基于纳米复合材料修饰电极阵列的黄酒陈化时间的鉴别

资料来自用户(Laura)上传,若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权,请点击版权申明
导师姓名
韦真博
学科专业
农业机械化工程
文献出处
浙江大学   2019年
关键词
导电聚合物论文  纳米复合材料论文  黄酒论文  陈化时间论文  模式识别论文  区分论文  预测论文
论文摘要

黄酒是中国特有的酒种,与法国葡萄酒和德国啤酒并称为世界三大发酵酒。它已有五千多年的历史,也是浙江省的一个特色。新酿造的黄酒需要自然陈化储藏。从目前市场上的陈年黄酒原浆来看,不仅成本较高,而且因为存量和市场扩容等因素,陈年黄酒原浆已经成为一种稀缺资源。因黄酒的质量评价手段较少,导致陈年黄酒造假、乱贴标签现象时常发生,严重侵犯了正规厂商及消费者的权益。作为一种灵敏度高、响应快速的检测手段,化学修饰电极成为了目前酒类品质检测领域中热点课题之一。纳米复合材料修饰电极将导电聚合物和纳米材料复合,可以从分子水平上对电极表面进行化学修饰,保留了材料双重优异的催化性能,使电极的专一催化性更强。此外,纳米复合材料克服了有机物在裸电极上响应迟缓微弱、催化电位过大的缺点,也克服了单一纳米材料易团聚、稳定性低的缺点,可以实现黄酒中有机物的特异性检测。在黄酒行业里,一般以陈化时间的长短来判断黄酒的好坏。黄酒在陈酿过程中,其呈味物质含量在不断变化,因此,黄酒的陈化时间与呈味物质含量存在一定的关系,主要包括有机酸、氨基酸、糖类等。基于此,本课题围绕导电聚合物纳米复合材料修饰电极的开发及其在黄酒陈化时间鉴别中的适用性展开研究。针对黄酒在陈化过程中含量变化比较大的多种呈味物质,如酸味(乳酸)、鲜味(谷氨酸)、甜味(葡萄糖),研究和开发相应的灵敏度高、选择性好的纳米复合材料修饰电极。本研究分析了修饰电极在单一溶质溶液中的反应动力学过程,并将三根电极组成阵列,采集1-8年不同陈化时间的“女儿红”黄酒原浆中丰富全面的“滋味”信息,然后经过特征提取、特征选择、数据可视化、建模,最终实现了黄酒原浆陈化时间的区分和预测。主要研究内容、方法和结论如下:(1)酸味是黄酒的一种基本味,有增加酒的浓厚感和降低甜味的作用,适当的酸能使黄酒的口感更加柔和。本研究针对在黄酒陈化过程中含量发生变化较大的酸味物质即乳酸,制备了聚酞菁钴/碳纳米管复合材料修饰电极(CoPPc/MWCNTs/GCE),用SEM、TEM、FT-IR、UV-Vis和XPS对材料进行了表征,修饰电极对乳酸具有良好的催化性能。电极优化后的实验参数为:CoPPc/MWCNTs复合材料的浓度配置为2 mg/mL且修饰剂用量为5μ1,pH 4.0,扫速为100 mV/s,富集时间t为240 s,在最优条件下对乳酸的检出限为1×10-6mol/L。电极过程动力学方程为:CH3CH(OH)COOH + H++e-→CH3CH(OH)CHO +H20,其中参与反应的电子数和质子数均为2,电极的电化学活性面积A = 0.49cm2,扩散系数 D = 9.22×1 0-5cm2/s。(2)鲜味是黄酒区别于其他酒种的一个重要特征,一般来自氨基酸,给人爽口、鲜美的感觉。其中,对鲜味起主要作用的是谷氨酸。本文针对谷氨酸制备了聚中性红/铜纳米复合材料修饰电极(PNR/Cu/GCE),通过SEM、XRD和XPS表征了复合材料的形貌和结构,PNR/Cu大大增强了电极对谷氨酸的催化性能。最终在优化pH为4.0,扫速100mV/s的条件下,修饰电极对谷氨酸的检出限为3×10-6 mol/L。电催化过程:(HOOC)CH2CH2CH(NH2)COOH + H20-e-→ HOOCCH2CH2CH(NO2)COOH + H+,其中参与反应的电子数为2,质子数为4,电极的电化学活性面积A = 0.56 cm2,扩散系数D =3.72×1 0-4 cm2/s。(3)甜味是黄酒中的主要风味之一,来源于酒中的淀粉和蛋白质分解,葡萄糖作为在黄酒陈化过程中含量发生变化最大的甜味物质,对酒体的整体口感影响较大。本文制备了聚天门冬氨酸/氧化镍纳米复合材料修饰电极(PASP/NiO/GCE)对单一溶质的葡萄糖溶液浓度进行检测,通过SEM、XRD和XPS对修饰电极进行了表征,PASP/NiO降低了葡萄糖电催化过程中需克服的能垒,使得葡萄糖的电催化电压降低。在碱性条件下(pH 10.0),扫速为100mV/s,富集时间t为180s,PASP/NiO/GCE对葡萄糖的检出限为2×10-6mol/L。PASP/NiO修饰电极过程动力学方程为:CH2OH(CHOH)4CHO + NiO + OH-→CH(OH)5CH2OH + H+,其中参与反应的电子数和质子数均为2,电极的电化学活性面积A= 0.71cm2,扩散系数D=1.06×10-4cm2/s。(4)将所研制的 CoPPc/MWCNTs/GCE、PNR/Cu/GCE 和 PASP/NiO/GCE 组成电极阵列,检测了 1-8年不同陈化时间的“女儿红”黄酒原浆。采用复频多电位阶跃法,以两种波形(方波和梯形波)和三种频率(1Hz,10 Hz和100 Hz)作为激发信号,面积法提取特征值,运用变异系数分析、多重共线性分析和方差分析后得到最优特征子集,构建了主成分分析(PCA)、局部线性嵌入(LLE)和局部保留投影(LPP)三种降维算法与逻辑斯谛回归(LR)、极限学习机(ELM)和支持向量机(SVM)三种分类器的最优组合,基于LPP-ELM模型和LLE-SVM模型对黄酒检测的分类准确率均到达100%,且LPP-ELM模型对“女儿红”黄酒原浆的陈化时间具有最佳的回归效果(训练集R2=0.9985,RMSE= 0.0892,测试集 R2= 0.9905,RMSE = 0.1733)。

