輝光放電等離子體對水溶液中棒曲霉素的降解作用

孫 艷，蒲陸梅，龍海濤，張慧秀，薛華麗，畢 陽,*

（1.甘肅農業大學食品科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學理學院，甘肅 蘭州 730070）

輝光放電等離子體對水溶液中棒曲霉素的降解作用

孫 艷1，蒲陸梅2,*，龍海濤2，張慧秀2，薛華麗2，畢 陽1,*

（1.甘肅農業大學食品科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學理學院，甘肅 蘭州 730070）

研究輝光放電等離子體在不同酸度條件下和不同催化劑存在時對水溶液中棒曲霉素的降解作用。結果表明：當直流電壓為600 V，電流范圍為145～155 mA時，輝光放電等離子體可在40 min內有效降解水溶液中的棒曲霉素。在pH 4.0時降解棒曲霉素效率更高，Fe2+、H2O2對降解反應具有催化作用，可提高棒曲霉素的降解速率，而納米ZnO卻減小了棒曲霉素的降解速率。

輝光放電等離子體；棒曲霉素；降解

由于人們生活水平的不斷提高，人們越來越關注食品營養和安全的問題，而關于真菌毒素引發的問題層出不窮。據聯合國糧食及農業組織報告，全球每年約有25%的農產品受到真菌毒素的污染，約有2%的農產品因污染嚴重而失去營養和經濟價值，造成數百億美元的經濟損失[1]。棒曲霉素（patulin，簡稱Pat），又稱展青霉素，是一種具有神經毒性的真菌代謝產物，具有致癌、致畸和致突變作用，會危害人及動物的健康。大量的研究表明，棒曲霉素具有基因毒性、細胞毒性、免疫毒性和生殖毒性[2]，能夠導致哺乳動物細胞的DNA損傷[3]，染色體畸變和微核形成[4]，并且會損害動物的腎臟、肝臟和腸等器官組織[5]。棒曲霉素含量已成為食品的質量指標之一。世界上很多國家都對果汁產品中棒曲霉素的最大限量做了規定，如歐盟（European Union，EU）、美國食品與藥物管理局（US Food and Drug Database，USFDA）規定果汁產品中棒曲霉素的最大限量為50 μg/kg[6-7]。我國相應的標準規定蘋果、山楂半成品限量標準為100 μg/kg，果汁、果醬、果酒、罐頭和果脯的限量標準為50 μg/kg[8]。

目前，常用控制棒曲霉素的方法主要有物理方法和化學方法，物理方法包括活性炭吸附[9]和樹脂吸附[10]等物理吸附，以及調控其制品的貯藏條件（低溫貯藏和氣調貯藏等），人工揀選和清洗等。然而，物理吸附隨時間的延長，其吸附能力會出現一定程度的下降，而且這些脫除技術沒有根本地降解棒曲霉素，而是轉移到吸附劑、水、殘渣和沉淀物中，這些物質的排放同樣對環境造成污染。還有微波處理[11]、γ射線輻照[12]、脈沖光輻照[13-14]和紫外線輻照[15-16]等，需要控制劑量大小。化學方法主要是使用殺菌劑來防治由致病霉菌引起的腐爛，以及采用臭氧[17]、添加添加劑及巰基類物質降解棒曲霉素[18]，會帶來農藥殘留、降解不徹底等食品安全問題。

輝光放電等離子體（glow discharge plasma，GDP）處理是一種綠色環保、新興的電化學高級氧化技術，利用外加電場作用，在水體中持續產生如H·、·OH、H2O+gas、H2O2等高活性粒子[19]，可使有機物徹底降解為CO2、H2O和簡單無機鹽，已較多地被用于研究水體中有機污染物的降解[20-22]，其特點是降解效率高、能夠徹底降解，以及不使用有害化學試劑，不會造成二次污染。但降解棒曲霉素的研究尚未報道。因此，本實驗擬利用GDP降解水溶液中的棒曲霉素，并研究在不同酸度、不同催化劑存在時GDP對棒曲霉素的降解效果，測定降解后棒曲霉素的含量是否小于我國規定的限量標準，以期為輝光放電等離子體脫除食品中棒曲霉素的研究與應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

棒曲霉素標準品 北京泰樂祺科技有限公司；乙腈（色譜純） 山東禹王實業有限公司化工分公司；30%過氧化氫（分析純） 上海中秦化學試劑有限公司；無水硫酸鈉、稀硫酸、硫酸亞鐵、氧化鋅（分析純） 天津化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

DH1722-6型高壓直流電源 北京大華無線電儀器廠；pHS-3C型數字酸度計 上海分析儀器廠；78HW-1恒溫磁力攪拌器 杭州儀表電機廠；FL2200-2液相色譜系統（配有可變波長紫外檢測器和FL2200色譜工作站）中國浙江福立分析儀器有限公司。

