輝光放電等離子體對蘋果汁中棒曲霉素降解作用及對蘋果汁品質(zhì)的影響

孫　艷，蒲陸梅，龍海濤，張慧秀，薛華麗，畢　陽，*（.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，甘肅蘭州730070）

輝光放電等離子體對蘋果汁中棒曲霉素降解作用及對蘋果汁品質(zhì)的影響

孫艷1，蒲陸梅2，*，龍海濤2，張慧秀2，薛華麗2，畢陽1，*
（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，甘肅蘭州730070）

為了尋求一種能最大限度保持蘋果汁品質(zhì)又能有效降解其中棒曲霉素（Pat）的技術(shù)方法，本文采用輝光放電等離子體技術(shù)，研究了其對蘋果汁中棒曲霉素的降解效果及對果汁品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)直流電壓為550 V，電流范圍為145～155 mA時，輝光放電等離子體可在5 min內(nèi)有效降解蘋果汁中的棒曲霉素，降解效果顯著（p＜0.05），降解率達(dá)到96.63%。在0～30 min處理時間范圍內(nèi)，蘋果汁中的可溶性固形物無變化，蘋果汁的色值和透光率提高。10 min內(nèi)蘋果汁總酸度變化不大，pH稍微降低，粘度、電導(dǎo)率、A660和A420無顯著變化。綜合分析，10 min的處理時間已完全使蘋果汁中的棒曲霉素降低到一個很低的水平，又不會對蘋果汁的主要理化指標(biāo)造成影響。

蘋果汁，棒曲霉素，輝光放電等離子體，降解，品質(zhì)

我國的蘋果汁產(chǎn)量和出口量居世界前列，棒曲霉素（Patulin，Pat）是出口果汁檢驗的指標(biāo)之一。它是一種具有神經(jīng)毒性的真菌代謝產(chǎn)物，具有致癌、致畸和致突變作用。大量的研究表明，棒曲霉素具有基因毒性、細(xì)胞毒性、免疫毒性和生殖毒性［1］，能夠?qū)е虏溉閯游锛?xì)胞的DNA損傷［2］，染色體畸變和微核形成［3］，并且會損害動物的腎臟、肝臟和腸等器官組織［4］。世界上很多國家都對果汁中棒曲霉素的最大限量做了規(guī)定，如歐盟（European Union，EU）規(guī)定果汁中棒曲霉素的最大限量為50 μg/kg［5］。由于棒曲霉素化學(xué)結(jié)構(gòu)（見圖1）穩(wěn)定，很難在蘋果汁加工過程中將其消除。如果蘋果汁中棒曲霉素超標(biāo)，會危害人類健康，同時也帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究有效控制蘋果汁中棒曲霉素的方法具有非常重大的意義。

目前，國內(nèi)外對果汁中棒曲霉素控制的方法主要有物理方法和化學(xué)方法，物理方法包括活性炭吸附和樹脂吸附［6］等物理吸附，以及微波處理［7］、γ-射線輻照［8］、脈沖光輻照［9-10］和紫外線輻照［11-12］等。然而，物理吸附不能徹底降解棒曲霉素［13］，輻照處理局限性較大。化學(xué)方法主要是采用臭氧［14］、添加添加劑及巰基類物質(zhì)降解棒曲霉素［15］，其帶來食品安全問題。因此尋求一種能有效降解棒曲霉素并且對蘋果汁品質(zhì)造成最小影響的降解方法顯得尤為重要。

輝光放電等離子體（glow discharge plasma，GDP）處理是一種綠色環(huán)保、新興的電化學(xué)高級氧化技術(shù)，已較多地利用于水體中有機(jī)污染物的降解［16-18］，其特點是降解效率高，不會造成二次污染。但降解棒曲霉素及其對蘋果汁品質(zhì)的影響的研究尚未見報道。因此，本文研究了GDP對蘋果汁中的棒曲霉素降解作用及對蘋果汁主要理化指標(biāo)的影響，為輝光放電等離子體脫除食品中棒曲霉素的研究與應(yīng)用提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

