中药是指在中医理论指导下,用以防病、治病的天然药物及其简单的加工品。近年来,中药因其成分天然、疗效确切、毒副作用小、调理养生等优点受到了国内和国际市场的青睐,使我国中药产业迅速发展,中药材出口量日益增加。据世界卫生组织(WHO)统计,世界上80%的人口依赖中医药进行健康护理。另外,中医药在疫情防控方面同样也做出了重大贡献,2019年,新型冠状病毒肺炎暴发,并迅速蔓延至全球范围,疫情初期在没有疫苗和特效药的情况下,多种中成药和方剂被国家列入各类诊治计划,有效的阻断了疫情的发展,提高了治愈率。然而,随着中药需求的增加,中药的安全性和质量问题越来越受到人们的关注。为了满足日益增长的市场需要和提高中药材的产量,种植户在中药材生产过程中经常盲目滥用农药。然而,过量使用农药会带来严重的农药残留问题,造成中药材污染,这严重影响了中药产业的健康发展。
我国是中药材生产大国,然而我国中药产品的总出口额却仅占世界药品销售量的1%左右,其中一个重要的原因就是农药残留问题。目前,在中药材中残留的农药主要有有机磷类、有机氯类、拟除虫菊酯类,氨基甲酸酯类等。喷洒农药后,大约80%会进入环境中,进而在水、土壤等环境介质中传播,并随着食物链的传递在生物体内累积,从而使整个生态系统的结构和功能遭到破坏,另外,大多数农药还具有难降解,毒性高,易蓄积,易污染等特点。因此,为保证中药材用药的安全性,必须加强对农药残留量检测的力度,提出合适的分析方法来监测和量化中药材中的农药,并且制定合理的脱除技术,提高中药材在实际应用过程中的安全性。本文综述了近年来中药材中常见的农药残留的特点、危害及其检测方法和脱除技术,并对其检测和脱除技术的发展进行展望,这在保证中药材质量安全、促进中药产业国际化发展方面有着重要的意义。
1 中药材中常见的农药残留种类
中药材中的农药残留主要有3个方面的来源：中药材生产过程中施用农药防治病虫害；中药材贮藏过程中使用药物防治病虫害；环境农药污染造成中药材农药残留。其中在中药材生产过程中使用农药是导致中药材中农药残留的主要原因。中药材中常见的农药残留有有机磷类、有机氯类、拟除菊虫酯类、氨基甲酸酯类等,其中有机磷农药使用量占全部农药用量的60%～70%。
1.1 有机氯类农药
有机氯类农药(OCPs)是1类高效、广谱性的杀虫剂,曾是使用量最大、历史最长的1类农药,常见的主要有六氯环己烷(BHC)、双对氯苯基三氯乙烷(DDT)、五氯硝基苯(PCNB),六氯苯、氯丹和硫丹等。有机氯农药在二十世纪六七十年代曾被广泛使用,但由于其具有类雌激素和 ″三致″(致癌、致畸、致诱变)作用,并且容易通过植物吸收和食物链传递到人体中并大量堆积于肝、肾、脾等组织中,可致急性或慢性中毒,对人体健康造成严重的危害。我国已于1983年停止了该类药剂的生产,并于1984年全面停止使用。但因理其化性质稳定,易残留、不易分解、半衰期长,能长期在水域、土壤和生物体内贮存,再加上植物对其的富集作用,该类农药仍可在各类环境土壤中检出,且时常出现高残留点位。在芍药、延胡索、西洋参、人参、金银花、当归、三七等中药材中经常检出这类农药残留。
1.2 有机磷类农药
有机磷农药(OPPs)属于广谱性杀虫剂,具有易分解,残留少的特点,是我国使用范围最广、用量最大的一类农药。目前已生产了20多个品种的有机磷农药推广应用,包括敌敌畏、甲拌磷、乐果和氧乐果等。在这些品种中,大多数具有高毒或中等毒性,少数为低毒。根据有机磷化合物作用机制,它们极易通过皮肤、肺和胃肠道吸收,进而结合乙酰胆碱酯酶(AChE),使其是去活性,导致乙酰胆碱(Ach)在神经元突触和神经肌接头处过量蓄积,引起神经功能紊乱。有机磷化合物抑制胆碱酯酶的速度,与其化学结构中的X基团有一定关系,该基团越容易离去则抑制作用越强。磷酸酯类如对氧磷、敌敌畏等,在体内能直接抑制胆碱酯酶；而硫代磷酸酯类如对硫磷、乐果等,必须在体内经过活化作用后才能抑制胆碱酯酶,故其对胆碱酯酶的抑制作用较慢,持续时间相对较长。有机磷农药大部分是通过人工喷洒的方式进入中药材,因此花类、叶类和全草类的中药材更易检测出该类农药。有机磷类农药超标较为严重的药材主要是三七、莪术、太子参、人参、黄连、菊花、白芷等,其中超标量最大的农药是甲胺磷。
