中溫大曲制曲過程中金屬元素的變化規(guī)律研究

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(瀘州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所,四川瀘州 646000)

中溫大曲制曲過程中金屬元素的變化規(guī)律研究

周濤,劉峰,何霜,杜鵬飛,趙金松*

(瀘州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所,四川瀘州 646000)

利用微波消解結(jié)合電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)檢測的方法測定了中溫大曲制作過程中Na、K、As、Pb、Cd、Sn、Ti、Mg、Fe、Cu、Mn、Zn、Ca、Al、Ni、Cr和Ba 17種金屬元素的含量,并借助SPSS統(tǒng)計學(xué)軟件采用t檢驗分析了曲皮和曲心中對應(yīng)元素的差異性。結(jié)果顯示,絕大部分金屬元素濃度在大曲發(fā)酵過程中含量變化較小,與發(fā)酵時間無顯著相關(guān)性。曲心中的Cu和Fe元素隨發(fā)酵時間出現(xiàn)顯著下降,曲皮中則出現(xiàn)相應(yīng)上升。曲心中的Zn隨著發(fā)酵時間出現(xiàn)了上升,曲皮出現(xiàn)相反變化。三種金屬元素含量在曲心和曲皮中隨發(fā)酵時間的不同變化規(guī)律可能主要源于發(fā)酵過程中厭氧型和好氧型微生物的選擇性遷移。

中溫大曲,金屬元素,發(fā)酵時間,微波消解,電感耦合等離子體質(zhì)譜儀

濃香型大曲酒是以泥窖為發(fā)酵容器,高粱等谷物為釀酒原料,中溫大曲為糖化發(fā)酵劑,經(jīng)過多菌密閉發(fā)酵、常壓固態(tài)甑桶蒸餾、陳釀等工藝所生產(chǎn)的以己酸乙酯為主體香味物質(zhì)的白酒[1]。在白酒發(fā)酵過程中大曲作為釀酒微生物菌源,不僅提供了大量的微生物,還為發(fā)酵過程提供了酶系和微量香味成分及香味成分的前體物質(zhì)。因此,大曲的品質(zhì)一定程度上決定了發(fā)酵所產(chǎn)生的白酒的質(zhì)量優(yōu)劣。從上個世紀(jì)開始,就有文獻(xiàn)報道對大曲的研究成果,但是這些報道都是對大曲的微生物和理化指標(biāo)的研究,并且都得出一個共同的結(jié)論:曲皮與曲心的微生物類群、多種酶類和理化指標(biāo)均有差異[2-7]。在發(fā)酵過程中,金屬元素對發(fā)酵有一定的抑制作用[8-9],會對釀酒和大曲的利用產(chǎn)生不利的影響,迄今為止,鮮有對大曲的曲皮和曲心的金屬元素變化規(guī)律的研究進(jìn)行報道。因此,研究白酒生產(chǎn)過程中重金屬在制曲過程的遷移變化規(guī)律對指導(dǎo)大曲的生產(chǎn)和提高白酒質(zhì)量具有較大的意義[10]。

本研究運用ICP-MS結(jié)合微波消解的方法測定了中溫大曲制曲過程中Na、K、As、Pb、Cd、Sn、Ti、Mg、Fe、Cu、Mn、Zn、Ca、Al、Ni、Cr和Ba等17種金屬元素含量的變化,初步確定了中溫大曲制曲過程中金屬元素在曲皮與曲心中的變化情況及規(guī)律。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

樣品來源 瀘州老窖制曲車間。分類方法:將大曲外表1cm厚度的表層(側(cè)表層、曲包表層、曲底表層)分別刮下,混勻后作為曲皮,取完曲皮剩下部分作為曲心[5]。

將曲皮、曲心置于烘箱(105 ℃)中干燥48 h后,分別磨碎為均勻樣品,備用;硝酸 優(yōu)級純,德國Merck公司;過氧化氫 優(yōu)級純,國藥集團(tuán);鈧(Sc)、鍺(Ge)、銠(Rh)和17種金屬元素單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液 1000 μg/mL,國家有色金屬及電子分析測試中心;所有器皿用前需在20%的硝酸中浸泡過夜,然后用去離子水沖洗待用。

表2 曲心、曲皮中重金屬元素的平均含量以及配對t檢驗結(jié)果分布表(n=6)Table 2 The distribution table of the average content and the results of paired t test in the heavy metal elements of Daqu surface and Daqu core(n=6)

NexION 350X電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 美國Perkin Elmer公司;Mars6微波消解儀 美國CEM公司;Milli-Q純水機(jī) 美國Millipore公司;DHG-9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海恒科技有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 樣品預(yù)處理 準(zhǔn)確稱取0.3～0.4 g(準(zhǔn)確到0.0001 g)干燥粉碎的樣品,置于微波消解罐中,加入5 mL硝酸和2 mL過氧化氫,放置過夜后,按照表1進(jìn)行微波消解后,置于石墨趕酸器中150 ℃趕酸,趕至近干,用5%硝酸溶液定容至50 mL,待測。同時做空白實驗。