圖1　棒曲霉素結(jié)構(gòu)式Fig.1　Structure of patulin

1　材料與方法

1.1材料與儀器

棒曲霉素標(biāo)準(zhǔn)品北京泰樂祺科技有限公司；蘋果紅富士，購自甘肅省靜寧縣；果膠酶（酶活力≥10萬U/g） 上海源葉生物科技有限公司；乙腈山東禹王實業(yè)有限公司化工分公司，色譜純；乙酸乙酯、碳酸鈉、冰乙酸上海中泰化學(xué)試劑有限公司，分析純。

DH1722-6型高壓直流電源北京大華無線電儀器廠；pHS-3C型數(shù)字酸度計上海分析儀器廠；78HW-1恒溫磁力攪拌器杭州儀表電機(jī)廠；FL 2200-2液相色譜系統(tǒng)中國浙江福立分析儀器有限公司；UV-2100紫外可見分光光度計日本島津；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上海亞榮生化儀器廠；SH2-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵鞏義市予華儀器有限公司；DF-9588型榨汁機(jī)深圳市聯(lián)創(chuàng)實業(yè)有限公司；WYT手持糖度計泉州中友光學(xué)儀器有限公司；DDS-11A數(shù)顯電導(dǎo)率儀上海雷磁新涇儀器有限公司；NDJ-79旋轉(zhuǎn)式粘度計上海同濟(jì)大學(xué)機(jī)電廠。

1.2實驗裝置

實驗裝置包括直流電源和反應(yīng)器。反應(yīng)器中的陽極為將直徑0.5 mm的鉑絲密封于燒結(jié)石英管中，尖端外露而制得的鉑電極，浸入液面。陰極為直徑1.0 cm碳棒。反應(yīng)溫度由水浴控制。當(dāng)施加電壓超過臨界值時，陽極產(chǎn)生輝光放電，且放電現(xiàn)象非常穩(wěn)定，在陽極尖端和液面之間呈現(xiàn)特殊的錐形等離子體區(qū)域。

雖然人生這場賽跑注定了不完全公平，但每一個階段的大抵公平還是有的。你選擇了什么，就會收獲什么；你將時間花在哪里，時間就會還給你什么。觀念左右行動，投入決定產(chǎn)出，一切最終輸出的結(jié)果都是由最初輸入的選擇和行動導(dǎo)致的。就好像那些經(jīng)典的老電影，所有故事的結(jié)局，在最開始的時候就已經(jīng)埋下了伏筆，只是有些你沒有看出來而已。

圖2　實驗裝置示意圖Fig.2　The schematic diagram of the experimental apparatus

1.3實驗方法

1.3.1蘋果汁的制備蘋果→清洗→去皮→切塊→在0.1%食鹽水中浸泡10 min→榨汁→四層紗布過濾→果膠酶解（溫度52℃、時間2 h、加酶量0.05 g/L）→抽濾→蘋果清汁

1.3.2GDP處理將蘋果汁分成A、B兩組進(jìn)行GDP處理，A組處理后進(jìn)行棒曲霉素的提取與含量測定，B組處理后直接進(jìn)行蘋果汁理化指標(biāo)的測定。A組：準(zhǔn)確吸取20 mL蘋果汁于反應(yīng)器中，加入0.5 mL 10 mg/L的棒曲霉素溶液，搖勻。在直流電壓為550 V、電流范圍為145～155 mA的條件下產(chǎn)生的輝光放電等離子體處理反應(yīng)液，處理時間為1、2、3、4、5 min。B組：準(zhǔn)確吸取20 mL蘋果汁于反應(yīng)器中，不加入棒曲霉素溶液，在同電壓、同電流的條件下處理時間分別為：5、10、15、20、25、30 min。

