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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
2、倍、1.7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
3、,发酵液一般来说并不处于氧化还原平衡的状态。这是因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
4、。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
5、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+(RTPnF)ln(αoPαR)=(RTP4F)lnpO2+RTPF)ln[H+][2]其中E0:标准氧化还原电位值;αo:氧化型物质的活度;αR:还原型物质的活度;pO2: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
6、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
7、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YPPS(WPW)最高(0.47),但其乙醇浓度较ORP值为-150mV时低,究其原因是残糖浓度达到了3.2%(WPW),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
8、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980mV，高于陈酒的氧化还原电位940mV。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
