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白酒中四甲基吡嗪全程代谢机理研究

作　者: 吴建峰
导　师: 徐岩
学　校: 江南大学
专　业: 发酵工程
关键词: 白酒四甲基吡嗪 3-羟基丁酮酶/热动力联合反应氨基酸脱氢酶 GC×GC-TOF/MS GC-NPD
分类号: TS262.3
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

四甲基吡嗪(tetramethylpyrazine，TTMP)又名川芎嗪(1igustiazine)，是我国首先从常用中药川芎中提取出的生物碱，它是川芎治疗心脑血管疾病的有效成分之一，临床上已广泛应用于治疗缺血性心脑血管疾病及慢性心衰、肾衰等并且取得了良好的疗效。白酒作为我国特有的酒种，早在上世纪80年代，在进行白酒中风味物质分析时就已经在白酒中发现了四甲基吡嗪，但是由于含量较低，没有引起重视。作者在2006年率先提出四甲基吡嗪是白酒中的主要功能性成分之一，在不同香型白酒中普遍存在，引起行业的关注。由于白酒中四甲基吡嗪的合成机理尚不清晰，在本论文开展研究工作之前尚没有有效的方法用于提高白酒中四甲基吡嗪的含量。而高含量四甲基吡嗪是成功塑造中国白酒是“健康白酒”的关键。芝麻香型白酒是建国后白酒两大创新香型之一，以其优雅舒适的香气，醇和细腻的风味深受消费者喜爱，现在已经成为中国高档白酒的代表之一，虽然芝麻香型白酒总吡嗪含量较高，但是四甲基吡嗪含量相对较低。针对白酒中四甲基吡嗪含量相对较低这一共性问题，本论文以江苏今世缘芝麻香型白酒酿造过程为研究模型，以提升酒体中四甲基吡嗪含量为主要导向，紧紧围绕四甲基吡嗪的合成机理来进行，为高四甲基吡嗪含量芝麻香型白酒的酿造提供实验基础、理论依据与新思路。主要研究内容如下：（1）构建了酒曲、酒醅与白酒酒体中包括四甲基吡嗪在内的含氮化合物的定性（GC×GC-TOF-MS）与定量（GC-NPD）测定技术与方法体系。针对本论文在开展研究时尚没有成熟的技术与方法体系用于酒曲、酒醅与白酒酒体中四甲基吡嗪分析这一问题，本论文首先基于GC×GC-TOF-MS对顶空固相微萃取（HS-SPME）和液-液萃取的效果进行了比对于分析，结果表明:前者萃取效果优于后者，然后通过运用顶空固相微萃取和GC×GC-TOF-MS联用对白酒中功能性成份实现全扫描。同时从萃取头类别、萃取时间、萃取温度和盐离子浓度角度对HS-SPME萃取条件进行优化，得到了从酒曲、酒醅与白酒酒体中提取吡嗪类物质提取的最佳条件：萃取头CAR/DVB/PDMS，萃取温度50°C，时间40min，NaCl浓度0.3g/ml；最后利用优化后的顶空固相微萃取和GC-NPD联用技术实现了白酒中9种吡嗪类物质的快速、准确检测方法。在所测范围内，吡嗪类化合物均有较好的线性关系(R2>0.999)，检测限均小于150ng/L，相对标准偏差在2.51%-10.28%之间，加标回收率在85.13%-108.05%之间，同时发现芝麻香型白酒中四甲基吡嗪含量相对较低。（2）确认了芝麻香型白酒酿造过程中，细菌曲制曲阶段所生成的四甲基吡嗪是酒中四甲基吡嗪的主要来源之一。系统的对酒曲、酒醅与白酒酒体中的吡嗪类物质进行分析，酒曲中吡嗪类物质变化规律为：多粮曲高于纯小麦曲；高温曲高于中温曲；细菌曲中吡嗪类物质含量最高，酵母曲和白曲中吡嗪化合物含量很低。芝麻香酒醅堆积前后吡嗪类物质含量进行比较分析，大部分吡嗪物质在堆积后含量增加，四甲基吡嗪含量是堆积外层含量高于堆积内层。比较细菌曲及堆积过程中四甲基吡嗪增量发现，细菌曲与堆积阶段所产生的四甲基吡嗪贡献率分别为：60%和40%。这表明：细菌曲是芝麻香型白酒中四甲基吡嗪的主要来源之一。（3）从细菌曲中获得一株具有高产四甲基吡嗪能力的菌株Bacillus subtilis S12。对细菌曲中4株菌分别进行纯培养，并测定四甲基吡嗪含量，发现菌株S12产四甲基吡嗪含量最高。根据菌落形态特征、细胞形态特征以及生理生化特性，参考《常见细菌系统鉴定手册》和《伯杰氏系统细菌学手册》，同时对S12的16S rDNA序列进行测序利用Clustal X、Bioedit和MEGA4.0选择Kimura2-parameter模型构建系统发育树，由系统发育树结果结合蛋白组MALDI-TOF分析，鉴定S12为枯草芽孢杆菌。