輻照對(duì)水溶液中亞硝酸鹽降解效果研究＊

毛青秀，鄧鋼橋，李文革，彭 玲，鄒朝暉，徐遠(yuǎn)芳，陳 薇

(1.中南大學(xué)隆平分院，湖南長(zhǎng)沙 410125;2.湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所，湖南長(zhǎng)沙 410125;3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128;4.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北武漢 430000)

亞硝酸鹽(Nitrite)作為肉制品中常見(jiàn)的食品添加劑，具有良好的發(fā)色效果，能有效抑制肉毒梭狀芽孢桿菌等微生物的生長(zhǎng)，改善肉制品風(fēng)味和組織結(jié)構(gòu)，賦予良好的品質(zhì)等作用被廣泛應(yīng)用于肉制品生產(chǎn)加工中。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了臘肉中亞硝酸鹽含量不得高于30 mg·kg-1，過(guò)量攝入亞硝酸鹽會(huì)對(duì)人體造成極大的危害。研究表明，亞硝酸鹽能使血色素中Fe2+氧化成Fe3+，產(chǎn)生大量的高鐵血紅蛋白從而使其失去攜氧和釋氧能力;此外，亞硝酸鹽還能與食物中廣泛存在的前體胺類(lèi)化合物反應(yīng)形成有致癌性的亞硝酰胺、重氮等化合物［1］，因此降低食品中亞硝酸鹽殘留量受到人們的高度重視。

輻照加工技術(shù)研究起于20世紀(jì)40年代［2］，應(yīng)用范圍十分廣泛，目前主要涉及的領(lǐng)域有輻射制備加工新材料、食品的保藏、醫(yī)療器具的消毒處理以及工業(yè)三廢的處理等［3］，近幾年成功應(yīng)用于六氯苯(HCB)［4］、氯霉素(CAP)［5］等污染物的降解，在凈化微量亞硝酸鹽的地下水方面［6］亦具有良好的效果。本文以亞硝酸鹽水溶液為研究對(duì)象，探討輻照對(duì)水溶液中亞硝酸鹽的降解效果、影響因素和輻解產(chǎn)物的研究，為進(jìn)一步研究輻照降解食品中亞硝酸鹽提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料 亞硝酸鹽、VC均為AR。重鉻酸銀劑量計(jì)，實(shí)驗(yàn)室自制，與中國(guó)計(jì)量科學(xué)院輻照加工計(jì)量比對(duì)，計(jì)量測(cè)量誤差＜±3%。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器 UV-2450紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(日本島津公司);AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀(德國(guó)BRAN+LUEBBE公司);BL-220H電子天平(日本島津公司);W10A超純水器(日本島津公司);FW-100高速萬(wàn)能粉碎機(jī)(天津市華鑫儀器廠)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 初始濃度對(duì)降解效果的影響試驗(yàn) 用蒸餾水配制濃度分別為25、50和100 mg·L-1的亞硝酸鹽溶液，待用。

1.2.2 Vc對(duì)降解效果的影響試驗(yàn) 準(zhǔn)確稱(chēng)取Vc 0.020、0.050 和 0.080 g，用 25 mg·L-1的亞硝酸鹽溶液定容至100mL容量瓶中，配制成Vc含量分別為0.02%、0.05%和 0.08%的亞硝酸鹽溶液，待用。

1.2.3 NaCl對(duì)降解效果的影響試驗(yàn) 準(zhǔn)確稱(chēng)取NaCl 0、2.000 和 8.000 g，用 25 mg·L-1的亞硝酸鹽溶液定容至100mL容量瓶中，配制成NaCl含量分別為0%、2%、8%的亞硝酸鹽溶液，待用。

