辉光放电等离子体对苹果汁中棒曲霉素降解作用及对苹果汁品质的影响

孙　艳，蒲陆梅，龙海涛，张慧秀，薛华丽，毕　阳，*（.甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃兰州730070；.甘肃农业大学理学院，甘肃兰州730070）

辉光放电等离子体对苹果汁中棒曲霉素降解作用及对苹果汁品质的影响

孙艳1，蒲陆梅2，*，龙海涛2，张慧秀2，薛华丽2，毕阳1，*
（1.甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃兰州730070；2.甘肃农业大学理学院，甘肃兰州730070）

为了寻求一种能最大限度保持苹果汁品质又能有效降解其中棒曲霉素（Pat）的技术方法，本文采用辉光放电等离子体技术，研究了其对苹果汁中棒曲霉素的降解效果及对果汁品质的影响。结果表明，当直流电压为550 V，电流范围为145～155 mA时，辉光放电等离子体可在5 min内有效降解苹果汁中的棒曲霉素，降解效果显著（p＜0.05），降解率达到96.63%。在0～30 min处理时间范围内，苹果汁中的可溶性固形物无变化，苹果汁的色值和透光率提高。10 min内苹果汁总酸度变化不大，pH稍微降低，粘度、电导率、A660和A420无显著变化。综合分析，10 min的处理时间已完全使苹果汁中的棒曲霉素降低到一个很低的水平，又不会对苹果汁的主要理化指标造成影响。

苹果汁，棒曲霉素，辉光放电等离子体，降解，品质

我国的苹果汁产量和出口量居世界前列，棒曲霉素（Patulin，Pat）是出口果汁检验的指标之一。它是一种具有神经毒性的真菌代谢产物，具有致癌、致畸和致突变作用。大量的研究表明，棒曲霉素具有基因毒性、细胞毒性、免疫毒性和生殖毒性［1］，能够导致哺乳动物细胞的DNA损伤［2］，染色体畸变和微核形成［3］，并且会损害动物的肾脏、肝脏和肠等器官组织［4］。世界上很多国家都对果汁中棒曲霉素的最大限量做了规定，如欧盟（European Union，EU）规定果汁中棒曲霉素的最大限量为50 μg/kg［5］。由于棒曲霉素化学结构（见图1）稳定，很难在苹果汁加工过程中将其消除。如果苹果汁中棒曲霉素超标，会危害人类健康，同时也带来巨大的经济损失。因此，研究有效控制苹果汁中棒曲霉素的方法具有非常重大的意义。

目前，国内外对果汁中棒曲霉素控制的方法主要有物理方法和化学方法，物理方法包括活性炭吸附和树脂吸附［6］等物理吸附，以及微波处理［7］、γ-射线辐照［8］、脉冲光辐照［9-10］和紫外线辐照［11-12］等。然而，物理吸附不能彻底降解棒曲霉素［13］，辐照处理局限性较大。化学方法主要是采用臭氧［14］、添加添加剂及巯基类物质降解棒曲霉素［15］，其带来食品安全问题。因此寻求一种能有效降解棒曲霉素并且对苹果汁品质造成最小影响的降解方法显得尤为重要。

辉光放电等离子体（glow discharge plasma，GDP）处理是一种绿色环保、新兴的电化学高级氧化技术，已较多地利用于水体中有机污染物的降解［16-18］，其特点是降解效率高，不会造成二次污染。但降解棒曲霉素及其对苹果汁品质的影响的研究尚未见报道。因此，本文研究了GDP对苹果汁中的棒曲霉素降解作用及对苹果汁主要理化指标的影响，为辉光放电等离子体脱除食品中棒曲霉素的研究与应用提供基础性数据。

图1　棒曲霉素结构式Fig.1　Structure of patulin

1　材料与方法

1.1材料与仪器

棒曲霉素标准品北京泰乐祺科技有限公司；苹果红富士，购自甘肃省静宁县；果胶酶（酶活力≥10万U/g） 上海源叶生物科技有限公司；乙腈山东禹王实业有限公司化工分公司，色谱纯；乙酸乙酯、碳酸钠、冰乙酸上海中泰化学试剂有限公司，分析纯。

