六種蔬菜吸附吡蟲啉的動(dòng)力學(xué)研究初探

盧陽陽,關(guān)舒會(huì),孫 強(qiáng),饒欽雄,宋衛(wèi)國?

(1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所,上海市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全評(píng)價(jià)技術(shù)服務(wù)平臺(tái),上海市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全工程技術(shù)研究中心,上海201403;2上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海201306)

農(nóng)藥殘留是我國果蔬類農(nóng)產(chǎn)品的主要安全性問題。2001—2009年,江蘇省農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)及超市中蔬菜、水果樣品農(nóng)藥殘留檢出率為17.15%,超標(biāo)率11.66%[1]。2006—2009年,山西省3 520個(gè)蔬菜樣品的農(nóng)藥殘留超標(biāo)率為3.9%,葉菜類蔬菜超標(biāo)4.3%[2]。2009年,上海市松江區(qū)的葉類蔬菜檢出率最高[3]。農(nóng)藥殘留主要來源于外部介質(zhì)中農(nóng)藥在植物體內(nèi)的吸收和積累。農(nóng)藥噴霧施用對(duì)殘留的貢獻(xiàn)率大于土壤施用,如吡蟲啉,農(nóng)藥噴霧的農(nóng)藥殘留量比滴灌施用高出5倍以上[4]。對(duì)于噴霧施用的農(nóng)藥,葉部吸收是農(nóng)藥殘留的主要積累途徑[5]。

表面上的農(nóng)藥在植物中的積累,實(shí)際上是植物吸附農(nóng)藥的過程[6]。1898年Lagergren用木炭吸附溶液中的溶質(zhì),提出了一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程[7],這個(gè)方程常被用于驗(yàn)證生物吸附劑的動(dòng)力學(xué)吸附過程,反映了吸附劑的吸附量隨時(shí)間的變化速率與吸附劑最大吸附量和t時(shí)刻吸附量的差成正比。為了區(qū)分基于固體吸附能力的動(dòng)力學(xué)方程與以溶液濃度為基礎(chǔ)的動(dòng)力學(xué)方程,Lagergren一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程也稱為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程[8]。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程是用于描述吸附過程的物理化學(xué)作用,可以用來驗(yàn)證吸附動(dòng)力學(xué)[9]。

農(nóng)藥殘留的吸收不僅與農(nóng)藥自身性質(zhì)、環(huán)境因素有關(guān),與作物本身也可能相關(guān)。同一種農(nóng)藥噴霧用于不同作物,受植物表面結(jié)構(gòu)、植物細(xì)胞等因素影響,可能造成農(nóng)藥殘留量具有差異。本試驗(yàn)以我國使用非常廣泛、全球銷量最大的殺蟲劑吡蟲啉[10]為目標(biāo)農(nóng)藥,研究六種常見蔬菜表面吸附后的體內(nèi)吡蟲啉殘留動(dòng)態(tài),從殘留量累積的角度初步揭示農(nóng)藥殘留形成的吸附動(dòng)力學(xué)和不同蔬菜吸附的差異性,以期為農(nóng)藥的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和及其選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試材料：青菜、杭白菜、黃瓜、番茄、芹菜、豇豆(采購于上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行試驗(yàn)站),委托農(nóng)業(yè)部食用菌產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心(上海)分析,未檢出吡蟲啉殘留。

供試農(nóng)藥：吡蟲啉(有效成分：10%,劑型：可濕性粉劑,上海悅聯(lián)化工有限公司)。

農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品：99.5%吡蟲啉(德國Dr.Ehrenstorfer GmbH公司)。

主要試劑：乙腈(色譜純,上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司);氯化鈉(分析純,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司);CNW dSPE分散固相萃取純化管(150 mg無水硫酸鎂,25 mg PSA,7.5 mg GCB,2 mL,上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司);純凈水(上海娃哈哈飲用水有限公司);超純水,由Millipore超純水儀制備得到。

