乙醇生物传感器及其在线检测技术的应用

经验交流中国酿造2009年第8期总第209期:115乙醇生物传感器及其在线检测技术的应用黄从军,许超群,洪厚胜,张庆文(南京工业大学材料化学工程国家重点实验室,江苏南京210009)要:乙醇生产过程中乙醇浓度的在线检测对乙醇的质量与安全控制具有重大的意义。本文对乙醇生物传感器、乙醇在线检测技术及其在发酵工业检测中的应用进行了研究分析与展望关键词:乙醇;生物传感器;乙醇检测;在线检测技术中图分类号:TQ515.8文献标识码:B文章编号:0254-5071(2009)08-0115-03Ethanol biosensor and its application of online detection techniqueHUANG Congjun, XU Chaoqun, HONG Housheng, ZHANG QingwenAbstract: It was of great significance to solve the online detection of ethanol concentration in the production process for controlling the quality andsafety. This review focused on the introduction and the prospect of ethanol biosensors, the ethanol online measuring technique and its application inethanol fermentation industrial detection.Key words: ethanol; biosensor; ethanol detection; online detection technique乙醇是基础的工业原料,主要用于食品、化工、军工、 neum)与氧电极偶合制成乙醇传感器,一个月后其活性医药等领域。燃料乙醇为“十五”示范工程重大项目,我下降25%。李永生等基于ADH和烟酰胺腺嘌呤二核苷国将大力发展燃料乙醇。乙醇含量的测定也是乙醇饮料酸(NADH)氧化还原体系开发了一种乙醇毛细生物传感器与相关发酵产品质量控制的关键之一。传统的检测乙醇(ECB)。其线性范围为20gL~15gL,检出限为L.11g的方法(如比重瓶法、氧化法、气相色谱法、折光法、近红L。ECB重现性好、操作简便样品用量少,测定成本低;可外光谱法、分光光度分析法()、热值分析法、催化动力实现乙醇的微量化、快速化测定。 AKYILMAZ E等开发学光度法、模块化的拉曼光谱、高性能高效液相色谱出一个基于过氧化氢酶的生物传感器用于测定啤酒中的乙法、分光酶法、沸点下降法以及毛细管电泳等),需要较醇;吡咯喹啉醌脱氢酶°已用于葡萄酒的测定好的操作技能或昂贵的仪器设备。传统乙醇离线检测任1.2微生物电极法务重、费时、易污染、滞后且不易实现自动化控制微生物电极法是近年来发展起来的新检测技术,测定乙醇浓度是发酵过程中重要的过程参数直接影响着醇类的微生物电极已有报道。王晓辉等用乙醇微生物发酵过程的控制优化及发酵产物的质量、产量。为了对电极建立了一种测定啤酒中乙醇含量的新方法。由土壤发酵过程进行有效地优化控制,迫切需要对乙醇浓度参数中分离筛选出一株同化乙醇性能良好的好氧菌经处理得进行在线实时检测。新型生物传感器的研制也成了乙醇到湿菌体。用PVA溶液、纤维素等材料将其包埋,制成固在线检测的关键技术之一。因此,研究微生物发酵过程中定化微生物膜。将膜切成适合电极装配的形状,覆盖在氧乙醇浓度在线检测技术,研制智能化、测量精度高、操作简电极的塑料膜上,制成乙醇微生物电极。乙醇微生物电极便的乙醇浓度在线检测仪具有实行质量跟踪、提高产品质用其测定啤酒酒精度,简单、快速、准确、价廉并可现场跟量、降低生产成本及减轻劳动强度等实际应用价值。踪监测,是一种有价值的方法。如何解决其选择性差,寿1乙醇生物传感器技术命短的问题有待于进一步研究。1.1微生物酶1.3生物与高分子材料结合法常见的制备乙醇生物传感器所用生物活性材料有乙乙醇生物传感器利用生物与材料相结合的制造方法,醇脱氢酶、乙醇氧化酶和微生物细胞。但乙醇脱氡酶要求具有检测直观速度快、灵敏度高的特点。