8种农药残留在小麦模拟储藏过程中的降解动力学研究

熊超平 马 缓,3 朱恩俊 徐炜枫 刘 琴

(南京财经大学食品科学与工程学院；江苏省粮油品质控制及深加工实验室；江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心1，南京 210023) (江苏省农产品质量检验测试中心2，南京 210036) (湖北文理学院理工学院3，襄阳 441025)

为了应对中国农业地理环境的复杂情况，确保农业生产的产量和质量，越来越多的农药被研发使用。截至2017年底，已有超过35 000种农药产品注册，其中有效成分超过665种[1]。为保障食品和环境安全，人们对田间农业生产过程中的农药降解动力学一直较为关注[2-5]，此外，对农产品在储藏[6-8]、加工[9-11]过程中农药残留消解的研究也在持续开展。小麦是三大谷物之一，小麦的质量和产量的稳定是粮食安全的重要保障。为了防止小麦在生长期由于真菌的侵染而导致赤霉病和真菌毒素超标，要使用多种抗菌药物。此外，在粮食储藏过程中为了防止虫害的发生需要施用粮食保护剂。小麦与其他谷物不同，从籽粒到制成直接食用的小麦粉无法通过清洗来去除污染物，因此小麦中农药残留等危害物的控制必须严格的从原粮开始。目前农药在粮食储藏过程中降解动力学研究大都集中在对少数储藏中施用的粮食保护剂如马拉硫磷等的降解研究[12,13]。而对于田间施用的农药在小麦储藏过程的变化研究还很少。

本研究选择了小麦生产和储藏过程中常用的8种农药(乐果、毒死蜱、氰烯菊酯、氟环唑、戊唑醇、咪鲜胺、甲基毒死蜱、甲基嘧啶磷)，通过QuEChERS前处理与UPLC-MS/MS检测相结合的检测手段，对它们在小麦模拟储藏过程中的降解动力学进行研究。毒死蜱和乐果是果蔬和粮食生长过程中广泛使用的有机磷类杀虫剂，而氰烯菌酯、氟环唑、戊唑醇和咪鲜胺均为杀菌剂，在小麦生长过程中可以有效抑制赤霉病的发生[14]，降低禾谷镰刀菌产生的呕吐毒素的累积[15]， 甲基毒死蜱和甲基嘧啶磷则为粮食在储藏过程中施用的保护剂[16，17]， 可防止储粮过程中害虫入侵所导致的粮食损失，保障储粮品质。研究这些农药残留在小麦储藏过程中的变化规律，可为科学制定小麦中农药残留标准、指导农药的使用、准确进行谷物中农药残留的膳食暴露风险评价提供有用的信息。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦样品来自江苏省粮食局粮油质量监测所,收获于2018年6月。

色谱纯乙腈；分散固相萃取盐包(4 g硫酸镁、1 g乙酸钠)；分散固相萃取填料(300 mg硫酸镁、100 mg N-丙基乙二胺(PSA)、100 mg十八烷基键合硅胶(C18))；8种农药标准品(乐果、氰烯菌酯、氟环唑、戊唑醇、咪鲜胺、甲基毒死蜱、甲基嘧啶膦、毒死蜱)。

1.2 仪器与设备

XW-80A旋涡混合器，Allegra 64R台式高速冷冻离心机， Xevo TQ液相色谱串联三重四级杆质谱联用仪，FS-Ⅱ型实验室旋风式粉碎磨。

1.3 实验方法

1.3.1 小麦样品的处理

用已配制好的混合标准溶液喷洒小麦，得到农药污染浓度约为5 mg/kg的小麦样品，放置于通风橱中过夜后进行储藏实验。分别于不同条件下储藏0、5、14、44、74、104、134、164、194 d取样，用实验室旋风式粉碎粉，分别测定小麦中水分及其农药残留。水分的测定采用国标定温定时烘干法[18]。

1.3.2 储藏条件的控制

将饱和硝酸镁、亚硝酸钠、氯化钠饱和盐溶液分别放入封闭的干燥器中，获得相对湿度分别为54%、65%、75%的环境；将小麦样品放入不同湿度控制的干燥器内，并置于温度25 ℃的恒温箱中进行模拟同一温度不同湿度的储藏条件，在不同温度下氯化钠饱和盐溶液的相对湿度基本保持不变，不同温度(10、15、25、35 ℃)相同湿度的储藏条件均用氯化钠饱和溶液控制。

1.3.3 小麦中农药残留的测定

1.3.3.1 小麦中农药残留的提取

采用QuEChERS法提取小麦中的农药残留[19]。具体如下：准确称取2.000 g 样品，加入10 mL蒸馏水振荡提取2 min，再加入10 mL乙腈振荡提取2 min后，加入分散固相萃取盐包振荡2 min，之后在4 ℃，6 000 r/min下离心5 min。取上清液加入分散固相萃取填料振荡混合2 min，上清液用0.22 μm滤膜过滤，于-20 ℃储存待测。

