輝光放電等離子體降解啤酒中T-2毒素

王小博

劉健南1

鄭 琳1

陳冰冰1

馮澤君1

鄧 旗2

(1. 佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 佛山 528137;2. 廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院,廣東 湛江 524088)

T-2毒素是由鐮孢菌屬真菌產(chǎn)生的一種次級(jí)代謝產(chǎn)物,是毒性最強(qiáng)的一種A型單端孢霉烯族化合物毒素。其在自然界中分布廣泛,常常污染糧谷類產(chǎn)品及其制品,在大麥、小麥、玉米等糧農(nóng)作物以及動(dòng)物飼料中污染率高達(dá)80%以上[1]。徐哲等[2]研究發(fā)現(xiàn),180份中國(guó)小麥樣品中鐮刀菌毒素檢出率高達(dá)95%。T-2毒素具有很強(qiáng)的致毒效應(yīng),機(jī)體長(zhǎng)期低劑量攝入可導(dǎo)致血液及淋巴系統(tǒng)受到侵害,造成內(nèi)分泌紊亂及免疫功能下降等,嚴(yán)重影響人類健康[3-5]。廣東省年平均氣溫較高、濕度較大,糧谷作物在放置過程中極易發(fā)霉變質(zhì),產(chǎn)生真菌毒素,尤其是大麥、小麥變質(zhì)后極易產(chǎn)生T-2等真菌毒素。

輝光放電等離子體(glow discharge plasma,GDP)是一種新型的、綠色環(huán)保的電化學(xué)高級(jí)氧化技術(shù),也是一種能夠在水溶液中通過直流放電產(chǎn)生等離子體的非熱處理技術(shù)[6-7]。GDP是指在封閉的容器內(nèi)施加一定的電場(chǎng)促使其不斷產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的高活性粒子(·OH、H2O·、H2O2等),溶液中的有機(jī)物在光、電等媒介下可與生成的高活性粒子發(fā)生反應(yīng),并最終徹底分解為CO2、H2O和簡(jiǎn)單無機(jī)鹽,具有降解效率高、能耗低、操作簡(jiǎn)單、不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)[8],已被廣泛應(yīng)用于水體中有機(jī)污染物的消解[9],但將其用于啤酒中 T-2毒素的降解及其對(duì)啤酒品質(zhì)影響的研究尚未見報(bào)道。研究擬構(gòu)建GDP降解裝置,考察GDP條件對(duì)啤酒中T-2毒素的降解效果,探討GDP降解T-2毒素的最佳工藝條件;并分析GDP對(duì)啤酒理化指標(biāo)的影響,為GDP脫除食品中真菌毒素的研究與應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

T-2毒素標(biāo)準(zhǔn)品:純度≥98%,上海穎心實(shí)驗(yàn)室;

甲醇、乙腈:色譜純,純度≥ 99.9%,南京化學(xué)試劑股份有限公司;

甲酸、乙酸乙酯:分析純,天津光復(fù)試劑有限公司;

乙酸銨:阿拉丁試劑(上海)有限公司;

青島啤酒:市售。

1.2 儀器與設(shè)備

輝光放電降解裝置:實(shí)驗(yàn)室自主構(gòu)建(圖1);

圖1 輝光放電降解裝置結(jié)構(gòu)示意圖

超高效液相色譜—三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀:TSQ Quantiva型,美國(guó)Thermo Fisher公司;

電子天平:FA1104A型,上海精天電子儀器有限公司;

渦旋震蕩儀:Vortex 2型,德國(guó)IKA公司;

冷凍離心機(jī):KT7-900-429型,新加坡KENTA公司;

氮吹儀:YT-D24型,山東云唐智能科技有限公司;

超聲波提取器:KQ-800B型,昆山舒美超聲儀器有限公司;

全自動(dòng)啤酒分析儀:5611型,長(zhǎng)沙市馭儀電子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 含T-2毒素樣品的制備 取10 mg T-2毒素標(biāo)準(zhǔn)品,用乙腈溶解、定容配制成質(zhì)量濃度為100 μg/mL的T-2毒素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。分別取0,1,3,5,7,10 mL標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液于100 mL容量瓶中,啤酒定容,得到質(zhì)量濃度分別為0,1,3,5,7,10 μg/mL的含T-2毒素的啤酒溶液。

