線，對影響毒死蜱降解率的關鍵因素及其相互作用進行探究得出優(yōu)化參數(shù)，根據(jù)實際試驗條件及計量精度對其進行適當修改后所得出的最優(yōu)去除條件為：超聲溫度65 ℃、處理時間85 min、蘋果汁中毒死蜱初始質量濃度163 μg/L，在此條件下蘋果汁中毒死蜱降解率可達85.796 7%.

參考文獻

[1]武春媛,陳楠,李勤奮,等.毒死蜱降解菌及其降解機理研究進展[J].熱帶作物學報,2011,32(10):1989-1994

[2]高飛飛.韭菜中毒死蜱的高殘留原因及去除技術研究[M].海南大學,2012,5

[3]Goel A,Dani V,Dhanwan D K.Protective efforts of zinc on lipid peroxidation,antioxidant enzymes and epatic histoarchitecture in chlorpyrifos-induced toxicity[J].Chemico-Biological Interactions,2005,156(2-3):131-140

[4]Ghisari M,Bonefeld-Jorgensen E C.Impact of environmental chemicals on the thyroid hormone function in pituitary rat GH3 cells[J].Molecular and Cellular Endocrinology,2005,244(1):31-41

[5]陳芳,曾令琴,葛毅強,等.濃縮蘋果汁中農(nóng)藥殘留去除方法的研究現(xiàn)狀及展望[J].食品與發(fā)酵工程,2005,9(31):66-69

[6]崔永.農(nóng)藥毒死蜱和氯氰菊酯的遺傳毒性研究[D].杭州：浙江大學,2006

[7]蒲陸梅.高級氧化技術在農(nóng)藥降解中的應用[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學學報,2007,42(1):130-134

[8]宋燕,羅松明,向建軍,等.響應面法優(yōu)化花椒籽不可溶性膳食纖維提取工藝研究[J].中國油脂,2011,36(7):62-67

[9]馬靜,付穎,葉非.超聲波誘導降解消除農(nóng)藥殘留的研究進展[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2009,40(5):140-144

[10]邱遠,芮昕,謝翌東,等.響應面法優(yōu)化超聲提取葛根素工藝[J].食品科學,2014,35(6):1-4

[11]陳富文,史高峰,王國英,等.響應面法優(yōu)化復方中藥發(fā)酵工藝[J].中國中醫(yī)藥信息雜志,2014,31(4):73-77

(責任編輯李辛)

Decrease of chlorpyrifos in apple juice by ultrasonic treatment

YU Zhen-hua，HAN Shun-yu，SHENG Wen-jun

(Food and Engineering College,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：【Objective】In order to reduce residue of chlorpyrifos in apple juice,the ultrasonic was used to promote the decrease of chlorpyrifos.【Method】 Single factor test was designed to analyze the original concentration of chlorpyrifos,processing time and temperature with ultrasonic on the chlorpyrifos decrease rate in apple juice and optimizing further decrease process technology with response surface method.【Result】 The regression model could reflect the relationship between each factor and level and response value.The optimal condition was as follows: ultrasonic temperature 65 ℃,processing time 85 minutes and original concentration of chlorpyrifos in the apple juice 163 μg/L.The decrease rate of chlorpyrifos reached to 87.796 7% under the optimized condition.【Conclusion】 The study provides reference for decrease of chlorpyrifos in juice.

Key words：apple juice concentrate;chlorpyrifos;ultrasonic;response surface method

通信作者：韓舜愈，男，教授，博導,主要從事果蔬加工方面的研究.E-mail：gsndhsy@163.com

基金項目：蘋果濃縮汁果渣綜合加工利用(2009GJG10018).

收稿日期：2014-11-23；修回日期：2014-12-10

中圖分類號：TS 275.5

文獻標志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)01-0138-06

第一作者：余振華(1988-)，男，碩士研究生，主要從事食品營養(yǎng)衛(wèi)生方面研究.E-mail： 452931554@qq.com