李曉晗, 吳 舸, 張賢釗, 劉成成, 彭慶蓉, 趙占平, 劉豐茂*,

(1.中國農業(yè)大學 應用化學系 農藥創(chuàng)新研究中心，北京 100193；2.無限極 (中國) 有限公司，廣州 510663)

目前，我國果蔬的產量和銷量位于世界前列，果蔬安全作為食品安全的重要組成部分也備受關注[1-2]。農藥作為果蔬種植中必不可少的植保產品，保證了果蔬的產量和質量，但農藥的不科學使用也帶來了很多農藥殘留問題[3-4]。人體暴露在不適當的農藥殘留中，依農藥的種類和劑量，可能會引起頭痛、惡心、哮喘等健康問題[5]。我國水果、蔬菜上農藥殘留超標也時有報道[6]。為了減少農藥殘留的攝入風險，進一步保證食品安全，去除果蔬中農藥殘留的研究具有重要意義。

果蔬中農藥殘留的常用去除方法主要為傳統(tǒng)水清洗和加工去除。其中傳統(tǒng)水清洗主要包括“清水浸泡、清水沖洗、蘇打水浸泡、鹽水浸泡、淘米水浸泡、果蔬清洗劑浸泡”等方法[7-11]；加工去除根據烹飪方式分為蒸煮、去皮、油炸、炒制、榨汁等[12-16]。很多水果果皮中含有多種營養(yǎng)素[17]，不去皮食用仍然是大眾消費習慣；此外，盡管烹飪加工是主流，但生食蔬菜也越來越受到消費者認可[18]。因此，開發(fā)去除果蔬中農藥殘留的方法，同時兼顧果蔬的營養(yǎng)品質，仍然是目前研究的熱點之一。

隨著科學技術的發(fā)展，一些新方法被引入到去除果蔬中農藥殘留的領域，如超聲、電解水、光照輻射、電離輻射、臭氧等[19-23]，但新技術的應用也有一定的局限性，如：超聲作為一種機械波，其高頻的震動和沖擊可能會造成果蔬表皮損傷，影響食品的口感和質量[24]；電解水技術中應用的含氯溶液會威脅水體安全[25]；而臭氧技術則可以避免以上問題。臭氧是一種能夠氧化多種無機物和有機物的強氧化劑[26]，由于其應用后分解為氧氣，故不會對環(huán)境產生二次污染[27]。目前，臭氧已被應用于廢水消毒、果蔬保鮮、果蔬中微生物抑制、果蔬中農藥殘留去除等領域[28-32]。圖1A 給出了2017 年至2021 年有關農藥殘留去除研究性文章的檢索結果 (廢水基質除外)，總計6197 篇文章，其中采用加工方式去除農藥殘留的研究占比高達40%，傳統(tǒng)水清洗占比17%，包括“氯、輻射、高級氧化、臭氧、超聲、電解水”在內的新型去除方式占比27%，其中臭氧清洗在所有去除方式中占比5%，仍有很大的開發(fā)空間。圖1B 中顯示，2020 年非廢水中農藥殘留去除的文章發(fā)表數量比往年大幅增加，臭氧清洗文章數量在新技術研究中持中等水平，臭氧清洗研究受到持續(xù)關注。

圖1 “去除農藥殘留 (非廢水) ”論文歸類示意圖Fig.1 Schematic diagram of the paper categorization on "Removal of pesticide residues (non-wastewater)"

針對臭氧清洗去除果蔬中農藥殘留的研究，本文總結了去除過程的規(guī)律和機制，并對臭氧清洗技術的發(fā)展方向進行探討，以期為臭氧技術在食品安全領域的研究和應用提供參考。

1 臭氧的產生和應用

1.1 臭氧的產生

臭氧是一種極不穩(wěn)定的強氧化劑，易分解為氧氣，因此在制備后需立即使用。當前常用的產生臭氧的方式有：電化學法[33]、紫外輻射法[34]和無聲放電法[35]。

電化學法是利用電極電解含氧電解質來制備臭氧，其中，電極的材料和反應器是臭氧產生效率的關鍵部件[36]。目前已可用純水作為電解質，在室溫下制備臭氧，如Ni/Sb-SnO2作為膜電極一體化的陽電極可使產生臭氧的電流效率從4%提高到33%，可通過控制電壓，將產生1 kg 臭氧的功耗從36 kWh 降至25 kWh[37-38]，減少了能耗和設備損耗。電化學法制備臭氧在水處理領域占據了重要地位。

紫外輻射法是利用波長低于200 nm 的短波紫外線，將氣體中的氧分子重排為臭氧，其中由低壓汞燈發(fā)射的185 nm 波長紫外線效果最佳[39]；另外，新型172 nm 氙燈可以克服185 nm 低壓汞燈高溫工作的缺點，在低溫干燥空氣中也可產生質量濃度高達5% 的臭氧，但紫外輻射法產率較低，制備時間較長，多用于氣體環(huán)境中，以控制食品氣味和環(huán)境殺菌[40]。

無聲放電法是在高電壓作用下將氧分子分解為氧原子，其中活躍的原子氧自由基與剩余的氧分子結合產生臭氧，空氣或純氧可直接作為制備臭氧的氧源，在干燥空氣下產率約為1%～3%。無聲放電法高效穩(wěn)定的工作性能使其成為目前應用最廣泛的臭氧產生法[36,41-42]。

1.2 臭氧濃度的測定

臭氧去除農藥殘留的能力除了與臭氧發(fā)生器產生臭氧的效率有關，還與水中臭氧的濃度有關，因此臭氧濃度的測定對臭氧研究非常重要。臭氧濃度的測定方法可分為化學分析法和儀器法，化學分析法依賴于臭氧與有機物在水體系中的化學反應所引起的顯色變化，具有較高的檢測精密度，并常用于實驗室水溶液中臭氧濃度的檢測；儀器法依賴于臭氧與化合物在氣體體系中反應所導致的光強變化，操作簡單，常用于現場檢測氣體環(huán)境中的臭氧濃度。

