高壓脈沖電場殺菌技術(shù)降低水中溴酸鹽含量的研究

余林林，陳曉清，陳婉清，陳琳琳，翁大燕，方 婷*，陳錦權(quán)

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

高壓脈沖電場殺菌技術(shù)降低水中溴酸鹽含量的研究

余林林，陳曉清，陳婉清，陳琳琳，翁大燕，方 婷*，陳錦權(quán)

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

目的：尋找能夠替代臭氧殺菌的新技術(shù)，以降低水中溴酸鹽含量。方法：采用高壓脈沖電場(pusled electric field，PEF)殺菌技術(shù)，用靛藍(lán)二磺酸鈉分光光度法測定臭氧濃度，用離子色譜法測定溴酸鹽的濃度。結(jié)果：PEF對水中常見微生物至少達(dá)到了5.5個(gè)對數(shù)級降低的殺滅效果；含有0.54mg/L溴離子質(zhì)量濃度的水中分別加1.769mg/L、4.728mg/L的臭氧，產(chǎn)生了0.039mg/L和0.045 mg/L的溴酸鹽，而用電場強(qiáng)度為30kV/cm的PEF處理含有0.54mg/L溴離子質(zhì)量濃度的水，未檢測到溴酸鹽的產(chǎn)生。

高壓脈沖電場；水；臭氧；溴酸鹽

正常情況下，水中不含溴酸鹽，但普遍含有溴化物。當(dāng)用臭氧對水消毒時(shí)，溴化物與臭氧反應(yīng)，氧化后會(huì)生成溴酸鹽。國際癌癥研究中心(IARC)認(rèn)為溴酸鉀對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有致癌作用，但溴酸鹽對人的致癌作用還不能肯定，為此將溴酸鹽列為對人可能致癌的物質(zhì)[1]。近年來，瓶裝水企業(yè)普遍采用臭氧殺菌工藝，致使溴酸鹽現(xiàn)象凸顯出來。在各個(gè)廠家大量使用臭氧進(jìn)行殺菌的過程中不可避免產(chǎn)生溴酸鹽這種副產(chǎn)物，而用臭氧消毒瓶裝水所產(chǎn)生的無機(jī)消毒副產(chǎn)物溴酸鹽，是被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)定為2b級的潛在致癌物[2]。我國現(xiàn)行的《生活瓶裝水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)規(guī)定溴酸鹽限值為0.01mg/L，與世界衛(wèi)生組織的標(biāo)準(zhǔn)一致[3]?！讹嬘锰烊坏V泉水》新標(biāo)準(zhǔn)首次規(guī)定溴酸鹽限值為0.01mg/L，而近年來礦泉水企業(yè)普遍采用臭氧殺菌工藝，致使溴酸鹽問題凸顯出來[3]。這就給瓶裝水企業(yè)提出了更高的要求，要降低溴酸鹽含量，就必須采用新技術(shù)替代臭氧殺菌技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 試劑、菌種與培養(yǎng)基

靛藍(lán)二磺酸鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、溴化鉀等均為分析純。

大腸桿菌(CGMCC1.90)、金黃色葡萄球菌(CICC10301)、沙門氏菌(CMCC50071)、啤酒酵母

(CICC1001)、青霉菌(CICC4010)均由福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)微生物實(shí)驗(yàn)室提供。

營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基 上海滬峰生物科技有限公司；麥康凱瓊脂 廣東環(huán)凱微生物科技有限公司；孟加拉紅培養(yǎng)基 青島海博生物技術(shù)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DJ-Q1010A電解法臭氧發(fā)生器、高壓脈沖電場(pusled electric field，PEF)裝置、 UV-2000紫外-可見分光光度計(jì)、MODEL-25100無壓射流器、氣液混合泵、SW-CJ-1F型單人雙面凈化工作臺(tái)、 GSP9160BE隔水式恒溫培養(yǎng)箱、01J2003-04型立式壓力蒸汽滅菌器、 ICS-1000離子色譜。

1.3 方法

1.3.1 微生物的培養(yǎng)

將大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌分別活化后接入裝有營養(yǎng)瓊脂液體培養(yǎng)基的錐形瓶中，37℃搖床各培養(yǎng)24h，然后分別取這些菌液用無菌水稀釋混勻，使菌液的濃度達(dá)到107～108CFU/mL，待用。

將啤酒酵母菌和青霉分別活化后接入裝有馬鈴薯葡萄糖液體培養(yǎng)基的錐形瓶中，28℃搖床各培養(yǎng)24h，然后分別取這些菌液用無菌水稀釋混勻，使菌液的濃度達(dá)到107～108CFU/mL，待用。

1.3.2 菌落數(shù)的測定

菌落數(shù)的測定采用平板計(jì)數(shù)法，按GB/T 4789.2—2008《食品衛(wèi)生微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測定》[4]中的方法測定。

