超聲波降解蘋果汁中的甲胺磷*

張媛媛，楊斯超，張慧，侯亞西，張家寧，陳芳，胡小松

(中國農業大學食品科學與營養工程學院，農業部果蔬加工重點開放實驗室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京，100083)

超聲波降解蘋果汁中的甲胺磷*

張媛媛，楊斯超，張慧，侯亞西，張家寧，陳芳，胡小松

(中國農業大學食品科學與營養工程學院，農業部果蔬加工重點開放實驗室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京，100083)

為了去除蘋果汁中的有機磷農藥殘留，提高其安全性，文中以甲胺磷為例，研究了超聲波處理對蘋果汁中甲胺磷的降解效果以及超聲功率和處理時間對甲胺磷降解的影響。結果表明:超聲波能顯著降低蘋果汁中的甲胺磷濃度，且超聲功率和處理時間對甲胺磷的降解均有顯著影響(P＜0.05)。隨著功率的增加和處理時間的延長，甲胺磷的降解率升高。當超聲功率為500 W，處理時間為120 min時，甲胺磷的降解率最大，達到57.2%。動力學分析表明，一級動力學模型能很好擬合超聲波作用下的甲胺磷降解。

超聲波，甲胺磷，蘋果汁，動力學

有機磷農藥是我國應用范圍最廣的農藥品種之一。研究表明有機磷農藥具有強的抑制膽堿酯酶的作用［1］，在較高殘留量時會引起急性中毒。另外，有機磷農藥還有細胞毒性［2］、免疫毒性［3］和遺傳毒性［4］等慢性毒性。因此，控制有機磷農藥在農產品以及食品中的殘留量對于促進國際貿易以及保護消費者健康均具有重要意義。

我國濃縮蘋果汁出口量已經從1998年的不足10 t上升到了2009年的79 t;其中2009的出口量占世界年貿易量的50%以上，出口創匯高達6億美元［5］。然而，在蘋果種植中，長期大量和高頻率地使用有機磷農藥，導致蘋果加工后濃縮蘋果汁中有機磷農藥超標的情況屢有發生［6］。隨著各國對食品安全要求的提高以及國際貿易競爭的不斷加劇，國際市場對濃縮蘋果汁中農藥殘留的限制越來越嚴，降低濃縮蘋果汁中的農藥殘留成為我國濃縮蘋果汁加工業的主要技術難題之一［7］。

超聲波是頻率高于16kHz的機械波，近年來在污染物降解包括農藥降解方面已經實現產業化應用［8－9］，其最大的特點是在降解污染物過程中可以不用添加任何化學物質。此外，超聲波技術具有一定的殺菌［10］和鈍化酶活［11］的作用;同時，和傳統的熱加工技術相比，超聲波技術具有殺菌溫度低、耗能小和對食品品質的影響小等優點［10］。因此，該技術已經被美國食品與藥物管理局(FDA)列為可供選擇的非熱殺菌方法之一［12］。前人研究表明，超聲波能降解環境廢水中的農藥［8］。因此，如果能將超聲波技術應用于蘋果汁加工過程中，殺滅微生物、鈍化酶活及降解農藥殘留將一步完成，同時最大程度的保持蘋果汁的新鮮度，將對生產產生重要意義。

在實際生產中，由于生產濃縮果汁的原料來源不同，殘留農藥的種類和水平差異較大。因此，本研究選用具有高毒、高殘留、難以降解等特點［13］的甲胺磷作為目標農藥，同時，選用較高濃度的農藥殘留量(mg/kg級)，建立用超聲波降解有機磷農藥的模擬體系，研究超聲波技術對農藥的降解效果。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和試劑

濃縮蘋果汁，煙臺北方安德利果汁股份有限公司提供，該濃縮蘋果汁中無甲胺磷檢出。甲胺磷農藥標準品購于Dr.Ehrenstorfer公司，使用前配制成1mg/mL農藥儲備液。重蒸乙腈，農殘級丙酮，分析純NaCl于140℃烘烤4 h后置于干燥器中備用。

1.2 主要儀器與設備

JY92－II型超聲波細胞粉碎機(寧波新芝生物科技股份有限公司)，HX-1050恒溫循環器(北京德天佑科技發展有限公司)，HP-5毛細管柱(30 m×0.53 mm，1.5μm;美國安捷倫公司)，0.22 μm 有機系針式過濾器，福立GC9790型氣相色譜儀-配火焰光度檢測器(GC-FPD，浙江福立分析儀器有限公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 蘋果汁模擬體系的制備

將濃縮蘋果汁加入7倍體積的水進行稀釋，獲得13°Brix的還原蘋果汁。取1mg/mL的甲胺磷標準品儲備液6mL于燒杯中，氮氣吹干后用少量還原蘋果汁溶解并轉移至體積為3 L的還原蘋果汁中。混合均勻后，測得該還原蘋果汁中甲胺磷濃度為1.82 mg/L，用于后續實驗處理。

