冷等離子體降解葡萄干中赭曲霉毒素A模型

關鍵詞：冷等離子體；赭曲霉毒素A；葡萄干；降解模型

0 引言

赭曲霉毒素A（OTA）是由曲霉屬和其他青霉屬真菌產生的次級代謝物。OTA主要存在于各種農產品中，包括葡萄、咖啡、葡萄干、堅果和香料等[1]。OTA以其肝毒性和致癌特性而聞名，低劑量的長期暴露可導致肝病和免疫系統功能受損[2]。由于其對公眾健康的嚴重威脅，開發有效的降解技術是農產品安全研究領域的一個重要課題。

冷等離子體被認為是含有活性氧、活性氮、自由基和帶電粒子等活性物質的氣體[3-5]。作為一種有效的表面處理技術，由于冷等離子體室溫下工作，并且沒有殘留物，可以廣泛應用于減少農產品中的微生物、降解真菌毒素、滅活酶和去除農藥等領域[6]。目前，已有較多的前期研究證實了冷等離子體降解不同真菌毒素的效果。李善瑞等[7]發現，在用冷等離子體處理165s后，黃曲霉毒素降解率99.62%。蘇迎利[8]研究表明，介質阻擋放電冷等離子體可將阿月渾子堅果仁中黃曲霉毒素在20s內降解率93%。劉真等[9]研究表明，采用冷等離子體可將花生中黃曲霉毒素在降解8min后降解率79.26%。此外，冷等離子體處理已被證明可以降解受污染的巴旦木和葡萄干中的真菌毒素[10-11]。應用冷等離子體技術降解真菌毒素為確保農產品安全提供了一種新的解決方案。

在毒素降解過程中，許多因素會影響冷等離子體降解真菌毒素的效率，包括設備特性、食品基質和工藝參數[12]。這些因素會影響冷等離子體產生的活性物質濃度，從而影響食品中真菌毒素的降解效率。然而，僅僅依靠試驗方法來開發工藝參數是耗時且昂貴的。計算機模型由于其強大的計算能力，已成為理解復雜試驗過程的一種有效工具[13]。采用計算機模型可以有效模擬冷等離子體滅活微生物的過程[14-15]。因此，本研究將利用有限元軟件COMSOLMultiphysics建立冷等離子體降解葡萄干中OTA的模型。并通過模型計算數據與試驗數據的比較，從而對模型進行驗證。此外，還將探討放電頻率、葡萄干形狀和容器大小對OTA降解過程的影響。目的是為實際應用中冷等離子體設備的設計和優化提供理論依據。

1 三維模型

1.1 冷等離子體設備

試驗使用的DBD-50型冷等離子體設備與前期研究中使用的類似，略有修改[11]。冷等離子體系統包括電源（0～2kHz）、氣體供應系統、發生器和反應室，如圖1所示。高壓電極是彈簧狀，緊貼在石英管的內壁上。鋁箔包裹在石英管外壁，作為接地電極使用。設備沿石英管發生絲狀放電，產生反應性物質。干燥后的空氣通過氣泵引入冷等離子體發生器，調節氣體流量計將工作氣體的流速穩定控制在0.8L/min。然后，產生的活性物質通過曝氣器從發生器進入到處理室，降解放置在處理室底部的葡萄干上的毒素。冷等離子體處理室是一個直徑200mm、高度60mm的圓柱形有機玻璃容器，如圖2所示，每次處理50g葡萄干（約100粒）。模型中葡萄干被建模為橢球體。

由于冷等離子體主要含有活性氧和活性氮物質，其中臭氧是一種具有成熟測量技術的長壽命物質，它在真菌毒素的降解中起著至關重要的作用。因此，將長壽命的臭氧作為衡量冷等離子體設備產生的活性物質濃度的指標。在冷等離子體反應器內，采用位于曝氣器出口處的臭氧傳感器（JX-20PL型，北京金訊暢通電子科技有限公司）測量處理過程中的臭氧濃度。當放電頻率設置為0.6、0.9和1.2kHz時，在入口處測得的臭氧濃度分別為7.85、9.43和13.66mg/L。然后將其輸入到所建立的計算機模型中以進行進一步分析。

1.2 降解模型理論方程

首先，氣體流動需要在穩態條件下求解。反應器內活性物質的流動通過多孔介質的流動方程控制。由于冷等離子體工作氣體的流速0.8L/min，則活性氣體在低雷諾數條件下工作，由Navier-Stokes方程描述。

