氧化還原電位 ORP

1、氧化還原電位（ORP）控制發(fā)酵過程氧化還原電位優(yōu)化釀酒酵母乙醇生產摘要 利用氧化還原電極 ,研究了在厭氧條件下將氧化還原電位值(ORP)控制在不同水平( -50mV、 -100mV、 -150mV、-230mV)對乙醇發(fā)酵過程的影響。試驗結果表明 ,不同的ORP值水平對乙醇得率 ,甘油形成、有機酸分泌、生物量和菌體死亡率的影響有明顯的差異。當ORP為 -50mV時的生物量是ORP為 -100mV時的1.26 倍、 ORP為 -150mV時的 1.86 倍、 ORP為-230mV時的2.59倍 ,甘油濃度分別是后三者的1.2倍、 1.1倍、 1.7倍 ,而乙醇濃度卻分別只有后三者的 0.87 倍

2、、 0.49 倍、 0.51倍。綜合考慮生物量、乙醇濃度、甘油產量、殘?zhí)堑臏y定結果 ,表明將ORP控制在 -150mV時對乙醇發(fā)酵極為有利。說明可以用ORP電極來精確控制厭氧發(fā)酵條件 ,從而為酵母細胞合理分配代謝流以實現(xiàn)乙醇生產最優(yōu)化的宏觀控制提供了一種有效的手段。氧化還原電位(ORP)是指水溶液或培養(yǎng)基中可得到或失去的自由電子 ,一般以毫伏(mV)為單位 ,可以為正值也可以為負值。ORP值越高說明溶液的氧化水平越高 ,相對容易失去電子 ,反之亦然。在微生物的發(fā)酵過程中 ,發(fā)酵液一般來說并不處于氧化還原平衡的狀態(tài)。這是因為微生物細胞吸收培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分 ,通過內部的氧化還原反應與其胞內的代謝

3、過程相連來獲取能量用于生長 ,維持和產物的合成。在培養(yǎng)過程對氧化電位進行檢測具有非常重要的生物學意義。它可以: (1)給操作人員提供必要的信息以保證微生物生長在合適的氧化還原環(huán)境下; (2)在厭氧條件下測定溶氧電極檢測限之外的痕量氧值; (3)在生物工程下游技術中 ,監(jiān)測ORP值可以提供某種化學物質是否存在或化學物質之間轉換的證據(jù); (4)一定的 ORP值是蛋白質正確折疊 ,尤其是二硫鍵形成的關鍵因素。Yun-HuinLin等1利用氧化還原電極監(jiān)測克拉維酸的生產過程 ,發(fā)現(xiàn) ORP對克拉維酸的生成有著比溶氧更好的關聯(lián)性 ,利用氧化還原電極進行調控將克拉維酸的產量提高了96%。在微生物培養(yǎng)過程中

4、 ,氧化還原電極所測的電位反映了進行最快的氧化還原電對 ,因此可以利用該電極對正在變化的化學物質的相對濃度進行檢測。由于培養(yǎng)基中 O2/H2O 氧化還原電對的氧化性要遠大于培養(yǎng)基中存在的其他物質 ,因此即使培養(yǎng)基中僅僅含有痕量氧 ,也可以在氧化還原電極上產生信號。所以 ,可以用氧化還原電極檢測痕量的溶氧 ,得到溶氧電極檢測限之外的測量值。ORP電極的檢測原理是基于溶液中的金屬電極上進行的電子交換達到平衡時具有的氧化還原電位(ORP)值 ,此值與溶氧、 pH和溫度有關:E=E0 + (RTP nF) ln ( oP R)= (RTP 4F) ln pO2 +RTP F) lnH+2其中 E0 :

5、標準氧化還原電位值;o :氧化型物質的活度;R :還原型物質的活度; p O2 :溶液中溶氧平衡的氧分壓。由上式可以看出若控制好發(fā)酵液的溫度和 pH值 ,氧化還原電位值就僅僅與溶氧相關。本文利用這一特點 ,研究了在乙醇發(fā)酵過程中控制氧化還原電位ORP對乙醇生產過程的影響。由于控制不同的ORP值主要影響的是發(fā)酵液中的溶氧水平 ,而溶氧水平對釀酒酵母乙醇生產而言有利有弊:一方面微量的溶氧是釀酒酵母保持細胞活性 ,提高對乙醇的耐受性所必須的6;而另一方面如果溶氧水平過高則氧會抑制糖酵解途徑的活性7,取代乙醛作為電子受體直接減少乙醇合成的前體物質 ,生長大量菌體 ,浪費碳源 ,降低乙醇得率。因此 ,當