1.3 實驗裝置

實驗裝置包括直流電源和反應器，見圖1。反應器中的陽極為將直徑0.5 mm的鉑絲密封于燒結石英管中，尖端外露而制得的鉑電極，浸入液面。陰極為直徑1.0 cm碳棒。反應溫度由水浴控制。當施加電壓超過臨界值時，陽極產生輝光放電，且放電現象非常穩定，在陽極尖端和液面之間呈現特殊的錐形等離子體區域。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus of glow discharge

1.4 方法

1.4.1 樣品制備

將棒曲霉素標準品溶于乙腈溶液后，用除去溶解氧的質量濃度為1 g/L硫酸鈉溶液稀釋，得到標準溶液，儲存于4 ℃備用。

1.4.2 棒曲霉素降解

取一定量、一定質量濃度的樣品溶液加入反應器，調節酸度，加入催化劑，以直流電壓為600 V、電流范圍為145～155 mA的條件下產生的輝光放電等離子體處理反應液。定時從反應器中取出一定體積的反應液，供分析測定。

1.4.3 棒曲霉素含量測定方法

按照SN 0589-1996《出口飲料中棒曲霉素的檢驗方法》測定棒曲霉素含量，實驗條件進行修訂。色譜柱：Ultimate XB-C18反相柱（250 mm×4.6 mm，5 μm）；流動相：乙腈-水（10∶90，V/V）；檢測器：紫外檢測器，波長276 nm；柱溫：25 ℃；流量：1.0 mL/min；進樣量：20 μL；檢測低限：0.01 mg/L；棒曲霉素相對保留時間：10.438 min。

2 結果與分析

2.1 GDP對水溶液中棒曲霉素的降解作用

圖2 降解不同時間后棒曲霉素水溶液的HPLC圖Fig.2 HPLC chromatogram of patulin in aqueous solution after different degradation periods

圖2為降解不同時間后棒曲霉素水溶液的高效液相色譜圖（high performance liquid chromatography，HPLC）。結果表明，水溶液中棒曲霉素的含量隨降解時間的延長而顯著降低，當降解時間為40 min時，棒曲霉素已檢測不到。棒曲霉素的初始質量濃度為12.27 mg/L，降解15 min后質量濃度減小到1.63 mg/L，其降解效率達86%。降解40 min后，未檢出棒曲霉素（低于0.01 mg/L）。此外，從圖2b中可看到，HPLC檢測到棒曲霉素和其他物質，可以認為是輝光放電等離子體降解棒曲霉素過程中可能產生的小分子羧酸類物質。從圖2c中可看到，HPLC已檢測不到棒曲霉素，表明棒曲霉素已被輝光放電等離子體完全降解。

圖3 棒曲霉素質量濃度隨降解時間變化的動態曲線Fig.3 Dynamic degradation curve of patulin

由圖3可知，降解效率隨時間的變化可分兩個階段，在最初的9 min內棒曲霉素被快速降解，降解率達到了83%。這說明，在這個時間段內，輝光放電等離子體中的·OH主要與棒曲霉素發生反應。在9～30 min之間，棒曲霉素降解速率緩慢，主要是由于反應過程中產生的中間產物消耗·OH致使與棒曲霉素發生反應的·OH減少。降解40 min后檢測不到棒曲霉素，表明GDP能有效、徹底地降解棒曲霉素。

2.2 酸度對棒曲霉素降解效率的影響

由于棒曲霉素在堿性溶液中不穩定并可失去其生物活性[23]，所以本實驗分別研究了pH值為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0和7.0的6 種條件下輝光放電等離子體對棒曲霉素的降解作用，其降解效率見圖4。

圖4 酸度對棒曲霉素降解效率的影響Fig.4 Effect of acidity on the degradation effi ciency of patulin

由圖4可知，在上述6 種條件下，GDP對棒曲霉素水溶液均有一定的降解作用，40 min后棒曲霉素均可被降解，經HPLC檢測未檢出。尤其是在pH 4.0的條件下，GDP對該棒曲霉素溶液的降解作用非常明顯，降解效率最高，是因為在該酸度下，·OH的電極電勢高，氧化能力強，可以增大降解效率。在pH 2.0和pH 3.0的條件下GDP對棒曲霉素水溶液降解效率變慢，是因為高酸性溶液中過量的H+結合·OH生成水，消耗產生的·OH。而20 min后降解快于中性條件，這個是因為隨著時間延長，降解液的pH值逐漸上升，20 min時其pH值為4.05，增加到適宜酸度。

2.3 Fe2+、H2O2和納米ZnO對棒曲霉素降解效率的影響

在3種棒曲霉素水溶液中，分別加入FeSO4、H2O2和納米ZnO（粒徑約為27 nm），使其質量濃度為100 mg/L，其降解效率見圖5。

圖5 催化劑對棒曲霉素降解效率的影響Fig.5 Effects of catalysts on the degradation effi ciency of patulin