1.3.3.2 8种农药混标的制备

混合标准溶液配制：取1 mg/mL的乐果、氰烯菊酯、氟环唑、戊唑醇、咪鲜胺、甲基毒死蜱、甲基嘧啶磷、毒死蜱各农药标准品，用乙腈稀释成100 μg/mL的标准混合溶液，于-20 ℃条件下避光保存。

基质匹配系列标准工作溶液：取1 mL空白样品提取液，氮吹干后，用1.0 mL标准混合溶液复溶，得到质量浓度分别为20、100、200、500、1 000、2 000 ng/mL的基质匹配标准混合溶液，现用现配[20]。

1.3.3.3 仪器条件

液相系统：Waters ACQUITY UPLC；色谱柱：CORTECE UPLC C18(1.6 μm，2.1 mm×100 mm)；柱温：40 ℃；进样量：0.1 μL；流动相：A(0.1%甲酸+5 mol/L乙酸铵水)，B(乙腈)；梯度洗脱程序如下:0～0.5 min, 5% B; 0.5～2 min, 5% B～95% B; 2～3 min, 95% B; 3～4 min, 95% B～5% B; 4～5 min, 5% B。

质谱系统：Xevo TQ；离子化模式：ESI+；毛细管电压：3 kV；源温度：150 ℃；雾化气温度：500 ℃；雾化气流速：0.6 mL/min；锥孔气流速：10 L/h；优化后的质谱检测参数见表1。

表1 8种农药的保留时间、监测离子及质谱采集参数

1.3.4 检测方法验证

采用基质空白提取物用于溶剂的校准标准物重构[20]，为消除基质效应，采用10倍稀释因子，对小麦样品中的8种农药检测的标准曲线、线性范围、精密度及四个添加水平(0.5、1.0、5.0 mg/kg)的加标回收率进行测定。

1.3.5 农药降解数据分析

不同农药残留降解活化能(Ea)、指前因子(A)通过Arhenius方程计算得到：

k=Ae-Ea/RT

(1)

式中：A为指前因子；Ea为反应活化能/kJ/mol；T为绝对温度/K。

2 结果与讨论

2.1 农药残留检测方法验证

QuEChERS法是由美国科学家Anastassiades等[22]在2003年提出，最早用于水果和蔬菜中农药残留提取，经过改进目前已广泛应用于粮食基质，是一种快速简便的前处理方法。气相色谱和液相色谱与串联三重四极杆质谱联用是同时检测多农药残留的常用分析方法。无论是气质还是液质联用方法都存在基质效应，从而影响检测的准确性。在液质联用法中，常用基质匹配标准溶液校准法、基质稀释、同位素内标法等减小基质效应的影响[23,24]。本研究通过基质匹配标准溶液校准和10倍稀释消除基制效应。从表2和表3可见，8种农药在小麦中线性检测范围为5～2 000 ng/mL，检出限在0.004～0.211 μg/kg之间。4个加标水平的加标回收率在77.17%～103.00%，检测精密度为0.74%～10.46%，满足定量分析技术要求，符合农药残留检测的标准。

表2 8种农药的标准工作曲线和检出限

表3 8种农药在小麦粉基质中的加标回收率和精密度

2.2 25 ℃不同湿度模拟储藏条件下小麦中农药残留降解动力学

为研究储藏过程中湿度对农药残留降解的影响，我们首先在25 ℃下，分别控制相对湿度为54%、65%和75%对小麦进行模拟储藏，由图1可以看出，在近六个月的储藏过程中，氰烯菌酯的浓度几乎没有变化。除氰烯菌酯外，其余7种农药随着储藏时间的延长而减小图。表4是根据一级动力学拟合得到的不同湿度下这7种农药的降解动力学方程、动力学常数k和半衰期t1/2，由表4可以看出，7种农药lnct～t的线性相关系数R2在0.91～0.98之间，符合一级降解动力学模型，且在不同储藏湿度下降解速率常数相差不大。7种农药在25 ℃下降解的平均速率常数的大小为：k(戊唑醇)≈k(氟环唑)

图1 在25 ℃不同湿度下8种农药的c～t曲线

研究表明,农作物生长环境中的微生物会加速农药残留降解[25,26]。尽管储藏湿度会影响到储粮过程中微生物的生长，但环境中的微生物种类及活跃程度跟储藏过程中粮食中微生物的差异较大，我们的结果表明这三个湿度下粮食储藏微生物对这8种农药残留的降解影响不大。