1.3.2 超聲波處理

準確量取75mL還原蘋果汁于容積為100mL的冷阱中，分別在設定功率和設定時間下進行超聲波處理。冷阱連接于25℃恒溫循環器上以保持處理過程中溫度恒定。處理后的樣品于4℃下保存，并在48 h內分析完畢。

1.3.3 檢測方法

樣品前處理:蘋果汁中有機磷農藥的測定參考農業部標準NY/T 761－2004，并略作改進。準確量取20.00mL蘋果汁于200mL具塞三角瓶中，加入50.00mL乙腈，振蕩提取30 min;然后將蘋果汁和乙腈的混合液轉移至含有7g NaCl的100mL具塞量筒中，蓋上塞子劇烈振搖1min，室溫下靜置10min，使乙腈和水相分層;用移液管準備吸取10.00mL乙腈相溶液，40℃下濃縮至近干，氮氣吹干后用丙酮定容至2.0mL，用0.22μm的針式過濾器過濾后轉移至樣品瓶中待分析。

GC檢測條件:HP-5色譜柱，柱溫240℃，進樣口溫度250℃，FPD檢測器溫度(配磷濾光片)260℃;升溫程序為120℃保持1min，10.0℃/min的速度升至240℃，保持5min;氣流條件為載氣(N2)壓力0.05 MPa;氫氣(H2)壓力0.1 MPa;空氣(助燃氣)壓力0.03 MPa;進樣量1.0μL;進樣方式為不分流進樣。

1.4 統計分析

數據分析采用方差分析(ANOVA)，所有實驗均重復3次。用Origin Pro7.5統計軟件分析數據并制圖。

2 結果與討論

2.1 甲胺磷分析方法的回收率和精密度

甲胺磷的定性分析采用和標準品出峰時間比較的方法，其定量分析采用外標法。當蘋果汁中甲胺磷的添加濃度為0.10～5.00 mg/L時，甲胺磷的回收率為85%～98%，相對標準偏差為5.1%～13.6%。方法的準確度和精密度能達到農藥殘留分析要求，檢測方法準確可靠。

2.2 超聲功率對甲胺磷降解效果的影響

將甲胺磷濃度為1.82 mg/L的蘋果汁分別在100、300、500 W的超聲功率下處理60 min，其濃度變化如圖1所示。方差分析表明，超聲波功對蘋果汁中的甲胺磷的濃度具有顯著影響(P＜0.05)。從圖1中可以看出，隨著超聲功率的提高，甲胺磷的濃度顯著降低。當超聲功率為100 W時，甲胺磷的降解率為14.1%;當超聲功率為300 W時，甲胺磷的降解率提高到30.1%;在功率為500 W時，甲胺磷的降解率最高，達到35.9%。這與Schramm等人在研究超聲波降解敵敵畏時的結果相似［8］。超聲波功率的提高對甲胺磷降解的促進作用可以用空化效應來解釋。當超聲功率提高時，體系中的能量增加，從而促進空化氣泡增加，并使溶液中自由基的濃度升高［14］，從而有利于促進甲胺磷的降解;此外，高功率下超聲所帶來的更強烈的機械效應例如攪拌和振蕩等［15］也有利于甲胺磷的降解。

圖1 超聲功率對蘋果汁中甲胺磷的影響

2.3 超聲時間對甲胺磷降解效果的影響

為分析超聲時間對甲胺磷降解的影響，將含有甲胺磷為1.82 mg/L的蘋果汁分別在100、300和500 W 的功率下處理 15、30、45、60、75、90、105、120 min，跟蹤測定甲胺磷的濃度(圖2所示)。

圖2 超聲處理時間對蘋果汁中甲胺磷的影響

從圖2中可以看出，在100、300和500 W功率下，隨著處理時間的延長，甲胺磷的濃度均呈持續下降趨勢。以功率300 W為例，處理60 min時，甲胺磷的降解率為30.1%;將處理時間延長至120 min，甲胺磷的降解率上升至47.2%。在功率為500 W，處理時間為120 min時，降解率達到最大值57.2%。方差分析的結果表明，處理時間對甲胺磷的降解有顯著影響(P＜0.05)。這主要是因為隨著處理時間的增長，體系內空化氣泡增多，使體系中自由基濃度、過氧化氫濃度升高［16］，從而促進了甲胺磷的降解。

2.4 甲胺磷降解動力學

2.4.1 二級動力學模型

二級動力學的公式為:1/ct－1/c0=kt，其中t表示超聲波的處理時間，k表示降解速率，c0和ct分別表示甲胺磷的初始濃度和超聲處理t時間后的濃度。

以1/ct－1/c0為縱坐標，以時間為縱坐標作圖，得到以k為斜率的直線方程，如圖3所示。其相關參數列于表1。從表1可以看出，在3個功率下，盡管模型的P值都小于0.001，但對于100 W功率下的R2，其值僅僅為0.578，表明擬合度較低。這說明該模型不適合用于分析甲胺磷的降解動力學。

