糧食中主要農藥殘留的種類與檢測前處理技術研究進展*

劉 玲 林永健

(中儲糧江蘇質檢中心有限公司福建分公司 350002)

糧食作為膳食及基本營養的主要來源,是人類日常飲食中最為重要的一類食品,其全球年產量和消費量一直在不斷增長,高品質的糧食對人類全面均衡的飲食至關重要。我國人口眾多,糧食安全是保障國計民生的重要前提,也是相關研究的重點[1,2]。

農藥指用于農業生產中各種藥劑的統稱,包括殺蟲劑、殺螨劑、殺真菌劑、除草劑、增效劑和生長調節劑等[3]。為了最大限度地提高產量,減少糧食在運輸和儲存過程中的損失,現代農業使用了大量的農藥[4]。然而在農業植物和環境中濫用農藥,不僅破壞生態壞境,同時導致大量、高毒的農藥及其降解產物在糧食等農產品中殘留,使之融入食物鏈,對人類健康產生不利影響[5,6],如引起肌肉無力、內分泌紊亂、呼吸紊亂、癱瘓、癌癥等[7]。稻谷和小麥經初加工,如脫殼、拋光等步驟后農藥殘留會得到較大程度的降低,近些年來,很少出現糧食中農藥殘留超標問題[8]。但農藥殘留管理仍然是至關重要的,為了避免農產品和食品中農藥殘留所造成的危害,許多國家和組織都規定了農藥最大殘留限量(Maximum Residue Limits,MRLs),并制訂了相關的標準。我國也頒布了多項標準對食品中農藥殘留量進行了限定,其中GB 2763-2021《食品安全國家標準 食品中農藥最大殘留限量》規定了564種農藥在376種食品中10092項殘留限量標準,全面覆蓋了我國批準使用的農藥品種和主要植物源性農產品[9]。

為了精準分析糧食中目標農藥殘留量,需要將樣品中的農藥殘留最大限度地提取出來,并消除檢測過程中的干擾物。因此開發高效分離和靈敏檢測的分析方法具有十分重要的意義。近年來國內外學者在農藥殘留檢測方法的開發方面進行了大量研究,本文綜述了近年來糧食中農藥殘留檢測技術發展現狀,以期為相關研究提供一定參考。

1 糧食中主要農藥殘留的種類

1.1 有機氯類農藥(Organochlorine pesticides)

有機氯農藥是一類含有氯的有機殺蟲劑,從20世紀50年代到70年代,有機氯農藥在農業中被廣泛使用[10]。一般分為兩大類:一類是滴滴涕類,包括六六六及滴滴涕等;另一類是氯化甲撐萘類,包括艾氏劑、狄氏劑、七氯等,我國曾使用較多的是六六六及滴滴涕[11]。由于該類農藥具有殺蟲效力強、生產方法簡便、價格低廉等優點,在防治害蟲方面發揮了重大作用,并提高了農產品的產量和質量[12]。但有機氯農藥的化學性質穩定,對微生物的降解有很強的抵抗力,因此在環境中降解十分緩慢,可以通過食物鏈進行富集,即食物鏈末端產生比原始濃度顯著放大的濃度,一旦進入人體,會對人體健康構成嚴重威脅[13]。1983年我國開始禁止生產六六六和滴滴涕等有機氯農藥[14]。

1.2 有機磷類農藥(Organophosphorus pesticides)

有機磷類農藥通常是五價磷酸酯,主要應用于農作物生長過程中殺蟲、除菌、除草等。該類化合物是目前最有效的農藥類別之一,在農業中也得到了廣泛的應用[15]。有機磷農藥包括對硫磷、馬拉硫磷、甲基對硫磷、毒死蜱、二嗪農、敵敵畏、四氯磷、三氮磷、氧磷和甲基氮磷[16]。有機磷農藥是為取代有機氯農藥發展起來的,它比有機氯農藥容易降解,對環境的污染相對較小[17]。有機磷類農藥的藥效高、化學性質不穩定、容易分解,因此不容易在生物體內累積。但是如果使用不恰當,受到有機磷化合物污染的水源與食品會對人體健康產生不利影響。有機磷化合物的主要急性毒性是抑制乙酰膽堿酯酶的活性,而乙酰膽堿酯酶是中樞神經系統正常運作所必需的[18]。因此導致乙酰膽堿的過度積累,從而引起神經毒性[19,20]。

