二氧化钛纳米管光催化降解苹果汁中展青霉素的工艺优化

岳志鹏,黄彩平,张 菡,2,彭帮柱,*

(1.华中农业大学食品科学技术学院,湖北武汉 430070;2.西安彩虹星球农业科技有限公司,陕西西安 710061)

展青霉素(Patulin,PAT)又名棒曲霉素,是一种真菌次生代谢产物,具有急性或亚急性毒性、致畸、致突变等作用[1-3]。由于展青霉素的毒副作用,世界各国、各地区对展青霉素的限量在10～50 μg/L[4-5]。展青霉素主要污染水果及其制品,在苹果汁中,展青霉素的污染尤为严重。关于展青霉素的控制,主要集中在物理、化学以及生物三大方法[6],现有的方法大多存在对产品品质影响较大、处理时间长、处理费用高昂、有毒物质的二次污染等问题,一定程度上限制了相关技术的应用[7-9]。

半导体光催化技术在降解常规方法难以去除的有机污染物方面表现出优异的性能,目前,已经有少量关于二氧化钛光催化降解农药残留和真菌毒素的研究,Mir等[10]研究发现TiO2P25比UV100和PC500在光催化降解新烟碱类农药(噻虫嗪)时表现出更高的光催化活性;Wu等[11]研究发现TiO2在90 min内可光催化降解约99%有机磷农药(特丁硫磷);邓杨[12]制备出磁性TiO2-SiO2反蛋白石光子晶体微球用于光催化降解真菌毒素(脱氧雪腐镰刀菌烯醇),5 h内可以减少49%的脱氧雪腐镰刀菌烯醇。但是,目前利用二氧化钛光催化降解展青霉素的相关研究较少[13]。

本文以二氧化钛为前驱体,利用水热法制备出二氧化钛纳米管,以其光催化降解展青霉素所用时间作为活性评价指标,进行二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的单因素实验和正交优化试验,通过优化、评价相关工艺参数,在短时间内把体系中展青霉素含量降低至检测限以下,为二氧化钛光催化降解技术在果汁加工中的应用提供理论支撑;本成果的成功应用有望高效解决我国果汁行业展青霉素超标的问题,为果汁行业的快速发展提供一定的技术保障。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

苹果 产地为山东烟台富士,购于京东超市,无腐烂变质;展青霉素标准品(99%) 上海阿拉丁生化科技股份有限公司;二氧化钛(TiO2,P25) 德国德固赛,购于浙江绍兴利洁化工有限公司;氢氧化钠、冰醋酸 分析纯,国药集团化学试剂有限公司;乙腈 色谱纯,赛默飞世尔科技有限公司;二氧化钛纳米管(TNTs) 实验室自制。

水热反应釜 含100 mL聚四氟乙烯内衬,上海垒固仪器有限公司;紫外灯(24 mm×250 mm) 主波长为254 nm,上海季光特种照明电器厂;石英套管(30 mm×300 mm),石英反应容器(50 mm×250 mm)及镇流器(功率为28 W) 上海季光特种照明电器厂;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器 郑州长城科工贸有限公司;SX-4-10马弗炉 常州荣华仪器制造有限公司;e2695高效液相色谱仪 美国Waters公司。

1.2 光催化反应装置

参考李围围[13]的光催化反应装置,实验室自制光催化反应装置示意图如图1所示,该装置主要由集热式恒温加热磁力搅拌器、石英反应容器、石英套管、紫外灯等组装而成。实验过程中,需实时控制反应体系的温度变化,集热式恒温加热磁力搅拌器可实现控制反应温度的作用,同时可保持催化剂充分分散于光催化反应体系中;石英反应容器中所加溶液的体积为250 mL,以保持液面高度的一致;紫外灯功率为28 W,可发光部位长度为18 cm,可通过控制紫外灯的有效照射长度来调节紫外灯的功率。