1.3.3 臭氧濃度的測定

按HJ 504—2009《環(huán)境空氣臭氧的測定 靛藍(lán)二磺酸鈉分光光度法》[5]測定，蘭色的靛藍(lán)二磺酸鈉(IDS)水溶液可與臭氧定量反應(yīng)生成無色的靛紅磺酸鈉，根據(jù)褪色程度定量測定臭氧的濃度。

1.3.4 溴酸鹽的測定

依據(jù)：GB/T 20188—2006《小麥粉中溴酸鹽的測定 離子色譜法》[6]；色譜柱：Dionex IonPacORAS19；流動(dòng)相：Dionex RFC30 自動(dòng)淋洗液發(fā)生器，一步梯度洗脫；抑制器：Dionex ASRS-ULTRA II 陰離子抑制器，抑制電流121mA；檢測器：電導(dǎo)檢測器；檢測池溫度：30℃；進(jìn)樣量：25μL。

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧對水中溴酸鹽產(chǎn)生的影響

水中溴化物的質(zhì)量濃度一般為10～1000μg/L，當(dāng)溴化物的質(zhì)量濃度＜20μg/L時(shí)一般不會(huì)形成溴酸鹽[2]，如果溴化物水平在 50～100μg/L范圍，就可能生成過量的溴酸。在某些情況下，優(yōu)化臭氧劑量將可降低溴酸鹽的生成[7]。在本實(shí)驗(yàn)中，為了減少其他物質(zhì)對結(jié)果的干擾，原料用蒸餾水和溴化鉀配制而成，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，配制的溴離子質(zhì)量濃度最低精確到0.54mg/L。一般消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的臭氧投加量為1～5mg/L[8]，本實(shí)驗(yàn)中通入的臭氧質(zhì)量濃度為1.769mg/L和4.728mg/L，分別產(chǎn)生了0.039mg/L和0.045mg/L的溴酸鹽，結(jié)果如圖1～3所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)物溴酸鉀和溴化鉀的離子色譜圖Fig.1 Ion chromatogram of standard potassium bromate and potassium bromide

圖2 1.769mg/L臭氧作用下水的離子色譜圖Fig.2 Ion chromatogram of the water containing 1.769 mg/L ozone

圖3 4.728mg/L臭氧作用下水的離子色譜圖Fig.3 Ion chromatogram of the water containing 4.728 mg/L ozone

從圖2、3可以看出，在一定溴離子濃度的情況下，隨著投入臭氧質(zhì)量濃度的增加，溴酸鹽的產(chǎn)生量增大，即使在低臭氧質(zhì)量濃度1.769mg/L的情況下，仍有0.039mg/L的溴酸鹽產(chǎn)生，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了0.01mg/L的國標(biāo)要求。

在普遍含有溴化物的水源中，其溴化物濃度因地域、環(huán)境等因素而差異較大，而且因自然過程如鹽水入侵和特殊地質(zhì)條件，以及由于人類活動(dòng)如開采鉀礦和煤礦、化學(xué)藥品生產(chǎn)等原因，可能會(huì)增加天然水中的溴化物水平[3]。如果采用臭氧方式對其進(jìn)行殺菌，盡管在溴化物濃度和投加的臭氧濃度上采取了嚴(yán)格的控制，如裴義山等[9]等采用生物活性炭(BAC)去除溴酸鹽，結(jié)果表明

新炭對溴酸離子沒有去除效果，不過連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月后，BAC上的微生物對溴酸鹽具有一定的去除能力；李繼等[10]比較了瞬時(shí)單點(diǎn)投加、多點(diǎn)投加和連續(xù)投加臭氧時(shí)溴酸鹽的生成量，結(jié)果表明連續(xù)投加或多點(diǎn)投加時(shí)生成的溴酸鹽量大大低于單點(diǎn)投加時(shí)的生成量，盡管他們還提出了許多控制溴酸鹽的建議，終究還是沒有解決溴酸鹽超標(biāo)的難題。溴酸鹽的產(chǎn)生似乎是難以避免的，國內(nèi)外研究界和瓶裝水企業(yè)不得不尋找新的取代臭氧的殺菌技術(shù)。

2.2 高壓脈沖電場技術(shù)在水中的應(yīng)用

盡管采取了各種控制溴酸鹽含量的辦法，其含量卻仍然未能控制在國際標(biāo)準(zhǔn)值0.01mg/L之內(nèi)[1]，而且溴酸鹽一旦生成，要將其去除非常困難 。

高壓脈沖電場殺菌技術(shù)是新興的非熱力殺菌新技術(shù)，它是利用瞬間高壓電場作用于液體食品，達(dá)到殺滅微生物的目的，不僅滅菌效果好、殺菌時(shí)間短、副產(chǎn)物少、耗能少，而且對環(huán)境無污染，無二次污染及三廢的問題[11]。

2.2.1 PEF對水的殺菌效果

使用內(nèi)徑為7mm電極處理室，PEF的頻率為3000Hz，脈寬為4μs，電場強(qiáng)度為48.39kV/cm，在室溫(25℃)下，PEF處理大腸桿菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、啤酒酵母、青霉，初始菌濃度分別為1.1×109、1.6×109、1.50×109、6.8×109、8.0×108CFU/mL，處理時(shí)間分別為94、114、155、203、295μs，探討不同處理時(shí)間對不同微生物的殺滅效果。