1.2 儀器與設(shè)備

Acquity(BSM∕PDA)Waters超高壓液相色譜儀(Waters科技有限公司);JY3002電子天平(上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司);SK8210LHC超聲波清洗器(上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司);EPFO-945605 Talboys基本型漩渦混合器、EOFO-945008 Talboys基本型多管式漩渦混合器(Troemner公司,美國);D-37520冷凍離心機(jī)(Thermo公司,德國);5424R高速冷凍離心機(jī)(Eppendorf公司,德國);超純水儀(Millipore公司,美國);JYL-C022E料理機(jī)(九陽股份有限公司)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 蔬菜處理

稱取8 g吡蟲啉粉劑,放入4 L純凈水中攪拌溶解,將蔬菜分別浸沒于浸泡液中,于10 min、1 h、3 h、5 h、8 h、12 h、24 h、30 h、36 h、48 h 取出部分疏菜,用水沖洗蔬菜表面的農(nóng)藥,擦干,勻漿,待測(cè),以純凈水浸泡為空白對(duì)照。

1.3.2 樣品前處理

稱取5 g樣品于離心管中,加入10 mL乙腈,渦旋30 min,加入2 g NaCl,渦旋1 min,4 500 r∕min離心5 min,取1 mL溶液于dSPE分散固相萃取純化管中,渦旋1 min,12 000 r∕min離心3 min,取上清液過0.22 μm有機(jī)濾膜,乙腈稀釋到線性范圍內(nèi),待上機(jī)。

1.3.3 檢測(cè)方法

儀器：超高壓液相色譜(UPLC),PDA檢測(cè)器,流動(dòng)相為色譜純乙腈(A相)和水(B相),色譜柱為CORTECS C18(2.1 ×100 mm,1.6 μm),柱溫：30 ℃,進(jìn)樣量：5 μL,吸收波長：256 nm,流速：0.4 mL∕min。 流動(dòng)相梯度：0—6.0 min,A相從5%升到30%;6.0—6.5 min,A相降到5%;6.5—8.0 min,A相保持5%。

1.3.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

用乙腈配制 0.1 mg∕L、0.2 mg∕L、0.5 mg∕L、1.0 mg∕L、2.0 mg∕L、4.0 mg∕L、8.0 mg∕L的吡蟲啉標(biāo)準(zhǔn)溶液,分別進(jìn)樣,繪制定量標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.5 回收率的測(cè)定

在空白樣品中添加吡蟲啉標(biāo)準(zhǔn)溶液,添加水平分別為青菜 0.1 mg∕kg、10 mg∕kg、30 mg∕kg,杭白菜1 mg∕kg、25 mg∕kg、50 mg∕kg,黃瓜 0.5 mg∕kg、6 mg∕kg、12 mg∕kg,番茄 0.2 mg∕kg、1 mg∕kg、3 mg∕kg,芹菜5 mg∕kg、40 mg∕kg、80 mg∕kg,豇豆 1 mg∕kg、20 mg∕kg、40 mg∕kg,每個(gè)添加水平設(shè)置 5 個(gè)重復(fù),添加標(biāo)準(zhǔn)品溶液后靜置2 h左右,按前述方法進(jìn)行提取,并進(jìn)行定量分析,計(jì)算回收率。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

吡蟲啉的保留時(shí)間為4.32 min,以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),峰面積為縱坐標(biāo),做線性回歸曲線,測(cè)得吡蟲啉在0.1—8.0 mg∕L范圍內(nèi),峰面積與質(zhì)量濃度呈線性相關(guān),標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=14 300x+1 090,決定系數(shù)R2=0.9981。

2.2 六種蔬菜中吡蟲啉的回收率

吡蟲啉在青菜、杭白菜、黃瓜、番茄、芹菜和豇豆中的平均回收率分別為98.87%—102.10%、96.28%—101.04%、94.74%—99.85%、93.72%—97.46%、98.84%—108.34%和97.48%—102.33%,變異系數(shù)分別為0.84%—1.96%、1.51%—4.67%、1.63%—7.14%、1.39%—7.55%、1.23%—4.24%和1.44%—6.38%,均在允許范圍內(nèi),符合分析標(biāo)準(zhǔn)。六種蔬菜采用該檢測(cè)方法的定量限均為0.1 mg∕kg。

