徐毓謙，馬東碩，孫少憶，趙芳芳，劉貴珊，孫運金

(1.寧夏大學(xué)食品與葡萄酒學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.北京農(nóng)學(xué)院首都農(nóng)產(chǎn)品安全產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院等離子體工程中心，北京 102206；3.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

氟啶蟲酰胺(flonicamid) 又名N-氰甲基-(三氟甲基)煙酰胺，為白色無味固體粉末，是新型的低毒性殺蟲劑，低劑量即可對蚜蟲、粉虱等吮吸害蟲產(chǎn)生很好的神經(jīng)破壞作用和快速拒食活性，主要用于棉花、水果、蔬菜的蟲害防治[1]。目前，氟啶蟲酰胺在中國已經(jīng)得到推廣，批準(zhǔn)用于馬鈴薯、黃瓜和蘋果等果蔬的蚜蟲防治[2]。歐盟制定的果蔬表面氟啶蟲酰胺最高殘留限量標(biāo)準(zhǔn)為0.02～2.00 mg·kg-1，蘋果表面氟啶蟲酰胺的最高殘留限量標(biāo)準(zhǔn)不得高于0.2 mg·kg-1[3]。氟啶蟲酰胺雖然屬于低毒性農(nóng)藥，但是其滲透能力強(qiáng)，高劑量時仍會對環(huán)境造成污染，并對水生動植物的生長產(chǎn)生較大影響；此外，相當(dāng)一部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者對農(nóng)藥使用缺乏規(guī)范性，造成農(nóng)藥殘留超標(biāo)。農(nóng)藥在不規(guī)范使用時會通過生物富集作用進(jìn)入人體，產(chǎn)生慢性中毒，影響人的神經(jīng)功能，嚴(yán)重時會引起頭昏多汗、全身乏力乃至惡心嘔吐、腹痛腹瀉等癥狀。因此，如何有效降解氟啶蟲酰胺在果蔬表面殘留并減少相應(yīng)的損失已成為目前研究的熱點。

果蔬表面農(nóng)藥殘留的傳統(tǒng)降解方法主要有物理方法、化學(xué)方法和生物方法，但是物理方法的降解能力低，化學(xué)方法和生物方法又會導(dǎo)致二次污染。研究表明，等離子體技術(shù)對有害物質(zhì)具有較好的降解作用，降解能力高于傳統(tǒng)的降解方法，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、電子、環(huán)境、食品及日常生活等眾多領(lǐng)域[4-8]。等離子體根據(jù)熱力學(xué)性質(zhì)分為高溫等離子體和低溫等離子體。其中，低溫等離子體主要通過氣體放電法和高能電子束法產(chǎn)生，目前使用較多的是氣體放電法，包括高壓脈沖放電法、介質(zhì)阻擋放電法、輝光放電法和滑動弧放電法[9]?；瑒与娀》烹姺ㄊ窃谕婋姌O板間，利用電子在電場作用下獲得加速的動能，與氣體分子發(fā)生碰撞，使氣體電離形成電弧的氣體放電法[10]。在農(nóng)藥降解中，等離子體以帶電粒子為主，受外加電場的影響，具有獨特的光、熱和電等物理性質(zhì)，可以破壞農(nóng)藥的自身結(jié)構(gòu)，達(dá)到降解農(nóng)藥殘留的目的。叢來欣等[11]利用高壓電場低溫等離子體降解馬拉硫磷，降解效率達(dá)到79.62%±2.97%。方敏等[12]利用低溫等離子體降解含有苯酚的工業(yè)廢水，效果顯著。大氣壓低溫等離子體滑動電弧放電法與其他低溫等離子體相比，處在相對較低的壓力和環(huán)境中內(nèi)，具有電離效率高、活性粒子濃度高、降解效果好和操作簡便等優(yōu)點，具有良好的農(nóng)藥降解應(yīng)用前景。

近年來，低溫等離子體在農(nóng)藥殘留降解中的研究日漸增多，但此種方法較少應(yīng)用于降解氟啶蟲酰胺中。張巖等[9]使用低溫射頻等離子體降解乙腈中黃曲霉毒素B1，降解率可達(dá)95%；李善評等[10]利用低溫等離子體降解烯啶蟲胺農(nóng)藥廢水，降解率達(dá)到82.7%。本文以氟啶蟲酰胺作為研究對象，利用大氣壓低溫等離子體滑動電弧放電法對蘋果表面氟啶蟲酰胺進(jìn)行降解，研究該技術(shù)對蘋果品質(zhì)的影響，采用正交設(shè)計，確定最佳降解條件，為低溫等離子體降解農(nóng)藥殘留的應(yīng)用提供一定的數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