表1 微波消解條件Table 1 Conditions for microwave digestion

1.2.2 檢測方法 為了消除樣品中基體、離子干擾,本方法選擇采用氦氣作為反應(yīng)氣的碰撞模式,并在分析過程中通過在線加入質(zhì)量濃度為20 μg/L的鈧(Sc)、鍺(Ge)和銠(Rh)的混合內(nèi)標(biāo)方法分別測定試劑空白、標(biāo)準(zhǔn)系列、樣品空白和樣品溶液,根據(jù)線性回歸方程分別計算出樣品中所測元素的濃度。儀器通過調(diào)諧優(yōu)化后,質(zhì)譜工作條件如下:射頻功率為1150 W;霧化氣流量為0.91 L/min;等離子體氣流量為16 L/min;輔助氣流量為1.2 L/min;反應(yīng)氣為氮氣;反應(yīng)氣流量為3.5 L/min;采樣深度為2.5 mm;采樣錐孔徑為0.88 mm;截取錐孔徑為1.1 mm;超截取錐孔徑為1.0 mm;霧化室溫度為2 ℃。

2 結(jié)果與分析

2.1大曲中主要金屬元素含量分析

曲皮和曲心中主要金屬元素平均含量見表2。從平均含量可以看出,曲皮和曲心中K、Ca、Mg三種元素含量最高,來源于植物生長所需的礦質(zhì)元素,Fe、Ti、Ni和Al四種元素含量其次。大曲的主要原料為小麥,在生長過程中吸收了土壤中的金屬元素,因為鐵和鎳元素作為高等植物生長發(fā)育必需營養(yǎng)元素[11-12],我國土壤鈦含量平均為7 g/kg[13],而且鈦元素在促進(jìn)植物生長、提高產(chǎn)量和品質(zhì)上有明顯作用[14],于是就有Fe、Ti和Ni常以鐵肥、鈦肥和鎳肥的方式為農(nóng)作物施肥,因此在測得的Fe、Ti和Ni含量相較于其他重金屬相對更高。另外,鋁元素是自然界含量最多的金屬元素,環(huán)境污染造成的土壤酸化,促使土壤中自由態(tài)的Al3+溶出,導(dǎo)致了農(nóng)作物對Al元素的大量富集[15],因此曲藥中含量較高。另外,土壤污染往往造成種植的農(nóng)作物中有害重金屬元素的富集,導(dǎo)致作物中相關(guān)有害成分的超標(biāo)。根據(jù)國標(biāo)規(guī)定,Pb、As、Cr和Cd四種元素是谷物中的限量元素,其濃度必須低于規(guī)定值才能避免可能帶來的健康危害。本研究測定的曲藥中對應(yīng)元素含量均低于國標(biāo)規(guī)定的污染物限量。各元素在曲藥中的含量從大到小依次為:K>Mg>Ca>Fe>Ni>Ti>Al>Mn>Na>Zn>Cu>Sn>Ba>Cr>Pb>As>Cd。

2.2曲皮和曲心中主要金屬元素含量差異性分析

對比曲皮和曲心中對應(yīng)元素的平均含量,盡管兩者原料相同,各元素初始濃度基本一致,但經(jīng)90 d的發(fā)酵之后,兩者的平均濃度出現(xiàn)了一定差異。從絕對含量可以看出,曲心中Ca、K、Mg、Mn、Na、Zn、Pb、As、Ba、Cd、Ni、Ti、Al、Sn和Cr含量高于曲皮,而曲皮中Fe和Cu元素則高于曲心。為了驗證曲皮和曲心中對應(yīng)元素的變化關(guān)系,采用配對t檢驗法分析了兩種樣品中的金屬元素含量,結(jié)果見表2。檢驗結(jié)果表明,Fe、Cu、K、Mg、Mn、Zn、Ba、Cd和Ti等9種元素在曲皮、曲心中有顯著差異。其中曲皮中Fe和Cu顯著高于曲心,而曲心中K、Mg、Mn、Zn、Ba、Cd和Ti則顯著高于曲皮(p<0.05)。