图1 光催化反应装置示意图

1.3 实验方法

1.3.1 展青霉素的高效液相色谱检测 参考AOAC2000.02、李围围[13]、高振鹏等[14]的方法。

1.3.1.1 标准曲线的制作 将标准系列工作液由低浓度到高浓度依次进样检测,以展青霉素标准溶液的浓度为横坐标,峰面积为纵坐标,绘制展青霉素标准曲线。

1.3.1.2 试样的提取与净化 对于成分比较简单的模拟汁体系,可经0.22 μm微孔滤膜过滤,收集至液相小瓶中直接进行HPLC检测;对于苹果汁体系,则需要进行试样的提取与净化,具体操作过程为:取2 mL苹果汁试样,倒入分液漏斗中,加入20 mL乙酸乙酯,振荡1 min,静置分层后,取下层苹果汁,重复提取3次,合并上层60 mL乙酸乙酯,再转入分液漏斗中,加入4 mL饱和Na2CO3溶液振荡30 s,静置后取上层乙酸乙酯,用15 g无水Na2SO4过滤,40 ℃减压蒸干,用1 mL pH为4.0的乙酸酸化水溶解,经0.22 μm微孔滤膜过滤,收集至液相小瓶中进行HPLC检测。

1.3.1.3 HPLC色谱条件 色谱柱:Waters Symmetry C18色谱柱(250 mm×4.6 mm,5 μm);检测条件:柱温为30 ℃,流动相为(乙腈∶水=10∶90),流速为1.0 mL/min,进样量为50 μL,洗脱时间为20 min,检测波长为276 nm。

1.3.1.4 展青霉素降解率的计算 展青霉素降解率按如下公式计算:

式中,R为t时刻时展青霉素的降解率(%);C0为反应体系中展青霉素的初始浓度(μg/L);Ct为t时刻时反应体系中展青霉素的浓度(μg/L)。

1.3.2 二氧化钛纳米管的制备 参考Lee等[15]的方法,采用水热法合成二氧化钛纳米管:将1.0 g TiO2(P25)与50 mL 10 mol/L的NaOH混合,磁力搅拌30 min、超声处理15 min后,制得均匀的TiO2悬浊液;将制成的TiO2悬浊液移入100 mL水热反应釜中,在160 ℃下反应24 h;反应结束后,自然冷却至室温,用0.1 mol/L HCI洗至pH为1.0,再用超纯水洗至中性,在60 ℃下干燥12 h;充分研磨后,将其置于马弗炉中450 ℃下煅烧2 h,制得二氧化钛纳米管,记为TNTs。

1.3.3 苹果汁的制备 参考尤菊[16]的方法,取新鲜完好的苹果,清洗干净后切块,放入榨汁机中榨汁,四层纱布过滤后,在10000 r/min、4 ℃下离心10 min,收集上清苹果汁于4 ℃下冷藏保存备用。

1.3.4 二氧化钛与二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的活性对比实验 在光催化反应装置中,注入一定体积(250 mL)的展青霉素模拟汁,作为光催化反应体系。其中,催化剂投加量为1000 mg/L,紫外灯功率为21 W,展青霉素初始浓度为1000 μg/L,反应温度为20 ℃,pH为4.0,在暗环境下搅拌15 min以达到吸附-解吸平衡。平衡后计时开始,0～30 min内每隔5 min取一次样,30～60 min内每隔10 min取一次样,每次取样2 mL,离心(8000 r/min、5 min、4 ℃)后取上层清液进行HPLC检测,按照1.3.1.4中公式计算展青霉素的降解率(当体系中展青霉素含量降低到检测限以下时,计此刻体系中展青霉素的浓度Ct≈0,即展青霉素的降解率为100%),以体系中展青霉素含量降低到检测限以下时所用时间t作为活性评价指标。

1.3.5 单因素实验 按照下述方法考察不同因素在光催化处理过程中对展青霉素降解效果的影响,以体系中展青霉素含量降低到检测限以下时所用时间作为降解效果的评价指标,其余处理方法同1.3.4。

