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微生物发酵碳同位素分馏机理的研究及其应用

作　者: 陈文斌
导　师: 蒙健宗
学　校: 广西大学
专　业: 发酵工程
关键词: 发酵真实性同位素乙醇 IRMS δ13C
分类号: TS261.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

食品真实性是世界各国均广泛关注的一个话题。消费者越来越注重的食品是否物有所值,然而现在造假手段愈发高明,在传统的理化分析法不能满足真实性识别要求的情况下,稳定同位素法显现出了独特的优势。本研究根据稳定同位素在自然界的分布规律,研究发酵过程中稳定碳同位素分馏机理,开发了一套分析乙醇碳同位素的前处理蒸馏装置,建立了GC-C-IRMS测定乙醇碳同位素δ13C值的方法,得出了发酵前后糖组分与乙醇之间碳同位素比率δ13C值的方程模型,并将稳定同位素技术应用于我国传统白酒真实性鉴别中,具体总结如下：(1)建立了以有机溶剂稀释法为前处理方法测定饮料酒中乙醇碳稳定同位素比率的气相色谱-燃烧-稳定同位素比值质谱法(GC-C-IRMS)。通过条件优化,在将乙醇稀释至8g/L并采用wax色谱柱进行有效分离后,可实现对乙醇中碳同位素比值的有效测定。结果表明,该法操作简便,稳定性好,准确度高。该方法为通过乙醇同位素比值差异实现饮料酒的真实性鉴别提供技术方法。(2)探讨了发酵过程中异变的四种因子：温度、糖浓度、酵母种类、初始pH对碳同位素δ13C的影响。结果显示：乙醇发酵过程中温度和基质浓度对碳同位素分馏略有影响,但总体来说这种影响并不显著。分析了发酵过程中碳同位素分馏的原因是葡糖糖分子内6个碳原子同位素比率的差异性分布和发酵过程中二氧化碳的生成。(3)通过各个方面原因分析以及技术改进,最终开发了一种蒸馏装置,可以将乙醇溶液蒸馏得到馏出液乙醇浓度达到89.2%；虽然最终得到的馏出液乙醇浓度并没能达到欧洲先进实验室水平,但是这种蒸馏方法提取时间短(1个小时),蒸馏速度是欧洲先进实验室的4倍,这对大容量样品的蒸馏具有积极作用,也为以后这方面的开发工作奠定了基础。(4)本研究采用多种酿酒原材料发酵得出了各种原材料对应的乙醇碳同位素比率δ13C值,得出了糖发酵的分馏因子αsaccharide/ethanol=1.001-1.002, αsaccharide/CO2=0.995-0.997；建立了发酵前后糖组分与乙醇之间碳同位素比率613C值的方程模型：613C乙醇=1.06x613C糖-0.07。该模型可用于原材料来源判断,这将为稳定同位素技术在传统固态法白酒与新工艺白酒鉴别领域的应用提供理论依据。(5)发酵得出各种粮食酒精典型δ13C值,得出了传统固态发酵白酒乙醇613C特征上限值：613C上限=-14.1%0以及传统固态发酵白酒真实613C值95%的置信区间为(-20.16‰～-15.14‰),并通过市场流通白酒乙醇613C值的检测得出25%的商品酒可能是虚假标注(假冒固态法白酒)；这为我国传统白酒真实性检测提供了一项新技术。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章前言  12-24
  1.1 稳定同位素  12-13
  1.2 稳定同位素鉴别食品真实性的基本原理  13-16
    1.2.1 碳同位素  13-14
    1.2.2 氢同位素  14
    1.2.3 氧同位素  14-15
    1.2.4 氮同位素  15-16
  1.3 发酵食品掺假现状  16
    1.3.1 原材料掺假  16
    1.3.2 外源水的添加  16
    1.3.3 其他组分的添加  16
  1.4 稳定同位素技术在发酵食品真实性鉴别中的应用  16-21
    1.4.1 稳定同位素技术在葡萄酒真实性中的应用  16-19
    1.4.2 稳定同位素技术在蒸馏酒真实性中的应用  19
    1.4.3 稳定同位素技术在醋饮料真实性中的应用  19-21
  1.5 稳定同位素技术与其他技术比较  21
