湖南农业科学2010,(3):71~73,76 乙酰胆碱酯酶法在农药残留检测中的应用及质量控制 李卫霞 (重庆三峡学院生物系,重庆万州404000) 摘要:对乙酰胆碱酯酶法的基本原理、类型及其在农药残留检测中的应用进行了概述,并对农药残留检测质量控制过程中存 在的问题作了重点讨论。 关键词:乙酰胆碱酯酶;农药残留;质量控制 中图分类号:¥481.8 文献标识码:A 文章编号:1006—060X(2010)03—0071—03 随着工农业生产的迅速发展,环境污染问题日 2乙酰胆碱酯酶法分类 益显著,人们对于食品安全问题也日益关注。我国 是农药使用的大国,农药残留的现象普遍存在,然 酶抑制法依据其特异性抑制昆虫中枢和周围 而现有的一些检测方法已无法满足高灵敏度的要 神经系统中乙酰胆碱酯酶的活性,破坏神经的正 求,因此建立一种快速灵敏的农药残留检测方法具 常传导,使昆虫中毒致死的毒理学原理,将乙酰胆 有十分重要的意义。酶法操作简单,速度快,不需要 碱酯酶与样品反应,根据乙酰胆碱酯酶活性受抑 昂贵仪器,适应于现场监测和对大规模食品的筛选 制程度,检测样品中有机磷和氨基甲酸酯类农药含 检测,被广泛用于野外农药残留快速检验。可用于 量。乙酰胆碱酯酶对有机磷农药较敏感,测定的灵 农药残留检测的酶有羧酸酯酶、丁酰胆碱酯酶及乙 敏度高,选择性强。在实际应用中主要包括速测卡、 酰胆碱酯酶,前两种酶受干扰因素多,假阳性率高, 速测仪、生物传感器三种类型。 专一性低[1-2]。乙酰胆碱酯酶(acetvlch0linesterase, 2.1速测卡 AChE)由于具有较好敏感性及较高的活性,在有机 速测卡即酶抑制试纸法,将从敏感生物体内提 磷和氨基甲酸酯类农药检测中应用广泛。 取的乙酰胆碱酯酶和乙酞胆碱类似物2,6一二氧靛 酚乙酸醋分别固定到滤纸上。如果样品中不含有有 1乙酰胆碱酯酶法原理 机磷或氨基甲酸醋类农药,则靛酚乙酸醋在酶的 乙酰胆碱酯酶是生物神经传导中的一种关键 催化下生成蓝色靛酚。当样品中含有有机磷或氨基 性酶,能够高效水解神经递质乙酰胆碱,保证神经 甲酸醋类农药,乙酞胆碱醋酶则与其结合,失去了 冲动在突触问的正常传导,它的活性受到有机磷或 催化靛酚乙酸醋的能力。该方法简单实用,即通过 氨基甲酸酯类农药的特异性抑制,故而成为监控有 肉眼观察卡片的颜色确定农残是否超标。这种方法 机磷农药的靶酶[31。乙酰胆碱酯酶催化的反应如下: 的检出限为0.3—10.0 mg/kg[51。 HO(CH3)3NCH2CH2OOCCH3(乙酰胆碱)+ 2.2速测仪 H20一H0(CH3)3NCH2CH20H(胆碱)+CH3COOH 速测仪即酶抑制分光光度法,是将分光光度计 利用这一特性,用滤纸片或电极作为载体,将 进行改装和简化,配上检测试剂(多是将底物、酶、 乙酰胆碱酯酶吸附在上面,加入显色剂,如果酶的 显色剂制成三种不同颜色的药片),测定方法与常 活性没有被抑制,则生成的产物可以使显色剂显 规酶活力测定方法相同,以酶活性抑制率为指标判 色,如果被测样品中含有农药残留则酶活性被抑制 定是否农残超标。该方法具有较高的可靠性和灵敏 不能生成水解产物,显色剂不显色。根据颜色的变 性,且操作简单,测定速度快,是目前常用的方法, 化或测定酶与某种特定化合物反应的物理化学信 很适合于水中和市售新鲜蔬菜的农残快速检测,检 号的变化,可判断是否存在有机磷及氨基甲酸酯类 测限在0.029~10.0 mg/Lt ̄。 农药嗍。 2-3 生物传感器 生物传感器是根据生物敏感部件与特定分析 物之间的反应产生的一些物理化学信号的变化,将 收稿日期:2010—01—11 其转化后记录下来。检测灵敏度和准确度有了很大 基金项目:重庆三峡学院青年资助项目(2008一sxxyrc—OlO) 作者简介: ̄(1976一),女,河北行唐县人,讲师,硕士,主 的改善,自动化程度和现场检测能力等方面有了较 要从事蛋白质免疫学研究。 高的提高,检测限可达20 ppbt ̄。