农药残留对食品安全的影响以及农药残留检测技术的文献综述

农药残留对食品安全的影响以及农药残留技术的文献综述 农药残留对食品安全的影响以及农药残留 检测技术的文献综述 摘要:介绍了农药残留的现状及其对食品安全的影响，同时对农药残留检测技术进行系统的综述，并对今后农药残留检测及控制进行了展望。 关键词:农药残留 食品安全 检测技术 农药残留是指在农业生产中施用农药后一定时期内残留于生物体、农副产品及环境中微量的农药原体、有毒代谢物、降解物和杂质的总称。残留的数量叫农药残留量，以每千克样本中有多少毫克(或微克、纳克等)表示。农药残留是使用农药后的必然现象，是不可避免的。农副产品上的残留量超过限量，人畜长期食用后会引起慢性中毒或病变，直接或间接影响人们的身体健康。因此，控制降低农药残留，发展农药残留检测技术已成为当前亟待解决的问题。 1 农药残留现状及种类 1.1 农药残留的现状 “民以食为天，食以安为先”，农产品的质量安全直接关系到人们的健康和安全。在农业生产中，由于农药、化肥等农业化学投入品的使用，导致农作物严重污染，人们食用农药残留超标的农产品，引起食物中毒的事件经常发生。2010年1 月25 日至2 月5 日，武汉市农业局在抽检中发现来自海南省英洲镇和崖城镇的5个豇豆样品水胺硫磷农药残留超标，消息一出，立即引起社会各方关注，豇豆产地收购价与销售批发价均出现大幅下滑。 农药残留已经成为我国农产品出口的最大障碍，常常被进口国当作借口阻挡在门外，不仅给农户造成经济损失，而且还导致农产品出口竞争力减弱或下降，引起国家之间的经济贸易纠纷。国际市场对出口农产品安全要求很高，从2000 年起，欧盟等国家对农药残留颁布了更严格的标准，从2006 年5 月29 日开始，在日本市场流通的生鲜食品就适用肯定列表，一棵白菜要检测20个项目，最多的一种农产品要检测50个项目，合格后才能通关[1]。 农药喷洒在作物上经过一定时间后，由于日晒、雨淋、风吹、高温挥发和植物代谢等的作用，药剂逐渐分解、减少，但不能全部消失，收获的农副产品上仍 残留极少量的农药，长期食用或接触这种带有残留农药的农副产品对人畜所产生的毒性，称之为残留毒性，简称残毒。有的农药残留在土壤中需几年，甚至10 多年方能消失。我国是世界上最早使用农药防治病虫草害的国家之一，历史记载已有上千年的历史。当前我国农产品中的农药残留问题十分普遍且比较严重，几乎遍及各地各类作物，例如粮食、油料、蔬菜、水果、茶叶、中草药等作物品种，都能普遍检出。下面以残留比较严重的蔬菜和水果为例，说明农药残留的现状。 蔬菜和水果是人们日常生活的必需品，却是农药残留最为严重的案例。近十几年来，我国蔬菜水果的种植面积和种植方式都发生了很大变化，连作面积大幅度提高，温室、大棚等种植面积较快增长，这些都为病虫的滋生和繁殖提供了有利条件。随着种植技术的不断进步，蔬菜水果的生长期越来越短，而环境污染日益加剧，蔬菜水果的病虫害越来越严重。一方面，目前农村基本上仍然以小面积家庭式种植为主，防治病虫害的手段和十分有限;另一方面，种植户缺乏知识素养和整体意识，为了确保农产品收入的稳定，随着蔬菜、水果病虫害的逐渐加重以及超剂量施用高毒、高残留农药，致使蔬菜、水果中的农药残留水平和范围已达到了相当严重的程度[2]。 1.2 农药残留的种类 1.2.1 有机氯农药残留 有机氯农药(organophosphorus pesti2cides,OPPs)具有高残留性。我国虽已停用很久，但有机氯农药杀虫效果好、价格低，所以部分发展中国家仍广泛应用。有机氯脂溶性强，不易水解和降解，非常稳定，聚集于人体脂肪，在自然和食物中能长期残留，停用后自然环境要经25,110 年才能复原。果蔬、粮、谷、薯、茶、烟草都可残留有机氯，禽、鱼、蛋、奶等动物性食物污染率高于植物性食物，而且不会因其贮藏、加工、烹调而减少，很容易进入人体积蓄[3]。 1.2.2 有机磷农药残留。 有机磷农药(organochlorine pesti2cides,OCPs)的发展较有机氯农药晚一些，是生产和使用最多的农药品种。