TiO2光催化降解花生油中黃曲霉毒素B1及其動力學研究

徐程鵬,葉盛英,崔曉蕾,張 全,梁 妍

(華南農(nóng)業(yè)大學食品學院,廣東廣州 510642)

黃曲霉毒素(aflatoxin,AFT)是世界公認的一種毒性極強的毒素[1],經(jīng)常存在于發(fā)霉潮濕的糧油制品中,其中黃曲霉毒素B1(aflatoxin B1,AFB1)是AFT中毒性最強的一種,國際癌癥研究機構將其劃為1類致癌物質(zhì),歐洲委員會條例確定了各種產(chǎn)品中AFB1的最大允許量為2 ng/g[2]。誤食少量的AFB1會引起慢性中毒,大量誤食AFB1會引起急性中毒,影響生命安全[3]。全球的食用油消費以植物油為主,我國是世界上10種食用油消費最大的國家,花生油便是其中之一,花生油中營養(yǎng)價值豐富,含有豐富的不飽和脂肪酸和多酚類物質(zhì),但花生在高濕高溫的環(huán)境下,很容易受到黃曲霉的污染,以花生為主要原料的花生油也存在著黃曲霉毒素超標的風險,威脅人們的安全健康[4]。

據(jù)報道,花生油中AFB1檢出率及超標率分別為88.1%和11.9%[5]。目前,在花生油中清除AFB1的方法主要有物理法[6]、化學法[7]、生物學降解法[8]3種,物理法常見的有輻照[9]、紫外和高溫加熱[10]等,化學法主要有堿煉法、氨氣熏蒸和臭氧[11]等,生物法主要是酶解法[12-13],這些方法存在著一些不足,比如處理時間較長、損害營養(yǎng)物質(zhì)、去毒效率低、實踐應用受到限制[14-16]。TiO2光催化技術是近幾年來迅速發(fā)展起來的一種非均相高級氧化技術,是指利用近紫外光照射具有光催化活性的TiO2,使其產(chǎn)生高活性物質(zhì),并使有機物氧化逐步降解,最終生成為二氧化碳、水和無機鹽類的過程,主要應用于光解水制氫、太陽能電池、水體內(nèi)污染物的去除等[17-21],這也為花生油中安全可靠地去除AFB1奠定基礎,有望發(fā)展為實用的工業(yè)化去除AFB1技術。然而,基于TiO2光催化原理去除花生油AFB1的研究還未見報道。

本文將納米TiO2負載到石英管上,制備了負載型TiO2光催化劑,對所制備的光催化材料進行表征分析;在自行設計的反應器上,進行了光催化降解花生油中AFB1實驗研究,考察了AFB1光催化降解的影響因素,確定了AFB1光催化降解最佳工藝條件,提出了TiO2光催化降解AFB1的動力學方程,為工業(yè)化應用提供了理論和技術基礎。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

花生油(金龍魚一級純正物理壓榨花生油) 5 L/瓶,豐益貿(mào)易有限公司;納米TiO2粉末(P25) 德國贏創(chuàng)工業(yè)集團Evonik Degussa;聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30) 阿拉丁試劑(上海)有限公司;AFB1標樣 5 mg/瓶,北京普華仕科技發(fā)展有限公司;AFB1試劑盒 96孔,無錫百奧森科技有限公司;其他試劑均為分析純 廣州化學試劑廠。

紫外燈 254 nm,額定功率18 W,香河揚紫特光電設備有限公司;ESCALAB 250型X-射線光電子能譜儀 Thermo Fisher Scientific公司;D8 ADVANCE型X-射線衍射儀 德國Bruker公司;KDS蠕動泵 卡川爾流體科技上海有限公司;EW-97503-50型光強計 美國Cole-Parmer公司;SX2 4-10馬弗爐 上海實驗電爐廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 表征方法 通過X-射線衍射(X-ray diffraction,XRD)、X-射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)等技術表征TiO2晶型結構和離子價態(tài)等性質(zhì)。

