果蔬杀菌去农残用高浓度臭氧水一体机
果蔬杀菌去农残专家 赵化强 15101639538 QQ:471003999
臭氧水降解苹果表面磷农药的研究曾令琴 陈芳 吴继红 廖小军 葛毅强[1] 胡小松 （中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083） 摘要：磷农药残留超标是制约我国浓缩苹果汁出口的一大瓶颈。本研究建立了苹果表面磷农药降解模拟体系，比较了在不同清洗方式和起始浓度下，臭氧水对苹果中常见的甲胺磷、甲拌磷、乐果、二螓磷、马拉硫磷、毒死蜱等6种磷农药的降解效果。结果表明：臭氧水能有效降解苹果表面的磷农药残留。臭氧浓度越高，磷农药的降解效果越好；苹果表面磷农药起始浓度越低，农药残留的降解率越高。当苹果表面磷农药起始浓度为1-2mg/kg时，用浓度为14mg/L的臭氧水溶液动态清洗20min，6种磷农药的降解效果可达35-64％。关键词：臭氧；磷；苹果Degradation of organophosphorus pesticides on apples by ozone in waterZeng Lingqin Chen Fang Ge Yiqiang Hu Xiaosong（College of food science and nutritional engineering, CAU，Beijing 100083 ）Abstract: The organophosphorus pesticides residue is one of the major problems influencing export of apple juice concentrated in China. The simulation model of degradation of six kinds of organophosphorus pesticides (methamidophos, phorate, dimethoate, diazinon, malathion, chlorpyrifos) on apple surface was established. With different washing methods and initial concentration of pesticides, the efficacy of ozone against organophosphorus pesticides in water was investigated. Washing by aqueous ozone is an efficient way of degradation of pesticides on the apple surface. The higher concentration of ozone in water and the lower initial concentration of organophosphorus pesticides was, the better degradation efficiency was. When the concentration of ozone in water was 14mg/L, the six kinds of organophosphorus pesticides residue decreased by 35%-64% accordingly.Keywords: ozone, organophosphorus pesticides, apple中国已成为世界的浓缩苹果汁生产和出口国，2004/2005年度的出口量达到77.4万吨，占世界贸易量的70％以上[1]。但随着食品安全要求的不断提高和贸易竞争的不断加剧，市场对浓缩苹果汁中农药残留的限制越来越严，也成为目前我国浓缩苹果汁加工业发展的瓶颈和热点问题之一。目前，我国农药年使用量为25万吨左右，居世界[2]。其中磷杀虫剂是我国应用范围最广的农药品种，约占我国农药使用量的50％。在苹果种植中，长期大量和高频率地使用磷农药，导致苹果加工后浓缩苹果汁中磷农药超标的情况屡有发生。有证据表明，磷农药具有诱变性和致畸性，对哺乳动物的神经系统和免疫系统的伤害尤为突出[3]。因此，有效且快速的降低或消除果汁中的磷农药残留已逐渐成为苹果加工产业和研究领域的热点。臭氧作为一种强氧化剂，在一定条件下能把农药彻底分解为无机物。利用臭氧降解水中的农药残留一直是水和废水处理技术中的一个研究热点[4~6]。对于臭氧水降解磷农药的途径，一般认为主要有两条[7]：1) P=S键被氧化成P=O键；2)打断与磷相连的键，形成磷酸脂，并最终形成H3PO4。目前利用臭氧水去除苹果表面的磷农药少有报道。 因此，本文选择浓缩苹果汁中常见的甲胺磷、甲拌磷、乐果、二螓磷、马拉硫磷、毒死蜱等6种磷农药，建立了苹果表面磷农药降解模拟体系，比较了在不同清洗方式和起始浓度下，臭氧水对6种磷农药的降解效果。旨在为浓缩苹果汁生产中降解农药残留技术提供一些实验依据，亦可为其他农产品中农药残留的降解提供参考。材料和方法主要仪器和药品富士苹果：购于农贸市场。臭氧水发生器:由北京山美水美环保高科技有限公司提供( MJB-200B型，产臭氧量200g/h)。臭氧水浓度检测仪：美国ATI公司（A15/64型）磷农药：甲胺磷(50%，河北威远农药厂)，乐果(48%，天津华宇农药有限公司)，毒死蜱(48%，天津华宇农药有限公司)，甲拌磷(48%，天津华宇农药有限公司)，马拉硫磷(48%，天津华宇农药有限公司)，二螓磷(48%，天津华宇农药有限公司)。