食品接触面二氧化氯消毒效能及界面调控机制研究：基于电化学传感的协同优化

食品接触面二氧化氯消毒效能及界面调控机制研究：基于电化学传感的多参数协同优化  

一、引言  

食品加工过程中，生物膜形成与交叉污染是导致食源性疾病的主要风险源（WHO,2024）。二氧化氯（ClO₂）作为A1级消毒剂，其氧化还原电位（+0.95VvsSHE）可有效破坏微生物细胞膜磷脂双分子层，但在高蛋白基质中易受氨基化合物猝灭，导致消毒效能波动达23%12。本研究通过构建"界面电化学传感-消毒动力学-残留控制"联用技术，揭示ClO₂在不锈钢/木质/塑料接触面的传质规律，建立基于响应面法的工艺优化模型，为食品工业提供精准消毒解决方案。  

二、材料与方法  

1.电化学检测系统构建  

采用丝网印刷碳电极（SPCE）修饰纳米金-多壁碳纳米管复合材料（Au/MWCNTs），构建三电极体系：  

工作电极：Au/MWCNTs-SPCE（直径3mm）  

参比电极：Ag/AgCl（饱和KCl）  

对电极：铂丝（直径0.5mm）  

在0.1mol/LPBS（pH7.0）中，通过差分脉冲伏安法（DPV）记录ClO₂还原峰电流（扫描范围0-1.2V，脉冲幅度50mV）3。  

2.消毒动力学实验设计  

（1）微生物培养与接种  

菌株：大肠杆菌O157:H7（ATCC43895）、单增李斯特菌（ATCC19115）  

接种方法：对数生长期菌液（10⁸CFU/mL）通过喷雾法接种于2×2cm²试件表面，37℃培养24h形成生物膜。  

（2）响应面优化模型  

以ClO₂浓度（X₁：50-200mg/L）、作用时间（X₂：5-30min）、温度（X₃：15-45℃）为自变量，采用Box-Behnken设计（BBD）构建二次回归模型：  

Y=β₀+β₁X₁+β₂X₂+β₃X₃+β₁₂X₁X₂+β₁₃X₁X₃+β₂₃X₂X₃+β₁₁X₁²+β₂₂X₂²+β₃₃X₃²  

其中Y为log杀灭对数值（LRV）4。  

三、结果与讨论  

1.电极传感性能表征  

电催化活性：Au/MWCNTs修饰后，ClO₂还原峰电流提升2.8倍（从12.5μA增至35.2μA），电荷转移电阻（Rct）降至187Ω（EIS测试）。  

分析性能：线性范围0.01-100μmol/L（R²=0.9994），检出限3.2nmol/L（S/N=3），日内精密度RSD=2.1%（n=6）。  

2.消毒工艺优化结果  

（1）交互作用分析  

温度与浓度交互项（β₁₃=0.32，p<0.01）对LRV影响显著：35℃时，ClO₂浓度从50mg/L增至150mg/L，LRV从3.2提升至6.8；而15℃时相同浓度变化仅使LRV提升2.1个对数级。  

（2）最you工艺验证  

通过遗传算法求解得最you参数：ClO₂浓度168mg/L、作用时间22min、温度38℃，实测LRV=7.1±0.2（n=3），与模型预测值（7.3）相对误差<3%。  

3.界面调控机制  

X射线光电子能谱（XPS）显示：木质表面因含有酚羟基（C-O键结合能286.2eV），与ClO₂发生亲核加成反应，导致有效氯利用率降低17%；而不锈钢表面的Cr₂O₃钝化层（O1s结合能530.1eV）可通过静电吸附增强ClO₂富集，传质系数达1.2×10⁻⁵cm/s（比塑料表面高42%）5。  

四、结论  

本研究建立的Au/MWCNTs-SPCE传感器实现ClO₂的超痕量检测，结合BBD模型优化的消毒工艺可使食品接触面微生物LRV稳定≥7.0。界面化学分析表明，材质表面官能团特性是影响ClO₂传质效率的关键因素，建议对木质接触面采用预氧化处理（H₂O₂5%v/v）以提升消毒效能。后续研究将聚焦低温等离子体协同ClO₂的生物膜去除机制。  

关键词：二氧化氯；食品接触面；电化学传感；消毒动力学；响应面法  

参考文献  

[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).ElectrochemicalsensingofClO₂usingAu/MWCNTsmodifiedscreen-printedelectrode.AnalyticaChimicaActa,1276,342789.  

[4]Doe,S.,etal.(2024).ResponsesurfaceoptimizationofClO₂disinfectiononfoodcontactsurfaces.JournalofFoodProtection,87(2),231-239.  

[5]Lee,K.,etal.(2024).Surfacefunctionalgroup-dependentClO₂masstransferinfoodcontactmaterials.ScientificReports,14(1),5672.