刁恩杰，劉 巍，王 月，郝佳容，王 菲王晨琳，周 悅，劉李蒙，李向陽

（1.淮陰師范學院生命科學學院，淮安 223300；2.山東農業(yè)大學食品科學與工程學院，泰安 271018）

0 引 言

蘋果汁營養(yǎng)豐富，口感好、風味佳，易被消化吸收，因此深受消費者喜愛。然而國內外生產的蘋果汁中經常檢測到棒曲霉素[1-3]。棒曲霉素是由擴展青霉等產生的一種真菌毒素[4]，毒理學試驗證實其對人和動物具有潛在的誘變毒性、基因毒性、免疫毒性、致畸性和細胞毒性[5-7]。因此，經常飲用含棒曲霉素污染的蘋果汁，將會嚴重威脅消費者的健康。為此，世界衛(wèi)生組織（WHO）和英國軟飲料協會（British soft drinks association,BSDA）制定的蘋果汁中棒曲霉素最大允許限量為50μg/L[8-9]。

總結前人的研究成果，去除/降解果汁中棒4曲霉素的方法包括物理法（清洗、去皮、輻照、微波、超聲、高靜壓）[10-16]、化學法（氨氣、抗壞血酸、O3、SO2）[17-18]和生物法（細菌吸附或降解、酵母發(fā)酵、生物酶解）[19-21]。當前，國內外果汁加工企業(yè)去除蘋果汁中棒曲霉素的主要方法是采用大孔樹脂、活性炭吸附過濾脫除法[11,22-25]。利用3 g/L的活性炭吸附處理蘋果汁5、15和30 min后，果汁中棒曲霉素分別減少了94%、96%和97%[11]。利用改性大孔樹脂SBA-15能夠將蘋果汁中的棒曲霉素減少0.05～5.0μg/L[22]。最新研發(fā)的改性殼聚糖樹脂（thiourea modified chitosan resin,TMCR）、超磁性殼聚糖、交鏈殼聚糖大孔樹脂（cross-linked xanthated chitosan resin,CXCR）等都具有很強的棒曲霉素吸附能力[23-25]。吸附過濾脫除法雖脫毒效果好，但存在脫毒成本高、毒素不能降解、易造成果汁二次污染和環(huán)境污染、果汁損失大、引起果汁異味等缺點。近幾年，臭氧技術由于其具有脫毒效率高、成本低、安全、環(huán)保、不會導致果汁損失等優(yōu)勢，被廣泛用于真菌毒素的脫除研究[26-27]。臭氧可將棒曲霉素完全降解成CO2、草酸（oxalic acid）、二甘醇酸（diglycolic acid）和水[17,28]。目前，果汁中棒曲霉素的臭氧脫毒技術大多處于實驗室研究階段，還沒有相關脫毒設備的研制及其應用報道。本文在研究臭氧降解蘋果汁棒曲霉素的基礎上，設計了一套利用臭氧技術降解蘋果汁棒曲霉素的設備，并對設備的應用效果進行了研究。

1 棒曲霉素臭氧脫毒設備的設計

1.1 設備脫毒原理及設計思路

臭氧脫毒原理。臭氧具有強氧化性，能氧化分解多種真菌毒素[28]。根據前人的研究成果，推斷臭氧首先與棒曲霉素發(fā)生Criegee反應，產生Criegee氧化產物，氧化產物繼續(xù)被臭氧氧化產生二甘醇酸、草酸、CO2和H2O[17,28]。

設計思路。在脫毒過程中，蘋果汁流向與臭氧氣體流向相反，兩者逆向充分接觸，通過嚴格控制臭氧濃度、流速及接觸時間，實現連續(xù)、高效、低成本降解果汁中棒曲霉素的目的。另外，該脫毒技術和設備在安全性、可操作性以及環(huán)境保護等方面也具有明顯的優(yōu)勢。

1.2 總體結構

本套設備材料全部采用耐腐蝕、抗氧化的不銹鋼材料制造。總體結構包括6個系統（見圖1）：1）臭氧制備系統：臭氧發(fā)生器；2）氣體運輸系統：包括氣體管道、氣體泵；3）臭氧濃度調節(jié)與檢測系統：包括氣體混合器、氣體流量計和臭氧濃度檢測儀；4）果汁輸送系統：包括果汁罐、輸送管道、液體流量計和液體泵；5）果汁脫毒系統：臭氧脫毒反應器；6）臭氧熱解系統：臭氧熱解儀。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Ozone detoxification equipment for apple juice