1.2.2 TiO2薄膜的沉積與制備 在250 mL的錐形瓶中加入100 mL的蒸餾水,P25粉末和PVP-k30以3∶1的比例加到蒸餾水中,磁力攪拌1 h,用硝酸調(diào)節(jié)pH至3,磁力攪拌0.5 h,在常溫25 ℃下500 W超聲30 min,得到0.15 wt% TiO2溶膠。石英管表面進行酸化預處理,首先用1 mol/L的NaOH溶液浸泡6 h,蒸餾水沖洗后,在40%的HF溶液中浸泡12 h,蒸餾水沖洗,最后在丙酮溶液中浸泡6 h,以除去管壁上的有機雜質(zhì)。將配制好的TiO2溶膠轉移到200 mL的量筒中,將預處理后的石英管放入溶膠中浸漬2 h,勻速將玻璃管提出,于120 ℃烘箱中烘干,烘干時將玻璃管放置水平不斷旋轉,使膠體能夠均勻地負載在玻璃管上,待表面溶膠完全烘干后,于烘箱中繼續(xù)烘干2 h,馬弗爐中設定煅燒溫度(200、400、500、600 ℃),煅燒3 h,制成負載型TiO2。

1.2.3 光催化反應器的構建 圖1為光催化反應器示意圖,采用不銹鋼做成內(nèi)徑45 mm,高280 mm的油桶,油桶底部有高出15 mm的卡槽,用于固定空心石英玻璃管(長295 mm,直徑30 mm),玻璃管外表面負載活性光催化劑,紫外燈放在石英玻璃管內(nèi)部,以照射玻璃管外表面的光催化劑。兩臺小型蠕動泵起到循環(huán)作用,使花生油與TiO2充分接觸反應。期間保持反應溫度在25～28 ℃,營造一個常溫反應的環(huán)境。

圖1 光催化反應器示意圖Fig.1 Schematic diagram of photocatalytic reactor注:1.紫外燈,2.石英玻璃管,3.TiO2薄膜, 4.花生油入口,5.蠕動泵,6.花生油出口。

1.2.4 AFB1及花生油品質(zhì)檢測 為了驗證酶聯(lián)免疫吸附測定法(enzyme linked immune-sorbent assay,ELISA)能夠應用于本實驗AFB1的測定,我們分別用HPLC-MS(液質(zhì)聯(lián)用)和ELISA法檢測AFB1含量,并對檢測結果通過加標回收法進行對比,結果顯示,兩種方法測定結果一致(R2>0.99),說明ELISA可用于本實驗AFB1的測定。進行實驗時,光催化降解反應持續(xù)2 h,每隔20 min抽樣檢測AFB1的含量。

過氧化值和酸價的測定采用國標GB/5009.227-2016和GB/5009.229-2016方法測定。過氧化值采用滴定法測定,在油樣中加入飽和碘化鉀溶液,過氧化物和碘化鉀溶液反應生成碘,用硫代硫酸鈉標準溶液滴定生成的碘,并進行空白對照。酸價的測定采用冷溶劑指示劑滴定法,在油樣中加入乙醚-異丙醇混合溶液和酚酞指示劑,用氫氧化鈉標準溶液進行滴定,并進行空白對照。

1.2.5 光催化降解花生油中AFB1及品質(zhì)影響實驗 用0.15 wt% TiO2溶膠浸漬石英玻璃管,煅燒溫度400 ℃,煅燒時間3 h,AFB1的初始濃度80 μg/kg(將1 mg/kg的花生油和市售花生油(約含2 μg/kg)按比例混合),反應體積為200 mL,反應器循環(huán)速度800 mL·min-1,光照強度分別在16、18、22、24、26 μmol·m-2s-1反應條件下進行實驗,光照強度通過光強計測定,測定花生油中AFB1含量及過氧化值和酸價。然后在相同條件下,光照強度為26 μmol·m-2s-1時,進行循環(huán)速度對光催化降解AFB1的影響實驗,循環(huán)速度分別為400、800、1000、1200、1600 mL·min-1,測定花生油中AFB1含量及過氧化值和酸價。計算AFB1降解率用式(1)

式(1)

式中:η為降解率;C為t時刻AFB1質(zhì)量濃度,μg/kg;C0為AFB1的初始質(zhì)量濃度,μg/kg。

相關研究報道表明TiO2光催化反應的動力學方程符合Langmuir-Hinshewood(L-H)模型[22-23]:

式(2)

t=0時,C=C0;對式(2)進行積分得[24]:

式(3)

由于反應物AFB1濃度很低,因此K(C0-C)≈0,此時式(3)可簡化為:

式(4)

式中:r為光催化反應速率,μg·kg-1·t-1;C為t時刻AFB1的質(zhì)量濃度,μg/kg;C0為AFB1的初始質(zhì)量濃度,μg/kg;t為反應時間,min;k為理論一級速率常數(shù);K′為表觀一級速率常數(shù),min-1。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

