二氧化鈦納米管光催化降解蘋果汁中展青霉素的工藝優化

岳志鵬,黃彩平,張 菡,2,彭幫柱,*

(1.華中農業大學食品科學技術學院,湖北武漢 430070;2.西安彩虹星球農業科技有限公司,陜西西安 710061)

展青霉素(Patulin,PAT)又名棒曲霉素,是一種真菌次生代謝產物,具有急性或亞急性毒性、致畸、致突變等作用[1-3]。由于展青霉素的毒副作用,世界各國、各地區對展青霉素的限量在10～50 μg/L[4-5]。展青霉素主要污染水果及其制品,在蘋果汁中,展青霉素的污染尤為嚴重。關于展青霉素的控制,主要集中在物理、化學以及生物三大方法[6],現有的方法大多存在對產品品質影響較大、處理時間長、處理費用高昂、有毒物質的二次污染等問題,一定程度上限制了相關技術的應用[7-9]。

半導體光催化技術在降解常規方法難以去除的有機污染物方面表現出優異的性能,目前,已經有少量關于二氧化鈦光催化降解農藥殘留和真菌毒素的研究,Mir等[10]研究發現TiO2P25比UV100和PC500在光催化降解新煙堿類農藥(噻蟲嗪)時表現出更高的光催化活性;Wu等[11]研究發現TiO2在90 min內可光催化降解約99%有機磷農藥(特丁硫磷);鄧楊[12]制備出磁性TiO2-SiO2反蛋白石光子晶體微球用于光催化降解真菌毒素(脫氧雪腐鐮刀菌烯醇),5 h內可以減少49%的脫氧雪腐鐮刀菌烯醇。但是,目前利用二氧化鈦光催化降解展青霉素的相關研究較少[13]。

本文以二氧化鈦為前驅體,利用水熱法制備出二氧化鈦納米管,以其光催化降解展青霉素所用時間作為活性評價指標,進行二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的單因素實驗和正交優化試驗,通過優化、評價相關工藝參數,在短時間內把體系中展青霉素含量降低至檢測限以下,為二氧化鈦光催化降解技術在果汁加工中的應用提供理論支撐;本成果的成功應用有望高效解決我國果汁行業展青霉素超標的問題,為果汁行業的快速發展提供一定的技術保障。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蘋果 產地為山東煙臺富士,購于京東超市,無腐爛變質;展青霉素標準品(99%) 上海阿拉丁生化科技股份有限公司;二氧化鈦(TiO2,P25) 德國德固賽,購于浙江紹興利潔化工有限公司;氫氧化鈉、冰醋酸 分析純,國藥集團化學試劑有限公司;乙腈 色譜純,賽默飛世爾科技有限公司;二氧化鈦納米管(TNTs) 實驗室自制。

水熱反應釜 含100 mL聚四氟乙烯內襯,上海壘固儀器有限公司;紫外燈(24 mm×250 mm) 主波長為254 nm,上海季光特種照明電器廠;石英套管(30 mm×300 mm),石英反應容器(50 mm×250 mm)及鎮流器(功率為28 W) 上海季光特種照明電器廠;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鄭州長城科工貿有限公司;SX-4-10馬弗爐 常州榮華儀器制造有限公司;e2695高效液相色譜儀 美國Waters公司。

1.2 光催化反應裝置

參考李圍圍[13]的光催化反應裝置,實驗室自制光催化反應裝置示意圖如圖1所示,該裝置主要由集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、石英反應容器、石英套管、紫外燈等組裝而成。實驗過程中,需實時控制反應體系的溫度變化,集熱式恒溫加熱磁力攪拌器可實現控制反應溫度的作用,同時可保持催化劑充分分散于光催化反應體系中;石英反應容器中所加溶液的體積為250 mL,以保持液面高度的一致;紫外燈功率為28 W,可發光部位長度為18 cm,可通過控制紫外燈的有效照射長度來調節紫外燈的功率。

