氧化还原电位 ORP行业一类.docx
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氧化还原电位ORP行业一类
氧化还原电位(ORP)
控制发酵过程氧化还原电位优化酿酒酵母乙醇生产
摘 要 利用氧化还原电极,研究了在厌氧条件下将氧化还原电位值(ORP)控制在不同水平(-50mV、-100mV、-150mV、-230mV)对乙醇发酵过程的影响。
试验结果表明,不同的ORP值水平对乙醇得率,甘油形成、有机酸分泌、生物量和菌体死亡率的影响有明显的差异。
当ORP为-50mV时的生物量是ORP为-100mV时的1.26倍、ORP为-150mV时的1.86倍、ORP为-230mV时的2.59倍,甘油浓度分别是后三者的1.2倍、1.1倍、1.7倍,而乙醇浓度却分别只有后三者的0.87倍、0.49倍、0.51倍。
综合考虑生物量、乙醇浓度、甘油产量、残糖的测定结果,表明将ORP控制在-150mV时对乙醇发酵极为有利。
说明可以用ORP电极来精确控制厌氧发酵条件,从而为酵母细胞合理分配代谢流以实现乙醇生产最优化的宏观控制提供了一种有效的手段。
氧化还原电位(ORP)是指水溶液或培养基中可得到或失去的自由电子,一般以毫伏(mV)为单位,可以为正值也可以为负值。
ORP值越高说明溶液的氧化水平越高,相对容易失去电子,反之亦然。
在微生物的发酵过程中,发酵液一般来说并不处于氧化还原平衡的状态。
这是因为微生物细胞吸收培养基中的营养成分,通过内部的氧化还原反应与其胞内的代谢过程相连来获取能量用于生长,维持和产物的合成。
在培养过程对氧化电位进行检测具有非常重要的生物学意义。
它可以:
(1)给操作人员提供必要的信息以保证微生物生长在合适的氧化还原环境下;
(2)在厌氧条件下测定溶氧电极检测限之外的痕量氧值;(3)在生物工程下游技术中,监测ORP值可以提供某种化学物质是否存在或化学物质之间转换的证据;(4)一定的ORP值是蛋白质正确折叠,尤其是二硫键形成的关键因素。
Yun-HuinLin等[1]利用氧化还原电极监测克拉维酸的生产过程,发现ORP对克拉维酸的生成有着比溶氧更好的关联性,利用氧化还原电极进行调控将克拉维酸的产量提高了96%。
在微生物培养过程中,氧化还原电极所测的电位反映了进行最快的氧化还原电对,因此可以利用该电极对正在变化的化学物质的相对浓度进行检测。
由于培养基中O2/H2O氧化还原电对的氧化性要远大于培养基中存在的其他物质,因此即使培养基中仅仅含有痕量氧,也可以在氧化还原电极上产生信号。
所以,可以用氧化还原电极检测痕量的溶氧,得到溶氧电极检测限之外的测量值。
ORP电极的检测原理是基于溶液中的金属电极上进行的电子交换达到平衡时具有的氧化还原电位(ORP)值,此值与溶氧、pH和温度有关:
E=E0+(RTPnF)ln(αoPαR)
=(RTP4F)lnpO2+RTPF)ln[H+]
[2]
其中E0:
标准氧化还原电位值;αo:
氧化型物质
的活度;αR:
还原型物质的活度;pO2:
溶液中溶氧
平衡的氧分压。
由上式可以看出若控制好发酵液的温度和pH值,氧化还原电位值就仅仅与溶氧相关。
本文利用这一特点,研究了在乙醇发酵过程中控制氧化还原电位ORP对乙醇生产过程的影响。
由于控制不同的ORP值主要影响的是发酵液中的溶氧水平,而溶氧水平对酿酒酵母乙醇生产而言有利有弊:
一方面微量的溶氧是酿酒酵母保持细胞活性,提高对乙醇的耐受性所必须的[6];而另一方面如果溶氧水平过高则氧会抑制糖酵解途径的活性[7],取代乙醛作为电子受体直接减少乙醇合成的前体物质,生长大量菌体,浪费碳源,降低乙醇得率。
