大氣壓低溫等離子體降解蘋果表面氟啶蟲酰胺殘留的研究

徐毓謙，馬東碩，孫少憶，趙芳芳，劉貴珊，孫運金

(1.寧夏大學(xué)食品與葡萄酒學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.北京農(nóng)學(xué)院首都農(nóng)產(chǎn)品安全產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院等離子體工程中心，北京 102206；3.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

氟啶蟲酰胺(flonicamid) 又名N-氰甲基-(三氟甲基)煙酰胺，為白色無味固體粉末，是新型的低毒性殺蟲劑，低劑量即可對蚜蟲、粉虱等吮吸害蟲產(chǎn)生很好的神經(jīng)破壞作用和快速拒食活性，主要用于棉花、水果、蔬菜的蟲害防治[1]。目前，氟啶蟲酰胺在中國已經(jīng)得到推廣，批準用于馬鈴薯、黃瓜和蘋果等果蔬的蚜蟲防治[2]。歐盟制定的果蔬表面氟啶蟲酰胺最高殘留限量標準為0.02～2.00 mg·kg-1，蘋果表面氟啶蟲酰胺的最高殘留限量標準不得高于0.2 mg·kg-1[3]。氟啶蟲酰胺雖然屬于低毒性農(nóng)藥，但是其滲透能力強，高劑量時仍會對環(huán)境造成污染，并對水生動植物的生長產(chǎn)生較大影響；此外，相當(dāng)一部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者對農(nóng)藥使用缺乏規(guī)范性，造成農(nóng)藥殘留超標。農(nóng)藥在不規(guī)范使用時會通過生物富集作用進入人體，產(chǎn)生慢性中毒，影響人的神經(jīng)功能，嚴重時會引起頭昏多汗、全身乏力乃至惡心嘔吐、腹痛腹瀉等癥狀。因此，如何有效降解氟啶蟲酰胺在果蔬表面殘留并減少相應(yīng)的損失已成為目前研究的熱點。

果蔬表面農(nóng)藥殘留的傳統(tǒng)降解方法主要有物理方法、化學(xué)方法和生物方法，但是物理方法的降解能力低，化學(xué)方法和生物方法又會導(dǎo)致二次污染。研究表明，等離子體技術(shù)對有害物質(zhì)具有較好的降解作用，降解能力高于傳統(tǒng)的降解方法，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、電子、環(huán)境、食品及日常生活等眾多領(lǐng)域[4-8]。等離子體根據(jù)熱力學(xué)性質(zhì)分為高溫等離子體和低溫等離子體。其中，低溫等離子體主要通過氣體放電法和高能電子束法產(chǎn)生，目前使用較多的是氣體放電法，包括高壓脈沖放電法、介質(zhì)阻擋放電法、輝光放電法和滑動弧放電法[9]?；瑒与娀》烹姺ㄊ窃谕婋姌O板間，利用電子在電場作用下獲得加速的動能，與氣體分子發(fā)生碰撞，使氣體電離形成電弧的氣體放電法[10]。在農(nóng)藥降解中，等離子體以帶電粒子為主，受外加電場的影響，具有獨特的光、熱和電等物理性質(zhì)，可以破壞農(nóng)藥的自身結(jié)構(gòu)，達到降解農(nóng)藥殘留的目的。叢來欣等[11]利用高壓電場低溫等離子體降解馬拉硫磷，降解效率達到79.62%±2.97%。方敏等[12]利用低溫等離子體降解含有苯酚的工業(yè)廢水，效果顯著。大氣壓低溫等離子體滑動電弧放電法與其他低溫等離子體相比，處在相對較低的壓力和環(huán)境中內(nèi)，具有電離效率高、活性粒子濃度高、降解效果好和操作簡便等優(yōu)點，具有良好的農(nóng)藥降解應(yīng)用前景。