DH1722-6型高压直流电源北京大华无线电仪器厂；pHS-3C型数字酸度计上海分析仪器厂；78HW-1恒温磁力搅拌器杭州仪表电机厂；FL 2200-2液相色谱系统中国浙江福立分析仪器有限公司；UV-2100紫外可见分光光度计日本岛津；RE-52AA旋转蒸发器上海亚荣生化仪器厂；SH2-D（Ⅲ）循环水式真空泵巩义市予华仪器有限公司；DF-9588型榨汁机深圳市联创实业有限公司；WYT手持糖度计泉州中友光学仪器有限公司；DDS-11A数显电导率仪上海雷磁新泾仪器有限公司；NDJ-79旋转式粘度计上海同济大学机电厂。

1.2实验装置

实验装置包括直流电源和反应器。反应器中的阳极为将直径0.5 mm的铂丝密封于烧结石英管中，尖端外露而制得的铂电极，浸入液面。阴极为直径1.0 cm碳棒。反应温度由水浴控制。当施加电压超过临界值时，阳极产生辉光放电，且放电现象非常稳定，在阳极尖端和液面之间呈现特殊的锥形等离子体区域。

虽然人生这场赛跑注定了不完全公平，但每一个阶段的大抵公平还是有的。你选择了什么，就会收获什么；你将时间花在哪里，时间就会还给你什么。观念左右行动，投入决定产出，一切最终输出的结果都是由最初输入的选择和行动导致的。就好像那些经典的老电影，所有故事的结局，在最开始的时候就已经埋下了伏笔，只是有些你没有看出来而已。

图2　实验装置示意图Fig.2　The schematic diagram of the experimental apparatus

1.3实验方法

1.3.1苹果汁的制备苹果→清洗→去皮→切块→在0.1%食盐水中浸泡10 min→榨汁→四层纱布过滤→果胶酶解（温度52℃、时间2 h、加酶量0.05 g/L）→抽滤→苹果清汁

1.3.2GDP处理将苹果汁分成A、B两组进行GDP处理，A组处理后进行棒曲霉素的提取与含量测定，B组处理后直接进行苹果汁理化指标的测定。A组：准确吸取20 mL苹果汁于反应器中，加入0.5 mL 10 mg/L的棒曲霉素溶液，摇匀。在直流电压为550 V、电流范围为145～155 mA的条件下产生的辉光放电等离子体处理反应液，处理时间为1、2、3、4、5 min。B组：准确吸取20 mL苹果汁于反应器中，不加入棒曲霉素溶液，在同电压、同电流的条件下处理时间分别为：5、10、15、20、25、30 min。

1.3.3棒曲霉素的提取取20 mL处理后A组样品，置于125 mL分液漏斗，加入20 mL乙酸乙酯，振荡1 min后静置分层。将水层再用乙酸乙酯重复提取两次，弃去水层，合并乙酸乙酯提取液。加入10 mL 14 g/L碳酸钠溶液，立即振摇，静置分层（此净化操作应尽可能在2 min之内完成）。再加入10 mL乙酸乙酯提取碳酸钠水层一次，弃去水层，合并乙酸乙酯提取液，加入5滴冰乙酸，于40℃减压蒸发至剩余溶液约为1～2 mL，最后于40℃下用氮气吹干。用1 mL乙酸盐缓冲液（pH4.0）溶解残留物，用0.25 μm微孔膜过滤后，供高效液相色谱测定。

1.3.4棒曲霉素的测定方法按照SN 0589-1996《出口饮料中棒曲霉素的检验方法》测定，条件进行修订。色谱柱：Ultimate XB-C18反相柱（250 mm×4.6 mm，5 μm）；流动相：乙腈∶水（10∶90，V/V）；检测器：紫外检测器，波长276 nm；柱温：25℃；流量：1.0 mL/min；进样量：20 μL。

