中温大曲制曲过程中金属元素的变化规律研究

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(泸州市产品质量监督检验所,四川泸州 646000)

中温大曲制曲过程中金属元素的变化规律研究

周涛,刘峰,何霜,杜鹏飞,赵金松*

(泸州市产品质量监督检验所,四川泸州 646000)

利用微波消解结合电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)检测的方法测定了中温大曲制作过程中Na、K、As、Pb、Cd、Sn、Ti、Mg、Fe、Cu、Mn、Zn、Ca、Al、Ni、Cr和Ba 17种金属元素的含量,并借助SPSS统计学软件采用t检验分析了曲皮和曲心中对应元素的差异性。结果显示,绝大部分金属元素浓度在大曲发酵过程中含量变化较小,与发酵时间无显著相关性。曲心中的Cu和Fe元素随发酵时间出现显著下降,曲皮中则出现相应上升。曲心中的Zn随着发酵时间出现了上升,曲皮出现相反变化。三种金属元素含量在曲心和曲皮中随发酵时间的不同变化规律可能主要源于发酵过程中厌氧型和好氧型微生物的选择性迁移。

中温大曲,金属元素,发酵时间,微波消解,电感耦合等离子体质谱仪

浓香型大曲酒是以泥窖为发酵容器,高粱等谷物为酿酒原料,中温大曲为糖化发酵剂,经过多菌密闭发酵、常压固态甑桶蒸馏、陈酿等工艺所生产的以己酸乙酯为主体香味物质的白酒[1]。在白酒发酵过程中大曲作为酿酒微生物菌源,不仅提供了大量的微生物,还为发酵过程提供了酶系和微量香味成分及香味成分的前体物质。因此,大曲的品质一定程度上决定了发酵所产生的白酒的质量优劣。从上个世纪开始,就有文献报道对大曲的研究成果,但是这些报道都是对大曲的微生物和理化指标的研究,并且都得出一个共同的结论:曲皮与曲心的微生物类群、多种酶类和理化指标均有差异[2-7]。在发酵过程中,金属元素对发酵有一定的抑制作用[8-9],会对酿酒和大曲的利用产生不利的影响,迄今为止,鲜有对大曲的曲皮和曲心的金属元素变化规律的研究进行报道。因此,研究白酒生产过程中重金属在制曲过程的迁移变化规律对指导大曲的生产和提高白酒质量具有较大的意义[10]。

本研究运用ICP-MS结合微波消解的方法测定了中温大曲制曲过程中Na、K、As、Pb、Cd、Sn、Ti、Mg、Fe、Cu、Mn、Zn、Ca、Al、Ni、Cr和Ba等17种金属元素含量的变化,初步确定了中温大曲制曲过程中金属元素在曲皮与曲心中的变化情况及规律。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

样品来源 泸州老窖制曲车间。分类方法:将大曲外表1cm厚度的表层(侧表层、曲包表层、曲底表层)分别刮下,混匀后作为曲皮,取完曲皮剩下部分作为曲心[5]。

将曲皮、曲心置于烘箱(105 ℃)中干燥48 h后,分别磨碎为均匀样品,备用;硝酸 优级纯,德国Merck公司;过氧化氢 优级纯,国药集团;钪(Sc)、锗(Ge)、铑(Rh)和17种金属元素单元素标准溶液 1000 μg/mL,国家有色金属及电子分析测试中心;所有器皿用前需在20%的硝酸中浸泡过夜,然后用去离子水冲洗待用。

表2 曲心、曲皮中重金属元素的平均含量以及配对t检验结果分布表(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电感耦合等离子体质谱仪 美国Perkin Elmer公司;Mars6微波消解仪 美国CEM公司;Milli-Q纯水机 美国Millipore公司;DHG-9123A型电热恒温鼓风干燥箱 上海恒科技有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 样品预处理 准确称取0.3～0.4 g(准确到0.0001 g)干燥粉碎的样品,置于微波消解罐中,加入5 mL硝酸和2 mL过氧化氢,放置过夜后,按照表1进行微波消解后,置于石墨赶酸器中150 ℃赶酸,赶至近干,用5%硝酸溶液定容至50 mL,待测。同时做空白实验。