在紫外光催化降解花生油中AFB1的實驗過程中,用ELISA法測定AFB1含量時進行3次平行測定并取平均值。Excel(Microsoft Office 2016)、Origin 9.0(美國Origin Lab公司)、JADE5.0(Material Data,美國)、XPS PEAK4.1(Raymund W.M. Kwok,臺灣)、SPSS16.0(IBM公司)軟件用來數(shù)據(jù)分析處理和差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 光催化材料的表征

圖2為不同煅燒溫度下負載型TiO2的XRD分析結果,從中可以看出,通過煅燒后制得的TiO2半導體材料在2θ=25.305°、27.432°、53.903°、54.284°等處出現(xiàn)顯著的二氧化鈦銳鈦礦的特征衍射峰,且隨著煅燒溫度的增加,衍射峰越來越尖。據(jù)研究表明,二氧化鈦的晶型組成和光催化活性有著一定的關系,當銳鈦礦和金紅石的混合晶體(非機械混合)存在時,TiO2具有較高的催化活性,即“混晶效應”[25-26]。

圖2 不同煅燒溫度下負載型TiO2的X射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction(XRD)patterns of supported TiO2 in different calcination temperature

根據(jù)Scherrer公式D=0.89λ/βCOSθ(公式中:D為晶粒垂直于晶面方向的平均厚度,nm;β為實測樣品衍射峰半高寬度,rad;θ為衍射角,rad;λ為X射線波長,nm)并結合儀器條件和XRD分析結果分別計算TiO2銳鈦礦和金紅石礦晶粒尺寸和物相質(zhì)量分數(shù),結果見表1。隨著煅燒溫度的升高,銳鈦礦的晶粒尺寸呈增大趨勢,400 ℃時,晶粒尺寸較小,光催化劑擁有更大的接觸面積,光催化效率更高[27]。煅燒溫度會引起TiO2銳鈦礦和金紅石發(fā)生相轉變,隨著溫度的升高,銳鈦礦的比例不斷下降,在200～400 ℃之間,銳鈦礦含量下降幅度較小,在500～600 ℃時,銳鈦礦的比例急劇下降,說明在500 ℃時大量的銳鈦礦開始向金紅石礦轉變,該過程中發(fā)生了TiO2晶格的重組和晶型的重新生長。

表1 不同煅燒溫度處理負載型TiO2銳鈦礦相的變化Table 1 Changes of anatase with different calcination temperature of supported TiO2

圖3為負載型TiO2煅燒溫度200 ℃和400 ℃時的O元素和Ti元素的XPS對比圖譜,表2為氧和鈦元素的電子能譜分析。可以看出,O和Ti兩種元素中不同電子軌道價態(tài)的峰擬合效果均較好。相比于200 ℃,煅燒溫度為400 ℃的氧元素的電子軌道峰型沒有出現(xiàn)明顯變化,但H2O or C-O的相對峰面積占比下降,-OH的相對峰面積占比由15.10%上升到了19.50%,說明煅燒溫度為400 ℃有利于促進-OH的形成,而羥基氧活性很高,是光催化反應的重要氧化物質(zhì)[28-29];相比于200 ℃,經(jīng)過400 ℃煅燒后Ti3+2P3/2和Ti3+2P1/2的含量均有所提高,Ti3+2P3/2的含量由0.11%提高到了0.20%,Ti3+2P1/2的含量由0.05%提高到了0.09%,Ti3+是二氧化鈦表面自由電子和空穴的捕獲中心,能夠抑制光生電子和空穴對的快速復合,提高光催化氧化的活性[30]。

圖3 負載型TiO2中O元素(圖a、b)和Ti元素(圖c、d)的XPS圖譜Fig.3 X-ray photoelectron spectroscopy patterns of O(Fig.a、b)and Ti(Fig.c、d)in supported TiO2

表2 氧和鈦元素光電子能譜分析Table 2 X-ray photoelectron spectroscopic analysis of O and Ti

2.2 煅燒溫度對降解AFB1的影響

圖4為煅燒溫度對AFB1降解率的影響。由圖4可知,AFB1降解率出現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在200～400 ℃時,降解率增大,400～600 ℃時,降解率逐漸減小,在400 ℃時,降解率最高,為73.02%。對煅燒溫度進行t檢驗,結果表明,不同溫度之間的p值<0.05,有顯著差異,400 ℃為最佳煅燒溫度。這也與前面的XPS表征結果一致,在400 ℃時,負載型TiO2的粒徑小,羥基氧含量和Ti3+的含量均有所提高,而羥基氧和Ti3+是光催化氧化的重要物質(zhì),能夠提高光催化效率。在相同條件,沒有催化劑存在時,花生油中AFB1的降解率為56.94%,說明紫外光對AFT有一定的降解效果,與文獻報道一致[31]。對比有、無催化劑AFB1降解率,TiO2光催化降解率提升了16.08%。