1.3.5降解率计算各处理样品中棒曲霉素降解率计算公式为：

式中，Cck—不作处理样品中的棒曲霉素质量浓度，mg/L；CR—处理后样品中的棒曲霉素质量浓度，mg/L。

1.3.6苹果汁理化指标的测定可溶性固形物：参考SB/T 10203-1994［19］的测定；色值（T440nm）、透光率（T625nm）、浊度（A660nm）和吸光度（A420nm）：分光光度法，按GB/T 18963-2003［20］测定；pH：pHS-3C型数字酸度计测定；粘度：NDJ-79旋转式粘度计测定；电导率：DDS-11A数显电导率仪测定。

1.3.7数据处理所有处理重复三次，图中数据为平均值±标准误差，图表中相同字母表示数据间差异不显著（p＞0.05）。数据分析使用Microsoft Excel和Spass Statistics 19.0专业版统计软件进行处理。

2　结果与讨论

2.1GDP对苹果汁中棒曲霉素的降解作用

2.1.1图谱分析按1.3.4液相色谱分析条件测定，5 mg/L的棒曲霉素标样、空白苹果汁和加标苹果汁色谱图分别如图3～图5所示。

图3　棒曲霉素标准溶液色谱图Fig.3　Chromatogram of patulin standard solution

图4　空白苹果汁样品色谱图Fig.4　Chromatogram of apple juice without addition of patulin

图5　加标苹果汁样品色谱图Fig.5　Chromatogram of apple juice with addition of patulin standard solution

由图3～图5的对比中可以看出苹果汁本身的基质杂质对棒曲霉素的测定干扰甚小，苹果汁样品添加棒曲霉素的色谱图峰形标准，与标准溶液对照，重现性很好，说明实验所采用的仪器条件合适，能够准确定性、定量测定，检测方法可行。

图6　不同处理时间对苹果汁中棒曲霉素降解的影响Fig.6　Effect of different time on degradation of patulin in apple juice

2.1.2处理时间对苹果汁中棒曲霉素降解率的影响

图6表明，在5 mg/L棒曲霉素溶液的苹果汁中，GDP处理1、2、3、4、5 min后，棒曲霉素含量均降低，其降解效果显著（p＜0.05）。其中，棒曲霉素的降解率随着处理时间的增加而增大，GDP处理4 min时降解率达到93.19%，之后降解效果并没有显著增加。

此外，从图6可以看到，棒曲霉素的降解率随处理时间的变化可分两个阶段，在3 min内棒曲霉素被快速降解，降解率达到了86.23%。这说明，在这个时间段内，辉光放电等离子体中的·OH主要与棒曲霉素发生反应。而4 min后棒曲霉素降解速率缓慢，主要是由于反应过程中产生的中间产物消耗·OH，致使与棒曲霉素发生反应的·OH减少［16］。

棒曲霉素是一种杂环内酯类化合物，结构式如图1所示，其化学名称为4-羟基-4-氢-呋哺（3，2-碳）骈吡喃-2（6-氢）酮。由于棒曲霉素结构中存在共轭双键，辉光放电等离子体产生的·OH等高活性粒子，可引发苹果汁中的棒曲霉素发生羟基化反应，接着开环，内酯环遭到破坏，化学键断裂，氧化成羧酸类物质。最后羧酸类物质与·OH等高活性粒子作用，生成CO2、H2O。因此棒曲霉素含量减少直至HPLC检测不到，说明GDP能有效、彻底地降解苹果汁中的棒曲霉素。

2.2辉光放电等离子体对苹果汁主要理化指标的影响

2.2.1GDP处理对苹果汁可溶性固形物含量的影响由图7可以看出，GDP对苹果汁进行处理，对苹果汁的可溶性固形物几乎无影响。这是因为可溶性固形物主要是由糖类物质构成，这类物质的分子内和分子间都存在着氢键，从而不易受到GDP中·OH的进攻而发生变化，所以果汁中的糖类物质不发生变化，可溶性固形物不变［21］。

