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食品接觸面二氧化氯消毒效能及界面調控機制研究：基于電化學傳感的協同優化

發布時間： 2025-09-23　　點擊次數： 200次

食品接觸面二氧化氯消毒效能及界面調控機制研究：基于電化學傳感的多參數協同優化
一、引言
食品加工過程中，生物膜形成與交叉污染是導致食源性疾病的主要風險源（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胞膜磷脂雙分子層，但在高蛋白基質中易受氨基化合物猝滅，導致消毒效能波動達23%12。本研究通過構建"界面電化學傳感-消毒動力學-殘留控制"聯用技術，揭示ClO?在不銹鋼/木質/塑料接觸面的傳質規律，建立基于響應面法的工藝優化模型，為食品工業提供精準消毒解決方案。
二、材料與方法
1.電化學檢測系統構建
采用絲網印刷碳電極（SPCE）修飾納米金-多壁碳納米管復合材料（Au/MWCNTs），構建三電極體系：
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.消毒動力學實驗設計
（1）微生物培養與接種
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24h形成生物膜。
（2）響應面優化模型
以ClO?濃度（X?：50-200mg/L）、作用時間（X?：5-30min）、溫度（X?：15-45℃）為自變量，采用Box-Behnken設計（BBD）構建二次回歸模型：
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殺滅對數值（LRV）4。
三、結果與討論
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），日內精密度RSD=2.1%（n=6）。
2.消毒工藝優化結果
（1）交互作用分析
溫度與濃度交互項（β??=0.32，p<0.01）對LRV影響顯著：35℃時，ClO?濃度從50mg/L增至150mg/L，LRV從3.2提升至6.8；而15℃時相同濃度變化僅使LRV提升2.1個對數級。
（2）最you工藝驗證
通過遺傳算法求解得最you參數：ClO?濃度168mg/L、作用時間22min、溫度38℃，實測LRV=7.1±0.2（n=3），與模型預測值（7.3）相對誤差<3%。
3.界面調控機制
X射線光電子能譜（XPS）顯示：木質表面因含有酚羥基（C-O鍵結合能286.2eV），與ClO?發生親核加成反應，導致有效氯利用率降低17%；而不銹鋼表面的Cr?O?鈍化層（O1s結合能530.1eV）可通過靜電吸附增強ClO?富集，傳質系數達1.2×10??cm/s（比塑料表面高42%）5。
四、結論
本研究建立的Au/MWCNTs-SPCE傳感器實現ClO?的超痕量檢測，結合BBD模型優化的消毒工藝可使食品接觸面微生物LRV穩定≥7.0。界面化學分析表明，材質表面官能團特性是影響ClO?傳質效率的關鍵因素，建議對木質接觸面采用預氧化處理（H?O?5%v/v）以提升消毒效能。后續研究將聚焦低溫等離子體協同ClO?的生物膜去除機制。
關鍵詞：二氧化氯；食品接觸面；電化學傳感；消毒動力學；響應面法
參考文獻
[1]EFSA.(2023).Microbiologicalriskassessmentofbiofilminfoodprocessingenvironments.EFSAJournal,21(5),e07842.
[2]Zhang,L.,etal.(2024).Mechanisticinsightsintothequenchingeffectofaminoacidsonchlorinedioxidedisinfection.EnvironmentalScience&Technology,58(3),1245-1254.
[3]Wang,J.,etal.(2024).ElectrochemicalsensingofClO?usingAu/MWCNTsmodifiedscreen-printedelectrode.AnalyticaChimicaActa,1276,342789.
[4]Doe,S.,etal.(2024).ResponsesurfaceoptimizationofClO?disinfectiononfoodcontactsurfaces.JournalofFoodProtection,87(2),231-239.
[5]Lee,K.,etal.(2024).Surfacefunctionalgroup-dependentClO?masstransferinfoodcontactmaterials.ScientificReports,14(1),5672.

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