1.3.2 GDP降解啤酒中T-2毒素工藝參數(shù)優(yōu)化

(1) 單因素試驗(yàn):取10 mL含T-2毒素的啤酒于反應(yīng)器中,在基礎(chǔ)條件(電壓550 V,時(shí)間15 min,電流100 mA,T-2毒素初始質(zhì)量濃度5 μg/mL)下分析GDP裝置放電電壓、作用時(shí)間、放電電流和T-2毒素初始質(zhì)量濃度對(duì)T-2毒素降解效率的影響。其中,放電電壓為400,450,500,550,600 V,作用時(shí)間為1,3,5,7,10 min,放電電流為5,10,15,20,25 mA,T-2毒素初始質(zhì)量濃度為1,3,5,7,10 μg/mL。每組試驗(yàn)重復(fù)3次,測(cè)定并計(jì)算T-2毒素降解率。

(2) 響應(yīng)面試驗(yàn):在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用Design-Expert 8.06 軟件的Box-Behnken設(shè)計(jì)原對(duì)GDP降解啤酒中T-2毒素的參數(shù)進(jìn)行四因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化。

1.3.3 T-2毒素降解率測(cè)定 參照Tahoun等[10]的方法并修改。T-2毒素標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=207.9x+330.62,R2=0.999 2。按式(1)計(jì)算 T-2毒素降解率。

(1)

式中:

R——T-2毒素降解率,%;

C0——T-2毒素初始質(zhì)量濃度,μg/mL;

CT——經(jīng)GDP降解后T-2毒素的質(zhì)量濃度,μg/mL。

1.3.4 GDP對(duì)啤酒理化指標(biāo)的影響 取10 mL啤酒于反應(yīng)器內(nèi),以響應(yīng)面優(yōu)化得到的參數(shù)為試驗(yàn)條件,對(duì)啤酒進(jìn)行GDP處理。GDP處理后,采用啤酒全自動(dòng)分析儀器法[11]分別測(cè)定啤酒的酒精度、色度、pH、原麥汁濃度、濁度、泡持性、總酸度、雙乙酰、苦味值等[12]。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理 采用SPSS 19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用Origin 8.5 軟件繪圖,采用Design-Expert.V 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 放電電壓 由圖2可知,GDP放電電壓與T-2毒素降解率呈正比,隨著放電電壓的增加,T-2毒素降解率也隨之增加;當(dāng)放電電壓為500～600 V時(shí),T-2毒素降解率逐漸趨于平緩;與400,450 V相比,放電電壓為500,550,600 V時(shí),T-2毒素降解率增加顯著(P<0.05)。放電電壓對(duì)活性粒子(·OH、·H、H2O2)的產(chǎn)生有顯著影響,當(dāng)放電電壓較低時(shí),陰極發(fā)射的電子在電場(chǎng)中加速獲取的能量較低,從而與陽(yáng)極尖端氣態(tài)水分子發(fā)生碰撞,激發(fā)氣態(tài)水分子發(fā)生電離產(chǎn)生的活性粒子較少,最終導(dǎo)致等離子體對(duì)T-2毒素的降解效果較弱[7,13]。電壓升高,輝光增強(qiáng),產(chǎn)生的·OH、·O、·H、H2O2等高活性粒子濃度增加,促使T-2毒素氧化降解效果增強(qiáng)[14]。當(dāng)活性物質(zhì)濃度達(dá)到一定程度,T-2毒素轉(zhuǎn)化的反應(yīng)也逐漸趨于飽和達(dá)到平衡狀態(tài)[15],與試驗(yàn)結(jié)果一致。綜上,GDP降解T-2毒素的放電電壓控制在 500～600 V較為適宜。

*表示組內(nèi)比較差異顯著(P<0.05)

2.1.2 作用時(shí)間 由圖3可知,隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng),T-2毒素的降解率逐步增大;當(dāng)作用時(shí)間>10 min時(shí),T-2毒素降解率雖有增加,但增幅較小;與1,5 min相比,作用時(shí)間為10,15,20 min時(shí),T-2毒素降解率顯著增加(P<0.05),說明在0～10 min內(nèi),輝光放電等離子體中的活性物質(zhì)主要與T-2毒素發(fā)生反應(yīng);而10 min后,T-2毒素與活性粒子反應(yīng)逐漸達(dá)到飽和,因此T-2毒素降解速率緩慢。此外,由于反應(yīng)過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物消耗了部分活性物質(zhì),致使與T-2毒素發(fā)生反應(yīng)的·OH減少[16],反應(yīng)速率隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。因此,GDP降解T-2毒素的作用時(shí)間保持在 10～20 min 比較適宜。