它具有品种多、防治对象多、应用范围广、使用方式多、在环境中降解快、残毒低等特点。我国有机磷农药使用已有近40 年的历史，已生产的品种近40个，敌敌畏、敌百虫、乐果等年产量均在1万t 以上。有机磷不稳定，挥发性强，在自然环境下容易分解，进入生物体内易被酶分 解，故不污染环境，在食物中残留时间也短，因此慢性中毒少，急性中毒多。有机磷是神经毒物，人们吃了施用有机磷农药的果蔬或茶叶、薯类、谷物等，可能发生肌肉震颤、痉挛、血压升高、心跳加快等症状，甚至昏迷死亡。 1.2.3 氨基甲酸酯类农药残留 氨基甲酸酯类农药(carbamatepesticides)是继有机磷类农药之后发现的一种新型农药,也是我国目前使用量较大的杀虫剂之一,已被广泛应用于粮食、蔬菜和水果等各种农作物。常见的氨基甲酸酯类农药有西维因、呋喃丹和速灭威等。此类农药具有分解快、残留期短、低毒、高效和选择性强等特点。20世纪70年代以来,由于有机氯类农药品种相继被不同国家禁用或者限制使用,以及抗有机磷类农药的昆虫品种的日益增多,氨基甲酸酯类药的使用量正逐年增加[4]。 氨基甲酸酯类农药克服了有机氯类农药高残留和有机磷类农药的耐药性的缺点，具有分解快、残留期短等特点,但降解产物通常具有与母体化合物相同或更强的活性,在农业生产中施用后,其代谢产物常常残留在土壤及水体中[5]。氨基甲酸酯类农药对人体的急性毒作用与有机磷类农药相似，抑制体内乙酰胆碱酯酶，使其失去分解乙酰胆碱的功能,造成组织内乙酰胆碱的蓄积而中毒[6] 。 目前已有一些研究开始关注此类农药的致畸、致突变和致癌作用问题，研究较多的是西维因的致畸作用。据报道,该类农药对某些动物可表现出致畸性，例如狗在全部妊娠期每日摄入超过 3125mg/kg的西维因可导致畸胎,每日摄入量大于300mg/kg对小鼠也有致畸性。另外,在致癌作用方面,也有一些研究表明，乙基氨基甲酸酯可引起小鼠和大鼠的肺肿瘤,但这类农药对人能否致癌尚未确定[7]。 1.2.4 拟除虫菊酯类农药残留 拟除虫菊酯类农药(pyrethroidpesticides)是一类重要的合成杀虫剂,常见的菊酯类农药有溴氰菊酯和氯氰菊酯等。该类农药是模拟天然菊酯的化学结构而合成的有机化合物,大多以无色晶体的形式存在,一部分为较粘稠的液体[5],具有高效、广谱、低毒和生物降解性等特性。人类短期内接触大量拟除虫菊酯类农药后,轻者出现头晕、头痛、恶心和呕吐等;重者表现为精神萎靡或烦躁不安、肌肉跳动、甚至抽搐和昏迷等症状。由于多种拟除虫菊酯类农药对鱼类和贝类等水生动物毒性较大,一些国家已对其使用做出了严格的限制。因此,对在农作物、食 品和环境基质中拟除虫菊酯类农药的残留非常重要[8]。 2 农药残留检测技术 2.1 样品前处理技术 2.1.1 溶剂萃取(LLE) 液体样品最常用的萃取技术之一是溶剂萃取，利用样品中不同组分分配在两种不混溶的溶剂中溶解度或分配比的不同来达到分离、提取或纯化的目的，通常又叫做液-液萃取。根据基质的不同，可分为液-液萃取、液-固萃取和液-气萃取(溶液吸收)。现在的液-液萃取技术已经发展到连续萃取和逆流萃取，有利于处理含有低分配系数物质的样品;微萃取技术有利于提高灵敏度和减少溶剂用量;萃取小柱技术模仿了传统的液-液萃取技术，而且使样品收集变得非常容易，同时避免了样品乳化问题;在线萃取和自动液-液萃取等方式能够减小人为误差，有利于处理大体积样品。 2.1.2 固相萃取(SPE) 固相萃取就是利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，使其与样品的基体和干扰化合物分离，然后再用洗脱液洗脱或加热解吸附，达到分离和富集目标化合物的目的。与液—液萃取等传统方法相比，固相萃取具有如下优点:高的回收率和富集倍数;使用的高纯有毒有机溶剂量很少，减少了对环境的污染，是一种对环境友好的分离富集方法;无相分离操作，易于收集分析物组分，能处理小体积试样;操作简便、快速、易于实现自动化。应用固相萃取可以分析食品中有效成分或有害成分，以及环保水样中各种污染物等。 