圖1 光催化反應裝置示意圖

1.3 實驗方法

1.3.1 展青霉素的高效液相色譜檢測 參考AOAC2000.02、李圍圍[13]、高振鵬等[14]的方法。

1.3.1.1 標準曲線的制作 將標準系列工作液由低濃度到高濃度依次進樣檢測,以展青霉素標準溶液的濃度為橫坐標,峰面積為縱坐標,繪制展青霉素標準曲線。

1.3.1.2 試樣的提取與凈化 對于成分比較簡單的模擬汁體系,可經0.22 μm微孔濾膜過濾,收集至液相小瓶中直接進行HPLC檢測;對于蘋果汁體系,則需要進行試樣的提取與凈化,具體操作過程為:取2 mL蘋果汁試樣,倒入分液漏斗中,加入20 mL乙酸乙酯,振蕩1 min,靜置分層后,取下層蘋果汁,重復提取3次,合并上層60 mL乙酸乙酯,再轉入分液漏斗中,加入4 mL飽和Na2CO3溶液振蕩30 s,靜置后取上層乙酸乙酯,用15 g無水Na2SO4過濾,40 ℃減壓蒸干,用1 mL pH為4.0的乙酸酸化水溶解,經0.22 μm微孔濾膜過濾,收集至液相小瓶中進行HPLC檢測。

1.3.1.3 HPLC色譜條件 色譜柱:Waters Symmetry C18色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm);檢測條件:柱溫為30 ℃,流動相為(乙腈∶水=10∶90),流速為1.0 mL/min,進樣量為50 μL,洗脫時間為20 min,檢測波長為276 nm。

1.3.1.4 展青霉素降解率的計算 展青霉素降解率按如下公式計算:

式中,R為t時刻時展青霉素的降解率(%);C0為反應體系中展青霉素的初始濃度(μg/L);Ct為t時刻時反應體系中展青霉素的濃度(μg/L)。

1.3.2 二氧化鈦納米管的制備 參考Lee等[15]的方法,采用水熱法合成二氧化鈦納米管:將1.0 g TiO2(P25)與50 mL 10 mol/L的NaOH混合,磁力攪拌30 min、超聲處理15 min后,制得均勻的TiO2懸濁液;將制成的TiO2懸濁液移入100 mL水熱反應釜中,在160 ℃下反應24 h;反應結束后,自然冷卻至室溫,用0.1 mol/L HCI洗至pH為1.0,再用超純水洗至中性,在60 ℃下干燥12 h;充分研磨后,將其置于馬弗爐中450 ℃下煅燒2 h,制得二氧化鈦納米管,記為TNTs。

1.3.3 蘋果汁的制備 參考尤菊[16]的方法,取新鮮完好的蘋果,清洗干凈后切塊,放入榨汁機中榨汁,四層紗布過濾后,在10000 r/min、4 ℃下離心10 min,收集上清蘋果汁于4 ℃下冷藏保存備用。

1.3.4 二氧化鈦與二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的活性對比實驗 在光催化反應裝置中,注入一定體積(250 mL)的展青霉素模擬汁,作為光催化反應體系。其中,催化劑投加量為1000 mg/L,紫外燈功率為21 W,展青霉素初始濃度為1000 μg/L,反應溫度為20 ℃,pH為4.0,在暗環境下攪拌15 min以達到吸附-解吸平衡。平衡后計時開始,0～30 min內每隔5 min取一次樣,30～60 min內每隔10 min取一次樣,每次取樣2 mL,離心(8000 r/min、5 min、4 ℃)后取上層清液進行HPLC檢測,按照1.3.1.4中公式計算展青霉素的降解率(當體系中展青霉素含量降低到檢測限以下時,計此刻體系中展青霉素的濃度Ct≈0,即展青霉素的降解率為100%),以體系中展青霉素含量降低到檢測限以下時所用時間t作為活性評價指標。

1.3.5 單因素實驗 按照下述方法考察不同因素在光催化處理過程中對展青霉素降解效果的影響,以體系中展青霉素含量降低到檢測限以下時所用時間作為降解效果的評價指標,其余處理方法同1.3.4。