常用的化學分析法有“靛藍二磺酸鈉分光光度法”和“碘量法”[43]。靛藍二磺酸鈉分光光度法的原理是，靛藍類化合物中碳碳雙鍵的共軛發(fā)色體系與臭氧反應后被破壞導致褪色，其褪色程度與臭氧含量相關，通過測定靛藍吸光度的變化值即可計算出臭氧含量，原理見反應式 (1)[44]。

碘量法是利用O3與I-發(fā)生氧化反應生成I2，利用硫代硫酸鈉 (Na2S2O3) 標準溶液滴定，直至I2變?yōu)镮-，完全褪色至反應終點為止，最后通過Na2S2O3的消耗量計算臭氧濃度，通過測定反應體系中I2吸光度的變化計算得到臭氧濃度，原理見反應式 (2) 和 (3)[45]。

以碘量法為基礎衍生出了硼酸-碘化鉀紫外分光光度法，該方法省略了Na2S2O3與I2的反應步驟，直接測定352 nm 處I2吸光度的變化計算臭氧濃度[46]；以碘量法為基礎衍生出的方法還有碘化鉀-N,N-二乙基對苯二胺法，該方法將碘量法中的Na2S2O3替換為N,N-二乙基對苯二胺，最終通過測定520 nm 處的紅色反應產物吸光度的變化計算臭氧濃度，反應原理式 (4)[47]。

靛藍二磺酸鈉分光光度法通常用于低濃度臭氧氣體檢測，碘量法通常用于中高濃度臭氧氣體檢測[48]。

儀器法是商用臭氧檢測儀器中常用的方法，包括化學發(fā)光法和紫外線吸收法[43]?；瘜W發(fā)光法是利用臭氧與過量乙烯混合后瞬間產生的400 nm可見光光強與空氣樣品中臭氧濃度的正比關系，根據光強變化通過計算獲得臭氧濃度，該方法具有檢出限低、反應時間短的特點，是美國環(huán)境局選定的標準參考方法，許多商用臭氧檢測儀也多采用該方法[49-50]。另外，有研究利用臭氧與一氧化氮瞬間反應產生特定波長光的原理，同樣用光強變化來計算臭氧濃度，其原理如反應式 (5) 和 (6)所示[51]，在NO2激發(fā)態(tài) (NO2*) 返回基態(tài)時發(fā)出光輻射。紫外線吸收法是以Lambert-Beer 定律為基礎，利用臭氧對紫外光的吸收特性，通過光強變化來檢測臭氧濃度，具有無毒、無腐蝕性和響應快的特點，是目前大氣中臭氧濃度檢測的主要方法[52]。

1.3 臭氧的應用形式

根據應用場景的不同，臭氧在食品領域通常以氣體和水溶液兩種形式發(fā)揮作用。此外，臭氧水溶液可與“超聲、輻射、添加有機酸和微氣泡”技術聯用以提高應用效果。

1.3.1 氣體形式 臭氧氣體的研究重心在于果蔬保鮮，而其在去除果蔬中農藥殘留方面的研究較少。結果表明，一定濃度的臭氧環(huán)境可以抑制果蔬的呼吸作用，對果蔬樣品具有顯著的保鮮效果，可延長果實儲存時間[31,53-54]。同時，Sintuya 等[55]發(fā)現干辣椒暴露在5.5 g/L 的臭氧氣體環(huán)境中可以促進殘留農藥的去除，干辣椒上的馬拉硫磷、毒死蜱、丙溴磷和乙硫磷4 種有機磷農藥的半衰期分別從67、76、74 和121 d 縮短為17、27、34和18 min。Whangchai 等[56]用200 mg/L 臭氧氣體處理含有毒死蜱的玉米幼粒60 min，發(fā)現其對毒死蜱的去除率為32%。農藥殘留的去除能力與臭氧濃度有關，?zen 等[57]發(fā)現2 mg/L 的臭氧氣體對鮮椒中的馬拉硫磷、甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽和啶蟲脒殘留沒有明顯的去除效果。

1.3.2 水溶液形式 在去除果蔬中農藥殘留時，常將臭氧與水清洗方式相結合，即臭氧與水混合得到具有氧化能力的臭氧水溶液。臭氧在堿性溶液中的氧化還原電位為2.07 eV，可氧化多種無機和有機物質[26]；臭氧在水中還可分解產生羥基自由基，其具有更高的氧化還原電位 (2.80 eV)，這意味著臭氧水溶液比臭氧氣體擁有更強的氧化能力[58]。

臭氧水溶液的應用形式分為“靜態(tài)臭氧水溶液”和“動態(tài)臭氧水溶液”?！办o態(tài)臭氧水溶液”是指在清洗果蔬樣品之前將臭氧與水在氣液混合泵的輔助下進行混合；“動態(tài)臭氧水溶液”是指將臭氧在清洗果蔬樣品過程中持續(xù)通入水中，邊清洗邊混合，這一過程通常伴隨著水溶液不斷的攪動。Rodrigues 等[59]對比了“靜態(tài)臭氧水溶液”和“動態(tài)臭氧水溶液”對青椒上嘧菌酯、苯醚甲環(huán)唑和百菌清3 種殺菌劑的去除效果，發(fā)現兩種形式的臭氧水溶液對3 種殺菌劑均表現出良好的去除效果，但是后者的去除率 (67%～87%) 比前者的(59%～80%) 更高。由于臭氧不穩(wěn)定，而“動態(tài)臭氧水溶液”可維持水中臭氧含量和臭氧水的有效性[60]，因此其在果蔬清洗中的應用更廣泛。

1.3.3 臭氧水溶液處理與其他技術聯用 臭氧在水中的溶解度較低，因而限制了臭氧水溶液的氧化能力，進而影響其應用效果[26]。為了提高臭氧的利用率，最大限度地發(fā)揮臭氧在去除果蔬中農藥殘留上的作用，超聲輔助、輻射輔助和有機酸輔助等技術已被應用到與臭氧水溶液的聯用中，并發(fā)現聯用技術可以有效提高農藥殘留去除效果。