管玉国等采介体烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD')存在,导致电极制备用 PECVD方法,分别淀积了SnO2-Fe2O3SnO2-TO2-难度大和分析费用高;微生物细胞传感器响应时间较长、Fe203吡艹料,制成了旁热式传感稳定性不好。如早期研制的丝孢酵母菌( Trichosporon Cut-器。的元件对乙醇有很高的CNMHG收稿日期:2008-04-09基金项目国家重点基础研究计划937计划(2007cB714305)作者简介:黄从军(1982),男,江苏盐城人,硕土研究生,主要从事酒精发酵设备的研究工作。2009No.8116· Serial No.209China BrewingExperience Exchanges灵敏度与选择性。李莎等回以明胶包埋法作为乙醇氧化生物传感器是利用微生物、酶等活性物质将待测物转酶(AOX)的酶固定化方法,选择加入增效最明显的多壁化为能被已有的成熟传感器所感知的物质再进行检测。纳米碳管( MWCNTs)提高灵敏度。制备出一种高灵敏度般是由固定化酶或细胞和电化学或物理传感器组成的抗干扰性电流型乙醇生物传感器。该传感器灵敏度高、稳种能测定溶液中某种或某一类化学物质的传感器装置。定性好、抗干扰能力强,为新材料引入为制备高性能乙醇生物乙醇传感器具有简便快速、精确等优点对发酵过程生物传感器提供思路与方法,对乙醇生物传感器的研究、中乙醇浓度参数可进行在线实时检测进行有效的优化控开发及利用具有一定的参考价值。制,是乙醇在线检测的重要研究方向之2乙醇在线检测技术2.2乙醇生物传感器在线检测系统乙醇易挥发、燃烧,在酒精发酵生产中,对其含量实施乙醇在线控制系统不仅可以帮助实现发酵温度的控快速检测,是实现安全监测和生产过程优化控制的必要制,并且可以通过在控制面板预先设定乙醇含量来完成发前提。酵过程进料与出料的自动控制。虚拟检测仪器技术与系2.1乙醇在线检测技术原理与研究统辨识相结合,以微控制器为核心的嵌入式系统完成信号利用光学原理的乙醇浓度检测技术包括光纤传感器采集、数据分析与处理,建立乙醇浓度的在线测量模型及和液芯光波导传感器等。光纤浓度传感器是根据被测溶相应算法,对研制乙醇浓度在线检测仪有重要的指导意液折射率取决于其浓度和温度的原理进行测量的。液芯义。胡长鹏等建立了基于气液相平衡原理的液相乙醇光波导传感器也是利用乙醇浓度与折射率的关系进行测浓度的软测量计算模型。研制出一种P模式液相乙醇浓量。朱艳英将多圈光纤芯放入溶液中,根据溶液中的度在线检测系统,主要包括嵌入式系统的硬件结构和整个折射率与反射光的关系,测出了溶液(如白酒)酒精度。系统的软件构成。该系统具有测量准确度高、通用性好、其结构简单、可在线测量、稳定性能较好、不受溶液波动的响应速度快、性能稳定等特点影响但缺点是测量精度不高,光芯受力易折断。3乙醇生物传感器在线检测技术在工业中的应用目前,基于声学原理研制的超声波乙醇浓度在线检测乙醇传感器已用于食品工业发酵工业、燃料乙醇、环仪的测量精度为±0.2%。利用超声波在溶液中的传播速境检测海洋监测、交通安全、药物检验、生物医学工程等度与浓度的相互关系,通过检测超声传播时间及温度,然许多领域中。乙醇生物传感器作为乙醇传感器的重要组后借助于计算机运算去推算浓度。选择合适的材料与电成与发展方向,目前已应用于在线或非在线的乙醇检测。极可以有效地降低温度对超声波信号的影响,提高检测的在工业化生产乙醇中要实现自动化过程控制应借助于传灵敏度。这种超声波乙醇传感器有效检测浓度范围较窄,感器进行在线连续检测但其寿命长,无需定期更换部件,具有非接触、实时、快速、3.1酿酒工业精确、易于控制等优点。目前,在酿造酒精饮料中需要测定乙醇含量的有蒸馏离线检测技术因其固有的缺陷使其不能满足生产过酒、啤酒葡萄酒配制酒果酒米酒等。我国是生产饮用程自动化方面的要求;基于光学、声学原理的检测技术都酒的大国,在粮食短缺的今天,实现酿酒工业的过程乙醇不能很好地排除其他溶质浓度变化引起的干扰,事实上其检测与控制对于提高原料利用率、降低生产成本、提高酒他溶质的浓度变化可能比乙醇浓度的变化更为剧烈,从而质具有很高的应用价值。