1.3 氨基甲酸酯類農藥(Carbamate pesticides)

氨基甲酸酯類農藥是一類合成的、廣普性的農藥,在許多國家的農業生產中被廣泛用作殺蟲劑與除草劑[21]。該類農藥在水中比較難溶解,容易溶解于有機試劑,在堿性和高溫的條件下容易分解,在酸性條件下比較穩定[22]。氨基甲酸酯類農藥殺蟲效果明顯,具有廣泛的生物活性,與有機氯類農藥和有機磷類農藥相比,氨基甲酸酯在自然條件下的持久性相對較低,對蟲害的根除效果較高,甲萘威、涕滅威和克百威等是代表性的氨基甲酸酯類農藥[23]。氨基甲酸酯類農藥也是膽堿酯酶抑制劑,其作用機制與有機磷農藥相似[24]。

1.4 擬除蟲菊酯類農藥(Pyrethroid pesticides)

擬除蟲菊酯類農藥含有從菊花中提取的除蟲菊酯,是天然農藥進行改性后的合成化學物質,但經過化學修飾以增加持久性和毒性[25,26]。該類農藥的殺蟲范圍廣、高效、低殘留,對蚊、蠅和蟑螂等一些害蟲都有良好的毒殺效果,對哺乳動物的毒性低于有機磷類和氨基甲酸酯類化合物[27]。隨著對哺乳動物具有嚴重神經毒性的有機磷農藥被逐步淘汰,擬除蟲菊酯類殺蟲劑的使用在過去20年里增加。擬除蟲菊酯的預期作用機制主要是通過鈉通道過度激活導致害蟲因麻痹而死[28]。

1.5 三嗪類農藥(Triazine pesticides)

三嗪類化合物主要用來阻止農作物生長過程中的雜草生長,其功能主要是抑制植物的光合作用,因此該類農藥化合物具有高效性[29]。三嗪類除草劑是一種選擇性很強的除草劑,對農作物具有重要的保護作用,由于其具有特殊的化學結構,因此其化學性質比較穩定、殘留時間長、水溶性強。該類農藥在農田種植過程中被廣泛使用,但同時也會給周邊環境帶來許多潛在的危害,如對土壤、農作物、水源等造成一定程度的污染[30]。三嗪類農藥及其降解產物能夠對人體的內分泌和生殖系統進行干擾或破壞,還可能導致人體產生癌癥和一些先天性缺陷[31]。

2 糧食中農藥殘留檢測前處理技術研究進展

隨著色譜技術快速發展,農藥殘留分析儀器可以根據分析物的結構對其進行檢測、鑒定和定量。盡管農藥殘留測定的分析儀器的靈敏度較高,但通常需要進行前處理,從糧食中提取和分離目標分析物,排除干擾物,前處理技術是農藥殘留分析過程中的關鍵環節,直接影響檢測的效率和準確度。

在農藥殘留檢測前處理中液-液萃取(Liquid-liquid extraction)、加速溶劑萃取(Accelerated solvent extraction)、固相萃取(Solid phase extraction)、固相微萃取(Solidphase microextraction)、基質固相分散萃取(Matrix solid phase dispersion extraction)、QuEChERS(Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe)、超臨界流體萃取法(Supercritical fluid extraction)、凝膠滲透色譜(Gel permeation chromatography)等技術廣泛應用。

2.1 液—液萃取

液—液萃取也稱為溶劑萃取和分離,主要是根據化合物在特殊的不混溶液體中的相對溶解度來分離化合物。液—液萃取是最古老、最完善的農藥提取方法之一,該方法可靠、適應性強,與大多數儀器兼容。液—液萃取使用了不同的提取溶劑,如己烷、乙腈和乙酸乙酯,乙酸乙酯是從食品基質中提取農藥最常用的中極性溶劑之一[32]。液—液萃取的主要缺點為溶劑消耗量大,分析時間長,難以自動化,以及對極性化合物的萃取效果不佳。

