冷等離子體降解葡萄干中赭曲霉毒素A模型

關(guān)鍵詞：冷等離子體；赭曲霉毒素A；葡萄干；降解模型

0 引言

赭曲霉毒素A（OTA）是由曲霉屬和其他青霉屬真菌產(chǎn)生的次級(jí)代謝物。OTA主要存在于各種農(nóng)產(chǎn)品中，包括葡萄、咖啡、葡萄干、堅(jiān)果和香料等[1]。OTA以其肝毒性和致癌特性而聞名，低劑量的長期暴露可導(dǎo)致肝病和免疫系統(tǒng)功能受損[2]。由于其對(duì)公眾健康的嚴(yán)重威脅，開發(fā)有效的降解技術(shù)是農(nóng)產(chǎn)品安全研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

冷等離子體被認(rèn)為是含有活性氧、活性氮、自由基和帶電粒子等活性物質(zhì)的氣體[3-5]。作為一種有效的表面處理技術(shù)，由于冷等離子體室溫下工作，并且沒有殘留物，可以廣泛應(yīng)用于減少農(nóng)產(chǎn)品中的微生物、降解真菌毒素、滅活酶和去除農(nóng)藥等領(lǐng)域[6]。目前，已有較多的前期研究證實(shí)了冷等離子體降解不同真菌毒素的效果。李善瑞等[7]發(fā)現(xiàn)，在用冷等離子體處理165s后，黃曲霉毒素降解率99.62%。蘇迎利[8]研究表明，介質(zhì)阻擋放電冷等離子體可將阿月渾子堅(jiān)果仁中黃曲霉毒素在20s內(nèi)降解率93%。劉真等[9]研究表明，采用冷等離子體可將花生中黃曲霉毒素在降解8min后降解率79.26%。此外，冷等離子體處理已被證明可以降解受污染的巴旦木和葡萄干中的真菌毒素[10-11]。應(yīng)用冷等離子體技術(shù)降解真菌毒素為確保農(nóng)產(chǎn)品安全提供了一種新的解決方案。

在毒素降解過程中，許多因素會(huì)影響冷等離子體降解真菌毒素的效率，包括設(shè)備特性、食品基質(zhì)和工藝參數(shù)[12]。這些因素會(huì)影響冷等離子體產(chǎn)生的活性物質(zhì)濃度，從而影響食品中真菌毒素的降解效率。然而，僅僅依靠試驗(yàn)方法來開發(fā)工藝參數(shù)是耗時(shí)且昂貴的。計(jì)算機(jī)模型由于其強(qiáng)大的計(jì)算能力，已成為理解復(fù)雜試驗(yàn)過程的一種有效工具[13]。采用計(jì)算機(jī)模型可以有效模擬冷等離子體滅活微生物的過程[14-15]。因此，本研究將利用有限元軟件COMSOLMultiphysics建立冷等離子體降解葡萄干中OTA的模型。并通過模型計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，從而對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。此外，還將探討放電頻率、葡萄干形狀和容器大小對(duì)OTA降解過程的影響。目的是為實(shí)際應(yīng)用中冷等離子體設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 三維模型

1.1 冷等離子體設(shè)備

試驗(yàn)使用的DBD-50型冷等離子體設(shè)備與前期研究中使用的類似，略有修改[11]。冷等離子體系統(tǒng)包括電源（0～2kHz）、氣體供應(yīng)系統(tǒng)、發(fā)生器和反應(yīng)室，如圖1所示。高壓電極是彈簧狀，緊貼在石英管的內(nèi)壁上。鋁箔包裹在石英管外壁，作為接地電極使用。設(shè)備沿石英管發(fā)生絲狀放電，產(chǎn)生反應(yīng)性物質(zhì)。干燥后的空氣通過氣泵引入冷等離子體發(fā)生器，調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)將工作氣體的流速穩(wěn)定控制在0.8L/min。然后，產(chǎn)生的活性物質(zhì)通過曝氣器從發(fā)生器進(jìn)入到處理室，降解放置在處理室底部的葡萄干上的毒素。冷等離子體處理室是一個(gè)直徑200mm、高度60mm的圓柱形有機(jī)玻璃容器，如圖2所示，每次處理50g葡萄干（約100粒）。模型中葡萄干被建模為橢球體。