1.3.3.1 超聲輔助臭氧水溶液處理 超聲技術在果蔬清洗中已被廣泛使用[61]。Whangchai 等[62]利用超聲輔助臭氧水溶液處理柑橘上的乙硫磷，處理60 min 后乙硫磷的去除率可達73%，果實的色澤、質量、總酸度等品質并未受到顯著影響。有研究發(fā)現，單獨使用臭氧水溶液去除生菜上的甲胺磷和敵敵畏，農藥去除率分別為66%和55%，而加入超聲輔助技術后，其去除效率分別提升至80%和68%[63]，這表明超聲輔助技術提高了臭氧水溶液對果蔬中農藥殘留的去除效果。然而，目前將超聲技術單獨應用于去除果蔬中農藥殘留的研究報道較多，將超聲與臭氧水溶液的聯合應用的研究報道較少。

1.3.3.2 輻射輔助臭氧水溶液處理 輻射降解技術作為高級氧化技術之一，用一束加速電子照射或伽馬射線照射促進各種污染物的分解，多被應用于去除天然水中污染物[64]。有研究利用伽馬射線去除蔬菜中的二嗪磷、毒死蜱和磷胺農藥殘留，隨著輻射強度從0.5 kGy 增加到1.0 kGy，3 種農藥的去除率從30%～48%提高至80%～95%，表明輻射促進了果蔬中農藥殘留的去除[64]。Lin 等[65]對比了光輻射輔助臭氧水溶液和水沖洗兩種方法去除茶葉中殘留農藥，發(fā)現聯合清洗技術中氯氰菊酯的去除率提高至3.5 倍，馬拉硫磷的去除率提高至1.16 倍，但敵敵畏的去除效果無顯著提高。這表明輻射輔助臭氧水溶液去除農藥殘留的效果因農藥種類而有所差異。目前，該聯合技術在果蔬中農藥殘留去除方面的研究報道較少。

1.3.3.3 有機酸輔助臭氧水溶液處理 在傳統(tǒng)的果蔬清洗方式中，通常用有機酸調節(jié)清洗環(huán)境至酸性，并將其作為一種能有效提高農藥殘留去除效果的手段。Rodrigues 等[59]分別用質量分數為0.15%和5% 的乙酸水溶液去除鮮椒中的多種農藥殘留，去除率分別在25%～53%和43%～67%之間，證明了有機酸具有去除農藥殘留的作用。Wang 等[66]聯合乳酸和臭氧水溶液去除新鮮果蔬上的多種微生物，對果蔬進行消毒保鮮，保證了果蔬的品質。Pounraj 等[67]聯合乳酸和臭氧水溶液清洗番茄、黃瓜等多種蔬菜，發(fā)現乳酸和臭氧水溶液聯合處理對新鮮蔬菜上的大腸桿菌的去除效果優(yōu)于乳酸和臭氧水溶液的單獨處理，對比用水沖洗，聯合處理對毒死蜱的去除率從12%～57%提高至26%～97%，對λ-氯氟氰菊酯的去除率也從30%～82%提升至62%～100%。乳酸-臭氧水溶液聯合處理對果蔬中農藥去除效果的提升，為其他有機酸對臭氧水溶液去除農藥殘留的輔助效果研究提供了重要的參考價值。

1.3.3.4 微氣泡輔助與臭氧水溶液 微氣泡是一類直徑小于50 μm 的氣泡，微小的尺寸導致其具有一些特殊的性質，比如負電性，微氣泡在蒸餾水環(huán)境中表面帶有負電荷，電位約為 -35 mV，而當環(huán)境pH 小于4.5 時，微氣泡表面電荷轉正[68]。Li 等[69]對比分析了臭氧水、微泡水和臭氧微泡水3 種方法對蘋果上丁硫克百威和敵百蟲的去除效果，發(fā)現兩種農藥的去除率分別為86%～88%、90%～91%和98%～100%。Ikeura 等[70]在去除柿葉上的殺螟硫磷時也發(fā)現，相同濃度下，用臭氧微泡水處理比僅用普通臭氧水處理，殺螟硫磷的去除率提高了36%，證明了微泡具有去除果蔬中農藥殘留的能力，并在聯用技術中對臭氧水溶液去除農藥殘留起到輔助作用。聯用技術中的微泡通常由高壓水泵和曝氣裝置直接產生，此時的微氣泡在沒有外動態(tài)刺激下會發(fā)生“溫和”坍塌。Takahashi 等[71-72]研究發(fā)現，水中微氣泡在“溫和”坍塌過程中可誘導水中所存在的微量有機物產生少量的烷基自由基，但數量極少不足以降解苯酚，而加入少量硝酸 (硫酸和鹽酸也有同等效果)后，微氣泡坍塌可產生羥基自由基，并在3 h 內降解30%苯酚，在比較臭氧大氣泡和臭氧微氣泡水環(huán)境的電子自旋共振 (ESR) 信號時發(fā)現，兩種體系均可在20 s 左右產生羥基自由基，但產量均太低，無法對聚乙烯醇 (對羥基自由基敏感的化合物) 產生影響，說明微氣泡在促進臭氧分解產生羥基自由基方面的作用不大。從微氣泡輔助提高臭氧在水中溶解度的角度，Ikeura 等[73]研究發(fā)現，在臭氧大氣泡和微氣泡輔助下，水中臭氧的濃度分別為0.2 mg/L 和2 mg/L，表明微氣泡有助于提高臭氧在水中的溶解度，同時用其處理櫻桃番茄，其對殺螟硫磷的去除率分別為31%和48%。此外，目前已有研究表明，在有外動態(tài)刺激時 (如超聲引起的聲空化和流體壓差引起的水動力空化)，微氣泡坍塌更加劇烈導致絕熱壓縮，引發(fā)氣泡內部溫度的急劇上升，導致氣泡內部水蒸氣和氣體 (包括空氣) 分解產生以羥基自由基為主要成分的多種自由基[74-77]。因此，微氣泡可以通過提高水中的臭氧濃度來輔助去除農藥殘留，羥基自由基并不是果蔬中農藥殘留去除的主要原因。

