高濃度臭氧冰的制備及貯藏條件探究

黃安妮，馬海霞，鄧建朝，胡 曉，戚 勃，楊賢慶

1.上海海洋大學 食品學院，上海 201306

2.中國水產科學研究院南海水產研究所/農業農村部水產品加工重點實驗室/國家水產品加工技術研發中心，廣東 廣州 510300

臭氧 (O3) 是氧氣 (O2) 的一種同素異形體，常溫下的臭氧氣體在濃度過高時會呈現出淡藍色，產生的氣味與魚腥味類似，因此被命名為臭氧[1]。臭氧由氧分子攜帶一個氧原子構成[2]，連接這個氧原子的化學鍵鍵能較低，因此形成的結構很不穩定，在常溫下容易被還原成氧氣[3]。在相同溫度下，臭氧在水中的半衰期比在空氣中的短，把臭氧水凍結成臭氧冰可以更好地延長其半衰期，有利于臭氧的保存并擴大其應用范圍[4]。

臭氧作為一種強氧化劑，具有殺滅各種細菌和病毒、除臭、去色、降解有機物等功能[5]，還能分解為氧氣，不會殘留異味或有毒有害物質；臭氧完全分解后不會對環境和人體健康造成危害[6]。因此，近年來臭氧成為食品工業廣泛使用的食品消毒保鮮劑，特別是在水產品貯藏保鮮以及加工方面[7]，臭氧保鮮與其他技術相結合的新型保鮮技術被不斷投入使用。

眾多研究表明臭氧冰相比于臭氧氣體和臭氧水，不僅保持了原有的特性，還具有半衰期更長、保鮮效果更好、使用更方便等優勢[8]。這是因為臭氧在低溫環境中更為穩定[9]，制成臭氧冰后可放入冰箱中貯藏一段時間，待使用時取出，無需現制現用；在保鮮過程中，隨著臭氧冰的融化，臭氧被緩慢地釋放出來，對寄生在水產品上的微生物起到了持續的抑制作用[10]。Blogoslawski 等[11]研究表明，同時使用臭氧冰與普通冰分別處理皮氏槍烏賊 (Loligopealei) 和紅大麻哈魚 (Oncorhynchusnerka) 樣品一段時間，發現臭氧冰組的細菌總數比普通冰組平均減少了4 lg CFU·g-1，貨架期比普通冰組延長了4 d左右，這說明臭氧冰對水產品的保鮮效果要優于普通冰。刁石強等[12-13]利用臭氧質量分數為5 mg·kg-1的臭氧冰對凡納濱對蝦 (Litopenaeusvannamei) 和羅非魚 (Oreochromisspp.) 進行貯藏保鮮，與普通冰相比，臭氧冰組的保鮮期延長了4 d 左右，明顯提升了兩者的感官品質。臭氧冰在果蔬與肉類保鮮儲運中的應用研究[14]也較多。張明等[15]用臭氧質量分數為2.5 mg·kg-1的臭氧冰膜處理新鮮無花果(Ficuscarica)，結果表明無花果的過氧化物酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性得到顯著提高，延緩了導致果蔬細胞脂質過氧化的過氧化氫和丙二醛的積累，從而延長了無花果的保質期?？芪柠惖萚16]用0.12% (w) 的R-多糖溶液浸泡大骨雞雞肉120 s后，再用臭氧質量分數為5 mg·kg-1的臭氧冰保鮮，測得菌落總數較空白處理組減少92.4%，貨架期延長了2 d，達到保持雞肉品質和抑菌的雙重效果。上述研究利用臭氧冰保鮮取得了顯著的效果，但是在臭氧冰的制備過程中，普遍存在臭氧保存率低的問題。刁石強等[17]用快速制冰機制備出臭氧冰，其臭氧保存率為14.48%。

如何利用臭氧水快速制備臭氧濃度高的臭氧冰，是臭氧冰保鮮水產品等食品的關鍵。本實驗對快速制備高濃度的臭氧水和提高臭氧冰中臭氧濃度的影響因素進行了探索分析，確定了制備高濃度臭氧冰的最適參數條件，為高濃度臭氧冰的制備與貯藏提供了新思路，并可為水產品等食品的臭氧冰保鮮應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

