N摻雜改性P25抑菌材料的制備及其可見光催化抑菌活性的研究*

李瑩影，宋賢良，張靜

(華南農業大學 食品學院，廣東廣州，510642)

我國果蔬的品種和產量均居世界之首，然而因保鮮技術落后，每年造成大量的果蔬腐爛變質，經濟損失巨大［1］。因此，探尋高效的果蔬貯藏保鮮新技術一直是人們研究的熱點。采后果蔬在貯藏過程中易受微生物侵染，發生生理和化學敗壞是導致其腐爛變質的主要原因［2］。納米TiO2作為一種新型的光催化抗菌材料，具有廣譜抗菌性能以及良好的阻隔和力學性能，在貯藏保鮮方面具有潛在的應用前景［3-7］。

但是納米TiO2只有在紫外光激發下才表現出較強的光催化抗菌活性，使其在果蔬保鮮中的應用受到限制［8-10］。研究表明，非金屬元素摻雜改性能夠將TiO2的光響應范圍拓寬到可見光區域［11-13］，增強其對可見光的利用效率，從而提高材料的光催化性能，其中N摻雜被認為是一種有效的方法［14-15］。

本研究以商業納米TiO2(P25)為材料，采用非金屬元素N進行摻雜改性以提高其可見光響應活性，詳細研究了改性P25-N粉體對大腸桿菌的抑菌效果。通過研究既能為果蔬貯藏保鮮技術開辟新的途徑，又能為具有抗菌功能的新型保鮮材料的研究開發提供理論和實驗依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

主要試劑:大腸桿菌(Escherichia coli，O78，華南農業大學微生物實驗室)，P25(德國Degussa公司)，脲、乙醇、NaOH(分析純，廣州化學試劑廠)。

主要儀器:座式自動電熱壓力蒸汽滅菌鍋(DX-35BI)，上海申安醫療器械廠;生化培養箱(LRH-250A)，上海一恒科學儀器有限公司;超凈工作臺(SW-CJ-IFD)，蘇州安泰空氣技術有限公司;真空煅燒爐(SK-G014143)，天津市中環實驗電爐有限公司;水浴恒溫振蕩器(SHA-C)，金山市華峰儀器有限公司;752N紫外可見分光光度計，上海精密科學儀器有限公司;光催化抑菌反應器，華南農業大學機械實驗室。

1.2 大腸桿菌標準曲線繪制

參照本課題組張靜等所采用的方法［16］:用稀釋平板菌落計數法得出搖床培養的新鮮菌液的菌濃度，將其按10倍稀釋法得到一系列已知菌濃度的菌懸液樣品，在600 nm處用紫外可見分光光度計測定各樣品的OD值，以光密度(OD值)為橫坐標，以菌濃度(CFU/mL)為縱坐標，繪制標準曲線。

1.3 N摻雜P25(N-P25)抑菌材料的制備

稱取定質量的P25粉末于瑪瑙研缽中，再加入一定量的脲粉末，將二者研磨混合，至于80℃烘箱過夜，轉移真空煅燒爐中，在設定的溫度與時間下煅燒，冷卻后取出，研磨得淡黃色粉末。

在煅燒溫度為400℃，煅燒3 h的條件下，按上述的方法制備2 g P25粉體脲摻雜量分別為2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 g 的改性 N-P25抑菌材料。

在煅燒時間為3 h，2 g P25摻雜8 g脲的條件下，按上述的方法制備煅燒溫度分別為350，400，450，500，550，600 ℃的改性 N-P25抑菌材料。

在煅燒溫度為400℃，2g P25摻雜8g脲的條件下，按上述的方法制備煅燒時間分別為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 h 的改性 N-P25抑菌材料。