2 臭氧處理去除果蔬中農藥殘留的應用

2.1 應用效果

目前有許多利用臭氧處理去除果蔬中農藥殘留的研究 (表1)。與傳統(tǒng)的清洗方式對比，臭氧處理去除果蔬中農藥殘留的效率更高。Liu 等[78]利用臭氧發(fā)生器向水溶液中注入臭氧氣體30 min 至水溶液中臭氧質量濃度達到1.4 mg/L，隨即用其對鮮切白菜進行5 min 的沖洗，發(fā)現鮮切白菜上5 種農藥殘留 (毒死蜱、敵百蟲、滅多威、敵敵畏和樂果) 的去除率達到28%～38%，顯著優(yōu)于清水沖洗的去除率 (2%～15%)。Swami 等[79]利用臭氧水清洗葡萄和青椒上嘧菌酯、百菌清等6 種農藥殘留，農藥去除率達到49%～97%，遠遠優(yōu)于清水清洗。此外，Rodrigues 等[59]對比分析了臭氧水溶液清洗和常規(guī)家用的清洗方式 (蒸餾水和洗滌劑、醋酸、碳酸氫鈉以及次氯酸鈉溶液) 對甜椒上嘧菌酯、苯醚甲環(huán)唑和百菌清殘留的去除效果，發(fā)現臭氧水溶液清洗效果最佳，家用清洗方式中用5%碳酸氫鈉和1%次氯酸鈉溶液的清洗效果與臭氧水效果接近，但是兩種家用清洗方式均造成青椒的質量、顏色、維生素C 的含量發(fā)生顯著變化。Lozowicka 等[80]對比分析了具有相同消毒作用的臭氧水和氯水對農藥殘留的去除效果，發(fā)現臭氧水對農藥的去除率多達50%以上，氯水的去除效果較弱。此外，氯水處理可能會產生有害的副產品，如三鹵甲烷和鹵乙酸等，對人類和環(huán)境安全產生不利影響[81]，而臭氧水處理則彌補了這一不足，其最終的降解產物為氧氣，對環(huán)境更安全綠色。

表1 臭氧處理去除果蔬中農藥殘留Table 1 Ozone treatment to remove the pesticide residues in fruits and vegetables

續(xù)表1Table 1 (Continued)

2.2 影響農藥殘留去除效果的因素

2.2.1 清洗條件

2.2.1.1 清洗時長 清洗時長是清洗過程中最易控的清洗條件之一，也是影響臭氧清洗效率的因素之一。Swami 等[82]發(fā)現，臭氧水溶液清洗時長從15 min 延長至30 min 后，蘋果上6 種農藥殘留的去除效率均有所提高，其中，毒死蜱殘留的去除率提高了26%。臭氧水溶液從基質上去除農藥殘留的過程是農藥在基質和水之間的動態(tài)交換過程，去除的終點是交換過程無限趨近于動態(tài)平衡的時刻，此時也是達到最佳去除效果的時間。

2.2.1.2 臭氧濃度 水中的臭氧濃度越高，臭氧水溶液的氧化能力越強，對有機污染物的降解作用越強，進而提高去除效率。Ikeura 等[83]分別利用1.6 mg/L 和1.3 mg/L 的臭氧水溶液去除生菜中的殺螟硫磷，發(fā)現兩種質量濃度處理下殺螟硫磷的去除率分別為56%和45%。Rodrigues 等[84]對比分析了0.7 mg/L 和0.08 mg/L 的臭氧水溶液去除番茄中農藥殘留的效果，發(fā)現高濃度臭氧水溶液對嘧菌酯和苯醚甲環(huán)唑的去除率分別為70% 和77%，而低濃度下去除率分別為57%和63%，高濃度的臭氧水溶液表現出更強的農藥殘留去除效果。

2.2.1.3 處理溫度 溫度變化會改變農藥在基質和水之間的傳質效率以及臭氧水環(huán)境的濃度[85]，最終影響農藥去除效率。溫度升高促進分子的運動速率，進而可提高傳質速率[86]，導致農藥去除效率提高，但溫度升高會降低臭氧在水中的濃度，進而降低臭氧去除農藥殘留的效果。因而溫度變化對于臭氧水去除不同農藥殘留的效果可能會出現不同的趨勢。Wu 等[87]研究了不同溫度下的同濃度臭氧水對蔬菜中二嗪磷、甲基對硫磷、對硫磷和氯氰菊酯的去除效果，發(fā)現24 ℃下去除率達到48%～61%，遠高于14 ℃時的20%～44%；Kusvuran等[86]單獨采用清水對農藥殘留去除率進行了研究，利用清水去除檸檬、橙子和葡萄柚中的乙基毒死蜱、三氯殺螨砜和百菌清，發(fā)現隨著溫度從10 ℃升至40 ℃，3 種水果中乙基毒死蜱和三氯殺螨砜的去除率均有所提高。但由于以相同速率向水中輸送臭氧的情況下，溫度的升高會降低臭氧在水中的溶解度[88]，這降低了臭氧水溶液中臭氧的濃度，不利于殘留農藥的去除。De Souza 等[22]研究就發(fā)現在4～24 ℃不同溫度下，臭氧水溶液和臭氧氣體對胡蘿卜上苯醚甲環(huán)唑的去除效率沒有顯著影響。

