阮元，劉淼，王麗，常紀萍，秦蕾，張珂，壽紀剛，張朋展，文春南，麻兵繼*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院中心實驗室，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院中藥材系，河南 鄭州 450002）

實驗教學能夠把理論抽象的知識具體化，有助于學生對理論知識的深入理解，在一定程度上提高學生的綜合素質(zhì)水平和對專業(yè)學科的整體把握[1]，在培養(yǎng)學生動手能力、科研能力和創(chuàng)新能力方面都具有理論教學不可替代的作用。因此，改善實驗教學條件，與時俱進地豐富實驗教學內(nèi)容，提升實驗教學的內(nèi)涵是高校實驗教學改革應該長期堅持的重要原則。實驗教學改革的目的就是要建立既滿足大眾化教育，又適應學生個性化發(fā)展，有利于學生能力培養(yǎng)的多層次、開放式的實驗教學體系[2]。深化實驗教學體系改革，其核心是要針對實驗教學中存在的問題，加強實驗教學內(nèi)容、形式和體系的建設。

“農(nóng)產(chǎn)品中有機磷及氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留測定方法”是農(nóng)學專業(yè)核心課程《農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測技術(shù)》的一個重要的綜合性實驗[3]，占8 個實驗學時。有機磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥是當前我國使用量很大的兩類殺蟲劑[4]。農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥多種殘留分析方法囊括了多種農(nóng)藥的殘留檢測技術(shù)[5～8]，可以進行食品中多種組分及未知組分農(nóng)藥的殘留分析。該檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)糧食和蔬菜中敵敵畏等16 種有機磷以及速滅威等4 種氨基甲酸酯類農(nóng)藥的殘留分析，同時也適用于其他有機磷及氨基甲酸酯農(nóng)藥的殘量分析。實驗中需要用到有毒有機溶劑丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇和正己烷等，且使用量較大，具體涉及到3 個步驟。（1）溶劑準備：重蒸丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇、正己烷等有機溶劑備用；（2） 提取：稱取糧食樣品20 g 于三角瓶中，加入無水硫酸鈉5 g 和丙酮100 mL，振蕩提取30 min，過濾后取濾液50 mL 于分液漏斗中；（3） 凈化：向提取糧食樣品的分液漏斗中加入5%氯化鈉溶液50 mL，再依次用50、50、30 mL 二氯甲烷各提取1 次，合并二氯甲烷層，經(jīng)無水硫酸鈉過濾后回收溶劑濃縮近干，定容至1 mL[9]。目前在本科生實驗教學中，以上溶劑的重蒸和農(nóng)藥殘留的提取主要采用普通的加熱蒸餾裝置來處理。但該方法的主要問題是有毒有機溶劑在教學實驗中使用量過大且回收效率低、回收時間長，存在影響同學們身體健康、污染環(huán)境的安全隱患[10]，同時也增加了實驗費用。另外，

由于以上溶劑的蒸餾回收處理時間較長，導致該實驗耗時過長，實驗教學環(huán)節(jié)不夠緊湊。

針對上述問題，結(jié)合綠色環(huán)保理念和低溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)，對“農(nóng)產(chǎn)品中有機磷及氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留測定方法”實驗中的有機溶劑重蒸和回收方法進行了改進，期望在后續(xù)教學實驗工作中實現(xiàn)低溫、環(huán)保、高效的有毒有機溶劑重蒸和回收操作，改善教學條件，節(jié)約試劑，節(jié)省教學時間，打造綠色環(huán)保的實驗教學課堂環(huán)境。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗有機溶劑為丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇、正己烷，共5 種。

所用儀器設備有RE-52AA 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）、DLSB-5L/10 低溫冷卻液循環(huán)泵（鞏義市予華儀器有限責任公司） 和SHB-3 循環(huán)水式多用真空泵（鄭州杜甫儀器廠）。