1.3.5.1 紫外灯功率对展青霉素降解效果的影响 固定二氧化钛纳米管的投加量为100 mg/L,反应温度为20 ℃,pH为4.0;紫外灯功率是通过改变灯管的长度(用锡箔纸遮蔽)进行调节,因长度有限,故设置了3个试验点,考察不同紫外灯功率(7、14、21 W)对展青霉素降解效果的影响。

1.3.5.2 反应温度对展青霉素降解效果的影响 固定二氧化钛纳米管的投加量为100 mg/L,紫外灯功率为21 W,pH为4.0;反应温度是通过恒温水浴锅进行控制,参考李围围[13]中试验点设置方法,且考虑到实验条件有限,故设置了3个试验点,考察不同反应温度(4、20、40 ℃)对展青霉素降解效果的影响。

1.3.5.3 pH对展青霉素降解效果的影响 固定二氧化钛纳米管的投加量为100 mg/L,紫外灯功率为21 W,反应温度为20 ℃;由于苹果汁pH约为4.0,且考虑到实验条件有限,故设置了3个试验点,考察不同pH(3.0、4.0、5.0)对展青霉素降解效果的影响。

1.3.5.4 二氧化钛纳米管的投加量对展青霉素降解效果的影响 固定紫外灯功率为21 W,反应温度为20 ℃,pH为4.0(考虑到苹果汁pH约为4.0);由于多相催化反应中,催化剂的投加量要在适当范围内,且考虑到实验条件有限,故设置了3个试验点,考察不同二氧化钛纳米管的投加量(100、500、1000 mg/L)对展青霉素降解效果的影响。

1.3.6 正交试验 基于单因素实验结果,由于pH系苹果汁自身特性,且苹果汁的pH约为4.0,故选择二氧化钛纳米管的投加量、紫外灯功率、反应温度这三个因素设计3因素3水平的正交试验,具体参数设置见表1;按照正交试验设计的方法进行光催化反应,计时开始后,每隔5 min取一次样,以反应体系中展青霉素降解完全用时(展青霉素含量降低到检测限以下时所用时间,即展青霉素的降解率为100%时所用时间)作为降解效果的评价指标,其余处理方法同1.3.4。

表1 正交试验因素水平表

1.3.7 二氧化钛纳米管在模拟汁和苹果汁中光催化降解展青霉素的效果对比实验 在光催化反应装置中,注入一定体积(250 mL)的展青霉素模拟汁(或苹果汁),作为光催化反应体系。在最佳工艺条件下,进行二氧化钛纳米管在模拟汁和苹果汁中光催化降解展青霉素的效果对比实验,以反应体系中展青霉素含量降低到检测限以下时所用时间作为降解效果的评价指标,反应计时开始后,每隔5 min取一次样,其余处理方法同1.3.4。

1.3.8 溶液的配制

1.3.8.1 展青霉素标准储备溶液(100 μg/mL) 用适量乙酸乙酯溶解5.0 mg展青霉素标准品,移入50 mL的容量瓶中,用乙酸乙酯定容至刻度,在-20 ℃下冷冻保存备用,6个月内有效。

1.3.8.2 展青霉素标准工作液(1 μg/mL) 移取1 mL经标定过的展青霉素标准储备溶液,移入100 mL容量瓶中,用乙酸乙酯定容至刻度,在4 ℃下避光保存备用,3个月内有效。

1.3.8.3 展青霉素标准系列工作溶液 准确移取一定体积的标准工作液于蒸馏瓶中,40 ℃减压蒸干,用pH为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,配制展青霉素浓度分别为25、50、100、250、500、1000、1500、2000 μg/L系列标准工作溶液。