2.2.2 農藥性質 農藥性質是影響臭氧水溶液去除農藥殘留的重要因素，臭氧水溶液清洗涉及到“臭氧和水”兩種條件。因此容易被氧化或水解的農藥更容易被去除[89]。農藥分子中的碳碳雙鍵更易被臭氧破壞，Wang 等[90]采用臭氧水溶液去除油菜中的馬拉硫磷和丁硫克百威，發(fā)現馬拉硫磷(53%) 比丁硫克百威 (33%) 的去除率更高，這一結果與馬拉硫磷具有3 個碳碳雙鍵，而丁硫克百威只有1 個的化學結構特征相符。此外，在臭氧水溶液中，水環(huán)境的pH 值對農藥的水解效率影響較大，如甲基對硫磷、敵敵畏和甲胺磷在堿性環(huán)境下的水解速率大于在酸性環(huán)境下的水解速率[91]，Wu 等[92]將其用0.4 mg/L 的臭氧水溶液處理金桔、菠菜和黃瓜3 種果蔬30 min 后，發(fā)現擬除蟲菊酯類農藥以44%～61%的去除率高于24%的有機磷農藥，這可能與擬除蟲菊酯在堿性環(huán)境中不穩(wěn)定的性質相關。

農藥的水溶性也是影響其去除率的重要因素。Lozowicka 等[93]利用臭氧水溶液清洗草莓上的16 種農藥殘留30 min，發(fā)現在高水溶性農藥，如啶蟲脒 (Sw=2950 mg/L) 和抗蚜威 (Sw=3100 mg/L)，分別以63% 和60% 的去除率高于氟醚唑 (Sw=156.6 mg/L) 和肟菌酯 (Sw=0.61 mg/L) 等低水溶性的農藥。此外，基質表皮對農藥的捕捉和滯留作用會阻礙農藥的去除，而高辛醇水分配系數 (Kow)的農藥由于具有較低的極性，更易被基質表皮上的蠟質層捕捉，導致高Kow的農藥去除效果較差[94]。

農藥的內吸性也對農藥殘留去除率產生影響，通常非內吸性農藥更易被去除。Swami 等[79]研究發(fā)現，在臭氧水的處理下，水溶性低的百菌清比水溶性高的農藥獲得了更高的去除率，該結果與水溶性對農藥去除率的影響規(guī)律相反，推測是百菌清的非內吸性起到了關鍵作用，非內吸性農藥不易被果蔬表皮吸收，而更傾向于殘留在果蔬表面，因此更易被清洗去除。Rodrigues 等[95]研究表明，無論是內吸性農藥還是非內吸性農藥，都會在一定程度上通過果皮滲入到果實內部，不過最終的清洗效果仍顯示非內吸性農藥有更高的去除率。Heleno 等[96]也證實，在著藥過程中仍有少量的百菌清 (13%～18%) 滲透進葡萄果肉中，在臭氧氣體處理下，百菌清可達到60%以上的去除率。Yang 等[97]證實，內吸性農藥噻菌靈在蘋果皮中的滲透深度是非內吸性農藥亞胺硫磷的4 倍，滲透進果肉中的農藥由于與臭氧水的接觸受限，因而更難被去除。盡管臭氧可以通過果皮滲透到果蔬內部，但清除農藥殘留的作用非常有限，甚至在到達果蔬內部之前就已經失去活性[66,96]，因此臭氧水主要對吸附在果皮表面的農藥產生去除作用，對于滲透進果皮的農藥作用不大。

2.2.3 基質形態(tài) 果蔬形態(tài)會影響農藥殘留的去除效率。Swami 等[79]對比分析了臭氧水溶液對葡萄和青椒上的嘧菌酯、百菌清等6 種農藥殘留的去除率以及臭氧水溶液中6 種農藥的降解率，發(fā)現處理30 min后，臭氧水溶液中6 種農藥的降解率超過90%，但果蔬上6 種農藥的去除率僅在49%～97%之間，遠不如臭氧水溶液對農藥的直接降解效果，這表明了臭氧水溶液對農藥的降解效果受到基質的限制，果蔬對農藥降解效率的影響因其類型甚至特定類型內的物種而異[98]。

基質的不同可能導致同種農藥獲得不同的去除效果。果皮對農藥擴散至基質內部的行為起到了關鍵作用，Kusvuran 等[86]利用臭氧水去除檸檬、橙子和葡萄柚上的百菌清殘留，3 種水果上百菌清的去除率分別為98%、100%和47%；對比全果和果肉中的農藥殘留量發(fā)現，通過果皮擴散到葡萄柚果肉中的百菌清占全果的56%，而其他兩種果肉中百菌清的含量在12%以下，果皮對農藥的擴散率與臭氧對農藥的去除率成反比。Li 等[99]利用臭氧水溶液去除芹菜、小油菜和豇豆上的5 種農藥，去除率分別達到57%～94%, 59%～86% 和28%～65%，根據掃描電鏡觀察，豇豆表面的氣孔密度高于其他兩種農藥，這可能是引起豇豆上農藥殘留去除率低的原因，農藥通過氣孔更易進入基質內部，進而導致農藥殘留的去除率偏低。

3 臭氧處理去除果蔬中農藥殘留的機理

從是否破壞農藥分子結構方面考慮，臭氧水溶液去除果蔬中農藥殘留的作用途徑可分為物理去除和化學去除。物理去除是指使用臭氧水溶液將農藥從果蔬表面洗脫并轉移至水中，以達到去除目的；化學去除是指臭氧水通過降解清洗環(huán)境中的農藥分子來達到去除目的。研究中可通過測定果蔬中農藥殘留的初始含量、清洗后果蔬中的農藥含量、清洗后水溶液中的農藥含量，來計算清洗過程中的物理去除量 (清洗后水溶液中所測定的農藥含量) 和化學去除量 (果蔬中農藥殘留初始含量減去清洗后果蔬中的農藥含量，再減去清洗后水溶液中農藥含量)。

3.1 物理去除

臭氧因對廢水中的污染物具有氧化降解的作用，目前已被廣泛用于廢水中污染物的去除，并取得良好的效果，但臭氧對果蔬中農藥殘留的去除作用并不完全來源于其對農藥的氧化降解作用，還源于農藥從果蔬上的“脫離”。Rodrigues等[84]對使用臭氧水溶液清洗前后的基質和水溶液中的農藥殘留量進行測定發(fā)現，百菌清在臭氧處理后番茄上的殘留率為10%，水中的百菌清含量為75%，而未被檢測到的15%被認定為降解量?？梢姡锢硐疵撌侨コ咧修r藥殘留的主要途徑。

