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技術(shù)文章ARTICLE
食品接觸面二氧化氯消毒效能及界面調(diào)控機(jī)制研究:基于電化學(xué)傳感的協(xié)同優(yōu)化
發(fā)布時(shí)間: 2025-09-23 點(diǎn)擊次數(shù): 231次食品接觸面二氧化氯消毒效能及界面調(diào)控機(jī)制研究:基于電化學(xué)傳感的多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化
一、引言
食品加工過程中,生物膜形成與交叉污染是導(dǎo)致食源性疾病的主要風(fēng)險(xiǎn)源(WHO,2024)。二氧化氯(ClO?)作為A1級消毒劑,其氧化還原電位(+0.95VvsSHE)可有效破壞微生物細(xì)胞膜磷脂雙分子層,但在高蛋白基質(zhì)中易受氨基化合物猝滅,導(dǎo)致消毒效能波動達(dá)23%12。本研究通過構(gòu)建"界面電化學(xué)傳感-消毒動力學(xué)-殘留控制"聯(lián)用技術(shù),揭示ClO?在不銹鋼/木質(zhì)/塑料接觸面的傳質(zhì)規(guī)律,建立基于響應(yīng)面法的工藝優(yōu)化模型,為食品工業(yè)提供精準(zhǔn)消毒解決方案。
二、材料與方法
1.電化學(xué)檢測系統(tǒng)構(gòu)建
采用絲網(wǎng)印刷碳電極(SPCE)修飾納米金-多壁碳納米管復(fù)合材料(Au/MWCNTs),構(gòu)建三電極體系:
工作電極:Au/MWCNTs-SPCE(直徑3mm)
參比電極:Ag/AgCl(飽和KCl)
對電極:鉑絲(直徑0.5mm)
在0.1mol/LPBS(pH7.0)中,通過差分脈沖伏安法(DPV)記錄ClO?還原峰電流(掃描范圍0-1.2V,脈沖幅度50mV)3。
2.消毒動力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
(1)微生物培養(yǎng)與接種
菌株:大腸桿菌O157:H7(ATCC43895)、單增李斯特菌(ATCC19115)
接種方法:對數(shù)生長期菌液(10?CFU/mL)通過噴霧法接種于2×2cm2試件表面,37℃培養(yǎng)24h形成生物膜。
(2)響應(yīng)面優(yōu)化模型
以ClO?濃度(X?:50-200mg/L)、作用時(shí)間(X?:5-30min)、溫度(X?:15-45℃)為自變量,采用Box-Behnken設(shè)計(jì)(BBD)構(gòu)建二次回歸模型:
Y=β?+β?X?+β?X?+β?X?+β??X?X?+β??X?X?+β??X?X?+β??X?2+β??X?2+β??X?2
其中Y為log殺滅對數(shù)值(LRV)4。
三、結(jié)果與討論
1.電極傳感性能表征
電催化活性:Au/MWCNTs修飾后,ClO?還原峰電流提升2.8倍(從12.5μA增至35.2μA),電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)降至187Ω(EIS測試)。
分析性能:線性范圍0.01-100μmol/L(R2=0.9994),檢出限3.2nmol/L(S/N=3),日內(nèi)精密度RSD=2.1%(n=6)。
2.消毒工藝優(yōu)化結(jié)果
(1)交互作用分析
溫度與濃度交互項(xiàng)(β??=0.32,p<0.01)對LRV影響顯著:35℃時(shí),ClO?濃度從50mg/L增至150mg/L,LRV從3.2提升至6.8;而15℃時(shí)相同濃度變化僅使LRV提升2.1個(gè)對數(shù)級。
(2)最you工藝驗(yàn)證
通過遺傳算法求解得最you參數(shù):ClO?濃度168mg/L、作用時(shí)間22min、溫度38℃,實(shí)測LRV=7.1±0.2(n=3),與模型預(yù)測值(7.3)相對誤差<3%。
3.界面調(diào)控機(jī)制
X射線光電子能譜(XPS)顯示:木質(zhì)表面因含有酚羥基(C-O鍵結(jié)合能286.2eV),與ClO?發(fā)生親核加成反應(yīng),導(dǎo)致有效氯利用率降低17%;而不銹鋼表面的Cr?O?鈍化層(O1s結(jié)合能530.1eV)可通過靜電吸附增強(qiáng)ClO?富集,傳質(zhì)系數(shù)達(dá)1.2×10??cm/s(比塑料表面高42%)5。
四、結(jié)論
本研究建立的Au/MWCNTs-SPCE傳感器實(shí)現(xiàn)ClO?的超痕量檢測,結(jié)合BBD模型優(yōu)化的消毒工藝可使食品接觸面微生物L(fēng)RV穩(wěn)定≥7.0。界面化學(xué)分析表明,材質(zhì)表面官能團(tuán)特性是影響ClO?傳質(zhì)效率的關(guān)鍵因素,建議對木質(zhì)接觸面采用預(yù)氧化處理(H?O?5%v/v)以提升消毒效能。后續(xù)研究將聚焦低溫等離子體協(xié)同ClO?的生物膜去除機(jī)制。
關(guān)鍵詞:二氧化氯;食品接觸面;電化學(xué)傳感;消毒動力學(xué);響應(yīng)面法
參考文獻(xiàn)
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