表1 微波消解条件Table 1 Conditions for microwave digestion

1.2.2 检测方法 为了消除样品中基体、离子干扰,本方法选择采用氦气作为反应气的碰撞模式,并在分析过程中通过在线加入质量浓度为20 μg/L的钪(Sc)、锗(Ge)和铑(Rh)的混合内标方法分别测定试剂空白、标准系列、样品空白和样品溶液,根据线性回归方程分别计算出样品中所测元素的浓度。仪器通过调谐优化后,质谱工作条件如下:射频功率为1150 W;雾化气流量为0.91 L/min;等离子体气流量为16 L/min;辅助气流量为1.2 L/min;反应气为氮气;反应气流量为3.5 L/min;采样深度为2.5 mm;采样锥孔径为0.88 mm;截取锥孔径为1.1 mm;超截取锥孔径为1.0 mm;雾化室温度为2 ℃。

2 结果与分析

2.1大曲中主要金属元素含量分析

曲皮和曲心中主要金属元素平均含量见表2。从平均含量可以看出,曲皮和曲心中K、Ca、Mg三种元素含量最高,来源于植物生长所需的矿质元素,Fe、Ti、Ni和Al四种元素含量其次。大曲的主要原料为小麦,在生长过程中吸收了土壤中的金属元素,因为铁和镍元素作为高等植物生长发育必需营养元素[11-12],我国土壤钛含量平均为7 g/kg[13],而且钛元素在促进植物生长、提高产量和品质上有明显作用[14],于是就有Fe、Ti和Ni常以铁肥、钛肥和镍肥的方式为农作物施肥,因此在测得的Fe、Ti和Ni含量相较于其他重金属相对更高。另外,铝元素是自然界含量最多的金属元素,环境污染造成的土壤酸化,促使土壤中自由态的Al3+溶出,导致了农作物对Al元素的大量富集[15],因此曲药中含量较高。另外,土壤污染往往造成种植的农作物中有害重金属元素的富集,导致作物中相关有害成分的超标。根据国标规定,Pb、As、Cr和Cd四种元素是谷物中的限量元素,其浓度必须低于规定值才能避免可能带来的健康危害。本研究测定的曲药中对应元素含量均低于国标规定的污染物限量。各元素在曲药中的含量从大到小依次为: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属元素含量差异性分析

对比曲皮和曲心中对应元素的平均含量,尽管两者原料相同,各元素初始浓度基本一致,但经90 d的发酵之后,两者的平均浓度出现了一定差异。从绝对含量可以看出,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元素则高于曲心。为了验证曲皮和曲心中对应元素的变化关系,采用配对t检验法分析了两种样品中的金属元素含量,结果见表2。检验结果表明,Fe、Cu、K、Mg、Mn、Zn、Ba、Cd和Ti等9种元素在曲皮、曲心中有显著差异。其中曲皮中Fe和Cu显著高于曲心,而曲心中K、Mg、Mn、Zn、Ba、Cd和Ti则显著高于曲皮(p<0.05)。

为了进一步探讨曲皮和曲心各元素间的相互关系,借助SPSS统计学软件采用最大方差旋转法对17种测定元素进行了因子分析。各元素在主成份因子分析所提取的前三个主成份上的载荷可绘制三维因子分布图,如图1所示。各元素的对应载荷值越相近表明其在相应主成份上的相似性越高,在三维因子分布图上也越靠近。从曲皮中的因子载荷分布可以看出,尽管各元素在三维空间的分布不尽相同,但其在前两个因子(Factor 1和Factor 2)组成的平面上的投影大致可以分为三个区域。其中,Cd、Cr、Ba、Pb和As五元素为第一组,Cu、Na、Sn、Ti和Ni五元素组成第二组,K、Mg、Mn、Zn、Fe、Al、Ca其元素组成第三组,经比较每一组的金属元素的含量,可发现每一组金属元素的组成并未与其含量完全相关。同样,根据在Factor 1和Factor 2组成的平面上的投影区域,曲心中的各元素组成亦可分为三组:第一组为Cu、Al、Ni、Ti和Sn,第二组为Pb、Na、Fe和Zn,第三组则为K、Mg、Mn、Ca、Cd、Ba、Cr和As。经过对比各组元素组成和含量也可以发现,其分组并不是完全依赖各元素的浓度高低。尽管曲心和曲皮中各金属元素均可以划分为三大类,但是两者之间却有明显差异,说明了两种样品中对应元素有明显的差异,这与配对t检验的结论一致。此外,由于曲皮、曲心中的金属元素的初始浓度一致,可以推断在曲药发酵过程中金属元素分别在曲皮、曲心中经历了不同的变化过程。

图1 曲皮和曲心中17种元素的因子载荷分布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属元素含量随发酵时间的变化规律