由于冷等離子體主要含有活性氧和活性氮物質(zhì)，其中臭氧是一種具有成熟測量技術(shù)的長壽命物質(zhì)，它在真菌毒素的降解中起著至關(guān)重要的作用。因此，將長壽命的臭氧作為衡量冷等離子體設(shè)備產(chǎn)生的活性物質(zhì)濃度的指標(biāo)。在冷等離子體反應(yīng)器內(nèi)，采用位于曝氣器出口處的臭氧傳感器（JX-20PL型，北京金訊暢通電子科技有限公司）測量處理過程中的臭氧濃度。當(dāng)放電頻率設(shè)置為0.6、0.9和1.2kHz時(shí)，在入口處測得的臭氧濃度分別為7.85、9.43和13.66mg/L。然后將其輸入到所建立的計(jì)算機(jī)模型中以進(jìn)行進(jìn)一步分析。

1.2 降解模型理論方程

首先，氣體流動(dòng)需要在穩(wěn)態(tài)條件下求解。反應(yīng)器內(nèi)活性物質(zhì)的流動(dòng)通過多孔介質(zhì)的流動(dòng)方程控制。由于冷等離子體工作氣體的流速0.8L/min，則活性氣體在低雷諾數(shù)條件下工作，由Navier-Stokes方程描述。

在獲得流體的空間分布后，需要描述葡萄干表面的毒素與流體之間的相互作用。模型對(duì)復(fù)雜的反應(yīng)方程式進(jìn)行了簡化。在這種不可逆反應(yīng)中，真菌毒素OTA與反應(yīng)物質(zhì)反質(zhì)形成降解產(chǎn)物OTAdp。

由于真菌毒素位于葡萄干的表面，因此與反應(yīng)性活性物質(zhì)的反應(yīng)而導(dǎo)致毒素濃度的降低沿著表面切向發(fā)生。毒素的濃度受Fick定律控制。

1.3 初始條件和邊界條件

在冷等離子體處理之前，葡萄干的初始溫度20°C?；钚詺怏w通過曝氣器進(jìn)入處理室，與葡萄干表面的毒素發(fā)生反應(yīng)。通過氣體流量計(jì)的控制，將入口處的氣體設(shè)置為凈流入邊界。

由于模型中曝氣器設(shè)計(jì)，邊界條件需要約束在曝氣器底面上。約束與式（7）中的約束相同。

1.4 網(wǎng)格劃分與模型計(jì)算

幾何模型包括處理室和葡萄干，如圖3所示。葡萄干被單層放置在處理室底部。網(wǎng)格劃分是冷等離子體模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的關(guān)鍵步驟。冷等離子體幾何模型被劃分為獨(dú)立的617726個(gè)四面體單元。

耦合模型采用迭代計(jì)算進(jìn)行模擬。當(dāng)場變量不隨時(shí)間變化時(shí)，使用穩(wěn)態(tài)研究和研究步驟。穩(wěn)態(tài)求解器主要用于求解流體的速度。當(dāng)場變量隨時(shí)間變化時(shí)，使用瞬態(tài)求解器求解每種物質(zhì)濃度的變化，其中需要調(diào)用穩(wěn)態(tài)解的流體速度。參數(shù)掃描對(duì)于計(jì)算各種操作條件下的氣體和真菌毒素濃度是必要的。在配備64GBRAM和以3.60GHz頻率運(yùn)行的處理器的ThinkStationP520工作站上進(jìn)行模擬。

2 降解試驗(yàn)

