高铁酸钾联合表面活性剂去除紫甘蓝、生菜中农药残留的条件优化

鲜切蔬菜是当前我国居民消费升级的新趋势，到2023年预计将达到317.1亿元市场规模，但与国外发达国家的鲜切蔬菜已经占据蔬菜市场60%以上份额相比，我国仍处于成长期阶段[1]，未建立全面的蔬菜保鲜、杀菌、农残去除等加工技术参数。我国是农药生产和使用大国，蔬菜农残超标问题仍时有发生[2]，鲜切蔬菜农残必将是主要监测对象。

我国农药用量年均约337万t，杀虫剂占比较大，其中用量较多的是有机磷类(如毒死蜱、乐果)和氨基甲酸酯类(如丁硫克百威)，它们毒性相对较高，市售蔬菜农残超标率为8.43%和3.37%；此外还有拟除虫菊酯类(如联苯菊酯)，具有高效低毒的优势，但易产生害虫抗药性，其蔬菜农残超标率为1.31%[3]。叶菜因叶片柔软易招虫而要比根茎类菜的农药残留多，甘蓝的农药残留主要因“灌心”施药所致。蔬菜的农药残留会在人体内积累富集而引发各种慢性疾病，并严重影响我国农产品声誉和出口效益，清洗加工常用于果蔬农残的去除[4-7]。

高铁酸钾(K2FeO4)的中心原子Fe以六价存在，极易溶于水而具有强氧化性[8]，同时兼具优异的杀菌和消毒效果，被用于菠菜、小白菜等蔬菜的田间农残去除[9]，是一种新型高效多功能的绿色农药除残试剂，无二次污染，但K2FeO4应用于鲜切蔬菜清洗加工去除农残的研究报道较少。椰子油脂肪酸二乙醇酰胺(coconut oil fatty acid diethanolamide，CDEA)是一种广泛应用的非离子表面活性剂，酰胺键的存在使其具有较强的耐水解性能，与其他非离子表面活性剂不同，没有浊点。CDEA具有较强渗透去污力，能加强各类液体洗涤剂的清洁效果[10-11]。表面活性剂复配往往会产生协同增效作用[12]，但其与K2FeO4等氧化物协同的农残去除效果还未有研究。

本研究以鲜切蔬菜中常见的紫甘蓝和生菜为研究对象，过量使用毒死蜱、乐果、丁硫克百威、联苯菊酯等农药浸泡，优化高铁酸钾溶液的清洗条件，联合添加表面活性剂以提高蔬菜上农药残留的去除效果，解决牢固吸附在叶表面的农残清洗问题，为鲜切蔬菜质量安全保障提供参考数据。

1 材料与方法

1.1 实验原料及试剂

新鲜紫甘蓝(Brassica oleracea L.，十字花科芸薹属)、新鲜生菜(Lactuca sativa L.var.ramosa Hort.，菊科莴苣属)，产自江苏，采摘后0～4 ℃冷链保鲜技术经过长途约2 h运输至上海某超市。农药标准品：毒死蜱(chlorpyrifos,PubChem CID:2730)、乐果(dimethoate,PubChem CID:3082)、丁硫克百威(carbosulfan,PubChem CID:41384)、联苯菊酯(bifenthrin,PubChem CID:6442842)，国药集团化学试剂有限公司。模拟农残的使用试剂：乐果(乳油48%)、毒死蜱(乳油48%)，天津华宇农药有限公司；联苯菊酯(乳油5%)，常州晔康化学制品有限公司；丁硫克百威(乳油20%)，苏州富美实植物保护剂有限公司；K2FeO4(≥98.5%)，郑州智远化工产品有限公司；CDEA(≥98%)，上海源叶生物科技有限公司。分析纯试剂：丙酮、石油醚、环己烷、异辛烷、乙腈、无水Na2SO4、NaCl等，国药集团化学试剂有限公司。

准确移取农药标准溶液，丙酮稀释成0.20、0.50、1.00、1.50、2.00、5.00 μg/mL 的标准使用液系列。分析纯活性炭用3 mol/L盐酸浸泡过夜，抽滤，用水洗至中性，在120 ℃下烘干备用。