1.3.3棒曲霉素的提取取20 mL處理后A組樣品，置于125 mL分液漏斗，加入20 mL乙酸乙酯，振蕩1 min后靜置分層。將水層再用乙酸乙酯重復(fù)提取兩次，棄去水層，合并乙酸乙酯提取液。加入10 mL 14 g/L碳酸鈉溶液，立即振搖，靜置分層（此凈化操作應(yīng)盡可能在2 min之內(nèi)完成）。再加入10 mL乙酸乙酯提取碳酸鈉水層一次，棄去水層，合并乙酸乙酯提取液，加入5滴冰乙酸，于40℃減壓蒸發(fā)至剩余溶液約為1～2 mL，最后于40℃下用氮氣吹干。用1 mL乙酸鹽緩沖液（pH4.0）溶解殘留物，用0.25 μm微孔膜過濾后，供高效液相色譜測定。

1.3.4棒曲霉素的測定方法按照SN 0589-1996《出口飲料中棒曲霉素的檢驗方法》測定，條件進(jìn)行修訂。色譜柱：Ultimate XB-C18反相柱（250 mm×4.6 mm，5 μm）；流動相：乙腈∶水（10∶90，V/V）；檢測器：紫外檢測器，波長276 nm；柱溫：25℃；流量：1.0 mL/min；進(jìn)樣量：20 μL。

1.3.5降解率計算各處理樣品中棒曲霉素降解率計算公式為：

式中，Cck—不作處理樣品中的棒曲霉素質(zhì)量濃度，mg/L；CR—處理后樣品中的棒曲霉素質(zhì)量濃度，mg/L。

1.3.6蘋果汁理化指標(biāo)的測定可溶性固形物：參考SB/T 10203-1994［19］的測定；色值（T440nm）、透光率（T625nm）、濁度（A660nm）和吸光度（A420nm）：分光光度法，按GB/T 18963-2003［20］測定；pH：pHS-3C型數(shù)字酸度計測定；粘度：NDJ-79旋轉(zhuǎn)式粘度計測定；電導(dǎo)率：DDS-11A數(shù)顯電導(dǎo)率儀測定。

1.3.7數(shù)據(jù)處理所有處理重復(fù)三次，圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，圖表中相同字母表示數(shù)據(jù)間差異不顯著（p＞0.05）。數(shù)據(jù)分析使用Microsoft Excel和Spass Statistics 19.0專業(yè)版統(tǒng)計軟件進(jìn)行處理。

2　結(jié)果與討論

2.1GDP對蘋果汁中棒曲霉素的降解作用

2.1.1圖譜分析按1.3.4液相色譜分析條件測定，5 mg/L的棒曲霉素標(biāo)樣、空白蘋果汁和加標(biāo)蘋果汁色譜圖分別如圖3～圖5所示。

圖3　棒曲霉素標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖Fig.3　Chromatogram of patulin standard solution

圖4　空白蘋果汁樣品色譜圖Fig.4　Chromatogram of apple juice without addition of patulin

圖5　加標(biāo)蘋果汁樣品色譜圖Fig.5　Chromatogram of apple juice with addition of patulin standard solution

由圖3～圖5的對比中可以看出蘋果汁本身的基質(zhì)雜質(zhì)對棒曲霉素的測定干擾甚小，蘋果汁樣品添加棒曲霉素的色譜圖峰形標(biāo)準(zhǔn)，與標(biāo)準(zhǔn)溶液對照，重現(xiàn)性很好，說明實驗所采用的儀器條件合適，能夠準(zhǔn)確定性、定量測定，檢測方法可行。

圖6　不同處理時間對蘋果汁中棒曲霉素降解的影響Fig.6　Effect of different time on degradation of patulin in apple juice

2.1.2處理時間對蘋果汁中棒曲霉素降解率的影響

圖6表明，在5 mg/L棒曲霉素溶液的蘋果汁中，GDP處理1、2、3、4、5 min后，棒曲霉素含量均降低，其降解效果顯著（p＜0.05）。其中，棒曲霉素的降解率隨著處理時間的增加而增大，GDP處理4 min時降解率達(dá)到93.19%，之后降解效果并沒有顯著增加。