物理去除的本質是農藥從果蔬表面“脫離”下來，此過程需要克服果蔬表皮對農藥的“吸引力”，這些吸引力來自于表皮化合物與農藥分子的分子間相互作用。Li 等[69]選取了5 個萜類物質和3 個丙烯酸長鏈烷基酯 (LCA) 化合物作為蘋果表面有機物的代表分子，利用計算化學的方法對分子體系的能量、氫鍵活性位點和親脂性進行分析，發(fā)現萜類化合物由于具有較多的羥基而具有較多的氫鍵活性位點，更有利于果蔬表面的分子與農藥分子形成氫鍵，而LCA 化合物雖然沒有氫鍵活性位點，但具有很強的親脂性，有助于果蔬表面的分子與農藥分子之間形成范德華力。從對農藥分子的計算結果可以看出，敵百蟲具有更多的氫鍵活性位點 (圖2，紅色部分)，這意味著敵百蟲與萜類化合物能之間的氫鍵能量更大，而丁硫克百威的親脂性位點更多 (圖2，綠色部分)，則丁硫克百威與LCA 化合物之間的范德華力更強。因此，雖然敵百蟲和丁硫克百威的氫鍵活性位點相差較大，但是敵百蟲與丁硫克百威在自來水清洗處理下的去除率相近，分別為77%和88%。

圖2 農藥分子的活性位點及親脂性[69]Fig.2 Active sites on pesticide molecules and the lipophilicity of pesticide molecular system[69]

臭氧水溶液的“物理去除”途徑是通過破壞農藥分子與果蔬表面有機分子之間的相互作用，將農藥從果蔬中去除，這些相互作用主要由“氫鍵、范德華力”等分子間弱相互作用提供，也包括π-π等共軛作用。Rodrigues 等[84]利用清水清洗番茄，發(fā)現有23%嘧菌酯、41%百菌清和18%苯醚甲環(huán)唑轉移到了水中，而利用臭氧水溶液清洗后，轉移到水中的農藥量分別提高至57%、69% 和60%，可見臭氧的加入提高了“物理去除”途徑的去除率。

3.2 化學去除

“化學去除”途徑源于水和臭氧對農藥分子結構的協(xié)同破壞作用。

農藥在水中的降解過程一直備受關注，該降解過程包含光解、水解和微生物降解多種降解途徑[100]。阿維菌素及甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽作為光不穩(wěn)定農藥，在高壓汞燈光照下可被完全降解，而在太陽光光照下則并不能完全降解，其在水、土及作物表面的光解產物也已被確認，降解產物的化學結構及相對分子質量 (MW) 見圖式1[101]。

圖式1 阿維菌素及甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽光解產物分子結構[101]Scheme 1 Structure of photolysis products of abamectin and emamectin benzoate[101]

光活性高的化合物在光照作用下會被降解為更小的有機分子。劉媛發(fā)現，甲基對硫磷的水解速率隨著環(huán)境pH 值的升高而增加，且降解途徑不同。在強堿性環(huán)境中，甲基對硫磷中的磷原子被OH-進攻，對硝基苯氧基被置換下來；而在中性和酸性條件下，H2O 進攻甲氧基上的碳原子導致C－O 鍵斷裂，甲氧基被置換了下來，得到水解產物O-甲基-O-(4-硝基苯基)硫代磷酸酯[91]。果蔬清洗過程中農藥通常暴露在有光照下的水環(huán)境中，已有研究發(fā)現，清洗菠菜時，在光和堿性環(huán)境中不穩(wěn)定的擬除蟲菊酯類農藥可以獲得更高的去除率[98]。可見，水作為臭氧清洗的重要部分，在降解農藥方面發(fā)揮巨大作用。

臭氧也可利用自身的氧化能力降解農藥分子。有研究表明，有機分子中的雙鍵結構易受到臭氧攻擊，并且臭氧在水中產生的單原子氧、羥基和羥基自由基能非常有效地分解有機分子，通過破壞分子中的強極性鍵，可將大分子有機物降解為酸、醇、胺和氧化物等小分子化合物[78,89,102-103]。Maldonado 等[104]利用20.8 g/m3O3的恒定速率，向50 L 水溶液中不斷注入臭氧，之后通過測定污染物母體含量、總有機碳 (TOC) 含量、無機分子(Cl-，NH4+，NO3-，PO43-)，證明甲胺磷、莠去津、毒蟲畏、敵草隆和異丙隆5 種農藥雖然在270 min后就被完全降解，但1000 min 后，僅有26%的TOC 被去除，表明農藥被臭氧降解為小分子有機物后仍有大部分留在水中，對比理論產生無機分子的含量與實際檢測到的無機分子的含量發(fā)現，Cl、N 和P 3 種元素在無機分子中的含量分別達到理論值的74%、10% 和14%，這表明農藥中的Cl 比N 和P 更易被臭氧降解為無機小分子。由于降解速率的限制，農藥有機分子不會在短時間內全部降解為無機分子，因此臭氧作用下產生的有機副產物的物化性質和毒性引起許多學者的關注。Pierpoint 等[105]用臭氧氣體處理土壤中氟樂靈，并用同位素示蹤的方法追蹤氟樂靈降解物的最終去向，發(fā)現雖然土壤中氟樂靈成分在30 min后降低了80%以上，但仍可追蹤到70%以上的同位素標記物，這表明約30%的氟樂靈成分以揮發(fā)的形式去除，而剩余部分被臭氧降解并留在土壤中。此外，檢測到氟樂靈的氧化副產物——丙基被氧化后生成的2,6-二硝基-N-丙基-N-乙酰-4-(三氟甲基)苯甲胺，氟樂靈失去一個丙基形成的2,6-二硝基-N-丙基-4-(三氟甲基)苯甲胺和失去兩個丙基形成的2,6-二硝基-4-(三氟甲基)苯胺。隨著處理時間增加，這些氧化副產物的易揮發(fā)性導致土壤中的同位素標記量逐漸降低。

