黃安妮，馬海霞，鄧建朝，胡 曉，戚 勃，楊賢慶

1.上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海 201306

2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)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(shí)會(huì)呈現(xiàn)出淡藍(lán)色，產(chǎn)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(gè)氧原子構(gòu)成[2]，連接這個(gè)氧原子的化學(xué)鍵鍵能較低，因此形成的結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)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(jié)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(kuò)大其應(yīng)用范圍[4]。

臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，具有殺滅各種細(xì)菌和病毒、除臭、去色、降解有機(jī)物等功能[5]，還能分解為氧氣，不會(huì)殘留異味或有毒有害物質(zhì)；臭氧完全分解后不會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康造成危害[6]。因此，近年來臭氧成為食品工業(yè)廣泛使用的食品消毒保鮮劑，特別是在水產(chǎn)品貯藏保鮮以及加工方面[7]，臭氧保鮮與其他技術(shù)相結(jié)合的新型保鮮技術(shù)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(yōu)勢(shì)[8]。這是因?yàn)槌粞踉诘蜏丨h(huán)境中更為穩(wěn)定[9]，制成臭氧冰后可放入冰箱中貯藏一段時(shí)間，待使用時(shí)取出，無需現(xiàn)制現(xiàn)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(duì)寄生在水產(chǎn)品上的微生物起到了持續(xù)的抑制作用[10]。Blogoslawski 等[11]研究表明，同時(shí)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(shí)間，發(fā)現(xiàn)臭氧冰組的細(xì)菌總數(shù)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(duì)水產(chǎn)品的保鮮效果要優(yōu)于普通冰。刁石強(qiáng)等[12-13]利用臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 mg·kg-1的臭氧冰對(duì)凡納濱對(duì)蝦 (Litopenaeusvannamei) 和羅非魚 (Oreochromisspp.) 進(jìn)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(zhì)。臭氧冰在果蔬與肉類保鮮儲(chǔ)運(yùn)中的應(yīng)用研究[14]也較多。張明等[15]用臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5 mg·kg-1的臭氧冰膜處理新鮮無花果(Ficuscarica)，結(jié)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(dǎo)致果蔬細(xì)胞脂質(zhì)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(zhì)期。寇文麗等[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(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 mg·kg-1的臭氧冰保鮮，測(cè)得菌落總數(shù)較空白處理組減少92.4%，貨架期延長了2 d，達(dá)到保持雞肉品質(zhì)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(qiáng)等[17]用快速制冰機(jī)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(chǎn)品等食品的關(guān)鍵。本實(shí)驗(yàn)對(duì)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(jìn)行了探索分析，確定了制備高濃度臭氧冰的最適參數(shù)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(chǎn)品等食品的臭氧冰保鮮應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

主要試劑：碘化鉀、硫酸、硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備儀器：F-SJ-2T 臭氧水一體機(jī) (廣州飛歌環(huán)?？萍加邢薰?；筆式pH 計(jì) (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(xué)儀器有限公司)；低溫冰箱 (杭州捷盛低溫設(shè)備有限公司)；溫度計(jì)、天平、微量滴定管 (廣州都宏生物科技有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

臭氧水循環(huán)制備裝置如圖1 所示。F-SJ-2T 臭氧水一體機(jī)結(jié)合了變壓吸附制氧裝置、臭氧發(fā)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(zhì)，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(fā)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(qiáng)力混合，使臭氧氣體充分溶解在水中，產(chǎn)生質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于3 mg·kg-1的臭氧水。機(jī)器上的臭氧流量計(jì)可以控制進(jìn)入氣液高效混合裝置的臭氧流量，從而控制臭氧水的產(chǎn)出濃度。制備好的臭氧水經(jīng)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(huán)境。

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

為了能在短時(shí)間內(nèi)制備出高濃度的臭氧水，本實(shí)驗(yàn)采用臭氧氣體與臭氧水循環(huán)混合的方法，定制了一個(gè)兩側(cè)面分別有一個(gè)出水口和進(jìn)水口的60 L食品級(jí)塑料水箱，并在水箱外部包裹保溫材料，減少外部環(huán)境對(duì)水箱溫度的影響。通過調(diào)節(jié)臭氧水循環(huán)過程中的臭氧氣體流量、水溫、pH 等影響因素進(jìn)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(cè)定方法

參考國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 5750.11—2006《生活用水消毒劑指標(biāo)》、黃玉婷[19]和Rodrigues 等[20]的碘量滴定法，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況稍加修改，具體操作步驟如下：