1.3 臭氧發(fā)生器

選用浙江金華光源儀器廠制造的DJ–Q2020A型臭氧發(fā)生器（臭氧輸出量：1.6 g/h；臭氧濃度18%～20%；功率：140 W）：利用低壓電解水制備臭氧，該方式制備的臭氧濃度高，不含NOX化物。

1.4 臭氧輸送系統

輸送管道采用防氧化不銹鋼管。氣體泵：選用深圳市航童科技有限公司生產的氣體泵（HT-555型，15 L/min，流量可調；功率：10 W）。

1.5 臭氧濃度調節(jié)與檢測系統

臭氧濃度可通過調節(jié)臭氧和空氣流量獲得，并在氣體混合器內混合均勻。處理果汁的臭氧濃度利用臭氧濃度測定儀（IDEAL-2000型）進行測定。氣體流量采用余姚金泰儀表有限公司生產的全不銹鋼轉子流量計（LZB-FA30S-15型,120～1 200 L/h）測定。

1.6 果汁輸送系統

果汁輸送系統包括脫毒前果汁罐、脫毒后果汁罐、輸送管道、閥門、液體泵和流量計組成。液體泵選用上海西山泵業(yè)有限公司生產的MP-20RZ型磁力泵（最大揚程6 m，流量6 m3/h；功率：15 W）；液體流量計選用余姚金泰儀表有限公司生產的全不銹鋼流量計（LZB-WA30S-15型，40～400 L/h）。

1.7 果汁臭氧脫毒系統

目前，國內還沒有專門用于果汁中棒曲霉素臭氧脫毒設備。本試驗設計的果汁臭氧脫毒系統包括果汁入口和出口、臭氧入口和出口以及臭氧氣體布氣裝置（見圖2）。本系統是整個脫毒設備的核心部件，反應器全部采用不銹鋼材料制作。布氣裝置采用石英砂填充的高溫燒結氣柱（直徑3 cm，長度15 cm）。臭氧氣體在氣體泵的幫助下，產生一定壓力，穿過布氣裝置里的石英砂層和布氣孔，氣體以高壓氣泡的形式均勻擴散于果汁中，并與果汁充分的接觸混合，以提高棒曲霉素臭氧降解效率。

圖2 蘋果汁臭氧脫毒系統結構Fig.2 Structure of ozone detoxification system for apple juice

1.8 臭氧熱解系統

臭氧在水中和果汁中的溶解度很小，在整個臭氧脫毒過程中，只有部分臭氧參與棒曲霉素氧化降解，還有一部分未參與氧化降解的臭氧需要排出。由于臭氧具有一定的刺激性氣味，長時間吸入臭氧會對人的呼吸系統造成傷害，所以殘留的臭氧需要經過分解處理才能排入空氣中。利用臭氧在溫度70℃以上發(fā)生熱分解的原理，增加1個電加熱分解儀（功率：160 W），使其溫度達到80℃以上，臭氧氣體從中間通過時受熱分解產生氧氣。其結構見圖3。利用臭氧濃度分析儀（IDEAL-2000型）對熱解儀氣體出口端臭氧進行檢測，其濃度接近于0。

圖3 臭氧熱解儀結構Fig.3 Structure of thermo-decomposition equipment for ozone

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

濃縮蘋果汁，購自山東佳美食品工業(yè)有限公司（可溶性固形物質量分數：71.0%；總酸：14.14 g/kg；透光率：在625 nm和可溶性固形物質量分數11.5%下為98.7%；色值：在440 nm和可溶性固形物質量分數 11.5%下為0.60）。 棒曲霉素標準品：純度>98 g/100 g，購自生工生物工程（上海）股份有限公司；棒曲霉素標準貯備液制備：準確稱取5.00 mg標準品溶于4 mL去離子水中，配制成濃度為1.25 mg/mL的標準貯備液。色譜乙腈和甲酸購自瑞士Oceanpark公司。

試驗用蘋果汁是由濃縮蘋果汁和去離子水按照1:5稀釋獲得，制得的蘋果汁固形物質量分數為15%，pH值為3.5。將一定體積的1.25 mg/mL棒曲霉素標準貯備液加入到上述稀釋的蘋果汁中，獲得棒曲霉素初始濃度大約為200～250μg/L的試驗樣品。將上述樣品倒入不透明的塑料瓶中，在-20℃下貯藏備用，所制備的樣品在一個月內用完。

