CN109699867B - 一种降解果汁中展青霉素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种降解果汁中展青霉素的方法，该方法包括如下步骤：(1)将果汁置于反应装置中；(2)在反应装置中加入纳米TiO2粉体，得混合悬浮液，控制TiO2的浓度为0.9‑1.5g/kg；(3)控制所述混合悬浮液的温度为20‑30℃，用紫外光直接照射40‑120min，照射过程中保持搅拌；(4)将经光催化降解的混合悬浮液，用过滤器过滤除去TiO2。本发明通过引入TiO2这种无毒无害的微量成分，利用其紫外激发的物理特性与紫外处理技术协同作用，不仅极大的优化了紫外处理的种种优点，而且对果汁的感官有着极大的利处，从而大幅的提升产品的质量和品质。
Description
技术领域
本发明涉及液体食品脱毒处理技术领域，具体而言，涉及一种光催化降解果汁中展青霉素的方法。
背景技术
展青霉素(patulin,PAT)又称棒曲霉素,是一种有毒的真菌代谢产物。据研究发现，能产生展青霉素的真菌有扩张青霉、展青霉、棒型青霉、土壤青霉、新西兰青霉、石状青霉、粒状青霉、梅林青霉、圆弧青霉、产黄青霉、蒌地青霉、棒曲霉、巨大曲霉、土曲霉和雪白丝表霉等共3属16种。展青霉素主要污染水果及其制品,尤其是苹果、山楂、梨、番茄、苹果汁和山楂片等。毒理学试验表明,展青霉素具有影响生育、致癌和免疫等毒理作用,同时也是一种神经毒素。展青霉素的限量标准在大多数欧美国家为0～50μg/kg；WHO推荐展青霉素在苹果汁中的最高限量标准为50μg/kg；我国相应的标准规定苹果、山楂半成品限量标准为100μg/kg,果汁、果酱、果酒、罐头和果脯的限量标准为50μg/kg。目前，展青霉素在苹果相关产品中的污染问题，已经称为限制我国苹果加工产品出口贸易的瓶颈。
目前，针对展青霉素的降解还没有合适高效的方法，已报道的方法大多面临处理时间长，或者对产品的成分有较大影响甚至是不利的影响，或者处理所产生的费用问题，都是限制相关技术应用的因素。例如，利用微生物吸附作用去除展青霉素的处理方法中，主要是利用失活微生物细胞壁对展青霉素的吸附作用。然而据目前文献报道，微生物吸附法其处理时间多高达24h。此外，在细胞壁的吸附过程中，存在吸附点的饱和问题，即单位质量的失活微生物的最大吸附量是一定的。针对此问题，虽然已经开始有研究对其进行脱吸附，以实现失活微生物的重复利用，但存在效率偏低问题和转移后毒素的处理问题。
另外，目前已有相关紫外照射去除PAT的技术研究。紫外的去除效果相比较其他技术而言有着明显的优势，其一，相比较化学等去除方法而言，其不会引入化学成分，也不会发生化学物质与果汁自身营养成分的反应；其二，苹果汁富含维生素、矿物质、酚类化合物等生物活性物质，紫外处理技术作为一种冷处理技术，不会造成热敏性营养成分的破坏和损失，从而对果汁的口感、色泽和风味有最大程度的保留，这与目前的消费需求相贴合。但是，现有的紫外处理技术降解PAT的效果不是很理想，另外在苹果汁的生产过程中，果汁的褐变程度是降低苹果汁质量的一大因素，而紫外处理不能有效的遏制这种不利变化。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种抑制褐变且高效降解果汁中展青霉素的方法，采用该方法可以实现完全降解果汁中展青霉素的目的。
为了实现本发明的目的，本发明人另辟蹊径，创造性地引入纳米TiO2粉体，与紫外处理技术相结合，从而对展青霉素形成了高效降解，同时有效抑制果汁的褐变。
具体地，本发明的技术方案概况如下：一种降解果汁中展青霉素的方法，该方法包括如下步骤：
(1)将果汁置于反应装置中；
(2)在反应装置中加入纳米TiO2粉体，得TiO2和果汁的混合悬浮液，控制TiO2的浓度为0.9-1.5g/kg；
(3)控制所述混合悬浮液的温度为20-30℃，用紫外光直接照射40-120min，照射过程中保持搅拌；
(4)将经光催化降解的混合悬浮液，用过滤器过滤除去粉末TiO2。
进一步优选地，如上所述降解果汁中展青霉素的方法，其中步骤(2)中在反应装置中加入纳米TiO2粉体后，将TiO2和果汁的混合悬浮液超声振荡，使TiO2颗粒分散均匀。
进一步优选地，如上所述降解果汁中展青霉素的方法，其中步骤(2)中控制TiO2的浓度为1.0-1.2g/kg。