在獲得流體的空間分布后，需要描述葡萄干表面的毒素與流體之間的相互作用。模型對復雜的反應方程式進行了簡化。在這種不可逆反應中，真菌毒素OTA與反應物質反質形成降解產物OTAdp。

由于真菌毒素位于葡萄干的表面，因此與反應性活性物質的反應而導致毒素濃度的降低沿著表面切向發生。毒素的濃度受Fick定律控制。

1.3 初始條件和邊界條件

在冷等離子體處理之前，葡萄干的初始溫度20°C。活性氣體通過曝氣器進入處理室，與葡萄干表面的毒素發生反應。通過氣體流量計的控制，將入口處的氣體設置為凈流入邊界。

由于模型中曝氣器設計，邊界條件需要約束在曝氣器底面上。約束與式（7）中的約束相同。

1.4 網格劃分與模型計算

幾何模型包括處理室和葡萄干，如圖3所示。葡萄干被單層放置在處理室底部。網格劃分是冷等離子體模型進行數值模擬計算的關鍵步驟。冷等離子體幾何模型被劃分為獨立的617726個四面體單元。

耦合模型采用迭代計算進行模擬。當場變量不隨時間變化時，使用穩態研究和研究步驟。穩態求解器主要用于求解流體的速度。當場變量隨時間變化時，使用瞬態求解器求解每種物質濃度的變化，其中需要調用穩態解的流體速度。參數掃描對于計算各種操作條件下的氣體和真菌毒素濃度是必要的。在配備64GBRAM和以3.60GHz頻率運行的處理器的ThinkStationP520工作站上進行模擬。

2 降解試驗

2.1 樣品制備

本研究選用新疆維吾爾自治區吐魯番市葡萄干作為試驗材料，具有兩種形狀（16.7mm×6.7mm×7.9mm和28.4mm×9.7mm×7.8mm）。OTA標準品購買自西格瑪公司，與乙腈（色譜級）混合制備OTA標準工作液，并將其冷藏于–20°C冰箱中備用。參考劉真等[9]的方法，將OTA工作液噴灑至葡萄干表面并混合均勻，確保葡萄干中含有20μg/kg的OTA，以制備加標的葡萄干樣品。再將加標后的樣品在室溫下干燥，以便于后續冷等離子體處理。為了確保OTA的完全降解，每次取反應器最外圈層葡萄干進行OTA含量測定。

2.2 OTA含量測定

用高效液相色譜法測定葡萄干中OTA含量。按照劉真等[9]的方法，加入1g氯化鈉和5g葡萄干樣品一起研磨，并用80%甲醇/水溶液提取。搖動和離心后，收集5mL上清液，將其與20mL20mM磷酸緩沖鹽水混合，并通過膜過濾。隨后，將10mL處理過的濾液通過免疫親和柱，并丟棄流出物。然后用甲醇溶液緩慢洗脫。

色譜條件：ZORBAXEclipsePlusC18柱，長250mm、內徑4.6mm、粒徑5μm；柱溫度設置40°C；流動相A為醋酸/水（1∶45，V/V），流動相B為乙腈；總流速1.0mL/min（45%A+55%B）；等度洗脫15min；進樣量20μL；激發波長333nm；發射波長460nm。OTA的檢測限1μg/kg。

2.3 降解反應速率系數測定

冷等離子體降解OTA的反應速率系數是通過降解試驗確定的。由于毒素降解遵循一級動力學過程，其反應速率系數可由式（11）表示。

模型中，半衰期（t1/2）通過確定測量濃度ct等于初始濃度c0的一半的時間來確定。

3 仿真試驗與對比分析

3.1 反應速率系數確定

在放電頻率1.2kHz、OTA含量20μg/kg條件下進行試驗，確定葡萄干中OTA降解的反應速率系數，其是計算建模的關鍵參數。OTA隨時間降解過程如圖4所示，不同條件下ln（ct/c0）對處理時間的曲線如圖5所示，虛線表示模型的擬合曲線。

通過一級動力學描述了冷等離子體降解葡萄干上OTA降解過程。動力學方程ln（ct/c0）=0.20623?0.53947t，R2=0.98。常數0.53947表示一階速率方程中的速率常數，即為OTA的反應速率系數。在反應過程中，反應速率系數越高，表示葡萄干中OTA的降解速率越快。通過輸入反應速率系數，能夠準確量化COMSOL模型中不同條件下OTA的降解過程。

