四川农业大学研究生院(四川农业大学研究生院官网)
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粮食是人体必需营养素的重要来源，也是人类赖以生存和发展的基础，提高粮食产量对解决世界人民温饱问题意义深远。近年来，农副产品特别是粮油中的农药残留问题日渐成为危害公众安全健康的重要问题之一。仪器检测农残优点众多，但一直存在样品前处理复杂繁琐、成本高昂、耗时较长、只能通过标准品进行定性等缺点，难以满足粮油原料现场、快速、非靶向的农药残留检测需求。
四川农业大学食品学院王元清、李莎 、刘书亮* 等通过从农药及其残留危害出发，分析其在我国粮油原料中的使用及残留现状，并综述现行原粮农药残留的快速检测方法，主要包括基于酶抑制、免疫分析、传感器及表面增强拉曼散射法（SERS）的现场快速检测技术和基于高分辨率仪器的实验室快速检测技术，通过分析比较各种快检方法的优缺点并对其进行展望，旨在为粮油原料收购现场质量评价提供理论参考。
1 农药概述
农药是用来防治或消除危害农林业等生产过程中病虫草害及有目的性地调节植物生长的药剂。农药残留是使用农药后一段时间内没有被分解而残留于动植物体内和土壤、大气、水体中的微量农药原体、有毒的代谢物、降解物及杂质的总称。随着农药工业的不断发展以及生产的实际需求变化，农药品种日渐增多，合理规范地使用农药有助于有效控制病虫草害、提高粮油作物产量和控制流行疾病的发生。但若用药不科学谨慎，药物会通过各种途径直接或间接残留于周边环境或粮油作物本底，导致土壤酸化、板结、微生物生态系统紊乱，还会沉积于水体或漂浮于空气中，通过各种途径危害靶生物或非靶生物，最终对人体健康造成极大威胁。
环境与食品中农药残留问题一直是危害生态及人体健康的重要问题之一。我国已制定了各类食品中农药残留的限量标准。粮食是居民每日必需的重点农产品，保障其质量安全具有重要意义。大量研究表明粮食中确有农药检出，这些农药残留源于粮油原料种植、初加工全过程的农药污染，对原粮农药污染情况进行归纳总结，有利于加大农药残留快速检测技术研究力度，进一步推动粮油行业的健康发展。
2 我国主要粮油原料农药使用及残留现状
粮油原料中农药禁用与使用情况
由表1可知，剧毒、高毒有机氯和有机磷农药基本已被禁用，尽管百草枯不是高毒农药，但因无特效解毒剂，2016年起我国农业部禁止了百草枯水剂的销售和使用。
近几年我国主要粮食作物农药施用情况如表2所示：1）不同粮食产区不同粮食种类农药使用情况虽有所差异，但基本以除草剂、杀虫剂和杀菌剂为主。有机磷、菊酯类农药中的毒死蜱、辛硫磷、草甘膦、高效氯氟氰菊酯因具有高效、广谱等特点常年来一直被使用。此外，毒性更低且不易残留于环境中的吡虫啉、啶虫脒、乙草胺、莠去津、多菌灵、百菌清等农药在近几年粮油原料生产活动中使用频率也越来越高。2）尽管90%粮食生产使用的农药为低毒/微毒农药，但也存在中毒甚至高毒或剧毒农药违规使用的现象。3）研究发现很多农药在使用时其施用量远超过推荐使用量的最大值，对粮油原料的质量安全产生了极大威胁。
粮油原料农药残留现状
通常粮食作物经生长、收获、运输及储存后，残留于作物本体的农药种类显著变少。以酰胺类除草剂乙草胺为例，其具有高效、广谱、选择性好且价格低廉等优点，在玉米等粮食作物种植过程中被广泛使用，这类农药易受到环境中有机质吸附而发生迁移，且在温度、光照、微生物等共同作用下发生降解，由此降低了其在农作物本体中的残留量，但这类农药仍会造成一定程度的环境污染。
目前我国粮油原料农药残留主要分为以下几种情况：1）稻谷、小麦残留药物主要为杀虫杀菌剂，其中毒死蜱、吡虫啉、啶虫脒、氯虫苯甲酰胺、多菌灵、氯氟氰菊酯等农药残留较为严重，有些产区甚至出现农药超标现象。2）我国大豆产量低，每需从国外进口。我国尚未明确草甘膦在大豆中的限量标准。3）玉米中杀菌剂和杀虫剂均有检出，一般残留水平低于限量标准。