為了進(jìn)一步探討曲皮和曲心各元素間的相互關(guān)系,借助SPSS統(tǒng)計學(xué)軟件采用最大方差旋轉(zhuǎn)法對17種測定元素進(jìn)行了因子分析。各元素在主成份因子分析所提取的前三個主成份上的載荷可繪制三維因子分布圖,如圖1所示。各元素的對應(yīng)載荷值越相近表明其在相應(yīng)主成份上的相似性越高,在三維因子分布圖上也越靠近。從曲皮中的因子載荷分布可以看出,盡管各元素在三維空間的分布不盡相同,但其在前兩個因子(Factor 1和Factor 2)組成的平面上的投影大致可以分為三個區(qū)域。其中,Cd、Cr、Ba、Pb和As五元素為第一組,Cu、Na、Sn、Ti和Ni五元素組成第二組,K、Mg、Mn、Zn、Fe、Al、Ca其元素組成第三組,經(jīng)比較每一組的金屬元素的含量,可發(fā)現(xiàn)每一組金屬元素的組成并未與其含量完全相關(guān)。同樣,根據(jù)在Factor 1和Factor 2組成的平面上的投影區(qū)域,曲心中的各元素組成亦可分為三組:第一組為Cu、Al、Ni、Ti和Sn,第二組為Pb、Na、Fe和Zn,第三組則為K、Mg、Mn、Ca、Cd、Ba、Cr和As。經(jīng)過對比各組元素組成和含量也可以發(fā)現(xiàn),其分組并不是完全依賴各元素的濃度高低。盡管曲心和曲皮中各金屬元素均可以劃分為三大類,但是兩者之間卻有明顯差異,說明了兩種樣品中對應(yīng)元素有明顯的差異,這與配對t檢驗的結(jié)論一致。此外,由于曲皮、曲心中的金屬元素的初始濃度一致,可以推斷在曲藥發(fā)酵過程中金屬元素分別在曲皮、曲心中經(jīng)歷了不同的變化過程。

圖1 曲皮和曲心中17種元素的因子載荷分布Fig.1 Projection of the factor loadings of variables for 17 elements in Daqu surface and Daqu core samples on the factor-plane after varimax rotation

2.3曲皮和曲心中主要金屬元素含量隨發(fā)酵時間的變化規(guī)律

為了進(jìn)一步研究各大曲中各元素在發(fā)酵過程中隨時間的變化規(guī)律,測定了其在不同時間段大曲中的含量。17種元素在發(fā)酵時間不同的大曲中平均含量變化圖如圖2所示。盡管隨著發(fā)酵時間延長,各元素的濃度出現(xiàn)浮動,但總體上保持在一定范圍內(nèi),表明在該過程中外來元素的引入并未明顯影響大曲自身金屬元素的含量水平。根據(jù)濃度范圍,大曲中17種元素可分類如下:>500 μg/g:K、Mg、Ca;80～200 μg/g:Fe、Ni、Al、Ti;20～60 μg/g:Mn、Na、Zn;1～12 μg/g:Ba、Cr、Sn、Cu;<0.1 μg/g:Pb、As、Cd。

為了進(jìn)一步研究發(fā)酵過程中曲心和曲皮中各元素含量的變化規(guī)律,利用Pearson相關(guān)分析法分析了發(fā)酵時間與元素含量之間的關(guān)系,結(jié)果見表3。由于事先無法確定兩者之間是正相關(guān)還是負(fù)相關(guān),借助雙尾檢驗(two-tail)進(jìn)行了顯著性分析。曲皮中Ca、Zn、Ba、Ni和Sn與發(fā)酵時間的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值,其它均為正值,表明Ca、Zn、Ba、Ni和Sn四種元素在曲皮中的含量隨著發(fā)酵時間延長出現(xiàn)降低,其它則均出現(xiàn)升高。雙尾檢驗顯著性顯示,僅Cu、Fe和Zn含量變化有顯著相關(guān)性。這一結(jié)果表明,曲藥發(fā)酵過程中,曲皮中的Cu和Fe元素會出現(xiàn)顯著上升,而Zn元素則會顯著下降(p<0.05)。與此同時,曲心中除了Ca、Zn、Pb、As、Cd、Ti和Sn與發(fā)酵時間的相關(guān)系數(shù)為正值,其它均為負(fù)值,說明Ca、Zn、Pb、As、Cd、Ti和Sn七種元素在曲心中的含量隨著發(fā)酵時間延長出現(xiàn)增加,其它則均出現(xiàn)降低。雙尾檢驗顯著性顯示,僅有Cu、Fe和Zn含量變化有顯著相關(guān)性。這一結(jié)果表明,曲藥發(fā)酵過程中,曲心中的Cu和Fe元素會出現(xiàn)顯著下降,而Zn元素則會顯著上升(p<0.05)。這一變化趨勢與曲皮中正好相反,可以推斷曲藥發(fā)酵過程中曲心中的Cu和Fe元素向曲皮轉(zhuǎn)移,曲皮中的Zn則向曲心轉(zhuǎn)移。

表3 曲心和曲皮中金屬元素變化與發(fā)酵時間相關(guān)性的Pearson分析系數(shù)Table 3 The Pearson correlation analysis between the variation of metal elements in Daqu surface and Daqu core and fermentation time

