李沖偉，宋福強(qiáng)，宋 永，沈志偉

（1. 黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；

2. 黑龍江大學(xué) 教育部農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)工程研究中心，黑龍江 哈爾濱 150080）

酒精發(fā)酵過程中電導(dǎo)率變化趨勢(shì)解析

李沖偉1,2，宋福強(qiáng)2,*，宋 永1,2，沈志偉1

（1. 黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；

2. 黑龍江大學(xué) 教育部農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)工程研究中心，黑龍江 哈爾濱 150080）

基于本實(shí)驗(yàn)室前期發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率在酒精發(fā)酵過程中存在著先降低后升高的變化趨勢(shì)，采用等離子體發(fā)射光譜法等物理化學(xué)方法，研究了4 種主要陽離子質(zhì)量濃度、還原糖質(zhì)量濃度、乙醇體積分?jǐn)?shù)、酵母細(xì)胞濃度、ph值對(duì)酒精發(fā)酵過程中電導(dǎo)率變化規(guī)律的影響。結(jié)果表明：4 種主要離子質(zhì)量濃度、還原糖質(zhì)量濃度、乙醇體積分?jǐn)?shù)、酵母細(xì)胞濃度和ph值均能影響電導(dǎo)率的變化，其中起決定性作用的是乙醇體積分?jǐn)?shù)；電導(dǎo)率下降的主要原因是發(fā)酵液的乙醇體積分?jǐn)?shù)在持續(xù)增加；當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)不再增加時(shí)，電導(dǎo)率受到氫離子質(zhì)量濃度的影響轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)。由此驗(yàn)證，發(fā)酵液中電導(dǎo)率的變化直接受乙醇體積分?jǐn)?shù)變化的影響。

酒精發(fā)酵；電導(dǎo)率；乙醇體積分?jǐn)?shù)；還原糖質(zhì)量濃度

酒精生產(chǎn)中最重要的一步是糖化發(fā)酵環(huán)節(jié)，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。然而發(fā)酵過程何時(shí)結(jié)束，何時(shí)將發(fā)酵液送至蒸餾車間。一直以來，人們都是采用從發(fā)酵罐取樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行指標(biāo)檢驗(yàn)。這種離線檢測，不僅錯(cuò)過了最恰當(dāng)?shù)呐欧艜r(shí)間，延長了生產(chǎn)周期，同時(shí)每4 h測定1 次乙醇含量和還原糖的工作，增加了人力、物力和財(cái)力的消耗[1]。從20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外專家就致力于研究發(fā)酵過程動(dòng)態(tài)和終點(diǎn)的在線監(jiān)測問題。例如，Spinnler等[2]基于ph值研究了酵母細(xì)胞活力的自動(dòng)檢測技術(shù)，但效果并不明顯。馮金垣等[3]采用獨(dú)特設(shè)計(jì)的液芯光波導(dǎo)濃度傳感器用于在線測量乙醇濃度，但此儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且測量精度受電源和電路的干擾較大。楊海麟等[4]利用超聲波檢測原理，設(shè)計(jì)了用于乙醇含量在線監(jiān)測的超聲波傳感器，然而該傳感器受發(fā)酵液溫度和雜質(zhì)含量的影響較大。竇少華等[5]通過實(shí)驗(yàn)建立了啤酒發(fā)酵過程中電導(dǎo)率與幾個(gè)重要發(fā)酵參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，以期找到一種快速檢測方法代替離線檢測。朱艷英等[6]利用傳感器測定乙醇含量和糖度的輸出信號(hào)，通過模式轉(zhuǎn)換從而實(shí)現(xiàn)糖度和乙醇含量的在線測量。王豪等[7]利用傅里葉變換近紅外光譜法測定葡萄酒中的乙醇含量，期望找到一種在線測定乙醇含量的方法，該設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格昂貴。王建林等[8]利用金屬氧化物半導(dǎo)體材料為氣敏元件，在發(fā)酵液中插入膜透取樣器進(jìn)行乙醇蒸汽的采集和檢測，該儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且誤差較大。目前，僅奧地利安東帕公司的在線監(jiān)測系統(tǒng)在啤酒發(fā)酵過程中有應(yīng)用，但還沒有應(yīng)用到酒精發(fā)酵過程的檢測，且設(shè)備價(jià)格較高。