主要試劑：碘化鉀、硫酸、硫代硫酸鈉標準滴定液 (0.1 mol·L-1)、乙酸 (分析純)、磷酸 (分析純)、檸檬酸 (分析純)、氫氧化鈉 (分析純)；可溶性淀粉。

設備儀器：F-SJ-2T 臭氧水一體機 (廣州飛歌環?？萍加邢薰?；筆式pH 計 (上海力辰邦西儀器科技有限公司)；電熱恒溫水浴鍋 (上海一恒科學儀器有限公司)；低溫冰箱 (杭州捷盛低溫設備有限公司)；溫度計、天平、微量滴定管 (廣州都宏生物科技有限公司)。

1.2 實驗裝置

臭氧水循環制備裝置如圖1 所示。F-SJ-2T 臭氧水一體機結合了變壓吸附制氧裝置、臭氧發生器和氣液高效混合裝置于一體，其工作原理是：通過變壓吸附法過濾掉空氣中的有害物質，并把氧氣與其他氣體分離，制備出高純度、高濃度的氧氣[18]，然后把氧氣通入臭氧發生器，制備出高濃度的臭氧氣體。氣液混合裝置可以將水和高濃度的臭氧氣體強力混合，使臭氧氣體充分溶解在水中，產生質量分數不低于3 mg·kg-1的臭氧水。機器上的臭氧流量計可以控制進入氣液高效混合裝置的臭氧流量，從而控制臭氧水的產出濃度。制備好的臭氧水經過氣液分離裝置，能將未溶解的臭氧氣體分離出來，避免其外溢影響環境。

圖1 臭氧水制備流程圖Fig.1 Ozone water preparation process

為了能在短時間內制備出高濃度的臭氧水，本實驗采用臭氧氣體與臭氧水循環混合的方法，定制了一個兩側面分別有一個出水口和進水口的60 L食品級塑料水箱，并在水箱外部包裹保溫材料，減少外部環境對水箱溫度的影響。通過調節臭氧水循環過程中的臭氧氣體流量、水溫、pH 等影響因素進行研究，探討制備高濃度臭氧水的最適條件。

1.3 臭氧水和臭氧冰中臭氧濃度的測定方法

參考國家標準GBT 5750.11—2006《生活用水消毒劑指標》、黃玉婷[19]和Rodrigues 等[20]的碘量滴定法，并根據實驗情況稍加修改，具體操作步驟如下：

臭氧水中臭氧質量濃度的測定：量取20%(w)的碘化鉀溶液20 mL 于500 mL 的具塞錐形瓶中，然后從循環水箱中量取200 mL 臭氧水于錐形瓶中，再加入5 mL 硫酸溶液 (按照濃硫酸與蒸餾水的體積比為1∶5 配制)，瓶口加塞，搖勻后在暗處等待反應5 min。然后用0.1 mol·L-1的硫代硫酸鈉標準滴定液滴定至溶液呈淺黃色時，加入10 g·L-1的淀粉指示劑1 mL 繼續滴定，直至瓶中溶液顏色變為透明后停止滴定，記錄消耗硫代硫酸鈉溶液的總體積。采用相同的方法，用超純水取代臭氧水做空白試驗，并通過下式計算出臭氧水中臭氧濃度。樣品中臭氧的計算公式為：P1=C2×(V2-V3)×24 000/V1，式中：P1為臭氧質量濃度 (mg·L-1)；C2為硫代硫酸鈉標準溶液濃度 (mol·L-1)；V1為臭氧水 (臭氧冰) 取樣體積 (質量)[mL (g)]；V2為臭氧水滴定時硫代硫酸鈉標準溶液用量 (mL)；V3為空白滴定時硫代硫酸鈉標準溶液用量 (mL)。

臭氧冰中臭氧質量分數的測定：量取20% (w)碘化鉀溶液20 mL 于500 mL 的具塞廣口瓶中，加入200 g 制備好的臭氧冰，加塞并于60 ℃水浴融化，融化過程中需不時取出搖勻，當瓶中臭氧冰基本融化后取出，加入5 mL 硫酸溶液，搖勻后在暗處反應5 min。用0.01 mol·L-1的硫代硫酸鈉標準溶液滴定，方法同上。