因此,当ORP值维持在-150mV和-230mV时,乙醇途径是主要的产能途径,所以qethanol在整个发酵期间降幅较小;而在ORP值维持在-50mV和-100mV时,由于菌体产能对乙醇途径的依赖性减弱所以qethanol降幅较大。
ORP值越低乙醇的得率系数越高(表2),说明厌氧程度越深乙醇途径的效率越大。
当ORP值为-230mV时,其得率系数YPPS(WPW)最高(0.47),但其乙醇浓度较ORP值为-150mV时低,究其原因是残糖浓度达到了3.2%(WPW),而残糖浓度高对工业生产而言是不能容忍的。
因此,综合得率系数、最终的乙醇浓度和残糖,我们得出控制ORP值在-150mV是极为有利的。
所以,对酒精生产而言,控制发酵液中的溶氧水平是必须的,但传统的溶氧电极无法在较低溶氧值的情况下读数,因此无法对厌氧发酵过程进行监测,而氧化还原电极给我们提供了一个新的精细监测手段,可以对厌氧程度进行定量。
超高压处理对蒸馏白酒氧化还原电位的影响。
新酒的氧化还原电位为980mV,高于陈酒的氧化还原电位940mV。
超高压处理使新酒的氧化还原电位下降,并随处理压力的升高逐浙接近于陈酒的氧化还原电位。
氧化还原电位的高低反映体系的反应趋势。
氧化还原电位越大,体系越易发生化学反应;反之,体系不易发生化学反应。
新酒的氧化还原电位较高,体系易发生化学反应,酒体成分不稳定。
陈酒的氧化还原电位低,不易发生化学反应,酒体成分稳定。
同时氧化还原电位的大小还与人体的味觉感受有关,氧化还原电位越大,对人体的味觉刺激也越大;氧化还原电位越小,对人体味觉刺激也越小。
由于陈酒的氧化还原电位低,对人体味觉刺激小,入口温和绵甜,口味好。
超高压处理能降低新酒的氧化还原电位,从而提高了新酒的稳定性,改善了口感。
丁耐克.食品风味化学[M].北京:
中国轻工出版社,2001.12~100
低温抑制果肉中单宁等多酚物质的氧化系统,同时由于氧化还原电位低,使果酒处于低氧化状态,在此条件下则有利于酯类等芳香成分的合成[6],故其发酵果酒的酒质亦好。
亚硫酸钠的浓度越高,果酒氧化程度越低,可能原因是SO2可与草莓中所含的活性羰基化合物反应生成α-羟基磺酸化合物,减缓美拉德反应。
另外,SO2还可与果酒中的有机过氧化物的氧结合,使其不生成过氧化氢,则过氧化酶便失去氧化作用[10]。
高浓度的糖主要是抑制导致果肉褐变的酶类,浓度越高,酶的活性越低,在酿造过程中,果汁和果酒混合物均保持低氧化状态,故果酒的氧化程度也低;乙醛含量低,酒色泽好。
为防止SO2和糖浓度过高影响酵母发酵和酒的质量,在接种前须测定果汁中SO2和糖的浓度,作适宜的调整。
因此,果肉预贮采用低温加糖和加适宜浓度的SO2是必需的,不仅可以有效地抑制草莓果肉中多酚氧化酶的活性,抑制有害微生物的繁殖,而且可使果汁和果酒混合物均保持低氧化状态,从而保持草莓果酒的品质。
3 陈酿
311 陈酿的目的
发酵所得的新酒香浓味粗,且浑浊,不适宜饮用。
经一定时期储藏和适当的工艺处理,在储藏期发生一系列理化及生化的变化,酒质变得香浓醇和清晰色美,此过程称为酒的老熟或陈酿。
陈酿的本质是物理上的分子重排与化学上的氧化和合成的过程。
陈酿是为了促进酒液的澄清和提高酒的稳定性,促使香味的形成和酒的成熟。
在发酵结束后,酒中尚存在一些不稳定物质,在储藏中这些不稳定物质沉淀析出,再辅以强化措施,保证酒液的澄清和稳定。
经过陈酿过程的氧化还原、酯化以及聚合沉淀等作用,新酒中的不良风味物质减少,芳香物质得到加强和突出,各种物质之间达到平衡,酒体变得和谐、柔顺、细腻、醇厚,并表现出各种酒的典型风格。
312 陈酿的工艺要点
31211 储藏容器 最理想的储藏容器当数橡木桶,橡木所含芳香物质可在储藏期逐渐溶入酒液中,并与酒液的某些成分反应、协调,产生特殊的香味物质,酒液中较多的内酯和酚类便来自于储存的橡木桶。