本實(shí)驗(yàn)室前期研究發(fā)現(xiàn)，在酒精發(fā)酵周期內(nèi)，發(fā)酵液的電導(dǎo)率曲線呈現(xiàn)先下降后上升的變化規(guī)律[9]，在電導(dǎo)率達(dá)到最低點(diǎn)的時(shí)刻，發(fā)酵液的乙醇體積分?jǐn)?shù)和還原糖質(zhì)量濃度，基本達(dá)到發(fā)酵終點(diǎn)的指標(biāo)要求，即電導(dǎo)率的最低點(diǎn)接近發(fā)酵終點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)旨在研究酒精發(fā)酵過程中電導(dǎo)率變化的機(jī)理和影響因素，期望通過改善影響因素、構(gòu)建電導(dǎo)率和乙醇體積分?jǐn)?shù)之間更加合理的數(shù)學(xué)模型，為酒精發(fā)酵過程的在線監(jiān)測尋找一種新的方法。

1 材料與方法

1.1 菌種、材料與試劑

酒精酵母：安琪釀酒高活性干酵母 江蘇銳陽生物科技有限公司。

玉米粉 市售，玉米碴粉碎后過40 目篩，含水量16.84%。

α-淀粉酶（酶活力3 700 U/g）、糖化酶（酶活力100 000 U/g） 南京林諾工貿(mào)有限公司；NaCl 天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；丙酮 天津博迪化工股份有限公司；葡萄糖、CaCl2、(Nh4)2SO4、三氯乙酸（trichloroacetic acid，TCA）均為分析純?cè)噭?/p>

1.2 儀器與設(shè)備

Optima 7000DV等離子體發(fā)射光譜儀 美國鉑金埃爾默有限責(zé)任公司；BX53奧林巴斯生物顯微鏡 日本奧林巴斯株式會(huì)社；Fw 100高速萬能粉碎機(jī) 天津市泰斯特儀器有限公司；Jy92-IIDN超聲破碎儀 寧波新芝生物科技股份有限公司；EC-214電導(dǎo)率儀 北京哈納科儀科技有限公司；3 L不銹鋼發(fā)酵罐 瑞士比歐生物工程公司（上海）；PhS-3C酸度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 酒精發(fā)酵生產(chǎn)工藝

配料：取適量玉米粉，料液比為1∶3.5（m/V）。

液化：淀粉酶用量為56 U/g，CaCl2添加量為3.0 g/L，60 ℃條件下持續(xù)液化30 min，100 ℃條件下持續(xù)液化90 min，ph 6.0。

糖化：糖化酶用量為334 U/g， 60 ℃條件下糖化時(shí)間0.5 h，ph 4.0。

發(fā)酵：酵母接種量為3%，(Nh4)2SO4用量為1 g/L，發(fā)酵時(shí)間90 h，0～12 h發(fā)酵溫度為30～32 ℃，12～72 h發(fā)酵溫度為32～34 ℃，72～90 h發(fā)酵溫度為30～32 ℃，采用3 L不銹鋼發(fā)酵罐發(fā)酵，每次取樣前攪拌。

1.3.2 酒精發(fā)酵過程中電導(dǎo)率與還原糖質(zhì)量濃度和乙醇體積分?jǐn)?shù)的測定

從制備好的糖化醪接種酵母開始，每4 h測量發(fā)酵液的電導(dǎo)率、還原糖質(zhì)量濃度和乙醇體積分?jǐn)?shù)，并繪制發(fā)酵過程中3 個(gè)參數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。

還原糖質(zhì)量濃度的測定采用3,5-二硝基水楊酸法[10]；電導(dǎo)率的測定采用在線測量，每次測量前攪拌發(fā)酵液；乙醇體積分?jǐn)?shù)測定采用蒸餾法[11]。

1.3.3 酒精發(fā)酵過程中相關(guān)因素對(duì)電導(dǎo)率的影響

1.3.3.1 幾種主要離子質(zhì)量濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響

考慮到電導(dǎo)率的下降可能與發(fā)酵液中離子質(zhì)量濃度的變化有關(guān)，測定了酒精發(fā)酵前期（12、24、36、48 h）發(fā)酵液中K+、Na+、Ca2+、Mg2+4 種主要陽離子的質(zhì)量濃度。4 種陽離子質(zhì)量濃度的測定采用等離子體發(fā)射光譜法，等離子氣體流量15 L/min，輔助氣體流量0.2 L/min，霧化器氣體流量0.8 L/min，射頻功率1 300 w，蠕動(dòng)泵流量1.5 mL/min[12]。