6、ORP值維持在-150mV 和 -230mV 時 ,乙醇途徑是主要的產能途徑 ,所以 qethanol在整個發(fā)酵期間降幅較小;而在ORP值維持在 -50mV和 -100mV時 ,由于菌體產能對乙醇途徑的依賴性減弱所以 qethanol 降幅較大。ORP值越低乙醇的得率系數(shù)越高(表 2) ,說明厭氧程度越深乙醇途徑的效率越大。當 ORP 值為-230mV時 ,其得率系數(shù) YPP S(WP W)最高(0.47) ,但其乙醇濃度較ORP值為 -150mV 時低 ,究其原因是殘?zhí)菨舛冗_到了 3.2%( WP W) ,而殘?zhí)菨舛雀邔I(yè)生產而言是不能容忍的。因此 ,綜合得率系數(shù)、最終的乙醇濃度和殘?zhí)?,

7、我們得出控制 ORP 值在-150mV是極為有利的。所以 ,對酒精生產而言 ,控制發(fā)酵液中的溶氧水平是必須的 ,但傳統(tǒng)的溶氧電極無法在較低溶氧值的情況下讀數(shù) ,因此無法對厭氧發(fā)酵過程進行監(jiān)測 ,而氧化還原電極給我們提供了一個新的精細監(jiān)測手段 ,可以對厭氧程度進行定量。超高壓處理對蒸餾白酒氧化還原電位的影響。新酒的氧化還原電位為980 mV， 高于陳酒的氧化還原電位 940 mV。超高壓處理使新酒的氧化還原電位下降，并隨處理壓力的升高逐浙接近于陳酒的氧化還原電位。氧化還原電位的高低反映體系的反應趨勢。 氧化還原電位越大， 體系越易發(fā)生化學反應； 反之， 體系不易發(fā)生化學反應。新酒的氧化還原電位較

8、高， 體系易發(fā)生化學反應， 酒體成分不穩(wěn)定。 陳酒的氧化還原電位低， 不易發(fā)生化學反應， 酒體成分穩(wěn)定。 同時氧化還原電位的大小還與人體的味覺感受有關， 氧化還原電位越大，對人體的味覺刺激也越大； 氧化還原電位越小， 對人體味覺刺激也越小。由于陳酒的氧化還原電位低， 對人體味覺刺激小， 入口溫和綿甜， 口味好。超高壓處理能降低新酒的氧化還原電位，從而提高了新酒的穩(wěn)定性， 改善了口感。丁耐克. 食品風味化學 M . 北京：中國輕工出版社，2001. 12100低溫抑制果肉中單寧等多酚物質的氧化系統(tǒng)，同時由于氧化還原電位低， 使果酒處于低氧化狀態(tài)， 在此條件下則有利于酯類等芳香成分的合成6， 故其

9、發(fā)酵果酒的酒質亦好。亞硫酸鈉的濃度越高， 果酒氧化程度越低，可能原因是 SO2 可與草莓中所含的活性羰基化合物反應生成 - 羥基磺酸化合物， 減緩美拉德反應。另外， SO2 還可與果酒中的有機過氧化物的氧結合， 使其不生成過氧化氫，則過氧化酶便失去氧化作用10。 高濃度的糖主要是抑制導致果肉褐變的酶類， 濃度越高， 酶的活性越低， 在釀造過程中， 果汁和果酒混合物均保持低氧化狀態(tài)， 故果酒的氧化程度也低； 乙醛含量低， 酒色澤好。 為防止SO2 和糖濃度過高影響酵母發(fā)酵和酒的質量， 在接種前須測定果汁中 SO2和糖的濃度， 作適宜的調整。因此， 果肉預貯采用低溫加糖和加適宜濃度的SO2 是必需