如全自动啤酒分析仪( SCABA)严重干扰测量在啤酒工业已经得到了广泛的应用,其精度较高,可在半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要3min内准确地分析样品中的重要参数指标。是金属氧化物)表面接触时产生的电导率等物性变化来3.2燃料乙醇检测气体的。其优点是响应速度快、重复性好且不会影响能源短缺是21世纪面临的重大问题之一。我国是个发酵过程。用于酵母流加发酵生产中乙醇浓度在线检测石油短缺国家燃料乙醇是一种潜力巨大的可再生性生物的测量仪就是依据气液相平衡原理进行测量但是由于没能源加入一定比例的乙醇作燃料,具有节约石油、净化空有采取滤除干扰气体的措施在发酵过程中产生的其他气气、转化剩余生物资源等一举多得之效。目前许多生物化体成分可能给检测带来较大的误差。半导体气敏传感器工生中国煤化工隳运用计算机将乙醇另一个缺陷是普遍对温湿度敏感。虽然开发新材料优化生物CNMHG时保存及反馈,实现乙制作工艺等可以克服这一缺陷,但直到现在环境温湿度仍醇浓度的在线检测与控制,及时调整生产流程使生产达到是制约半导体气敏传感器测量精度的重要因素,因此在温最佳状态,对提高燃料乙醇质量、实行质量跟踪、降低生湿度变化大的应用场合应该考虑采取补偿措施。成本等有重要意义。经验交流中国酿造209年第8期总第209期1173.3酿醋工业生物传感器均不能经受高温灭菌使用寿命短且微生物电种无试剂型媒体电极专利产品,利用乙醇脱氢酶电极有易导致染菌而污染发酵过程。生物传感器技术的不极和酵母乙醇电极的乙醇生物传感器目前已经研制成功,断进步,必然要求不断降低产品成本提高灵敏度、稳定性在酿造行业及有关科研中得到应用。本实验室自主开发的和寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器市场化,商高效自吸式发酵罐是一种专利新产品,其中AAF系列自吸品化的进程,具有广阔的应用前景。式发酵罐以酒精发酵液为培养基进行醋酸分批发酵。其用4.4乙醇在线检测技术的自动化、智能化、微型化、集成乙醇生物传感器构成醋酸发酵在线检测控制系统,采用触化、实用化摸屏计算机作为控制上位机智能仪表为下位机,实现发酵未来的生物传感器必定与计算机紧密结合,自动进行过程中酒精浓度实时在线检测与控制。定时对发酵醪中乙数据采集与处理,更科学、准确地提供结果,实现采样、进醇残量的测定,以确定醋酸发酵最佳的结束期抑制醋酸菌样、结果三位一体,形成检测的自动化系统。生物芯片是过度氧化防止产品丢失。适用于液态醋、酵母、聚羟基丁生物传感器的延伸与发展,能够进行高通量的生物学信息酸(PHB)等产品的科研与生产。目前已经用于科研机构及转换和获取,实现检测系统的集成化、一体化。同时乙醇企业的微生物研究室、中试车间和工业生产线。在线检测系统向着体积微型化发展,越来越具有可操作性3.4食品工业和实用性。乙醇在线系统的自动化智能化对乙醇的质量在与乙醇相关的食品安全检测中直接使用乙醇生物传控制、节约工作量提高工作效率有重要的意义。感器简便快捷结果准确,并且适用于现场在线检测。天津乙醇生物传感器已经广泛地应用到乙醇工业,并取得商业大学利用核微孔酶膜制造乙醇生物传感器已经获得了较好的效果但仍需进一步研究。优良的乙醇生物传感了专利,该技术既可以快速检测乙醇又可以用于乙醇类产品器应该有敏感性准确性、操作简单使用寿命长、价格便的发酵控制、质量控制等,无需很大的设备和厂房投资。宜、容易进行批量生产、有利于自动化监测与控制等。可4研究方向及其展望以预见,乙醇生物传感器及乙醇在线检测技术将在现代乙4.I乙醇检测新技术醇检测与分析中发挥越来越大的作生物酶的固定化技术、物理吸附法、化学聚合、交联参考文献法、流动注射分析法等都在乙醇检测中得到了创新与应[1]陆道礼,林松陈斌.近红外光谱法快速测定啤酒中乙醇的含用。如固定化酶荧光毛细管分析法(EBCR),优于液囔[门]酿酒科技,2005,130(4):8789体酶的方法,可以反复使用节省大量昂贵的酶,已经用于(2] PILONE G J. Determination of Ethanol in Wine by titrimetric and Spec-白酒中乙醇的测定。photometric Dichromate methods- collaborative study [J].J Assoc4.2新型乙醉传感器的研制Ou Anal Cbem,1985,68(2):188-190.