氟啶蟲酰胺標(biāo)準(zhǔn)品(日本石原產(chǎn)業(yè)株式會社)；甲酸，麥克林公司(色譜純)；乙腈，韓國德山藥品工業(yè)公司(色譜純)。紅富士蘋果樣品，購于超市。

1.2 儀器與設(shè)備

滑動電弧放電等離子裝置由北京農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院自制，如圖1所示，該裝置由等離子發(fā)生器和高壓電源等部分組成[13]。超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀，Agilent Technologies公司，配置電噴霧離子(electrospay ionization,ESI)源;Triple Quad LC/Ms型勻質(zhì)器，Agilent Technologies公司；渦旋儀，Scientific Industries公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制 準(zhǔn)確稱取100 mg·kg-1的氟啶蟲酰胺標(biāo)準(zhǔn)品1.0 mL置于10 mL的棕色小瓶中，用乙腈定容至10 mL，得到10 mg·kg-1的標(biāo)準(zhǔn)儲備液。準(zhǔn)確吸取標(biāo)準(zhǔn)儲備液1 mL于10 mL棕色小瓶中，用乙腈定容后得到1 mg·kg-1混合標(biāo)準(zhǔn)中間工作液備用。配制10、50、100、150和200 μg·kg-1系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作液。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液樣品制備 準(zhǔn)確稱取并配制0.2 mg·kg-1的氟啶蟲酰胺標(biāo)準(zhǔn)品，吸取1 mL標(biāo)準(zhǔn)品置于干凈平皿中，在25 ℃條件下進(jìn)行自然風(fēng)干。

注：1為樣品放置臺；2為電子噴射口；3為距離刻度線，由下至上為0～7 cm；4為電介質(zhì)管；5和6為正負(fù)直流電壓；7為功率顯示屏；8為功率調(diào)節(jié)器；9為開關(guān)；10為銅管。Note：1 sample placement table;2 electron injection port;3 distance scale,which is 0～7 cm from bottom to top;4 dielectric tube;5 and 6 positive and negative DC voltages；7 power screen;8 power regulator;9 switch;10 Cu electrode.圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 The schematic diagram of the experimental apparatus

1.3.3 涂布方法處理樣品 蘋果經(jīng)過清水清洗后削皮，稱重5 g，在固定位置用記號筆畫出測定的范圍，在該范圍內(nèi)涂布上0.2 mg·kg-1的氟啶蟲酰胺，使其均勻地分布在范圍內(nèi)，將其置于25 ℃下風(fēng)干后備用[14]。測定結(jié)果進(jìn)行3次重復(fù)，取平均值。

1.3.4 浸泡方法處理樣品 蘋果經(jīng)過清水清洗后削皮，稱重5 g，將其放入0.2 mg·kg-1的氟啶蟲酰胺中充分浸泡30 min，瀝干后備用。測定結(jié)果進(jìn)行3次重復(fù)，取平均值。

1.3.5 大氣壓低溫等離子體處理 放電氣體：空氣；流速：40 L·min-1；極距：3、4、5 cm；輸出功率：3、4、5 kW；時間梯度：5、10、15 s。處理后平皿置于室溫中進(jìn)行冷卻，冷卻后吸取1 mL的乙腈進(jìn)行復(fù)溶，在600 r·min-1的渦旋儀上震蕩1 min后，吸取并過膜至1.5 mL的進(jìn)樣小瓶中，待進(jìn)行上機(jī)處理。

1.3.6 色譜-質(zhì)譜條件 采用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析。采用色譜柱分離，色譜柱：Luna C18(2)-HsT柱(50 mm×2 mm，2.5 μm)；流動相：A相為體積分?jǐn)?shù)0.1%甲酸水溶液，B相為乙腈，V(A相)∶V(B相)=1∶4；流速0.3 mL·min-1。進(jìn)樣量：10 μL；ESI源正離子模式電離；多反應(yīng)監(jiān)測模式掃描；毛細(xì)管電壓：2.2 kV；萃取錐孔電壓：20 V；射頻透鏡電壓：0.5 V；離子源溫度：100 ℃；脫溶劑氣溫度：300 ℃；錐孔氣流速：50 L·h-1；脫溶劑氣流速：1 000 L·h-1；倍增器電壓：650 V；二級碰撞氣：氬氣。