10、的， 不僅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狀態(tài)， 從而保持草莓果酒的品質。3 陳釀311 陳釀的目的發(fā)酵所得的新酒香濃味粗 , 且渾濁 , 不適宜飲用。經一定時期儲藏和適當?shù)墓に囂幚?, 在儲藏期發(fā)生一系列理化及生化的變化 , 酒質變得香濃醇和清晰色美 , 此過程稱為酒的老熟或陳釀。陳釀的本質是物理上的分子重排與化學上的氧化和合成的過程。陳釀是為了促進酒液的澄清和提高酒的穩(wěn)定性 , 促使香味的形成和酒的成熟。在發(fā)酵結束后 , 酒中尚存在一些不穩(wěn)定物質 , 在儲藏中這些不穩(wěn)定物質沉淀析出 , 再輔以強化措施 , 保證酒液的澄清

11、和穩(wěn)定。經過陳釀過程的氧化還原、酯化以及聚合沉淀等作用 , 新酒中的不良風味物質減少 , 芳香物質得到加強和突出 , 各種物質之間達到平衡 , 酒體變得和諧、柔順、細膩、醇厚 , 并表現(xiàn)出各種酒的典型風格。312 陳釀的工藝要點31211儲藏容器最理想的儲藏容器當數(shù)橡木桶 , 橡木所含芳香物質可在儲藏期逐漸溶入酒液中 , 并與酒液的某些成分反應、協(xié)調 , 產生特殊的香味物質 , 酒液中較多的內酯和酚類便來自于儲存的橡木桶。橡木桶中的酚類尤其是單寧還對保證酒液穩(wěn)定 , 促進酒液老熟起一定的作用。31212溫度果酒的陳釀首先受到溫度的制約 , 稍高的溫度 (1820 ) 可加速老熟 , 尤其會加速

12、香氣的形成 , 但同時也會縮短了果酒的儲藏期 , 反之 , 過低的溫度 ( 10 ) , 會減慢陳釀過程。影響陳釀最嚴重的因素是溫度變化引起瓶內酒的膨脹與收縮 , 并將O2 吸入。陳釀的溫度一般以 815 為宜。31213氧裝瓶前將果酒用空氣飽和 , 可使酒香很好形成并加速色澤的變化 , 但裝瓶后 , 氧的存在不會促進陳釀 , 反而會使不良菌生長 , 升高氧化還原電位 , 并引起早熟 ,產生氧化味。因此 , 進入陳釀期的酒必須嚴格密封。31214 SO2 當混有相當O2 時 ,SO2 可防止果酒在陳釀期的所謂“瓶內病”(BottleSick-ness的暫時氧化作用) , 但裝瓶幾個月后 ,瓶內

13、 SO2 不再起作用 , 成品酒的 SO2 含量須嚴格控制 , 根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標準 ,果酒規(guī)定 SO2 槲皮素鼠李素桑色素洋羌荽黃素柚皮素芹菜素兒茶素5,7-二羥基-345-三甲氧基黃酮刺槐素山奈酚。氧化活性與B環(huán)上羥基數(shù)目直接相關，隨B環(huán)上羥基數(shù)目的增加而增加。當B環(huán)酚羥基數(shù)目相同時，含鄰二酚羥基的黃酮抗氧化活性明顯優(yōu)于B環(huán)含間二酚羥基的黃酮。 張紅雨選用生成熱（ H OF）作為衡量氧化活性的指標從理論上探討了黃酮類化合物結構和活性之間的關系。生成熱是指黃酮類化合物形成半醌式自由基的生成熱，H OF越低說明自由基越穩(wěn)定，相應的黃酮類化合物的氧化活性越強。 (1) 鄰位OH與間位OH的