新型乙醇传感器技术有多种方法涉及到物理、化学、[3]粟智车云霞高学平等,用热值分析法测定饮用酒的酒精[电化学、材料光学、计算机以及生物等学科。乙醇荧光光中国酸造,2006(9):68-70.感器微器件与集成光学纤维微电导传感器、石墨环氧树/y{1.安徽师范大学学报.2002(2)~定啤酒中的乙原纤传感器、光导型光纤传感器()、镍铂合金电流乙醇传41朱吕青,周宏标,李水新等,儷化动力学光度法测定啤酒中的乙摩脂复合电极均可用于乙醇的测定。压电生物传感器2[5] MENDES LS, OLIVEIRA FC C. Determination of ethanol in fuel ethanoland beverages by Fourer transform(FT)-near infrared and FT-Raman( Piezoelectric Biosensor)是一种将高灵敏的压电传感器与spectrometries[J]. Anal Chim Acta, 2003, 493(2): 219-231.特异的生物反应结合在一起的新型生物分析方法。已成[6] VIDIGAL SMP,Tomv. RANGEL AO SS Sequential injectio为当前生物传感器领域中的一个研究热点,对乙醇生物传LoV format for peak height and kinetic measurement modes in the spec-感器的研制提供一种新的思路与方法。随着生物传感器trophotometric enzymatic determination of ethanol: Application to differ-技术的发展,乙醇生物传感器的优势会得到更好的体现,ent alcoholic beverages [J]. Talanta, 2008, 77(2): 494-499相应更高效的乙醇检测仪器也会随之出现[7]李永生,高秀峰齐娇娜,等.乙醇荧光毛细生物传感器的研究[J]4.3乙醇生物传感器准确、快速、可靠、价格低、性能高酿酒科技,200,145(7):34-36生物传感器的研究工作将主要围绕选择活性强、选择中国煤化工减" 105cples [J]. Talanta, 2003, 61性高的生物传感元件;提高信号检测器与转换器的使用寿CNMHG命;生物响应的稳定性和生物传感器的微型化、便携式等(9 NICULESCU M, MIELIAUSKIENE R, LAURINAVICIUS. Simult问题。生物传感器专一、快速、准确,具有特异的生物分子detection of ethanol, glucose and glycerol in wines using pyrroloquinoline识别功能和均匀快速的物理化学方法相结合的特点。但quinone-dependent dehydrogenases based biosensors [J]. Food Chem2009No.8118. Serial No 209China Brewing柠檬酸发酵液脱色工艺的研究高年发,韩德新,刘欠欠(天津科技大学生物工程学院,天津300457)摘要:介绍了粉末活性炭、颗粒活性炭001x7阳离子交换树脂、颗粒活性炭001x7阳离子交换树脂对柠檬酸发酵液的脱色效果以及损耗程度,确定了适合柠檬酸发酵液的脱色剂及脱色工艺。该工艺的研究不仅降低了柠檬酸的生产成本而且对整个有机酸以及氨基酸行业的脱色工序都有重要的实际意义。关镳词:柠檬酸;脱色;活性炭;颗粒活性炭;001×7阳离子交换树脂;损耗中图分类号:TQ28.3文献标识码B文章编号:0254-5071(2009)08-00118-03Decolorization technology of citric acid fermentation brothGAO Nianfa, HAN Dexin, LIU00457, ChinaAbstract: The effects of powdered activated carbon, granular activated carbon, 001 x7 cation exchange