色敏傳感器技術(shù)對(duì)醋酸發(fā)酵主要揮發(fā)性有機(jī)物的檢測(cè)及其機(jī)制研究.pdf

1、食醋是人們喜愛(ài)的調(diào)味品，也是我國(guó)典型的傳統(tǒng)發(fā)酵食品。食醋醋酸發(fā)酵是制醋工藝中的重要環(huán)節(jié)，在很大程度上決定了其成品的最終風(fēng)味。食醋醋酸發(fā)酵階段所揮發(fā)的氣體為多種呈香物質(zhì)并存，在發(fā)酵初期以醇酯類(lèi)物質(zhì)為主，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，在發(fā)酵中后期逐步過(guò)渡到酸類(lèi)物質(zhì)為主。在發(fā)酵過(guò)程中所揮發(fā)氣體是反映其品質(zhì)的主要指標(biāo)，對(duì)揮發(fā)氣體的快速檢測(cè)，是實(shí)現(xiàn)食醋品質(zhì)智能化檢測(cè)的重要途徑。本研究提出采用色敏傳感器檢測(cè)食醋發(fā)酵過(guò)程揮發(fā)氣體的方法，通過(guò)研究色敏傳感器和揮發(fā)氣體

2、結(jié)合機(jī)理，制作高效敏感的傳感器檢測(cè)揮發(fā)氣體，并研制相應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng)，主要研究工作如下：
　　（1）醋酸發(fā)酵過(guò)程中揮發(fā)性氣體的分析。采用頂空固相微萃?。℉S-SMPE）結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）跟蹤檢測(cè)了不同發(fā)酵天數(shù)（醋酸發(fā)酵第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19天）的醋醅樣本中的揮發(fā)性氣體（VOC）。共檢測(cè)出醋酸發(fā)酵過(guò)程中醋醅的50種揮發(fā)性氣體成分，主要有醇類(lèi)、酸類(lèi)、酯類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)和雜環(huán)化合物等，研究表明

3、乙醇、乙酸和乙酸乙酯的含量在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中發(fā)生了顯著的變化，如乙醇含量從發(fā)酵初期的10.79逐步下降到0.15，為篩選醇酸發(fā)酵過(guò)程特征性揮發(fā)氣體提供數(shù)據(jù)支撐，為制備特異性、靈敏性的色敏傳感器提供理論依據(jù)。
　　（2）便攜式色敏傳感器系統(tǒng)的構(gòu)建及圖像信號(hào)處理。本研究研制了一套基于色敏傳感器陣列的食品香氣檢測(cè)系統(tǒng)，并編制了信號(hào)采集分析軟件，用于食醋發(fā)酵過(guò)程揮發(fā)氣體檢測(cè)分析。本研究對(duì)系統(tǒng)的硬件包括圖像獲取裝置、光源分布及反應(yīng)室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了

4、優(yōu)化；并對(duì)系統(tǒng)所采集色敏傳感器陣列的數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行處理，包括濾波方法的選取和圖像感興趣特征區(qū)域范圍的選擇，使之能夠有效提取圖像的特征值，表征醋酸發(fā)酵過(guò)程中醋醅的氣味信息。最后，對(duì)所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的便攜式色敏傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明該色敏傳感器系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的，可用于醇酸發(fā)酵過(guò)程氣味信息的有效表征。
　　（3）色敏卟啉材料與揮發(fā)氣體結(jié)合機(jī)理分析。為闡明色敏卟啉材料與揮發(fā)氣體作用的機(jī)理，以反映醋醅品質(zhì)監(jiān)測(cè)的主要揮發(fā)氣體乙醇為

5、例，分析導(dǎo)致卟啉顯色效應(yīng)的主要因素。將量子化學(xué)計(jì)算方法獲取色敏材料與乙醇反應(yīng)前后的結(jié)合能、軌道能級(jí)差、電荷分布變化、偶極矩、中心金屬離子偏離卟啉分子平面的距離變化，以及紫外-可見(jiàn)光譜反應(yīng)結(jié)合通過(guò)動(dòng)力參數(shù)計(jì)算獲取的配位數(shù)和配位反應(yīng)的平衡常數(shù)作為輸入變量，將色敏材料與乙醇反應(yīng)前后的圖像差值數(shù)據(jù)作為輸出變量，分別建立輸入變量與輸出變量之間的相關(guān)性模型。研究結(jié)果表明，當(dāng)卟啉與揮發(fā)氣體結(jié)合后將對(duì)其中心金屬進(jìn)行拉伸，導(dǎo)致金屬離子偏離其原先的平面軌道

6、，從而改變中心金屬離子偏離卟啉平面的位移，卟啉平面與金屬之間的距離越大，反應(yīng)差值越大，同時(shí)，該變化也會(huì)在卟啉分子平面的4個(gè)N原子和中心金屬原子電荷變化中體現(xiàn)出來(lái)，這些變化在光譜上則表現(xiàn)為Soret帶的位移。其次，卟啉分子與揮發(fā)氣體結(jié)合前后的偶極矩變化對(duì)反應(yīng)差值也有很大的影響，偶極矩變化越大，極性越強(qiáng)，則相應(yīng)的卟啉與乙醇的反應(yīng)差值越大。此外，卟啉分子的HOMO-LUMO及HOMO-1-LUMO+1軌道能級(jí)對(duì)反應(yīng)差值也有一定的影響，軌道能級(jí)