1.4 高濃度臭氧水的制備

1.4.1 水溫對臭氧水中臭氧質量濃度的影響

在制備臭氧水之前，調節臭氧水一體機的臭氧氣體流量為3 L·min-1，往循環水箱中加入40 L 溫度分別為5、15 和25 ℃的水，水溫變化范圍為±1 ℃，進行60 min 的臭氧水循環。在不同溫度循環過程中，每隔5 min 從水箱中取樣測定水中臭氧的濃度，探究在臭氧水循環過程中臭氧濃度達到飽和的時間，并比較在不同水溫下臭氧水的飽和濃度。

1.4.2 pH 對臭氧水中臭氧質量濃度的影響

每次實驗往循環水箱中加入40 L 不同pH 的水，氣體流量固定為3 L·min-1，水溫控制在5 ℃左右，用乙酸緩沖溶液和氫氧化鈉溶液調節每次加入水箱中水的pH 分別為3、5、7 和9。在不同pH 循環過程中，每隔5 min 從水箱中取樣測定水中臭氧的濃度，探究臭氧水中臭氧濃度的變化。

1.4.3 臭氧氣體流量對臭氧水中臭氧質量濃度的影響

為探究與水混合的臭氧氣體流量對臭氧水中臭氧濃度的影響，在每次實驗開始前，調節臭氧水一體機的臭氧流量計，使通入氣液高效混合裝置的臭氧氣體流量分別為1、2、3、4 和5 L·min-1，再往循環水箱中加入40 L 水，用乙酸緩沖溶液調節水的pH 為3，水溫控制在5 ℃，進行臭氧水循環制備實驗。每隔5 min 取樣測定水中臭氧的濃度，探究在臭氧水循環過程中臭氧濃度的變化。

1.5 臭氧冰的制備與貯藏

1.5.1 凍結溫度對臭氧冰中臭氧質量分數的影響

把溫度和濃度相同的臭氧水用相同規格的制冰模具密封后，分別放入超低溫冰箱 (-80、-40 和-18 ℃) 和液氮中，在不同的低溫條件下凍結制備成臭氧冰。每隔一段時間觀察在不同條件下臭氧水的結冰情況，記錄臭氧水完全凍結成臭氧冰時所需時間。臭氧水完全凍結成冰后取出，測定其臭氧濃度，比較在不同凍結溫度下臭氧冰中臭氧的保存率。臭氧冰中臭氧保存率按照下列公式計算[21]：臭氧保存率=水的密度 (kg·L-1)×臭氧冰質量分數(mg·kg-1)/臭氧水質量濃度 (mg·L-1)×100%。

1.5.2 不同條件的臭氧水質量濃度對臭氧冰的影響

臭氧水在凍結成冰的過程中，存在部分臭氧發生分解的情況。方敏等[22]的研究表明，臭氧水的溫度和pH 是影響臭氧分解速率的重要因素。采用不同溫度、pH 和濃度的臭氧水凍結制備成臭氧冰，比較不同臭氧水條件凍結成的臭氧冰中臭氧的保存率。

1.5.3 不同貯藏溫度下冰中臭氧質量分數的衰減變化

將制備好的臭氧冰分別放入0、-18 和-40 ℃的冰箱中密封貯藏，每隔一段時間取樣檢測臭氧冰中臭氧的質量分數，觀察在不同貯藏溫度下冰中臭氧保存率隨時間的變化情況。

1.6 數據處理

實驗重復3 次，采用Excel 2016 軟件進行數據分析，通過SPSS 23.0 軟件進行單因素方差分析和差異顯著性 (P<0.05) 分析，利用Origin 2019b 軟件進行繪圖。實驗數據以“平均值±標準差 ()”表示。

2 結果與分析

2.1 高濃度臭氧水的制備及其影響因素

2.1.1 水溫對臭氧水中臭氧質量濃度的影響

臭氧水在循環制備過程中，不同水溫的臭氧水中臭氧質量濃度隨時間的變化如圖2 所示。水溫對臭氧在水中的溶解量有較大影響，水溫降低，臭氧分子活躍性減弱，導致臭氧在水中的溶解量增加，故臭氧濃度達到飽和時所需時間縮短[23]。由圖2 可知，在同一循環制備時間，水溫越低，臭氧水中臭氧質量濃度越高；循環制備臭氧水時間約30 min時，3 種水溫的臭氧水中臭氧濃度達到飽和，5、15 和25 ℃的臭氧水的飽和質量濃度分別為45.23、27.58 和13.76 mg·L-1，5 ℃水溫中的臭氧水的飽和臭氧濃度為25 ℃水溫中的3.2 倍。低溫對臭氧在水中的溶解并維持水中臭氧穩定性有較好的效果。