1.3.3.2 ph值對(duì)電導(dǎo)率的影響

從發(fā)酵0 h開始，每4 h測量發(fā)酵液的電導(dǎo)率和ph值，觀察兩者的變化關(guān)系。同時(shí)，為了考察h+質(zhì)量濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響，利用不同ph值的鹽酸溶液模擬酒精發(fā)酵過程中不同階段的ph值，考察不同ph值對(duì)電導(dǎo)率的影響。ph值利用酸度計(jì)進(jìn)行測定。

1.3.3.3 還原糖質(zhì)量濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響

在具有電導(dǎo)的溶液中分別加入不同質(zhì)量的葡萄糖，模擬酒精發(fā)酵過程不同階段還原糖質(zhì)量濃度，研究酒精發(fā)酵過程中還原糖質(zhì)量濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響。由于葡萄糖是非電解質(zhì)，本身并沒有導(dǎo)電性，以質(zhì)量濃度0.1 g/L NaCl溶液（電導(dǎo)率為2.45 mS/cm）替代發(fā)酵液的導(dǎo)電性能。取NaCl溶液，分別添加葡萄糖，制成還原糖終質(zhì)量濃度為10、8、6、4、2 g/L的溶液，25 ℃條件下測定5 種不同溶液的電導(dǎo)率。

1.3.3.4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)電導(dǎo)率的影響

在具有電導(dǎo)的溶液中分別加入不同體積的乙醇，模擬酒精發(fā)酵過程不同階段的乙醇體積分?jǐn)?shù)，研究乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)電導(dǎo)率的影響。由于酒精是非電解質(zhì)，本身并沒有導(dǎo)電性，同樣以質(zhì)量濃度0.1 g/L NaCl溶液替代發(fā)酵液的導(dǎo)電性能。取質(zhì)量濃度0.1 g/L的NaCl溶液，分別添加一定比例的無水酒精，制成乙醇體積分?jǐn)?shù)為1%、3%、5%、7%、9%、11%的溶液，25 ℃條件下測定6 種溶液的電導(dǎo)率。

1.3.3.5 酵母細(xì)胞濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響

為了考察酒精發(fā)酵過程中酵母細(xì)胞濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響，取對(duì)數(shù)生長期的釀酒酵母（8.2×106CFU/mL），用無菌生理鹽水溶液分別稀釋0、2、4、6、8 倍，然后測定5 種稀釋液中細(xì)胞的OD600nm值和電導(dǎo)率，OD600nm值測定采用濁度法[13]。

1.3.4 麥角甾醇含量和丙二醛濃度的測定

麥角甾醇是真菌細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的重要組成成分，具有調(diào)節(jié)真菌細(xì)胞膜流動(dòng)性的功能，在細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性、細(xì)胞活力以及物質(zhì)運(yùn)輸?shù)确矫嫫鹬匾饔?。一旦麥角甾醇缺乏，必將引起真菌?xì)胞膜功能異常，甚至發(fā)生細(xì)胞破裂。脂質(zhì)過氧化反應(yīng)也是機(jī)體內(nèi)重要的反應(yīng)過程，一旦機(jī)體內(nèi)活性氧平衡被打破，就會(huì)發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，形成脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物，如丙二醛（malondialcehyde，MDA）等，使細(xì)胞膜的流動(dòng)性和通透性發(fā)生改變，最終導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的改變。本實(shí)驗(yàn)選取了56、58、60、62、64 h作為實(shí)驗(yàn)時(shí)間點(diǎn)，測定了發(fā)酵液酵母細(xì)胞內(nèi)麥角甾醇含量[14]和MDA濃度[15]，并利用顯微鏡觀察細(xì)胞的形態(tài)變化。

1.3.5 細(xì)胞死亡數(shù)量對(duì)發(fā)酵液電導(dǎo)率的影響

為了測定細(xì)胞死亡數(shù)量對(duì)發(fā)酵液電導(dǎo)率的影響，采用TCA方法對(duì)酵母細(xì)胞溶液進(jìn)行破碎，并測定破碎液的電導(dǎo)率，同時(shí)以不破碎的細(xì)胞溶液作對(duì)照，比較兩種細(xì)胞溶液的電導(dǎo)率。TCA方法如下：取50 mL細(xì)胞懸液，加入5.56 mL 100%丙酮，冰浴30 min[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用軟件SPSS 11.5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，差異顯著性分析采用t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵過程中電導(dǎo)率與還原糖質(zhì)量濃度和乙醇體積分?jǐn)?shù)的變化曲線