1.3.7 大氣壓低溫等離子體降解條件單因素試驗設(shè)計 本試驗選取極距(3、4、5、6、7 cm)、輸出功率(1、2、3、4、5 kW)、時間梯度(3、5、7、10、15 s)進(jìn)行單因素試驗，氟啶蟲酰胺含量為0.2 mg·kg-1。以氟啶蟲酰胺標(biāo)準(zhǔn)品降解率作為評價指標(biāo)，進(jìn)一步確定各因素的選取范圍[14-16]。按照方法1.3.1進(jìn)行測定，測定結(jié)果進(jìn)行3次重復(fù)，取平均值。

1.3.8 大氣壓低溫等離子體降解條件正交優(yōu)化試驗 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以極距、輸出功率、時間梯度為影響因素進(jìn)行 L9(34)的正交試驗，具體見表1。以氟啶蟲酰胺標(biāo)準(zhǔn)品的降解率作為評價指標(biāo)，優(yōu)化大氣壓低溫等離子體對氟啶蟲酰胺的降解方案。按照方法1.3.1進(jìn)行測定，測定結(jié)果進(jìn)行3次重復(fù)，取平均值。

表1 正交試驗因素與水平Table 1 Factor and level table of orthogonal experiments

1.4 指標(biāo)測定

1.4.1 降解效率計算公式 農(nóng)藥降解效率按下式進(jìn)行計算[17]：

農(nóng)藥降解率=

(1)

1.4.2 降解后樣品含水率及外觀測定 含水率：測定樣品降解前和降解后的含水率，并計算含水率損失。含水率損失為降解前后含水率的差值。取潔凈的蒸發(fā)皿，置于105 ℃的干燥箱中干燥1 h，放入干燥器內(nèi)冷卻30 min后重復(fù)操作至恒質(zhì)量。取5 g樣品，置于蒸發(fā)皿中均勻鋪開，重復(fù)上述操作，直至質(zhì)量差不超過2 mg,隨后進(jìn)行含水率的計算[17]。

(2)

式中：X為樣品中的含水率；W1為蒸發(fā)皿和樣品的質(zhì)量；W2為蒸發(fā)皿和樣品干燥后的質(zhì)量；W3為蒸發(fā)皿的質(zhì)量。

外觀：觀察外觀有無明顯的顏色、形態(tài)、氣味以及組織變化，具體內(nèi)容見表2。

表2 蘋果樣品外觀感官評分Table 2 Sensory evaluation of appearance of apple samples

1.5 檢測方法線性范圍測定

參考謝建軍等[18]、吳銀良等[19]、蒲陸梅等[20]、陳國等[21]的檢測方法，測定氟啶蟲酰胺檢測限，得到氟啶蟲酰胺的保留時間，線性方程以及檢測限。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用 Design Expert 8.0.6、Origin 2017 和 SPSS 21對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣壓低溫等離子體降解條件單因素試驗結(jié)果

2.1.1 極距對氟啶蟲酰胺標(biāo)準(zhǔn)品降解率的影響 由圖2可以看出，在時間為10 s和功率為4 kW時，隨著極距的增加，標(biāo)準(zhǔn)品的降解率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，利用ANOVA單因素分析其顯著性，發(fā)現(xiàn)極距為4 cm時，降解率最高達(dá)到34.25%。

注：圖中不同字母標(biāo)記表示結(jié)果差異性顯著，P<0.05。下同。Note：Different letter marks in the picture indicate that the results are significantly different,P<0.05.The same as below.圖2 極距對氟啶蟲酰胺標(biāo)準(zhǔn)品降解率的影響Fig.2 Effect of plasma polar distance on degradation efficiency of flonicamid standard

其中極距為3、4 cm差別不顯著，在5、6和7 cm時差異顯著，極距7 cm時差異極顯著，且降解率為最低。

2.1.2 功率對氟啶蟲酰胺標(biāo)準(zhǔn)品降解率的影響 由圖3可以看出，在時間為10 s和極距為4 cm時，隨著功率的增加，經(jīng)過大氣壓低溫等離子體處理后，標(biāo)準(zhǔn)品降解率逐漸從24.56%增加到74.27%，之后開始下降。在功率為1～4 kW時，降解率逐漸上升，各處理組差異顯著。當(dāng)功率增加到5 kW時，降解率出現(xiàn)略微下降，并保持在這一水平。