圖3 蘋果汁中甲胺磷二級動力學模型擬合圖

表1 蘋果汁中甲胺磷降解動力學擬合相關數據

2.4.2 一級動力學模型

一級動力學模型是一個廣泛應用于描述農藥在環境中降解的數學模型［17－18］，也常應用于分析超聲波作用下污染物的降解規律［15］。其表達式為:ct=c0e-kt，其中t表示超聲波的處理時間，k表示降解速率，c0和ct分別表示甲胺磷的初始濃度和超聲處理t時間后的濃度。兩邊取對數，該公式可以換化為:ln(ct/c0)=-kt。

以ln(ct/c0)為縱坐標，以時間為橫坐標做圖，得到以k為斜率的直線方程，如圖4所示。其相關參數列于表1。從表1可以看出，在3個功率下，模型的相關系數R2均大于0.97，表現出良好的擬合度。此外，各P值均小于0.000 1，表現出極強的顯著性。這說明該模型能夠很好的擬合蘋果汁中的甲胺磷在超聲處理過程中的降解規律。

圖4 蘋果汁中甲胺磷一級動力學模型擬合圖

此外，通過對k值和半衰期t1/2的分析可以看出，甲胺磷的k值隨著功率的增加而增加，而半衰期隨功率的增加而縮短。例如當功率從100 W提高到300 W時，k值由0.002 5提高到0.007 7，相應的半衰期由279.5 min減少至90.3 min。另外，一級動力學的k值也可以反映甲胺磷在不同功率條件下降解的速率:功率越大，k值越大，甲胺磷越容易被降解。這與甲胺磷的降解率隨著功率的升高而升高一致。

2.4.3 零級動力學模型

零級動力學的公式為:ct=-kt+c0，其中t表示超聲波的處理時間，k表示降解速率，c0和ct分別表示甲胺磷的初始濃度和超聲處理t時間后的濃度。以ctc0為縱坐標，以時間為縱坐標作圖，得到以k為斜率的直線方程，如圖5所示。其相關參數列于表1。從表1可以看出，在3個功率下，模型的P值均小于0.001，表現出良好的顯著性。同時，各功率下的相關系數R2均大于0.95，表現出良好的擬合度。這說明該模型能夠在一定程度上擬合蘋果汁中甲胺磷的降解規律。然而，就R2而言，一級動力學模型的R2更高，能更好的解釋甲胺磷的降解規律。

圖5 蘋果汁中甲胺磷零級動力學模型擬合圖

3 結論與展望

超聲波能顯著降低蘋果汁中的甲胺磷殘留，且隨著功率的增加和超聲時間的延長，超聲波技術能顯著提高甲胺磷的降解率(P＜0.05);當超聲功率為500 W，處理時間為 120 min時，降解率達到最大值57.2%。

模型分析的結果表明，與二級動力學模型和零級動力學模型相比，一級動力學模型能很好的擬合蘋果汁中的甲胺磷在超聲下的降解規律。

在實際生產中，殘留農藥的濃度常常低于本研究所采用的濃度。而Hua等人［19］的研究表明，在同一超聲處理條件下，農藥的降解率隨著農藥初始濃度的降低而上升。因而，在實際的蘋果汁體系中，采用超聲波處理完全有可能使農藥殘留降到較低的水平，從而達到國際貿易中對蘋果汁中農藥殘留的限量要求，并大幅度降低消費者的安全風險。

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Degradation of Methamidophos in Apple Juice by Ultrasonic Treatment

Zhang Yuan-yuan，Yang Si-chao，Zhang Hui，Hou Ya-xi，Zhang Jia-ning，Chen Fang，Hu Xiao-song
(College of Food Science＆ Nutritional Engineering，Key Laboratory of Fruits and Vegetables Processing，Ministry of Agriculture，Engineering Research Centre for Fruits and Vegetables Processing，Ministry of Education，China Agricultural University，Beijing 100083，China)

In order to eliminate the organophosphorus pesticides residues in apple juice and improve its safety，ultrasonic treatment was use to decrease the concentration of methamidophos in apple juice.Results showed that ultrasonic treatment was effective for the degradation of methamidophos.The degradation percentage of methamidophos was significantly improved as power and treatment time increased during ultrasonic treatment(P ＜0.05).The maximum degradation(57.2%)was achieved after the ultrasonic treatment at 500W for 120 min.The degradation kinetics of methamidophos was fitted to the first－order kinetics model well.

ultrasonic treatment，methamidophos，apple juice，degradation kinetics

博士研究生(陳芳副教授為通訊作者)。

*北京市科技計劃項目(101105046610001);中國農業大學基本科研業務費研究生科研創新專項(kycx09100);中國農業大學基本科研業務費(2009JS77)。

2010－05－02，改回日期:2010－10－05