TiO2光催化降解花生油中黄曲霉毒素B1及其动力学研究

徐程鹏,叶盛英,崔晓蕾,张 全,梁 妍

(华南农业大学食品学院,广东广州 510642)

黄曲霉毒素(aflatoxin,AFT)是世界公认的一种毒性极强的毒素[1],经常存在于发霉潮湿的粮油制品中,其中黄曲霉毒素B1(aflatoxin B1,AFB1)是AFT中毒性最强的一种,国际癌症研究机构将其划为1类致癌物质,欧洲委员会条例确定了各种产品中AFB1的最大允许量为2 ng/g[2]。误食少量的AFB1会引起慢性中毒,大量误食AFB1会引起急性中毒,影响生命安全[3]。全球的食用油消费以植物油为主,我国是世界上10种食用油消费最大的国家,花生油便是其中之一,花生油中营养价值丰富,含有丰富的不饱和脂肪酸和多酚类物质,但花生在高湿高温的环境下,很容易受到黄曲霉的污染,以花生为主要原料的花生油也存在着黄曲霉毒素超标的风险,威胁人们的安全健康[4]。

据报道,花生油中AFB1检出率及超标率分别为88.1%和11.9%[5]。目前,在花生油中清除AFB1的方法主要有物理法[6]、化学法[7]、生物学降解法[8]3种,物理法常见的有辐照[9]、紫外和高温加热[10]等,化学法主要有碱炼法、氨气熏蒸和臭氧[11]等,生物法主要是酶解法[12-13],这些方法存在着一些不足,比如处理时间较长、损害营养物质、去毒效率低、实践应用受到限制[14-16]。TiO2光催化技术是近几年来迅速发展起来的一种非均相高级氧化技术,是指利用近紫外光照射具有光催化活性的TiO2,使其产生高活性物质,并使有机物氧化逐步降解,最终生成为二氧化碳、水和无机盐类的过程,主要应用于光解水制氢、太阳能电池、水体内污染物的去除等[17-21],这也为花生油中安全可靠地去除AFB1奠定基础,有望发展为实用的工业化去除AFB1技术。然而,基于TiO2光催化原理去除花生油AFB1的研究还未见报道。

本文将纳米TiO2负载到石英管上,制备了负载型TiO2光催化剂,对所制备的光催化材料进行表征分析;在自行设计的反应器上,进行了光催化降解花生油中AFB1实验研究,考察了AFB1光催化降解的影响因素,确定了AFB1光催化降解最佳工艺条件,提出了TiO2光催化降解AFB1的动力学方程,为工业化应用提供了理论和技术基础。

1 材料与方法

1.1 材料及仪器

花生油(金龙鱼一级纯正物理压榨花生油) 5 L/瓶,丰益贸易有限公司;纳米TiO2粉末(P25) 德国赢创工业集团Evonik Degussa;聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30) 阿拉丁试剂(上海)有限公司;AFB1标样 5 mg/瓶,北京普华仕科技发展有限公司;AFB1试剂盒 96孔,无锡百奥森科技有限公司;其他试剂均为分析纯 广州化学试剂厂。

紫外灯 254 nm,额定功率18 W,香河扬紫特光电设备有限公司;ESCALAB 250型X-射线光电子能谱仪 Thermo Fisher Scientific公司;D8 ADVANCE型X-射线衍射仪 德国Bruker公司;KDS蠕动泵 卡川尔流体科技上海有限公司;EW-97503-50型光强计 美国Cole-Parmer公司;SX2 4-10马弗炉 上海实验电炉厂。

1.2 实验方法

1.2.1 表征方法 通过X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、X-射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)等技术表征TiO2晶型结构和离子价态等性质。