1.3 拟除虫菊酯类农药
拟除虫菊酯类农药是一类结构或生物活性类似天然除虫菊酯的仿生性药物,属高效杀虫剂,具有杀虫广谱、残留低、较易降解、低毒农药、性质稳定、不易光解、安全系数高、使用浓度低、触杀作用强、药效快、残效期长、对环境友好、安全性系数高等优点,曾被称为杀虫剂研发的新突破。常见的拟除虫菊酯类农药有氯氰菊酯、氰戊菊酯、甲氰菊酯和氯氟氰菊酯等。拟除菊虫酯类农药已成为有机氯类农药的替代品并广泛应用于中药材的生产、运输和贮存等过程。其可通过消化系统、呼吸系统或皮肤吸收等途径进入人体,干扰神经传导过程,具有神经毒性并且属于拟雌性激素物质,易导致生物体内分泌紊乱而具有生殖内分泌毒性。目前,在中药材中这类农药超标较为严重的是菊花、金银花、枸杞等。
1.4 氨基甲酸酯类农药
氨基甲酸酯类农药是人类针对有机氯和有机磷农药的缺点而开发出的一种新型广谱杀虫、杀螨、除草剂,具有选择性强、高效、广谱、对人畜低毒、易分解和残毒少的特点,在农业、林业和牧业等方面得到了广泛的应用。氨基甲酸酯类农药已有1000多种,其使用量已超过有机磷农药,销售额仅次于拟除虫菊酯类农药位居第二。其中,速灭威、西维因、涕灭威、克百威、叶蝉散和抗蚜威等使用量较大。
1.5 其他
除了上述几种农药外,还有其他类农药也常用于中药材的害虫防治,如烟碱类,有机氮类农药。新烟碱类杀虫剂是人工合成烟碱的衍生物,对害虫具有较强的杀灭作用。通过影响昆虫中枢神经系统的突触,阻止神经细胞间的传递而起效。有机氮农药是一类新的化学农药,此类农药具有对害虫毒力的选择性强、杀虫效果好,对人、畜毒性低,无积累中毒,残留毒性低等优点,是当前较为理想的一类有机农药。
2 中药材农药残留检测研究进展
目前农药残留检测方法种类繁多,常规方法包括薄层色谱、气相色谱、液相色谱、核磁共振波谱、色质联用等。这些方法具有应用范围广、准确性高、检测限低、灵敏度高等优点,但同时也具有一定的局限性,如仪器昂贵、耗时长、操作复杂、定性能力差。另外,快速检测法则包括酶抑制法、免疫分析法、光化学法等,具有高效、快速、仪器成本低等优点,但同时检测精度低,抗干扰能力差。
2.1 常规方法
2.1.1 气相色谱(GC)
气相色谱是中药材中农药残留检测的主要方法之一,可用于如有机氯、有机磷、拟除虫菊酯等相对分子质量较小、易气化、热稳定的农药残留分析,气相色谱法具有高选择性、高分离效能、高灵敏度、快速等优点,目前用于农药残留检测的检测器主要有电子捕获检测器(ECD)、微池电子捕获检测器( u-ECD)、火焰光度检测器( FPD)、脉冲火焰光度检测器( P-FPD)、氮磷检测器(NPD)等。王元鸿等采用高分离效能的毛细管气相色谱检测了六氯环己烷(六六六)、滴滴涕(双对氯苯基三氯乙烷)、六氯苯、五氯硝基苯、环氧七氯等有机氯农药残留量,结果表明样品中和对照品中待测组分的保留时间保持一致,各组分检测峰的分离效果令人满意。
2.1.2 高效液相色谱(HPLC)
高效液相色谱在农药残留分析的应用越来越广泛,适合于分离检测极性强、相对分子质量大及离子型农药,也可用于不易气化或受热易分解的农药的检测。现常用于氨基甲酸酯类化合物分析测定。近年来,随着新型高效固定相、高压泵和高灵敏度的检测器的出现,大大提高了检测效率、灵敏度、速度和操作自动化程度。目前用于农药残留检测最多是紫外吸收检测器(UV)、两极管阵列检测器(DAD)和荧光检测器(FLD)。与气相色谱相比较,高效液相色谱的灵敏度较气相色谱法低,且有流动相溶剂消耗量大、色谱柱难制备、检测器种类少、价格昂贵等特点。谭君等建立了人参中3种有机磷农药残留检测的HPLC方法,并对4种不同品种的人参进行检测,残留浓度较低,范围为0.137～1.178mg.kg-1。
2.1.3 超临界流体色谱