2.3 温度对小麦模拟储藏条件下农药残留降解的影响

由图2可知，在四个温度下氰烯菌酯的浓度随储藏时间的增加无显著变化，其余7种农药的残留量c均随着储藏时间的增加而减小，且c与t的关系符合一级动力学拟合曲线。

图2 8种农药在不同储藏温度下农药的残留量c～t的关系曲线

由表5和图2可以看出，乐果和咪鲜胺降解速率常数k受温度的影响较大，乐果在10 ℃的降解速率常数分别为0.002 4 d-1，在35 ℃下降解速率常数为0.040 8 d-1，为10 ℃的17倍，它在10 ℃和35 ℃时的半衰期分别为288.8 d和17 d；而咪鲜胺在10 ℃时的降解速率常数为0.000 7 d-1，半衰期为990.2 d；在35 ℃时的降解速率常数0.014 d-1，是10 ℃时的20倍，半衰期仅为49.5 d。甲基嘧啶磷和毒死蜱降解则受温度影响较小，它们在10 ℃时的降解速率常数分别为0.004 2 d-1和0.002 7 d-1；在35 ℃时的降解速率常数分别为0.056 d-1和0.0043 d-1，即在温度升高25 ℃时分别增加了33.3%和59.2%。

表4 7种农药在不同储藏湿度下的降解动力学方程，降解常数k(d-1)及半衰期t1/2(d)

表5 7种农药在不同储藏温度下的降解动力学方程、速率常数k、半衰期t1/2、降解活化能Ea和指前因子A

表5还给出了根据不同温度下的反应速率常数计算得到的7种农药的降解活化能(Ea)和指前因子(A)。从表5可以看出，农药降解活化能Ea的大小为：甲基嘧啶磷<毒死蜱<氟环唑<戊唑醇<甲基毒死蜱<乐果<咪鲜胺。活化能越高，其降解速率常数随着温度的变化越大，如乐果和咪鲜胺；而活化能越低，则其降解速率随温度变化越小，如甲基嘧啶磷和毒死蜱，这与它们降解速率常数随温度变化的结果一致。

徐宝正等[27]在甲基嘧啶磷用于粮食的防护实验中，对立筒仓稻谷储藏所施用的甲基嘧啶磷的进行定期监测，发现储存两年的稻谷中的甲基嘧啶磷降解了72%～78%，跟我们小麦模拟储藏中的甲基嘧啶磷的降解速率接近。陈威等[28]报道了稻谷储藏过程中毒死蜱的降解动力学，在37 ℃时的半衰期为136 d，降解常数为0.005 d-1，而我们在35 ℃的k为0.004 3，t1/2为161 d，与其报道相吻合。许静等[29]研究发现氰烯菌酯在东北黑土降解速率半衰期为97.5 d，而在江西红土中降解半衰期为330 d，不同土壤中的微生物差别显著，因此氰烯菌酯在土壤中的降解可能主要是微生物和光降解。顾晨凯等[30]发现氟环唑在自然条件下河水中的半衰期为25.6～90.5 d，吴文铸等[2]则对戊唑醇和氟环唑在中性水中的降解动力学进行了研究，得出它们的半衰期分别为198 d和131 d，而在不同土壤中的降解半衰期为182～365 d和58.2～72.9 d，即氟环唑受土壤中的微生物影响可能较大。与环境中农药残留降解不一样，在粮食储藏过程中一般是避光，且微生物的活性较低、环境封闭，这会导致成它们的降解动力学比在自然环境中低，因此更不容忽视。

在2019年农业部等3部门联合发布的国标GB A763—2019中，细化了农药残留在不同农产品中的最大残留限量，在小麦籽粒中乐果，氰烯菌酯，氟环唑，戊唑醇的限量标准为0.05 mg/kg，而甲基毒死蜱和甲基嘧啶磷的限量较高，为5 mg/kg，毒死蜱为0.5 mg/kg，咪鲜胺为2 mg/kg。小麦与其他的谷物不同，一般在收获后要储藏一到两年才进行制粉，要确保储藏期间不发生虫害，对于降解速率快，毒性小的粮食保护剂，要在储藏过程中科学的掌握施药周期，确保施药效果；而对于储藏过程中降解速率慢，限量标准低的农药，要根据它们的降解动力学，严格制定其在收获时的检出限量。如戊唑醇在20 ℃下其半衰期接近一年，如果常温下储藏时间为一年的小麦，则在收获时检出限应严格控制在0.1mg/kg以下，而氰烯菌酯在收获时则要严格控制在0.05 mg/kg以下。

3 结论

本研究发现，8种农药中，氰烯菌酯在小麦模拟储藏过程中几乎没有降解。除氰烯菌酯以外的其他7种农药降解均符合一级动力学降解模型，动力学常数k均随温度升高而增加，但受湿度影响不大。降解活化能最大的是咪鲜胺，其次是乐果，这两个农药降解常数受温度的影响也较大。而降解活化能最小的是甲基嘧啶磷，其受温度的影响也较小。在25 ℃下除氰烯菌酯外其他7种农药的降解动力学常数：k(乐果)>k(甲基毒死蜱)>k(咪鲜胺)>k(甲基嘧啶磷)>k(毒死蜱)>k(戊唑醇)≈k(氟环唑)。乐果降解半衰期(t1/2)最小，约为64 d，而抑菌剂戊唑醇、氟环唑降解速度最慢，半衰期最长，约为266 d。