14、差別：槲皮素、兒茶素B 環(huán)3或4的HOF表明，形成氫鍵確能使半醌式自由基更穩(wěn)定，另一方面，即使不形成分子內氫鍵，槲皮素、兒茶素B環(huán)鄰二酚羥基的HOF仍較桑色素B環(huán)間二酚羥基的HOF低15kJmol-1左右。從鍵級分析可知，鄰二酚羥基自由基共振形成鄰苯醌結構，致使內能降低。此外，槲皮素、兒茶素形成半醌自由基時相鄰酚羥基C-O鍵級在1.15左右，具有部分雙鍵性質，而桑色素的相應鍵級僅為1.07左右，這也使得前者相鄰酚羥基氧的電子自旋密度(0.08左右)顯著高于后者的相應數(shù)值(0.0005左右)。 (2) C環(huán)對A環(huán)的鈍化作用：A環(huán)是間位OH取代，其活性不及B環(huán)。通過對HOF研究表明，A環(huán)酚羥基尚不

15、及間苯二酚活潑。這是由于C環(huán)的吸電子特性使它對A環(huán)具有鈍化作用，而對B環(huán)影響較小。其他取代基對A環(huán)和B環(huán)影響復雜，仍有待于進一步研究。1.2.5 葡萄酒中氧化還原電位 如前所述，葡萄酒中存在許多氧化還原現(xiàn)象，影響其反應速率及其方向的是氧化還原電位。葡萄酒在不同的氧化電位條件下陳釀會呈現(xiàn)出不同的香氣特征，所以有許多學者都十分關注葡萄酒中氧化還原電位的測定，以及其對葡萄酒感官特征的影響。1.2.5.1 葡萄酒中氧化還原電位的測定 測定葡萄酒中氧化還原電位，可使用 Pt 作指示電極，Ag/AgCl，KCl 作參比電極。參比電極的標準電位在 25下為 200mV。也可使用復合電極來測定葡萄酒中的氧化還

16、原電位。值得注意的是，測定葡萄酒的氧化還原電位時，易在電極附近形成沉淀，污染電極。所以，應擴大鉑電極的接觸面積以及參比電極中 Cl-的擴散面積。 1.2.5.2 葡萄酒中的氧化還原緩沖能力 葡萄酒的氧化還原緩沖能力非常重要，因為它反映葡萄酒在其釀造過程中，抵抗由于物理化學處理所帶來的過度還原或氧化的能力。同時葡萄酒的氧化還原緩沖能力也是其是否具有陳釀潛力的標志。如果葡萄酒沒有保持其氧化還原電勢或限制其氧化還原電勢變化的能力，則氧化還原電勢在葡萄酒的釀造過程中就沒有任何意義了。 對氧化還原體系的氧化還原緩沖能力的測定，可通過用氧化劑或還原劑溶液的滴定曲線來進行（圖 1-11）。氧化還原滴定曲線與

17、其他滴定曲線一樣，隨著標準溶液的不斷加入，溶液的性質不斷發(fā)生變化，這一變化也是遵循量變引起質變這一規(guī)律的。因此在氧化還原滴定曲線上，可觀察到一個拐點，這個拐點就是曲線的對稱中心，且在拐點附近的曲線幾乎為直線，其斜率dEd O x或dEd Re d為最小，該斜率就可用于測定氧化還原體系的最大氧化還原緩沖能力，即用于引起氧化還原電勢變化的相當于一價氧化劑或還原劑摩爾數(shù)（圖 1-11）。 氧化還原體系的氧化還原緩沖能力，決定于溶液中的電子和質子數(shù)量。 Maujean138用還原劑 TiCl3 滴定的幾種葡萄酒的氧化還原曲線，結果見圖 1-12。由該圖可以看出：在氧化還原電勢為 200-400mV 時

18、，霞多麗（Chardonnay）的斜率最大，即它的氧化還原緩沖能力最小。而對于紅色品種，特別是對于黑比諾染色葡萄酒（Pinot noir tache），當氧化還原電勢在 300-320mV 時，氧化還原滴定曲線比較平緩，它們較強的還原抵抗能力與葡萄酒中含有二甲花翠素和花色素有關； 圖 1-11 電子數(shù)量對氧化還原和氧化還原體系緩沖能力的影響 圖 1-12 幾種類型葡萄酒的氧化還原緩沖能力 Fig.1-12 Redox buffer capability of several typical wine 染色葡萄酒的標準氧化還原電勢 E0=?302mV，也就是其最大緩沖能力。 圖 1-13 是 Maujiean138用氧化劑 2,6-DCIP 滴