超临界流体色谱具有液相色谱、气相色谱没有的特点,可应用于分析高沸点、不挥发的物质,比液相色谱法的柱效高、分离效果好,具有提取时间短,有机溶剂容量少,提取条件可控等优点。
2.1.4 气相或液相与质谱联用
相或液相与质谱联用技术既具备了色谱的高分离效能优点,而且具备了质谱准确鉴定化合物结构的特点,可同时达到定性、定量的检测目的,特别适合于农药代谢物、降解物的检测和多残留检测等,不过此法需要贵重仪器且操作繁杂困难,不适合于经常性的检测。一般可用来做最后的确认工作。
2.1.5 液相色谱与质谱联用
液相色谱与质谱联用技术主要用于分析热稳定性差,分子量大的物质,在农残检测中具有结果准确、高灵敏度、选择性好、可同时进行定性定量分析等特点。吴永江等人使用高效液相色谱-质谱联用技术检测了铁皮石斛、西洋参等中药材的农药残留量,其结果准确、方法灵敏,能满足铁皮石斛、西洋参中农残检测的要求。
2.1.6 薄层色谱(TLC)
薄层色谱在农药残留量测定技术中是1种重要的检测方法,其无需特殊设备,简便易行,可同时分析多个样品,多用于复杂混合体系的分离与筛选。吴桂江等对市售鲜桔皮中药材氯氰菊酯残留量进行薄层实验,均说明农药残留量不同程度的存在于鲜桔及各种中药材的花、茎、叶、果、根中,近期与远期效果均对人体健康不利。
2.1.7 毛细管电泳(CE)
该方法是利用毛细管及高电压(15~30kW)分离各种农药残留物,非常适合于一些难于用传统色谱法分离的离子化样品的分离和分析,具有分离效率高,样品需要量少,对样品的预处理要求简单应用范围广等优点,毛细管电泳法比HPLC有高10~1000倍的分析能力,而且所需药缓冲液不危害环境,在短时间内(30min)就可以完成定性及定量分析。但由于毛细管的内径通常只有100μｍ左右,采用光谱检测方法时检测光程较短,使得毛细管电泳的检测灵敏度不如常规的分析方法,在实际应用中受到限制,后来各种分离模式相继建立高性能的仪器不断涌现,对于无电荷的分子,开发了胶束电动色谱法(MECC),拓宽了CE的应用范围。阙未旺采用胶束毛细管电泳法测定有机磷农药,分离检测效果良好。
2.2 快速检测法
2.2.1 酶抑制法
酶抑制法是研究最成熟、应用最广泛的快速农残检测技术,主要根据有机磷和氨基甲酸酯类农药对乙酰胆碱酶的特异性抑制反应。酶抑制率法由于具有快速、灵敏、操作简便、成本低廉等特点,被列为国家推荐标准方法(GB-T5009.199-2003),已成为有机磷和氨基甲酸酯类农药残留进行现场快速定性初筛检测的主流技术之一,得到了越来越广泛的应用。
2.2.2 免疫分析法
免疫学检测方法是根据免疫学理论设计的一系列测定抗原、抗体、免疫细胞及其分泌的细胞因子的实验方法。此法具有操作简单、反应灵敏的特点,且发展较快,在农药残留检测、药物残留检测等方面发挥着重要作用,最为常用的是酶联免疫法(ELISA),主要有放射免疫分析和酶免疫分析, 基于抗原和抗体的特异性识别和结合反应,对于小分子量农药需要制备人工抗原,才能进行免疫分析。殷玉应用菊酯类农药广谱性单克隆抗体,同时检测枸杞中所有具有间苯氧基苯甲酸结构的拟除虫菊酯类农药,奠定了ELISA快速检测此类农药残留的基础。
2.2.3 化学法-速测灵法
化学速测法主要根据氧化还原反应,水解产物与检测液作用变色,用于有机磷农药的快速检测,但是灵敏度低,使用局限性,且易受还原性物质干扰。
3 中药材农药残留脱除技术
为了控制中药材中的农药残留量,保障用药安全,可采用一定技术对中药材中的农药残留进行脱除。目前应用较多的有水洗法、炮制法、氧化和水解法、光化学法、超临界流体萃取法。而中药材农残分析的前处理过程是进行农残分析检测的重要环节,一般包括提取和净化过程。传统的提取方法有浸渍法、索氏提取法、匀浆捣碎法超声提取法、振荡法、微波辅助提取法和消解法等。常见的净化法有液液分配法、吸附色谱法、固相萃取法、凝胶渗透色谱法、磺化法、凝结剂沉淀法、薄层色谱法、冷冻法、氢氧化钾净化法等。部分中药材的农药残留脱除方法以及提取和净化方法见表3。