（4）发现并证明:在固态发酵条件下是Bacillus subtilis S12所产生氨基酸脱氢酶实现从氨基酸到氨的转化，氨和3-羟基丁酮通过缩合作用合成四甲基吡嗪,因此氨基酸脱氢酶是合成四甲基吡嗪的关键酶。进而提出并验证了Bacillus subtilis S12固态发酵中四甲基吡嗪合成的新理论：基于酶-化学联合反应的四甲基吡嗪合成机制。通过试验证明：3-羟基丁酮和氨基酸不能合成四甲基吡嗪，只有3-羟基丁酮和氨通过缩合作用才能合成四甲基吡嗪。Bacillus subtilis S12在固态发酵的条件下，代谢产生3-羟基丁酮，分泌蛋白酶将蛋白质降解为氨基酸，然后由细菌曲中Bacillus subtilis S12产生的氨基酸脱氢酶（如谷氨酸脱氢酶和苯丙氨酸脱氢酶）将氨基酸脱氢得到氨。在白酒细菌曲制曲过程中，四甲基吡嗪的合成分为两个阶段：第一阶段是0到24小时，最适温度下（37oC），细菌代谢产生3-羟基丁酮和氨；第二阶段是在高温条件下3-羟基丁酮和氨进行缩合反应，合成四甲基吡嗪。其中温度对第二阶段四甲基吡嗪合成影响很大，高温利于反应的进行。（5）构建了Bacillus subtilis S12固态条件下两阶段酶-化学联合反应的四甲基吡嗪合成动力学模型。在0-24小时的第一阶段，四甲基吡嗪的形成为0级动力学反应，动力反应常数为0.002；在24-48小时，四甲基吡嗪的合成为一级动力学反应，分数转化技术可以成功用于描述四甲基吡嗪的合成与积累，频率因子常数A0的取值为1.4×105min-1，活化能Ea的数值为18kcal/mol，从37oC到62oC，预测值与实验值均具有极高的吻合性。利用模型预测的结果指导机械化制曲和酿酒生产，与传统方法对比：曲中四甲基吡嗪含量提高4倍，酒体中四甲基吡嗪提高7.5倍。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-29
  1.1 中国白酒概述  11-14
  1.2 四甲基吡嗪类的性质与功能  14-18
  1.3 吡嗪类物质分析方法  18-20
    1.3.1 吡嗪类物质前处理方法  18-19
    1.3.2 吡嗪类物质检测方法  19-20
  1.4 食品中吡嗪类物质的研究进展  20-25
    1.4.1 Maillard 反应中吡嗪物质的形成  20-22
    1.4.2 微生物发酵产四甲基研究进展  22-24
    1.4.3 白酒固态发酵过程中四甲基吡嗪的合成  24-25
  1.5 本论文的研究意义与主要研究内容  25-29
    1.5.1 本论文的研究意义  25
    1.5.2 白酒中四甲基吡嗪在固态发酵过程中的合成研究存在的问题  25-27
    1.5.3 本论文的主要研究内容  27-29
第二章白酒中吡嗪类物质检测方法的建立及其在不同香型白酒中的分布  29-39
  2.1 前言  29-30
  2.2 材料与方法  30-31
    2.2.1 仪器与试剂  30
    2.2.2 酒样来源  30-31
    2.2.3 分析方法  31
  2.3 结果与讨论  31-38
    2.3.1 今世缘芝麻香酒 GC×GC-TOF/MS 定性分析  31-34
    2.3.2 白酒中吡嗪类物质定量分析  34-36
      2.3.2.1 顶空固相微萃取条件的优化  34-35
      2.3.2.2 HS-SPME 气相色谱检测吡嗪类物质标准曲线  35-36
    2.3.3 不同香型白酒中吡嗪类物质含量比较  36-38
  2.4 本章结论  38-39
第三章白酒固态发酵不同阶段吡嗪类物质形成规律研究  39-51
  3.1 前言  39-40
  3.2 材料与方法  40-42
    3.2.1 仪器与试剂  40
    3.2.2 制曲原料与配  40
    3.2.3 培养条件  40-41
    3.2.4 曲和酒醅中水分含量测定  41
    3.2.5 样品前处理  41-42
    3.2.6 吡嗪类物质的测定  42
  3.3 结果与讨论  42-50
    3.3.1 曲和酒醅中吡嗪类物质检测方法的建立  42-43
    3.3.2 大曲中吡嗪类物质的定量分析  43-45