进一步优选地，如上所述降解果汁中展青霉素的方法，其中步骤(2)中所述的纳米TiO2粉体的直径为20～50nm。
进一步优选地，如上所述降解果汁中展青霉素的方法，其中步骤(2)中所述的纳米TiO2为锐钛型二氧化钛。
进一步优选地，如上所述降解果汁中展青霉素的方法，其中步骤(3)中控制所述混合悬浮液的温度为24-26℃，用紫外光直接照射40-60min。
再进一步优选地，如上所述降解果汁中展青霉素的方法，其中所述的果汁为果汁。所述的果汁包括苹果汁、橙汁、山楂汁、梨汁和番茄汁。
需要说明的是，二氧化钛属于n型半导体材料，锐钛型二氧化钛禁带宽度为3.2ev，当受到能量大于TiO2禁带宽度，即波长小于或等于387.5nm的光照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越迁至导带，形成光生电子，而价带中相应的形成光生空穴。光生电子可以在导带中自由的迁移，光生空穴可以被邻近分子的电子中和，而在邻近的分子上产生一个空穴，上述过程在不断地重复发生。电子和空穴因此可能发生中和，甚至大范围的中和从而造成无效反应，或者迁移到催化剂表面，与溶液中的活性氧族发生反应。TiO2表面的光生电子易被水中的溶解氧等氧化物质所捕获，而空穴则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的OH－和H2O分子氧化成·OH自由基，·OH自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为小分子、CO2、H2O等无害物质。
与现有技术相比，本发明方法中引入TiO2这种无毒无害的微量成分，利用其紫外激发的物理特性与紫外处理技术协同作用，不仅极大的优化了紫外处理的种种优点，如缩短处理时间，降低酶活抑制酶促褐变，果汁的抗氧化性提高，酚类物质含量明显高于其他处理过程，而且可以实现完全降解果汁中展青霉素地目的，同时对果汁的感官有着极大的利处，使其澄清度、色度都能接近天然的状态，从而对果汁的质量品质有着极大的提升。
说明书附图
图1：TiO2光催化降解果汁PAT的装置图；
图2：不同温度对PAT去除率的影响；
图3：不同TiO2添加量对PAT去除率的影响；
图4：不同紫外功率对PAT去除率的影响；
图5：模拟果汁中展青霉素的降解曲线；
图6：葡萄糖标准曲线；
图7：处理时云值变化曲线；
图8：处理时可溶性固形物含量变化曲线；
图9：处理时多酚含量变化曲线；
图10：处理时还原糖变化曲线。
具体实施方式
以下采用实施例进一步描述本发明方法的实施过程和有益效果，试验例仅用于例证的目的，不限制本发明的保护范围，同时本领域普通技术人员根据实施例所做的显而易见的改变也包含在本发明范围之内。
实施例1：TiO2光催化对模拟果汁质量的影响
1、处理方法
(1)将果汁置于反应装置中，实验采用图1的装置；
(2)在反应装置中加入纳米TiO2粉体，得TiO2和果汁的混合悬浮液；
(3)控制所述混合悬浮液的温度，用紫外光直接照射，照射过程中保持搅拌；
(4)将经光催化降解的混合悬浮液，用过滤器过滤除去粉末TiO2。
每次实验的溶液体积保持为250mL不变，初始展青霉素含量为500μg/kg，紫外光源的整个可实现的照射长度为17.5cm，本实验中其最大有效照射长度为8cm,紫外功率为28w,外套的石英管的直径为3cm，盛装容器为570ml的烧杯容器，每次使用前洗净。取样时，保证每次取样的体积不变。
2、模拟果汁的制备
参照文献(高海燕,苹果汁特征品质分析及鉴伪方法的研究,中国农业大学,2004.)制备模拟果汁，主要营养成分如表1。
表1100％苹果汁中主要营养成分
3、单因素实验
(1)温度对PAT去除的影响
温度的水平数分别设置为：4℃，15℃，25℃，35℃。
温度对PAT去除率的影响如图2所示。由图2可知，25℃PAT去除率明显最大。温度升高或降低都使得降解效果变差。
(2)TiO2添加量对PAT去除的影响
TiO2添加量的水平数，参考国标限量标准之后，设置为2.5、1.0、0.5、0.25g/kg,以及空白样单紫外处理。
TiO2添加量对PAT去除率的影响如图3所示。由图3可知，1.0g/kg添加量时，PAT去除率明显最大。添加量增加或降低都使得降解效果变差。