臭氧水中臭氧質(zhì)量濃度的測(cè)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(huán)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(yīng)5 min。然后用0.1 mol·L-1的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定液滴定至溶液呈淺黃色時(shí)，加入10 g·L-1的淀粉指示劑1 mL 繼續(xù)滴定，直至瓶中溶液顏色變?yōu)橥该骱笸Ｖ沟味?，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(yàn)，并通過下式計(jì)算出臭氧水中臭氧濃度。樣品中臭氧的計(jì)算公式為：P1=C2×(V2-V3)×24 000/V1，式中：P1為臭氧質(zhì)量濃度 (mg·L-1)；C2為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度 (mol·L-1)；V1為臭氧水 (臭氧冰) 取樣體積 (質(zhì)量)[mL (g)]；V2為臭氧水滴定時(shí)硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液用量 (mL)；V3為空白滴定時(shí)硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液用量 (mL)。

臭氧冰中臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)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(shí)取出搖勻，當(dāng)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(yīng)5 min。用0.01 mol·L-1的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)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(duì)臭氧水中臭氧質(zhì)量濃度的影響

在制備臭氧水之前，調(diào)節(jié)臭氧水一體機(jī)的臭氧氣體流量為3 L·min-1，往循環(huán)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(jìn)行60 min 的臭氧水循環(huán)。在不同溫度循環(huán)過程中，每隔5 min 從水箱中取樣測(cè)定水中臭氧的濃度，探究在臭氧水循環(huán)過程中臭氧濃度達(dá)到飽和的時(shí)間，并比較在不同水溫下臭氧水的飽和濃度。

1.4.2 pH 對(duì)臭氧水中臭氧質(zhì)量濃度的影響

每次實(shí)驗(yàn)往循環(huán)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(diào)節(jié)每次加入水箱中水的pH 分別為3、5、7 和9。在不同pH 循環(huán)過程中，每隔5 min 從水箱中取樣測(cè)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(duì)臭氧水中臭氧質(zhì)量濃度的影響

為探究與水混合的臭氧氣體流量對(duì)臭氧水中臭氧濃度的影響，在每次實(shí)驗(yàn)開始前，調(diào)節(jié)臭氧水一體機(jī)的臭氧流量計(jì)，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(huán)水箱中加入40 L 水，用乙酸緩沖溶液調(diào)節(jié)水的pH 為3，水溫控制在5 ℃，進(jìn)行臭氧水循環(huán)制備實(shí)驗(yàn)。每隔5 min 取樣測(cè)定水中臭氧的濃度，探究在臭氧水循環(huán)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(jié)溫度對(duì)臭氧冰中臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

把溫度和濃度相同的臭氧水用相同規(guī)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(jié)制備成臭氧冰。每隔一段時(shí)間觀察在不同條件下臭氧水的結(jié)冰情況，記錄臭氧水完全凍結(jié)成臭氧冰時(shí)所需時(shí)間。臭氧水完全凍結(jié)成冰后取出，測(cè)定其臭氧濃度，比較在不同凍結(jié)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(jì)算[21]：臭氧保存率=水的密度 (kg·L-1)×臭氧冰質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg·kg-1)/臭氧水質(zhì)量濃度 (mg·L-1)×100%。

1.5.2 不同條件的臭氧水質(zhì)量濃度對(duì)臭氧冰的影響

臭氧水在凍結(jié)成冰的過程中，存在部分臭氧發(fā)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(jié)制備成臭氧冰，比較不同臭氧水條件凍結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shí)間取樣檢測(cè)臭氧冰中臭氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，觀察在不同貯藏溫度下冰中臭氧保存率隨時(shí)間的變化情況。

1.6 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次，采用Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過SPSS 23.0 軟件進(jìn)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(jìn)行繪圖。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差 ()”表示。

2 結(jié)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(duì)臭氧水中臭氧質(zhì)量濃度的影響

臭氧水在循環(huán)制備過程中，不同水溫的臭氧水中臭氧質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化如圖2 所示。水溫對(duì)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(dǎo)致臭氧在水中的溶解量增加，故臭氧濃度達(dá)到飽和時(shí)所需時(shí)間縮短[23]。由圖2 可知，在同一循環(huán)制備時(shí)間，水溫越低，臭氧水中臭氧質(zhì)量濃度越高；循環(huán)制備臭氧水時(shí)間約30 min時(shí)，3 種水溫的臭氧水中臭氧濃度達(dá)到飽和，5、15 和25 ℃的臭氧水的飽和質(zhì)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(duì)臭氧在水中的溶解并維持水中臭氧穩(wěn)定性有較好的效果。

圖2 不同水溫對(duì)臭氧水中臭氧質(zhì)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(duì)臭氧水中臭氧濃度的影響