圖4 煅燒溫度對AFB1降解率的影響Fig.4 Effect of calcination temperature on AFB1 degradation rate注:不同字母表示差異性顯著(p<0.05)。

2.3 光催化降解花生油中AFB1動力學

圖5為光照強度和循環(huán)速度對AFB1的動力學影響圖。可以看到光催化降解AFB1符合一級動力學模型,R2>0.95,擬合直線有較好的擬合度。

圖5 光照強度和循環(huán)速度對AFB1的動力學影響Fig.5 Effects of UV light intensity and cycle speed on AFB1 kinetics

一級動力學模型的K′表明了降解速度的快慢,K′越大,光催化降解的速度越快。隨光照強度的增加,K′呈上升趨勢,光照強度為26 μmol·m-2s-1時,K′最大為0.01295 min-1;K′隨循環(huán)速度的變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在800 mL·min-1時,K′最大為0.0107 min-1,此時負載型TiO2表現(xiàn)出更強的降解AFB1的能力。循環(huán)速度過大,會導致花生油與光催化劑表面接觸時間短,AFB1還沒有來得及被氧化降解就脫離了催化劑表面,而循環(huán)速度過小則會導致花生油的傳輸速度過慢,影響光催化效率。

表3為光催化降解AFB1降解率、動力學方程及半衰期。可以看出,降解率隨光照強度增加而逐漸增加,在26 μmol·m-2s-1時,AFB1的降解率達到最大；降解率隨循環(huán)速度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在800 mL·min-1時達到最大。對不同光照強度和循環(huán)速度進行t檢驗,檢驗結果表明,對于其他光照強度,26 μmol·m-2s-1的p值<0.05,有顯著性差異,相比其他循環(huán)速度,800 mL·min-1的p值<0.05,差異顯著。

表3 光催化降解AFB1降解率、動力學方程及半衰期Table 3 Photocatalytic degradation of AFB1 degradation rate,kinetic equation and half-life

2.4 光催化降解花生油對品質(zhì)影響

圖6為光照強度和循環(huán)速度對花生油過氧化值和酸價的影響圖,圖中數(shù)據(jù)為三次重復實驗平均數(shù)。由圖可知,POV值和酸價在兩種操作條件下,呈現(xiàn)類似的變化趨勢,在不同光照強度或循環(huán)速度下,降解120 min,花生油的POV值都有所提高,而酸價則一直在0.7 mg·g-1附近波動。分別對兩種情況下的POV和酸價進行t檢驗,檢驗結果表明,降解時間為120 min時，不同光照條件下的POV和酸價p值均<0.5,有顯著性差異,不同循環(huán)速度下POV的p值>0.5,無顯著性差異,而400、1600 mL·min-1分別與800 mL·min-1之間酸價的p值<0.05,有顯著性差異。雖然POV和酸價在光催化降解過程中都有一定變化,但均在國家標準范圍內(nèi)(一級壓榨花生油POV<12 meq·kg-1,酸價<1.0 mg·g-1)。

圖6 光照強度和循環(huán)速度對花生油過氧化值和酸價的影響Fig.6 Effects of light intensity and cycle speed on POV and acid value of peanut oil

3 結論

制備光催化劑時,以不同煅燒溫度制備負載型TiO2光催化劑,XRD和XPS分析表明:隨煅燒溫度增加,銳鈦礦晶型衍射峰越來越尖銳,銳鈦礦質(zhì)量分數(shù)逐漸減小;400 ℃時,羥基氧和Ti3+的含量均較高。

利用煅燒溫度400 ℃所制備的負載型TiO2光催化劑,在自行設計的實驗系統(tǒng)上進行了光催化降解花生油中AFB1實驗。結果表明,光照強度、花生油循環(huán)速度影響光催化降解AFB1效率。確定的最佳實驗條件為:光照強度26 μmol·m-2s-1,循環(huán)速度800 mL·min-1。在最佳條件下,反應120 min,AFB1降解率達73.02%。光催化降解AFB1符合準一級動力學模型,R2>0.95,擬合效果較好。在降解過程中,過氧化值(peroxide value,POV)和酸價均符合國標一級壓榨花生油標準。

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