1.2 試驗方法

“農(nóng)產(chǎn)品中有機磷及氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留測定方法”實驗中有3 個步驟需要用到有毒有機溶劑丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇和正己烷。本研究中，采用3 種方法對溶劑進行回收處理。以常規(guī)蒸餾法為對照，對減壓回收法改進前后的溶劑回收時間和回收率進行比較。

1.2.1 常規(guī)蒸餾法 該法采用目前本科生實驗所用的普通加熱蒸餾裝置，其中，熱源為酒精燈，溫度由水銀溫度計監(jiān)測，冷卻液為自來水。具體方法為：精密量取有機溶劑250 mL，試驗設5 個有機溶劑處理；用漏斗倒入蒸餾燒瓶內(nèi)并加入數(shù)粒沸石，裝好蒸餾頭與溫度計；認真檢查裝置后通水并緩慢升溫加熱，加熱即開始計時；待蒸餾瓶內(nèi)溶劑完全蒸干后結(jié)束計時，并精密計量回收溶劑的體積。每處理均設3 次重復。

1.2.2 減壓回收法 試驗在連接低溫冷卻液循環(huán)泵和循環(huán)水真空泵等設備的旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)儀中進行。具體方法為：精密量取有機溶劑250 mL 于旋蒸瓶中，試驗設5 個有機溶劑處理；放入已達設置溫度的旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)儀中，其中，旋蒸溫度為45 ℃，冷凝液溫度為4 ℃；打開真空泵，關(guān)閉蒸發(fā)儀氣閥即開始計時；待蒸餾瓶內(nèi)溶劑完全蒸干后結(jié)束計時，并精密計量回收溶劑的體積。每處理均設3 次重復。

1.2.3 改進減壓回收法 該法由減壓回收法改進而來。具體方法為：在真空泵與旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)儀之間加裝1 個氣密性良好的三通閥，當真空泵壓力表壓力顯示-0.1 MPa 時關(guān)閉此三通閥，即可阻斷蒸發(fā)儀與真空泵的聯(lián)系，同時仍能維持蒸發(fā)儀內(nèi)部的減壓環(huán)境；其他操作與1.2.2 相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同方法的溶劑回收時間比較

采用常規(guī)蒸餾法時，沸點最低的二氯甲烷回收時間為55.74 min，耗時最久的甲醇回收時間長達211.24 min，其他3 種溶劑的回收時間均在80 min 左右（表1）。溶劑回收時間長，在很大程度上延緩了實驗教學的進度。

采用減壓回收法時，無論是否關(guān)閉三通閥，5 種溶劑的回收時間均較常規(guī)蒸餾法顯著縮短，平均耗時僅為常規(guī)蒸餾法的10%左右。2 種減壓回收試驗中，關(guān)閉三通閥時參試溶劑的回收時間普遍長于不關(guān)三通閥，其中正己烷和乙酸乙酯的回收時間差異達到了顯著水平。關(guān)閉三通閥較不關(guān)閉三通閥處理的耗時普遍增加，原因是關(guān)閉三通閥處理后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀內(nèi)的壓強緩慢增加，會導致溶劑沸點逐漸提高，進而造成回收時間的增加。

綜上分析可以看出，與常規(guī)蒸餾法相比，減壓回收法能夠大幅度縮短溶劑的回收時間，提高實驗效率，確保教學任務的順利進行。

表1 不同溶劑的回收時間Table 1 Recovery time of different solvents （min）

2.2 不同方法的溶劑回收體積比較

溶劑回收率是影響試驗成本、決定是否符合綠色環(huán)保理念的關(guān)鍵因素，因此，可以將溶劑的回收體積作為一個重要的判斷指標。

與常規(guī)蒸餾法相比，采用關(guān)閉三通閥減壓回收法的溶劑回收體積除二氯甲烷表現(xiàn)出顯著降低外，其他溶劑均表現(xiàn)差異不顯著（表2）。但這2 種方法在溶劑回收時均有約3%的損失，屬于系統(tǒng)誤差，證明溶劑很難100%回收。然而，不關(guān)閉三通閥減壓回收法的回收體積與這2 種方法相比均顯著降低，溶劑平均損失率高達27.38%，尤其是丙酮和甲醇損失得更多。采用不關(guān)閉三通閥減壓回收法時，丙酮和甲醇的回收體積分別為129、150.67 mL，回收率均≤50%，主要原因是丙酮和甲醇的蒸汽易與水混溶，大量氣體被真空泵抽走，易造成溶劑浪費和環(huán)境污染。