1.2.2 TiO2薄膜的沉积与制备 在250 mL的锥形瓶中加入100 mL的蒸馏水,P25粉末和PVP-k30以3∶1的比例加到蒸馏水中,磁力搅拌1 h,用硝酸调节pH至3,磁力搅拌0.5 h,在常温25 ℃下500 W超声30 min,得到0.15 wt% TiO2溶胶。石英管表面进行酸化预处理,首先用1 mol/L的NaOH溶液浸泡6 h,蒸馏水冲洗后,在40%的HF溶液中浸泡12 h,蒸馏水冲洗,最后在丙酮溶液中浸泡6 h,以除去管壁上的有机杂质。将配制好的TiO2溶胶转移到200 mL的量筒中,将预处理后的石英管放入溶胶中浸渍2 h,匀速将玻璃管提出,于120 ℃烘箱中烘干,烘干时将玻璃管放置水平不断旋转,使胶体能够均匀地负载在玻璃管上,待表面溶胶完全烘干后,于烘箱中继续烘干2 h,马弗炉中设定煅烧温度(200、400、500、600 ℃),煅烧3 h,制成负载型TiO2。

1.2.3 光催化反应器的构建 图1为光催化反应器示意图,采用不锈钢做成内径45 mm,高280 mm的油桶,油桶底部有高出15 mm的卡槽,用于固定空心石英玻璃管(长295 mm,直径30 mm),玻璃管外表面负载活性光催化剂,紫外灯放在石英玻璃管内部,以照射玻璃管外表面的光催化剂。两台小型蠕动泵起到循环作用,使花生油与TiO2充分接触反应。期间保持反应温度在25～28 ℃,营造一个常温反应的环境。

图1 光催化反应器示意图Fig.1 Schematic diagram of photocatalytic reactor注:1.紫外灯,2.石英玻璃管,3.TiO2薄膜, 4.花生油入口,5.蠕动泵,6.花生油出口。

1.2.4 AFB1及花生油品质检测 为了验证酶联免疫吸附测定法(enzyme linked immune-sorbent assay,ELISA)能够应用于本实验AFB1的测定,我们分别用HPLC-MS(液质联用)和ELISA法检测AFB1含量,并对检测结果通过加标回收法进行对比,结果显示,两种方法测定结果一致(R2>0.99),说明ELISA可用于本实验AFB1的测定。进行实验时,光催化降解反应持续2 h,每隔20 min抽样检测AFB1的含量。

过氧化值和酸价的测定采用国标GB/5009.227-2016和GB/5009.229-2016方法测定。过氧化值采用滴定法测定,在油样中加入饱和碘化钾溶液,过氧化物和碘化钾溶液反应生成碘,用硫代硫酸钠标准溶液滴定生成的碘,并进行空白对照。酸价的测定采用冷溶剂指示剂滴定法,在油样中加入乙醚-异丙醇混合溶液和酚酞指示剂,用氢氧化钠标准溶液进行滴定,并进行空白对照。

1.2.5 光催化降解花生油中AFB1及品质影响实验 用0.15 wt% TiO2溶胶浸渍石英玻璃管,煅烧温度400 ℃,煅烧时间3 h,AFB1的初始浓度80 μg/kg(将1 mg/kg的花生油和市售花生油(约含2 μg/kg)按比例混合),反应体积为200 mL,反应器循环速度800 mL·min-1,光照强度分别在16、18、22、24、26 μmol·m-2s-1反应条件下进行实验,光照强度通过光强计测定,测定花生油中AFB1含量及过氧化值和酸价。然后在相同条件下,光照强度为26 μmol·m-2s-1时,进行循环速度对光催化降解AFB1的影响实验,循环速度分别为400、800、1000、1200、1600 mL·min-1,测定花生油中AFB1含量及过氧化值和酸价。计算AFB1降解率用式(1)

式(1)

式中:η为降解率;C为t时刻AFB1质量浓度,μg/kg;C0为AFB1的初始质量浓度,μg/kg。

相关研究报道表明TiO2光催化反应的动力学方程符合Langmuir-Hinshewood(L-H)模型[22-23]:

式(2)

t=0时,C=C0;对式(2)进行积分得[24]:

式(3)

由于反应物AFB1浓度很低,因此K(C0-C)≈0,此时式(3)可简化为:

式(4)

式中:r为光催化反应速率,μg·kg-1·t-1;C为t时刻AFB1的质量浓度,μg/kg;C0为AFB1的初始质量浓度,μg/kg;t为反应时间,min;k为理论一级速率常数;K′为表观一级速率常数,min-1。