2.3 六種蔬菜中吡蟲啉的殘留動(dòng)態(tài)

對(duì)照處理中未檢出吡蟲啉農(nóng)藥殘留。如圖1所示,浸泡初期蔬菜吸附的殘留量較少,隨著時(shí)間延長,殘留量持續(xù)升高并達(dá)到最大值。六種蔬菜中吡蟲啉的殘留量分別在不同時(shí)間達(dá)到殘留峰值,在30 h時(shí),青菜(20.736 mg∕kg)、杭白菜(42.617 mg∕kg)和黃瓜(11.541 mg∕kg)達(dá)到殘留峰值;在 36 h 時(shí),番茄(2.780 mg∕kg)、芹菜(73.125 mg∕kg)和豇豆(32.779 mg∕kg)達(dá)到殘留峰值。 采用 SPSS 17.0 軟件對(duì)吡蟲啉在六種蔬菜中吸收量的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行多因素分析發(fā)現(xiàn),每個(gè)時(shí)間點(diǎn)不同蔬菜的殘留量存在極顯著差異(P＜0.001),殘留量大小順序?yàn)榍鄄耍竞及撞耍爵梗厩嗖耍军S瓜＞番茄。

圖1 6種蔬菜對(duì)浸泡液中吡蟲啉的吸附殘留量Fig.1 Adsorption residues of imidacloprid in six vegetables for soaking solution

2.4 吡蟲啉在六種蔬菜中的吸附動(dòng)力學(xué)

利用Origin 8.5軟件對(duì)所得的吡蟲啉吸收數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)及準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合,準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程為式中qe為吸附平衡時(shí)蔬菜中吡蟲啉的殘留量(mg∕kg),qt為時(shí)間t時(shí)蔬菜中吡蟲啉的含量(mg∕kg),k1為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)(∕h),k2為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)[kg∕(mg·h)]。根據(jù)表1所示的數(shù)據(jù)及擬合參數(shù),比較準(zhǔn)一級(jí)及準(zhǔn)二級(jí)擬合的平衡殘留量與實(shí)際量,并用決定系數(shù)R2分析。結(jié)果表明：六種蔬菜吸附溶液中吡蟲啉的動(dòng)態(tài)符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,決定系數(shù)R2為0.9084—0.9771,六種蔬菜中吡蟲啉達(dá)到吸附平衡時(shí)的準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)理論殘留量為青菜 21.223 mg∕kg、杭白菜 38.618 mg∕kg、黃瓜 12.629 mg∕kg,、番茄 2.908 mg∕kg、芹菜76.139 mg∕kg、豇豆 36.843 mg∕kg,吡蟲啉殘留量的實(shí)際值為青菜 20.736 mg∕kg、杭白菜 42.617 mg∕kg、黃瓜 11.541 mg∕kg,、番茄 2.780 mg∕kg、芹菜 73.125 mg∕kg、豇豆 32.779 mg∕kg,兩者接近。 但準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型并不適合全部六種蔬菜,青菜、杭白菜和芹菜吸附的決定系數(shù)R2大于0.9,且理論上的吸附平衡殘留量和實(shí)際吸附平衡殘留量接近,其他三種蔬菜的準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)結(jié)果的決定系數(shù)R2均小于0.9。因此,蔬菜吸附溶液中吡蟲啉的行為更符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,六種蔬菜對(duì)吡蟲啉吸收的準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。不同蔬菜吸附能力不同,且吸附速率k1值越大,浸泡初期吸附能力越強(qiáng),故按照吸附速率判斷浸泡初期的吸附能力大小為杭白菜(k1=0.1448∕h)＞青菜(k1=0.1083∕h)＞芹菜(k1=0.0823∕h) ＞ 黃瓜(k1=0.0719∕h) ＞ 番茄(k1=0.0617∕h) ＞ 豇豆(k1=0.0563∕h)。

