火焰原子吸收法測(cè)定燃料乙醇生產(chǎn)工藝中的鉀鈉鈣鎂

劉 霄，楊維旭，孔令新，孔玉娥，王 瑩

(1.吉林燃料乙醇有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)處，吉林吉林132101；2.吉林燃料乙醇有限責(zé)任公司質(zhì)檢中心，吉林吉林132101)

目前，燃料乙醇作為新型清潔能源的環(huán)保效果日漸顯現(xiàn)。在燃料乙醇的生產(chǎn)過(guò)程中，液化糖化及發(fā)酵工序是最為重要的工藝環(huán)節(jié)，直接影響到乙醇得率的高低。其中酶制劑主要作用于液化、糖化及發(fā)酵整個(gè)過(guò)程，釀酒酵母生長(zhǎng)代謝則貫穿于發(fā)酵全過(guò)程。有研究表明，K+、Na+、Mg2+在一定的濃度范圍內(nèi)，對(duì)淀粉酶具有激活作用；顯著效果大小依次為K+＞Mg2+＞Na+；而Ca2+在0～1.5 mg/mL范圍內(nèi)對(duì)酶的活性有激活作用，1.5～3.75 mg/mL范圍內(nèi)具有抑制作用。無(wú)機(jī)離子對(duì)酶活性的作用機(jī)理較為復(fù)雜，主要是通過(guò)改變酶蛋白的構(gòu)象來(lái)影響酶的活性[1]。同樣，酵母細(xì)胞的增殖也需要某些金屬離子的參與，如 K+、Na+、Ca2+、Mg2+，金屬離子在酵母細(xì)胞分裂周期中的調(diào)控作用越來(lái)越受到重視，并且隨著濃度的變化，作用效應(yīng)既可起到酵母增殖的激活作用，也可具有強(qiáng)烈的抑制作用[2]。所以，對(duì)液化糖化及發(fā)酵工藝中的鉀鈉鈣鎂離子濃度的檢測(cè)，意義重大；尤其在工藝波動(dòng)期間，也是判定影響因素的參考依據(jù)。通常由于液化糖化醪液黏度的影響，而很少檢測(cè)金屬離子，相反卻以發(fā)酵醪液中金屬離子的高低來(lái)判斷作用或影響效果[1]。

火焰原子吸收光譜法以其靈敏度高、檢出限低等優(yōu)點(diǎn)，成為檢測(cè)鉀鈉鈣鎂的首選方法。常規(guī)方法是樣品離心過(guò)濾、酸化定容后檢測(cè)，但因發(fā)酵醪液中存在的磷酸鹽及其他金屬離子，會(huì)造成電離干擾和共存離子的化學(xué)抑制干擾，使得數(shù)據(jù)偏差較大，難以準(zhǔn)確定量。而加入消電離劑和釋放劑，是解決干擾的根本方法，我們嘗試將消電離劑硝酸銫和釋放劑硝酸鑭，按比例配制成混合溶液；首先加入到鉀鈉鈣鎂混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列中，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線；然后在待測(cè)樣品中定容時(shí)，加入一定量的硝酸銫和硝酸鑭混合溶液，即可準(zhǔn)確測(cè)定醪液樣品中的鉀鈉鈣鎂濃度。

1 材料與方法

1.1 材料

發(fā)酵醪液：實(shí)驗(yàn)室自備。

1.2 主要試劑及儀器

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)貯備液：濃度為1000.00 mg/L：

（中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院）。

1.2.2 硝酸銫和硝酸鑭混合溶液

火焰原子吸收測(cè)鉀、鈉離子的過(guò)程中，由于鉀鈉的電離，參與原子吸收的基態(tài)原子數(shù)減少，吸光度下降，導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生誤差。銫是相對(duì)鉀鈉離子更易電離的物質(zhì)，可提供更多的電子，讓電離平衡向基態(tài)原子方向移動(dòng)，抑制了鉀鈉的電離。而硝酸鑭作為釋放劑，不僅能使鈣鎂元素有效地從干擾元素形成的化合物中釋放出來(lái)，而且相對(duì)應(yīng)的空白值也較低[3]。

稱取5.90 g氧化鑭(含氧化鑭99.9%)，用少量8 mol/L的硝酸溶解，蒸至近干；稍冷，加少量0.8 mol/L硝酸微熱溶解；冷卻后移至100 mL容量瓶中。

稱取1.45 g硝酸銫(高純?cè)噭?溶于該溶液中；用0.8 mol/L硝酸溶液定容，混勻。此溶液中含銫離子10mg/mL、鑭離子100mg/mL。

實(shí)驗(yàn)玻璃器皿均用5%硝酸溶液浸泡24 h以上。

儀器設(shè)備：PinAAcle900F原子吸收分光光度計(jì)；鉀、鈉、鈣、鎂空心陰極燈，美國(guó)PerkinElmer（珀金埃爾默)公司；Milli-Q advantage A10實(shí)驗(yàn)室超純水系統(tǒng)（電阻率18.2 MΩ·cm），移液器，Brand公司，Dispensette?，2.5～25 mL。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 儀器參數(shù)選擇（表1)