(3)紫外功率对PAT去除的影响
紫外功率的水平数分别设定为8w、4.8w、1.6w。
紫外功率对PAT去除率的影响如图4所示。由图4可知，紫外的功率分别为1.6、4.8和8w时，模拟果汁中PAT去除率明显增大。由此可知，随着紫外功率的增加，PAT去除率也增大；原因可能是由于随之功率的增加，TiO2被更多的能量所激发，光生电子和空穴随之变多，自由基反应也更加活跃，由此所引发的去除率的增加。
4、正交优化实验
表2正交实验因素水平表
表3实验方案及结果分析
故根据表3的正交结果，最优的方案为A1B2C2，即功率8w，添加量1.0g/kg，温度25℃。该方案对模拟果汁中展青霉素的降解曲线如图5所示，其中N为果汁的PAT含量，N/N0为果汁中初始的处理后PAT含量与初始PAT含量比值。
实施例2：TiO2光催化对真实果汁质量的影响
1、实验原料及果汁的制备
红富士苹果(产地中国陕西白水县)购自京东超市，大小一致，色泽红润，完整、无病虫害且无机械损伤的苹果；立即运回实验室。
取完好的苹果，清洗干净后去核、切块，一部分热烫护色，一部分榨取果汁后，同时按比例(0.5g/kg)添加L-抗坏血酸进行护色(在国标允许的范围内)、-20℃冻藏留备后续处理。
2、TiO2光催化对真实果汁质量的影响
2.1加标回收
量取5mL样品于50mL离心管中，加入10mL乙酸乙酯，超声提取10min，4000r/min4℃下离心5min,取出上层提取液，再用乙酸乙酯提取两次，合并3次提取液，加入10mL2％碳酸钠溶液，振摇净化，离心，收集乙酸乙酯提取液于蒸馏瓶中，旋转蒸发浓缩至近干(或氮吹)，加入1mL流动相，充分混合，经0.22μm膜过滤，供高效液相色谱进行检测分析。
在已知空白样品中添加不同水平的展青霉素标准品，分别为50、100、250、500μg/L,按所述样品处理方法进行测定，计算回收率，结果见下表：
表4加标回收实验
2.2还原糖的测量
糖类：还原糖的测定-3,5-二硝基水杨酸法
试剂：(1)1mg/mL葡萄糖标准液
准确称量100mg 95℃下烘至恒重的分析纯葡萄糖，放在小烧杯，用少量蒸馏水溶解，然后转移到100mL容量瓶中，用蒸馏水定容到100mL，混匀，4℃冰箱中冷藏备用。
(2)3，5-二硝基水杨酸(DNS)试剂
将6.3g DNS和262mL2M的NaOH溶液，加到500mL含有185g酒石酸钾钠的热水溶液中，再加5g结晶酚和5g亚硫酸钠，搅拌加速溶解，冷却之后加用蒸馏水定容到1000mL，贮于棕色瓶中备用。
(3)乙酸锌溶液：称取21.9g乙酸锌，加3mL冰醋酸，用蒸馏水溶解，然后定容到100mL。
(4)亚铁氰化钾溶液：称取10.6g亚铁氰化钾，用蒸馏水溶解并定容至100mL。
实验器材：①比色管：10mL×9②恒温水浴锅③天平④分光光度计
实验步骤：
(1)制作葡萄糖标准曲线
取7支比色管编号，按下表分别加入浓度为1mg/mL的葡萄糖标准液、蒸馏水和DNS试剂，配成不同浓度的葡萄糖反应液。
表5葡萄糖标准曲线
将各管摇匀，在沸水浴里准确加热5min后取出，冷却至室温，用蒸馏水补足至10mL，加塞后混匀，然后用紫外分光光度计比色。调波长540nm，用0号管调零，分别测定1～6号管的OD值。以OD值为纵坐标，葡萄糖含量(mg)为横坐标，绘出标准曲线，如图6。
(2)样品中还原糖的测定
①显色和比色
取2支比色管，编号，分别加入待测液和显色剂，空白调零作为制作标准曲线的0号管，进行三次重复。其余操作与制作标准曲线相同。
(3)结果与计算
计算待测液OD值的平均值，在标曲上分别查出相应的还原糖毫克数，按下式计算样品中还原糖和总糖的含量。查曲线所得葡萄糖毫克数×提取液总体积/测定时取用体积还原糖。
2.3色泽
对果汁添加TiO2前后的果汁的色泽及光处理之后的果汁的色度进行测定及比较。采用WSC-S申光测色色差仪获得苹果汁的CIELAB颜色空间坐标值(L*、a*和b*)，使用黑板校零，白板校标。其中L*(0-100)为亮度，L*值越大表示色泽越亮；a*表示颜色从绿到红，负值偏绿，正值偏红；b*表示颜色从蓝到黄，负值偏蓝，正值偏黄。总色差采用公式
式中L、a、b---对照组果汁值
L0、a0、b0---实验组果汁值。