粮食中农药残留的原因主要包括：1）尽管多数农药在粮食中的半衰期不长，但是由于粮油作物生产过程中农药使用频率高，药物会逐渐积累于成熟的粮食原料中；2）由于长期使用同种农药来防治小麦等作物的病虫害，使得各种害虫或病菌对其产生了抗药性，从而不得不加大农药的使用量，进一步增加了食品中的农药残留水平；3）大量残留于土壤等周边环境中的农药由于迁移作用转移到作物本体，间接影响粮食原料的质量安全。
综上，我国不同粮食原料中均有不同程度的农药残留。与水果等其他农产品不同的是，粮食是人体每日必须摄入的食品。因此，为减少药物对身体健康的危害，应降低餐桌上含有农药粮食的来源。近10 年我国主要粮油原料农药残留情况如表3所示。
3 粮油原料农药残留快速检测技术
在众多粮油原料生产区，由于检测方法不适宜，粮油原料从农田到餐桌全过程的农药残留检测难以覆盖，亟需便捷高效的农药残留快速检测技术。农药残留快检技术对于判定粮油原料是否符合食品安全国家标准，能否走进千家万户具有十分重要的现实意义。
现场快速检测
1 ）酶抑制法
酶抑制法是以生物体内的乙酰胆碱酯酶为识别元件，粮油原料中残留的氨基甲酸酯类农药和有机磷农药通过抑制其水解作用，且抑制作用随着农药的浓度增加而加强，从而可以通过抑制率判断出检测样品中的有机磷及氨基甲酸酯类农药是否超标。目前我国已经制定了用于果蔬、茶叶、肉制品中有机磷及氨基甲酸酯类农药残留量快速检测的酶抑制法国家标准，但在粮油原料农药残留检测相应标准的制定上还有所欠缺。由于稻谷等粮食对农药残留的限量比果蔬低很多。
通过优化催化酶、提取剂、增强剂的条件，研发了一种改良的酶抑制法，结果与色谱法的符合率为98%。但此法目前还难以进行全部有机磷农药的检测，会出现较低的假阴性结果。以改良的昆虫酯酶为催化酶，以荧光底物为显色剂，研发了一种可快速定性检测有机磷及氨基甲酸酯类农药的生物荧光酶抑制法，发现假阳性率较传统判定方法有所降低，结果准确率大大提高。通过增强剂改进样品前处理方式开发了基于酶抑制法的农药残留速测卡，并测定了粮食中有机磷农药含量。结果表明增强剂溴制剂有效提高了样品的检测灵敏度，检测限最低可达到0.01 mg/kg，仅个别样品出现假阳性检测结果。
改进样品前处理条件、添加增强剂或显色剂等不仅可以缩短农药前处理及检测时间，还可以大大提高酶抑制法的准确度。尽管酶抑制法可实现多种农药残留同时检测，但也仅限于有机磷和氨基甲酸酯这两类。
2 ）免疫分析法
免疫分析法是以抗体作为识别元件，利用抗原抗体特异性结合实现对目标化合物的定性或者定量检测。免疫分析法原多为定性筛查，且只针对单一农药组分，灵敏度和准确性较低。为了满足检测需求，近几年免疫分析法研究重点转向高通量多残留分析。由表4、5可知，目前免疫分析法在粮食农药残留检测中的研究与应用主要包括：1）通过优化发光底物，优化标记物类型（如用稀土离子螯合物、纳米金颗粒），同时结合生物条形码、杂交瘤等技术可获取特异性更好的抗体，使免疫分析法的检出限/定量限远低于《限量标准》，能很大程度避免实际检测时出现漏检导致假阴性结果出现，显著提高了免疫分析法的灵敏度；2）目前研发的多农药残留免疫分析技术主要针对有机磷农药，与目标农药结构类似物交叉反应率低，且和仪器分析检测结果一致，特异性和准确度较高；3）该法分析农药残留时样品处理与检测耗时短，可满足实际原粮农药残留的现场检测。免疫分析法优点众多，但仍存在一定缺陷：1）目前该法检测农药种类有限，新烟碱类、苯并咪唑类等新型农药种类的研究与有机磷农药比相对较少；2）该法的应用受到抗体特性的限制，只能检测已知结构的农药，且抗体制备复杂、费用高昂。