    3.3.3 麸曲中吡嗪类物质的定量分析  45-47
    3.3.4 堆积过程中吡嗪类物质含量的变化  47-49
    3.3.5 白酒蒸馏中不同阶段吡嗪类物质含量变化  49-50
  3.4 本章结论  50-51
第四章细菌曲中高产四甲基吡嗪菌株的鉴定及其生理生化特征分析  51-61
  4.1 前言  51
  4.2 材料与方法  51-54
    4.2.1 仪器与试剂  51-52
    4.2.2 菌株  52
    4.2.3 培养基  52
    4.2.4 培养条件  52
    4.2.5 菌株的分类鉴定  52-53
    4.2.6 分析方法  53-54
  4.3 结果与讨论  54-59
    4.3.1 不同菌株产四甲基吡嗪含量测定  54
    4.3.4 菌落形态特征  54-55
    4.3.5 生理生化特性  55-56
    4.3.6 16S rDNA 序列分析  56-57
    4.3.7 构建系统发育树  57-58
    4.3.8 基于 MADLI-TOF-MS 的菌株鉴定分析  58-59
  4.4 本章结论  59-61
第五章 B. subtilis S12 固态培养条件下四甲基吡嗪的合成机制研究  61-73
  5.1 前言  61
  5.2 材料与方法  61-64
    5.2.1 仪器与试剂  61-62
    5.2.2 菌种  62
    5.2.3 培养基  62
    5.2.4 培养条件  62
    5.2.5 3-羟基丁酮及四甲基吡嗪的提取  62
    5.2.6 粗酶液的制备  62-63
    5.2.7 分析方法  63-64
  5.3 结果与讨论  64-72
    5.3.1 GC 检测 3-羟基丁酮标准曲线  64
    5.3.2 固态条件下四甲基吡嗪化学合成分析  64-66
    5.3.3 四甲基吡嗪合成热反应研究  66-67
    5.3.4 B.subtilis S112 固态培养养下 3-羟基丁酮分析  67
    5.3.5 制曲过程中四甲基吡嗪合成时曲中 N 源的存在形式及其来源  67-70
    5.3.6 B. subtilis S12 固态条件下四甲基吡嗪合成网络  70-71
    5.3.7 B. subtilis S12 产四甲基吡嗪的原位反应验证  71-72
  5.4 本章结论  72-73
第六章 Bacillus subtilis S12 固态培养过程中四甲基吡嗪合成的机理建模  73-85
  6.1 前言  73-74
  6.2 实验材料与方法  74-76
    6.2.1 仪器与试剂  74
    6.2.2 菌种  74
    6.2.3 培养基  74
    6.2.4 培养条件  74
    6.2.5 B. subtilis S12 荧光 PCR 定量  74-75
    6.2.6 细菌曲中 3-羟基丁酮及四甲基吡嗪的提取  75
    6.2.7 分析方法  75-76
  6.3 结果与讨论  76-84
    6.3.1 不同温度下四甲基吡嗪发酵过程分析  76-77
    6.3.2 不同温度下 Bacillus subtilis S12 合成四甲基吡嗪的发酵过程分析  77-78
    6.3.3 固态制曲条件下 Bacillus subtilis S12 合成四甲基吡嗪的动力模型建立  78-80
    6.3.4 纯 Bacillus subtilis S12 细菌曲中合成四甲基吡嗪发酵模型的拟合分析  80-83
    6.3.5 四甲基吡嗪合成动力学模型和自控制设备联用强化四甲基吡嗪生成  83-84
  6.4 本章结论  84-85
结论与展望  85-89
论文创新点  89-91
致谢  91-93
参考文献  93-104
附录 Ⅰ：作者在攻读博士学位期间发表的论文与专利  104-105
附录 Ⅱ：英文缩写与中文名称对照  105-106
附录 Ⅲ：风味物质全二维飞行时间质谱分析结果  106-112

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