1.3.8.4 展青霉素模拟汁或苹果汁(1000 μg/L) 移取适量展青霉素标准储备液于蒸馏瓶中,40 ℃减压蒸干,用不同pH的乙酸酸化水(或苹果汁)充分溶解后,移入容量瓶中定容至刻度,配制初始浓度为1000 μg/L的展青霉素模拟汁或苹果汁。

1.4 数据处理

每个实验平行测定三次,实验数据以平均值±标准差表示,采用Origin 8.0(Origin Lab公司)、SPSS 11.0(IBM公司)对数据进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 展青霉素的标准曲线

展青霉素标准曲线如图2所示,线性回归方程为y=203.99x-3281.64,决定系数R2=0.999,在25～2500 μg/L浓度范围内,展青霉素含量与相应的峰面积之间具有良好的线性关系。

图2 展青霉素标准曲线

2.2 二氧化钛与二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的活性对比

二氧化钛与二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的活性对比如图3所示。由图3可知,二氧化钛纳米管可在25 min内将展青霉素含量降低至检测限以下,比二氧化钛少用时15 min,因此,二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的活性高于二氧化钛,这可能与二氧化钛纳米管的结构形态有关,与二氧化钛相比,二氧化钛纳米管具有较高的孔隙率、较大的比表面积和独特的管状结构,吸附性能较强,而这种吸附性能的增强恰恰有利于加快光催化降解展青霉素的进程,根据Langmuir-Hinshelwood降解动力学可知,在非均相光催化体系中,催化剂对于污染物发生表面吸附是光催化降解反应的前提,因此,增强催化剂的吸附作用将有助于催化剂表面的电荷转移,从而降低光生电子-空穴的复合率,提高光催化效率[17-19]。赵谦等[20]也利用水热-煅烧法制备出高比表面积的二氧化钛纳米管,用该二氧化钛纳米管光催化降解甲基橙时表现出高于二氧化钛的光催化活性。

图3 二氧化钛与二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的活性对比

2.3 单因素实验结果

2.3.1 紫外灯功率对展青霉素降解效果的影响 紫外灯功率对展青霉素降解效果的影响如图4所示。由图4可知,随着紫外灯功率的增大,二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的效率有明显的提高,可能原因为:紫外灯功率的增大,激发催化剂的能量随之增加,产生了更多的空穴-电子对、活性氧自由基等活性成分,从而提高了二氧化钛纳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],增加紫外灯功率有利于展青霉素的降解。

图4 紫外灯功率对展青霉素降解效果的影响

结果显示,紫外灯功率在21 W时,将体系中的展青霉素降解完全用时最少,由于紫外灯装置的最大有效照射功率为21 W,并且紫外灯功率是通过改变灯管的长度(用锡箔纸遮蔽)来调节的,调节比较困难,故在正交优化试验中设置7、14、21 W三个水平。

2.3.2 反应温度对展青霉素降解效果的影响 反应温度对展青霉素降解效果的影响如图5所示。由图5可知,随着反应温度的升高,二氧化钛纳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 ℃时,二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的效果相差不大,可能原因为:二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的反应对反应温度有一定的依赖性,即在一定范围内,反应温度越高,自由基反应越活跃[23],越有利于光催化反应的进行;但是,二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的反应对反应温度的依赖性不强,根据阿累尼乌斯(Arrhenius)公式[24]计算得出,二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的表观活化能较低,仅为9.242 kJ/mol。

图5 反应温度对展青霉素降解效果的影响

实验表明,反应温度对光催化降解效率影响不大,随温度增加,降解效率略有提升;但是,处理苹果汁时温度过高,容易造成营养损失、风味劣变等不良影响;综合这些因素,故于正交优化试验中,在室温范围内设置20、25、30 ℃三个水平。

2.3.3 pH对展青霉素降解效果的影响 pH对展青霉素降解效果的影响如图6所示。由图6可知,在酸性条件下,随着pH的增大,二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的效率明显提高,这可能与反应物的自身结构和特性有关,展青霉素是高活性的不饱和内酯化合物,在酸性环境中非常稳定,碱性条件下易发生分解[25],由此推测,随着光催化反应体系酸性的减弱,展青霉素的稳定性下降,更容易被光催化降解,导致二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的效率提高。