毒性方面，Zheng等[106]對不同pH 值環(huán)境中臭氧處理的廢水進行傅里葉變換紅外 (FT-IR) 光譜分析，發(fā)現酸性環(huán)境下臭氧處理可以去除農藥廢水中的芳香族雜環(huán)化合物，堿性環(huán)境下臭氧處理可以去除高毒性的鹵雜環(huán)和烯烴，與原廢水相比，臭氧處理水中大型溞的存活率 (48 h) 顯著提高，表明臭氧顯著降低了農藥廢水的生物毒性。Masten等[107]利用大鼠肝臟上皮細胞系對馬拉硫磷、DDT及其氧化物的非遺傳毒性進行研究，發(fā)現馬拉硫磷及其氧化副產物馬拉氧磷對大鼠肝臟細胞間的通訊傳遞沒有抑制作用，而DDT 的氧化產物則會抑制細胞間通訊的傳遞，但抑制作用低于DDT 母體。Tsuda 等[108]利用鳉魚測定了二嗪磷、馬拉硫磷、殺螟硫磷、苯硫磷及其各自氧化物的水生生物急性毒性，其氧化物由農藥分子結構中的P＝S(硫磷鍵) 被氧化為P＝O (氧磷鍵) 而來，發(fā)現除了殺螟硫磷，其他3 種農藥被氧化為副產物之后，48 h 半致死濃度 (LC50) 分別從4.4 mg/L 降至0.22 mg/L (二嗪磷)，1.8 mg/L 降至0.28 mg/L (馬拉硫磷)，0.58 mg/L 降至0.16 mg/L (苯硫磷)，4 種農藥的生物富集因子分別從49 降至0.5 (二嗪磷)，11 降至1.1 (馬拉硫磷)，122 降至2.3 (殺螟硫磷)，1124 降至11 (苯硫磷)，雖然這些有機磷農藥的氧化產物毒性增大，但是生物富集因子大幅下降，導致其對水生生物的危害作用小于母體。因此，對臭氧降解物的毒性研究應從環(huán)境毒性、生物毒性、生物富集能力等多方面進行評估。目前對于臭氧降解產物的研究集中在廢水處理中，對果蔬清洗中的農藥降解研究較少，廢水中臭氧降解物的研究對果蔬中農藥殘留的臭氧降解產物研究具有重要參考價值。

4 臭氧處理對果蔬品質的影響

由于臭氧具有強氧化性，利用臭氧水處理果蔬可能對果蔬產生氧化脅迫作用，甚至破壞果蔬表面形態(tài)，引起營養(yǎng)品質的損失。因此，研究臭氧處理果蔬不僅要關注農藥殘留去除效率，還需考察臭氧處理對果蔬外觀和營養(yǎng)品質的影響。

4.1 外觀品質

Wang 等[109]采用實驗者對櫻桃番茄氣味打分的方法發(fā)現，采用6.85 mg/L 的臭氧氣體處理櫻桃番茄4 h 后導致其氣味改變，顯著降低了其品質，而用1.71 mg/L 的臭氧處理則對氣味沒有顯著影響。Selma 等[110]同樣采用評分方法發(fā)現，用5000 mg/L 和20 000 mg/L 的臭氧氣體處理，并不影響鮮切哈密瓜的氣味?？梢姡粞鯇邭馕兜挠绊懗潭?，取決于臭氧濃度和果蔬種類。用臭氧水處理果蔬時，對果蔬氣味影響評價研究較少，多是對果蔬的質量、顏色和質地進行評價。質量的變化多由水分流失引起，果蔬的蒸騰和呼吸作用均會引起質量損失，而一定濃度的臭氧則可以通過關閉果蔬表皮氣孔來減少蒸騰和呼吸作用，進而起到延緩果蔬質量損失的作用，因此，臭氧處理在一定程度上可以延長果蔬儲存期[111]。王宏等[112]研究了臭氧水溶液處理對生菜品質的影響，發(fā)現臭氧水清洗降低了生菜的呼吸速率，從而減少了果蔬的質量損失。果蔬的顏色外觀通常由總色差值和色度參數判定，這兩個參數可由果蔬的3 種色差值 (L*-黑白、a*-紅綠、b*-黃藍) 計算得到。Ikeura 等[70]通過總色差值測定，發(fā)現臭氧微泡水處理對生菜和櫻桃番茄的顏色未產生顯著影響。Rodrigues 等[84]發(fā)現，雖然0.08 mg/L 和0.7 mg/L 的臭氧氣泡水對番茄的總色差值均沒有顯著影響，但其卻顯著提高了番茄的色度，這一變化可能由果蔬表皮灰塵被清洗導致。果蔬質地通常由果蔬的“機械強度”表示，其具體判定指標因果蔬種類不同而各異，如：瓜果類質地通常由“硬度”表示，而葉菜類質地通常由菜葉的“拉力強度”表示。Rodoni 等[113]在短時間內用臭氧氣體(10 μL/L，10 min) 處理番茄發(fā)現，番茄的硬度并沒有顯著變化，Ali 等[31]利用不同濃度的臭氧長時間熏蒸木瓜 (96 h)，熏蒸結束后立即測定其硬度，發(fā)現不同濃度處理組的木瓜硬度均有所提高。可見，雖然果蔬氣味受到臭氧濃度的影響，但影響程度因果蔬種類而異，而臭氧處理對果蔬的質量、顏色和質地通常不產生顯著影響，甚至會起到減緩損失的作用。