近年來，低溫等離子體在農(nóng)藥殘留降解中的研究日漸增多，但此種方法較少應(yīng)用于降解氟啶蟲酰胺中。張巖等[9]使用低溫射頻等離子體降解乙腈中黃曲霉毒素B1，降解率可達95%；李善評等[10]利用低溫等離子體降解烯啶蟲胺農(nóng)藥廢水，降解率達到82.7%。本文以氟啶蟲酰胺作為研究對象，利用大氣壓低溫等離子體滑動電弧放電法對蘋果表面氟啶蟲酰胺進行降解，研究該技術(shù)對蘋果品質(zhì)的影響，采用正交設(shè)計，確定最佳降解條件，為低溫等離子體降解農(nóng)藥殘留的應(yīng)用提供一定的數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

氟啶蟲酰胺標準品(日本石原產(chǎn)業(yè)株式會社)；甲酸，麥克林公司(色譜純)；乙腈，韓國德山藥品工業(yè)公司(色譜純)。紅富士蘋果樣品，購于超市。

1.2 儀器與設(shè)備

滑動電弧放電等離子裝置由北京農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院自制，如圖1所示，該裝置由等離子發(fā)生器和高壓電源等部分組成[13]。超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀，Agilent Technologies公司，配置電噴霧離子(electrospay ionization,ESI)源;Triple Quad LC/Ms型勻質(zhì)器，Agilent Technologies公司；渦旋儀，Scientific Industries公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 標準溶液的配制 準確稱取100 mg·kg-1的氟啶蟲酰胺標準品1.0 mL置于10 mL的棕色小瓶中，用乙腈定容至10 mL，得到10 mg·kg-1的標準儲備液。準確吸取標準儲備液1 mL于10 mL棕色小瓶中，用乙腈定容后得到1 mg·kg-1混合標準中間工作液備用。配制10、50、100、150和200 μg·kg-1系列混合標準工作液。

1.3.2 標準溶液樣品制備 準確稱取并配制0.2 mg·kg-1的氟啶蟲酰胺標準品，吸取1 mL標準品置于干凈平皿中，在25 ℃條件下進行自然風(fēng)干。

注：1為樣品放置臺；2為電子噴射口；3為距離刻度線，由下至上為0～7 cm；4為電介質(zhì)管；5和6為正負直流電壓；7為功率顯示屏；8為功率調(diào)節(jié)器；9為開關(guān)；10為銅管。Note：1 sample placement table;2 electron injection port;3 distance scale,which is 0～7 cm from bottom to top;4 dielectric tube;5 and 6 positive and negative DC voltages；7 power screen;8 power regulator;9 switch;10 Cu electrode.圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 The schematic diagram of the experimental apparatus

1.3.3 涂布方法處理樣品 蘋果經(jīng)過清水清洗后削皮，稱重5 g，在固定位置用記號筆畫出測定的范圍，在該范圍內(nèi)涂布上0.2 mg·kg-1的氟啶蟲酰胺，使其均勻地分布在范圍內(nèi)，將其置于25 ℃下風(fēng)干后備用[14]。測定結(jié)果進行3次重復(fù)，取平均值。

1.3.4 浸泡方法處理樣品 蘋果經(jīng)過清水清洗后削皮，稱重5 g，將其放入0.2 mg·kg-1的氟啶蟲酰胺中充分浸泡30 min，瀝干后備用。測定結(jié)果進行3次重復(fù)，取平均值。

1.3.5 大氣壓低溫等離子體處理 放電氣體：空氣；流速：40 L·min-1；極距：3、4、5 cm；輸出功率：3、4、5 kW；時間梯度：5、10、15 s。處理后平皿置于室溫中進行冷卻，冷卻后吸取1 mL的乙腈進行復(fù)溶，在600 r·min-1的渦旋儀上震蕩1 min后，吸取并過膜至1.5 mL的進樣小瓶中，待進行上機處理。

1.3.6 色譜-質(zhì)譜條件 采用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析。采用色譜柱分離，色譜柱：Luna C18(2)-HsT柱(50 mm×2 mm，2.5 μm)；流動相：A相為體積分數(shù)0.1%甲酸水溶液，B相為乙腈，V(A相)∶V(B相)=1∶4；流速0.3 mL·min-1。進樣量：10 μL；ESI源正離子模式電離；多反應(yīng)監(jiān)測模式掃描；毛細管電壓：2.2 kV；萃取錐孔電壓：20 V；射頻透鏡電壓：0.5 V；離子源溫度：100 ℃；脫溶劑氣溫度：300 ℃；錐孔氣流速：50 L·h-1；脫溶劑氣流速：1 000 L·h-1；倍增器電壓：650 V；二級碰撞氣：氬氣。