resin and granular activated carbon-001 x7 cation exchange resin on the decolorization of citric acid fermentation broth and the loss of citric acid were discussed. The optimal decoloring agentand decolorizing technology for citric acid fermentation broth were determined. The research on decolorizing technology of citric acid fermentationbroth would not only decrease the production cost of citric acid, but also have considerably practical significance on the decolorizing treatment in organic acid and amino acid industrieKey words: citric acid; decolorization; activated carbon; granular activated carbon; 001 x7 cation柠檬酸发酵液是一种非常复杂的多元混合体系,色素也是柠檬酸行业目前还是用炭粉的原因之一。树脂吸附是其中的一类。发酵液中的色素来源主要有3种:原料本+活性炭颗粒克服了粉末炭和颗粒炭的缺陷,是目前最流身带有;由发酵过程中菌体代谢产生;由发酵液中某些成行、最有前景的脱色工艺。本实验对上述3种脱色剂进行分相互反应产生。色素的存在不仅影响产品的外观,而且比较,确立了适合柠檬酸发酵液脱色的最好的脱色工艺关系到产品是否符合标准所以脱色是从发酵液中提取柠1材料与方法檬酸的必要步骤。粉末活性炭生产需要消耗大量资源,而1.1实验材料、试剂与仪器且是一次性的,不能重复使用。颗粒活性炭可以重复再生粉末活性炭、颗粒活性炭:由北京市光华木材厂提供;使用,对环境无污染,大大降低了使用成本。据南京林科001×7树脂:山东鲁抗立科药物化学有限公司提供;柠檬所发表的资料介绍颗粒活性炭对小分子量色素的吸附较酸发酵液:由山东某柠檬酸厂提供;752型紫外可见分光好,对大分子和有机物的吸附性能力较差。柠檬酸发酵液光度计:天津市华伟科技发展有限公司;B00-100M型中(包括色素)分子量分布较广,所以纯粹采用颗粒活性蠕动泵:保定兰格恒流泵有限公司。炭来对柠檬酸发酵液脱色效果不理想,达不到高标准,这1.2实验方法收稿日期:2009-02-23作者简介高年发(1945-),男,教授主要从事发酵与酸造技术的研究工作。003,82(3):481489[15]天津商业大学,一种乙醇生物传感器核微孔酶膜的制备方法:中[10]王晓辉李新胡志鲜,等.微生物电极法测定啤酒中乙醇含量国,200810053513.3[P]2008.10.29.[冂].分析试验室,1998,17(5):8183[16]LYS, GAO X F Determination o various alcohols based on[]管玉国戴国瑞南金.多层薄膜高性能乙醇传感器[门,传感bilized enzyme fluorescence capillary analysis [J].Analytica Chimica器技术,1997,16(2):4547Acta,2007,588(1):140-146[12]李莎王艳艳赵紫霞等.基于纳米材料聚电解质制备高性能17]乙醇生物传感器[].分析化学,2008,36(2):227230中国煤化工午传感器的研究[]光谱实[3]朱艳英.酒精溶液中酒精度的在线测量[J]激光杂志.2005,CNMHG的光导型光纤传感器的研制[]四川大学学报.2006,38(1):76-79[4]胡长鹏洪晓斌刘桂雄等,基于软测量技术的液相乙醇浓度在[19]吴永强,王茜.压电生物传感器的研究进展[J.四川理工学院线检测系统]科学技术与工程2008,8(5):11831187报,2006,19(3):42