蔬菜中殘留的高效氯氰菊酯的超聲波清除工藝優(yōu)化

閆薇*，楊亞鵬，左雙全，高晗，蘇超，符之之

珠海格力電器股份有限公司（珠海 519070）

蔬菜作為生活中必需的食物，營養(yǎng)豐富，具有抗衰老和預(yù)防疾病等優(yōu)勢，受到追求健康人群的喜愛[1-3]，但是果蔬易受到害蟲的侵害[4]，擬除蟲菊酯類殺蟲劑因高效、低毒的特點，被廣泛應(yīng)用于害蟲防治中[5]。但是其半衰期較長，較難在自然條件下快速降解，而果蔬的生長周期較短，殘留的農(nóng)藥對哺乳動物的生殖、免疫等方面有一定的毒副作用，危害人體健康[6-7]。

農(nóng)藥去除有物理法、微生物法及化學(xué)法，其中研究最多的是化學(xué)法[8-9]。呂金海等[10]發(fā)現(xiàn)次氯酸鈣溶液對氧樂果的清除率達(dá)57%；Ong等[11]采用臭氧降解蘋果表面的多種農(nóng)殘，清除率均在29%~42%之間。氧化降解在一定程度上可以去除農(nóng)殘，但在降解過程中可能會產(chǎn)生毒性更強(qiáng)的物質(zhì)[12-13]，且在氧化劑條件下會造成營養(yǎng)物質(zhì)的流失[14-15]，所以亟需一種安全、高效物理去除果蔬農(nóng)殘的技術(shù)。

清洗粉作為家用的果蔬清洗劑，具有殺菌和去除農(nóng)殘的作用[16-17]，但是因濃度和機(jī)理的限制，清除農(nóng)藥的能力較低[18-19]，且不定量手動添加可能會造成一定的殘留。

超聲波是一種新興的清洗技術(shù)，通過振蕩和空化作用，達(dá)到除農(nóng)殘和提高潔凈度的目的，具有廣泛的應(yīng)用前景[20-23]。而現(xiàn)有產(chǎn)品存在功率較小、體積較大、清洗效果差等問題，用戶體驗較差。

試驗旨在建立一種安全高效的物理去除蔬菜中的高效氯氰菊酯殘留的方法，研究超聲功率、時間、清洗粉添加量等條件對高效氯氰菊酯清除的影響，同時優(yōu)化的工藝條件可為超聲波和清洗粉一體機(jī)的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蔬菜；高效氯氰菊酯（有效成分4.5%）；果蔬清洗粉（市售）；離心管（北京諾博萊德科技有限公司）；Envi-18柱、2Envi-Carb活性碳柱（上海楚定分析儀器有限公司）；3Sep-Park NH2固相萃取柱（深圳逗點生物技術(shù)有限公司）；乙腈、甲苯、氯化鈉、無水硫酸鈉（阿拉丁生化科技股份有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

MA200電子天平（上海良平儀器公司）；超聲波清洗機(jī)（陜西普洛帝測定技術(shù)有限公司）；7820A氣相色譜儀（美國Aglient）；eppendorf移液器（山東博科生物產(chǎn)業(yè)有限公司）；高速均質(zhì)乳化機(jī)（上海生析超聲儀器有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品前處理

將菜市場購買的新鮮葉類蔬菜放入高效氯氰菊酯的稀釋液中（稀釋后農(nóng)藥濃度4.0 mg/L）浸泡1 min，取出后自然晾干2 h。

1.3.2 單因素試驗

稱取等量經(jīng)過高效氯氰菊酯稀釋液浸泡晾干的蔬菜放入盛有2 L自來水的超聲波清洗機(jī)中，分別在超聲功率30，60，90和120 W，清洗粉添加量0.5，1.0，1.5和2.0 g，超聲時間1，3，5和7 min的條件下進(jìn)行清洗，以0 W時清水浸泡相同的時間為空白對照。清洗完成后取出，混勻，自然晾干，剪切成小段。

1.3.3 樣品中高效氯氰菊酯含量的測定方法

隨機(jī)取20 g（精確到0.01 g）清洗后的蔬菜置于50 mL離心管，加入20 mL乙腈，高速勻漿，加入5 g氯化鈉，在3 000 r/min條件下離心5 min，取10 mL上清液，待凈化，整個凈化過程參照GB 23200.8—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 水果和蔬菜中500種農(nóng)藥及相關(guān)化學(xué)品殘留的測定 氣相色譜-質(zhì)譜法》[24]，計算果蔬中高效氯氰菊酯含量。所有清洗過程均進(jìn)行3次，取平均值。