1.3.7 大氣壓低溫等離子體降解條件單因素試驗設(shè)計 本試驗選取極距(3、4、5、6、7 cm)、輸出功率(1、2、3、4、5 kW)、時間梯度(3、5、7、10、15 s)進行單因素試驗，氟啶蟲酰胺含量為0.2 mg·kg-1。以氟啶蟲酰胺標準品降解率作為評價指標，進一步確定各因素的選取范圍[14-16]。按照方法1.3.1進行測定，測定結(jié)果進行3次重復(fù)，取平均值。

1.3.8 大氣壓低溫等離子體降解條件正交優(yōu)化試驗 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以極距、輸出功率、時間梯度為影響因素進行 L9(34)的正交試驗，具體見表1。以氟啶蟲酰胺標準品的降解率作為評價指標，優(yōu)化大氣壓低溫等離子體對氟啶蟲酰胺的降解方案。按照方法1.3.1進行測定，測定結(jié)果進行3次重復(fù)，取平均值。

表1 正交試驗因素與水平Table 1 Factor and level table of orthogonal experiments

1.4 指標測定

1.4.1 降解效率計算公式 農(nóng)藥降解效率按下式進行計算[17]：

農(nóng)藥降解率=

(1)

1.4.2 降解后樣品含水率及外觀測定 含水率：測定樣品降解前和降解后的含水率，并計算含水率損失。含水率損失為降解前后含水率的差值。取潔凈的蒸發(fā)皿，置于105 ℃的干燥箱中干燥1 h，放入干燥器內(nèi)冷卻30 min后重復(fù)操作至恒質(zhì)量。取5 g樣品，置于蒸發(fā)皿中均勻鋪開，重復(fù)上述操作，直至質(zhì)量差不超過2 mg,隨后進行含水率的計算[17]。

(2)

式中：X為樣品中的含水率；W1為蒸發(fā)皿和樣品的質(zhì)量；W2為蒸發(fā)皿和樣品干燥后的質(zhì)量；W3為蒸發(fā)皿的質(zhì)量。

外觀：觀察外觀有無明顯的顏色、形態(tài)、氣味以及組織變化，具體內(nèi)容見表2。

表2 蘋果樣品外觀感官評分Table 2 Sensory evaluation of appearance of apple samples

1.5 檢測方法線性范圍測定

參考謝建軍等[18]、吳銀良等[19]、蒲陸梅等[20]、陳國等[21]的檢測方法，測定氟啶蟲酰胺檢測限，得到氟啶蟲酰胺的保留時間，線性方程以及檢測限。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用 Design Expert 8.0.6、Origin 2017 和 SPSS 21對試驗數(shù)據(jù)進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣壓低溫等離子體降解條件單因素試驗結(jié)果

2.1.1 極距對氟啶蟲酰胺標準品降解率的影響 由圖2可以看出，在時間為10 s和功率為4 kW時，隨著極距的增加，標準品的降解率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，利用ANOVA單因素分析其顯著性，發(fā)現(xiàn)極距為4 cm時，降解率最高達到34.25%。

注：圖中不同字母標記表示結(jié)果差異性顯著，P<0.05。下同。Note：Different letter marks in the picture indicate that the results are significantly different,P<0.05.The same as below.圖2 極距對氟啶蟲酰胺標準品降解率的影響Fig.2 Effect of plasma polar distance on degradation efficiency of flonicamid standard

其中極距為3、4 cm差別不顯著，在5、6和7 cm時差異顯著，極距7 cm時差異極顯著，且降解率為最低。

2.1.2 功率對氟啶蟲酰胺標準品降解率的影響 由圖3可以看出，在時間為10 s和極距為4 cm時，隨著功率的增加，經(jīng)過大氣壓低溫等離子體處理后，標準品降解率逐漸從24.56%增加到74.27%，之后開始下降。在功率為1～4 kW時，降解率逐漸上升，各處理組差異顯著。當(dāng)功率增加到5 kW時，降解率出現(xiàn)略微下降，并保持在這一水平。