4.2 營養(yǎng)品質

營養(yǎng)品質代表了果蔬的膳食價值，奠定了果蔬的膳食地位。臭氧處理影響果蔬營養(yǎng)品質的研究通常涉及“可溶性固形物、可滴定酸度、多酚物質或抗壞血酸”等指標，不同研究涉及的指標并不相同。Rodrigues 等[84]利用0.08 mg/L 和0.7 mg/L的臭氧氣泡水浸泡番茄30 min，對儲存了1、5、9、13 d 的番茄中可溶性固形物和可滴定酸度進行檢測，發(fā)現與未處理組相比，兩種臭氧濃度處理均未對番茄中可溶性固形物含量產生顯著影響，但高濃度臭氧處理組的可滴定酸度顯著高于未處理組；Heleno 等[114]利用0.3、0.6 和0.8 mg/L 的臭氧氣體熏蒸草莓，在4 ℃條件下儲存3、7、10 d后進行檢測，發(fā)現經過臭氧處理的草莓，可溶性固形物和可滴定酸度的損失受到顯著抑制，抑制效果受到臭氧濃度和儲藏時間的顯著影響。Swami等[79,82]檢測臭氧水處理后蘋果中的3,4-二羥基苯甲酸、丁香酸等11 種多酚物質，發(fā)現處理15 min時有4 種多酚物質含量減少，30 min 時有8 種多酚物質含量減少，青椒的多酚含量變化情況與蘋果相似，但葡萄中多酚物質在臭氧水處理后均呈增多趨勢，表明不同果蔬中多酚物質對臭氧水清洗的氧化應激反應能力不同。對于抗壞血酸 (VC)，吳雙桃等[115]發(fā)現，具有還原性的VC可與臭氧接觸發(fā)生降解，持續(xù)通臭氧30 min 可造成蔬菜中的VC損失，損失程度排序為：芥蘭 ＞ 油菜 ＞ 青椒 ＞黃瓜，葉菜由于具有更大的比表面積，與臭氧接觸面積較大，進而VC流失率大于瓜果類蔬菜，同時發(fā)現，采用縮短清洗時間、在清洗體系中加入少量食醋以及降低水溫等手段可以有效減少VC的損失。VC對溫度也有很強的依賴性，在高溫下易被抗壞血酸氧化酶催化降解形成脫氫抗壞血酸，并進一步降解[116]。因此，可以通過控制臭氧水處理時的溫度、時長以及加入食醋等條件有效減少VC損失。

4.3 儲存品質

對于家庭清洗果蔬，通常只需考察臭氧處理后果蔬品質的即時變化，但對于市場果蔬來講，除了控制果蔬中的農藥殘留量，還需保證運輸和貯藏過程種果蔬品質的穩(wěn)定，即：果蔬的儲存品質。Liu 等[78]將鮮切蔬菜在臭氧水中分別處理1、5、10 min，發(fā)現處理1 min 蔬菜中的總酚含量有所升高，5 min 和10 min 的處理條件均導致總酚含量比清水組略有下降，但是儲存4 d 后，3 種臭氧水處理的蔬菜中的總酚含量均高于清水組。這表明經過臭氧處理后的果蔬中的多酚更“耐儲存”。Rodoni 等[113]在短時間內用臭氧氣體 (10 μL/L，10 min) 處理番茄，并檢測在20 ℃條件下儲存6 d 和9 d 后果實的損傷，發(fā)現隨著時間的增加，未處理組的損傷率越來越高于臭氧處理組的損傷率，并且臭氧處理后番茄中的總酚含量在0 d 和6 d 時均顯著高于未處理組。Ali[31]利用不同濃度臭氧氣體 (1.5、2.5、3.5、5.0 mg/L) 熏蒸木瓜96 h，并在2、4、6、8、10、12、14 d 對木瓜的重量、硬度、可溶性固形物、可滴定酸度、抗壞血酸、β-胡蘿卜素和番茄紅素等品質參數進行測定，發(fā)現4 種質量濃度的臭氧處理均有效減緩了硬度、可溶性固形物、抗壞血酸、β-胡蘿卜素及番茄紅素的損失，但對其質量和可滴定酸度沒有顯著影響。以上研究表明，臭氧處理可以有效減緩儲存期間果蔬品質的變化，有利于保證儲存期間果蔬的品質。

5 總結與展望

對比傳統(tǒng)清洗方式，臭氧清洗技術具有更高效地去除果蔬中農藥殘留的效果，且比其他新興清洗技術更加綠色環(huán)保，保證了果蔬品質，應用前景廣闊。但臭氧由于在水中的溶解度低，水中易分解等特性，其應用仍受到一定限制，而其與“超聲輔助、輻射輔助、微泡輔助”等技術聯用可以從不同角度彌補臭氧在食品安全領域應用的不足。

從農藥去除效率的角度來看，臭氧清洗去除農藥殘留的效率受到農藥性質、清洗條件和基質形態(tài)的綜合影響，并且由于不同果蔬中的農藥去除效率存在差異，因此仍需探究針對不同果蔬使用臭氧清洗的最佳條件。從果蔬品質的角度來看，臭氧清洗可以保護果蔬的外觀品質并延長儲存時間，但不同果蔬種類的生化系統(tǒng)對臭氧刺激會產生不同的應激反應，導致有些果蔬中的部分功能性成分產生損失，比如：維生素C、多酚物質等，因此控制臭氧清洗條件對降低這些成分的損失尤為重要。綜上，研究臭氧清洗條件需要根據果蔬種類進行調整，以便在去除農藥殘留和保證果蔬品質之間取得良好的平衡。

從農藥去除機制的研究來看，農藥殘留的去除效果依賴“物理去除”和“化學去除”兩種途徑，穩(wěn)定性差的農藥多通過化學方式去除，而其他農藥多通過物理方式去除，而目前對臭氧水溶液去除果蔬中農藥殘留的研究中，缺乏對臭氧清洗產生的農藥降解產物的物化性質和生物毒性研究。因此，為了推動臭氧在食品安全中的應用，應進一步開展農藥去除機制方面的研究。結合當前科技發(fā)展，可將計算化學模擬、生物毒理試驗等技術作為輔助研究手段，為臭氧清洗技術研究提供科學參考。