1.3.4 農(nóng)藥清除率的計算

以農(nóng)藥浸泡過但未清洗的蔬菜中高效氯氰菊酯的含量為基數(shù)，按照式（1）進(jìn)行計算。

1.3.5 響應(yīng)面試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，利用Design-Expert 10.0軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗的設(shè)計，以蔬菜中高效氯氰菊酯的清除率為響應(yīng)值，以超聲功率（A）、超聲時間（B）和清洗粉添加量（C）為響應(yīng)因素，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面試驗設(shè)計，中心試驗重復(fù)3次，共計17個試驗點，試驗因素水平如表1所示。

表1 響應(yīng)面分析法的因素與水平

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素變量試驗結(jié)果

2.1.1 超聲功率對蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果

圖1為超聲時間5 min、清洗粉添加量1.0 g時，超聲功率對蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果，橫坐標(biāo)表示超聲功率，縱坐標(biāo)為高效氯氰菊酯清除率。超聲波功率對蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果有顯著性影響，在0~90 W的功率范圍內(nèi)，隨著超聲功率增加，其對高效氯氰菊酯的清除效果呈現(xiàn)增大趨勢，但增加到一定程度后呈現(xiàn)小幅下降趨勢，其中超聲功率90 W時，高效氯氰菊酯的清除效果最好，達(dá)84.43%。

圖1 超聲功率對蔬菜中高效氯氰菊酯清除效果的影響

有研究表明[25-26]，超聲功率在一定范圍內(nèi)，超聲波的空化泡破滅半徑會隨著功率增加而增大，空化作用的效果顯著，農(nóng)藥大分子從蔬菜表面剝離、脫落，從而提高對高效氯氰菊酯的清除效果，達(dá)到一定超聲功率后，空化效應(yīng)產(chǎn)生的空化氣泡由于過度積累而無法在瞬間崩滅，進(jìn)而形成一道屏障，造成整個系統(tǒng)內(nèi)利用超聲能的效率降低，農(nóng)殘的清除效果得不到進(jìn)一步提升。綜上，選擇超聲功率60，90和120 W進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗。

2.1.2 超聲時間對蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果

圖2描述超聲功率90 W、清洗粉添加量1.0 g條件下，超聲時間對蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果，橫坐標(biāo)為超聲時間，縱坐標(biāo)為高效氯氰菊酯的清除率。隨著超聲時間延長，其對蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果呈現(xiàn)增大趨勢，而后持平。超聲時間5 min時，清除效果最好，清除率達(dá)84.40%，繼續(xù)超聲清除效果無顯著提高，可能是因為隨著超聲時間延長，液體中農(nóng)藥濃度越來越大，溶液黏系數(shù)增大，同時表面張力增加，超聲波的空化作用不會進(jìn)一步增強(qiáng)，對高效氯氰菊酯的清除效果也沒有顯著提升[27]。但是延長超聲時間后發(fā)現(xiàn)蔬菜的葉面上出現(xiàn)輕微損傷，可能是時間延長后導(dǎo)致整個系統(tǒng)內(nèi)能量過大，過大的能量穿透過葉子表面對細(xì)胞壁產(chǎn)生破壁作用，造成其表面損傷，因此，選擇超聲時間3，5和7 min進(jìn)行響應(yīng)面試驗。

圖2 超聲時間對蔬菜中高效氯氰菊酯清除效果的影響

2.1.3 清洗粉添加量對蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果

圖3為超聲功率90 W、超聲時間5 min時，清洗粉添加量對蔬菜中高效氯氰菊酯的清除效果，橫坐標(biāo)為清洗粉添加量，縱坐標(biāo)為高效氯氰菊酯清除率。超聲波協(xié)同清洗粉可以提高蔬菜中高效氯氰菊酯的清除率，且隨著清洗粉含量的增加，其清除效果越來越好，但是清洗粉添加量大于1.5 g時，高效氯氰菊酯清除率并沒有明顯提高，可能是由于少量高效氯氰菊酯農(nóng)藥分子在加標(biāo)浸泡過程中滲入蔬菜內(nèi)部，在一定程度上無法將其完全清除，此外高濃度清洗粉的加入可能造成蔬菜表面清洗粉的殘留量過高，存在一定安全隱患，因此，選擇清洗粉添加量1.0，1.5和2.0 g進(jìn)行響應(yīng)面試驗。