包括电流型生物传 72 湖南农业科学 第3期 感器和电位型生物传感器,前者的工作原理:底物 氯化乙酞硫代胆碱在胆碱醋酶的催化作用下可以 水解为乙酸和琉基胆碱,当胆碱醋酶被农药抑制 时,氧化电流的大小能准确地反应酶被抑制的程 度,从而检测出农药残留的浓度[7/。而电位型传感器 则中电位性传感器是将酶反应产生的pH值变化 由传感器测出,从而间接测定有机磷农药残留量嘲。 与乙酰胆碱酯酶形成超分子复合物,产生了特征荧 光峰。而有机磷农药可破坏此复合物使硫代黄素T 的特征荧光峰被猝灭,猝灭强度与对氧磷浓度存在 线性关系。若利用此原理制备出检测AChE抑制剂 的荧光光纤生物传感器,拥有检测迅速、灵敏度高、 线性范围较宽、不需要消耗酶底物和抗干扰能力强 等特点,具有较好的应用前景。 3 乙酰胆碱酯酶法在农残检测中的应用 由于有机磷、氨基甲酸酯类农药使用不当或误 食这两类农药残留量超标的蔬菜而引起的中毒现 象一直十分严重。使用酶抑制法检测农药残留量从 20世纪5O年代开始陆续有报道。酶抑制分析法与 其它分析方法相比,最大的特点就是它的特异性, 分析速度也比较快。 利用酶抑制法比色原理生产的各种速测卡、速 测仪正逐步进入果蔬生产基地、农贸市场、超市及 监督部门,成为我国农药残留快速测定的主流技 术。赵建庄嘲用自行研制的便携式农药残留速测仪, 对果蔬中农药残留毒性进行快速检测,可以直接显 示有机磷和氨基甲酸酯类农药对乙酰胆碱酯酶的 抑制率,确定农药残留毒性水平。2007年李昕等应 用家蝇头部提出的乙酰胆碱酯酶检测果蔬上10种 有机磷和氨基甲酸酯农药,检测灵敏度0.001~0.1 mg/kg范围。与目前国内外使用的同类检测方法相 比,如各种速测仪、酶纸片法检测灵敏度一般在 0.1~10.0 mg/kg范围,检测灵敏度有显著提高{91。 乙酰胆碱酯酶法除用于食品及果蔬中农药残留 的检测,还可用于检测水体污染状况。宋燕华等[】明j 乙酰胆碱酯酶为生物标志物进行钱塘江水环境野 生鲫鱼有机磷农药暴露的研究发现,部分地区野生 鲫鱼血乙酰胆碱酯酶活性受到抑制,说明水环境中 水环境中存在机磷农药的污染。此外,中药材中有 机磷和氨基甲酸酯农药残留的测定方法主要有气 相色谱法,气相色谱一质谱法等,这些检测方法需对 样品进行分离、提取、衍生化等预处理,耗时,且不 适用于现场快速检测。2009年陈安珍等…】用胆碱酯 酶法对中药材中的有机磷和氨基甲酸酯进行检测, 最低检出浓度为0.1 la,g/mL。 ・ 生物传感器是目前农药残留分析技术的研究 热点。2003年魏福祥 2】将活化好的纤维素膜浸 入到乙酰胆碱酯酶、戊二醛、牛血清白蛋白的混合 液中,采用共价交联法制备出酶片,制备出安培型 生物传感器。2008年柳娜等_l3研究发现硫代黄素T 4质量控制因素 影响酶抑制法检测效果的因素很多,与酶源、 有机磷农药类型检测系统等均有关系,从而造成检 出限相差较大。源白不同物种或取自一个生物体的 不同组织的一种酶,其活性测定的最适条件经常会 变化,影响条件通常包括最适pH值、酶促反应时 问及温度及抑制剂等方面【 。 4.1酶源 酶抑制法常用的酶源有:植物酶、牛、猪等家畜 的肝脏酯酶、人血浆或血清、马血清、蝇或蜜蜂头部 的脑酯酶、兔或鼠的羧酸酯酶等[I5I。但不同种类、不 同来源的酶源对检测灵敏度具有较大的影响。1996 年余孝颖等[ 61研究发现,家蝇头部乙酰胆碱酯酶对 有机磷和氨基甲酸酯类农药的敏感度要优于其他 来源的胆碱酯酶。从昆虫组织中提取的乙酰胆碱酯 酶粗酶液中除了含乙酰胆碱酯酶外,还有其他多种 酶类的存在,会显著影响到酶的特性,其中一些酶 是解毒酶,能够催化水解农药,也有些酯酶能够作 为乙酰胆碱酯酶的替代靶标,起到保护乙酰胆碱酯 酶的作用。实验中如果用分离纯化后的酶液作为乙 酰胆碱酯酶源来测定酶的动力学特性和抗抑制性, 则能避免这些问题旧。 此外在淡水鱼及海洋鱼类中也可以提取胆碱 酯酶,淡水鱼中首鱼科中的大黄鱼、小黄鱼、黄姑 鱼、白姑鱼肌肉中的胆碱酯酶对有机磷化合物相当 灵敏,除小黄鱼酶液比活较低外,其余3种鱼的酶 溶液比活基本相同 。