碱性电解水去除水果表面有机磷农残的工艺研究

刘李岚，邱钦勤，樊文容，唐 娇，胡小兵，肖 伟，陈 珂

（西南科技大学生命科学与工程学院，四川 绵阳 621010）

0 引言

据统计，中国柑橘种植面积已超过苹果种植面积，成为国内种植面积最大的水果产业[1]，同时柑橘也是世界上产量最大的水果，是世界第三大贸易农产品。柑橘色鲜味美，富含糖类、有机酸、氨基酸、蛋白质、维生素、膳食纤维、矿物质等基本营养物质，同时富含类黄酮、香豆素类、类柠檬苦素、类胡萝卜素等酚类、萜类等生物活性物质，具有防治癌症、减肥、增加机体免疫、抗氧化延缓细胞衰老等医用功能[2-3]，其营养价值、药用价值及保健价值高，是国内外公认的保健食品。然而，由于农药的滥用、超用，导致采后柑橘产品存在严重农残超标的情况[4-6]，其中包括国家已明令禁止的水胺硫磷、毒死蜱、丙溴磷和三唑磷等有机磷农药[7]。中国作为柑橘生产和出口大国，严格把关柑橘产品的质量安全，是保障人民生命健康和市场占有率的基本前提和重要保障。

目前，国内外针对果蔬表面农残去除方法主要包括物理降解如超声波[8]、等离子体法[9]和洗涤[10]等；化学降解如光化学降解、臭氧降解法[11]；生物法如降解酶、工程菌等[12]。考虑到二次污染及成本问题，洗涤是最常见和最直接的食品加工形式[13]，常用的洗涤方法主要有自来水、酸性水、盐水、碱性水、氧化水、电解水清洗等[14]，其中电解水因成本低、去除农残效果显著且不影响果蔬品质的优势受到国内外的广泛关注。电解清洗是采用电解中或是电解后的电解液对果蔬进行清洗的方式[15]，电解水分为酸性电解水(Acidic electrolyzed water,AEW)和碱性电解水(BEW)两大类。郝建雄等[16]用AEW或BEW浸泡乙酰甲胺磷处理的油菜60 min，其对农药残留的消除分别为82.0%和90.0%，表明两类电解水均可有效除去农药残留，且BEW处理效果优于AEW。Yang等[17]研究结果表明，电解水对农药的去除效果取决于pH和洗涤时间。但电解水对不同类型农药的去除率存在差异，Wu等[18]在研究金橘、菠菜和黄瓜十种典型农药残留去除中发现拟除虫菊酯农药的去除率较高，毒死蜱最难去除。此外，Sung等[19]研究结果表明强酸性电解水(Strong acidic electrolyzed water,SAcEW)不仅能有效去除Yuja表面的残留农药，还能保证果蔬的品质，且Rahman等[20]通过对老鼠、哺乳动物以及人类志愿者进行皮肤刺激、细胞毒性等实验，发现实验体各项指标均无明显变化，表明电解功能水具有较高的生物安全性。由此可见，电解水具有高效去除果蔬表面农残、保证果蔬品质、对环境无害及对人体安全等特点，将电解水应用于采后果蔬农残去除具有重要的作用，但目前尚无基于响应曲面法优化电解水对市售果蔬农残去除的工艺研究。本研究以市售八月桔为例，探究稀释比-浸泡时间-浸泡体积处理无籽八月桔的工艺优化，以期相关研究成果能为采后果蔬的农残去除提供一种绿色产品和途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料

八月桔购自绵阳市当地超市，挑取新鲜、外观一致的放至冰箱中预冷备用；食盐、小苏打、洗洁精购买于当地超市；农残检测试剂盒购买于山东恒美电子科技有限公司。

酸性电解水(AEW)和碱性电解水(BEW)来源于四川省建元天地环保科技有限公司在江油的电解水肥生产基地，其中酸性电解水(AEW)原液理化性质：pH 2.40±0.16，ORP 1147.33±5.06 mv，有效氯浓度20 mg/L；碱性电解水(BEW)原液理化性质:pH 12.65±0.26，ORP-850±5.89 mv。