1.3 数据处理方法

在紫外光催化降解花生油中AFB1的实验过程中,用ELISA法测定AFB1含量时进行3次平行测定并取平均值。Excel(Microsoft Office 2016)、Origin 9.0(美国Origin Lab公司)、JADE5.0(Material Data,美国)、XPS PEAK4.1(Raymund W.M. Kwok,台湾)、SPSS16.0(IBM公司)软件用来数据分析处理和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 光催化材料的表征

图2为不同煅烧温度下负载型TiO2的XRD分析结果,从中可以看出,通过煅烧后制得的TiO2半导体材料在2θ=25.305°、27.432°、53.903°、54.284°等处出现显著的二氧化钛锐钛矿的特征衍射峰,且随着煅烧温度的增加,衍射峰越来越尖。据研究表明,二氧化钛的晶型组成和光催化活性有着一定的关系,当锐钛矿和金红石的混合晶体(非机械混合)存在时,TiO2具有较高的催化活性,即“混晶效应”[25-26]。

图2 不同煅烧温度下负载型TiO2的X射线衍射图谱Fig.2 X-ray diffraction(XRD)patterns of supported TiO2 in different calcination temperature

根据Scherrer公式D=0.89λ/βCOSθ(公式中:D为晶粒垂直于晶面方向的平均厚度,nm;β为实测样品衍射峰半高宽度,rad;θ为衍射角,rad;λ为X射线波长,nm)并结合仪器条件和XRD分析结果分别计算TiO2锐钛矿和金红石矿晶粒尺寸和物相质量分数,结果见表1。随着煅烧温度的升高,锐钛矿的晶粒尺寸呈增大趋势,400 ℃时,晶粒尺寸较小,光催化剂拥有更大的接触面积,光催化效率更高[27]。煅烧温度会引起TiO2锐钛矿和金红石发生相转变,随着温度的升高,锐钛矿的比例不断下降,在200～400 ℃之间,锐钛矿含量下降幅度较小,在500～600 ℃时,锐钛矿的比例急剧下降,说明在500 ℃时大量的锐钛矿开始向金红石矿转变,该过程中发生了TiO2晶格的重组和晶型的重新生长。

表1 不同煅烧温度处理负载型TiO2锐钛矿相的变化Table 1 Changes of anatase with different calcination temperature of supported TiO2

图3为负载型TiO2煅烧温度200 ℃和400 ℃时的O元素和Ti元素的XPS对比图谱,表2为氧和钛元素的电子能谱分析。可以看出,O和Ti两种元素中不同电子轨道价态的峰拟合效果均较好。相比于200 ℃,煅烧温度为400 ℃的氧元素的电子轨道峰型没有出现明显变化,但H2O or C-O的相对峰面积占比下降,-OH的相对峰面积占比由15.10%上升到了19.50%,说明煅烧温度为400 ℃有利于促进-OH的形成,而羟基氧活性很高,是光催化反应的重要氧化物质[28-29];相比于200 ℃,经过400 ℃煅烧后Ti3+2P3/2和Ti3+2P1/2的含量均有所提高,Ti3+2P3/2的含量由0.11%提高到了0.20%,Ti3+2P1/2的含量由0.05%提高到了0.09%,Ti3+是二氧化钛表面自由电子和空穴的捕获中心,能够抑制光生电子和空穴对的快速复合,提高光催化氧化的活性[30]。

图3 负载型TiO2中O元素(图a、b)和Ti元素(图c、d)的XPS图谱Fig.3 X-ray photoelectron spectroscopy patterns of O(Fig.a、b)and Ti(Fig.c、d)in supported TiO2

表2 氧和钛元素光电子能谱分析Table 2 X-ray photoelectron spectroscopic analysis of O and Ti

2.2 煅烧温度对降解AFB1的影响

图4为煅烧温度对AFB1降解率的影响。由图4可知,AFB1降解率出现先增大后减小的趋势,在200～400 ℃时,降解率增大,400～600 ℃时,降解率逐渐减小,在400 ℃时,降解率最高,为73.02%。对煅烧温度进行t检验,结果表明,不同温度之间的p值<0.05,有显著差异,400 ℃为最佳煅烧温度。这也与前面的XPS表征结果一致,在400 ℃时,负载型TiO2的粒径小,羟基氧含量和Ti3+的含量均有所提高,而羟基氧和Ti3+是光催化氧化的重要物质,能够提高光催化效率。在相同条件,没有催化剂存在时,花生油中AFB1的降解率为56.94%,说明紫外光对AFT有一定的降解效果,与文献报道一致[31]。对比有、无催化剂AFB1降解率,TiO2光催化降解率提升了16.08%。