为了进一步研究各大曲中各元素在发酵过程中随时间的变化规律,测定了其在不同时间段大曲中的含量。17种元素在发酵时间不同的大曲中平均含量变化图如图2所示。尽管随着发酵时间延长,各元素的浓度出现浮动,但总体上保持在一定范围内,表明在该过程中外来元素的引入并未明显影响大曲自身金属元素的含量水平。根据浓度范围,大曲中17种元素可分类如下:>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。

为了进一步研究发酵过程中曲心和曲皮中各元素含量的变化规律,利用Pearson相关分析法分析了发酵时间与元素含量之间的关系,结果见表3。由于事先无法确定两者之间是正相关还是负相关,借助双尾检验(two-tail)进行了显著性分析。曲皮中Ca、Zn、Ba、Ni和Sn与发酵时间的相关系数为负值,其它均为正值,表明Ca、Zn、Ba、Ni和Sn四种元素在曲皮中的含量随着发酵时间延长出现降低,其它则均出现升高。双尾检验显著性显示,仅Cu、Fe和Zn含量变化有显著相关性。这一结果表明,曲药发酵过程中,曲皮中的Cu和Fe元素会出现显著上升,而Zn元素则会显著下降(p<0.05)。与此同时,曲心中除了Ca、Zn、Pb、As、Cd、Ti和Sn与发酵时间的相关系数为正值,其它均为负值,说明Ca、Zn、Pb、As、Cd、Ti和Sn七种元素在曲心中的含量随着发酵时间延长出现增加,其它则均出现降低。双尾检验显著性显示,仅有Cu、Fe和Zn含量变化有显著相关性。这一结果表明,曲药发酵过程中,曲心中的Cu和Fe元素会出现显著下降,而Zn元素则会显著上升(p<0.05)。这一变化趋势与曲皮中正好相反,可以推断曲药发酵过程中曲心中的Cu和Fe元素向曲皮转移,曲皮中的Zn则向曲心转移。

表3 曲心和曲皮中金属元素变化与发酵时间相关性的Pearson分析系数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元素随发酵时间变化曲线分别如图3所示。从图中可以看出,随着发酵时间延长,曲心中的Cu和Fe元素逐渐下降,曲皮中则出现相应上升。与之不同的是,曲心中的Zn随着发酵时间出现了上升,曲皮却出现了相反的下降。由于这个过程中,大曲中Cu、Fe和Zn元素的主体含量变化不大,可以推断这三种元素的变化是由于曲药的发酵时微生物的活动造成的其在空间上的不同分布。研究表明,参与到大曲发酵的微生物主要为霉菌、细菌、酵母菌和芽孢杆菌四大类[16]。姚万春等人发现泸州老窖国窖曲发酵过程中曲皮的微生物数量多、种类少,主要为以根酶为主的霉菌,与之相对的曲心微生物数量少、种类多,主要为芽孢杆菌[5，36]。因此,与霉菌生长代谢相关的元素理论上会随着这类微生物向曲皮的转移而上升,与芽孢杆菌相关的元素则可能在曲心出现相应增加。这一结论与本研究观测到的结果一致,尽管绝大多数并无显著性关系,但测定的曲皮17种元素中的12种都与发酵时间呈现正相关,明显区别于曲心。由于Cu、Fe两种元素与微生物的有氧呼吸紧密相关,故随着发酵的进行,在曲皮的浓度逐渐增加,在曲心逐渐降低。Zn变化趋势刚好相反,可能源于芽孢杆菌对Zn2+的选择性吸附性能[17]。

3 结论

利用微波消解结合ICP-MS检测的方法测定了泸州老窖浓香型白酒曲药发酵过程中Na、K、As、Pb、Cd、Sn、Ti、Mg、Fe、Cu、Mn、Zn、Ca、Al、Ni、Cr和Ba等17种主要金属元素的含量,并借助SPSS统计学软件采用t检验分析了曲皮和曲心中对应元素的差异性。结果显示,绝大部分金属元素浓度在发酵过程中含量变化较小,与曲药发酵时间之间无显著相关性关系。曲心中的Cu和Fe元素随发酵时间出现显著下降,曲皮中则出现相应上升。曲心中的Zn随着发酵时间出现了上升,曲皮出现相反变化。三种金属元素含量在曲心和曲皮中随发酵时间的不同变化规律可能主要源于发酵过程中厌氧型和好氧型微生物的选择性迁移。

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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

周涛(1990-),男,大学本科,从事酒类及食品检验工作,E-mail:923814985@qq.com。

*通讯作者:赵金松(1980-),男,博士,高级工程师,从事酿酒生物技术及风味化学研究,E-mail:Zhjs0302@sina.com。

四川省教育厅创新团队基金(16TD0026)。

TS261.7

:A

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

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.044