1.3.5.1 紫外燈功率對展青霉素降解效果的影響 固定二氧化鈦納米管的投加量為100 mg/L,反應溫度為20 ℃,pH為4.0;紫外燈功率是通過改變燈管的長度(用錫箔紙遮蔽)進行調節,因長度有限,故設置了3個試驗點,考察不同紫外燈功率(7、14、21 W)對展青霉素降解效果的影響。

1.3.5.2 反應溫度對展青霉素降解效果的影響 固定二氧化鈦納米管的投加量為100 mg/L,紫外燈功率為21 W,pH為4.0;反應溫度是通過恒溫水浴鍋進行控制,參考李圍圍[13]中試驗點設置方法,且考慮到實驗條件有限,故設置了3個試驗點,考察不同反應溫度(4、20、40 ℃)對展青霉素降解效果的影響。

1.3.5.3 pH對展青霉素降解效果的影響 固定二氧化鈦納米管的投加量為100 mg/L,紫外燈功率為21 W,反應溫度為20 ℃;由于蘋果汁pH約為4.0,且考慮到實驗條件有限,故設置了3個試驗點,考察不同pH(3.0、4.0、5.0)對展青霉素降解效果的影響。

1.3.5.4 二氧化鈦納米管的投加量對展青霉素降解效果的影響 固定紫外燈功率為21 W,反應溫度為20 ℃,pH為4.0(考慮到蘋果汁pH約為4.0);由于多相催化反應中,催化劑的投加量要在適當范圍內,且考慮到實驗條件有限,故設置了3個試驗點,考察不同二氧化鈦納米管的投加量(100、500、1000 mg/L)對展青霉素降解效果的影響。

1.3.6 正交試驗 基于單因素實驗結果,由于pH系蘋果汁自身特性,且蘋果汁的pH約為4.0,故選擇二氧化鈦納米管的投加量、紫外燈功率、反應溫度這三個因素設計3因素3水平的正交試驗,具體參數設置見表1;按照正交試驗設計的方法進行光催化反應,計時開始后,每隔5 min取一次樣,以反應體系中展青霉素降解完全用時(展青霉素含量降低到檢測限以下時所用時間,即展青霉素的降解率為100%時所用時間)作為降解效果的評價指標,其余處理方法同1.3.4。

表1 正交試驗因素水平表

1.3.7 二氧化鈦納米管在模擬汁和蘋果汁中光催化降解展青霉素的效果對比實驗 在光催化反應裝置中,注入一定體積(250 mL)的展青霉素模擬汁(或蘋果汁),作為光催化反應體系。在最佳工藝條件下,進行二氧化鈦納米管在模擬汁和蘋果汁中光催化降解展青霉素的效果對比實驗,以反應體系中展青霉素含量降低到檢測限以下時所用時間作為降解效果的評價指標,反應計時開始后,每隔5 min取一次樣,其余處理方法同1.3.4。

1.3.8 溶液的配制

1.3.8.1 展青霉素標準儲備溶液(100 μg/mL) 用適量乙酸乙酯溶解5.0 mg展青霉素標準品,移入50 mL的容量瓶中,用乙酸乙酯定容至刻度,在-20 ℃下冷凍保存備用,6個月內有效。

1.3.8.2 展青霉素標準工作液(1 μg/mL) 移取1 mL經標定過的展青霉素標準儲備溶液,移入100 mL容量瓶中,用乙酸乙酯定容至刻度,在4 ℃下避光保存備用,3個月內有效。

1.3.8.3 展青霉素標準系列工作溶液 準確移取一定體積的標準工作液于蒸餾瓶中,40 ℃減壓蒸干,用pH為4.0的乙酸酸化水充分溶解后,移入10 mL容量瓶中定容至刻度,配制展青霉素濃度分別為25、50、100、250、500、1000、1500、2000 μg/L系列標準工作溶液。

1.3.8.4 展青霉素模擬汁或蘋果汁(1000 μg/L) 移取適量展青霉素標準儲備液于蒸餾瓶中,40 ℃減壓蒸干,用不同pH的乙酸酸化水(或蘋果汁)充分溶解后,移入容量瓶中定容至刻度,配制初始濃度為1000 μg/L的展青霉素模擬汁或蘋果汁。