圖3 清洗粉添加量對蔬菜中高效氯氰菊酯清除效果的影響

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計結(jié)果與方差分析

表2 Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果

利用Design-Expert 11軟件的Box-Behnken設(shè)計，建立超聲功率、超聲時間和清洗粉添加量三因子回歸模型方程式：高效氯氰菊酯的清除率Y=88.83+8.49A+3.50B+1.79C-4.73AB-0.200 0AC+2.83BC-16.01A2-3.63B2-7.92C2。

由表3可知，此模型的回歸項極顯著（p＜0.000 1），而失擬項不顯著（p=0.104 1＞0.05），決定系數(shù)R2=0.994 3，說明蔬菜中高效氯氰菊酯的清除率與模型預(yù)測值有較高的一致性，且模型的校正系數(shù)Radj2=0.987 0，說明試驗結(jié)果中有99.70%的結(jié)果是受到試驗因素的影響，因此可用建立的模型對蔬菜中高效氯氰菊酯清除的工藝條件進(jìn)行分析進(jìn)而預(yù)測。對方差結(jié)果進(jìn)行分析，這3個因素對清除效果影響的順序依次為A（超聲功率）＞B（超聲時間）＞C（清洗粉添加量）。

表3 回歸模型的方差分析

2.2.2 各因素的交互效應(yīng)分析

圖4為回歸分析結(jié)果的響應(yīng)面及其等高線圖。響應(yīng)面是響應(yīng)值對各個試驗因素固定的條件下，考慮兩兩因素的交互作用對試驗結(jié)果的影響。由圖4（a）可知，超聲功率和超聲時間的交互作用對其響應(yīng)值的影響非常顯著：超聲時間一定時，隨著超聲功率延長，蔬菜中高效氯氰菊酯的清除率呈現(xiàn)先迅速增加而后下降的趨勢，影響顯著；超聲功率一定時，超聲時間對蔬菜中高效氯氰菊酯清除效果影響呈現(xiàn)緩慢上升而后緩慢下降趨勢，影響不顯著，只在中等超聲功率的情況下存在響應(yīng)。同理對圖4（c）（e）進(jìn)行分析，得出超聲功率與清洗粉添加量交互作用不顯著，這也與方差分析的結(jié)果相一致。由超聲波的工藝優(yōu)化試驗得到預(yù)測的最佳工藝條件：超聲功率99.80 W、超聲時間4.60 min、清洗粉添加量1.53 g，預(yù)測清除率達(dá)88.99%，考慮到實際應(yīng)用情況，將最佳工藝進(jìn)行調(diào)整為超聲功率100 W、超聲時間5.0 min、清洗粉添加量1.53 g。以調(diào)整后的工藝條件進(jìn)行蔬菜中高效氯氰菊酯清除效果的驗證，得到其清除率為85.48%，相較于理論預(yù)測值88.99%，相對誤差為3.94%，說明建立的模型能較好預(yù)測高效氯氰菊酯清除率，優(yōu)化的工藝較可靠。

圖4 各因素交互作用對蔬菜中高效氯氰菊酯清除率的影響

3 結(jié)論

試驗以蔬菜為研究對象，對其加標(biāo)后的殘留的高效氯氰菊酯進(jìn)行超聲處理，以高效氯氰菊酯的清除率為衡量指標(biāo)，在單因素基礎(chǔ)上，選擇超聲功率、超聲時間和清洗粉添加量進(jìn)行響應(yīng)面的優(yōu)化和分析，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，得到20 g蔬菜中浸泡4.0 mg/L質(zhì)量濃度的高效氯氰菊酯超聲清除的最佳工藝條件：超聲功率100 W、超聲時間5.0 min、清洗粉添加量1.53 g，此時高效氯氰菊酯清除率為85.48%。從驗證試驗的清除效果來看，該工藝條件下蔬菜中高效氯氰菊酯的殘留量明顯下降，可為家用、小型化的果蔬清洗機(jī)的發(fā)展提供最佳的清洗工藝，為健康廚電產(chǎn)品的研發(fā)提供技術(shù)參考。