磷农药标品（100±0.23μg/mL）：甲胺磷、甲拌磷、乐果、二螓磷、马拉硫磷、毒死蜱。均由农业部环境保护科研监测所提供。气相色谱仪（带FPD检测器）：日本岛津GC-14A。实验方法臭氧水制备采用臭氧和水加压混合的方式制备不同浓度的臭氧水溶液。保持水流速度8.5L/min不变，调节臭氧浓度，制备浓度为臭氧3－15mg/L的臭氧水。苹果表面磷农药降解模拟体系的建立分别取农药甲胺磷1mL、甲拌磷0.2 mL、乐果1mL、二螓磷0.2 mL、马拉硫磷1mL、毒死蜱0.4 mL，并将其定容至5 mL，即为农药混合液。取两个苹果样本称重，用微量注射器在苹果表面均匀涂抹20μL农药混合溶液，晾干。经GC测定，苹果表面农药残留为10-20mg/kg。将农药混合液稀释10倍后，如上法涂抹，经GC测定，苹果表面农药残留为1-2 mg/kg。苹果表面磷农药降解实验以完整苹果为原料，在其表面均匀涂抹磷农药，以一定浓度的臭氧水进行清洗，清洗槽体积5L。清洗方式采用静态清洗和动态清洗两种。静态清洗是指，将苹果在一定浓度的臭氧水中浸泡一段时间。动态清洗是指，将苹果浸泡期间，不断通入一定浓度的臭氧水，以保证水中臭氧浓度不变。取表面农药残留为10-20mg/kg的苹果，采用浓度分别为3mg/L、6mg/L、9mg/L、12mg/L和15mg/L的臭氧水分别进行静态清洗和动态清洗20min，研究臭氧浓度对农药残留降解效果的影响。分别将表面农药残留为1-2mg/kg和10-20mg/kg的苹果，采用14mg/L的臭氧水动态清洗20min，观察臭氧水对不同起始浓度磷农药的降解情况。每组实验设3个重复。降解效果以农药残留率表示（%）。检测方法臭氧浓度的测定：采用城镇建设行业标准《臭氧发生器臭氧浓度、产量、电耗的测量》(CJ/T3028.2-94)对臭氧水浓度检测仪进行校定。臭氧水浓度采用臭氧水浓度仪在线同步测定。磷农药的测定：参考农业部标准NY/T 761-2004，并略作改进。将样本切碎，匀浆1min。准确称取20.00g样本匀浆置于200 mL具塞三角瓶中,加50.00 mL乙腈进入样品中，振荡提取30min。过滤，将滤液收集到装有7g NaCl的100 mL具塞量筒中，盖上塞子剧烈振摇1min，室温下静置10 min，使乙腈和水相分层。吸取10.00mL乙腈相溶液，40℃下浓缩至近干，用2.00 mL丙酮定容。用GC-FPD检测。检测条件为：色谱柱HP-5(30m×0.53mm×1.5μm)，柱温240℃，进样口温度：250℃，FPD检测器温度(配磷滤光片)：260℃；升温程序：120℃初温保持1min，10.0℃/min的速度升至240℃，保持10.00min；气流条件：载气（N2）流速：59.0mL/min；氢气（H2）流速：85.0mL/min；助燃气（Air）流速：120.0mL/min；进样量：1.0μL；进样方式：不分流进样。结果和分析臭氧水稳定性的检测臭氧的稳定性（半衰期）很容易受pH值、紫外光、臭氧浓度和水质等诸多因素的影响[8]。由于本研究所涉及实验在水温30±1℃、pH为7的条件下进行，因此对该状态下臭氧的溶解状态进行分析，结果如图 1所示。图 1臭氧在30℃自来水中的分解速度 图 2臭氧水一级动力学反应模拟图 Walter等[8]曾提出：臭氧在水中的降解反应近似服从一级反应规律，浓度C与时间t之间有函数关系式ln(C0/C) =kt（k：臭氧在水中的分解速率常数，C0：臭氧水的初始浓度）。如图 2所示结果：在30℃条件下，自来水中臭氧降解遵循：lnC0/C=0.00199t的函数关系，由此可得，该条件下臭氧降解半衰期t1/2=ln2/k＝6.08min。这与前人[9]报道的相同条件下臭氧在纯水中的半衰期相差较大，说明水中所含杂质对臭氧的稳定性影响很大，臭氧在自来水中比在纯水中更容易降解。在实际生产中，如果以自来水为水源，要想获得与纯水相同的效果，则必须制备起始浓度更高的臭氧水。本试验结果表明，臭氧水在前20min分解得最快，在前人的研究中也得到了类似结果[10]，因此，在以下的试验中，清洗时间选为20min。清洗方式对苹果表面磷农药的降解效果的影响图 3臭氧水静态清洗和苹果表面磷农药残留量的关系图 4臭氧水动态清洗和苹果表面磷农药残留量的关系采用静态和动态两种清洗方式，对臭氧浓度为0~15mg/L的水溶液对农药残留的降解效果进行研究，结果如图 3、图 4所示，动态清洗对农药残留的降解效果明显优于静态清洗。方差分析表明，动态清洗和静态清洗间有显著差异（P>0.05）。不同臭氧浓度水溶液的清洗效果表明，随着水中臭氧浓度的增加，苹果表面磷农药的浓度都有所降低。当臭氧水浓度达到约15mg/L时，6种磷农药的降解率都有极显著降低（P>0.01）。静态清洗后，苹果表面磷农药的降解率可以达到：甲胺磷13％，甲拌磷10％，乐果23％，二螓磷16％，马拉硫磷18％，毒死蜱19％；动态清洗对于苹果表面各种磷农药的降解率可以达到：甲胺磷58％，甲拌磷30％，乐果37％，二螓磷22％，马拉硫磷41％，毒死蜱32％。说明臭氧水清洗的方式能有效降解苹果表面的磷农药，如果在苹果汁生产工序中，采用臭氧水进行动态清洗，则可以有效减少苹果汁中的农药残留。这一结果在Ong [11]等的研究中得到证实。磷农药起始浓度对臭氧水清洗效果的影响图 5臭氧水动态清洗和苹果表面高浓度磷农药残留量的关系图 6臭氧水动态清洗和苹果表面低浓度磷农药残留量的关系采用浓度为14mg/L的动态臭氧水，对两种降解模拟体系下的苹果进行研究，其清洗的结果如图 5、图 6所示。可以看到，苹果表面的磷农药残留量随着循环臭氧水作用时间的延长有所降低，当清洗时间达到20min时，降解效果可达极显著水平（P>0.01）。