分別吸取 1.2.1、1.2.2 和 1.2.3 中待用溶液10mL置于15mL聚丙烯離心管中密封，進(jìn)行輻照處理。

1.3 輻照處理

輻照采用60Co-γ射線進(jìn)行動(dòng)態(tài)輻照處理(湖南核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所)，放射性活度為9.62×1015Bq。輻照劑量設(shè)定為 0、2、6、10 kGy，每個(gè)劑量設(shè)3個(gè)平行，用重鉻酸銀劑量計(jì)跟蹤測(cè)定，以實(shí)測(cè)劑量為準(zhǔn)。輻照結(jié)束后，立即進(jìn)行輻照劑量和亞硝酸鹽含量的測(cè)定。

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 亞硝酸鹽含量測(cè)定方法 硝酸鹽含量測(cè)定按照GB5009.33-2010［7］進(jìn)行。亞硝酸鹽降解率按以下公式計(jì)算:

式中，ρ0和 ρt分別為輻照前后亞硝酸鹽的濃度。

1.4.2 硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量測(cè)定方法 硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的測(cè)定采用AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀進(jìn)行測(cè)定。取樣速率:30個(gè)/h，進(jìn)樣與清洗時(shí)間比為3∶1，基線10%。硝態(tài)氮含量以硝酸鉀作為標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定，銨態(tài)氮含量以硫酸銨為標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定。

1.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

分別準(zhǔn)確量取亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)使用液 0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、5、10、15、20mL，參照GB5009.33-2010稍作改進(jìn)，測(cè)定吸光度，并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯著性分析采用Duncan’s新復(fù)極差檢驗(yàn)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 輻照對(duì)水溶中亞硝酸鹽的降解效果

2.1.1 不同輻照劑量與亞硝酸鹽初始濃度對(duì)降解效果的影響 圖1表示不同初始濃度的亞硝酸鹽溶液經(jīng)不同劑量輻照處理后的殘留量和降解率。由統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，在P＜0.05水平下，水溶液中亞硝酸鹽輻照降解效果顯著，且隨著輻照劑量的增加，殘留量逐漸減少，降解率增大。當(dāng)輻照劑量為6.9 kGy時(shí)，25 mg·L-1亞硝酸鹽溶液中亞硝酸鹽的殘留量低于檢測(cè)水平，降解率達(dá)到100%;50 mg·L-1、100 mg·L-1亞硝酸鹽溶液中亞硝酸鹽的降解率分別75.55% 和47.31%;當(dāng)輻照劑量為 10.55 kGy 時(shí)，50 mg·L-1降解率達(dá)到 97.09%。在 P＜0.05水平下，不同初始濃度的亞硝酸鹽具有顯著性差異。亞硝酸鹽初始濃度越大，降解率越低。對(duì)輻照劑量和不同初始濃度下亞硝酸鹽殘留量進(jìn)行相關(guān)性分析，其中 R1=-0.940、R2=-0.989* 、R3=-0.987*(其中 R1、R2、R3分別為 25 mg·L-1、50 mg·L-1、100 mg·L-1亞硝酸鹽水溶液與輻照劑量的相關(guān)系數(shù))，說(shuō)明輻照劑量與初始濃度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.1.2 不同濃度Vc對(duì)降解效果的影響 圖2表示不同Vc濃度的亞硝酸鹽輻照處理后的結(jié)果。未經(jīng)輻照時(shí)，添加Vc的處理組與對(duì)照組(25.40 mg·L-1)相比，亞硝酸鹽殘留量有不同程度的降低，Vc添加量分別為 0.02%、0.05%和 0.08%時(shí)，其溶液中亞硝酸鹽殘留量為 19.88 mg·L-1、13.56 mg·L-1和9.79 mg·L-1，說(shuō)明Vc的添加能顯著降低亞硝酸鹽含量，Vc濃度越高降解效果越好，這與黃武營(yíng)的研究結(jié)果一致［8］。樣品經(jīng) 1.54 kGy輻照時(shí)，添加 Vc的亞硝酸鹽溶液中目標(biāo)物無(wú)法檢出，亞硝酸鹽降解率達(dá)100%。未添加Vc的亞硝酸鹽溶液降解率為35.32%，遠(yuǎn)低于添加Vc溶液中亞硝酸鹽降解率，這表明Vc與輻照對(duì)亞硝酸鹽降解具有協(xié)同作用。