臭氧水在循環(huán)制備過程中，不同pH 的臭氧水中臭氧質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化如圖3 所示。在同一循環(huán)制備時(shí)間，水箱中水的pH 越低，臭氧水中臭氧的濃度越高，當(dāng)循環(huán)水制備時(shí)間達(dá)到20 min 以上，各組臭氧水中的臭氧濃度陸續(xù)達(dá)到飽和值。當(dāng)水的pH 為3 時(shí)，所制得的臭氧水達(dá)到飽和的時(shí)間最短，此時(shí)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(jié)果均證明，堿性溶液所存在的大量氫氧根 (OH-) 會(huì)加速催化臭氧的分解，而酸性溶液中的氫離子 (H-)會(huì)與OH-反應(yīng)，降低溶液中OH-的量，從而減緩水中臭氧的分解反應(yīng)，提高臭氧水的穩(wěn)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(duì)臭氧水中臭氧質(zhì)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(duì)臭氧水中臭氧濃度的影響

臭氧水在循環(huán)制備過程中，調(diào)節(jié)與水混合的臭氧氣體流量大小，臭氧水中臭氧濃度隨時(shí)間的變化如圖4 所示。當(dāng)臭氧氣體流量從1 L·min-1增加到3 L·min-1，水中臭氧質(zhì)量濃度的增速加快、臭氧達(dá)到飽和時(shí)的濃度上升；臭氧氣體流量為3 L·min-1時(shí)，臭氧飽和濃度最大 (50.27 mg·L-1)。當(dāng)氣體流量繼續(xù)增加至高于3 L·min-1時(shí)，臭氧水的飽和濃度反而減小。導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因可能是，臭氧氣體流量較慢時(shí)，臭氧與水能夠充分混合，此時(shí)水中臭氧濃度與氣體流量呈正相關(guān)；達(dá)到閾值后，過大的流量會(huì)加強(qiáng)水中臭氧分子的活躍性，促進(jìn)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(xù)實(shí)驗(yàn)中將臭氧水一體機(jī)的臭氧流量固定為3 L·min-1。

圖4 不同臭氧氣體流量對(duì)臭氧水中臭氧質(zhì)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(jié)溫度對(duì)臭氧冰中臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

將溫度、pH 和質(zhì)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(jìn)行凍結(jié)制備臭氧冰，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，臭氧冰在不同的凍結(jié)溫度下的臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別較大，隨著凍結(jié)溫度的降低，冰中的臭氧保存率越來越高。使用液氮凍結(jié)臭氧冰，結(jié)冰過程時(shí)間最短，臭氧冰中臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.95 mg·kg-1，臭氧保存率達(dá)33.69%，遠(yuǎn)高于其他凍結(jié)條件，減少了臭氧的損失。孫瑜等[26]對(duì)高濃度臭氧冰的制備方法進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)使用液氮噴淋的方式制備臭氧冰，臭氧的損耗率遠(yuǎn)低于干冰浸沒與冰箱冷凍等臭氧冰制備方式。本實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果與該實(shí)驗(yàn)相近。在臭氧水凍結(jié)成冰的過程中，冰膜的形成會(huì)阻擋臭氧的逸散[27]，而凍結(jié)溫度是冰膜形成時(shí)間的主要影響因素，因此臭氧保存率會(huì)受凍結(jié)溫度的影響。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)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(zhì)量濃度 35.47 mg·L-1 條件下凍結(jié)溫度對(duì)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(duì)臭氧冰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

1) 臭氧水質(zhì)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(jié)成冰，臭氧水質(zhì)量濃度與臭氧冰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖5 所示?？梢钥闯觯?dāng)臭氧水質(zhì)量濃度不斷上升時(shí)，制得的臭氧冰質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之增加。因此，要提高臭氧冰中的臭氧保存率，應(yīng)采用高濃度的臭氧水。