2.1 樣品制備

本研究選用新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市葡萄干作為試驗(yàn)材料，具有兩種形狀（16.7mm×6.7mm×7.9mm和28.4mm×9.7mm×7.8mm）。OTA標(biāo)準(zhǔn)品購買自西格瑪公司，與乙腈（色譜級(jí)）混合制備OTA標(biāo)準(zhǔn)工作液，并將其冷藏于–20°C冰箱中備用。參考劉真等[9]的方法，將OTA工作液噴灑至葡萄干表面并混合均勻，確保葡萄干中含有20μg/kg的OTA，以制備加標(biāo)的葡萄干樣品。再將加標(biāo)后的樣品在室溫下干燥，以便于后續(xù)冷等離子體處理。為了確保OTA的完全降解，每次取反應(yīng)器最外圈層葡萄干進(jìn)行OTA含量測定。

2.2 OTA含量測定

用高效液相色譜法測定葡萄干中OTA含量。按照劉真等[9]的方法，加入1g氯化鈉和5g葡萄干樣品一起研磨，并用80%甲醇/水溶液提取。搖動(dòng)和離心后，收集5mL上清液，將其與20mL20mM磷酸緩沖鹽水混合，并通過膜過濾。隨后，將10mL處理過的濾液通過免疫親和柱，并丟棄流出物。然后用甲醇溶液緩慢洗脫。

色譜條件：ZORBAXEclipsePlusC18柱，長250mm、內(nèi)徑4.6mm、粒徑5μm；柱溫度設(shè)置40°C；流動(dòng)相A為醋酸/水（1∶45，V/V），流動(dòng)相B為乙腈；總流速1.0mL/min（45%A+55%B）；等度洗脫15min；進(jìn)樣量20μL；激發(fā)波長333nm；發(fā)射波長460nm。OTA的檢測限1μg/kg。

2.3 降解反應(yīng)速率系數(shù)測定

冷等離子體降解OTA的反應(yīng)速率系數(shù)是通過降解試驗(yàn)確定的。由于毒素降解遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)過程，其反應(yīng)速率系數(shù)可由式（11）表示。

模型中，半衰期（t1/2）通過確定測量濃度ct等于初始濃度c0的一半的時(shí)間來確定。

3 仿真試驗(yàn)與對(duì)比分析

3.1 反應(yīng)速率系數(shù)確定

在放電頻率1.2kHz、OTA含量20μg/kg條件下進(jìn)行試驗(yàn)，確定葡萄干中OTA降解的反應(yīng)速率系數(shù)，其是計(jì)算建模的關(guān)鍵參數(shù)。OTA隨時(shí)間降解過程如圖4所示，不同條件下ln（ct/c0）對(duì)處理時(shí)間的曲線如圖5所示，虛線表示模型的擬合曲線。

通過一級(jí)動(dòng)力學(xué)描述了冷等離子體降解葡萄干上OTA降解過程。動(dòng)力學(xué)方程ln（ct/c0）=0.20623?0.53947t，R2=0.98。常數(shù)0.53947表示一階速率方程中的速率常數(shù)，即為OTA的反應(yīng)速率系數(shù)。在反應(yīng)過程中，反應(yīng)速率系數(shù)越高，表示葡萄干中OTA的降解速率越快。通過輸入反應(yīng)速率系數(shù)，能夠準(zhǔn)確量化COMSOL模型中不同條件下OTA的降解過程。

3.2 不同放電頻率對(duì)降解過程的影響

放電頻率1.2kHz、處理時(shí)間0、5和10min時(shí)OTA降解過程如圖6所示。由圖6d和圖6e可知，隨著處理時(shí)間的增加，在各放電頻率下毒素的濃度均降低；冷等離子體模型的模擬結(jié)果和降解試驗(yàn)的試驗(yàn)值基本相符；OTA的半衰期t1/2模擬值，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果之間的差異lt;5.47%。結(jié)果表明，通過模型模擬獲得的OTA降解曲線與試驗(yàn)過程吻合良好，驗(yàn)證了所建立模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

在1.2kHz的放電頻率下，OTA的半衰期t1/2為1.83min。然而，在0.6kHz的較低放電頻率下，OTA的半衰期t1/2為3.18min。這表明，隨著放電頻率從0.6kHz增加至1.2kHz，半衰期縮短至其原始時(shí)間的57%。隨著放電頻率的增加，半衰期的縮短可能是由于更高的放電頻率產(chǎn)生了更多的活性物質(zhì)，從而加速了毒素的降解。研究結(jié)果與冷等離子體降解花生中真菌毒素一致，冷等離子體處理中更高的功率可以顯著降低黃曲霉毒素的濃度[9]。