1.2 实验仪器和设备

GC-2010气相色谱仪、GCMS-QP2010气相色谱质谱仪，岛津；NISSEI ACE粉碎机，日本精机；JJ-2组织捣碎机，常州蒙特；Thermo电动振荡器，赛默飞；RE-501旋转蒸发仪，科兴仪器；HHWO-50 L恒温水浴锅，瑞德仪器；5425台式离心机(4 000 r/min以上)，德国Eppendorf；GL-16高速台式离心机(16 000 r/min以上)，常州诺基；MX-S旋涡式振荡器，美国Scilogex。

1.3 蔬菜模拟农残污染及清洗

配制混合农药溶液：毒死蜱(2 mL/L)、乐果(1 mL/L)、丁硫克百威(1 mL/L)、联苯菊酯(2 mL/L)。

蔬菜简单清洗去除脏物，切掉根，将叶片逐片剥离浸泡至混合农药溶液，5 min左右取出，清水冲洗0.5 min，沥干，通风处晾置至蔬菜叶片表面干爽。蔬菜的农药残留浓度为农药最大残留限量的10倍以上，若残留浓度不够，则反复进行上述程序。

把染毒后的菜叶放入配制好的CDEA、K2FeO4溶液(现配)，选择不同浓度、温度和时间的清洗条件。沥干后，通风处晾置至蔬菜叶片表面干爽。

1.4 样品农药检测前处理

抽取蔬菜样品，切去蔬菜切口部分，混匀放入粉碎机中捣碎。准确称取25.0 g试样置于匀浆机中，加入50.0 mL乙腈，高速匀浆2 min，用滤纸过滤，用装有5～7 g NaCl的100 mL的具塞量筒收集滤液40～50 mL，盖上盖子，剧烈振荡1 min，静置30 min，使乙腈与水分层。从具塞量筒中吸取10.00 mL乙腈溶液，放入150 mL烧杯中，将烧杯置于80 ℃水浴锅加热，蒸发近干，加入2.0 mL丙酮，备用。将备用液完全转移至15 mL的离心管，用3 mL丙酮分3次冲洗烧杯，转移至离心管，定容至5.0 mL，用漩涡混合器混匀，0.2 μm滤膜过滤，分别移入2个自动进样器样品瓶中，供色谱GC测定。

1.5 GC检测条件

进样口温度240 ℃，检测器温度280 ℃，进样量1.00 mL，柱流量4.13 mL/min，总流量100 mL/min，毛细管柱：DB-17(30 m×0.32 mm×0.25 μm)，进样：不分流进样。

升温程序：起始温度50 ℃，20 ℃/min速度升至120 ℃，再以10 ℃/min速率升至180 ℃，保持4 min，然后10 ℃/min升至270 ℃，保持8 min。

载气为N2，纯度≥99.999%，流速2 mL/min；燃气为H2，纯度≥99.999%，流速75 mL/min；助燃气为空气。根据样品溶液峰面积与标准溶液峰面积比较定量。

1.6 农药残留计算

试样中被测农药残留量以质量分数w计，单位以mg/kg表示，按公式(1)计算。

(1)

式中：ρ，标准溶液中农药的质量浓度，mg/L；A，样品溶液中被测农药的峰面积；As，农药标准溶液中被测农药的峰面积；V1，提取溶剂总体积，mL；V2，吸取出用于检测的提取溶液的体积，mL；V3，样品溶液定容体积，mL；m，试样的质量，g。

1.7 K2FeO4去除蔬菜农残的响应面实验

在预实验基础上，选择清洗温度、时间、K2FeO4浓度3个因素进行单因素试验，考察K2FeO4对模拟污染的紫甘蓝、生菜中农残去除的作用，确定各因素的优化区间。进而选取3因素3水平，以农残去除率为响应值，采用Box-Behnken试验设计[13]，因素编码及水平见表1。

表1 响应面试验因素水平表
Table 1 Factors and their coded levels used in response surface analysis