2.1.3 固相微萃取(SPME) 固相微萃取技术是在固相萃取基础上发展起来的，与液—液萃取或固相萃取相比，具有操作时间短、样品量少、无需萃取溶剂、适于分析挥发性和非挥发性物质、重现性好等优点。影响固相微萃取灵敏度的因素很多，但萃取头涂层种类和厚度最为关键。SPME在食品与生物样品上应用日趋增加，如酱油中氯丙醇的检测和血液中有机氯化合物的检测等[9]。 2.1.4 微波萃取技术(SAE) 微波萃取技术是一种萃取速度快、试剂用量少、回收率高、灵敏以及易于自动控制的前处理技术。它利用微波加热的特性对物料中目标成分进行选择性萃 取。微波萃取是将样品放在聚四氟乙烯材料制成的样品杯中，加入萃取溶剂后将样品杯放入密封好、耐高压又不吸收微波能量的萃取罐中。由于萃取罐是密封的，当萃取溶剂加热时，由于萃取溶剂的挥发使罐内压力增加。压力的增加使得萃取溶剂的沸点也大大增加，这样就提高了萃取温度。同时，由于密封，萃取溶剂不会损失，也就减少了萃取溶剂的用量。微波加热过程中萃取温度的提高大大提高了萃取效率。 2.1.5 衍生化技术(derivatization) 衍生化技术是通过化学反应将样品中难于分析检测的目标化合物定量转化成另一易于分析检测的化合物，通过后者的分析检测对可疑目标化合物进行定性和/或定量分析。衍生化的目的有以下几点:将一些不适合某种分析技术的化合物转化成可以用该技术的衍生物;提高检测灵敏度;改变化合物的性能，改善灵敏度;有助于化合物结构的鉴定[10]。 2.2 检测方法 2.2.1 色谱法 2.2.1.1 气相色谱法 气相色谱法(Gas chromatography)是一类分离分析方法，它是根据分析物质在固定相和流动相之间的分配系数的不同达到分离目的，并将分析物质的浓度转换成易被测量的电信号，然后送到仪记录下来的方法。由于其具有分离效能高、选择性高、灵敏度高、分析速度快等特点，且作为有机磷农药测定的国家标准方法，目前已成为最典型、应用最广的分析方法。自20世纪60年代气相色谱应用于农药和药物残留分析以来，大大提高了农药和药物残留量的检测水平。常用的检测器主要有火焰光度检测器(F P D)、氮磷检测器(N P D)、电子捕获检测器(E C D)等[11]。 2.2.1.2 气相色谱-质谱法(G C-M S) G C-F P D和G C-NP D法虽然以灵敏度高、定量准确、成本低而被广泛采用，但当遇到组分不明的干扰物与被测物的色谱峰相重叠或两者的保留时间非常接近时，则难以判断。而G C-M S是解决这一问题最有效的方法。它既有气相色谱的高分离性能，又有质谱准确鉴定化合物结构的特点，可达到同时定性、定量的目的，在农药代谢物和降解物检测方面具有突出优点。李润岩,12,等用顶空 固相微萃取-气质联用(H S-S P M E-G C/M S)技术测定了草莓中二嗪农、倍硫磷、杀螟硫磷、乙基对硫磷和乙硫磷5种有机磷农药，优化了萃取条件和气质联用条件，检出限为5.2,10.7μg/kg，可以满足水果农残检测的要求，并拓展了此技术的应用范围。陈明,13,等建立了G C-M S测定蔬菜、水果中有机磷农药残留的分析方法，最低检出量在0.01,0.04 mg/L之间，符合农药残留分析的要求，并建立了多种有机磷农药残留在G C-M S上得到很好分离的分析方法，解决了只以保留时间定性时出现结果假阳性和保留时间重合的问题。 2.2.1.3 高效液相色谱法 高效液相色谱法(High performance liquid chromatography)是在高压条件下利用溶质在固定相和流动相中的分配系数的差别进行各组分分离。气相色谱法对于一些热不稳定、极性很强、分子量较大和离子型农药或代谢产物的检测有一定难度，而高效液相色谱法分离条件相对温和，在这些残留物的检测上就显示了其优越性。 2.2.1.4 高效液相色谱,质谱联用技术(H P L C-M S) 液相色谱,质谱联用技术是通过一种内喷射式和粒子流式接口技术将液相色谱与质谱联接起来的检测方法，其原理与气相色谱,质谱联用法类似。