图4 煅烧温度对AFB1降解率的影响Fig.4 Effect of calcination temperature on AFB1 degradation rate注:不同字母表示差异性显著(p<0.05)。

2.3 光催化降解花生油中AFB1动力学

图5为光照强度和循环速度对AFB1的动力学影响图。可以看到光催化降解AFB1符合一级动力学模型,R2>0.95,拟合直线有较好的拟合度。

图5 光照强度和循环速度对AFB1的动力学影响Fig.5 Effects of UV light intensity and cycle speed on AFB1 kinetics

一级动力学模型的K′表明了降解速度的快慢,K′越大,光催化降解的速度越快。随光照强度的增加,K′呈上升趋势,光照强度为26 μmol·m-2s-1时,K′最大为0.01295 min-1;K′随循环速度的变化呈现先增大后减小的趋势,在800 mL·min-1时,K′最大为0.0107 min-1,此时负载型TiO2表现出更强的降解AFB1的能力。循环速度过大,会导致花生油与光催化剂表面接触时间短,AFB1还没有来得及被氧化降解就脱离了催化剂表面,而循环速度过小则会导致花生油的传输速度过慢,影响光催化效率。

表3为光催化降解AFB1降解率、动力学方程及半衰期。可以看出,降解率随光照强度增加而逐渐增加,在26 μmol·m-2s-1时,AFB1的降解率达到最大；降解率随循环速度出现先增大后减小的趋势,在800 mL·min-1时达到最大。对不同光照强度和循环速度进行t检验,检验结果表明,对于其他光照强度,26 μmol·m-2s-1的p值<0.05,有显著性差异,相比其他循环速度,800 mL·min-1的p值<0.05,差异显著。

表3 光催化降解AFB1降解率、动力学方程及半衰期Table 3 Photocatalytic degradation of AFB1 degradation rate,kinetic equation and half-life

2.4 光催化降解花生油对品质影响

图6为光照强度和循环速度对花生油过氧化值和酸价的影响图,图中数据为三次重复实验平均数。由图可知,POV值和酸价在两种操作条件下,呈现类似的变化趋势,在不同光照强度或循环速度下,降解120 min,花生油的POV值都有所提高,而酸价则一直在0.7 mg·g-1附近波动。分别对两种情况下的POV和酸价进行t检验,检验结果表明,降解时间为120 min时，不同光照条件下的POV和酸价p值均<0.5,有显著性差异,不同循环速度下POV的p值>0.5,无显著性差异,而400、1600 mL·min-1分别与800 mL·min-1之间酸价的p值<0.05,有显著性差异。虽然POV和酸价在光催化降解过程中都有一定变化,但均在国家标准范围内(一级压榨花生油POV<12 meq·kg-1,酸价<1.0 mg·g-1)。

图6 光照强度和循环速度对花生油过氧化值和酸价的影响Fig.6 Effects of light intensity and cycle speed on POV and acid value of peanut oil

3 结论

制备光催化剂时,以不同煅烧温度制备负载型TiO2光催化剂,XRD和XPS分析表明:随煅烧温度增加,锐钛矿晶型衍射峰越来越尖锐,锐钛矿质量分数逐渐减小;400 ℃时,羟基氧和Ti3+的含量均较高。

利用煅烧温度400 ℃所制备的负载型TiO2光催化剂,在自行设计的实验系统上进行了光催化降解花生油中AFB1实验。结果表明,光照强度、花生油循环速度影响光催化降解AFB1效率。确定的最佳实验条件为:光照强度26 μmol·m-2s-1,循环速度800 mL·min-1。在最佳条件下,反应120 min,AFB1降解率达73.02%。光催化降解AFB1符合准一级动力学模型,R2>0.95,拟合效果较好。在降解过程中,过氧化值(peroxide value,POV)和酸价均符合国标一级压榨花生油标准。

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