橡木桶中的酚类尤其是单宁还对保证酒液稳定,促进酒液老熟起一定的作用。
31212 温度 果酒的陈酿首先受到温度的制约,稍高的温度(18~20℃)可加速老熟,尤其会加速香气的形成,但同时也会缩短了果酒的储藏期,反之,过低的温度(<10℃),会减慢陈酿过程。
影响陈酿最严重的因素是温度变化引起瓶内酒的膨胀与收缩,并将O2吸入。
陈酿的温度一般以8~15℃为宜。
31213 氧 装瓶前将果酒用空气饱和,可使酒香很好形成并加速色泽的变化,但装瓶后,氧的存在不会促进陈酿,反而会使不良菌生长,升高氧化还原电位,并引起早熟,产生氧化味。
因此,进入陈酿期的酒必须严格密封。
31214 SO2 当混有相当O2时,SO2可防止果酒在陈酿期的所谓“瓶内病”(BottleSick-ness的暂时氧化作用),但装瓶几个月后,瓶内SO2不再起作用,成品酒的SO2含量须严格控制,根据中华人民共和国行业标准,果酒规定SO2<250mgL-1。
31215 换桶 换桶是为了分离酒液和酒泥,并使任何挥发性物质蒸发逸出,从而溶解适量的新鲜空气,每次换桶必须进行挥发酸和SO2的分析并适当补充SO2。
31216 添桶 由于蒸发和容器的吸收作用,桶内酒面会逐渐下降,为避免菌膜及醋酸菌生长,必须随时使储酒桶内装满,不与空气接触。
添桶用酒至少要求中等质量、澄清、稳定、香气不大、滋味柔和、浓淡适中。
31217 湿度 一般要求储酒间的相对湿度应大于50%,但应考虑到过大的湿度有利软木塞上的微生物繁殖,因此有人建议酒储25年要更换新木塞。
313 陈酿期间的物化反应
陈酿发生着一系列酯化、氧化、还原等化学反应,使酒中的醇、醛、酯等成分达到新的平衡。
果酒中各种有机酸与乙醇结合、各种高级醇与高级脂肪酸化合生成缩醛等的酯化作用的产物是陈酿的主要芳香成分。
醋酸和醛类经氧化作用而减少,醇(特别是甲醇)经氧化成醛或酸,降低了风味不良的甲醇、杂醇油、挥发酸、鞣质等的含量,从而改善了果酒风味。
另外,水和酒精分子都是极性分子,有很强缔合能力。
陈酿期间,由于水和酒精的混合使相同分子间距增大,同分子间氢键减弱而主要形成水和酒精的缔合物,使得酒的刺激性减弱,气味绵柔。
314 陈酿期间果酒香气的形成及变化
果酒在瓶内老熟的重要变化就是形成果酒风味,即“酒香”的芳香物质,果酒的芳香由果实的原始果香和酿造形成的香味及与栎木接触形成的香味组成。
各种果酒香味的不同,一方面是由于某些酒存在一些特殊的微量成分,更重要的在于各种芳香组分存在量比关系上的差别。
与白酒相比,果酒中醇类品种很多,除一般高级脂肪醇外还有芳香醇、烯醇、含硫醇、乙氧基丙醇等,且大部分来自水果原料。
长期陈酿时糖苷水解还会产生少量乙醇、高级醇。
醇类本身不仅有可人的香味,而且能溶解其它的挥发性成分。
陈酿期间,由于葡萄苷的水解,还原糖略有增加,若采用热处理,果糖则会在酸条件下脱水生成羟甲基糖醛,反应如下:
因此,许多高档果酒不主张使用热处理,以避免美拉得反应带来的黄褐色泽及焦糖香。
果酒香味组成的一个特点是酸的比重很大,陈酿使柠檬酸起缓慢的脱羧作用形成柠苹酸(或2-甲基苹果酸),乳酸在陈酿期间会慢慢增加,部分单宁酸也逐渐溶解,因此陈酿时酸增加,此时的苹果酸—乳酸发酵是果酒减酸的主要原因,此反应产物对风味的影响很微妙,主要的产物双乙酰可增加果酒的良好风味,苹果酸—乳酸发酵如下:
L2苹果酸—→L2乳酸+CO2
L2苹果酸—→丙酮酸+NADH2+CO2
很多老的葡萄酒酿造均认为磷酸含量与酒有关,但无确切证据。
含N物质有直接或间接左右酒香的作用,陈酿后的葡萄酒平均含氮0.027%~0.0
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