3.1 水洗法
水洗法是一种传统的脱除方法,在实际应用过程中主要是借助清水和蒸汽作为清洗剂,对中药材中的农药残留进行清洗。但是,这种方法在具体应用中有一定的局限性,主要适用于水溶性农药或是附着在中药材表面的农药。而对脂溶性农药的脱除效果不佳。而大多数农药都属于脂溶性,且穿透力强,容易进入植物内部,所以此法可能效果不佳。毛翼等研究了柴胡、厚朴、丹参水处理前后有机氯农药残留,实验依照《全国中药炮制规范》水处理工艺进行,结果证明中药材中农药残留有一定的脱除效果。
3.2 炮制法
炮制法是在不破坏中药材主要成分的基础上,应用一定的设备,对中药材进行加热,使中药材中残留农药分解或降解,进而完成中药材中不同农药残留的脱除。相关研究表明,炮制法对中药材中的农药残留脱除效果可以达到50%。
3.3 氧化和水解法
氧化法和水解法都是效果比较好的农药残留脱除方法,其中,氧化法是基于不同类型的氧化剂与农药反应,进而生成无毒或毒性较低的产物,脱除中药材中常见的农药残留的氧化剂有臭氧那,过氧化氢等。而水解法则是基于中药材中的农药发生水解,进而生成无毒或毒性较小的产物,达到脱除农药或完全脱除农药的目的。例如,在酸、碱性的环境下,利用双氧水将苦参中的有机磷和拟除虫菊酯类农药进行处理,具体处理过程中具有不错的降解效果,尤其是在碱性环境下,处理效果十分明显,并且对于农药的降解率与双氧水浓度和处理的具体时长成正比关系。
3.4 光化学法
光化学方法是一种利用光能量激活反应物质而发生化学反应的方法。即中药材中的农药残留物借助紫外光或自然光在特定环境下发生化学反应,进而脱除中药材中的农药残留物。此外光化学方法对中药材的影响不大,且紫外光和自然光在具体应用中都较易获得,不仅成本低,而且污染小。相比较于其他方法,光化学方法具有较多优势,在实际应用中有着广泛的前景。例如,通过对催化剂和光化学法联用,利用光敏剂锈蚀后的纳米二氧化钛,采用日光灯完成相应的照射,最终达到降解中药材中残留农药的作用。
3.5 超临界流体萃取法
超临界流体萃取法是一种新型萃取分离技术。它利用超临界流体,即处于温度高于临界温度、压力高于临界压力的热力学状态的流体作为萃取剂。从液体或固体中萃取出特定成分,以达到对中药材的萃取与分离目的。此法分离效果好,成本较低,污染较小。相关研究结果表明,使用超临界流体萃取法对中药材中农药残留物的脱除率可以达到95.1%,是1种脱除效果较好的技术。李欢欣等利用超临界CO2流体萃取法脱除黄芪中残留的有机氯农药,残留农药的脱除率达到87.6%。
4 结论及展望
我国是中药材生产大国,也是中药材的主要消费市场。残留在中药材中的农药不仅严重影响我国消费者的生命健康,同时也制约了中药材国际化、现代化的发展。目前常见的中药材中农药残留检测技术如气相色谱法、液相色谱法等方法大多具有仪器昂贵、专业性强、耗时长等缺点,同时在实际应用中易受中药材品种和农药种类的影响,具有一定的局限性。为满足市场上对农药残留检测灵敏快速的检测需求,一些快检技术如酶抑制法被开发出来,但中药材基质复杂,化学成分繁多,其检测结果易受中药材中复杂基质的影响而出现假阴性或假阳性,目前基于纳米材料构建的多种传感器已用于蔬菜和水果中的农药残留检测,合成的量子点、碳点等多种纳米材料能够有效去除基质干扰,这为中药材中农药残留检测技术的发展提供了新思路。农药脱除技术是有效去除中药材中农药残留的方法之一,常见方法如水洗能够去掉大部分残留在中药材表面的农药残留,但目前市面上常用的农药大多数为内吸性农药,导致残留在中药材体内的农药难以通过水洗等方法简单去除。为有效控制中药材中内吸性农药残留,首先应当规范农药使用,设立安全间隔期,通过农药自然降解来降低其残留量,并提倡绿色中药材的种植,同时优化中药材中农药的提取和去除方法,在中药材炮制加工过程中进一步去除残留农药,最后建立多种快速、高效、灵敏的农药残留检测技术,严把中药材产品的质量关,促进中药材现代化和国际化,进一步推进中药材产业的健康发展。