圖2 不同水溫對臭氧水中臭氧質量濃度的影響Fig.2 Effects of different water temperatures on ozone mass concentration in ozone water

2.1.2 pH 對臭氧水中臭氧濃度的影響

臭氧水在循環制備過程中，不同pH 的臭氧水中臭氧質量濃度隨時間的變化如圖3 所示。在同一循環制備時間，水箱中水的pH 越低，臭氧水中臭氧的濃度越高，當循環水制備時間達到20 min 以上，各組臭氧水中的臭氧濃度陸續達到飽和值。當水的pH 為3 時，所制得的臭氧水達到飽和的時間最短，此時臭氧水的飽和濃度最高 (50.27 mg·L-1)。Zhou 等[24]、Staehelin 和Hoigne[25]的研究結果均證明，堿性溶液所存在的大量氫氧根 (OH-) 會加速催化臭氧的分解，而酸性溶液中的氫離子 (H-)會與OH-反應，降低溶液中OH-的量，從而減緩水中臭氧的分解反應，提高臭氧水的穩定性。因此，降低臭氧水的pH，能提高臭氧在水中的溶解度。

圖3 不同 pH 對臭氧水中臭氧質量濃度的影響Fig.3 Effects of different pH values on ozone mass concentration in ozone water

2.1.3 臭氧氣體流量對臭氧水中臭氧濃度的影響

臭氧水在循環制備過程中，調節與水混合的臭氧氣體流量大小，臭氧水中臭氧濃度隨時間的變化如圖4 所示。當臭氧氣體流量從1 L·min-1增加到3 L·min-1，水中臭氧質量濃度的增速加快、臭氧達到飽和時的濃度上升；臭氧氣體流量為3 L·min-1時，臭氧飽和濃度最大 (50.27 mg·L-1)。當氣體流量繼續增加至高于3 L·min-1時，臭氧水的飽和濃度反而減小。導致此現象的原因可能是，臭氧氣體流量較慢時，臭氧與水能夠充分混合，此時水中臭氧濃度與氣體流量呈正相關；達到閾值后，過大的流量會加強水中臭氧分子的活躍性，促進臭氧的分解，從而使水中臭氧濃度降低[17]。為使臭氧水保持較高濃度，在后續實驗中將臭氧水一體機的臭氧流量固定為3 L·min-1。

圖4 不同臭氧氣體流量對臭氧水中臭氧質量濃度的影響Fig.4 Effects of different flow rates of ozone gas on ozone mass concentration in ozone water

2.2 臭氧冰的制備與貯藏

2.2.1 凍結溫度對臭氧冰中臭氧質量分數的影響

將溫度、pH 和質量濃度相同 (35.47 mg·L-1) 的臭氧水采用液氮 (-196 ℃) 和不同溫度的低溫冰箱進行凍結制備臭氧冰，結果見表1?？梢钥闯?，臭氧冰在不同的凍結溫度下的臭氧質量分數差別較大，隨著凍結溫度的降低，冰中的臭氧保存率越來越高。使用液氮凍結臭氧冰，結冰過程時間最短，臭氧冰中臭氧質量分數為11.95 mg·kg-1，臭氧保存率達33.69%，遠高于其他凍結條件，減少了臭氧的損失。孫瑜等[26]對高濃度臭氧冰的制備方法進行對比，發現使用液氮噴淋的方式制備臭氧冰，臭氧的損耗率遠低于干冰浸沒與冰箱冷凍等臭氧冰制備方式。本實驗所得結果與該實驗相近。在臭氧水凍結成冰的過程中，冰膜的形成會阻擋臭氧的逸散[27]，而凍結溫度是冰膜形成時間的主要影響因素，因此臭氧保存率會受凍結溫度的影響。在后續實驗中，為提高冰中臭氧濃度，采用液氮速凍的方式制取臭氧冰。