圖1 發(fā)酵過程中電導(dǎo)率與乙醇體積分?jǐn)?shù)和還原糖質(zhì)量濃度的變化關(guān)系Fig.1 Change in electrical conductivity as a function of alcohol and reducing sugar concentration during fermentation process

由圖1可知，隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行，乙醇體積分?jǐn)?shù)逐漸上升，還原糖質(zhì)量濃度逐漸下降，電導(dǎo)率首先呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在發(fā)酵60 h附近，電導(dǎo)率停止下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)為反彈上升。在電導(dǎo)率的最低點(diǎn)，乙醇體積分?jǐn)?shù)上升到11.5%，還原糖質(zhì)量濃度下降到1.433 mg/mL。

2.2 酒精發(fā)酵前期電導(dǎo)率下降原因分析

2.2.1 發(fā)酵液中K+、Na+、Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響

在液體中常以電導(dǎo)率來衡量溶液的導(dǎo)電性能。溶液中陽離子質(zhì)量濃度越高，導(dǎo)電性能越強(qiáng)，則電導(dǎo)率越大[17]。由表1可知，在12～60 h，發(fā)酵液中電導(dǎo)率逐漸下降，而幾種主要陽離子質(zhì)量濃度是逐漸上升的，發(fā)酵60 h和12 h相比較，K+質(zhì)量濃度上升65.19%，Na+質(zhì)量濃度上升62.72%，Ca2+質(zhì)量濃度上升331.3%，Mg2+質(zhì)量濃度上升107.78%，由此說明，電導(dǎo)率的變化不是這幾種陽離子質(zhì)量濃度變化所引起的；在60～62 h，發(fā)酵液中電導(dǎo)率是上升的，而這時(shí)溶液中幾種陽離子質(zhì)量濃度也是上升的，K+質(zhì)量濃度上升7.05%，Na+質(zhì)量濃度上升19.27%，Ca2+質(zhì)量濃度上升20.87%，Mg2+質(zhì)量濃度上升12.70%。由此又說明，電導(dǎo)率的變化可能與這幾種陽離子質(zhì)量濃度的變化有關(guān)。

表1 不同時(shí)間發(fā)酵液中4 種陽離子質(zhì)量濃度Table 1 Concentrations of four ions in fermented liquid at different fermentation times mg/L

2.2.2 ph值對(duì)電導(dǎo)率的影響

酒精發(fā)酵過程是溶液中的葡萄糖逐漸被利用分解，產(chǎn)生乙醇和其他酸性物質(zhì)，導(dǎo)致h+質(zhì)量濃度增加[18]。每4 h測量發(fā)酵液的電導(dǎo)率和ph值，得到ph值與電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果見圖2。從0～60 h，酒精發(fā)酵過程中，電導(dǎo)率和ph值均呈下降趨勢(shì)，電導(dǎo)率從5.11 mS/cm下降到3.42 mS/cm，下降1.69 mS/cm（33.07%）。ph值從3.61下降到1.24，下降2.37（65.65%）。經(jīng)過60 h（電導(dǎo)率拐點(diǎn)）后，在60～64 h期間，h+質(zhì)量濃度持續(xù)增加，ph值仍呈下降趨勢(shì)，ph值下降10.22%，電導(dǎo)率停止下降轉(zhuǎn)呈上升趨勢(shì)，上升5.08%。在64～68 h期間，ph值減緩下降趨勢(shì)，4 h內(nèi)下降0.81%，電導(dǎo)率同時(shí)也減緩上升趨勢(shì)，上升1.39%。由此說明，電導(dǎo)率下降速率受ph值下降速率的影響較大，這兩者之間應(yīng)該存在著一定的線性關(guān)系。由圖3可知，ph值從4.48下降至1.84，電導(dǎo)率是從5.43 mS/cm逐漸上升到8.26 mS/cm，而實(shí)際發(fā)酵過程中，隨著ph值下降，發(fā)酵液的電導(dǎo)率也是逐漸下降的，由此可知，ph值的降低會(huì)導(dǎo)致溶液電導(dǎo)率的上升，圖2中60～68 h期間電導(dǎo)率的上升應(yīng)該就是ph值下降引起的，68 h之后兩者均基本不變，綜上分析，ph值不是影響電導(dǎo)率下降的主要因素。

圖2 發(fā)酵過程中pH值與電導(dǎo)率變化關(guān)系Fig.2 Changes in pH and electrical conductivity during fermentation process

