火焰原子吸收法測定燃料乙醇生產工藝中的鉀鈉鈣鎂

劉 霄，楊維旭，孔令新，孔玉娥，王 瑩

(1.吉林燃料乙醇有限責任公司生產技術處，吉林吉林132101；2.吉林燃料乙醇有限責任公司質檢中心，吉林吉林132101)

目前，燃料乙醇作為新型清潔能源的環保效果日漸顯現。在燃料乙醇的生產過程中，液化糖化及發酵工序是最為重要的工藝環節，直接影響到乙醇得率的高低。其中酶制劑主要作用于液化、糖化及發酵整個過程，釀酒酵母生長代謝則貫穿于發酵全過程。有研究表明，K+、Na+、Mg2+在一定的濃度范圍內，對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范圍內對酶的活性有激活作用，1.5～3.75 mg/mL范圍內具有抑制作用。無機離子對酶活性的作用機理較為復雜，主要是通過改變酶蛋白的構象來影響酶的活性[1]。同樣，酵母細胞的增殖也需要某些金屬離子的參與，如 K+、Na+、Ca2+、Mg2+，金屬離子在酵母細胞分裂周期中的調控作用越來越受到重視，并且隨著濃度的變化，作用效應既可起到酵母增殖的激活作用，也可具有強烈的抑制作用[2]。所以，對液化糖化及發酵工藝中的鉀鈉鈣鎂離子濃度的檢測，意義重大；尤其在工藝波動期間，也是判定影響因素的參考依據。通常由于液化糖化醪液黏度的影響，而很少檢測金屬離子，相反卻以發酵醪液中金屬離子的高低來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、檢出限低等優點，成為檢測鉀鈉鈣鎂的首選方法。常規方法是樣品離心過濾、酸化定容后檢測，但因發酵醪液中存在的磷酸鹽及其他金屬離子，會造成電離干擾和共存離子的化學抑制干擾，使得數據偏差較大，難以準確定量。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準溶液系列中，建立標準曲線；然后在待測樣品中定容時，加入一定量的硝酸銫和硝酸鑭混合溶液，即可準確測定醪液樣品中的鉀鈉鈣鎂濃度。

1 材料與方法

1.1 材料

發酵醪液：實驗室自備。

1.2 主要試劑及儀器

1.2.1 標準貯備液：濃度為1000.00 mg/L：

（中國計量科學研究院）。

1.2.2 硝酸銫和硝酸鑭混合溶液

火焰原子吸收測鉀、鈉離子的過程中，由于鉀鈉的電離，參與原子吸收的基態原子數減少，吸光度下降，導致測定結果產生誤差。銫是相對鉀鈉離子更易電離的物質，可提供更多的電子，讓電離平衡向基態原子方向移動，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，而且相對應的空白值也較低[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(高純試劑)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。

實驗玻璃器皿均用5%硝酸溶液浸泡24 h以上。

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

1.3 試驗方法

1.3.1 儀器參數選擇（表1)

表1 儀器工作條件

1.3.2 標準曲線

分別吸取鉀鈉鈣鎂標準貯備液，按照表2標準系列的濃度，經過稀釋加到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規定的儀器工作條件測定各元素的吸光值,并繪制校準曲線。

表2 K+、Na+、Ca2+、Mg2+標準溶液系列的濃度(mg/L)

1.3.3 發酵醪液的樣品檢測

發酵醪液樣品4000 r/min離心5 min。吸取離心后的上清液，通過微孔濾膜濾掉微小顆粒，轉移或稀釋到表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進行檢測。

2 結果與分析

2.1 鉀鈉鈣鎂的標準曲線（表3）

表3 標準系列溶液回歸方程

表3表明，鉀鈉鈣鎂的濃度標準曲線線性，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），略高于常規方法的線性（基本在0.9988左右），說明滿足方法的適用性，線性符合檢測的規范要求。

2.2 添加硝酸銫和硝酸鑭混合溶液的方法評價（表4）

表4 檢出限、精密度和重復性試驗

2.3 鉀鈉鈣鎂的回收實驗

常規方法（A）和添加硝酸銫和硝酸鑭混合溶液的方法（B），線性接近；所以回收率的試驗結果，就成為我們關注的重點。

任選8份醪液樣品，經過稀釋到合適濃度后，分別按照兩種方法進行檢測本底含量，再將相應的醪液樣品，分別加入定量的鉀鈉鈣鎂標準溶液，PinAAcle900F原子吸收分光光度計進行檢測[4]。試驗結果見表5。

表5 回收率試驗結果

2.4 生產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，對鉀鈉鈣鎂的測試結果表明，數據穩定、準確，取得了較為理想的效果。尤其是回收率方面，常規方法各元素的加標回收率在82.0%～146.7%范圍內，且鉀及鎂的樣品回收率波動較大；而硝酸銫和硝酸鑭混合溶液法的加標回收率在98.0%～102.7%之間。一方面說明，醪液中磷酸鹽及共存離子，對鉀鈉鈣鎂的分析有著較大的干擾，影響了測量結果；另一方面說明，添加硝酸銫和硝酸鑭混合溶液的改進方法，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，靈敏度高，結果準確，對燃料乙醇生產工藝中醪液的鉀、鈉、鈣、鎂含量評價提供了可靠的技術支持。

3.2 工藝波動期間，對液化糖化及發酵工藝中的鉀鈉鈣鎂離子濃度的檢測，也是判定工藝影響因素的重要參考依據；醪液中磷酸鹽及共存離子的產生，或同生產工藝或者原料受金屬元素的影響有關。鉀鈉鈣鎂離子，針對酶制劑及釀酒酵母的活性、生長代謝的作用機理，濃度高低所產生的激活、抑制作用等尚需進一步研究。