3）生物传感器
生物传感器是以生物敏感物质为识别元件，将其含量转换为电信号进行检测的仪器，其工作原理是复杂样品中目标成分与传感器中敏感成分之间相互识别后产生一些光、热、颜色等理化信号，随着反应的发生，这些信号也不断发生变化，并由不同的传感器转换成另一种信号，最终通过信号放大装置放大后显示，以此达到检测的目的。
针对甲萘威和克百威制备了两种新型单克隆抗体，以此开发了一种多时间分辨荧光纸传感器，检出限分别为0.02、60.2 μg/kg。建立了一种可同时检测4 种苯基氨基甲酸酯农药的纳米炭黑丝网印刷传感器，检出限低于8.0h10－8 mol/L。研发了一种基于昆虫乙酰胆碱酯酶的生物传感器，并将其用于小麦样品中亚胺硫磷的检测，加标回收率高达99%。
生物传感器便捷易携、结果准确度较高、实时快速的特点适合粮油原料农药残留现场检测，现阶段的研究已向多残留方向发展，但适用农药种类常见且单一，稳定性、灵敏度等也会受到敏感成分性质不稳定性的影响，因此实际应用受限。
4） 表面增强拉曼光谱法
SERS是在普通拉曼光谱法基础上发展起来的一种检测技术。SERS检测农药的基本原理是基于不同结构农药的特征位移位置代表不同的化学键，此化学键体现了农药分子的结构特征，因此可以根据拉曼光谱确定农药的种类。
由于SERS难以对混合组分中的目标成分进行准确定量，因此在实际应用中仍存在很多难以克服的困难。演技发现，通过将3D金纳米粒子转移到聚二甲基硅氧烷默膜上，制备了具有多个“热点”的等离子体基底材料，用于农药残留的SERS检测，大大增强了SERS信号和检测灵敏度；将SERS与化学计量学方法下相结合，建立了油菜中噻菌灵的快速检测方法，该法检测限可达0.1 mg/L，加标回收率为95.71%～118.92%。SERS技术可同时检测小麦样品中吡虫啉等3 种杀虫剂的残留。基于SERS技术结合化学计量学方法对大米中多菌灵、毒死蜱、禾草丹3 种农药进行定性分析，其结果与高效液相色谱结果相差不大。
尽管SERS检测方法尚未标准化，但随着技术的优化，将纳米技术和化学计量学方法与SERS结合，检测灵敏度可得到大幅度提升。由于SERS技术不是分离技术，因此在现场应用时要选择合适的前处理方式方可得到令人满意结果，未来可将SERS技术与其他技术（如微流体技术、核磁共振光谱法）结合来提高其表征能力、检测能力。
5）农药残留快速检测产品
为了加强对原粮收储现场的验收管理，根据不同技术原理制备各种类型的快速检测产品（试纸条、速测卡、商品化试剂盒等）是近几年快检发展的趋势。研制了一种基于SERS原理的横向流动分析试纸条，可同时进行吡虫啉、百菌清、氟草醚3 种农药的超敏分析，以水稻为基质进行加标回收试验，各农药的回收率为71.5%～100.6%，准确性和精密度符合我国农业标准NY/T 788-2018《农作物中农药残留试验准则》的要求。
快检产品的现场适用性极强，但不同厂家的产品质量参差不齐，国内外为加强对快检产品的管理制定了不同的评价标准。2011年国家质量监督检验检疫总局发布了SN/T 2775-2011《商品化食品检测试剂盒评价方法》，随后国家市场监督管理总局于2017年发布了《食品快速检测方法评价技术规范》（食药监办科〔2017〕43号），评价标准的实施极大程度上规范了快检产品的生产应用，在使用产品前按照相应的评价标准进行质量分析，用符合要求的产品进行检测方可保证结果的可靠性。
实验室快速检测
前面介绍的几种快检技术虽然已在原有的基础上得到了一定的完善和优化，但都存在只能选择性地检测一种或几种农药的缺陷，难以实现大批量实际样品中未知多农药残留的定性定量分析。针对粮油原料中多农药检测，我国已制定了23 项基于色谱、质谱法的国家标准，这些方法不仅需要借助昂贵精密的仪器，还存在实际应用时由于分辨率较低及部分假阳性率影响数据可靠性等问题，因此不少研究者从优化仪器条件等角度出发，研发出了快速、非靶向且高通量的高分辨质谱与色谱相结合技术，已成功应用于粮食及果蔬的多农药残留检测中。