1.4 數據處理

每個實驗平行測定三次,實驗數據以平均值±標準差表示,采用Origin 8.0(Origin Lab公司)、SPSS 11.0(IBM公司)對數據進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 展青霉素的標準曲線

展青霉素標準曲線如圖2所示,線性回歸方程為y=203.99x-3281.64,決定系數R2=0.999,在25～2500 μg/L濃度范圍內,展青霉素含量與相應的峰面積之間具有良好的線性關系。

圖2 展青霉素標準曲線

2.2 二氧化鈦與二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的活性對比

二氧化鈦與二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的活性對比如圖3所示。由圖3可知,二氧化鈦納米管可在25 min內將展青霉素含量降低至檢測限以下,比二氧化鈦少用時15 min,因此,二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的活性高于二氧化鈦,這可能與二氧化鈦納米管的結構形態有關,與二氧化鈦相比,二氧化鈦納米管具有較高的孔隙率、較大的比表面積和獨特的管狀結構,吸附性能較強,而這種吸附性能的增強恰恰有利于加快光催化降解展青霉素的進程,根據Langmuir-Hinshelwood降解動力學可知,在非均相光催化體系中,催化劑對于污染物發生表面吸附是光催化降解反應的前提,因此,增強催化劑的吸附作用將有助于催化劑表面的電荷轉移,從而降低光生電子-空穴的復合率,提高光催化效率[17-19]。趙謙等[20]也利用水熱-煅燒法制備出高比表面積的二氧化鈦納米管,用該二氧化鈦納米管光催化降解甲基橙時表現出高于二氧化鈦的光催化活性。

圖3 二氧化鈦與二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的活性對比

2.3 單因素實驗結果

2.3.1 紫外燈功率對展青霉素降解效果的影響 紫外燈功率對展青霉素降解效果的影響如圖4所示。由圖4可知,隨著紫外燈功率的增大,二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的效率有明顯的提高,可能原因為:紫外燈功率的增大,激發催化劑的能量隨之增加,產生了更多的空穴-電子對、活性氧自由基等活性成分,從而提高了二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的效率;此外,紫外光自身也具有一定的降解展青霉素的作用[21-22],增加紫外燈功率有利于展青霉素的降解。

圖4 紫外燈功率對展青霉素降解效果的影響

結果顯示,紫外燈功率在21 W時,將體系中的展青霉素降解完全用時最少,由于紫外燈裝置的最大有效照射功率為21 W,并且紫外燈功率是通過改變燈管的長度(用錫箔紙遮蔽)來調節的,調節比較困難,故在正交優化試驗中設置7、14、21 W三個水平。

2.3.2 反應溫度對展青霉素降解效果的影響 反應溫度對展青霉素降解效果的影響如圖5所示。由圖5可知,隨著反應溫度的升高,二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的效率有一定程度的提高,但在20、40 ℃時,二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的效果相差不大,可能原因為:二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的反應對反應溫度有一定的依賴性,即在一定范圍內,反應溫度越高,自由基反應越活躍[23],越有利于光催化反應的進行;但是,二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的反應對反應溫度的依賴性不強,根據阿累尼烏斯(Arrhenius)公式[24]計算得出,二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的表觀活化能較低,僅為9.242 kJ/mol。

圖5 反應溫度對展青霉素降解效果的影響

實驗表明,反應溫度對光催化降解效率影響不大,隨溫度增加,降解效率略有提升;但是,處理蘋果汁時溫度過高,容易造成營養損失、風味劣變等不良影響;綜合這些因素,故于正交優化試驗中,在室溫范圍內設置20、25、30 ℃三個水平。

2.3.3 pH對展青霉素降解效果的影響 pH對展青霉素降解效果的影響如圖6所示。由圖6可知,在酸性條件下,隨著pH的增大,二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的效率明顯提高,這可能與反應物的自身結構和特性有關,展青霉素是高活性的不飽和內酯化合物,在酸性環境中非常穩定,堿性條件下易發生分解[25],由此推測,隨著光催化反應體系酸性的減弱,展青霉素的穩定性下降,更容易被光催化降解,導致二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的效率提高。