圖4 PEF對不同微生物的殺菌效果Fig.4 Sterilization effect of PEF treatment on common microorganisms in water

從圖4可以看出，隨著高壓脈沖電場處理時(shí)間的延長，微生物數(shù)量都呈下降趨勢，即在同一電場強(qiáng)度下，PEF的殺菌效果隨著處理時(shí)間的延長有明顯增強(qiáng)的現(xiàn)象。其中，在48.39kV/cm電場強(qiáng)度下，作用114μs時(shí)啤酒酵母活菌數(shù)只剩1個(gè)對數(shù)，而在155μs之后沒有活菌檢出。同樣，在處理295μs后，大腸桿菌和青霉菌也沒有活菌的檢出，而金黃色葡萄球菌和沙門氏菌共減少了6.6和5.5個(gè)對數(shù)。由于設(shè)備等條件的限制，并且考慮到飲用水工業(yè)生產(chǎn)中原料水的致病菌含量并不像本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的含量一樣高，因此，推測在上述PEF條件下瓶裝水中致病菌的完全殺滅是非常有可能的，有待進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 PEF對水中溴酸鹽產(chǎn)生的影響

使用內(nèi)徑為7mm電極處理室，水的流速為15.15 mL/s，PEF的頻率為3000Hz，脈寬為4μs，脈沖個(gè)數(shù)為24個(gè)，在室溫(25℃)下，用30kV/cm 電場強(qiáng)度處理含有0.54mg/L溴離子質(zhì)量濃度的水，結(jié)果如圖5所示。

圖5 30kV/cm PEF處理含0.54mg/L溴離子水的離子色譜圖Fig.5 Ion chromatogram of the water containing 0.54 mg/L bromine ion treated by PEF at 30 kV/cm

從圖5可以看出，含有0.54mg/L溴離子質(zhì)量濃度的水，經(jīng)電場強(qiáng)度為30kV/cm的高壓脈沖電場處理后沒有檢測到溴酸鹽。之后經(jīng)過多次類似的檢測實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，經(jīng)PEF處理過的水中都未檢測到溴酸鹽的產(chǎn)生，因此可以說明PEF能夠降低水中溴酸鹽的含量。

3 討 論

PEF殺菌技術(shù)以其微秒級的處理時(shí)間、能耗低和殺菌效果明顯等特點(diǎn)，成為近幾年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一[12]。采用PEF處理水，不僅能夠有效殺滅水中常見的微生物，至少降低了5.5個(gè)對數(shù)級，而且能降低水中溴酸鹽的產(chǎn)生量。盡管PEF殺菌技術(shù)能降低水中溴酸鹽含量，不過能夠真正幫助瓶裝水企業(yè)解決煩惱還需要做很多努力，比如PEF對水的處理量問題，這就涉及處理室改進(jìn)的問題；還有當(dāng)處理量達(dá)到企業(yè)要求時(shí)，殺菌效果能否同步達(dá)標(biāo)呢？估計(jì)還需要同步提高脈沖電場的輸入功率，而更大功率高壓脈沖電場發(fā)生裝置的開發(fā)也是難點(diǎn)之一。

[1] 新《飲用天然礦泉水》標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)在即[J]. 中國標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)報(bào), 2008(8): 29.

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[5] HJ 504—2009《環(huán)境空氣臭氧的測定靛藍(lán)二磺酸鈉分光光度法》[S].

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[12] BARBOSA-CANOVAS, GUSTAVO V. Preservation of foods with pulsed electric fields[M]. USA: Academic Press, 1999: 1-193.

Using Pulsed Electric Field to Reduce the Bromate Content in Drinking Water

YU Lin-lin，CHEN Xiao-qing，CHEN Wan-qing，CHEN Lin-lin，WENG Da-yan，F(xiàn)ANG Ting*，CHEN Jin-quan (College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

To explore a new alternative technology to ozone sterilization for reducing the bromate content in drinking water, pulsed electric field (PEF) was used for the sterilization of drinking water in this study. Indigo carmine spectrophotometry and ion chromatography were used to determine the contents of ozone and bromate, respectively. PEF had strong sterilization effect on common microorganisms in water, resulting in a decrease by more than 5.5 logarithmic orders. The bromate contents in the water samples treated with 1.769 mg/L and 4.728 mg/L ozone were 0.039 mg/L and 0.045 mg/L, respectively. However, no bromate was detected in the water treated by PEF at 30 kV/cm.

PEF；water；ozone；bromate

TS205.9

A

1002-6630(2010)17-0041-03

2009-12-09

福建省教育廳科技項(xiàng)目(JA09067)

余林林(1984—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称繁２嘏c加工。E-mail：xiaoxiong-99@163.com

*通信作者：方婷(1981—)，女，講師，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工。E-mail：fangting930@163.com