同时，臭氧水对苹果表面磷农药降解效果随着起始浓度的变化而变化：起始浓度为1～2mg/kg时的降解效果比起始浓度为10～20mg/kg的降解效果好。到20min时，臭氧水对起始浓度较低的苹果表面磷农药降解率可以分别达到：甲胺磷64％，甲拌磷44％，乐果50％，二螓磷35％，马拉硫磷49％，毒死蜱44％。说明臭氧水清洗苹果表面磷农药的过程是一个化学反应的过程，随着臭氧相对浓度的提高，反应的速率加快，降解效果更好。在实际生产中，苹果表面的磷农药残留远低于以上1mg/kg，因此，采用臭氧水清洗的方法完全有可能使浓缩苹果汁中的农药残留降到一个较低的水平，但有关臭氧水在实际生产中的应用还有待于进一步研究。结论1) 臭氧在30℃自来水中的半衰期为6.08min。所以在利用臭氧水进行降解农药残留时，要充分考虑温度、水质等对其半衰期的影响。2) 研究发现，在本试验条件下，动态清洗苹果表面的降解农药效果优于将苹果浸泡于臭氧水中的降解效果。15mg/L的臭氧水对苹果表面动态清洗20min，磷农药的降解效果可以达到：甲胺磷58％，甲拌磷30％，乐果37％，二螓磷22％，马拉硫磷41％，毒死蜱32％。3) 臭氧水对苹果表面磷农药降解的降解效率随起始浓度的不同而变化。起始浓度越低，农药残留降解越好。起始浓度为1～2mg/kg的苹果表面磷农药以14mg/L臭氧水动态清洗20min，残留降解效率达到。分别为：甲胺磷64％，甲拌磷44％，乐果50％，二螓磷35％，马拉硫磷49％，毒死蜱44％。致谢 感谢北京山美水美高科技有限公司总经理茆兴龙先生对本研究的支持和帮助。参考文献[1] 张敬滋. 我国苹果汁出口继续称雄. 农民日报. 2005年4月01日[2] 曾辉.今年我国农药产量将突破80万吨. 中国化工报. 2004年11月19日[3] Ragnarsdottir K V. Pesticide toxicology and behaviour in the natural environment. Geochemistry of the earth's surface. Proceedings of the 5th International Symposium, Reykjavik, Iceland, 15-20 August 1999..A.A.Balkema,Rotterdam, Netherlands. 149-152. 1999.
[4] Evans H, Bauer M, Luckman I. An assessment of the benefits afforded by the continuous versus intermittent operation of ozone for drinking water treatment. Ozone Science & Engineering 2003;25:417-30.[5] Orr P T, Jones G J, Hamilton G R. Removal of saxitoxins from drinking water by granular activated carbon, ozone and hydrogen peroxide - implications for compliance with the Australian drinking water guidelines. Water Research 2004;38:4455-61.[6] Glaze W H, Kang J, Chapin D C. The chemistry of water treatment processes involving ozone,hydrogen peroxide and ultraviolet radiation. Ozone Science & Engineering 2005;9:335-52.[7] Walter R H, Sherman R M. Duration of ozone in water in the upper solubility range. Journal of Food Science 1976;41:993-95.[8] Tomiyasu H, Fukutomi H, Gordon G. Kintetics and mechanisms of ozone decomposition in basic aqueous solutions. Inorganic Chemistry 1985;24:2964-85.[9] William H G. Drinking water treatment with ozone. Environmental Science and Technology 1987;21:224-30.[10] 仇农学,陈颖. 臭氧溶解特性及对耐热菌非热杀菌的研究. 农业工程学报. 2004, 20(4): 157-159[11] Ong K C, Cash J N, Zabik M J. Chlorine and ozone washes for pesticide removal from apples and processed apple sauce. Food Chemistry 1996;55:153-60.
*葛毅强（通讯作者）：副教授/博士，现在科技部中国农村技术开发中心农业处工作。E-mail：gyq@crtdc.org.cn。科技部农产品加工重大专项“苹果深加工关键技术与设备研究开发”课题（2001BA501A07）
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