JP3593247B2 - エタノール濃度の測定方法ならびに該方法に使用する脂質膜およびエタノールセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エタノールの濃度を測定する技術分野に属し、特に、アルコール飲料または醸造過程などにおけるエタノール濃度を迅速かつ簡便に測定する方法ならびにそれに使用される脂質膜およびエタノールセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりエタノールの濃度を測定するための手段としては、酵素や微生物などの固定化生体触媒を利用したバイオセンサ、あるいは半導体式や接触燃焼式ガスセンサが用いられている。前者は生体触媒を用いているため長期安定性に問題がある。後者は液体試料を対象とする場合、気液平衡下でのエタノールガスを測定するため不揮発性物質の影響を大きく受けるため、不揮発性物質の濃度による補正が必要となる。
【０００３】
本発明者らは、先に、プラス荷電脂質膜から成る膜電極の電位がエタノールに対して直線的に応答することを見出し、この応答がエタノールによるアニオン（塩化物イオン）の活量の変化に因るものと考え、このような電極を利用すれば清酒もろみ中のエタノールを測定できることを提示した〔J. Fermentation and Bioengineering, Vol.82, No.4, 371 (1996)〕。脂質膜を用いるこのエタノール測定法は、従来のエタノールセンサとは測定原理の点で全く異なり、安定性においても優れていると考えられる。
【０００４】
しかしながら、該文献に開示したのは、単一の脂質膜電極を用いて特定の試料（この場合、清酒もろみ）の電位変化を測定すれば該試料に限りその相対的なエタノール濃度の経時変化が求められるというのにすぎない。すなわち、この方法により、エタノール濃度の絶対値を知るには、エタノール濃度の初期値を別法で求めておき、電位変化に応じた相対濃度の値を加減しなければならない。さらに、エタノール含有試料においては共存物質の影響による測定誤差が生じることが多いが、先の文献に記載した測定法においてはその対策は講じられていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、各種のエタノール含有試料に適用することができ、安定性（耐久性）にも優れ、しかも試料測定時の共存物質の影響を除去して各試料毎のエタノール濃度の絶対値を精度よく直接求めることができる新規なエタノール測定技術を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に従えば、上記の目的を達成するものとして、塩化物イオンおよびエタノールに対して応答性の異なる２種類の脂質膜電極のそれぞれについて、塩化物イオン濃度とエタノール濃度とをパラメータとする電位応答式を求めておき；前記２種類の脂質膜電極のそれぞれを用いてエタノール含有試料の電位を測定し；該電位の値を前記電位応答式に適用することにより前記試料中のエタノール濃度を算出することを特徴とするエタノール濃度の測定方法が提供される。本発明のエタノール濃度の測定方法の好ましい態様においては、エタノール含有試料中に終濃度が５０ｍＭ以上になるように塩化物イオンの塩を添加しておく。
【０００７】
さらに、本発明に従えば、上記のエタノール濃度の測定方法に使用され塩化物イオンおよびエタノールに対して応答性の異なる２種類の脂質膜であって、該脂質膜のそれぞれが、アルキル第４級アンモニウム塩またはアルキル第４級ホスホニウム塩から成る塩化物イオン／エタノール感応物質と非プロトン性溶媒から成る可塑剤とが高分子支持体に分散されていることを特徴とする高分子支持型脂質膜が提供される。
【０００８】
本発明の高分子支持型脂質膜の好ましい態様においては、一方の脂質膜の可塑剤としてエーテル系溶媒が用いられ、他方の脂質膜の可塑剤としてエステル系溶媒が用いられている。
本発明に従えば、さらに、本発明のエタノール濃度の測定方法の実施に使用する装置であって、上記の２種類の脂質膜から成る２つの膜電極を備えるダブルチャンネル型電位測定手段を有することを特徴とするエタノールセンサが提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
測定法の原理