3.3 不同形狀葡萄干對(duì)降解過程的影響

通過試驗(yàn)和模擬，評(píng)估2種不同形狀葡萄干中OTA的降解情況，結(jié)果如圖7所示，大葡萄干（28.4mm×9.7mm×7.8mm）是小葡萄干（16.7mm×6.7mm×7.9mm）的2倍。

由圖7e可知，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間存在較好的一致性。模擬數(shù)據(jù)顯示，大葡萄干的降解半衰期略低于小葡萄干，為≤2%。這可能是因?yàn)榻到膺^程主要發(fā)生在葡萄干的表面，大葡萄干間有較大的間隙，更有利于反應(yīng)氣體對(duì)真菌毒素的降解。試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，葡萄干的形狀對(duì)OTA降解效率并沒有顯著影響（Pgt;0.05）?？赡軐?duì)于同一類型的食物基質(zhì)，農(nóng)產(chǎn)品的大小對(duì)冷等離子體降解真菌毒素的過程幾乎沒有影響。

3.4 不同反應(yīng)器尺寸對(duì)降解過程的影響

為了研究反應(yīng)器尺寸對(duì)真菌毒素降解的影響，使用2種不同尺寸的反應(yīng)器進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示，大反應(yīng)器直徑200mm、小反應(yīng)器直徑100mm。

由圖8可知，反應(yīng)器的尺寸對(duì)OTA的降解沒有顯著影響（Pgt;0.05），可能是由于活性氧和活性氮等長壽命物質(zhì)在冷等離子體降解真菌毒素的過程中發(fā)揮了主導(dǎo)作用[5]。在冷等離子體降解裝置中，將反應(yīng)器的直徑加倍僅導(dǎo)致葡萄干中OTA的降解半衰期變化≤3%，影響并不顯著。為了確定反應(yīng)器中葡萄干降解的均勻性，在較大反應(yīng)器內(nèi)對(duì)內(nèi)圈和外圈葡萄干進(jìn)行毒素測定。對(duì)放置于距中心28、56和84mm的不同位置的OTA半衰期進(jìn)行測量，降解半衰期的變化很小，差異不超過7%（試驗(yàn)值）和3%（模擬值）。然而，較大的容器可能會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)性活性物質(zhì)的濃度降低，從而降低真菌毒素的降解效率。目前，冷等離子設(shè)備主要用于處理小包裝的葡萄干（10～50g），而大規(guī)模降解農(nóng)產(chǎn)品中真菌毒素的設(shè)備需要進(jìn)一步的研究和測試。該模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，計(jì)算模型的建立為開發(fā)更有效的冷等離子體處理系統(tǒng)提供了重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

4 結(jié)束語

（1）通過模型計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比表明，在各種操作條件下模擬數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性。

（2）模擬和試驗(yàn)結(jié)果都表明，真菌毒素降解的半衰期隨著放電頻率的增加而降低，具體而言，放電頻率從0.6kHz增加至1.2kHz可導(dǎo)致赭曲霉毒素A半衰期縮短至57%。

（3）大葡萄干（28.4mm×9.7mm×7.8mm）和小葡萄干（16.7mm×6.7mm×7.9mm）半衰期幾乎相同，表明葡萄干的形狀不會(huì)顯著影響真菌毒素的降解過程。冷等離子體反應(yīng)器尺寸對(duì)降解效率的影響≤3%。

計(jì)算模型有效地模擬了OTA在葡萄干中的降解過程。通過確定干果中其他真菌毒素的降解系數(shù)，并輸入放電頻率和反應(yīng)器尺寸等重要參數(shù)，使用本模型可以預(yù)測真菌毒素完全降解所需的時(shí)間，確保農(nóng)產(chǎn)品的安全并節(jié)省處理時(shí)間。為冷等離子體技術(shù)廣泛地應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品安全行業(yè)提供理論依據(jù)。