3.2 不同放電頻率對降解過程的影響

放電頻率1.2kHz、處理時間0、5和10min時OTA降解過程如圖6所示。由圖6d和圖6e可知，隨著處理時間的增加，在各放電頻率下毒素的濃度均降低；冷等離子體模型的模擬結果和降解試驗的試驗值基本相符；OTA的半衰期t1/2模擬值，模擬結果和試驗結果之間的差異lt;5.47%。結果表明，通過模型模擬獲得的OTA降解曲線與試驗過程吻合良好，驗證了所建立模型的準確性和可靠性。

在1.2kHz的放電頻率下，OTA的半衰期t1/2為1.83min。然而，在0.6kHz的較低放電頻率下，OTA的半衰期t1/2為3.18min。這表明，隨著放電頻率從0.6kHz增加至1.2kHz，半衰期縮短至其原始時間的57%。隨著放電頻率的增加，半衰期的縮短可能是由于更高的放電頻率產生了更多的活性物質，從而加速了毒素的降解。研究結果與冷等離子體降解花生中真菌毒素一致，冷等離子體處理中更高的功率可以顯著降低黃曲霉毒素的濃度[9]。

3.3 不同形狀葡萄干對降解過程的影響

通過試驗和模擬，評估2種不同形狀葡萄干中OTA的降解情況，結果如圖7所示，大葡萄干（28.4mm×9.7mm×7.8mm）是小葡萄干（16.7mm×6.7mm×7.9mm）的2倍。

由圖7e可知，模擬結果與試驗結果之間存在較好的一致性。模擬數據顯示，大葡萄干的降解半衰期略低于小葡萄干，為≤2%。這可能是因為降解過程主要發生在葡萄干的表面，大葡萄干間有較大的間隙，更有利于反應氣體對真菌毒素的降解。試驗數據發現，葡萄干的形狀對OTA降解效率并沒有顯著影響（Pgt;0.05）。可能對于同一類型的食物基質，農產品的大小對冷等離子體降解真菌毒素的過程幾乎沒有影響。

3.4 不同反應器尺寸對降解過程的影響

為了研究反應器尺寸對真菌毒素降解的影響，使用2種不同尺寸的反應器進行了試驗，結果如圖8所示，大反應器直徑200mm、小反應器直徑100mm。

由圖8可知，反應器的尺寸對OTA的降解沒有顯著影響（Pgt;0.05），可能是由于活性氧和活性氮等長壽命物質在冷等離子體降解真菌毒素的過程中發揮了主導作用[5]。在冷等離子體降解裝置中，將反應器的直徑加倍僅導致葡萄干中OTA的降解半衰期變化≤3%，影響并不顯著。為了確定反應器中葡萄干降解的均勻性，在較大反應器內對內圈和外圈葡萄干進行毒素測定。對放置于距中心28、56和84mm的不同位置的OTA半衰期進行測量，降解半衰期的變化很小，差異不超過7%（試驗值）和3%（模擬值）。然而，較大的容器可能會導致反應性活性物質的濃度降低，從而降低真菌毒素的降解效率。目前，冷等離子設備主要用于處理小包裝的葡萄干（10～50g），而大規模降解農產品中真菌毒素的設備需要進一步的研究和測試。該模型與試驗結果吻合較好，計算模型的建立為開發更有效的冷等離子體處理系統提供了重要的設計參數。

4 結束語

（1）通過模型計算和試驗對比表明，在各種操作條件下模擬數據和試驗數據具有較好的一致性。

（2）模擬和試驗結果都表明，真菌毒素降解的半衰期隨著放電頻率的增加而降低，具體而言，放電頻率從0.6kHz增加至1.2kHz可導致赭曲霉毒素A半衰期縮短至57%。

（3）大葡萄干（28.4mm×9.7mm×7.8mm）和小葡萄干（16.7mm×6.7mm×7.9mm）半衰期幾乎相同，表明葡萄干的形狀不會顯著影響真菌毒素的降解過程。冷等離子體反應器尺寸對降解效率的影響≤3%。

計算模型有效地模擬了OTA在葡萄干中的降解過程。通過確定干果中其他真菌毒素的降解系數，并輸入放電頻率和反應器尺寸等重要參數，使用本模型可以預測真菌毒素完全降解所需的時間，確保農產品的安全并節省處理時間。為冷等離子體技術廣泛地應用于農產品安全行業提供理論依據。