试验在西南科技大学东九科技园，于2020年7月—11月进行。

1.2 试验设计

1.2.1 不同洗涤剂对柑橘农残去除效果的影响 设置纯净水、0.05 mL/L洗洁精、2 g/L食盐水、2 g/L小苏打水、1:10(V/V)碱性电解水(BEW)、1:10(V/V)酸性电解水(AEW)等6个处理，以未处理作为对照，常温下浸泡3 min后，对比酶抑制率大小。

1.2.2 单因素试验设计 分别考察碱性电解水稀释比(1:1、1:5、1:10、1:20、1:40)、处理时间(1、2、4、8、10 min)、处理体积(100、200、300、400、500 mL)对酶抑制率的影响。

1.2.3 响应曲面设计 在单因素实验结果的基础上，通过Box-Behnken方法设计响应面，将酶抑制率(Y)作为响应值，选取碱性电解水稀释比(A)、处理时间(B)和处理体积(C)3个因素，进行响应面分析（3因素3水平），实验设计见表1。

表1 响应曲面设计

1.3 指标测定方法

农残检测方法采用酶抑制法，参照国标GB/T 5009.199—2003进行样本制备及农残检测。酶抑制率计算公式见式(1)。

结果分析：当果蔬样品提取液对酶的抑制率>50%时，表明果蔬中有高剂量的有机磷及氨基甲酸酯类农药存在，农残超标；当果蔬样品提取液对酶的抑制率在40%～50%时，疑似农残超标；当果蔬样品提取液对酶的抑制率<40%时，表明果蔬安全可食用。

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2010进行基础数据分析及绘图；SPSS 25.0对数据进行统计学分析，LSD法进行多重比较，显著水平为0.05；Design-Expert 12软件进行响应曲面设计及绘图。

2 结果与分析

2.1 6种洗涤剂处理对柑橘农残去除效果比较

6种洗涤剂处理对柑橘农残去除效果如图1所示，与对照相比，6种洗涤剂处理都能极显著去除柑橘表面的农药残留(P<0.001)，去除效果从强到弱的顺序依次为1:10 BEW>2 g/L食盐水>纯净水>1:10 AEW>0.05 mL/L洗洁精>2 g/L小苏打水。其中当八月桔经0.05 mL/L洗洁精和2 g/L小苏打水洗涤处理后，平均酶抑制率分别为45.78%、48.63%，农残超标，表明这两种洗涤剂处理都不适用于此种柑橘的农残去除。1:10 BEW和2 g/L食盐水能显著去除八月桔表面的农药残留，与对照组相比，酶的抑制率分别下降了72.44%、67.69%，由此可见，1:10 BEW是去除柑橘表面农药残留的最佳洗涤方式。

图1 6种洗涤剂处理对柑橘农残去除效果比较

2.2 各因素对柑橘表面农残去除效果比较

2.2.1 稀释比对柑橘表面农残去除效果比较 按体积比将碱性电解水稀释为1:1、1:5、1:10、1:20、1:40等5个梯度，称取3 g柑橘皮浸泡在200 mL的稀释液中3 min，取出检测柑橘表面的农药残留。试验结果如图2所示，柑橘表面的农药残留量先随稀释比的增加而降低，后随着稀释比的增加而增加；其中柑橘经稀释比为1:1、1:20、1:40的碱性电解水处理后，平均酶抑制率分别为48.86%、46.92%、55.01%，农残超标，表明碱性电解水原液及高倍数的碱性电解水稀释液都不适于柑橘农残的去除；对比柑橘经稀释比为1:5和1:10的碱性电解水处理后平均酶抑制率的大小，1:5稀释比的碱性电解水能显著去除柑橘表面的农药残留(P<0.05)，因此选择1:5作为最佳碱性电解水稀释比，为进一步考察稀释比对酶抑制率的影响，采用稀释比为1:1、1:5、1:9进行响应曲面法实验设计。

