火焰原子吸收法测定燃料乙醇生产工艺中的钾钠钙镁

刘 霄，杨维旭，孔令新，孔玉娥，王 莹

(1.吉林燃料乙醇有限责任公司生产技术处，吉林吉林132101；2.吉林燃料乙醇有限责任公司质检中心，吉林吉林132101)

目前，燃料乙醇作为新型清洁能源的环保效果日渐显现。在燃料乙醇的生产过程中，液化糖化及发酵工序是最为重要的工艺环节，直接影响到乙醇得率的高低。其中酶制剂主要作用于液化、糖化及发酵整个过程，酿酒酵母生长代谢则贯穿于发酵全过程。有研究表明，K+、Na+、Mg2+在一定的浓度范围内，对淀粉酶具有激活作用；显著效果大小依次为K+＞Mg2+＞Na+；而Ca2+在0～1.5 mg/mL范围内对酶的活性有激活作用，1.5～3.75 mg/mL范围内具有抑制作用。无机离子对酶活性的作用机理较为复杂，主要是通过改变酶蛋白的构象来影响酶的活性[1]。同样，酵母细胞的增殖也需要某些金属离子的参与，如 K+、Na+、Ca2+、Mg2+，金属离子在酵母细胞分裂周期中的调控作用越来越受到重视，并且随着浓度的变化，作用效应既可起到酵母增殖的激活作用，也可具有强烈的抑制作用[2]。所以，对液化糖化及发酵工艺中的钾钠钙镁离子浓度的检测，意义重大；尤其在工艺波动期间，也是判定影响因素的参考依据。通常由于液化糖化醪液黏度的影响，而很少检测金属离子，相反却以发酵醪液中金属离子的高低来判断作用或影响效果[1]。

火焰原子吸收光谱法以其灵敏度高、检出限低等优点，成为检测钾钠钙镁的首选方法。常规方法是样品离心过滤、酸化定容后检测，但因发酵醪液中存在的磷酸盐及其他金属离子，会造成电离干扰和共存离子的化学抑制干扰，使得数据偏差较大，难以准确定量。而加入消电离剂和释放剂，是解决干扰的根本方法，我们尝试将消电离剂硝酸铯和释放剂硝酸镧，按比例配制成混合溶液；首先加入到钾钠钙镁混合标准溶液系列中，建立标准曲线；然后在待测样品中定容时，加入一定量的硝酸铯和硝酸镧混合溶液，即可准确测定醪液样品中的钾钠钙镁浓度。

1 材料与方法

1.1 材料

发酵醪液：实验室自备。

1.2 主要试剂及仪器

1.2.1 标准贮备液：浓度为1000.00 mg/L：

（中国计量科学研究院）。

1.2.2 硝酸铯和硝酸镧混合溶液

火焰原子吸收测钾、钠离子的过程中，由于钾钠的电离，参与原子吸收的基态原子数减少，吸光度下降，导致测定结果产生误差。铯是相对钾钠离子更易电离的物质，可提供更多的电子，让电离平衡向基态原子方向移动，抑制了钾钠的电离。而硝酸镧作为释放剂，不仅能使钙镁元素有效地从干扰元素形成的化合物中释放出来，而且相对应的空白值也较低[3]。

称取5.90 g氧化镧(含氧化镧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硝酸微热溶解；冷却后移至100 mL容量瓶中。

称取1.45 g硝酸铯(高纯试剂)溶于该溶液中；用0.8 mol/L硝酸溶液定容，混匀。此溶液中含铯离子10mg/mL、镧离子100mg/mL。

实验玻璃器皿均用5%硝酸溶液浸泡24 h以上。

仪器设备：PinAAcle900F原子吸收分光光度计；钾、钠、钙、镁空心阴极灯，美国PerkinElmer（珀金埃尔默)公司；Milli-Q advantage A10实验室超纯水系统（电阻率18.2 MΩ·cm），移液器，Brand公司，Dispensette®，2.5～25 mL。

1.3 试验方法

1.3.1 仪器参数选择（表1)

表1 仪器工作条件

1.3.2 标准曲线

分别吸取钾钠钙镁标准贮备液，按照表2标准系列的浓度，经过稀释加到50 mL容量瓶中，加入2 mL的7.5 mol/L硝酸和3.0 mL的硝酸铯硝酸镧混合溶液，用去离子水定容，摇匀。然后，按照表1规定的仪器工作条件测定各元素的吸光值,并绘制校准曲线。

表2 K+、Na+、Ca2+、Mg2+标准溶液系列的浓度(mg/L)

1.3.3 发酵醪液的样品检测

发酵醪液样品4000 r/min离心5 min。吸取离心后的上清液，通过微孔滤膜滤掉微小颗粒，转移或稀释到表2所列浓度范围，加入1 mL的硝酸和3.0 mL的硝酸铯硝酸镧混合溶液，用去离子水定容到100 mL，摇匀；PinAAcle900F原子吸收分光光度计进行检测。

2 结果与分析

2.1 钾钠钙镁的标准曲线（表3）

表3 标准系列溶液回归方程

表3表明，钾钠钙镁的浓度标准曲线线性，且含量范围涵盖合理（各元素曲线的最高浓度均控制在0.7以下），略高于常规方法的线性（基本在0.9988左右），说明满足方法的适用性，线性符合检测的规范要求。

2.2 添加硝酸铯和硝酸镧混合溶液的方法评价（表4）

表4 检出限、精密度和重复性试验

2.3 钾钠钙镁的回收实验

常规方法（A）和添加硝酸铯和硝酸镧混合溶液的方法（B），线性接近；所以回收率的试验结果，就成为我们关注的重点。

任选8份醪液样品，经过稀释到合适浓度后，分别按照两种方法进行检测本底含量，再将相应的醪液样品，分别加入定量的钾钠钙镁标准溶液，PinAAcle900F原子吸收分光光度计进行检测[4]。试验结果见表5。

表5 回收率试验结果

2.4 生产工艺中钾钠钙镁离子的作用效果（表6）

表6 离子的作用效果

3 讨论

3.1 添加硝酸铯和硝酸镧混合溶液的原子吸收光谱法，对钾钠钙镁的测试结果表明，数据稳定、准确，取得了较为理想的效果。尤其是回收率方面，常规方法各元素的加标回收率在82.0%～146.7%范围内，且钾及镁的样品回收率波动较大；而硝酸铯和硝酸镧混合溶液法的加标回收率在98.0%～102.7%之间。一方面说明，醪液中磷酸盐及共存离子，对钾钠钙镁的分析有着较大的干扰，影响了测量结果；另一方面说明，添加硝酸铯和硝酸镧混合溶液的改进方法，作为抑制电离剂和释放剂，有效消除了电离干扰，提高了原子化效率；方法专属性强，灵敏度高，结果准确，对燃料乙醇生产工艺中醪液的钾、钠、钙、镁含量评价提供了可靠的技术支持。

3.2 工艺波动期间，对液化糖化及发酵工艺中的钾钠钙镁离子浓度的检测，也是判定工艺影响因素的重要参考依据；醪液中磷酸盐及共存离子的产生，或同生产工艺或者原料受金属元素的影响有关。钾钠钙镁离子，针对酶制剂及酿酒酵母的活性、生长代谢的作用机理，浓度高低所产生的激活、抑制作用等尚需进一步研究。