圖2 不同輻照劑量和Vc濃度對(duì)其殘留量和降解率的影響Fig.2 The influence of nitrite residue and degradation rate by different irradiation dose and Vc concentration

2.1.3 不同濃度NaCl對(duì)降解效果的影響 研究NaCl在水溶液中對(duì)亞硝酸鹽輻照降解率的影響。圖3可以看出:輻照劑量為0 kGy時(shí)，不同NaCl添加量中亞硝酸鹽含量無(wú)顯著性變化(P＞0.05)，NaCl對(duì)水溶液中亞硝酸鹽無(wú)降解效果。樣品經(jīng)1.54 kGy輻照處理后，亞硝酸鹽整體殘留量均呈下降趨勢(shì)，添加NaCl的處理組與未添加NaCl的對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)處理組中亞硝酸鹽殘留量略高于對(duì)照組，增大劑量到6.90 kGy時(shí)，對(duì)照組中亞硝酸鹽無(wú)法檢出，處理組中亞硝酸鹽還有少量殘留，由此可以推斷NaCl能抑制輻照對(duì)水溶液中亞硝酸鹽的降解，其原因還有待研究。

圖3 不同輻照劑量和NaCl濃度對(duì)亞硝酸鹽殘留量的影響Fig3 The influence of nitrite residue by different irradiation dose and initial NaCl concentration

2.2 輻解產(chǎn)物的初探

表1為經(jīng)10.55 kGy劑量輻照處理后100 mg·L-1和25 mg·L-1亞硝酸鹽水溶液輻解產(chǎn)物中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的測(cè)定結(jié)果。輻照后100 mg·L-1和25 mg·L-1樣品中亞硝酸鹽含量明顯降低，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均有所增加，其中100 mg·L-1亞硝酸鹽溶液與25 mg·L-1相比，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量較高，這可能是因?yàn)楦邼舛认?，輻解產(chǎn)物的濃度也有相應(yīng)提高［5］。由統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，與對(duì)照組CK相比，輻照對(duì)樣品中硝態(tài)氮含量的影響極顯著，其中P1=0.000，P2=0.001，(P1、P2＜0.01);輻照對(duì)銨態(tài)氮含量的影響顯著，其中 P1=0.012，P2=0.037(P1、P2＜0.05)。由此看出，輻照能有效降解水溶液中的亞硝酸鹽，生成硝態(tài)氮和銨態(tài)氮等輻解產(chǎn)物。

表1 10.55 kGy劑量下不同濃度亞硝酸鹽中N含量Tab.1 The N content in different concentration of nitrite by 10.55 kGy

3 討論

亞硝酸鹽的降解率與初始濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。經(jīng)相同輻照處理后，水溶液中產(chǎn)生的活性基團(tuán)數(shù)量一致，但低濃度的亞硝酸鹽中的NO2-有更多的機(jī)會(huì)與活性自由基反應(yīng)，導(dǎo)致亞硝酸鹽的降解率增加;溶液中亞硝酸鹽含量越高，活性自由基數(shù)量相對(duì)減少，亞硝酸鹽的降解率降低，因此，100 mg·L-1的水溶液中亞硝酸鹽降解率低于25 mg·L-1的水溶液，降解量結(jié)果則相反。

Vc添加量對(duì)亞硝酸鹽的輻照降解效果有一定的影響，Vc與輻照協(xié)同作用能有效提高亞硝酸鹽的降解率。Vc為多羥基內(nèi)酯，水解釋放出的H+與亞硝酸鹽根離子具有高度的親和性，能促進(jìn)亞硝酸的生成，達(dá)到更好的降解效果。NaCl對(duì)水溶液中亞硝酸鹽的輻照降解有一定的抑制作用，具體原因還有待進(jìn)一步研究。