*表示組內(nèi)比較差異顯著(P<0.05)

2.1.3 放電電流 由圖4可知,隨著放電電流的增加,T-2毒素降解率呈先升高后下降趨勢(shì)。當(dāng)放電電流為90 mA時(shí),T-2毒素降解率達(dá)到最大,為83.29%;與30,50 mA相比,放電電流為70～110 mA時(shí),T-2毒素降解率顯著增加(P<0.05)。提高放電電流,輸入體系的功率增加,電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng),形成了較大的微放電密度,電子在電場(chǎng)中獲得更多的能量,加速了高能電子的形成。高能電子產(chǎn)生的速率和數(shù)量升高,轟擊能力加強(qiáng),從而使水分子和氣體分子等更快更多地離解和電離,生成更多的活性物質(zhì)[17]。過高的放電電流,陽(yáng)極鉑絲易被熔化損壞,最終造成毒素降解率下降。因此,放電電流控制在 90～110 mA最為適宜。

*表示組內(nèi)比較差異顯著(P<0.05)

2.1.4 T-2毒素初始質(zhì)量濃度 由圖5可知,當(dāng)T-2毒素初始質(zhì)量濃度≤7 μg/mL時(shí),隨著初始質(zhì)量濃度的增加,T-2毒素降解率隨之增加;當(dāng)T-2毒素初始質(zhì)量濃度>7 μg/mL時(shí),隨著初始質(zhì)量濃度的增加,T-2毒素降解率增加幅度減緩;與其他質(zhì)量濃度相比,初始質(zhì)量濃度為7,10 μg/mL時(shí),T-2毒素降解率增加顯著(P<0.05),說明在一定質(zhì)量濃度范圍內(nèi),溶液的初始質(zhì)量濃度越大,毒素降解效果越好,與Pu等[18]的結(jié)論一致。T-2毒素的初始質(zhì)量濃度越高,與·OH等發(fā)生有效碰撞的概率越大,毒素降解越快。初始質(zhì)量濃度增大也會(huì)增加溶液的電導(dǎo)率,抑制放電過程中流光的形成,使產(chǎn)生的·OH量減少而抑制T-2毒素的降解[19]。因此,T-2毒素初始質(zhì)量濃度控制在5～10 μg/mL有利于反應(yīng)的進(jìn)行。

*表示組內(nèi)比較差異顯著(P<0.05)

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果 以放電電壓、作用時(shí)間、放電電流、T-2毒素初始質(zhì)量濃度為自變量,T-2毒素降解率為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)四因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn),試驗(yàn)因素水平見表1,試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.2.2 模型擬合與分析 采用方差分析(ANOVA),二階多項(xiàng)式模型來計(jì)算預(yù)測(cè)的響應(yīng),得到啤酒中T-2毒素降解率對(duì)放電電壓、作用時(shí)間、放電電流和T-2毒素初始質(zhì)量濃度的回歸模型方程:

Y=82.68+4.38A+9.26B+5.89C+8.84D-1.62AB+0.095AC+2.63AD+2.8BC-6.46BD-2.49CD-5.54A2-7.15B2-4.97C2-7.25D2。

(2)

表3 方差分析

2.2.3 響應(yīng)面分析 由圖6可知,隨著作用時(shí)間與T-2毒素初始質(zhì)量濃度的升高,T-2毒素降解率呈先增加后減小的趨勢(shì),且曲面陡峭程度明顯;同時(shí),隨著作用時(shí)間與放電電流的升高也出現(xiàn)了類似的趨勢(shì),表明放電電流與T-2毒素初始質(zhì)量濃度、放電電流的交互作用顯著(P<0.05)。