2008年邱朝坤等 1研究发现 鲫鱼不同组织中乙酰胆碱酯酶活性存在很大差异, 鱼脑酶活为35,242 p,mol/min・g,肝脏酶活为4.826  ̄mol/min・g,肌肉酶活为26.018/a,mol/min・g。 4.2酶的固定化 乙酰胆碱酯酶的固定化技术在酶抑制显色法、 检测农药残留及生物传感技术的开发中受到广泛 的关注『191。目前应用较为广泛的固定化技术主要有 吸附法、交联法、电聚合法等[20-2 1。2007年王烨等【22】 研究发现,以壳聚糖为载体,吸附一交联法制备乙 第3期 李卫霞:乙酰胆碱酯酶法在农药残留检测中的应用及质量控制 酰胆碱酯酶膜,经检测固定化酶Km较游离酶的 5发展前景 利用有机磷和氨基甲酸酯类农药特异性抑制 Km降低,最适pH值升高。乙酰胆碱酯酶在固定化 后稳定性得到了较大的提高,这是由于固定化增 加了酶构象的牢固程度、挡住了不利因素对酶的侵 袭或了酶分子间的相互作用,使得酶的稳定 乙酰胆碱酯酶活性的毒理学原理,研制农产品、食 品农药残留速测卡,检测目标强,灵敏度较高,仪器 简单,时间短,前处理容易,尤其适于农产品生产基 地、配送中心和蔬菜批发等部门现场速测,是目前 实现快速检测最为稳定可行的技术选择 -25],目前 性有了显著的提高,酶膜的实际应用性能较游离 酶有了较大的改善。 4.3酶促反应温度、时间、pH值 酶促反应过程中保温时间、温度、pH对酶活都 有极其显著影响,邱朝坤等I 。I通过对鲫鱼乙酰胆碱 酯酶研究发现保温温度、保温时间和pH值三个因 素对酶活影响都达到了极其显著的水平,三个因素 对酶活的影响次序依次为:时间>pH值>温度。鱼脑 酶活测定的最佳条件为保温时间35 rain,保温温度 32℃,pH 7.6。肝脏酶活测定的最佳条件为保温时间 28 arin,保温温度30℃,pH 7.6。肌肉酶活测定的最 佳条件为保温时间31 rain,保温温度3I ̄C,pH 7.6。 2008年彭霞等【l7I研究发现,家蚕头部乙酰胆碱酯酶 在pH 7.2~8.0范围内保持较高的酶活力,最适pH 为7.5,最适反应温度为37cI=。酶的活性直接影响到 用酶抑制法检测有机磷农药的可靠性和灵敏度。因 而研究酶活测定时的影响因素(包括最适pH值、 酶促反应时间及温度)从而保证酶活稳定性及灵敏 度就尤为重要。 4.4抑制剂 生态毒理学的研究表明,有机磷农药的浓度与 乙酰胆碱酯酶活性的受抑制程度之间存在着良好 的线性关系 1,因而酶的活性直接影响到用酶抑制 法检测有机磷农药的可靠性和灵敏度。 有机磷、氨基甲酸酯类农药对乙酰胆碱酯酶有 强烈的抑制作用,主要是它们能够与乙酰胆碱酯酶 的活性部位快速不可逆地结合,使酶失活,从而引 起中毒,起到杀虫的作用 。 大多数有机磷农药的纯品对乙酰胆碱酯酶的 抑制能力很弱,它们必须在生理条件下激活才具 有强的抑制能力。 有机磷农药对乙酰胆碱酯酶的抑 制具有选择性,主要是酶分子和抑制剂分子结构 的影响。大多数乙酰胆碱酯酶抑制剂6~10 mol/L抑 制5~50 min,就能抑制酶的大部分活性[221。影响抑 制效果的化学因素包括有机磷农药上取代基的亲 电性质、大基团效应、胆碱式结构、不对称效应。取 代基不同而导致的抑制能力的改变,其比较只能 在同系物问进行122]。 根据此方法原理所生产的多种规格果蔬农药残留 速测仪已取得一定的应用效果。 此方法可对含农药残毒的蔬菜进行粗筛,将一 部分含农药残毒的蔬菜控制在市场外,避免农药中 毒事故发生,让人们吃上相对放心的蔬菜,是一种 野外条件下食品检验的理想方法。但是此方法只能 检测有机磷和氨基甲酸酯类农药,不适用于其他农 药残毒的检测。生物传感器在测定方法多样化、提 高测量灵敏度、缩短反应时间、提高仪器自动化程 度和适应现场检测能力等方面都有很大进步。但也 存在一些问题:分析结果的稳定性、重现性和使用 寿命等方面。随着新技术、新材料的不断涌现,生物 传感器将向更加小型化、适用化方向发展。 