表2 不同溶劑的回收體積Table 2 Recovery volume of different solvents （mL）

綜上分析可以看出，與常規(guī)蒸餾法和不關(guān)閉三通閥減壓回收法相比，關(guān)閉三通閥減壓回收法的溶劑回收率高，符合綠色環(huán)保的理念。

3 結(jié)論與討論

河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院實驗中心為河南省高等學校實驗教學示范中心，硬件條件較好，具有良好的實驗教學平臺，可以保障2～3 個本科生實驗室約200 m2的面積用于本課題的具體實施。“農(nóng)產(chǎn)品中有機磷及氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留測定方法”是農(nóng)學專業(yè)核心課程的一個重要綜合性實驗。實驗中需要用到有毒有機溶劑丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇、正己烷等，且使用量較大。目前本科生教學實驗時主要采用普通的加熱蒸餾裝置來重蒸和回收處理。常規(guī)蒸餾法的操作過程是將溶劑加熱到其沸點，再將蒸汽冷凝回收，是蒸發(fā)和冷凝2 種單元操作的聯(lián)合。教學中常使用500 mL 或1 000 mL 圓底燒瓶，試劑耗費量大[11]，操作時長，浪費自來水，且以酒精燈為熱源長時間蒸餾有機溶劑危險性高。該實驗方法耗時長，實驗教學環(huán)節(jié)不夠緊湊；且有機溶劑回收效率低，易對人類和環(huán)境造成安全隱患。

減壓回收法系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)儀熱源為水浴鍋，同時其氣密性較好，外接的真空泵可為蒸發(fā)儀內(nèi)部提供減壓環(huán)境以達到降低溶劑沸點的效果。另外，外接低溫冷卻液循環(huán)泵提高了冷凝效果，冷卻液溫度恒定可控。系統(tǒng)整體是蒸發(fā)、冷凝和減壓3 種單元操作的聯(lián)合。系統(tǒng)中的冷卻液和真空泵中的水均為循環(huán)利用，具有耗時短、效率高、適應性強、操作方便等優(yōu)點[12]；缺點是真空泵會抽走部分溶劑蒸氣造成溶劑浪費并可能污染空氣，若在真空泵與旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)儀之間加裝1 個氣密性良好的三通閥即可有效解決這一問題。結(jié)合綠色環(huán)保理念和低溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)，作者對該測定實驗中有機溶劑的重蒸和回收處理方法進行了改進。以常規(guī)蒸餾法為對照，采用減壓回收法進行溶劑回收試驗，并在此基礎(chǔ)上對減壓回收法進行了改進。結(jié)果表明，關(guān)閉三通閥的減壓回收法溶劑回收時間較普通蒸餾法平均節(jié)省約90%，極大地提高了實驗效率，不僅解決了溶劑回收時間長導致教學環(huán)節(jié)不夠緊湊的問題，還實現(xiàn)了在較低溫度下有機溶劑的重蒸和高回收率，在節(jié)約試劑的同時還保持了環(huán)境友好。

項目成員分別指導2016 級和2017 級農(nóng)標專業(yè)本科生完成了“農(nóng)產(chǎn)品中有機磷及氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留測定方法”的改進實驗，并根據(jù)實驗操作體會和經(jīng)驗編寫了實驗手冊。關(guān)閉三通閥的減壓回收法不僅明顯節(jié)省溶劑的回收時間，提高了實驗效率，而且實現(xiàn)了溶劑的高效回收，符合綠色環(huán)保的理念，具有進一步推廣應用的價值。