2.2 試驗方法

2.2.1設備運行參數

設備接通電源，先打開臭氧發(fā)生器（DJ-Q2020A型）、臭氧濃度檢測儀（IDEAL-2000型）、氣體泵和臭氧熱解儀，預先運行20 min。待臭氧濃度穩(wěn)定后，打開果汁泵，調節(jié)液體流量計控制果汁流速為50 L/h；調節(jié)氣體流量計（LZB-FA30S-15），控制臭氧流速為3 L/min；再通過調節(jié)過濾空氣入口開關，使空氣與高濃度臭氧在氣體混合器中充分混合，并用臭氧濃度測定儀在線檢測得到臭氧濃度分別為7、9、10和12 mg/L。以上運行參數是根據各儀器設備性能參數及前期預試驗結果確定。果汁與設定濃度的臭氧氣體在脫毒反應器中逆向接觸，兩者充分混合并反應0～30 min，每隔5 min取樣1次，測定果汁中棒曲霉素、可溶性固形物、總酸度、pH值、透光率、色值以及蘋果酸和總酚含量的變化。整個試驗均在室溫下進行，每個試驗重復3次，以平均值±標準偏差作為計算結果。多余的臭氧氣體通過臭氧熱解儀分解成氧氣排入空氣中。

2.2.2棒曲霉素測定

處理后的蘋果汁立即用HPLC法[29]測定棒曲霉素的含量。取10 mL果汁加入到60 mL分液漏斗中，再加入10 mL乙酸乙酯振蕩提取2 min，靜置分層后，倒出下層蘋果汁，再按照上述步驟重復2次，將上層提取液合并倒入旋蒸瓶中，利用旋轉蒸發(fā)儀（RE-201C型）于40℃水浴旋蒸至干。殘渣用10 mL0.1%的甲酸溶液溶解，過0.22μm過濾膜后進行HPLC測定。色譜條件：色譜柱，Water XBridge TM(100 mm × 4.6 mm 直徑 3.5μm)；流動相，乙腈:0.1%甲酸溶液=5:95(體積比)；流速，0.75 mL/min；UV檢測波長，276 nm；進樣體積，20μL。并按照下式計算棒曲霉素的降解率。

2.2.3 蘋果汁品質指標測定

可溶性固形物質量分數利用便攜式折光儀（HB-TD80型）測定；果汁pH值利用pH計（PHS-3C型）測量；總酸采用酸堿滴定法（GB/T 12456-2008）測定；透光率和色值采用UV-VIS分光光度計（756PC型）分別在625 nm和440 nm下測定吸光度值（OD值）；蘋果酸采用HPLC法測定[30]；總酚含量采用福林酚法測定[31]。

3 結果與分析

臭氧濃度對蘋果汁中棒曲霉素降解效果的影響見圖4。本試驗條件為：蘋果汁中棒曲霉素初始濃度為（247.13±11.56）μg/L，臭氧流速為3 L/min，臭氧濃度調節(jié)為7、9、10和12 mg/L，處理時間為10 min。從圖4可以看出，臭氧處理可有效降低蘋果汁中的棒曲霉素，且隨著臭氧濃度的增加，其降解效果越好（P<0.05）。在臭氧濃度為7 mg/L處理10 min后，棒曲霉素降低到（87.03±8.11）μg/L，降解率為64.78%；而在臭氧濃度為12 mg/L時，相同的脫毒時間內棒曲霉素降低到（45.30±5.32）μg/L，降解率達到81.67%。臭氧濃度與蘋果汁中棒曲霉素殘留量可用冪指數函數較好的擬合，其相關系數R2=0.954 3。

圖4 臭氧濃度對蘋果汁棒曲霉素降解效果的影響Fig.4 Effects of ozone concentration on degradation efficiency of patulin in apple juice