圖3 功率對氟啶蟲酰胺標準品降解率的影響Fig.3 Effect of plasma power on degradation efficiency of flonicamid standard

2.1.3 時間對氟啶蟲酰胺標準品響應(yīng)值的影響 由圖4可以看出，在功率為4 kW和極距為4 cm時，隨著時間的延長，降解率沒有明顯的增加。在3～10 s時，降解率上升，標準品降解率逐漸從21.31%增加到66.91%，各處理組差異性顯著。當(dāng)處理時間達到10 s時，降解率到達最高，而后逐漸趨于平緩，處理時間10、15 s差別不顯著。

圖4 時間對氟啶蟲酰胺標準品降解率的影響Fig.4 Effect of time on degradation efficiency of flonicamid standard

2.2 大氣壓低溫等離子體降解條件正交試驗結(jié)果

結(jié)合單因素的試驗結(jié)果，以降解率作為參考指標，正交設(shè)計試驗結(jié)果見表3。在不同的降解條件的正交優(yōu)化下，通過極差R值可知各指標之間對降解影響由大到小的順序為功率A>極距C>時間B，此時氟啶蟲酰胺的最佳降解組合為A3B3C2，即功率為5 kW、時間為15 s、極距為4 cm，在此條件下進行驗證試驗，氟啶蟲酰胺降解率為91.30%。

表3 大氣壓低溫等離子體降解氟啶蟲酰胺的條件正交試驗結(jié)果Table 3 Orthogonal test results of degradation flonicamid condition by atmospheric low temperature plasma

2.3 樣品中氟啶蟲酰胺降解效果

基于正交優(yōu)化結(jié)果，采用涂布法和浸泡法降解蘋果樣品表面的氟啶蟲酰胺，結(jié)果見表4。樣品中的氟啶蟲酰胺降解率分別為72.10%和80.30%，在浸泡方法處理的蘋果樣品降解率比涂布方法處理下的顯著增大。

表4 蘋果表面氟啶蟲酰胺降解效果Table 4 Degradation effect of flonicamid on apple surface

2.4 降解處理對樣品的含水率及外觀的影響

2.4.1 大氣壓低溫等離子體降解對樣品含水率的影響 經(jīng)大氣壓低溫等離子體降解后含水率損失結(jié)果見表5。2種方法的含水率受到的影響不同，浸泡法、涂布法的樣品含水率損失分別為13.95%和17.15%，差異顯著。

表5 蘋果樣品含水率損失試驗結(jié)果Table 5 Results of water loss rate of apple samples

2.4.2 大氣壓低溫等離子體降解對樣品感官的影響 大氣壓低溫等離子體降解后外觀結(jié)果見表6。2種方法下的樣品表面均無明顯變化，差異性不顯著,同時未產(chǎn)生燒灼后易出現(xiàn)黑色物質(zhì)，無明顯的顏色變化，無灼燒后的焦味，樣品自身形狀保持完整，無缺失或者損耗。處理未使樣品本身的質(zhì)構(gòu)和外觀出現(xiàn)不良的影響。

表6 蘋果樣品外觀感官試驗結(jié)果Table 6 Sensory evaluation results of appearance of apple samples

2.5 檢測方法線性范圍

由于氟啶蟲酰胺的極性較強，在等梯度洗脫條件下，基質(zhì)效應(yīng)強出峰較快，因此，在本試驗優(yōu)化得到的降解條件下，氟啶蟲酰胺的保留時間為0.5～0.6 min。取一系列不同含量的氟啶蟲酰胺標準溶液，以儀器響應(yīng)峰面積(y)對氟啶蟲酰胺的質(zhì)量濃度(x)進行線性回歸，可以得到氟啶蟲酰胺線性方程為y=4 755.8+73.4x，R2=0.996。結(jié)果表明，當(dāng)氟啶蟲酰胺含量在 200 μg·mg-1時，含量與響應(yīng)峰面積線性關(guān)系顯著，最低檢測限為5 μg·kg-1。