Wang等[33]采用氯仿、二氯甲烷兩種溶劑萃取,建立了糙米、玉米、小米和燕麥等谷物中7種新煙堿類殺蟲劑殘留的高效液相色譜分析方法。對于所有測試的農藥,方法檢出限為0.002 mg/kg～0.005 mg/kg,相關系數r2≥0.99,回收率為76%～123%。

2.2 加速溶劑萃取

加速溶劑萃取法是一種快速萃取法,該方法結合了高溫、高壓條件,以提高目標分析物的溶解度,從而實現從固體基質中快速有效地提取分析物[34]。該技術已用于食品、蔬菜、水果、魚類等復雜基質中的農藥提取。與其他傳統樣品前處理方法相比,該方法可以使萃取過程在較短時間內完成,且只需消耗少量的有機溶劑,萃取效率高,自動化程度高,選擇性好,操作比較安全,對目標物回收率高,精密度高[35]。萃取壓力和溫度條件是加速溶劑萃取效率的主要影響因素。

Otake等[36]以加速溶劑萃取法分析糙米中鄰苯二甲酸酯等4種農藥,在130℃下進行加速溶劑萃取和水浸泡勻漿兩種方法的對比,回收率分別為75%～88%和87%～109%,結果表明,加速溶劑萃取法與水浸均質法一樣,可用于分析糙米中的4種農藥。

2.3 固相萃取

固相萃取廣泛應用于水果、蔬菜、糧食等農產品中農藥殘留的前處理,該方法主要用于凈化待測物質,通過固相萃取柱中的固體吸附劑進行選擇性吸附,以此分離待測物質與干擾物質。固相萃取因其簡單、快速、處理量大且回收率高而成為最常用的方法[37]。固相萃取方法的優化,主要在吸附劑材料的選擇和洗脫方案。實驗室常用的吸附劑材料包括:中性氧化鋁、硅酸鎂、C18、PSA、硅膠等[38]。該方法樣品中的懸浮物可能堵塞濾芯,而且吸附劑與樣品之間的相互作用可能會降低回收率[39]。

Aguilera等[40]人建立了一種固相萃取法結合氣相色譜技術對大米中三唑磷等22種農藥進行了分析。該方法具有較高的精密度、靈敏度和選擇性。16種多環芳烴檢出限范圍在2 ng/kg～60 ng/kg之間,相對標準偏差RSD均小于7.5%,回收率范圍為88%～103%。

2.4 固相微萃取

固相微萃取是Arthur和Pawliszyn于1990年提出的一種簡單的樣品制備方法,該方法集成了采樣、提取、濃縮和樣品導入于一個步驟[41]。微量的固體吸附劑或液體聚合物以適當的形式暴露在樣品中,將萃取相固定在熔融石英纖維或內涂層上,然后將目標分析化合物與基體進行分配,在達到平衡狀態后,將纖維引入色譜系統等分析儀器中進行檢測[42]。固相微萃取的優點在于自動化程度高,靈敏度高,不需要溶劑和樣品預處理,從而最大限度地減少樣品污染。其主要缺點為纖維間重復性差和測定精度差。該技術適用于相對易揮發的化合物。

Saraji等[43]合成了一種涂覆多孔碳納米管——二氧化硅的高效固相微萃取纖維,并將其應用于有機磷農藥的檢測。結果表明,分析物在0.01 μg/L～3.0 μg/L范圍內具有良好的線性關系,該方法成功應用于實際樣品中有機磷農藥的測定。

2.5 基質固相分散萃取

基質固相分散萃取法最早由Barker等在1989年提出,是一種基于固相萃取的簡化方法,用研缽將樣品和吸附劑進行均勻研磨,然后將獲得的混合物轉移到固相萃取柱,最后用適當的洗脫溶劑將目標化合物進行洗脫[44]?；|固相分散萃取的樣品制備和進化在同一個步驟中進行,且無需稀釋,吸附劑和溶劑消耗量大幅降低,減少了成本和分析時間,萃取效率得到提高,該方法主要的不足是缺乏自動化。