2.4云值(cloud value)
样品于3000rpm下4℃离心10min，后取上清液，于660nm测吸光值，以蒸馏水为对照。吸光值越大表示浊度越大。
2.5可溶性固形物含量
仪器：阿贝折光仪；
方法：在室温下用折光计(阿贝折光仪)测量待测样液的折光率，并用国标GB/T12143中表A.1查得20℃下的值(单位:○Brix)。
2.6总酚含量的测定
采用福林-酚法。取稀释的果汁加入1mol/L的福林酚0.1mL，室温暗处静置6min，加入2％(w/v)Na2CO3溶液2mL，在30℃水浴中避光反应60min后，测定760nm波长下吸光值，以去离子水为空白。以没食子酸(Gallic acid)为标准品制作标准曲线。果汁中总酚含量以每毫升苹果汁中没食子酸当量表示，计为GAEμg/m L。
取待测果汁，8000rpm4℃下离心，收集上清液，作为待测液备用，将待测液稀释10倍后，作为待测工作液A，采用福林-酚法。从上述不同浓度的标准代表液溶液中分别吸取1mL到10mL容量瓶中，再加入Folin－Ciocalteu试剂2.5mL，振摇混匀后放置5min，加入75g/L的碳酸钠溶液2mL，用蒸馏水定容后混匀。30℃下避光反应2h，于760nm波长处测定吸光度，绘制标准曲线。以蒸馏水作为空白对照。
标曲没食子酸标准曲线的制作
精确称取0.1g没食子酸标准品于烧杯中，用蒸馏水溶解并定容至100m L，配制成浓度为1.0mg/m L的没食子酸标准溶液。准确吸取上述标准溶液依次配制不同浓度梯度如下：0、8.5、17.0、25.5、34.0、42.5、51.0μg/mL。分别取1mL上述标准溶液代替稀释30倍的果汁，其余步骤与样品组相同，于760nm波长下测定吸光值。
2.7总酸的测定(采用酸碱滴定法)采用国标GB/T12456
用碱液滴定酸，以酚酞为指示剂，确定滴定终点，以碱液消耗量确定总酸含量。配置0.1moL/L的NaOH标准溶液，作为NaOH原液备用，量取100mLNaOH原液，分别稀释至1000mL和200mL的标准滴定溶液，制备0.01moL/L和0.05moL/L标准滴定溶液，用时当天配置，参照AOAC方法稍作修改。取10mL果汁用蒸馏水定容至100mL，滴定溶液为0.1mol/L NaOH，在磁力搅拌子不断搅拌的情况下，用电位滴定仪滴定至终点p H 8.2±0.1。可滴定酸含量转化为每毫升苹果汁中所含的苹果酸当量，转换系数为0.067。
2.8总黄酮含量的测量
取果汁0.25mL加入5％(w/v)(20g/100mL)的NaNO2溶液0.75mL，混匀放置6min。再加入10％(w/v)的Al(NO3)3溶液，反应6min，加入1mol/L NaOH，用蒸馏水补充体积至5mL，室温静置10min，测定510nm波长下吸光值。以芦丁(Rutin)为标准品制作标准曲线。果汁中总黄酮的含量以每毫升苹果汁中芦丁当量表示，单位为REμg/m L。
2.9结果与分析
(1)模拟果汁中展青霉素变化
温度的水平数分别设置为：4℃，15℃，25℃，35℃，由图7的降解曲线可以看出，25℃时模拟果汁的降解效果最为明显。
(2)真实果汁中展青霉素的降解
表6TiO2紫外处理
表7紫外处理
表6及表7为TiO2紫外处理和单紫外处理时真实果汁中展青霉素的降解曲线，其中N：果汁的PAT含量，N/N0：果汁中初始的处理后PAT含量与初始PAT含量比值。可以看出，相比较模拟果汁，降解速度较慢，这主要是因为真实果汁的成分较模拟体系更为复杂，必然对TiO2与展青霉素的接触概率产生不利影响，而接触概率的降低，势必会导致降解速度的降低。但相对于单紫外对照组而言其去除时间仅为单紫外的三分之一，降解速度提高明显，表明TiO2紫外处理在降解速度上相对于单紫外而言有很大的优势。
(3)云值(cloud value)：
样品于4000rpm下4℃离心10min，后取上清液，于660nm测吸光值，以蒸馏水为对照。吸光值越大表示云值越大。
图7为处理时云值变化曲线，其中N：果汁的云值，N/N0：果汁中处理后云值与初始云值之比。由图7不难看出，TiO2处理前后，云值呈现上升变化。
(4)处理时可溶性固形物含量变化
在室温下用折光计测量待测样液的折光率,并用国标GB/T 12143中表A.1查得20℃下的值(单位:○Brix)。