用Excel 2010和Design-Expert 12软件进行数据处理，对响应面实验数据进行线性回归和方差分析，模拟因素的显著性均通过P值考察(P<0.05)，结果以农残去除率(%)表示。

1.8 K2FeO4联合CDEA去除蔬菜农残

在上述响应面实验确定的K2FeO4去除蔬菜农残最优化清洗条件下，添加2.0%、4.0%、6.0%、8.0%、10.0%、12.0%的CDEA，检测不同配比复合清洗剂对紫甘蓝和生菜中4种农药残留的去除，采用Excel、DPS2000进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 蔬菜浸毒处理前后农药含量

市售紫甘蓝和生菜中各检测农药含量均小于最大残留限量，经农药混合液浸毒处理后，农残测定结果见表2。参考有报道的我国市售生菜农药超标率为10.8%[14]，紫甘蓝、生菜等蔬菜农药超标情况，一般为限值的10～60倍，本实验蔬菜浸毒后农残量较合理。

在传统的农业生产中，农药的利用率仅在20%左右，大量的农药残留在土壤中，作物生长会对这部分农药进行吸收、转移和富集，如生菜和小白菜根部能富集大量毒死蜱并且不再向外释放[15]。这部分农药存留在蔬菜内部，不同于农药田间叶面喷洒，不易通过清洗去除。另有部分农药分子与富含羟基的纤维素和木质素的叶表面形成氢键[16]，较难去除。本研究采用蔬菜农药浸泡后清水冲洗0.5 min处理，去除了浮于表层的农药，主要探讨蔬菜表面吸附农药的去除。

表2 蔬菜农药含量(浸毒处理前后) 单位：mg/kg

Table 2 The vegetables pesticide residues (before and after poisoned)

2.2 响应面模型的建立与分析

K2FeO4溶液去除紫甘蓝、生菜中毒死蜱、乐果、丁硫克百威、联苯菊酯农残的响应面试验设计及结果如表3，对应的拟合多元二次回归方程和方差分析如表4、表5所示。

表3 响应面试验设计及结果
Table 3 The experimental design and results for response surface analysis

表4 K2FeO4溶液清洗对紫甘蓝、生菜农残去除率的回归方程(代码值)
Table 4 Final equation in terms of coded factors for removal rate of pesticide residues from purple cabbage and lettuce by K2FeO4

表5 K2FeO4溶液清洗紫甘蓝、生菜农残去除率的回归模型方差分析结果
Table 5 Regression model analysis of variance results for removal rate of pesticide residues from purple cabbage and lettuce by K2FeO4

续表5

注：*，有差异 (P<0.05)；**，差异显著(P<0.01)；***，差异极显著 (P<0.001)

由表5可知，各模型P<0.000 1，响应回归模型极显著；失拟项P>0.05，差异不显著，说明方程对实验的拟合情况较好，实验误差小；校正系数R2和修正系数表明各模型较好地反映了各因素的关系。除了A、B、C项外，AB、BC、AC项对农残去除率也均有显著影响。各回归方程(表4)一次项的回归系数绝对值大小依次为A、C、B，表明清洗温度对农残去除的影响最大，其次是K2FeO4溶液浓度，最后是清洗时间。

根据上述回归方程及方差分析得双因子效应分析图，两因素之间的影响均呈先增后减的抛物线型关系，存在交互关系，且均有一个极大值点，以去除率较高的生菜中毒死蜱、乐果、丁硫克百威农残清洗为例，见图1。

a-清洗温度和K2FeO4浓度(毒死蜱)；b-清洗时间和K2FeO4浓度(毒死蜱)；c-清洗温度和时间(毒死蜱)；e-清洗温度和 K2FeO4浓度(乐果)；f-清洗时间和K2FeO4浓度(乐果)；g-清洗温度和时间(乐果)；h-清洗温度和K2FeO4浓度(丁硫克百威)； i-清洗时间和K2FeO4浓度(丁硫克百威)；j-清洗温度和时间(丁硫克百威)
图1 两因素交互作用影响生菜中毒死蜱、乐果、丁硫克百威农残去除率的响应曲面
Fig.1 Response surface plots showing the effects of pair wise interaction of the factor on removal rate of chlorpyrifos, dimethoate and carbosulfan pesticide residue from lettuce