1.4 可見光催化抑菌活性測定

在嚴格保證無菌條件下，在超凈工作臺中將1 mL 105CFU/mL的菌懸液與1 mL生理鹽水加入8 mL生理鹽水試管中作為空白對照組，將1 mL 105CFU/mL的菌懸液與1 mL 1.0 g/L改性光催化劑懸濁液加入8 mL生理鹽水試管中作為實驗組。將其置于渦流振蕩器中，振蕩使其混勻，再將其轉移至的光催化抑菌反應器中進行抑菌試驗。反應器光源為85WE27-白光6 400 K普通熒光燈，開始光照并計時，每隔20 min取樣100 μL涂布于LB固體培養基平板中(分別做3個平行)，倒置恒溫培養(細菌37℃培養)，計算菌落數，計算抑菌率。抑菌率計算:

式中，K-抑菌率;C0-空白對照組光照后存活的菌量;C-實驗組光照后存活的菌量。

1.5 N摻雜改性P25抑菌材料滅活大腸桿菌二次旋轉回歸試驗

在單因素實驗的基礎上，根據響應面中心組合實驗設計原理，設計了3因素3水平的二次旋轉回歸實驗，以可見光條件下N-P25改性抑菌材料對大腸桿菌抑菌效果為考察指標，對N-P25改性抑菌材料的制備條件進行優化。中心組合實驗因素與水平設計如表1所示。

表1 響應面分析因素與水平表Table 1 Factors associated with the level of response surface analysis table

2 結果與分析

2.1 大腸桿菌標準曲線

見本課題組張靜等所作的標曲［16］，以光密度(OD值)為橫坐標，以菌濃度(CFU/mL)為縱坐標，繪制標準曲線。所得回歸方程為:y=2×109X-2×108，R2=0.999 5，說明線性擬合程度良好。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 脲摻雜量對N摻雜改性P25材料可見光催化抑菌活性的影響

由圖1可知，隨著脲摻雜量的增加，N-P25材料抑菌率先呈上升趨勢，在脲摻雜量為2～8 g/g P25，抑菌率快速提高，但當脲摻雜量大于8 g/g P25后，抑菌率幾乎沒變，故取最佳脲摻雜量8 g/g P25。這可能由于摻雜濃度較高時，有利于生成新的電子-空穴的復合中心，增大其復合幾率［17］;而過高的摻雜濃度有可能使N元素在TiO2中達到飽和而產生新相［18］，減少TiO2有效表面積和對光的吸收，從而降低光催化效率。

圖1 不同硫脲摻雜量下改性P25-N材料的抑菌率Fig.1 Antibacterial rate of modified P25-N material in different thiourea doping amount

2.2.2 煅燒溫度對N摻雜改性P25材料可見光催化抑菌活性的影響

由圖2可知，N-P25材料抑菌率隨煅燒溫度的升高呈逐漸增加的趨勢，在550℃抑菌率最高。高溫煅燒使更多的N元素摻入二氧化鈦晶體中，形成雜質置換缺陷，這個置換缺陷的存在可擴大激發波長的范圍，提高光催化反應效率，從而提高N-P25材料抑菌率。550℃以后，N-P25材料抑菌率隨著溫度的升高開始下降，這是因為納米二氧化鈦部分銳鈦礦晶型轉化為金紅石晶型。摻雜元素的存在會影響溫度對TiO2晶型轉化的作用，這可能是導致煅燒溫度對N-P25材料抑菌率產生不同影響的原因［19］。

圖2 不同煅燒溫度下改性P25-N材料的抑菌率Fig.2 Antibacterial rate of modified P25-N material at different calcining temperature

2.2.3 煅燒時間對N摻雜改性P25材料可見光催化抑菌活性的影響

由圖3可知，隨著煅燒時間的增加，N-P25材料的抑菌率呈先升高后降低趨勢，煅燒時間為1.5 h時NP25材料的抑菌率最高。這是因為短時間的煅燒可以提供適當的動能加速分子無序運動從而使得N元素摻入二氧化鈦晶體中，而長時間的煅燒會提供過量的熱能使得摻入二氧化鈦晶體中N元素部分逸出，減少二氧化鈦晶體中N元素摻雜量。另外，煅燒時間過長會導致TiO2的銳鈦礦相和金紅石相晶體粒徑不同程度的增大［20］。