圖6 pH對展青霉素降解效果的影響

結果顯示,pH為5.0時,二氧化鈦納米管可在20 min內將初始濃度為1000 μg/L的展青霉素降解完全,比pH為3.0或4.0時的降解時間少20 min;但是,由于pH系蘋果汁自身特性,且蘋果汁的pH約為4.0,故pH不作為正交優化試驗的因素。

圖7 二氧化鈦納米管的投加量對展青霉素降解效果的影響

結果表明,二氧化鈦納米管的投加量在500、1000 mg/L時,將體系中的展青霉素降解完全用時相同,進一步增加二氧化鈦納米管的投加量,只會給后期將其從體系中分離增加困難,故于正交優化實驗中,在500 mg/L兩側各取一點,設置250、500、750 mg/L三個水平。

2.4 正交試驗結果

正交試驗結果及極差分析見表2,通過極差分析,結合實際生產條件,得到二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的最優方案為A2B3C2,即紫外燈功率為21 W,二氧化鈦納米管的投加量為500 mg/L,反應溫度為25 ℃。采用SPSS進行單變量方差分析,正交試驗方差分析結果見表3,依據各因素F值和顯著性水平判斷,紫外燈功率(因素B)對展青霉素降解效果的影響顯著(P<0.05)。在最優工藝條件下,進行驗證性實驗,結果見2.5。

表2 正交試驗結果及極差分析

表3 正交試驗方差分析

2.5 二氧化鈦納米管在模擬汁和蘋果汁中光催化降解展青霉素的效果對比

二氧化鈦納米管在模擬汁和蘋果汁中光催化降解展青霉素的效果對比如圖8所示。由圖8可知,展青霉素初始濃度為1000 μg/L時,在最佳工藝條件下,25 min內可將模擬汁中的展青霉素含量降低至檢測限以下,45 min內可將蘋果汁中的展青霉素含量降低至檢測限以下。與模擬汁相比,蘋果汁的成分更加復雜,蘋果汁中含有糖類等營養成分、維生素C等抗氧化成分以及各種有機酸和微量元素[28],需要較多的反應時間去降解展青霉素。二氧化鈦納米管光催化反應產生的自由基具有很強的氧化或還原能力,這些活性自由基可以與蘋果汁中的氧化性或還原性成分發生反應,這樣勢必會減少這些活性自由基與蘋果汁中的展青霉素發生反應的機會,從而影響了二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的效率;此外,與模擬汁相比,蘋果汁顏色比較深,這些有色物質能夠吸收更多劑量的紫外輻射,使得二氧化鈦納米管光催化劑受到的紫外有效輻射劑量降低,也影響到二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的效率。

圖8 二氧化鈦納米管在模擬汁和蘋果汁中光催化降解展青霉素的效果對比

3 結論

本文利用水熱法制備出二氧化鈦納米管,利用正交試驗對其光催化降解展青霉素的工藝參數進行了優化研究。結果表明:二氧化鈦納米管與二氧化鈦光催化降解展青霉素的活性對比結果顯示,二氧化鈦納米管比二氧化鈦表現出更高的光催化降解展青霉素的活性;二氧化鈦納米管光催化降解展青霉素的最佳工藝為:二氧化鈦納米管的投加量為500 mg/L,紫外燈功率為21 W,反應溫度為25 ℃;在最佳工藝條件下,當反應體系中展青霉素的初始濃度為1000 μg/L時,二氧化鈦納米管在模擬汁與蘋果汁中降解展青霉素的活性比對結果顯示,25 min內可將模擬汁中的展青霉素含量降低到檢測限以下,45 min內可將蘋果汁中的展青霉素含量降低到檢測限以下。因此,與常規展青霉素去除方法相比,二氧化鈦納米管可在較短時間內高效降解展青霉素,利用二氧化鈦納米管光催化降解果汁中展青霉素具有一定的可行性。