  1.6 稳定同位素技术在食品真实性鉴别中的应用前景  21-22
  1.7 本研究的立题背景、意义与主要内容  22-24
    1.7.1 本课题立题背景与意义  22-23
    1.7.2 本研究的主要内容  23-24
第二章前处理乙醇蒸馏方法研究  24-30
  2.1 材料与方法  24-26
    2.1.1 材料  24
    2.1.2 试验方法  24-26
  2.2 结果与讨论  26-29
    2.2.1 三种乙醇溶液蒸馏  26
    2.2.2 三个浓度的乙醇溶液以及葡萄酒的蒸馏  26-27
    2.2.3 蒸馏的优化处理  27-29
  2.3 结论  29-30
第三章前处理乙醇的气相色谱分离方法及饮料酒中乙醇δ~(13)C的测定方法研究  30-36
  3.1 材料与方法  30-32
    3.1.1 仪器  30-31
    3.1.2 材料  31
    3.1.3 色谱条件  31
    3.1.4 乙醇转化条件  31
    3.1.5 样品前处理  31
    3.1.6 结果表示  31-32
  3.2 结果与讨论  32-34
    3.2.1 保留时间确定  32
    3.2.2 乙醇δ~(13)C测定  32
    3.2.3 水对乙醇溶液中乙醇δ~(13)C测定影响  32-33
    3.2.4 方法稳定性  33-34
    3.2.5 欧盟官方稳定同位素食品分析实验室能力验证  34
  3.3 结论  34-36
第四章发酵过程中碳同位素~(13)C分馏的影响因子  36-40
  4.1 实验材料及方法  36-37
    4.1.1 实验材料与仪器  36-37
    4.1.2 实验方法  37
  4.2 结果分析  37-39
  4.3 结论  39-40
第五章乙醇发酵碳同位素分馏机理的研究  40-52
  5.1 材料与方法  41-44
    5.1.1 试剂与材料  41
    5.1.2 仪器与设备  41
    5.1.3 同位素质谱测定  41-42
    5.1.4 发酵条件  42-43
    5.1.5 CO_2的收集、固定及置换  43
    5.1.6 糖的提纯方法  43-44
    5.1.7 发酵后残糖滴定方法  44
    5.1.8 计算方法  44
  5.2 结果与分析  44-50
    5.2.1 发酵前后糖组分与乙醇碳同位素比率回归分析  44-46
    5.2.2 多种样品发酵前后δ~(13)C变化规律分析  46-47
    5.2.3 发酵过程中乙醇δ~(13)C监测分析  47-49
    5.2.4 发酵后CO_2、乙醇δ~(13)C的测定与计算  49-50
    5.2.5 发酵后残糖的测定  50
    5.2.6 同位素分馏分析  50
  5.3 结论  50-52
第六章稳定碳同位素技术在我国传统白酒真实性领域应用  52-61
  6.1 材料和方法  52-54
    6.1.1 材料与设备  53
    6.1.2 试验方法  53-54
  6.2 结果与讨论  54-60
    6.2.1 六种酿酒原材料发酵后对应的乙醇δ~(13)C值  54
    6.2.2 高粱小麦混合发酵  54-55
    6.2.3 白酒真实参考样品δ~(13)C值及市场白酒δ~(13)C值的测定及分析  55-57
    6.2.4 白酒中外源酒精(玉米酒精)添加分析  57-59
    6.2.5 蒸馏对白酒中乙醇δ~(13)C值的影响分析  59-60
  6.3 结论  60-61
第七章总结与展望  61-63
  7.1 总结  61-62
  7.2 展望  62-63
参考文献  63-70
附录  70-71
致谢  71-72
攻读硕士学位期间发表文章情况  72

微生物发酵碳同位素分馏机理的研究及其应用

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