氧化还原电位ORP..pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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 + (RTP
5、nF) ln ( oP R) = (RTP 4F) ln pO2 +RTP F) lnH+ 2 其中 E0 :标准氧化还原电位值 ;o :氧化型物质 的活度 ;R :还原型物质的活度 ; p O2 :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
6、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YPP S(WP W)最 高(0.47) ,但其乙醇浓度较 ORP值为 -
7、150mV 时低 ,究其原因是残糖 浓度达到了3.2%( WP W) ,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980 mV,高于陈酒的氧化还原电位940 mV。 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
8、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,
9、2001. 12100 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 - 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
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- 氧化 还原 电位 ORP
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