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

10、。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

11、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

12、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( 槲 皮素鼠李素 桑色素洋羌荽黄素 柚皮素芹菜素 儿茶素 5,7-二羟 基-345-三甲氧基黄酮 刺槐素山奈酚。氧化活性与B 环上羟 基数目直接相关，随B 环上羟基数目的增加而增加。当B 环酚羟基 数目相同时，含邻二酚羟基的黄酮抗氧化活性明显优于B 环含间二 酚羟基的黄酮。 张红雨选用生成热（H OF）作为衡量氧化活性的指标从理论上探 讨了黄酮类化合物结构和活性

13、之间的关系。生成热是指黄酮类化合物 形成半醌式自由基的生成热，H OF 越低说明自由基越稳定，相应 的黄酮类化合物的氧化活性越强。 (1) 邻位 OH 与间位 OH 的差别：槲皮素、儿茶素B 环 3或 4 的HOF 表明，形成氢键确能使半醌式自由基更稳定，另一方面， 即使不形成分子内氢键，槲皮素、儿茶素B 环邻二酚羟基的 HOF 仍较桑色素 B 环间二酚羟基的 HOF 低 15kJmol-1 左右。从键级 分析可知，邻二酚羟基自由基共振形成邻苯醌结构，致使内能降低。 此外，槲皮素、儿茶素形成半醌自由基时相邻酚羟基C-O 键级在 1.15 左右，具有部分双键性质，而桑色素的相应键级仅为1.07

14、左右，这 也使得前者相邻酚羟基氧的电子自旋密度(0.08左右)显著高于后者 的相应数值 (0.0005左右)。 (2) C 环对 A 环的钝化作用： A 环是间位 OH 取代，其活性不及 B 环。 通过对 HOF 研究表明， A 环酚羟基尚不及间苯二酚活泼。这是由 于 C 环的吸电子特性使它对A 环具有钝化作用，而对 B 环影响较小。 其他取代基对 A 环和 B 环影响复杂，仍有待于进一步研究。 1.2.5 葡萄酒中氧化还原电位 如前所述，葡萄酒中存在许多氧化还原现象，影响其反应速率及其方 向的是氧化还原电位 。 葡萄酒在不同的氧化电位条件下陈酿会呈现出 不同的香气特征， 所以有许多学者都十分

15、关注葡萄酒中氧化还原电位 的测定， 以及其对葡萄酒感官特征的影响。 1.2.5.1 葡萄酒中氧化还原电位的测定 测定葡萄酒中氧化还原电位， 可使用 Pt 作指示电极， Ag/AgCl ，KCl 作参比电极。 参比电极的标准电位在25下为 200mV。也可使用复 合电极来测定葡萄酒中的氧化还原电位。值得注意的是， 测定葡萄酒 的氧化还原电位时，易在电极附近形成沉淀，污染电极。所以，应扩 大铂电极的接触面积以及参比电极中Cl-的扩散面积。 1.2.5.2 葡萄酒中的氧化还原缓冲能力 葡萄酒的 氧化还原缓冲能力 非常重要，因为它反映葡萄酒在其酿 造过程中， 抵抗由于物理化学处理所带来的过度还原或氧化

16、 的能力。 同时葡萄酒的氧化还原缓冲能力也是其是否具有陈酿潜力 的标志。如 果葡萄酒没有保持其氧化还原电势 或限制其氧化还原电势变化的能 力，则氧化还原电势在葡萄酒的酿造过程中就没有任何意义了。 对氧化还原体系的氧化还原缓冲能力的测定，可通过用氧化剂或 还原剂溶液的滴定曲线来进行（图1-11） 。氧化还原滴定曲线与其他 滴定曲线一样，随着标准溶液的不断加入， 溶液的性质不断发生变化， 这一变化也是遵循量变引起质变这一规律的。因此在氧化还原滴定曲 线上，可观察到一个拐点， 这个拐点就是曲线的对称中心，且在拐点 附近的 曲线几乎为直线 ，其斜率 dEd O x或 dEd Re d为最小，该斜 率就

17、可用于测定氧化还原体系的最大氧化还原缓冲能力，即用于引起 氧化还原电势变化的相当于一价氧化剂或还原剂摩尔数（图 1-11） 。 氧化还原体系的氧化还原缓冲能力，决定于溶液中的电子和质子数 量。 Maujean138用还原剂TiCl3 滴定的几种葡萄酒的氧化还原曲 线，结果见图1-12。 由该图可以看出：在氧化还原电势为200-400mV 时，霞多丽（ Chardonnay）的斜率最大 ，即它的 氧化还原缓冲能力最 小。而对于红色品种，特别是对于黑比诺染色葡萄酒（Pinot noir tache） ，当氧化还原电势在300-320mV 时，氧化还原滴定曲线比较 平缓，它们较强的还原抵抗能力与葡萄

18、酒中含有二甲花翠素和花色素 有关； 图 1-11 电子数量对氧化还原和氧化还原体系缓冲能力的影响 图 1-12 几种类型葡萄酒的氧化还原缓冲能力 Fig.1-12 Redox buffer capability of several typical wine 染色葡萄酒的标准氧化还原电势E0=?302mV，也就是其最大缓冲能 力。 图 1-13 是 Maujiean138用氧化剂2,6-DCIP 滴定葡萄酒的氧 化还原曲线。对这些曲线的分析可以看出：在葡萄酒中加入16mg/L 的 SO2，可以使其氧化还原电势 降 低 到 370mV 左右，但该葡萄 酒没有任何抵抗氧化的能力，因为只需加入几滴2,6-DCIP，就可将 其氧化还原电势恢复到原来的值上（曲线A） 。相反，在葡萄酒中加 入 8mg/L 的 SO2 和 8mg/L 的 Vc，就能提高其对氧化的抗性（曲 线 B） 。曲线 C 更进一步证实了这一结果。 该结果说明在装瓶时加入适量的Vc，可以提高葡萄酒的氧化还原缓 冲能力，从而防止葡萄酒的还原味。 图 1-13 SO2 和 Vc 对葡萄酒氧化还原电势及其抗氧化能力的影 响