图6 pH对展青霉素降解效果的影响

结果显示,pH为5.0时,二氧化钛纳米管可在20 min内将初始浓度为1000 μg/L的展青霉素降解完全,比pH为3.0或4.0时的降解时间少20 min;但是,由于pH系苹果汁自身特性,且苹果汁的pH约为4.0,故pH不作为正交优化试验的因素。

图7 二氧化钛纳米管的投加量对展青霉素降解效果的影响

结果表明,二氧化钛纳米管的投加量在500、1000 mg/L时,将体系中的展青霉素降解完全用时相同,进一步增加二氧化钛纳米管的投加量,只会给后期将其从体系中分离增加困难,故于正交优化实验中,在500 mg/L两侧各取一点,设置250、500、750 mg/L三个水平。

2.4 正交试验结果

正交试验结果及极差分析见表2,通过极差分析,结合实际生产条件,得到二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的最优方案为A2B3C2,即紫外灯功率为21 W,二氧化钛纳米管的投加量为500 mg/L,反应温度为25 ℃。采用SPSS进行单变量方差分析,正交试验方差分析结果见表3,依据各因素F值和显著性水平判断,紫外灯功率(因素B)对展青霉素降解效果的影响显著(P<0.05)。在最优工艺条件下,进行验证性实验,结果见2.5。

表2 正交试验结果及极差分析

表3 正交试验方差分析

2.5 二氧化钛纳米管在模拟汁和苹果汁中光催化降解展青霉素的效果对比

二氧化钛纳米管在模拟汁和苹果汁中光催化降解展青霉素的效果对比如图8所示。由图8可知,展青霉素初始浓度为1000 μg/L时,在最佳工艺条件下,25 min内可将模拟汁中的展青霉素含量降低至检测限以下,45 min内可将苹果汁中的展青霉素含量降低至检测限以下。与模拟汁相比,苹果汁的成分更加复杂,苹果汁中含有糖类等营养成分、维生素C等抗氧化成分以及各种有机酸和微量元素[28],需要较多的反应时间去降解展青霉素。二氧化钛纳米管光催化反应产生的自由基具有很强的氧化或还原能力,这些活性自由基可以与苹果汁中的氧化性或还原性成分发生反应,这样势必会减少这些活性自由基与苹果汁中的展青霉素发生反应的机会,从而影响了二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的效率;此外,与模拟汁相比,苹果汁颜色比较深,这些有色物质能够吸收更多剂量的紫外辐射,使得二氧化钛纳米管光催化剂受到的紫外有效辐射剂量降低,也影响到二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的效率。

图8 二氧化钛纳米管在模拟汁和苹果汁中光催化降解展青霉素的效果对比

3 结论

本文利用水热法制备出二氧化钛纳米管,利用正交试验对其光催化降解展青霉素的工艺参数进行了优化研究。结果表明:二氧化钛纳米管与二氧化钛光催化降解展青霉素的活性对比结果显示,二氧化钛纳米管比二氧化钛表现出更高的光催化降解展青霉素的活性;二氧化钛纳米管光催化降解展青霉素的最佳工艺为:二氧化钛纳米管的投加量为500 mg/L,紫外灯功率为21 W,反应温度为25 ℃;在最佳工艺条件下,当反应体系中展青霉素的初始浓度为1000 μg/L时,二氧化钛纳米管在模拟汁与苹果汁中降解展青霉素的活性比对结果显示,25 min内可将模拟汁中的展青霉素含量降低到检测限以下,45 min内可将苹果汁中的展青霉素含量降低到检测限以下。因此,与常规展青霉素去除方法相比,二氧化钛纳米管可在较短时间内高效降解展青霉素,利用二氧化钛纳米管光催化降解果汁中展青霉素具有一定的可行性。