圖3 功率對氟啶蟲酰胺標(biāo)準(zhǔn)品降解率的影響Fig.3 Effect of plasma power on degradation efficiency of flonicamid standard

2.1.3 時間對氟啶蟲酰胺標(biāo)準(zhǔn)品響應(yīng)值的影響 由圖4可以看出，在功率為4 kW和極距為4 cm時，隨著時間的延長，降解率沒有明顯的增加。在3～10 s時，降解率上升，標(biāo)準(zhǔn)品降解率逐漸從21.31%增加到66.91%，各處理組差異性顯著。當(dāng)處理時間達(dá)到10 s時，降解率到達(dá)最高，而后逐漸趨于平緩，處理時間10、15 s差別不顯著。

圖4 時間對氟啶蟲酰胺標(biāo)準(zhǔn)品降解率的影響Fig.4 Effect of time on degradation efficiency of flonicamid standard

2.2 大氣壓低溫等離子體降解條件正交試驗結(jié)果

結(jié)合單因素的試驗結(jié)果，以降解率作為參考指標(biāo)，正交設(shè)計試驗結(jié)果見表3。在不同的降解條件的正交優(yōu)化下，通過極差R值可知各指標(biāo)之間對降解影響由大到小的順序為功率A>極距C>時間B，此時氟啶蟲酰胺的最佳降解組合為A3B3C2，即功率為5 kW、時間為15 s、極距為4 cm，在此條件下進(jìn)行驗證試驗，氟啶蟲酰胺降解率為91.30%。

表3 大氣壓低溫等離子體降解氟啶蟲酰胺的條件正交試驗結(jié)果Table 3 Orthogonal test results of degradation flonicamid condition by atmospheric low temperature plasma

2.3 樣品中氟啶蟲酰胺降解效果

基于正交優(yōu)化結(jié)果，采用涂布法和浸泡法降解蘋果樣品表面的氟啶蟲酰胺，結(jié)果見表4。樣品中的氟啶蟲酰胺降解率分別為72.10%和80.30%，在浸泡方法處理的蘋果樣品降解率比涂布方法處理下的顯著增大。

表4 蘋果表面氟啶蟲酰胺降解效果Table 4 Degradation effect of flonicamid on apple surface

2.4 降解處理對樣品的含水率及外觀的影響

2.4.1 大氣壓低溫等離子體降解對樣品含水率的影響 經(jīng)大氣壓低溫等離子體降解后含水率損失結(jié)果見表5。2種方法的含水率受到的影響不同，浸泡法、涂布法的樣品含水率損失分別為13.95%和17.15%，差異顯著。

表5 蘋果樣品含水率損失試驗結(jié)果Table 5 Results of water loss rate of apple samples

2.4.2 大氣壓低溫等離子體降解對樣品感官的影響 大氣壓低溫等離子體降解后外觀結(jié)果見表6。2種方法下的樣品表面均無明顯變化，差異性不顯著,同時未產(chǎn)生燒灼后易出現(xiàn)黑色物質(zhì)，無明顯的顏色變化，無灼燒后的焦味，樣品自身形狀保持完整，無缺失或者損耗。處理未使樣品本身的質(zhì)構(gòu)和外觀出現(xiàn)不良的影響。

表6 蘋果樣品外觀感官試驗結(jié)果Table 6 Sensory evaluation results of appearance of apple samples

2.5 檢測方法線性范圍

由于氟啶蟲酰胺的極性較強(qiáng)，在等梯度洗脫條件下，基質(zhì)效應(yīng)強(qiáng)出峰較快，因此，在本試驗優(yōu)化得到的降解條件下，氟啶蟲酰胺的保留時間為0.5～0.6 min。取一系列不同含量的氟啶蟲酰胺標(biāo)準(zhǔn)溶液，以儀器響應(yīng)峰面積(y)對氟啶蟲酰胺的質(zhì)量濃度(x)進(jìn)行線性回歸，可以得到氟啶蟲酰胺線性方程為y=4 755.8+73.4x，R2=0.996。結(jié)果表明，當(dāng)氟啶蟲酰胺含量在 200 μg·mg-1時，含量與響應(yīng)峰面積線性關(guān)系顯著，最低檢測限為5 μg·kg-1。