高分辨率质谱技术在实现高灵敏定量的基础上，还可以仅进行一次样品处理就筛选出几十至几百种农药，在实际样品多农药残留检测方面具有非常显著的优势。但是现有的研究针对粮食原料农药高通量检测较少，仪器不易携带且商品化质谱数据库相对缺乏，因此未来可考虑优化仪器体型、优化数据处理方式，以实现原粮收购现场的农药污染筛查。
结 语
本文通过综述近几年我国粮油原料中农药使用与残留现状发现，除草剂、杀虫剂、杀菌剂一直是我国粮油生产过程中使用频率最高的农药种类。除草剂草甘膦、莠去津、精喹禾灵，杀虫剂毒死蜱、吡虫啉、啶虫脒等，杀菌剂多菌灵、百菌清等尽管多数为低毒农药，但是由于使用量大或频次高，对粮油原料的质量安全造成极大威胁。为降低粮油种植过程中化学农药带来的危害，未来可从以下两方面展开研究：1）增加环境友好型农药的使用率，可施用高效低毒的化学农药或危害更低的生物农药，同时也应考虑生物农药使用时可能产生的致病因素；2）降低农药用量，完善农药与增效剂协同使用技术，坚持走绿色防治的发展道路。此外，针对目前相对严峻的粮油原料农药污染现状，在粮油原料进入市场前实施农药残留快速检测，不仅可以保障粮食安全，还可以显著提高现场收购效率。
随着国家对粮食安全重视程度的加强，越来越多的快检技术应用于粮油原料农药残留现场初筛和实验室精确定量，现有的基于酶抑制法、免疫分析法、生物传感器法及SERS的现场快检技术（产品）或基于非靶向、高分辨质谱的实验室快检技术已渐渐应用于稻谷、小麦、玉米等各种粮油原料的农药残留分析中。现场快检技术（产品）短时高效、现场适用性极强，但也存在着一些问题，如难以对多种未知农药进行精准定性、难以同时进行及时甚至几百种农药的筛选、检测结果可靠度与参比方法相比相对较低，易出现假阳性或假阴性结果，因此在粮油原料收购现场使用快检技术进行检测前应充分考虑各个快检方法或产品的质量，根据《市场监管总局关于规范食品快速检测使用的意见》相关要求进行快检技术或产品的质量评估，用符合评价标准如DB4403/T 96-2020《食品快速检测产品评价技术规范》中假阳性率、假阴性率等要求的产品进行初筛，对于初筛结果为阳性的样品再结合仪器法验证以最终确定其含量。实验室快检技术能通过一次前处理就实现多种未知农药的定性和定量分析，可提高粮食质量安全审查的准确度和效率，但由于该法需借助不易携带的精密仪器，适用场地受到限制。针对现场快速检测，未来可将研究重点集中于不同类型多农药残留同时分析、并通过与其他技术结合增强检测准确度和灵敏度；针对实验室快检，可朝着优化仪器体型、优化样品前处理方式等方向发展，使粮油原料农药残留检测效能进一步得到提升。
本文《粮油原料中农药使用与残留现状及快速检测技术研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷09期287-296页.作者：王元清，李莎，周巧，覃池，李建龙，李琴，胡凯弟，刘书亮*. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220606-050. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
实习编辑：彭凯雄 ；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。
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