Tsochatzis等[45]采用優化的基質固相分散方法,以中性氧化鋁為溶劑,乙腈為洗脫溶劑,并結合高效液相色譜——二極管陣列檢測系統對稻谷中8種農藥進行分析。結果表明,線性回歸系數r2均大于0.9948。檢出限LOD和定量限LOQ分別為0.002 mg/kg～0.200 mg/kg和0.006 mg/kg～0.600 mg/kg,8種農藥的回收率范圍為74%～127%,相對標準偏差RSD低于12%。

2.6 QuEChERS

QuEChERS法是在食品農藥殘留分析中最受歡迎的前處理技術之一。由Anastassiades等在2003年提出[46]。該方法是為了從水果和蔬菜中提取農藥殘留而發展起來,由于其操作簡單、成本低、效率相對較高、步驟少等優點,在不同的樣品基質中分離農藥方面迅速得到普及[37]。QuEChERS技術包括兩個步驟:液—液萃取和分散固相萃取凈化。該方法前處理的樣品足夠干凈,并且省去或取代了傳統方法中通常使用的許多復雜的分析步驟,采用手搖或渦旋提取均質樣品,在不需要溶劑蒸發步驟的情況下獲得提取物[47]。

Kolberg[48]等利用QuEChERS方法對小麥、白面粉和麩皮中24種農藥進行前處理,并建立了液相色譜串聯質譜法對目標農藥進行分析。結果表明,小麥的線性范圍為1.0 μg/L～100 μg/L,面粉和麩皮的線性范圍為2.0 μg/L～200 μg/L,線性回歸系數r2均大于0.99。大多數化合物的回收率為70%～120%,相對標準偏差RSD<20%。

2.7 超臨界流體萃取法

超臨界流體萃取法是一種物理萃取技術,它通過超臨界流體作為萃取劑,使目標化合物組分從液體和固體中被分離出來[49]。二氧化碳是迄今為止從固體基質提取各種農藥使用最多的超臨界流體,先進的技術可以精確調節溫度和壓力的變化,從而控制超臨界流體的溶解特性,這有助于萃取各種極性的天然產物[50]。該方法的主要優點是選擇性強、耗時短、溶劑消耗少,且使用無毒,不易燃,廉價的流體。超臨界流體萃取技術在測定糧食中的農藥殘留的限制因素主要是儀器的高成本。

2.8 凝膠滲透色譜

凝膠滲透色譜法作為提取后的凈化方法,用來對不同物質進行分離和鑒別,在實驗室植物油農藥殘留檢測中應用比較廣泛,樣品經過多孔性凝膠時,其中的分子按照大小順序,大的一般先被洗脫下來[51]。該方法操作簡單,自動化程度高,適用范圍廣,可以使樣品基質中的干擾物質如脂肪、色素等有效地除去,有效提高了分析的精度和準確性,同時可以延長色譜柱的壽命和儀器的使用壽命[52]。

3 討論與展望

本文以國內外相關研究為參考,綜述了糧食中主要農藥殘留的種類,以及前處理技術的相關應用。糧食中農藥殘留污染仍然是世界各地的重點關注問題。及時追蹤新方法、新技術的研究進展,不斷總結完善,探索更適用于糧食中農藥殘留的檢測技術,對加強我國糧食安全的風險監控,保障行業高質量發展及消費者的身體健康,促進經濟社會的可持續發展具有重要意義。

由于農藥的高經濟效應,新的農藥也在不斷開發,需要檢測農藥的種類也隨之增加。同時分析糧食中的多種農藥的方法建立,仍然是一項極具挑戰性的任務,由于樣品復雜的基質會造成干擾增加,以及農藥的化學性質和極性不同,批量檢測難度大。在未來,高效分離和靈敏檢測的聯用技術仍然是多殘留農藥分析的研究方向。高分離效率、低分析時間、高分辨率、低試劑消耗的檢測技術將是未來研究重點。