参考文献: 【11] 董超,史延茂,张丽萍,等.采用植物酯酶测定农药残留的研 究 农药,2001,40(9):19—20. 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[1 1】陈安珍,田金改,杜庆鹏.中药材中有机磷和氨基甲酸酯农药 (下转第76页) 76 湖南农业科学 第3期 时,R 叫=0.949,R=0.9864>Rn ,表明茶树绿 鳞象甲在茶树内的聚集度与种群密度之间的指数 回归关系极显著。由于loga>O,b>1时,故茶树绿 鳞象甲种群为聚集分布,此时分布具有密度依赖 方法进行测定,结果表明茶园茶树绿鳞象甲空间分 布为聚集分布,分布具有密度依赖性,其聚集度随 着种群密度的升高而增加。该茶树绿鳞象甲分布的 基本成分仍是种群,但种群个体间相互排斥。茶树 性,其聚集度随着种群密度的升高而增加。 2.3 1wao的m*-m回归分析 结果表明,m 与m在茶树上回归直线方程为 绿鳞象甲的的聚集均数均大于2,说明茶树绿鳞象 甲聚集原因可能是其本身的聚集行为与环境因子 综合影响的结果,这可能与茶树绿鳞象甲喜食茶树 式(9) 的嫩叶及雌成虫产卵集中的习性有关。 =一1.73762+4.49524m(R=0.9539 (9) 查“r及R的显著表”可知,当df=6—2=4 参考文献: 时,R =0.949,R=0.9539>Rn们,表明茶树绿 【1】梁涛.我国生态复合茶园建设研究进展[J】_茶业通报,2005, 鳞象甲在茶树内平均拥挤度与平均密度之间的回 27(2):62—63. [2】 田永辉,梁远发,王国华,等.人工生态茶园生态效应研究[J1_茶 归关系极显著,而且回归方程中a<O,说明茶树绿 叶科学,2001,21(2):170—174. 鳞象甲分布的基本成分仍是种群,但种群个体间相 [3]姜含春,赵红鹰.绿色消费需求与无公害茶营销『J1.茶叶科学, 互排斥。/3>1,说明茶树绿鳞象甲为聚集分布。 2001.21(1):17—20. 2.4聚集分布的原因 [4】韩宝愈.茶园昆虫群落稳定性机制【J].茶叶科学,2000,20(1):1—4. 【5]杨普.皖南丘陵茶区主要害虫及天敌资源调查IJ].安徽农业 昆虫种群在空间的聚集原因,既可能是由于受 科学,2000,28(6):791—793. 某些环境因素的影响,也可能是由于物种本身行为 【6 丁岩钦.昆虫种群数学生态学原理与应用[6jMI.北京:科学出版 特性的聚集习性所致。应用Blaeith的种群聚集均 社,1980. 数入,检验茶树绿鳞象甲聚集的原因。由表1可知, [7]曾伟.分葱田甜菜夜蛾空间分布型及抽样技术初步研究fJ]. 样点1 ̄6的聚集均数均大于2,说明茶树绿鳞象甲 植保技术与推广,2003,(8):1 1—12. [8]马占山.昆虫种群空间格局研究方法的最近进展IJJ.昆虫知识, 聚集原因可能是其本身的聚集行为与环境因子综 1992,29(4):240-243. 合影响的结果。 [9]陈向阳,丁玉洲,李增智,等.松墨天牛及其天敌花绒坚甲种群的 3小结与讨论 三维空间分布格局[J].应用生态学报,2006,17(8):1547—1550. 运用聚集度指标法、1wao法和Taylor幂法则等 (责任编辑:李睿) (上接第73页) ometrle Pmbes for Cholin e and Choline EstersAssembled with 残留的快速检测方法fJ1.中国药事,2009,23(11):1063—1066. Nonconducting Electrosynthesized Polymers[JJ.Electroanalysis, 【12]魏福祥,韩菊,刘庆洲,等.胆碱酯酶生物传感器测定有机磷 2001,(13):236—242. 农药敌敌畏【JJ.河北科技大学学报,2003,24(4):92—95. 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