潘见,14,等采用高效液相色谱-串联质谱法测定菠菜中13种有机磷农药残留，结果表明，13种有机磷类农药的定量限均小于9.0μg/kg，显著低于日本肯定列表制度的限量。 2.2.1.5 毛细管电泳法(CE) 毛细管电泳法(Capillary Electropheresis)具有分离效率高、快速、运行成本低、样品用量少等特点，近年来得到了迅速发展。毛细管区带电泳和胶束电泳毛细管色谱(MECC)非常适用于那些难以用传统的液相色谱法分离的农药残留分析，分离度好，检出限低。阙木旺,15,采用胶束电动毛细管色谱法(MEKC)技术对氧乐果、乐果、敌百虫这三种有机磷农药进行分离，它们的检测限分别为0.11μg/ml、0.06μg/ml、0.1μg/ml，效果显著。 2.2.2 免疫检测方法 免疫测定(Immunoassay, IA)是利用抗原抗体反应检测标本中微量物质的方法，该法应用范围极为普遍(任何生物只要能获得相应的特异性抗体，即可用免 疫测定进行检测)。应用于农药残留分析的免疫分析技术主要有放射性免疫分析(R I A)和酶联免疫分析(ELISA)。其中，ELISA发展较快，现已成为应用最广泛的技术之一。农药残留的酶联免疫吸附测定技术自从20世纪90年代以来得到了全面迅速的发展，美国化学会(A O A C)已经将免疫分析与气相色谱、液相色谱同时列为农药残留分析的三大支柱技术。Yan Liu,16,等发现一种D12-B5单克隆抗体在检测甲基对硫磷、毒死蜱、倍硫磷、杀螟松等有机磷农药具有显著的特异性，并且检测效果良好。 2.2.2.1 酶联免疫分析(ELISA) ELISA是将抗原或抗体吸附到固相载体上作为一种试剂来检测标本中有无相应的抗体或抗原的一种分析方法。加入某种酶标记的抗体或抗原,洗涤除去未结合物,加入该酶的底物,酶催化底物生成有色产物,产物的量与标本中待检物的量有关,根据反应颜色的深浅进行定量分析。通过与标准曲线相比,即可得出样品中农药的含量。 Kim等人利用特异性最高的血清,建立了检测甲基对硫磷的间接竞争EL ISA,其IC50是614ng/mL,检测下限是012ng/mL;利用酶标试剂还建立了检测甲基对硫磷的直接竞争EL ISA,其IC50是315ng/mL,检测下限是013ng/mL;除了在间接竞争 抗体对其他有机磷农药的交叉反应可忽略不计EL ISA中与对硫磷和对氧磷以外, [17]。Brun等人建立并优化了检测毒死蜱的间接竞争EL ISA 和直接竞争EL ISA; 直接竞争EL ISA的检测限是013ng/L, IC50是271ng/L,动态范围为4–16 474ng/L; 间接竞争EL ISA 的检测限是0107ng/L, IC50是7ng/L,动态范围为014- 302ng/L;增强样品的回收率可达109%[18]。 Watanabe等人利用抗血清R23建立了检测杀螟硫磷的间接竞争EL ISA,在最佳条件下,定量检测的工作范围为1-9ng/mL,检测下限0.13ng/mL, IC50为6ng/mL;抗血清R23对含有32甲基242硝基酚基团的扑灭松和32甲基242硝基酚具有很高的交叉反应,对其他复合物的交叉反应可忽略不计;在4种水样中添加不同浓度的杀螟硫磷后,与等体积的抗血清溶液混合,直接检测混合溶液中杀螟硫磷的含量,平均回收率为105.9%,平均变异系数为10.9%[ 19]。Shim等人建立了一种检测苯硫磷的间接竞争ELISA,其IC50为516ng/mL,检测下限814ng/mL (以20% 抑制率计算) ;利用半抗原- 酶复合物建立了检测苯硫磷的直接EL ISA, 其IC50为516ng/mL,检测下限为0.19ng/mL (以20%抑制率计算) ;除了在直接EL ISA中对乙基对硫磷以外,抗体对其他有机磷农药的交叉反应几乎可以忽略不计;增强样品中的苯硫磷回收率经间接ELISA测得为37%-164%[20]。 此外，农药的多残留免疫检测是针对一类农药同系物的共性结构来设计和合成通用半抗原,从而制备得到对于特定的一类(或其中几种)化合物都具有识别和检测能力的通用结构抗体,即具有广谱特异性( broad specificity)的抗体,利用抗体和抗原建立能检测农药多残留成分的EL ISA[21]。