表1 6種蔬菜對(duì)吡蟲啉的吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 1 Adsorption kinetic parameters for imidacloprid in six vegetables

圖2 6種蔬菜對(duì)吡蟲啉吸附的準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型Fig.2 Pseudo-first order kinetic model for imidacloprid adsorption in six vegetables

3 討論

本試驗(yàn)通過吡蟲啉溶液浸泡,采用QuEChERS法檢測(cè)不同蔬菜中的吡蟲啉殘留吸附量。結(jié)果表明：六種蔬菜吸附吡蟲啉的殘留量逐漸升高達(dá)到最高值,隨后可能由于蔬菜吸附的藥量達(dá)到飽和,吡蟲啉含量趨于穩(wěn)定的狀態(tài),最后蔬菜發(fā)生腐爛,可認(rèn)為是由于蔬菜細(xì)胞一直處于高濃度環(huán)境中,導(dǎo)致細(xì)胞失水并發(fā)生質(zhì)壁分離[11],當(dāng)失水過多時(shí),細(xì)胞死亡,細(xì)胞膜失去選擇透過性,農(nóng)藥可隨意進(jìn)出植物細(xì)胞[12]。

青菜、杭白菜、黃瓜、番茄、芹菜和豇豆吸附藥液中吡蟲啉殘留量擬合的準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的決定系數(shù)R2均大于0.9,且平衡時(shí)實(shí)際吸附量與理論吸附量很接近,說明這六種蔬菜在藥液中吸附吡蟲啉的過程符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,但不同蔬菜的吸附速率不同。

由于蔬菜表面接觸面積與表面結(jié)構(gòu)有差異,對(duì)吡蟲啉的吸附能力也不同,葉菜類杭白菜和青菜葉面較大,接觸農(nóng)藥面積較大,吸附量較大,吸附速度相對(duì)較快;茄果類蔬菜番茄和黃瓜表面較光滑,與農(nóng)藥接觸面積最小,黃瓜吸附量較低,吸附速度較快,番茄的吸附量最小,吸附速度在初期較慢,后期較快;根莖類蔬菜芹菜可通過根部吸收農(nóng)藥,且體積小,其吸附量最大,但吸附速度最慢;莢果類蔬菜豇豆體積小,接觸表面積大,其吸附量在中間水平,吸附速度較慢。蔬菜中農(nóng)藥殘留水平與農(nóng)藥吸附密切相關(guān),因此,該方面的深入研究對(duì)于定量評(píng)估農(nóng)藥的殘留水平具有積極意義。

日本“肯定列表”[13]規(guī)定吡蟲啉在青菜和杭白菜中的殘留限量為0.5 mg∕kg,黃瓜中的殘留限量為1 mg∕kg,番茄中的殘留限量為2 mg∕kg,芹菜中的殘留限量為4 mg∕kg,豇豆中的殘留限量為3 mg∕kg;而我國食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)食品中農(nóng)藥最大殘留限量規(guī)定[14],青菜和杭白菜中的殘留限量為0.2 mg∕kg,黃瓜和番茄中的殘留限量為1 mg∕kg,芹菜中的殘留限量為5 mg∕kg,豇豆未制定殘留限量標(biāo)準(zhǔn)。基于日本和我國制定的農(nóng)藥殘留限量標(biāo)準(zhǔn),可知?dú)埩粝蘖繛榍鄄耍爵梗痉眩军S瓜＞杭白菜=青菜,本試驗(yàn)采用同一濃度吡蟲啉浸泡的方式得到的殘留量為芹菜＞杭白菜＞豇豆＞青菜＞黃瓜＞番茄,由于標(biāo)準(zhǔn)的制定不僅要根據(jù)人體每日膳食攝入量[15]和毒理學(xué)試驗(yàn)[16],還要依據(jù)農(nóng)藥使用的發(fā)展趨勢(shì)[17]及國際貿(mào)易的需求[18]等,所以對(duì)這六種蔬菜吸附能力的研究可為殘留限量的修訂提供參考。