亞硝酸鹽溶液經(jīng)輻照處理后，溶液中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量增加，其中硝態(tài)氮含量高于銨態(tài)氮含量。由于輻照作用，亞硝酸鹽發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，與溶液中高活性粒子反應(yīng)時(shí)以失電子為主，N由+3價(jià)變化為+5，生成硝酸根離子，少部分N降低為-3價(jià)，生成銨根離子以銨鹽的形式存在。水溶液中氮的存在形式為銨態(tài)氮、有機(jī)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，有機(jī)氮主要為蛋白質(zhì)、尿素、氨基酸、胺類(lèi)、硝基化合物等。在純水配制的樣品中有機(jī)氮含量幾乎為零，輻照后溶液中N元素只有少部分轉(zhuǎn)移到硝態(tài)氮和銨態(tài)氮中，亞硝態(tài)氮的減少量與硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的生成量不呈對(duì)等關(guān)系，根據(jù)元素守恒定律，可以推測(cè)其他絕大部分的N元素可能以氣體的形式散發(fā)到空氣中，該推測(cè)是否正確以及氣體存在的具體形式還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本文研究了輻照對(duì)水溶液中亞硝酸鹽的降解效果，結(jié)果表明，輻照能有效的降低水溶液中的亞硝酸鹽含量，亞硝酸鹽的降解率與初始濃度呈負(fù)性相關(guān)關(guān)系，與輻照劑量呈正性相關(guān)關(guān)系，Vc對(duì)亞硝酸鹽輻照降解具有協(xié)同作用，NaCl對(duì)亞硝酸鹽的輻照降解具有抑制作用。輻照后亞硝酸鹽部分轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮和銨態(tài)氮，其他的產(chǎn)物可能以氣體的形式存在，這對(duì)于進(jìn)一步研究水溶液中輻照降解具有重要意義。

［1］吳永寧.正確看待亞硝酸鹽［J］.食品工業(yè)，2002，3:13-16.WU Yongning.Correct view of nitrite［J］.The Food Industry，2002，3:13-16.

［2］施培新.食品輻照加工原理與技術(shù)［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2002，326.SHI Peixin.Food irradiation processing principle and technology［M］.Beijing:Chinese Agricultural Science Press，2002，326.

［3］朱樹(shù)中.核應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展問(wèn)題研究［J］.中國(guó)核工業(yè)，2004，(2):24-27.ZHU Shuzhong.Development and research on nuclear technolo-gy industrialization［J］.China Nuclear Industry，2004，(2):24-27.

［4］鐘云，鄭正，趙永富，等.γ-輻照降解HCB的機(jī)理及動(dòng)力學(xué)研究［J］.河南科學(xué)，2007，25(5):385-388.ZHONG Yun，ZHENG Zheng，ZHAO Yongfu，et al.The mechanism and kinetics of HCB degraded by γ-irradiation［J］.Henan Science，2007，25(5):385-388.

［5］謝芳，哈益明，王鋒，等.γ-射線輻照水溶液中氯霉素的降解研究［J］.輻射研究與輻射工藝學(xué)報(bào)，2008，26(3):151-156.XIE Fang，HA Yiming，WANG Feng，et al.Studies on T-irradiation-induced-degradation of chloramphenicol in aqueous solution［J］.Journal of Radiation Research and Radiation Processing，2008，26(3):151-156.

［6］顧春暉，鄭正，趙永富，等.γ-輻照凈化水溶液中亞硝酸鹽的研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24(6):1226-1228.GU Chunhui，ZHENG Zheng，ZHAO Yongfu，et al.Elimination of nitrite in water solution by γ-Ray irradiation［J］.Journal of Agro-Environment Science，2005，24(6):1226-1228.

［7］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB5009.33-2010.National standards of the people’s republic of China.National Food Safety Standards.GB5009.33-2010.

［8］黃武營(yíng)，黃俊生，劉曉珠，等.傳統(tǒng)潮州鹵湯的調(diào)配及Vc對(duì)其亞硝酸鹽的清除作用［J］.中國(guó)調(diào)味品，2012，37(7):109-111.HUANG Wuying，HUANG Junsheng，LIU Xiaozhu，et al.The manufacture process of chaozhou traditional marinade and the effect of Vc to clean nitrite［J］.China Condiment，2012，37(7):109-111.