表1 儀器工作條件

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線

分別吸取鉀鈉鈣鎂標(biāo)準(zhǔn)貯備液，按照表2標(biāo)準(zhǔn)系列的濃度，經(jīng)過(guò)稀釋加到50 mL容量瓶中，加入2 mL的7.5 mol/L硝酸和3.0 mL的硝酸銫硝酸鑭混合溶液，用去離子水定容，搖勻。然后，按照表1規(guī)定的儀器工作條件測(cè)定各元素的吸光值,并繪制校準(zhǔn)曲線。

表2 K+、Na+、Ca2+、Mg2+標(biāo)準(zhǔn)溶液系列的濃度(mg/L)

1.3.3 發(fā)酵醪液的樣品檢測(cè)

發(fā)酵醪液樣品4000 r/min離心5 min。吸取離心后的上清液，通過(guò)微孔濾膜濾掉微小顆粒，轉(zhuǎn)移或稀釋到表2所列濃度范圍，加入1 mL的硝酸和3.0 mL的硝酸銫硝酸鑭混合溶液，用去離子水定容到100 mL，搖勻；PinAAcle900F原子吸收分光光度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉀鈉鈣鎂的標(biāo)準(zhǔn)曲線（表3）

表3 標(biāo)準(zhǔn)系列溶液回歸方程

表3表明，鉀鈉鈣鎂的濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線線性，且含量范圍涵蓋合理（各元素曲線的最高濃度均控制在0.7以下），略高于常規(guī)方法的線性（基本在0.9988左右），說(shuō)明滿足方法的適用性，線性符合檢測(cè)的規(guī)范要求。

2.2 添加硝酸銫和硝酸鑭混合溶液的方法評(píng)價(jià)（表4）

表4 檢出限、精密度和重復(fù)性試驗(yàn)

2.3 鉀鈉鈣鎂的回收實(shí)驗(yàn)

常規(guī)方法（A）和添加硝酸銫和硝酸鑭混合溶液的方法（B），線性接近；所以回收率的試驗(yàn)結(jié)果，就成為我們關(guān)注的重點(diǎn)。

任選8份醪液樣品，經(jīng)過(guò)稀釋到合適濃度后，分別按照兩種方法進(jìn)行檢測(cè)本底含量，再將相應(yīng)的醪液樣品，分別加入定量的鉀鈉鈣鎂標(biāo)準(zhǔn)溶液，PinAAcle900F原子吸收分光光度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)[4]。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 回收率試驗(yàn)結(jié)果

2.4 生產(chǎn)工藝中鉀鈉鈣鎂離子的作用效果（表6）

表6 離子的作用效果

3 討論

3.1 添加硝酸銫和硝酸鑭混合溶液的原子吸收光譜法，對(duì)鉀鈉鈣鎂的測(cè)試結(jié)果表明，數(shù)據(jù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確，取得了較為理想的效果。尤其是回收率方面，常規(guī)方法各元素的加標(biāo)回收率在82.0%～146.7%范圍內(nèi)，且鉀及鎂的樣品回收率波動(dòng)較大；而硝酸銫和硝酸鑭混合溶液法的加標(biāo)回收率在98.0%～102.7%之間。一方面說(shuō)明，醪液中磷酸鹽及共存離子，對(duì)鉀鈉鈣鎂的分析有著較大的干擾，影響了測(cè)量結(jié)果；另一方面說(shuō)明，添加硝酸銫和硝酸鑭混合溶液的改進(jìn)方法，作為抑制電離劑和釋放劑，有效消除了電離干擾，提高了原子化效率；方法專屬性強(qiáng)，靈敏度高，結(jié)果準(zhǔn)確，對(duì)燃料乙醇生產(chǎn)工藝中醪液的鉀、鈉、鈣、鎂含量評(píng)價(jià)提供了可靠的技術(shù)支持。

3.2 工藝波動(dòng)期間，對(duì)液化糖化及發(fā)酵工藝中的鉀鈉鈣鎂離子濃度的檢測(cè)，也是判定工藝影響因素的重要參考依據(jù)；醪液中磷酸鹽及共存離子的產(chǎn)生，或同生產(chǎn)工藝或者原料受金屬元素的影響有關(guān)。鉀鈉鈣鎂離子，針對(duì)酶制劑及釀酒酵母的活性、生長(zhǎng)代謝的作用機(jī)理，濃度高低所產(chǎn)生的激活、抑制作用等尚需進(jìn)一步研究。