本発明は、下記の式（２）で表されるように、応答電位（基準液に対する相対応答電位）が塩化物イオン濃度とエタノール濃度に対して直線性を示す脂質膜電極を利用してエタノール濃度を求めるものである。
ΔＥ＝ａ・ｌｏｇ［Ｃｌ（ｍＭ）］ ＋ｂ・［ＥｔＯＨ（％）］ ＋ｃ （２）
ここで、ａおよびｂは、それぞれ、塩化物イオン濃度［Ｃｌ（ｍＭ）］およびエタノール濃度［ＥｔＯＨ（％）］ に対する傾きであり、ｃは共存物質による応答電位の総和を表す。
【００１０】
この式（２）の電位応答式は次のようにして導かれる。溶質ｉ（イオン）の濃度Ｃｉ、活量係数γｉ、溶媒間（水−エタノール）移行活量係数 ｌｏｇγｔｉ（Ｗ→ＥｔＯＨ） とすると応答電位（Ｅ）は、

となる。ここで、塩化物イオン活量係数がエタノール濃度の上昇により直線的に増加することから、

となり、基準液に対する相対応答電位は
ΔＥ＝Ｅ−Ｅ_０ ＝ａ・ ｌｏｇＣｉ＋ｂ・［ＥｔＯＨ（％）］
と表すことができる。実試料系を想定した場合、共存する成分の影響が生じ、この共存物質による脂質膜電位の応答誤差の総和をｃとすると、相対応答電位は
ΔＥ＝ａ・ ｌｏｇ［Ｃｉ（ｍＭ）］＋ｂ・［ＥｔＯＨ（％）］ ＋ｃ （２）
となる。
【００１１】
本発明のエタノール濃度測定方法の特徴は、塩化物イオンおよびエタノールに対して応答性の異なる２種類の脂質膜電極のそれぞれについて、式（２）に基づき、塩化物イオン濃度とエタノール濃度をパラメータとする電位応答式を求めておくことにある。さらに、本発明者は、後にも述べるように、試料中に高濃度の塩化物イオンの塩（例えば、塩化カリウム）を添加することにより、共存物質による影響を実質的に無視することができ、式（２）においてｃ＝０とすることができることを見出した。
【００１２】
かくして、本発明に従うエタノール濃度測定においては、２種類の脂質膜電極のそれぞれについて、高濃度の塩化物イオンを含む校正液を用いて各脂質膜電極の傾きａおよびｂを決定し、次のような電位応答式を求める。
ΔＥ_１ ＝ａ_１ｌｏｇ［Ｃｉ（ｍＭ）］＋ｂ_１［ＥｔＯＨ（％）］ （３）
ΔＥ_２ ＝ａ_２ｌｏｇ［Ｃｉ（ｍＭ）］＋ｂ_２［ＥｔＯＨ（％）］ （４）
【００１３】
次に、それらの２種類の脂質膜電極を用い、高濃度の塩化物イオンの塩を添加して、被測定対象のエタノール含有試料の電位（ΔＥ_１ およびΔＥ_２ ）を測定する。この電位の値ΔＥ_１ およびΔＥ_２ の値を式（３）および（４）のそれぞれに適用（代入）し、得られた連立方程式を解けばエタノール濃度 ［ＥｔＯＨ（％）］が算出され、エタノール濃度の絶対値を知ることができる。
後述するように、本発明において用いる脂質膜は長期間にわたってきわめて安定であり、式（３）および（４）の電位応答式を一度求めておけば、その後は、それらの２種類の脂質膜から成る電極を用いて各種の試料の電位を測定するだけで、直ちに該試料中のエタノール濃度（の絶対値）を知ることができる。
【００１４】
使用する脂質膜
本発明に従うエタノール濃度の測定に使用されるのに好適な２種類の脂質膜は、それぞれが、アルキル第４級アンモニウム塩またはアルキル第４級ホスホニウム塩から成る塩化物イオン／エタノール感応物質と非プロトン性溶媒から成る可塑剤とが高分子支持体に分散されている高分子支持型脂質膜である。このような本発明において用いられるアルキル第４級アンモニウム塩またはアルキル第４級ホスホニウム塩は下記の式（１）で表すことができる。
【００１５】
【化１】

【００１６】
式（１）中、Ａは窒素原子またはリン原子を示し、Ｘ_１ は指標となるアニオンを示し、Ｒ_１ ，Ｒ_２ ，Ｒ_３ およびＲ_４ の少なくとも３つがアルキル基であり、残りはアルキル基の他、フェニル基のような芳香族基も可能である。
この場合、第４級アンモニウム塩においては、Ｒ_１ ，Ｒ_２ ，Ｒ_３ およびＲ_４ のうち、少なくとも３つが炭素数８〜１２のアルキル基であり、残りが炭素数８〜１２のアルキル基またはメチル基であると、塩化物イオン濃度およびエタノール濃度に対する応答性に優れた感応物質が得られる傾向がある。例えば、本発明の脂質膜を構成するのに好ましい脂質としては、トリオクチルメチルアンモニウム塩、トリドデシルメチルアンモニウム塩、テトラドデシルアンモニウム塩などが挙げられる。第４級ホスホニウム塩の場合は、アルキル基の鎖長が長くなっても感応物質として使用できる傾向があり、例えば、本発明に用いられるのに好適な脂質（感応物質）としてトリブチルヘキサデシルホスホニウム塩などが挙げられる。