續(xù)表Continuing table

3 結(jié)論與討論

大氣壓低溫等離子體由大量的電子和離子組成，其粒子帶電，相互作用下多個帶電粒子間的集體作用大于2個粒子之間的碰撞，運動軌跡不是簡單的折線，而是在發(fā)生多個小波折之后形成的曲線[9]。在本試驗中，大氣壓低溫等離子體在熱平衡中呈準(zhǔn)中性，是高能的物理狀態(tài)，其產(chǎn)生的大量具有高活性的電子、原子、分子和自由基能，可以在放電場中碰撞和反應(yīng)，有效降解農(nóng)藥分子，同時不會產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物[9-10,17]。

在本研究中，大氣壓低溫等離子體的中性氣體被施加足夠高的能量后，形成一定數(shù)量的初級電子。這些電子電離后激發(fā)活性更高的激發(fā)態(tài)原子、離子以及自由電子[22]，釋放大量活性物質(zhì)，發(fā)生強(qiáng)氧化作用[23-24]，不斷將有機(jī)物進(jìn)行分解，使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡單小分子無污染物質(zhì)，從而高效率、低能耗降解有機(jī)物[25]，達(dá)到降解農(nóng)藥殘留的目的。在極距為5～7 cm時，大氣壓低溫等離子體的噴射口距離樣品過遠(yuǎn)，降解率不高，而隨著噴射口距離的縮短，其產(chǎn)生的有效活性成分距離樣品足夠近，當(dāng)接觸面不斷增大時，降解率逐漸增加，這與高振紅等[14]的研究結(jié)果相符。但當(dāng)距離減少到3 cm時，降解率出現(xiàn)小幅度下降，推測是因為噴射口所釋放出的部分有效活性成分沒有全部抵達(dá)樣品部位，對樣品的有效作用程度降低，所以降解率出現(xiàn)下降。在功率試驗中，本研究發(fā)現(xiàn)在5 kW時降解率趨于平緩，推測是因為大氣壓低溫等離子體滑動電弧所產(chǎn)生的有效活性成分在功率超過4 kW達(dá)到同一水平值，對功率依賴性變?nèi)?，所以降解率不會發(fā)生較大變化。在時間處理上，大氣壓低溫等離子體滑動電弧主要利用低溫高能使農(nóng)藥分子鍵斷裂，生成小分子成分，再逐步降解成更小分子或者形成低毒或無毒的小分子化合物[17]。隨著時間的增加，氟啶蟲酰胺的分子鏈發(fā)生碎裂，降解率不斷增加，在10 s處達(dá)到最高點，在15 s處無顯著變化，這可能是由于樣品此時降解率已達(dá)到最高，隨著時間的延長不會發(fā)生較大改變。

在試驗樣品的農(nóng)藥殘留降解中，相對于王世清等[17]降解處理氧化樂果的研究結(jié)果，本試驗的蘋果含水率損失較低，推測是由于本試驗處理時間較短，大氣壓低溫等離子體釋放的活性物質(zhì)對有機(jī)物降解效率高，未導(dǎo)致組織水分大量損失。其中，浸泡法處理樣品的水分損失比涂布法低，可以認(rèn)為是較好的樣品處理方法。在2種處理樣品的方法對比中，經(jīng)大氣壓低溫等離子體處理后，浸泡法的降解效果更明顯，這可能是由于在降解過程中，涂布法在果皮表面殘留的農(nóng)藥較少，而浸泡法使得更多的農(nóng)藥殘留在果皮表面。

本試驗利用大氣壓低溫等離子體滑動電弧放電法，針對氟啶蟲酰胺的殘留進(jìn)行降解，具有顯著的降解效果，其降解效果與大氣壓低溫等離子體的功率、時間、極距有關(guān)，影響順序為功率>極距>時間。針對氟啶蟲酰胺的的最適降解條件為功率5 kW、時間15 s、極距4 cm，降解率可達(dá)91.30%，優(yōu)于董曉娜等[15]研究結(jié)果，同時相對于高振紅等[14]降解氯吡脲的效率更高，表明大氣壓低溫等離子體處理方法能明顯提高農(nóng)藥的降解率。大氣壓低溫等離子體滑動電弧放電法處理簡單快速、無化學(xué)污染，是降解農(nóng)藥殘留的有效方法，在今后工業(yè)化處理農(nóng)藥殘留時具有巨大的應(yīng)用潛力。