图8为处理时可溶性固形物含量变化曲线图，其中N：果汁的可溶性固形物含量，N/N0：果汁中处理后可溶性固形物含量与初始含量比值。由图8不难看出，TiO2处理前后，可溶性固形物几乎没有任何变化。可见，处理过程对可溶性固形物没有影响。
(5)处理时多酚含量变化
图9为处理时多酚含量变化曲线图，其中N：果汁的多酚含量，N/N0：果汁中初始的处理后多酚含量与初始多酚含量比值。由图9可以看出，总酚含量相比较初始有所增加，果汁中激发自由基生成，会由此引发压力应激反应导致植物抗性毒素累积，结果导致与防御机制有关的黄酮类物质含量增加。
(6)处理时还原糖含量变化
图10为还原糖变化曲线图，其中N表示还原糖含量，N0表示初始还原糖含量。由图10不难看出，TiO2处理前后，还原糖含量几乎没有任何变化。可见，处理过程对可还原糖没有影响。
(7)处理时果汁色度变化
表8处理过程中色度变化情况
TiO2紫外激发处理导致苹果汁色泽发生改变，增加了苹果汁的L*，降低了a*值和b*值增加。依据人眼的视觉敏感度可将ΔE的数值分为以下5种程度:不易察觉，0～≤0.5；轻微，0.5～≤1.5；可见，1.5～≤3.0；明显可见，3.0～≤6.0；非常明显，6.0～≤12.0。由表8可见，处理后苹果汁色差变化并不显著，30和120后ΔE分别为0.613和3.9858。其中30min时变化仅属于轻微范畴，而结合TiO2紫外激发处理真实果汁来看，在PAT初始含量为500ug/kg苹果汁经TiO2紫外激发处理,PAT降解到安全范围内，处理时间为30min左右，而此时果汁色泽稍微有变化。从单项来看，L﹡逐渐增大，表明处理后果汁色泽更加明亮，a﹡变化最为明显，表明果汁由红向黄绿色转变，而这一变化，虽然增大了总色差，其颜色变化其实是向着褐变的反方向移动，其实也使得果汁的颜色更加黄绿，更偏向于出汁时的颜色，故把这种变化看作有利变化并不为过。影响果汁色泽的因素有很多，如水果成熟度、水果中存在的不同种类色素、酶活性和微生物污染等。TiO2处理150min后，L*值和a*值显著改变，可能是由于处理时间长导致色素类化合物异构化或与自由基相互作用发生氧化而破坏或改变，增加了非酶促褐变的程度，使得总色差显著增加。
Claims (4)
1.一种降解果汁中展青霉素的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）将果汁置于反应装置中；
（2）在反应装置中加入纳米TiO2粉体，所述的纳米TiO2为锐钛型二氧化钛，得TiO2和果汁的混合悬浮液，控制TiO2的浓度为1.0-1.2g/kg；
（3）控制所述混合悬浮液的温度为24-26℃，用紫外光直接照射40-60min，照射过程中保持搅拌；
（4）将经光催化降解的混合悬浮液，用过滤器过滤除去粉末TiO2。
2.根据权利要求1所述降解果汁中展青霉素的方法，其特征在于，步骤（2）中在反应装置中加入纳米TiO2粉体后，将TiO2和果汁的混合悬浮液超声振荡，使 TiO2颗粒分散均匀。
3.根据权利要求1所述降解果汁中展青霉素的方法，其特征在于，步骤（2）中所述的纳米TiO2粉体的直径为20～50nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述降解果汁中展青霉素的方法，其特征在于，所述的果汁选自苹果汁、橙汁、山楂汁、梨汁或番茄汁。
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2019
- 2019-01-08 CN CN201910016370.7A patent/CN109699867B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101176880A (zh) * | 2006-11-08 | 2008-05-14 | 中国科学院沈阳应用生态研究所 | 一种TiO2和紫外光联合降解土壤中多环芳烃化合物的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109699867A (zh) | 2019-05-03 |
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