电晕放电低温等离子体降解乙烯及杀灭青霉菌效应研究

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导致园艺产品保鲜期短,易腐烂变质的主要原因有两个:一是在密闭的保鲜库中,采后园艺产品自身释放和其他来源的乙烯等有机气体通过对代谢的直接或者间接作用使园艺产品加速衰老;二是微生物的侵染作用。微生物的生长繁殖会消耗果蔬体内贮藏的营养物质,导致品质下降,而且病原微生物的生长繁殖,直接影响果蔬的食用安全性。霉菌是果蔬贮藏中最常见的微生物,高湿的贮藏环境有利于霉菌等真菌微生物的生长繁殖。因而在保鲜贮藏过程中,要尽量降低环境中的乙烯等有机气体浓度并抑制霉菌的滋生。   低温等离子体(non-thermal plasma)技术作为一种新兴的污染物处理技术,具有清洁、高效、能耗低等特点。园艺产品冷藏保鲜环境一般温度为0℃~5℃。乙烯及霉菌孢子存在在相对湿度(RH)较高的库体空气中,要将该技术应用于修复园艺产品冷藏保鲜环境并为工业应用提供依据需要进行以下几个方面研究工作:①制备出适用于园艺产品冷藏保鲜环境下同时具有降解乙烯与杀菌性能的电晕放电(coronadischarge)反应系统,研究条件参数对放电特性的影响。②研究电晕放电低温等离子体性能对降解乙烯及灭青霉菌的效果。③探讨霉菌电晕放电灭活机理。   本研究围绕上述所需,建立多针对圆筒内壁式电晕放电反应器,以低浓度乙烯(<25mg/m3)和青霉菌为研究对象。对所建立的反应器电晕放电低温等离子体的性能以及对乙烯降解效果、青霉菌杀灭效果与机理进行研究。   研究结果如下:   (1)多针对圆筒内壁式电晕放电的伏安特性,表明:无论正电极性电晕、负电极性电晕的放电电流都随外加电压升高而增加,该反应器同其它结构电晕放电反应器一样,放电电流I与外加电压Uapp和电晕起始电压Uth的关系可表示为:   I=C·Uapp(Uapp-Uth)(2)正、负电晕起晕电压随着空气流量、RH的增大而增大,正、负电晕运行电压范围随着空气流量的增大而缩小,且负电晕更为明显。负电晕运行电压范围随着RH的增大而扩大,但正电晕运行电压范围的变化相反,是随着RH的增大而略微缩小。   (3)反应器放电气体释放量(以O3浓度为考察依据)随着放电功率的增大而增加,但随着空气流量的增快而减少,反应时间越长,效果越显著。   (4)电晕放电低温等离子体对乙烯有降解作用,且降解效果随着放电功率的增大而增强,但空气流量对降解乙烯速率的影响效果不一,其中空气流量500L/h时最好,随着空气流量的增快,乙烯降解效果反而降低。电晕放电低温等离子体降解乙烯符合准一级反应动力学方程(Weibull方程)。   (5)对影响电晕放电低温等离子体降解乙烯的三个主要因素放电功率P、空气流量Q和RH做二次旋转回归设计,并进行方差分析,所得出回归模型方程P值<0.01,方程显著。试验所得二次旋转回归方程模型为:   tR=2269.53505-833.50067P-0.68627Q-36.39707RH+125.93731P2+0.27828P×Q+3.67171P×RH+0.000062Q2+0.003274RH×Q+0.19204RH2(6)电晕放电低温等离子体对青霉有灭活作用,随着放电功率的增大,电晕放电低温等离子体对青霉的灭活作用增强,其中1.1VA效果最好,但超过此一定功率后,再继续增大放电功率,杀菌效果反而降低;空气流量与放电功率作用相反,在低空气流量时,灭菌效果较好,随着空气流量的增快灭菌速率反而降低。电晕放电低温等离子体灭活青霉符合一级反应动力学方程。   (7)对影响电晕放电低温等离子体灭活青霉的两个主要因素放电功率P和空气流量Q做二次旋转回归设计,并进行方差分析,所得出回归模型方程在α=0.01水平上显著。电晕放电低温等离子体灭活青霉二次旋转回归方程模型为:   k=0.009464+0.015135P-0.000016Q-0.006231P2-4.5E-6P×Q+9.106E-9Q2(8)从微观角度通过对灭活后的青霉进行扫描电镜、透射电镜拍照和电泳提取基因组脱氧核糖核酸(DNA)结果得出,电晕放电低温等离子体对青霉孢子造成破坏,同时严重破坏了青霉的DNA,导致青霉死亡。   本研究的创新之处主要体现在以下三点:   1.建立采用以直流高压电源供电的多针对圆筒内壁式电晕放电反应器。   2.将电晕放电低温等离子体技术引入园艺冷藏环境中乙烯的降解和杀灭青霉,为果蔬采后贮藏环境中乙烯的清除、青霉菌灭活提供了新的技术思路。   3.采用环境扫描电子显微镜、分析型透射电子显微镜及凝胶成像系统等现代分析手段,从微观上研究电晕放电低温等离子体对霉菌细胞结构及遗传物质影响的关系,初步阐明了本研究中电晕放电低温等离子体对霉菌灭活的机理及验证了前人相关假设多个。  
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