表1 在臭氧水 5 ℃、pH 7、質量濃度 35.47 mg·L-1 條件下凍結溫度對冰中臭氧保存率的影響Table 1 Effect of freezing temperature on ozone retention rate in ice at water temperature of 5 ℃,pH of 7 and ozone water mass concentration of 35.47 mg·L-1

2.2.2 不同條件的臭氧水對臭氧冰質量分數的影響

1) 臭氧水質量濃度的影響。用水溫為5 ℃、pH 為7 左右的超純水制備成濃度從高到低的臭氧水，迅速放入液氮中凍結成冰，臭氧水質量濃度與臭氧冰質量分數的關系如圖5 所示?？梢钥闯?，當臭氧水質量濃度不斷上升時，制得的臭氧冰質量分數也隨之增加。因此，要提高臭氧冰中的臭氧保存率，應采用高濃度的臭氧水。

圖5 臭氧水質量濃度對臭氧冰質量分數的影響注：字母不同表示差異顯著(P<0.05)。后圖同此。Fig.5 Effect of ozone water mass concentration on ozone ice mass fractionNote: Different letters represent significant differences (P<0.05).The same case in the following figures.

2) 臭氧水pH 的影響。用水溫為5 ℃、不同pH 的水制備成臭氧質量濃度接近13 mg·L-1的臭氧水，然后分別放入液氮中凍結成冰，檢測冰中臭氧質量分數，探究不同pH 的臭氧水對臭氧冰中臭氧保存率的影響。從表2 可知，當臭氧水pH 為5 時，臭氧冰中臭氧保存率可達最大值；而當臭氧水pH 繼續降低到3 時，冰中臭氧保存率反而降低，出現此現象的原因可能是溶液中乙酸濃度過高，臭氧水結成冰后使臭氧的飽和濃度降低[28]。從表2 可推斷出，弱酸性條件有利于減緩臭氧水從液態轉變成固態時臭氧的分解，提高臭氧冰中臭氧的穩定性。

3) 臭氧水溫度的影響。用pH 為5、不同溫度的水制備成臭氧質量濃度接近20 mg·L-1的臭氧水，然后分別放入液氮中制備成臭氧冰，檢測冰中臭氧質量分數，探究不同溫度的臭氧水對臭氧冰中臭氧保存率的影響。從表3 可知，臭氧水的溫度越高，臭氧冰中臭氧的濃度越低，5 ℃的臭氧水制成的臭氧冰相比于25 ℃而言，冰中臭氧保存率提高了20.35%。從分子動力學角度分析[29]，臭氧水溫度越高，水中的臭氧分子運動越劇烈，而且凍結形成冰膜的時間也越長，因此在結冰過程逸散的臭氧分子增多。

表3 臭氧水 pH 為 5 條件下臭氧水溫度對冰中臭氧保存率的影響Table 3 Effect of ozone water temperature on ozone retention rate in ice at ozone water pH of 5

2.2.3 貯藏過程中臭氧冰質量分數衰減變化

1) 不同溫度的影響。為探究不同貯藏溫度下臭氧冰中臭氧質量分數隨貯藏時間的衰減變化情況，將同一質量濃度的臭氧水迅速放入液氮中速凍制成臭氧冰，然后密封分別放入溫度為0、-18 和-40 ℃的冰箱中貯藏，溫度波動范圍為 ±1 ℃。臭氧冰在0 ℃貯藏環境下，每天取樣檢測臭氧冰中臭氧的質量分數；在-18 和-40 ℃下，每隔1 d 取樣檢測臭氧冰中臭氧的質量分數，結果見圖6。在貯藏期間，3 組樣品中的臭氧質量分數均隨著貯藏時間的延長而下降，貯藏溫度越高，下降速率越快。在0 ℃環境中貯藏至第7 天時，臭氧冰基本融化，在融化的水中檢測的臭氧質量濃度約為0 mg·L-1。貯藏至第16 天時，-18 ℃下貯藏的樣品中臭氧質量分數下降到約2 mg·kg-1，為初始質量分數的24.78%，此后隨貯藏時間的延長基本保持穩定；-40 ℃條件下貯藏的臭氧冰中臭氧的質量分數下降到4.50 mg·kg-1后基本保持穩定，此時臭氧冰中臭氧保存率為初始臭氧冰的55.76%。