此外，從圖6可以看到，棒曲霉素的降解率隨處理時間的變化可分兩個階段，在3 min內(nèi)棒曲霉素被快速降解，降解率達(dá)到了86.23%。這說明，在這個時間段內(nèi)，輝光放電等離子體中的·OH主要與棒曲霉素發(fā)生反應(yīng)。而4 min后棒曲霉素降解速率緩慢，主要是由于反應(yīng)過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物消耗·OH，致使與棒曲霉素發(fā)生反應(yīng)的·OH減少［16］。

棒曲霉素是一種雜環(huán)內(nèi)酯類化合物，結(jié)構(gòu)式如圖1所示，其化學(xué)名稱為4-羥基-4-氫-呋哺（3，2-碳）駢吡喃-2（6-氫）酮。由于棒曲霉素結(jié)構(gòu)中存在共軛雙鍵，輝光放電等離子體產(chǎn)生的·OH等高活性粒子，可引發(fā)蘋果汁中的棒曲霉素發(fā)生羥基化反應(yīng)，接著開環(huán)，內(nèi)酯環(huán)遭到破壞，化學(xué)鍵斷裂，氧化成羧酸類物質(zhì)。最后羧酸類物質(zhì)與·OH等高活性粒子作用，生成CO2、H2O。因此棒曲霉素含量減少直至HPLC檢測不到，說明GDP能有效、徹底地降解蘋果汁中的棒曲霉素。

2.2輝光放電等離子體對蘋果汁主要理化指標(biāo)的影響

2.2.1GDP處理對蘋果汁可溶性固形物含量的影響由圖7可以看出，GDP對蘋果汁進(jìn)行處理，對蘋果汁的可溶性固形物幾乎無影響。這是因為可溶性固形物主要是由糖類物質(zhì)構(gòu)成，這類物質(zhì)的分子內(nèi)和分子間都存在著氫鍵，從而不易受到GDP中·OH的進(jìn)攻而發(fā)生變化，所以果汁中的糖類物質(zhì)不發(fā)生變化，可溶性固形物不變［21］。

圖7　GDP處理對蘋果汁可溶性固形物的影響Fig.7　Effect of GDP on the soluble solid concentration in apple juice

圖8　GDP處理對蘋果汁色值和透光率的影響Fig.8　Effect of GDP on the color value and clarity of apple juice

2.2.2GDP處理對蘋果汁色值和透光率的影響色值和透光率是反映蘋果汁顏色深淺程度的一項重要的理化指標(biāo)，圖8表明，GDP處理可使蘋果汁的色值和透光率發(fā)生變化，色值和透光率均隨著處理時間的增加而增大，可以有效地提高果汁的色澤和澄清度，能夠保持果汁的穩(wěn)定性、抑制褐變、延長貯藏期等重要作用。此外，色值和透光率之間有一定的相關(guān)性，其回歸方程為y=1.2642x-56.769，決定系數(shù)R2= 0.9406，與陳冬梅等［22］所報道的結(jié)論近似。

色值升高可能是由于GDP產(chǎn)生的·OH等高活性粒子破壞了發(fā)色團(tuán)和助色團(tuán)的共軛體系，將其氧化為小分子的有機(jī)物和無機(jī)物，使其失去發(fā)色能力，從而導(dǎo)致蘋果汁的色值和透光率升高，顏色變淺，與相關(guān)文獻(xiàn)報道一致［23-24］。

圖9　GDP處理對蘋果汁總酸度和pH的影響Fig.9　Effect of GDP on the acidity and pH of apple juice

2.2.3GDP處理對蘋果汁總酸度和pH的影響從圖9可以看出，在0～10 min的處理時間內(nèi)，蘋果汁中的酸度變化不大。而10 min之后隨著處理時間的增加，總酸度升高，可能是由于氧化性極強(qiáng)的羥基自由基（·OH）將果汁中的醛類物質(zhì)氧化成酸，導(dǎo)致蘋果汁中的酸含量輕微變化，這個與高春燕等［21］所報道的結(jié)論一致。此外，GDP處理使蘋果汁的pH稍微降低，但變化不顯著。主要原因是·OH氧化使蘋果汁總酸度提高，從而游離的H+增多，pH降低。