【００１７】
本発明に従いエタノール濃度を測定するに当たっては、塩化物イオン濃度およびエタノール濃度に対する応答性が高く（すなわち、前述の電位応答式におけるａおよびｂの絶対値が大きい）、且つ、それらの応答性が可及的に異なる（すなわち、ａおよび／またはｂの値に差のある）ような２種類の脂質膜を用いるべきである。このようにすることによって、上述の式（３）および（４）に基づき精度よくエタノール濃度を求めることができる。
【００１８】
このためには、上記の式（１）で表される２種類の別異の塩化物イオン／エタノール感応物質（脂質）に対して同一の可塑剤を用いてもよいが、好ましくは、同一または別異の脂質に対して、より好ましく別異の脂質に対して別異の可塑剤を用いるべきである。本発明者は、この場合、一方の脂質膜の可塑剤としてエーテル系溶媒を用い、他方の脂質膜の可塑剤としてエステル系溶媒を用いると特に優れた効果が得られることを見出している。エーテル系溶媒（化合物）として好ましい例は、２−フルオロ−２−ニトロジフェニルエーテルやｏ−ニトロフェニルオクチルエーテルなどであり、また、好ましいエステル系溶媒（化合物）としては、アジピン酸オクチル、フタル酸ジオクチル、ジオクチルフェニルホスホネート、セバシル酸ジオクチルなどを挙げることができる。
なお、本発明の脂質膜において支持体となる高分子物質としては一般にポリ塩化ビニルが用いられるが、その他に、ポリカーボネート、シリコンゴム、ポリウレタンなども使用可能である。
【００１９】
共存物質の除去
本発明のエタノール濃度測定においては、対象試料に高濃度の塩化物イオンの塩を添加することにより、陰イオン類などの共存物質の影響を除去する。本発明者が見出したところによれば、塩化物イオンの終濃度を５０ｍＭ以上にすると実質的に完全に共存物質の影響を除去できる。添加する塩としては、塩化カリウムが一般的であるが、これに限らず、塩化ナトリウムや塩化リチウムなどのように少なくとも塩化物イオンを含んでいればよい。
【００２０】
測定装置：エタノールセンサ
本発明に従う上述のエタノール濃度の測定は、原理的には、それぞれ別異の膜電極を備える２台の電位測定装置を用いても行い得るが、２種類の脂質膜から成る２つの膜電極を同一装置内に備えるダブルチャンネル型電位測定手段を有するエタノールセンサによって実施されるのが好適である。
【００２１】
図１は、本発明が適用されるそのようなエタノールセンサの典型例を示す概略図である。電極筒１には３Ｍの塩化カリウムを含む内部液２が収納されており、内部液２内にＡｇ／ＡｇＣｌ からなる内部電極３が浸漬されている。電極筒１の端部には、一方の脂質膜４が形成されている。脂質膜４は高分子物質（一般にポリ塩化ビニル）を含み、感応物質と可塑剤が適当な重量比で分散されている。参照電極５にはダブルジャンクション型を用い、液絡部に塩橋（塩化カリウム含有寒天）が挿入されている。したがって、この系を電池系として示すと、図１の下に示したようになる。このエタノールセンサは、さらに電極筒６を有し、この中に４とは別異の脂質膜７が配備されて同様の電池系が構成される。応答電位はバッファーアンプを介してマルチチャンネル型デジタルボルトメータに取り込まれる。必要に応じて、適当な演算回路を組み込むか、またはコンピュータに連結して、前述の式（３）および（４）に従って自動的にエタノール濃度が求められるようにしておく。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の特徴をさらに明らかにするため実施例を示すが、本発明はこの実施例によって制限されるものではない。
〔実施例１：共存物質の影響〕
モデルサンプル（清酒中に含まれる主要な有機陰イオン類に相当する有機酸（３種類）およびアミノ酸（１４酒類）を種々の割合で混合した水溶液）に種々の濃度の塩化カリウムを添加して電位測定を行うことにより、共存物質の影響を調べた。電位測定は図１に示す装置の電極筒１の端部に、トリオクチルメチルアンモニウム塩（感応物質）／ジオクチルフェニルホスホネート（可塑剤）から成る脂質膜を装着して行った。測定結果を図２に示す。図２に示すように、塩化カリウムが高濃度で存在すると、電位の値が一定となり、共存物質の影響が除去され、特に５０ｍＭ以上存在すると有機酸やアミノ酸類の影響をほぼ完全に除去できることが理解される。