曲心和曲皮中Cu、Fe和Zn元素隨發(fā)酵時間變化曲線分別如圖3所示。從圖中可以看出,隨著發(fā)酵時間延長,曲心中的Cu和Fe元素逐漸下降,曲皮中則出現(xiàn)相應(yīng)上升。與之不同的是,曲心中的Zn隨著發(fā)酵時間出現(xiàn)了上升,曲皮卻出現(xiàn)了相反的下降。由于這個過程中,大曲中Cu、Fe和Zn元素的主體含量變化不大,可以推斷這三種元素的變化是由于曲藥的發(fā)酵時微生物的活動造成的其在空間上的不同分布。研究表明,參與到大曲發(fā)酵的微生物主要為霉菌、細(xì)菌、酵母菌和芽孢桿菌四大類[16]。姚萬春等人發(fā)現(xiàn)瀘州老窖國窖曲發(fā)酵過程中曲皮的微生物數(shù)量多、種類少,主要為以根酶為主的霉菌,與之相對的曲心微生物數(shù)量少、種類多,主要為芽孢桿菌[5，36]。因此,與霉菌生長代謝相關(guān)的元素理論上會隨著這類微生物向曲皮的轉(zhuǎn)移而上升,與芽孢桿菌相關(guān)的元素則可能在曲心出現(xiàn)相應(yīng)增加。這一結(jié)論與本研究觀測到的結(jié)果一致,盡管絕大多數(shù)并無顯著性關(guān)系,但測定的曲皮17種元素中的12種都與發(fā)酵時間呈現(xiàn)正相關(guān),明顯區(qū)別于曲心。由于Cu、Fe兩種元素與微生物的有氧呼吸緊密相關(guān),故隨著發(fā)酵的進(jìn)行,在曲皮的濃度逐漸增加,在曲心逐漸降低。Zn變化趨勢剛好相反,可能源于芽孢桿菌對Zn2+的選擇性吸附性能[17]。

3 結(jié)論

利用微波消解結(jié)合ICP-MS檢測的方法測定了瀘州老窖濃香型白酒曲藥發(fā)酵過程中Na、K、As、Pb、Cd、Sn、Ti、Mg、Fe、Cu、Mn、Zn、Ca、Al、Ni、Cr和Ba等17種主要金屬元素的含量,并借助SPSS統(tǒng)計學(xué)軟件采用t檢驗分析了曲皮和曲心中對應(yīng)元素的差異性。結(jié)果顯示,絕大部分金屬元素濃度在發(fā)酵過程中含量變化較小,與曲藥發(fā)酵時間之間無顯著相關(guān)性關(guān)系。曲心中的Cu和Fe元素隨發(fā)酵時間出現(xiàn)顯著下降,曲皮中則出現(xiàn)相應(yīng)上升。曲心中的Zn隨著發(fā)酵時間出現(xiàn)了上升,曲皮出現(xiàn)相反變化。三種金屬元素含量在曲心和曲皮中隨發(fā)酵時間的不同變化規(guī)律可能主要源于發(fā)酵過程中厭氧型和好氧型微生物的選擇性遷移。

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Studyonthechangeofmetalelementsoverthemedium-temperatureDaqustarter-makingprocess

ZHOUTao,LIUFeng,HEShuang,DUPeng-fei,ZHAOJin-song*

(Luzhou Institute for Product Quality Supervision and Inspection,Luzhou 646000,China)

Using microwave digestion combined with inductively coupled plasma mass spectrometry(ICP-MS),the change of 17 metal elements including Na,K,As,Pb,Cd,Sn,Ti,Mg,Fe,Cu,Mn,Zn,Ca,Al,Ni,Cr and Ba were measured in the medium-temperature Daqu starter over the manufacturing process. With the employment of SPSS software,statistical analysis of the difference of related metal elements in the Daqu surface and Daqu core was applied using t-test. The results suggested that the overall content of metal elements during the fermentation varied slightly,and showed no clear correlation with starter fermentation time. The amount of Cu and Fe in the center of starter significantly decreased upon increasing fermentation time,which was reversed comparing with those in the out-layer starter. In the meantime,Zn concentration increased in the starter center but declined in the out-layer. The time-dependent concentration change of Cu,Fe and Zn might be linked to the preferential distribution of aerobic and anaerobic microbes in the starter.

medium temperature Daqu;metal elements;fermentation time;microwave digestion;ICP-MS

2017-02-20

周濤(1990-),男,大學(xué)本科,從事酒類及食品檢驗工作,E-mail:923814985@qq.com。

*通訊作者:趙金松(1980-),男,博士,高級工程師,從事釀酒生物技術(shù)及風(fēng)味化學(xué)研究,E-mail:Zhjs0302@sina.com。

四川省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊基金(16TD0026)。

TS261.7

:A

:1002-0306(2017)17-0230-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.044