圖3 不同煅燒時間下改性P25-N材料的抑菌率Fig.3 Antibacterial rate of modified P25-N material at different calcining time

2.2.4 空白對照試驗

由圖4可知，隨著光照時間的增長，無光照組和空白組大腸桿菌菌落數無明顯變化，而P25抑菌材料的抑菌率呈持續上升趨勢，最高可達79%。表明P25材料只有在光照條件下才能發揮抑菌性，光能激發是P25發揮抑菌性的必要條件。

圖4 P25抑菌材料在可見光下對大腸桿菌的抑菌性Fig.4 Antibacterial rate of P25material in the visible light

由圖5可知，隨著光照時間的增長，無光照組和空白組大腸桿菌菌落數無明顯變化，而N-P25材料組的抑菌率呈持續上升趨勢，其在可見光條件下對大腸桿菌的抑菌率最高可達90%，相對P25在可見光條件下79%的抑菌率有較大的改善，這表明采用研磨煅燒法用脲對P25材料進行改性可提高材料抑菌率。

圖5 不同材料在可見光下的抑菌率Fig.5 Antibacterial rate of different material in the visible light

2.3 二次旋轉回歸設計試驗結果

對抑菌材料制備工藝中的煅燒溫度A、煅燒時間B和脲摻雜量C三個因素做二次旋轉回歸試驗，試驗結果如表2所示。

表2 改性P25-N材料滅活大腸桿菌二次旋轉回歸設計試驗結果Table 2 Experiment result of secondary rotation regression design on inactivated E.coli of modified P25-N material

Design expert程序對結果進行回歸分析，得出NP25改性材料對大腸桿菌抑菌率Y的回歸模型方程為:

Y=91.7-1.57A+1.3B+2.62C-0.48AB-1.73AC-0.43BC-7.31A2-0.51B2-1.61C2

對回歸方程進行方差分析，所得結果見表3。方差分析表3中F值為20.61，說明模型顯著，未知因素對試驗結果干擾很小，說明所選的二次回歸模型是適當的。模型Pr＞F=0.000 3＜0.05，說明所建立的二次回歸模型極顯著，表明回歸方程擬合程度較好，可以對模型進行預測。條件(Pr＞F)＜0.05表明該條件是顯著條件，復相關指數為0.963 6，說明該數學模型各因素對抑菌率的影響占96.36%。對各試驗因子的的偏回歸系數的檢驗結果表明:A2、C的偏回歸系數達到極顯著水平(P＜0.01);A、B、AC、C2的偏回歸系數達到顯著水平(0.01＜P＜0.05)。

表3 模型方差分析和顯著性檢驗結果Table 3 Results from model variance analysis and significance test

根據二次回歸的數學模型分析結果，最優條件為摻雜量為8.72 g，煅燒溫度548.27℃，煅燒時間為1.87 h?？紤]到實際可操作性，最終選取摻雜量為8.70 g，煅燒溫度548℃，煅燒時間為1.9 h。

3 結論

根據二次回歸模型分析結果可知，改性P25-N材料的最佳制備條件為:脲摻雜量8.70 g/g P25，煅燒溫度548℃，煅燒時間為1.9 h?？梢姽鈼l件下，改性P25-N材料對大腸桿菌的抑菌率為90%，較未改性的P25材料抑菌率(79%)提高了11%，說明通過N摻雜改性，可以P25提高其對光照的吸收能力，增強其可見光催化抑菌性，這為TiO2運用于制備抑菌性水果包裝膜技術提供了可能。

［1］ 鄭楊，生吉萍，申琳.采后處理方法對果蔬口感品質的改良研究進展［J］.食品科學，2009，30(13):276-279.

［2］ 汪國超，徐偉民，張麟.果蔬保鮮方法的研究進展［J］.包裝學報，2011，3(4):57-61.