论文目录
关闭目录

致谢

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究动态

1.2.1 裸电极判别

1.2.2 纳米材料修饰电极判别

1.2.3 纳米复合材料修饰电极判别

1.2.4 现有研究中的不足

1.3 研究内容与方法

1.4 研究目标

1.5 本文组织结构

1.6 技术路线图

1.7 本章小结

第2章 实验方法简述

2.1 修饰电极的制备方法

2.1.1 滴涂法

2.1.2 共价键合法

2.1.3 电化学法

2.2 材料的表征方法

2.2.1 傅里叶红外光谱法

2.2.2 紫外-可见光光谱法

2.2.3 X射线衍射光谱法

2.2.4 X射线光电子能谱法

2.2.5 显微学法

2.3 电极过程动力学分析方法

2.3.1 循环伏安法

2.3.2 线性扫描伏安法

2.3.3 电流时间法

2.3.4 交流阻抗谱法

2.3.5 复频多电位阶跃法

2.4 数据分析方法

2.4.1 特征提取方法

2.4.2 特征选择方法

2.4.3 数据可视化分析方法

2.4.4 建模方法

2.5 本章小结

第3章 聚酞菁钴/碳纳米管复合材料修饰电极对乳酸的测定

3.1 试验设计与修饰电极的制备

3.1.1 主要试剂和仪器

3.1.2 聚酞菁钴/碳纳米管复合材料修饰电极的制备

3.2 材料的表征

3.2.1 傅里叶红外光谱表征

3.2.2 紫外-可见光光谱表征

3.2.3 X射线光电子能谱表征

3.2.4 扫描电子显微镜表征

3.3 CoPPc/MWCNTs/GCE电化学性能测试

3.3.1 乳酸在CoPPc/MWCNTs/GCE上的电化学行为

3.3.2 电化学交流阻抗测试

3.3.3 修饰剂用量对峰电流的影响

3.3.4 溶液pH对修饰电极的影响

3.3.5 峰电流与扫速的关系

3.3.6 富集时间对峰电流的影响

3.3.7 乳酸在修饰电极上的动力学分析

3.3.8 CoPPc/MWCNTs/GCE对乳酸浓度的测定

3.4 本章小结

第4章 聚中性红/铜纳米复合材料修饰电极对谷氨酸的测定

4.1 试验设计与修饰电极的制备

4.1.1 主要试剂和仪器

4.1.2 聚中性红/铜纳米复合材料修饰电极的制备

4.2 材料的表征

4.2.1 X射线衍射光谱表征

4.2.2 X射线光电子能谱表征

4.2.3 扫描电子显微镜表征

4.3 PNR/Cu/GCE电化学性能测试

4.3.1 谷氨酸在不同电极上的电化学行为

4.3.2 电化学交流阻抗测试

4.3.3 溶液pH对修饰电极的影响

4.3.4 峰电流与扫速的关系

4.3.5 乳酸在修饰电极上的动力学分析

4.3.6 PNR/Cu/GCE对谷氨酸浓度的测定

4.4 本章小结

第5章 聚天门冬氨酸/氧化镍纳米复合材料修饰电极对葡萄糖的测定

5.1 试验设计与修饰电极的制备

5.1.1 主要试剂和仪器

5.1.2 聚天门冬氨酸/氧化镍纳米复合材料修饰电极的制备

5.2 材料的表征

5.2.1 X射线衍射光谱表征

5.2.2 X射线光电子能谱表征

5.2.3 扫描电子显微镜表征

5.3 PASP/NiO/GCE电化学性能测试

5.3.1 葡萄糖在不同电极上的电化学行为

5.3.2 电化学交流阻抗测试

5.3.3 溶液pH对修饰电极的影响

5.3.4 峰电流与扫速的关系

5.3.5 富集时间对峰电流的影响

5.3.6 葡萄糖在修饰电极上的动力学分析

5.3.7 PASP/NiO/GCE对葡萄糖浓度的测定

5.4 本章小结

第6章 修饰电极阵列在黄酒检测中的应用

6.1 实验方案

6.2 数据处理

6.2.1 修饰电极阵列的响应信号分析

6.2.2 特征选择

6.3 不同陈化时间黄酒的模型构建

6.3.1 数据可视化分析

6.3.2 不同陈化时间黄酒的分类及回归

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

在线阅读全文下载
在线阅读全文下载