图7　GDP处理对苹果汁可溶性固形物的影响Fig.7　Effect of GDP on the soluble solid concentration in apple juice

图8　GDP处理对苹果汁色值和透光率的影响Fig.8　Effect of GDP on the color value and clarity of apple juice

2.2.2GDP处理对苹果汁色值和透光率的影响色值和透光率是反映苹果汁颜色深浅程度的一项重要的理化指标，图8表明，GDP处理可使苹果汁的色值和透光率发生变化，色值和透光率均随着处理时间的增加而增大，可以有效地提高果汁的色泽和澄清度，能够保持果汁的稳定性、抑制褐变、延长贮藏期等重要作用。此外，色值和透光率之间有一定的相关性，其回归方程为y=1.2642x-56.769，决定系数R2= 0.9406，与陈冬梅等［22］所报道的结论近似。

色值升高可能是由于GDP产生的·OH等高活性粒子破坏了发色团和助色团的共轭体系，将其氧化为小分子的有机物和无机物，使其失去发色能力，从而导致苹果汁的色值和透光率升高，颜色变浅，与相关文献报道一致［23-24］。

图9　GDP处理对苹果汁总酸度和pH的影响Fig.9　Effect of GDP on the acidity and pH of apple juice

2.2.3GDP处理对苹果汁总酸度和pH的影响从图9可以看出，在0～10 min的处理时间内，苹果汁中的酸度变化不大。而10 min之后随着处理时间的增加，总酸度升高，可能是由于氧化性极强的羟基自由基（·OH）将果汁中的醛类物质氧化成酸，导致苹果汁中的酸含量轻微变化，这个与高春燕等［21］所报道的结论一致。此外，GDP处理使苹果汁的pH稍微降低，但变化不显著。主要原因是·OH氧化使苹果汁总酸度提高，从而游离的H+增多，pH降低。

2.2.4GDP处理对苹果汁粘度、电导率、A660和A420的影响GDP处理苹果汁后，粘度、电导率、A660和A420的数据列于表1。

表1　GDP处理对苹果汁粘度、电导率、A660和A420的影响Table 1　Effect of GDP on the viscosity，conductivity，A660and A420of apple juice

由表1可知，随着处理时间的增加，苹果汁的粘度无显著性变化，均在1.80 Pa·s左右。电导率在10 min内没有显著变化，之后有所增加，30 min后苹果汁的电导率为2.49 mS，与无处理时苹果汁的电导率2.31 mS相比，变化不是很大。苹果汁的浊度（A660）随着时间的变化具有先减小后增大的趋势，但整体上没有显著性的变化。吸光度（A420）的变化趋势与浊度相似，逐渐减小后在25 min时A420增加到1.225，与不处理苹果汁A420的1.248变化不显著。因此，GDP处理对各个理化指标的整体影响并不是很大。

3　结论

辉光放电等离子体处理是一种有效的降解技术方法，可高效、彻底地降解苹果汁中的棒曲霉素，降解效果显著，5 min后降解率达到96.63%。此外，GDP处理会对苹果汁的主要理化指标产生一定的影响，但整体影响并不是很大。在0～10 min处理时间范围内，苹果汁中的可溶性固形物、总酸度、pH、粘度、电导率、A660和A420无显著变化。综合分析，10 min的处理时间已完全使苹果汁中的棒曲霉素降低到一个很低的水平，又不会对苹果汁的主要理化指标造成影响。因此，本研究为果汁中棒曲霉素的降解提供了理论依据，在食品质量安全控制领域具有非常重要的意义。

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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

孙艳（1990-），女，硕士研究生，研究方向：食品科学，E-mail：1299908717@qq.com。

蒲陆梅（1968-），女，博士，教授，研究方向：食品科学，E-mail：pulm@gsau.edu.cn。毕阳（1962-），男，博士，教授，研究方向：果蔬采后生物学与技术，E-mail：biyang@gsau.edu.cn。

国家高新技术研究和发展项目（2012AA101607）；甘肃省自然科学基金项目（1308RJZA280）。