由圖5可知，水溶液中的棒曲霉素均可被降解，經HPLC檢測未檢出。在Fe2+存在的條件下棒曲霉素降解最快，Fe2+具有明顯的催化作用，與有關Fe2+在輝光放電等離子體中作用的許多報道一致[24-25]。原因是Fe2+可以與放電過程中產生的H2O2發生Fenton反應，產生更多的·OH，從而提高了棒曲霉素的降解效率。

H2O2也具有催化作用，可較快地降解棒曲霉素。因為加入H2O2后，反應體系中H2O2、·OH、O2、HO2·等氧化性粒子的數目增多，使降解效率提高。而ZnO存在的條件下不利于棒曲霉素的降解，ZnO具有抑制作用。這可能是由于納米氧化鋅吸附輝光放電等離子體中的·OH而生成鋅的羥基配合物，使·OH的氧化活性降低，從而起到了抑制降解的作用。

2.4 棒曲霉素降解液pH值的變化

由圖6可知，棒曲霉素降解液的pH值均先迅速降低，然后上升。原因是棒曲霉素與·OH等高活性粒子反應生成了羧酸類物質，而隨著反應的進行，羧酸類物質又與·OH等高活性粒子反應生成了酸性更小的CO2和H2O。

圖6 棒曲霉素降解液的pH值隨時間的變化Fig.6 pH change of patulin solutions at different degradation times

2.5 棒曲霉素降解動力學方程回歸

研究表明，指數速率模型可在較大范圍內擬合有機物的降解[26]，降解速率v與基質質量濃度ρ的關系表達為：

式中：ρ為基質質量濃度/（mg/L）；k為降解速率常數，是單位質量濃度的反應速率，又稱為比速；n為反應級數。上式的積分形式為：

在不同條件下降解動力學方程不同，可根據棒曲霉素的質量濃度ρ和降解時間t的關系，根據式（5）擬合降解速率方程，結果見圖7。

圖7 棒曲霉素降解動力學擬合曲線Fig.7 Fitting curves of degradation kinetic equations for patulin

表1 棒曲霉素降解動力學方程參數Table 1 Parameters of degradation kinetic equations for patulin

根據圖7中擬合曲線方程和式（5），可計算出反應級數n和降解速率常數k。當ρ=1/2ρ0，即棒曲霉素質量濃度降解一半時，所經歷的時間稱為半衰期t1/2，其動力學方程參數列于表1。FeSO4反應級數n接近于一級反應，其他均在一、二級之間。此外，其半衰期值與實驗結果相一致。FeSO4和H2O2的t1/2比對照短，可較快地降解棒曲霉素；而納米ZnO的半衰期最長，可抑制降解作用。

3 結 論

輝光放電等離子體可有效降解水溶液中的棒曲霉素。在pH 4.0條件下更有利于降解棒曲霉素，Fe2+、H2O2均具有催化作用，而ZnO具有抑制作用。此外，降解速率明顯依賴于反應體系中·OH的濃度，·OH越多，棒曲霉素的降解速率越快。而且降解液pH值先迅速降低，然后上升的變化趨勢可推斷出反應過程中產生羧酸類物質，直至生成CO2和H2O。因此，本研究為棒曲霉素的降解提供了理論依據，在食品質量安全控制領域具有非常重要的意義。

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Degradation of Patulin in Aqueous Solution by Glow Discharge Plasma

SUN Yan1, PU Lumei2,*, LONG Haitao2, ZHANG Huixiu2, XUE Huali2, BI Yang1,*
(1. College of Food Science and Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. College o f Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

The degradation of patulin in aqueous solution by glow discharge plasma was studied using different acidities and catalysts. The results showed that patulin could be rapidly and effectively degraded by glow discharge plasma at DC voltage of 600 V and in the current range of 145-155 mA. The condition of pH 4.0 was favorable to the degradation. Fe2+and hydrogen peroxide had obvious catalytic effect on the degradation, but nano-zinc oxide slowed down the degradation of patulin.

glow discharge plasma; patulin; degradation

TS201.6

A

1002-6630（2015）19-0029-05

10.7506/spkx1002-6630-201519005

2014-11-03

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（2012AA101607）；甘肅省自然科學基金項目（1308RJZA280）

孫艷（1990-），女，碩士研究生，研究方向為食品科學。E-mail：1299908717@qq.com

*通信作者：蒲陸梅（1968-），女，教授，博士，研究方向為食品科學。E-mail：pulm@gsau.edu.cn

畢陽（1962-），男，教授，博士，研究方向為果蔬采后生物學與技術。E-mail：biyang@gsau.edu.cn