图2 稀释比对柑橘表面农残去除效果比较

2.2.2 处理时间对柑橘表面农残去除效果比较 称取3 g柑橘皮浸泡在200 mL的1:5稀释比的碱性电解水中，分别处理1、2、4、8、10 min，取出检测柑橘表面的农药残留。试验结果如图3所示，柑橘表面的农药残留量先随着浸泡时间的增加而降低，后随着浸泡时间的延长逐渐增加；在浸泡时间为10 min时，检测平均酶抑制率为56.08%，农残超标；浸泡时间在1～8 min内，各处理对柑橘表面农残的去除能力由强到弱的顺序依次为2 min>4 min>1 min>8 min，平均酶抑制率均小于40%。试验结果表明柑橘的洗涤浸泡时间最好不要超过8 min，处理时间为2 min能极显著去除柑橘表面的农药残留(P<0.001)，因此选择2 min作为最佳碱性电解水处理时间，为进一步考察处理时间对酶抑制率的影响，采用处理时间为1、2、3 min进行响应曲面法实验设计。

图3 处理时间对柑橘表面农残去除效果比较

2.2.3 处理体积对柑橘表面农残去除效果比较 称取3 g柑橘皮分别浸泡在100、200、300、400、500 mL的1:5稀释比的碱性电解水溶液中，2 min后取出，检测柑橘表面的农药残留量。试验结果如图4所示，柑橘表面的农药残留量先随着处理体积的增加而降低，后随着处理体积的增加逐渐增加；在处理体积为100 mL时，检测平均酶抑制率为41.67%，农残超标；处理体积在200～500 mL内，各处理对柑橘表面农残的去除能力由强到弱的顺序依次为300mL>200mL>500mL>400mL，处理体积300 mL能极显著去除柑橘表面的农药残留(P<0.001)，因此选择300 mL作为最佳碱性电解水处理体积，为进一步考察处理体积对酶抑制率的影响，采用处理体积为200、300、400 mL进行响应曲面法实验设计。

图4 处理体积对柑橘表面农残去除效果比较

2.3 响应面法优化碱性电解水去除柑橘表面农残工艺

2.3.1 模型的方差分析 采用Box-Behnken设计原理设计三因素三水平响应面优化实验，以碱性电解水稀释比(A)、处理时间(B)和处理体积(C)为自变量，酶抑制率(Y)作为响应值进行响应面优化，共设计17组实验方案，其中中心实验点5组，每组试验重复3次，试验结果取3次重复的平均值，响应面优化结果见表2。

用Design-Expert 12软件对表2中的试验数据进行多元二次方程拟合，得到酶抑制率(Y)与影响因素之间的二次多项回归方程如式(2)。

式中Y代表酶抑制率(%)，A代表碱性电解水稀释比，B代表处理时间(min)，C代表处理体积(mL)。

对回归方程进行显著性检验和方差分析，结果如表3所示，模型的P<0.0001，即响应值与二次多项回归方程具有极高的显著性，失拟项P=0.1438＞0.05，表明失拟项不显著，说明在本实验中所拟合的模型与实验契合度较好，回归模型具有较高可信度；其中A、B、C、C2参数P<0.0001，表明稀释比、处理时间、处理体积和处理体积的平方效应对酶抑制率的影响极显著；AB、BC、A2、B2参数P<0.05，表明稀释比和处理时间交互作用、处理时间和处理体积交互作用、稀释比的平方、处理时间的平方对酶抑制率的影响显著；AC的P>0.05，表明稀释比和处理体积交互作用对酶抑制率的影响不显著；对于特定的独立过程变量，F值越高(F>0.05)，该变量的影响就越大[21]，对比稀释比(A)、处理时间(B)、处理体积(C)的F值，FA>FC>FB，表明3种处理对酶抑制率的影响由大到小依次为稀释比、处理体积、处理时间。