求解回归方程可得，K2FeO4去除蔬菜农残的最优条件为：清洗温度28 ℃、清洗时间为15～16 min、K2FeO4质量浓度为0.6～0.7 g/L，在此条件下，不同农残在紫甘蓝和生菜中去除率的预测值为39.55%～73.72%，验证实验值为40.09%～72.59%，实际值与预测值之间的相对误差为0.33%～2.43%(表6)，预测条件与实际较相符，采用响应面法优化得到的清洗参数准确可靠，按此模型进行预测在实践中可行。

从研究结果分析，对于紫甘蓝来说，农药去除率为：毒死蜱>乐果>丁硫克百威>联苯菊酯(P<0.05)，去除率值分别为60.02%、54.82%、50.95%和40.09%；对于生菜来说，毒死蜱、乐果、丁硫克百威均有较好的去除效果，去除率达72.09%～73.52%(P>0.05)，但联苯菊酯的去除率仅为50.74%，低于其他几种农药(P<0.05)(表6)。

表6 K2FeO4溶液清洗去除紫甘蓝、生菜农残的最优化
Table 6 The optimization results for removing pesticide residues from purple cabbage and lettuce by K2FeO4

2.3 K2FeO4联合CDEA去除紫甘蓝、生菜中农药残留效果

CDEA是一种非离子表面活性剂，常应用于果蔬清洗剂，预实验结果显示，100 g/L CDEA对紫甘蓝和生菜中4种农残的去除率为19%～34%，与清水的农残去除率9%～17%相比，具有一定的渗透去污功能。为提高紫甘蓝的农残去除率，并针对联苯菊酯等农药的脂溶性，在0.6 g/L的K2FeO4溶液添加不同浓度CDEA，28 ℃条件下清洗15 min，结果如图2所示。添加20 g/L CDEA可显著提高蔬菜中毒死蜱、乐果、丁硫克百威农残的去除率，紫甘蓝中上述3种农残去除率从原来50%～60%分别提高到77.35%、73.56%、70.12%(图2-a)，生菜中则从原来72%左右分别提高到82.34%、78.11%、79.58%(图2-b)，之后随着CDEA浓度增加，农残去除率增加趋于平缓。在40～80 g/L CDEA质量浓度下，紫甘蓝和生菜中联苯菊酯去除率为65.24%～70.57%和71.43%～74.48%，较未添加时有显著提高(P<0.05)，并随CDEA浓度增加农残去除率继续略有提高，但过高浓度CDEA会因黏稠而影响后续清水漂洗效率。以上述K2FeO4联合CDEA去除紫甘蓝、生菜中农药残留，蔬菜质构未受显著影响，主要是清洗时间较短且清洗液浓度较低，未对蔬菜组织造成损伤。

a-紫甘蓝；b-生菜
图2 K2FeO4联合CDEA去除紫甘蓝、 生菜中农药残留
Fig.2 Removal of pesticide residues in purple cabbage and lettuce by K2FeO4 combined with CDEA

3 讨论

刘红玉等[17]研究显示，采用田间菠菜叶面喷施0.6 g/L的K2FeO4后21 d采摘可使菠菜中敌敌畏、毒死蜱和乐果的降解率达到72.43%、87.15%和75.45%，对蔬菜品质指标没有明显影响。阳如春[18]报道，在0.01～0.08 g/L敌敌畏水溶液中加入0.8 g/L的K2FeO4反应15 min可使敌敌畏含量降低到5×10-5 g/L。郭盈岑等[19]报道0.5 g/L K2FeO4溶液对甘蔗中模拟特丁磷、乐果残留的降解率可达到100%和90.7%，常温下反应时间分别为10和30 min。本研究结果表明，0.6～0.7 g/L的K2FeO4溶液用于蔬菜农残的清洗去除也有较好效果。