圖6 各因素交互作用的響應(yīng)面圖

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

經(jīng)Design-Expert.V 8.0.6軟件計(jì)算得到GDP對(duì)啤酒中T-2毒素的最佳降解參數(shù)為放電電壓572.934 V,作用時(shí)間18.072 5 min,放電電流99.236 1 mA,T-2毒素初始質(zhì)量濃度8.334 4 μg/mL。根據(jù)實(shí)際情況,調(diào)整最佳降解條件為放電電壓570 V,作用時(shí)間18 min,放電電流99 mA,T-2毒素初始質(zhì)量濃度8.5 μg/mL。在此條件下重復(fù)5次,T-2毒素降解效率為89.21%,與預(yù)測(cè)值89.37%接近,因此該響應(yīng)面優(yōu)化模型得到的GDP對(duì)T-2毒素最佳降解條件準(zhǔn)確且有效。

2.4 GDP對(duì)啤酒品質(zhì)的影響

啤酒的質(zhì)量由其酒精度、原麥汁濃度、泡持性、雙乙酰含量、苦味值等指標(biāo)共同決定[20],不同的工藝會(huì)對(duì)啤酒的理化指標(biāo)產(chǎn)生巨大影響[21]。由表4可知,經(jīng)GDP處理后,啤酒的酒精度、pH值和泡持性均略微下降,色度值、濁度值、苦味值、雙乙酰含量和總酸含量略微上升,原麥汁濃度不變;與對(duì)照組相比,泡持性下降顯著(P<0.05)。啤酒泡持性主要表現(xiàn)在啤酒的起泡性、持久性和附著性方面,是判別啤酒品質(zhì)的重要因素,能夠直觀評(píng)價(jià)啤酒質(zhì)量好壞,其主要受到CO2、泡沫蛋白和異α-酸等因素的影響[22]。經(jīng)GDP處理后,啤酒中部分CO2發(fā)生逸散、泡沫蛋白發(fā)生分解,進(jìn)而導(dǎo)致其泡持性下降。雙乙酰是啤酒發(fā)酵過程中的重要代謝產(chǎn)物之一,是啤酒成熟與否的重要標(biāo)志。啤酒中雙乙酰含量必須<0.10 mg/L,若超過0.2 mg/L,就會(huì)產(chǎn)生飯餿味,嚴(yán)重影響啤酒品質(zhì)[23]。雙乙酰是從α-乙酸乳酸轉(zhuǎn)化中獲得的,GDP處理可促使少量α-乙酸乳酸轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致雙乙酰含量上升。

表4 GDP處理對(duì)啤酒品質(zhì)的影響?

啤酒中含有的酸類達(dá)200多種,這些酸及其鹽類控制著啤酒的pH值和總酸含量,適合的酸味會(huì)賦予啤酒柔和的口感[24]。啤酒中原有的一部分酸與啤酒中存在的金屬離子相結(jié)合[25],經(jīng)GDP處理后有機(jī)酸解離出來,進(jìn)而導(dǎo)致啤酒pH下降、總酸含量上升。原麥汁濃度主要反映發(fā)酵前麥芽汁中含有的可發(fā)酵糖含量,是鑒定啤酒品質(zhì)的一個(gè)硬性指標(biāo)。酒精度、苦味都是影響啤酒口味的重要口感指標(biāo),濁度可以直接影響其外觀質(zhì)量和非生物穩(wěn)定性,啤酒的顏色更是評(píng)定啤酒質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。啤酒經(jīng)GDP處理后各指標(biāo)均符合國(guó)標(biāo)。綜上,經(jīng)GDP處理后啤酒中各項(xiàng)理化指標(biāo)雖然會(huì)發(fā)生改變,但對(duì)啤酒品質(zhì)影響較小。因此,將GDP降解裝置應(yīng)用于啤酒生產(chǎn),能夠有效降解原料中的T-2毒素,保障產(chǎn)品安全。

3 結(jié)論

輝光放電等離子體降解T-2毒素的最佳工藝條件為放電電壓570 V,作用時(shí)間18 min,放電電流99 mA,T-2毒素初始質(zhì)量濃度8.5 μg/mL,此條件下T-2毒素降解率可達(dá)89.21%。經(jīng)輝光放電等離子體處理后,啤酒的泡持性顯著降低(P<0.05),其他指標(biāo)無明顯變化。后續(xù)可將輝光放電等離子體降解T-2毒素的工藝應(yīng)用至果汁加工及其他真菌毒素的消解中。