［3］ Funda Say lkana，Meltem Asilturka，Nadir Kirazb，et al.Photocatalytic antibacterial performance of Sn-doped TiO2thin films on glass substrate［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，162(2-3):1 309-1 316.

［4］ Magdalena Janus，Beata Wawrzyniak，Beata Tryba，et al.Dye decomposition on P25with enhanced adsorptivity［J］.Polish Journal of Chemical Technology，2008，10(2):11-16.

［5］ Znad H，Kawase Y.Synthesis and characterization of S-doped Degussa P25with application in decolorization of Orange II dye as a model substrate［J］.Journal of Molecular Catalysis A:Chemical，2009，314(1-2):55-62.

［6］ Pigeot-Rémy S，Simonet F，Errazuriz-Cerda E，et al.Potocatalysis and disinfection of water:Identification of potential bacterial targets［J］.Applied Catalysis B:Environmental，2011，104(3-4):390-398.

［7］ Leah R Quisenberry，Luke H Loetscher，Joel E Boyd.Catalytic inactivation of bacteria using Pd-modified titania［J］.Catalysis Communications，2009，10(10):1 417-1 422.

［8］ LI Ling，ZHUANG Hui-sheng，BU Dan.Characterization and activity of visible-light-driven TiO2photocatalyst codoped with lanthanum and iodine［J］.Applied Surface Science，2011，257(4):9 221-9 225.

［9］ Terry A Egerton，John A Mattinson.The influence of platinum on UV and‘visible’photocatalysis by rutile and Degussa P25［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry，2008，194(2):283-289.

［10］ Karunakaran C，Abiramasundari G，Gomathisankar P，et al.Cu-doped TiO2nanoparticles for photocatalytic disinfection of bacteria under visible light［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2010，352(1):68-74.

［11］ 岳遠霞，馮慶，王寅.Mn與非金屬元素N，C，S共摻銳鈦礦型TiO2電子性質和光學性質研究［J］.原子與分子物理學報，2013，30(3):479-486.

［12］ Ji Sun Im，Seok-Min Yun，Young-Seak Lee.Investigation of multielemental catalysts based on decreasing the band gap of titania for enhanced visible light photocatalysis［J］.Journal of Colloid And Interface Science，2009，336(1):183-188.

［13］ 李宗寶，賈禮超，王霞.N、C共摻雜銳鈦礦相TiO2電子結構和光學性質的第一性原理研究［J］.原子與分子物理學報，2014(5):844-850.

［14］ PENG Feng，CAI Lingfeng，HUANG Lei，et al.Preparation of nitrogen-doped titanium dioxide with visible-light photocatalytic activity using a facile hydrothermal method［J］.Journal of Physics and Chemistry of Solids，2007，69(7):1 657-1 664.

［15］ 張高文，楊侃，葉瑩，等.N摻雜TiO2/SiO2雙層中空微球的制備及可見光光催化活性研究［J］.材料導報，2013(20):18-21.

［16］ 張靜，宋賢良，歐春鳳，等.改性P25-S材料對大腸桿菌的抑菌效果［J］.南方農業學報，2012(9):1 373-1 377.

［17］ 武小滿，郭麗麗，儲帥.Fe3+摻雜TiO2在太陽光下的催化性能研究［J］.化工新型材料，2013(11):121-123.

［18］ Irie H，Watanabe Y，Hashimoto K.Hydrogen production using highly active titanium oxide-based photocatalysts.［J］.Phys Chem B，2003，107(32):5 483-5 486.

［19］ 李明.丙酮溶劑熱法制備納米TiO2高可見光光催化活性起因研究［D］.杭州:浙江大學，2007.

［20］ Beata Wawrzyniak，Antoni W Morawski.Solar-light-induced photocatalytic decomposition of two azo dyes on new TiO2photocatalyst containing nitrogen［J］.Applied Catalysis B:Environmental，2006，62(1):150-158.