7、差越小，電子相對(duì)更容易發(fā)生離域，產(chǎn)生躍遷。最后，綜合反應(yīng)機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，篩選出MnTPP和ZnTPP進(jìn)行進(jìn)一步研究。
　?。?）色敏傳感器的修飾。依據(jù)自組裝的原理，分別將MnTPP及ZnTPP的二甲基乙酰胺溶液通過(guò)表面活性劑聚乙二醇600結(jié)合沉淀法在中性條件下自組裝一天，得到納米顆粒N-MnTPP和N-ZnTPP。利用紫外-可見(jiàn)光譜對(duì)其表征，結(jié)果表明N-MnTPP和N-ZnTPP的Soret帶均發(fā)生了劈裂現(xiàn)象，且N-MnTPP

8、較MnTPP發(fā)生了藍(lán)移，而N-ZnTPP較ZnTPP發(fā)生了紅移，推斷出N-MnTPP主要是由于卟吩環(huán)之間較強(qiáng)的π-π堆積作用而形成的H-型聚合體，而N-ZnTPP是由卟啉分子間的π-π相互作用以及氫鍵的共同作用形成的J-型聚合體；利用掃描電鏡和透射電鏡對(duì)N-MnTPP和N-ZnTPP的形貌進(jìn)行了表征：N-MnTPP呈棒狀結(jié)構(gòu)， N-ZnTPP顆粒是有一定厚度的正方片；分別將納米化后的N-MnTPP、N-ZnTPP與原始 MnTPP及Zn

9、TPP卟啉溶液制成的4個(gè)色敏傳感器與不同體積濃度（5％-60%）的乙醇揮發(fā)性氣體接觸5 min，利用3CCD相機(jī)獲取反應(yīng)前后色敏材料的顏色。結(jié)果表明相比于MnTPP及ZnTPP，納米化處理后的卟啉N-MnTPP與N-ZnTPP對(duì)乙醇的靈敏度大大提升，尤其是N-ZnTPP的G分量，較ZnTPP的G分量，在納米化前，體積濃度為40%以下的乙醇與ZnTPP沒(méi)有明顯的顯色反應(yīng)（反應(yīng)差值小于3），而納米化處理后的卟啉材料對(duì)5%的乙醇也有極明顯的顯

10、色效應(yīng)（反應(yīng)差值為29）；且納米化處理后的卟啉材料可以有效抑制乙酸的干擾；最后通過(guò)遺傳算法（GA）選取自組裝的最優(yōu)條件：pH=12，表面活性劑為PEG-600，自組裝1天，所形成的N-ZnTPP納米顆粒呈球形，且均勻性較好。
　?。?）色敏傳感器技術(shù)在醋酸發(fā)酵過(guò)程中的應(yīng)用。利用自制的便攜式色敏傳感器系統(tǒng)跟蹤鎮(zhèn)江香醋的醋酸發(fā)酵過(guò)程。首先通過(guò)9種卟啉和3種pH指示劑（中性紅、溴甲酚綠、尼羅紅）制得的色敏傳感器陣列對(duì)醋酸發(fā)酵過(guò)程中揮發(fā)性

11、氣體（VOC）進(jìn)行了整體表征，并通過(guò)主成分分析（PCA）呈現(xiàn)了醋酸發(fā)酵過(guò)程的變化趨勢(shì)，通過(guò)線性判別分析（LDA）建立19天醋酸發(fā)酵階段中醋醅樣本的識(shí)別模型，交互驗(yàn)證識(shí)別率為80.53%（153/190）；將不同條件下納米化之后的9種N-ZnTPP卟啉溶液和3種pH指示劑（中性紅、溴甲酚綠、尼羅紅）制成色敏傳感器陣列，結(jié)合GC-MS，對(duì)不同發(fā)酵天數(shù)醋醅的特征氣體（乙醇）進(jìn)行了定量分析：將12種色敏材料的R、G、B顏色分量（共36個(gè)特征值）

12、作為特征變量結(jié)合誤差反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP-ANN）模型來(lái)快速檢測(cè)醋酸發(fā)酵過(guò)程中的乙醇含量，色敏傳感器技術(shù)結(jié)合BP-ANN模型檢測(cè)醋酸發(fā)酵過(guò)程中的酒精度的相關(guān)系數(shù)為0.9578，預(yù)測(cè)均方根誤差（RMSEP）為1.2204。研究結(jié)果表明，研制的色敏傳感器陣列可以有效檢測(cè)醋酸發(fā)酵過(guò)程中的乙醇含量。
　　本研究為食醋發(fā)酵過(guò)程中的氣體檢測(cè)提供了一種客觀、穩(wěn)定、可量化的醋醅氣味表征和分析方法，可用來(lái)定性及定量監(jiān)控和檢測(cè)食醋發(fā)酵過(guò)程中醋醅