圖3 不同pH值對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig.3 Relationship between electrical conductivity and pH

2.2.3 還原糖質(zhì)量濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響

圖4 不同還原糖質(zhì)量濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig.4 Relationship between electrical conductivity and reducing sugar concentration

由圖4可知，隨著還原糖質(zhì)量濃度從10 g/L降到2 g/L，電導(dǎo)率從1.96 mS/cm上升到2.35 mS/cm，說明還原糖質(zhì)量濃度的降低會(huì)導(dǎo)致溶液電導(dǎo)率的上升（這可能與葡萄糖屬于非電解質(zhì)有關(guān)）[19]，而實(shí)際發(fā)酵過程中，隨著還原糖質(zhì)量濃度的降低，電導(dǎo)率是下降的。由此可知，還原糖質(zhì)量濃度不是導(dǎo)致電導(dǎo)率下降的主要因素。

2.2.4 酵母細(xì)胞濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響

圖5 不同酵母細(xì)胞濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig.5 Relationship between electrical conductivity and cell concentration

由圖5可知，隨著酵母細(xì)胞濃度（OD600nm值）的增加，電導(dǎo)率從0.06 mS/cm上升到0.36 mS/cm，上升0.30 mS/cm；隨著酒精發(fā)酵過程的進(jìn)行，發(fā)酵液的酵母細(xì)胞濃度逐漸增加，發(fā)酵液的電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)，而實(shí)際酒精發(fā)酵過程0～60 h期間電導(dǎo)率是下降的。由此可知，酵母細(xì)胞濃度也不是導(dǎo)致電導(dǎo)率下降的主要因素，這與Meng等[20]的結(jié)論一致。

2.2.5 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)電導(dǎo)率的影響

圖6 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig.6 Relationship between electrical conductivity and alcohol concentration

由圖6可知，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)從1%增加到11%，電導(dǎo)率從2.45 mS/cm下降到1.34 mS/cm，下降1.11 mS/cm（45.3%），下降變化趨勢(shì)比較明顯，這與酒精發(fā)酵過程中電導(dǎo)率的下降趨勢(shì)是基本一致的。酒精溶液屬于非電解質(zhì)[21]，隨著溶液中乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，溶液的導(dǎo)電性能越差，這也正好解釋了酒精發(fā)酵過程中隨著乙醇的生成，電導(dǎo)率逐漸降低的原因。

2.3 酒精發(fā)酵后期電導(dǎo)率止降回升的原因分析

2.3.1 電導(dǎo)率拐點(diǎn)前后酵母細(xì)胞的形態(tài)變化

為了探究電導(dǎo)率拐點(diǎn)（發(fā)酵60 h）附近細(xì)胞形態(tài)變化對(duì)電導(dǎo)率的影響，本實(shí)驗(yàn)觀察了電導(dǎo)率拐點(diǎn)前后細(xì)胞形態(tài)的變化。由圖7可知，發(fā)酵56～68 h期間，細(xì)胞形態(tài)從外觀上并沒有出現(xiàn)明顯的變化，酵母細(xì)胞的死亡率呈線性變化，從16.78%有規(guī)律地增加到36.96%（透明的酵母細(xì)胞為活細(xì)胞，染色的酵母細(xì)胞為死細(xì)胞）。

圖7 不同發(fā)酵時(shí)間發(fā)酵液中的酵母細(xì)胞形態(tài)Fig.7 Cell morphology at during fermentation times

2.3.2 電導(dǎo)率拐點(diǎn)前后酵母細(xì)胞中麥角甾醇含量和MDA濃度的變化

圖8 不同發(fā)酵時(shí)間酵母細(xì)胞中麥角甾醇含量（a）和MDA濃度（b）Fig.8 Ergosterol content (a) and MDA content (b) in yeast cells at different fermentation times