2.2.4GDP處理對蘋果汁粘度、電導(dǎo)率、A660和A420的影響GDP處理蘋果汁后，粘度、電導(dǎo)率、A660和A420的數(shù)據(jù)列于表1。

表1　GDP處理對蘋果汁粘度、電導(dǎo)率、A660和A420的影響Table 1　Effect of GDP on the viscosity，conductivity，A660and A420of apple juice

由表1可知，隨著處理時間的增加，蘋果汁的粘度無顯著性變化，均在1.80 Pa·s左右。電導(dǎo)率在10 min內(nèi)沒有顯著變化，之后有所增加，30 min后蘋果汁的電導(dǎo)率為2.49 mS，與無處理時蘋果汁的電導(dǎo)率2.31 mS相比，變化不是很大。蘋果汁的濁度（A660）隨著時間的變化具有先減小后增大的趨勢，但整體上沒有顯著性的變化。吸光度（A420）的變化趨勢與濁度相似，逐漸減小后在25 min時A420增加到1.225，與不處理蘋果汁A420的1.248變化不顯著。因此，GDP處理對各個理化指標(biāo)的整體影響并不是很大。

3　結(jié)論

輝光放電等離子體處理是一種有效的降解技術(shù)方法，可高效、徹底地降解蘋果汁中的棒曲霉素，降解效果顯著，5 min后降解率達(dá)到96.63%。此外，GDP處理會對蘋果汁的主要理化指標(biāo)產(chǎn)生一定的影響，但整體影響并不是很大。在0～10 min處理時間范圍內(nèi)，蘋果汁中的可溶性固形物、總酸度、pH、粘度、電導(dǎo)率、A660和A420無顯著變化。綜合分析，10 min的處理時間已完全使蘋果汁中的棒曲霉素降低到一個很低的水平，又不會對蘋果汁的主要理化指標(biāo)造成影響。因此，本研究為果汁中棒曲霉素的降解提供了理論依據(jù)，在食品質(zhì)量安全控制領(lǐng)域具有非常重要的意義。

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Effect of glow discharge plasma on the degradation of patulin in apple juice and its quality

SUN Yan1，PU Lu-mei2，*，LONG Hai-tao2，ZHANG Hui-xiu2，XUE Hua-li2，BI Yang1，*
（1.College of Food Science and Engineer，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；2.College of Science，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China）

In order to seek an efficient method for degradation of patulin in apple juice with the quality of apple juice maintained as well as possible，the effect of glow discharge plasma treatment on the degradation of patulin in apple juice and its impact on the juice quality were studied.The results showed that the patulin could be effectively degraded by glow discharge plasma at 550 V of the DC voltage and 145 mA to 155 mA of the current range，and the degradation rate of patulin was 96.63%at 5 min of the treatment time.Within 0 to 30 min of the treatment time，the soluble solid concentration had no change.But the color value and clarity of apple juice increased.Within 0 to 10 min of the treatment time，the total acid content increased slightly and pH value decreased unconspicuously.The treatment for 10 min had no remarkable effect on the viscosity，conductivity，A660and A420of apple juice.Based on a comprehensive consideration，patulin would be decreased to a lower level after treatment by glow discharge plasma for 10 min，and the main chemical and physical indexes of export apple juice could not be affected as well.

apple juice；patulin；glow discharge plasma；degradation；quality

TS255.44

A

1002-0306（2015）24-0104-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.24.013

2015－05－11

孫艷（1990-），女，碩士研究生，研究方向：食品科學(xué)，E-mail：1299908717@qq.com。

蒲陸梅（1968-），女，博士，教授，研究方向：食品科學(xué)，E-mail：pulm@gsau.edu.cn。畢陽（1962-），男，博士，教授，研究方向：果蔬采后生物學(xué)與技術(shù)，E-mail：biyang@gsau.edu.cn。

國家高新技術(shù)研究和發(fā)展項目（2012AA101607）；甘肅省自然科學(xué)基金項目（1308RJZA280）。