續(xù)表Continuing table

3 結(jié)論與討論

大氣壓低溫等離子體由大量的電子和離子組成，其粒子帶電，相互作用下多個帶電粒子間的集體作用大于2個粒子之間的碰撞，運動軌跡不是簡單的折線，而是在發(fā)生多個小波折之后形成的曲線[9]。在本試驗中，大氣壓低溫等離子體在熱平衡中呈準中性，是高能的物理狀態(tài)，其產(chǎn)生的大量具有高活性的電子、原子、分子和自由基能，可以在放電場中碰撞和反應(yīng)，有效降解農(nóng)藥分子，同時不會產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物[9-10,17]。

在本研究中，大氣壓低溫等離子體的中性氣體被施加足夠高的能量后，形成一定數(shù)量的初級電子。這些電子電離后激發(fā)活性更高的激發(fā)態(tài)原子、離子以及自由電子[22]，釋放大量活性物質(zhì)，發(fā)生強氧化作用[23-24]，不斷將有機物進行分解，使有機物轉(zhuǎn)化為簡單小分子無污染物質(zhì)，從而高效率、低能耗降解有機物[25]，達到降解農(nóng)藥殘留的目的。在極距為5～7 cm時，大氣壓低溫等離子體的噴射口距離樣品過遠，降解率不高，而隨著噴射口距離的縮短，其產(chǎn)生的有效活性成分距離樣品足夠近，當(dāng)接觸面不斷增大時，降解率逐漸增加，這與高振紅等[14]的研究結(jié)果相符。但當(dāng)距離減少到3 cm時，降解率出現(xiàn)小幅度下降，推測是因為噴射口所釋放出的部分有效活性成分沒有全部抵達樣品部位，對樣品的有效作用程度降低，所以降解率出現(xiàn)下降。在功率試驗中，本研究發(fā)現(xiàn)在5 kW時降解率趨于平緩，推測是因為大氣壓低溫等離子體滑動電弧所產(chǎn)生的有效活性成分在功率超過4 kW達到同一水平值，對功率依賴性變?nèi)?，所以降解率不會發(fā)生較大變化。在時間處理上，大氣壓低溫等離子體滑動電弧主要利用低溫高能使農(nóng)藥分子鍵斷裂，生成小分子成分，再逐步降解成更小分子或者形成低毒或無毒的小分子化合物[17]。隨著時間的增加，氟啶蟲酰胺的分子鏈發(fā)生碎裂，降解率不斷增加，在10 s處達到最高點，在15 s處無顯著變化，這可能是由于樣品此時降解率已達到最高，隨著時間的延長不會發(fā)生較大改變。

在試驗樣品的農(nóng)藥殘留降解中，相對于王世清等[17]降解處理氧化樂果的研究結(jié)果，本試驗的蘋果含水率損失較低，推測是由于本試驗處理時間較短，大氣壓低溫等離子體釋放的活性物質(zhì)對有機物降解效率高，未導(dǎo)致組織水分大量損失。其中，浸泡法處理樣品的水分損失比涂布法低，可以認為是較好的樣品處理方法。在2種處理樣品的方法對比中，經(jīng)大氣壓低溫等離子體處理后，浸泡法的降解效果更明顯，這可能是由于在降解過程中，涂布法在果皮表面殘留的農(nóng)藥較少，而浸泡法使得更多的農(nóng)藥殘留在果皮表面。

本試驗利用大氣壓低溫等離子體滑動電弧放電法，針對氟啶蟲酰胺的殘留進行降解，具有顯著的降解效果，其降解效果與大氣壓低溫等離子體的功率、時間、極距有關(guān)，影響順序為功率>極距>時間。針對氟啶蟲酰胺的的最適降解條件為功率5 kW、時間15 s、極距4 cm，降解率可達91.30%，優(yōu)于董曉娜等[15]研究結(jié)果，同時相對于高振紅等[14]降解氯吡脲的效率更高，表明大氣壓低溫等離子體處理方法能明顯提高農(nóng)藥的降解率。大氣壓低溫等離子體滑動電弧放電法處理簡單快速、無化學(xué)污染，是降解農(nóng)藥殘留的有效方法，在今后工業(yè)化處理農(nóng)藥殘留時具有巨大的應(yīng)用潛力。