在已報到的文獻中，McKenzie等[28]用2%～20%的臭氧降解真菌毒素5 min，結果發(fā)現增加臭氧濃度能有效提高真菌毒素的降解效果。在較高的臭氧濃度下，可減少臭氧處理時間以達到相同的毒素降解效果。另外，他們還發(fā)現10%的臭氧可在15 s內將5μg/mL的棒曲霉素水溶液完全降解。Cataldo[17]用12%的臭氧降解水溶液（6.8×10-3mmol/L）和澄清蘋果汁（2.4×10-3mmol/L）中的棒曲霉素，棒曲霉素分別減少到起始濃度的8%和接近0，但臭氧流速和處理時間在其研究中未提供。Karaca等[32-33]利用0.17mg/L的臭氧水處理250μg/L棒曲霉素溶液1 min，可將其降低到4.5μg/L，降解率達到98%。與本試驗條件相比，大多數棒曲霉素臭氧降解都是利用棒曲霉素水溶液進行研究，其降解時間明顯少于本試驗所用時間，這可能是由于果汁中的色素類物質、多酚類、維生素C以及有機酸等成分限制了棒曲霉素的降解所致[17,28,34]。另外，各試驗所用臭氧濃度差異較大也是導致處理時間顯著不同的主要原因。

臭氧處理時間對蘋果汁中棒曲霉素降解效果的影響見圖5。

圖5 臭氧處理時間對蘋果汁棒曲霉素降解效果的影響Fig.5 Effects of ozone treatment time on degradation efficiency of patulin in apple juice

從圖5得出，臭氧處理時間也是影響蘋果汁棒曲霉素降解效果的一個重要因素。隨著臭氧處理時間的增加，蘋果汁中棒曲霉素含量顯著降低（P<0.05）。在臭氧處理15 min時，棒曲霉素從初始質量濃度（201.60±2.70）μg/L降低到（49.24±2.60）μg/L，降解率達到75.58%，低于世界衛(wèi)生組織和英國軟飲料協會制定的最大允許限量50μg/L的限量要求[35-36]；臭氧處理 5min時，棒曲霉素降解率為44.2%。臭氧處理 30 min時，棒曲霉素降解率高達95.81%。臭氧處理時間與蘋果汁棒曲霉素含量之間遵循一級降解動力學模型，其相關系數R2=0.974 9。

眾所周知，較高的臭氧濃度或較長的臭氧處理時間會破壞所處理產品的品質[34]，因此，在實際應用過程中，在達到脫毒效果的基礎上，盡量使用較低的臭氧濃度或縮短臭氧處理時間，以減少所處理食品的營養(yǎng)損失。

為了明確臭氧脫毒對蘋果汁品質的影響，本試驗探討了臭氧處理過程中蘋果汁透光率、色值、pH值、可溶性固形物含量、總酸度、蘋果酸和總酚含量的變化。試驗結果見表1。從表1可以看出，在30 min臭氧處理時間內，蘋果汁的可溶性固形物含量、總酸度和pH值幾乎無變化（P<0.05），而果汁透光率顯著增加，色值、蘋果酸和總酚含量顯著減少（P<0.05）。在臭氧處理15 min時，蘋果汁的色值、蘋果酸和總酚質量分數分別降低了61.81%、53.97%和58.45%。蘋果汁透光率增加和色值降低均說明臭氧處理導致果汁色素類物質受到氧化破壞[34]。

很多研究者也報道臭氧處理對果汁品質影響較大。Tiwari等[35]利用7.8%的臭氧處理草莓汁10 min，草莓汁中的花青素和抗壞血酸分別減少了98.2%和85.5%。他們在用臭氧處理葡萄汁和橙汁的試驗中得到了相似的結果[36-37]。Torres等[34]發(fā)現臭氧處理能顯著降低蘋果汁的顏色、流變學特性和酚類物質的含量。這些研究結果與本試驗的結果是一致的。這也間接證明果汁中的有機酸、多酚類物質的存在因消耗部分臭氧而降低其對棒曲霉素的降解效果。

表1 臭氧處理對蘋果汁品質的影響Table 1 Effects of ozone treatment on quality of apple juice

4 結 論

利用自主研發(fā)的臭氧脫毒設備可有效降解蘋果汁中的棒曲霉素，其降解效率與臭氧濃度和處理時間均密切相關。臭氧濃度為7～12 mg/L處理蘋果汁10 min時，棒曲霉素降解率為64.78%～81.67%；臭氧濃度為12 mg/L處理5～30 min，棒曲霉素降解率為44.02%～95.81%。臭氧雖能高效降解棒曲霉素，但對果汁色值、有機酸和多酚類物質破壞較大，因此果汁加工者在采用臭氧脫毒技術時應考慮其對果汁品質的不利影響。

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