圖5 臭氧水質(zhì)量濃度對(duì)臭氧冰質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量濃度接近13 mg·L-1的臭氧水，然后分別放入液氮中凍結(jié)成冰，檢測(cè)冰中臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)，探究不同pH 的臭氧水對(duì)臭氧冰中臭氧保存率的影響。從表2 可知，當(dāng)臭氧水pH 為5 時(shí)，臭氧冰中臭氧保存率可達(dá)最大值；而當(dāng)臭氧水pH 繼續(xù)降低到3 時(shí)，冰中臭氧保存率反而降低，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是溶液中乙酸濃度過高，臭氧水結(jié)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(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)時(shí)臭氧的分解，提高臭氧冰中臭氧的穩(wěn)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(zhì)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(cè)冰中臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)，探究不同溫度的臭氧水對(duì)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(dòng)力學(xué)角度分析[29]，臭氧水溫度越高，水中的臭氧分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，而且凍結(jié)形成冰膜的時(shí)間也越長，因此在結(jié)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(duì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)隨貯藏時(shí)間的衰減變化情況，將同一質(zhì)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(dòng)范圍為 ±1 ℃。臭氧冰在0 ℃貯藏環(huán)境下，每天取樣檢測(cè)臭氧冰中臭氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；在-18 和-40 ℃下，每隔1 d 取樣檢測(cè)臭氧冰中臭氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見圖6。在貯藏期間，3 組樣品中的臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨著貯藏時(shí)間的延長而下降，貯藏溫度越高，下降速率越快。在0 ℃環(huán)境中貯藏至第7 天時(shí)，臭氧冰基本融化，在融化的水中檢測(cè)的臭氧質(zhì)量濃度約為0 mg·L-1。貯藏至第16 天時(shí)，-18 ℃下貯藏的樣品中臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降到約2 mg·kg-1，為初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)的24.78%，此后隨貯藏時(shí)間的延長基本保持穩(wěn)定；-40 ℃條件下貯藏的臭氧冰中臭氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降到4.50 mg·kg-1后基本保持穩(wěn)定，此時(shí)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(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)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(shí)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(huán)境溫度為 (0±1) ℃的冰箱中貯藏，每天對(duì)4 組臭氧冰進(jìn)行取樣，檢測(cè)冰中臭氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。從圖7 中可看出，利用pH 不同、質(zhì)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(shí)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(fā)生急速衰減，而pH 為5 時(shí)冰中臭氧保存率始終高于其他3 組；說明此時(shí)臭氧冰在融化過程中能較好地維持冰中臭氧的穩(wěn)定性。后續(xù)實(shí)驗(yàn)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(shí)間的變化Fig.7 Variation of ozone retention rate in ice with time at different pH values

3) 酸度調(diào)節(jié)劑的影響。分別采用乙酸、磷酸、檸檬酸作為酸度調(diào)節(jié)劑，調(diào)節(jié)水的pH 為5，然后制備出初始質(zhì)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(jié)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(duì)照，每天檢測(cè)這4 組臭氧冰中臭氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分析哪種酸度調(diào)節(jié)劑能進(jìn)一步提高臭氧冰中臭氧的穩(wěn)定性。由圖8 可看出，臭氧水制成冰后，用乙酸調(diào)節(jié)pH 制備的臭氧冰中臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其初始臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)18.60 mg·kg-1，臭氧保存率可達(dá)58.13%，優(yōu)于董凱兵[27]的研究結(jié)果。在貯藏期間，3 個(gè)處理組的臭氧冰中臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于空白對(duì)照組，而乙酸組臭氧冰的臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于另外兩個(gè)處理組，該結(jié)果與方敏等[22]、肖玥惠子[28]對(duì)緩釋型臭氧冰的研究結(jié)果一致，說明乙酸對(duì)維持冰中臭氧穩(wěn)定性的效果優(yōu)于其他兩種酸度調(diào)節(jié)劑。

圖8 酸度調(diào)節(jié)劑對(duì)臭氧冰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.8 Effect of acidity regulator on ozone ice concentration

3 結(jié)論

循環(huán)水箱中的水溫、pH 和臭氧氣體流量均會(huì)影響臭氧水中的臭氧濃度，循環(huán)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(huán)制備過程中的臭氧氣體流量過大或過小對(duì)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(diào)節(jié)循環(huán)水箱中水的溫度為5 ℃、pH 為3、臭氧氣體流量為3 L·min-1時(shí)，可以在20 min 左右制備出質(zhì)量濃度高達(dá)50.27 mg·L-1的臭氧水，該濃度可以在水箱循環(huán)過程中維持較長時(shí)間。

影響臭氧冰中臭氧濃度的因素主要有凍結(jié)溫度、臭氧水中的臭氧濃度、臭氧水pH、臭氧水溫、酸度調(diào)節(jié)劑等。凍結(jié)溫度越低，臭氧冰中臭氧的保存率越高。采用液氮凍結(jié)臭氧水制備臭氧冰，制作時(shí)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(dāng)臭氧水pH 為5時(shí)，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(diào)節(jié)劑對(duì)提高臭氧冰臭氧的保存率具有顯著效果，乙酸作為酸度調(diào)節(jié)劑對(duì)臭氧冰中的臭氧保存率可達(dá)58.13%，磷酸和檸檬酸卻分別只有48.75%和47.28%。