由圖8a可知，發(fā)酵液酵母細(xì)胞中麥角甾醇含量從0.044 6 mg/g降到0.012 4 mg/g，下降了72.2%，并且呈線性下降趨勢(shì)（R2＝0.996 8），說明細(xì)胞膜完整性和通透性的改變是一個(gè)緩慢的線性變化過程[22]。通過測定56～64 h發(fā)酵液酵母細(xì)胞中MDA濃度的變化，可以反映出細(xì)胞脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的程度，即細(xì)胞膜通透性能的大小。由圖8b可以看出，從56～64 h酵母細(xì)胞中MDA濃度從0.026 μmol/L上升到0.119 μmol/L，上升了357.7%，并且呈線性上升趨勢(shì)（R2＝0.951 6），說明細(xì)胞過氧化反應(yīng)的發(fā)生是循序漸進(jìn)地進(jìn)行。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)通過研究酒精發(fā)酵過程中陽離子質(zhì)量濃度、還原糖質(zhì)量濃度、ph值、乙醇體積分?jǐn)?shù)和酵母細(xì)胞濃度等宏觀變量對(duì)電導(dǎo)率變化的影響，得到了如下結(jié)論：通過單因素試驗(yàn)證明，乙醇體積分?jǐn)?shù)是電導(dǎo)率變化的決定性因素。隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，溶液的電導(dǎo)率下降，這與酒精發(fā)酵過程中乙醇體積分?jǐn)?shù)與電導(dǎo)率的變化關(guān)系是一致的，這應(yīng)該與乙醇屬于非電解質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。

細(xì)胞的形態(tài)變化和細(xì)胞的氧化過程是循序漸進(jìn)地進(jìn)行的[23]，細(xì)胞形態(tài)在發(fā)酵60 h附近沒有出現(xiàn)突變現(xiàn)象，從而排除了細(xì)胞水平對(duì)電導(dǎo)率突變的干擾。由于乙醇體積分?jǐn)?shù)是影響酒精發(fā)酵過程電導(dǎo)率的主要因素。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)停止增加后，溶液中幾種重要陽離子質(zhì)量濃度和h+質(zhì)量濃度均保持上升趨勢(shì)，這些陽離子質(zhì)量濃度的增加是導(dǎo)致電導(dǎo)率上升的主要原因，特別是h+質(zhì)量濃度，它的變化速率與電導(dǎo)率的變化速率基本一致。

目前，盡管市場上已經(jīng)存在乙醇體積分?jǐn)?shù)測量儀，這些測量裝置運(yùn)用了離線檢測技術(shù)[24]，或者運(yùn)用了價(jià)格昂貴的膜技術(shù)或質(zhì)譜技術(shù)[25]。而利用電導(dǎo)率儀在線測量電導(dǎo)率，不僅可以及時(shí)反映發(fā)酵過程乙醇體積分?jǐn)?shù)的變化和酒精發(fā)酵終點(diǎn)的判斷，而且該方法操作簡單，儀器設(shè)備價(jià)格便宜，至于電導(dǎo)率的精確度問題還有待于通過建立數(shù)學(xué)模型或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)一步校正。

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Change in Electrical Conductivity during Alcoholic Fermentation of Saccharified Corn Starch

LI Chongwei1,2, SONG Fuqiang2,*, SONG Yong1,2, SHEN Zhiwei1
(1. College of Life Sciences, Heilongjiang University, Harbin 150080, China; 2. Engineering Research Center of Agricultural Microbiology Technology, Ministry of Education, Heilongjiang University, Harbin 150080, China)

The change of electrical conductivity, an initial increase followed by a decrease, during alcoholic fermentation of saccharified corn starch was observed in our previous work. This study further examined the effects of 4 main ions, reducing sugar, alcohol, cell concentration and pH on the variability of this parameter during the fermentation process. The results showed that all the above factors affected the change of electrical conductivity with alcohol concentration being the most important determinant. The decline of electrical conductivity was mainly due to the continuous increase of alcohol concentration in the fermented liquid. When alcohol concentration reached a plateau, electrical conductivity tended to increase as a result of a reduction in pH. Therefore, alcohol concentration had a direct impact on the change of electrical conductivity during the fermentation process. It is feasible to directly reflect the change of alcohol concentration by the change of electrical conductivity through the established mathematical model. The results could be applied for on-line monitoring alcoholic fermentation process and determining the end point of fermentation.

alcoholic fermentation; electrical conductivity; alcohol concentration; reduced sugar concentration

Q819

A

1002-6630（2015）21-0105-06

10.7506/spkx1002-6630-201521021

2015-05-05

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（31201412）；黑龍江省博士后資助項(xiàng)目（LBH-Z14206）；

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)基金項(xiàng)目（RC2012QN002095）

李沖偉（1977—），男，副教授，博士，主要從事酒精發(fā)酵過程的代謝控制及代謝產(chǎn)物研究。E-mail：chongweili@126.com

*通信作者：宋福強(qiáng)（1964—），男，教授，博士，主要從事菌根及生物廢棄物開發(fā)利用研究。E-mail：sfq1968@126.com