圖6 不同貯藏溫度下臭氧冰質量分數隨時間的變化Fig.6 Variation of ozone ice concentration with time at different storage temperatures

2) 不同pH 的影響。為探究在貯藏過程中不同pH 的臭氧冰濃度的衰減隨時間的變化情況，將pH 分別為3、5、7 和9 的臭氧水制成臭氧冰，然后分別密封放入環境溫度為 (0±1) ℃的冰箱中貯藏，每天對4 組臭氧冰進行取樣，檢測冰中臭氧的質量分數。從圖7 中可看出，利用pH 不同、質量濃度接近的臭氧水分別制成臭氧冰后，其初始臭氧保存率差別較大，其中pH 為5 時臭氧冰中臭氧保存率最大。在貯藏過程中，4 組冰的臭氧保存率在初始前2 d 均發生急速衰減，而pH 為5 時冰中臭氧保存率始終高于其他3 組；說明此時臭氧冰在融化過程中能較好地維持冰中臭氧的穩定性。后續實驗采用pH為5 的臭氧水來制備臭氧冰。

圖7 不同 pH 條件下冰中臭氧保存率隨時間的變化Fig.7 Variation of ozone retention rate in ice with time at different pH values

3) 酸度調節劑的影響。分別采用乙酸、磷酸、檸檬酸作為酸度調節劑，調節水的pH 為5，然后制備出初始質量濃度約為30 mg·L-1的臭氧水。將3 組臭氧水分別用液氮凍結成臭氧冰，放入溫度為 (0±1) ℃的冰箱中密封貯藏，用超純水制備臭氧冰作為對照，每天檢測這4 組臭氧冰中臭氧的質量分數，分析哪種酸度調節劑能進一步提高臭氧冰中臭氧的穩定性。由圖8 可看出，臭氧水制成冰后，用乙酸調節pH 制備的臭氧冰中臭氧質量分數最高，其初始臭氧質量分數可達18.60 mg·kg-1，臭氧保存率可達58.13%，優于董凱兵[27]的研究結果。在貯藏期間，3 個處理組的臭氧冰中臭氧質量分數均高于空白對照組，而乙酸組臭氧冰的臭氧質量分數顯著高于另外兩個處理組，該結果與方敏等[22]、肖玥惠子[28]對緩釋型臭氧冰的研究結果一致，說明乙酸對維持冰中臭氧穩定性的效果優于其他兩種酸度調節劑。

圖8 酸度調節劑對臭氧冰質量分數的影響Fig.8 Effect of acidity regulator on ozone ice concentration

3 結論

循環水箱中的水溫、pH 和臭氧氣體流量均會影響臭氧水中的臭氧濃度，循環水箱中水的溫度和pH 越低，所制得的臭氧水中的臭氧濃度越高。臭氧水在循環制備過程中的臭氧氣體流量過大或過小對制備的臭氧水中的臭氧濃度均有較大影響，最適的臭氧氣體流量為3 L·min-1。調節循環水箱中水的溫度為5 ℃、pH 為3、臭氧氣體流量為3 L·min-1時，可以在20 min 左右制備出質量濃度高達50.27 mg·L-1的臭氧水，該濃度可以在水箱循環過程中維持較長時間。

影響臭氧冰中臭氧濃度的因素主要有凍結溫度、臭氧水中的臭氧濃度、臭氧水pH、臭氧水溫、酸度調節劑等。凍結溫度越低，臭氧冰中臭氧的保存率越高。采用液氮凍結臭氧水制備臭氧冰，制作時間短，臭氧冰中臭氧濃度最高。臭氧水濃度越高，所制得的臭氧冰中的臭氧濃度也越高，但與制備臭氧水不同，并不是臭氧水pH 越低，所制得的臭氧冰中的臭氧濃度越高，當臭氧水pH 為5時，所制得的臭氧冰中臭氧濃度最高。臭氧冰貯藏溫度越低，其臭氧衰減越慢。與磷酸、檸檬酸相比，乙酸作為酸度調節劑對提高臭氧冰臭氧的保存率具有顯著效果，乙酸作為酸度調節劑對臭氧冰中的臭氧保存率可達58.13%，磷酸和檸檬酸卻分別只有48.75%和47.28%。