表3 回归方程方差分析

模型的相关系数R2=0.9899，表明该模型98.99%的响应值变化可以被解释，仅有总变异为1.01%不能用该模型来解释；模型信噪比(Adeq Precision，S/N)为29.0570>4，这意味着该比率是可取的，足以在设计空间中产生足够的信号[22]；预测决定系数Rpred2和校正决定系数Radj2分别为0.8809，0.9769，二者相差仅为0.096<0.2；变异系数(CV)在5%～20%范围内，表明该模型具有良好的重现性和可靠性[23]，试验中的CV=8.37%，表明该模型的分辨力、拟合精度较高，误差较小，用该二次回归模型可预测及优化分析预处理的运行条件[24]。

2.3.2 响应曲面交互作用分析 响应面法是一种集统计和实验设计的技术，用于确定选定变量对特定响应值的关系和影响[25]。根据回归方程得到模拟的响应曲面图及相应的等高线图，确定稀释比、处理时间和处理体积对酶抑制率的影响，响应曲面图和等高线图见图5～7。响应曲面坡度陡峭性表示响应值对实验条件的改变敏感度，越陡峭敏感度越高，等高线的形状表示交互作用的显著性，形状越椭显著性越高，越圆则显著性越低[26]。

当处理体积(C)为300 mL时，稀释比(A)和处理时间(B)的交互作用对酶抑制率的影响如图5所示，从整体上看酶的抑制率沿处理时间(B)方向呈现一定的弧度，沿稀释比(A)方向曲面更陡，说明稀释比(A)比处理时间(B)对酶抑制率的影响更显著，从图5等高线的形状可以看出稀释比(A)与处理时间(B)的交互作用显著，与模型分析结果一致。

图5 稀释比(A)和处理时间(B)对酶抑制率的响应曲面与等高线

当处理时间(B)为2 min时，稀释比(A)和处理体积(C)的交互作用对酶抑制率的影响如图6所示，酶抑制率在稀释比(A)轴方向产物相对更陡，稀释比(A)和处理体积(C)的交互作用对响应面坡度变化平缓，说明稀释比(A)比处理体积(C)对酶抑制率的影响更显著，但两者的交互作用不强，与模型分析结果一致。

图6 稀释比(A)和处理体积(C)对酶抑制率的响应曲面与等高线

当稀释比(A)为1:5时，处理时间(B)与处理体积(C)的交互作用对酶的抑制率的影响如图7所示，酶抑制率在处理时间(B)轴方向坡度明显，说明相比于处理体积(C)，处理时间(B)对酶抑制率的影响更显著；等高线图呈一定的椭圆形，说明处理时间(B)和处理体积(C)具有一定的交互作用，与模型分析结果一致。

图7 处理时间(B)和处理体积(C)对酶抑制率的响应曲面与等高线

2.4 模型验证

考虑实际生产情况，以酶抑制率为40%对响应曲面模型方程进行求解，优化后的最佳处理工艺条件为稀释比1:8.49、浸泡时间1.26 min、浸泡体积为388.45 mL。为考察模拟优化条件的准确性和实用性，考虑到实际操作情况，对最佳条件进行了适当调整：稀释比1:8.5，处理时间1.26 min，浸泡体积390 mL，在此修正后的工艺条件下进行3次重复试验，得到酶抑制率为40.59%，与预测值的相对误差仅为1.48%，表明实际值与模型预测值拟合性良好。

3 结论

（1）与其它洗涤剂处理方法相比，碱性电解水(BEW)能显著去除柑橘表面的农药残留。

（2）对比碱性电解水3个处理条件稀释比(A)、处理时间(B)、处理体积(C)对酶抑制率的影响大小，得出碱性电解水的稀释比对柑橘表面的农药残留去除影响最大。

（3）模型优化后的最佳处理工艺条件为稀释比1:8.49、浸泡时间1.26 min、浸泡体积为388.45 mL，酶抑制率为40%。经过验证后得到酶抑制率为40.59%，表明碱性电解水在最佳处理工艺条件下，具有良好的去除果蔬表面有机磷农药残留物的能力。