已有研究表明，K2FeO4溶于水分解将产生强氧化性，碱液中0.1 g/L K2FeO4随温度升高而迅速降解，16 ℃下1 h后K2FeO4残存40%，而40 ℃下15 min内K2FeO4分解完全[20]，温度对其分解有明显影响，这与本实验中清洗温度对蔬菜农残去除有影响的结果一致。

由结果可知，同样条件下紫甘蓝的各农药残留去除率均低于生菜，这可能因蔬菜本身的不同特性导致的。甘蓝类蔬菜表皮的腊质层比叶菜类厚，田间喷洒农药时药液呈小珠状，不能湿润植株叶面而流失，但浸泡时较厚的叶面脂质层反而可以吸附脂溶性农药，农残较难去除。

值得注意的是，与其他研究相比，本实验因蔬菜浸毒后清水冲洗0.5 min的前处理已去除部分浮于蔬菜表面的农药，上述去除率数据表明了较难去除的那部分吸附农残的去除效果。已有研究显示，在甘蓝中毒死蜱和乐果的降解半衰期分别为2.52、2 d[21-22]，而丁硫克百威为2～5 d[23]，联苯菊酯则为7.7 d[24]，推测农药去除难易与该类农药在此植物中的半衰期有关。另据相关报道显示，联苯菊酯在土壤中的残留期较长，而有机磷和氨基甲酸酯类以及一些杀菌剂的残留时间一般只有几天或几周[25]。因此，与其他3种农药相比，联苯菊酯在这2种蔬菜中去除率均为最低，可能与该农药较难氧化消解有关。

由实验结果分析，采用K2FeO4同一清洗方法对不同蔬菜的不同农残去除效果有差异，这是由于不同的蔬菜叶表面结构(表面的光滑程度和是否覆有蜡质层)不同[26]，以及农残种类(正辛醇/水分配系数)、含量和其降解情况有差异[27]而导致。

CDEA既有亲水基团又有亲脂基团，常与烷基糖苷(alkyl glycoside，APG)、脂肪酸甲酯乙氧基化物(fatty acid methyl ester ethoxylate，FMEE)、SDS等复配[12]，用于油性物质的去除。已有研究显示，含有表面活性剂的洗洁精可去除果蔬中的农药残留[28]，此类表面活性剂的疏水基团与脂溶性农药结合，亲水基团和水相接触，从而实现果蔬农残去除。本研究结果显示，提高CDEA在K2FeO4中的复配浓度，将有效提高蔬菜中联苯菊酯的去除率，特别是紫甘蓝等蜡质层较厚的蔬菜，这可能与CDEA增加联苯菊酯从叶面蜡质层的溶出率有关。

4 结论

紫甘蓝和生菜是常见的鲜切即食蔬菜，针对蔬菜经简单冲洗后较难去除的叶面吸附农药，本研究利用响应面法建立其农残清洗去除的二次多项回归模型，拟合程度高，优化得到最佳清洗条件为：在28 ℃下0.6 g/L的K2FeO4清洗15 min，此条件下得到的蔬菜农残去除率明显优于未经优化的数值。K2FeO4可较好地氧化去除生菜中毒死蜱、乐果、丁硫克百威农药残留，去除率为72%左右，而在紫甘蓝中则相对较难去除，推测原因是其叶面脂质层较厚而吸附住农药。此外，联苯菊酯在2种蔬菜中的去除率相对较低，为40%～50%，可能与K2FeO4对其氧化消解能力低有关。

K2FeO4和CDEA联合可提高蔬菜中农残的去除效果，在上述K2FeO4最优化条件下添加20 g/L CDEA，2种蔬菜中毒死蜱、乐果、丁硫克百威农残去除率为70.12%～82.34%；对于较难去除的联苯菊酯，可提高CDEA质量浓度至80 g/L，其在紫甘蓝和生菜中的去除率可提高至70%以上。

K2FeO4和CDEA均为安全绿色试剂，两者联合使用能增强对农药的氧化分解和溶解性，有效提高蔬菜农残的去除效果，且蔬菜质构未受显著影响，对于常见鲜切蔬菜的清洗去除农残具有重要的应用推广价值。