Alcocer等人使用反-4-磷酸2-丁烯酸( trans-4-phosphono-2-butenic acid, TPB)作为类属半抗原,制备了抗有机磷农药广谱特异性抗体;制备的多克隆抗血清优先结合含有不饱和二乙基2磷酸官能团的有机磷农药,对含有相同数量的硫代磷酸酯或二甲基官能团的有机磷农药的结合力弱于含有不饱和二乙基2磷酸官能团的有机磷农药;在间接竞争EL ISA中,将与抗体亲和力较低的包被抗原固定于EL ISA板的孔底时,检测限可以提高20倍,并讨论了TPB 作为一种类属半抗原的潜力[22]。 2.2.2.2 荧光偏振免疫检测 EL ISA具有很多优势并且能直接检测样品,其检测限可与仪器分析方法的检测限相比,甚至更低,但EL ISA是一种非均相的检测方法,需要很长的时间来分离游离的分析物与结合抗体的分析物,还需要多次的冲洗步骤。而均相免疫检测较为简单和快速,不需要分离和冲洗步骤。FP IA属于均相免疫检测,它是基于游离和结合物中荧光标记物的偏振程度差别来达到检测目的。在该技术中,游离的和标记的分析物竞争结合一种特异性的抗体。游离的分析物快速旋转,发射的光发生轻微程度的偏振;抗体2标记物复合物具有很高的分子质量( > 150 ku) ,因此,它旋转慢,导致其发射的荧光具有很高程度的偏振。游离的分析物与标记物添加至系统中竞争结合抗体,导致偏振程度降低和检测曲线的单调下降。通过与标准曲线对照,即可得出农药的含量[21]。 Kolosova等人在一种单克隆抗体的基础上,建立并优化了检测甲基对硫磷的FP IA,检测甲基对硫磷浓度的动态变化范围为25-10 000μg/kg,检测限为15μg/kg;将蔬菜、水果和土壤样品的甲醇提取物稀释10倍用于分析,增强样品中的回收率为85% -110%;无需复杂的处理, FP IA即可用于食品和环境样品中甲基对硫磷的检测[23] 。 2.2.3 酶抑制法 酶抑制技术(Enzyme Inhibition)是利用有机磷等类农药对胆碱酯酶的活性抑制作用而建立起来的用于分析其在食品中的残留量的技术。该法无须昂贵的仪器，操作简便快速，但灵敏度较差，重复性、回收率还需要进一步的提高。速测卡、快速检测仪都是依据此技术研究开发的。Akkad R,24,等使用三种酯酶分析有机磷农药时，取得了不错的效果。 2.2.4 生物传感器法 生物传感器法(Biosensor)是利用具有分子识别能力的生物活性物质作为与能量转换器紧密配合的紧密部件, 能够对特定种类的化学物质或生物活性物质进行选择性和可逆响应的分析装置。Pogacnik,25,等用乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶作为敏感材料，做成了光热生物传感器，对蔬菜中的有机磷和氨基甲酸酯类农药进行测定，其结果与G C-M S检测结果一致。N o g u e,26,用一种固化了醛脱氢酶的酶传感器检测有机磷和氨基甲酸酯农药，其最小检出量为9ng/kg，而传统方法的最小检出量为400ng/kg。 3 展望 随着社会的进步,人们生活水平的不断提高,对食品的安全性要求也相应地提高了。但随着各种农药的持续应用和新产品的开发,农药残留检测方法的研究依旧是引起广泛关注的课题。针对食品中农残的分析，SFE、MSPD等一些新的样品前处理技术将受到青睐的同时，创建高效、简单、快速的色质联用为主的在线分析技术将是未来的重点研究方向。农药残留检测技术将向更快、更准、更环保的方向开发和推广应用。 与此同时，随着检测技术的不断提高，食品的安全性必将随之而不断提高，同时也将在一定程度会减少高毒、高残留农药各种食品中的使用。 参考文献 [1]刘雅宁.农产品农药残留问题分析及控制对策. 现代农业科技.2010,6(3):354,356 [2]李翠. 农药残留的现状及治理对策. 现代农业科技,2010,1(1):171-172. 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