【００２３】
〔実施例２：感応物質の適用性テスト〕
塩化物イオン／エタノール感応物質として各種の第４級アンモニウム塩を用い、可塑剤であるｏ−ニトロフェニルオクチルエーテルとともに、ポリ塩化ビニルに分散させた脂質膜を、図１に示す装置の電極筒１端部に装着し、校正液１群（１０〜１００ｍＭ 塩化カリウム水溶液）および校正液２群（０〜２０％エタノール水溶液、５０ｍＭ塩化カリウムを含む）を用いて電位測定を行い、各脂質膜電極の式（２）における傾きａ（塩化物イオン応答性）およびｂ（エタノール応答性）を決定した。その結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
表１に示すように、第４級アンモニウム塩の４つの置換基のうちの少なくとも３つが炭素数８〜１２のアルキル基であるトリオクチルメチルアンモニウム塩（ＴＯＭＡ）、トリドデシルメチルアンモニウム塩（ＴＤＭＡ）、テトラドデシルアンモニウム塩（ＴＤＡ）は、塩化物イオンおよびエタノールのいずれにも優れた応答性を有している。炭素数１８個の長鎖アルキル基を有する第４級アンモニウム塩（ＴＯＤＭＡ：トリオクタデシルメチルアンモニウム塩、ＤＯＭＡ：ジオクタデシルジメチルアンモニウム塩）は塩化物イオンに対する応答は高いが、エタノールに対する応答は著しく低下する。これは、長鎖アルキル基を有する第４級アンモニウム塩の可塑剤に対する溶解性の悪さが原因であると考えられる。また、Ｒ_１ 〜Ｒ_４ の炭素数が６であるテトラヘキシルアンモニウム塩は塩化物イオンあるいはエタノールに対して直線を示さなかった。
【００２６】
〔実施例３：可塑剤の適用性テスト〕
感応物質としてトリオクチルメチルアンモニウム塩を用い、各種の可塑剤と組み合わせて、実施例２と同様に、各脂質膜電極の塩化物イオン応答性（傾きａ）およびエタノール応答性（傾きｂ）を測定した。結果を表２に示す。
【００２７】
【表２】

【００２８】
表２に示すように、２−フルオロ−２−ニトロジフェニルエーテル（ＦＮＤＰＥ）やｏ−ニトロフェニルオクチルエーテル（ＮＰＯＥ）などのエーテル系化合物と、アジピン酸ジオクチル（ＤＯＡ）、フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）、ジオクチルフェニルホスホネート（ＤＯＰＰ）およびセバシル酸ジオクチル（ＤＯＳ）などのエステル系化合物では塩化物イオンおよびエタノールに対する応答にかなりの差が認められる。また、アルコール系化合物であるｎ−デシルアルコール（ｎ−ＤＡ）を用いた場合は塩化物イオンに対する応答性は高いものの、エタノールに対する応答は著しく低下する。
【００２９】
〔実施例４：エタノール濃度の実測〕
感応物質としてトリオクチルメチルアンモニウム塩、可塑剤としてジオクチルフェニルホスホネート、および感応物質としてテトラドデシルアンモニウム塩、可塑剤としてｏ−ニトロフェニルオクチルエーテルを使用したものを高分子物質（ポリ塩化ビニル）と混合し、溶剤（テトラヒドロフラン）に溶解後、本溶剤を蒸発除去して２種類の脂質膜を作製した。これを図１の電極筒１の端部に接着した。
【００３０】
これらの２種類の脂質膜電極を装着した図１のセンサを用い、まず、校正液１群（１０〜１００ｍＭ 塩化カリウム水溶液）、校正液２群（０〜２０％エタノール水溶液、５０ｍＭ塩化カリウムを含む）を用いて各脂質膜電極の傾きａおよびｂを決定したところ、２種類の脂質膜電極のそれぞれについて下記の電位応答式を得た。
ΔＥ_１ ＝−５０．３ ｌｏｇ［Ｃｉ（ｍＭ）］−１．７０［ＥｔＯＨ（％）］
ΔＥ_２ ＝−５５．８ ｌｏｇ［Ｃｉ（ｍＭ）］−２．７８［ＥｔＯＨ（％）］
次に、試料に終濃度が５０ｍＭ以上になるように塩化カリウムを添加し、基準溶液（５０ｍＭ塩化カリウム水溶液）に対する相対電位ΔＥ_１ およびΔＥ_２ を測定した。このΔＥ_１ とΔＥ_２ の実測値を上記式に代入して得られた連立方程式を解き、エタノール濃度を算出した。なお、試料のエタノール濃度が２０％を超える場合は希釈したものを用いた。
このようにして、日本酒および焼酎中のエタノール濃度を測定し、ガスクロマトグラフによる測定値との比較を行った。図３に測定値の相関図を示す。図３に示されるように、両測定値には良好な相関が認められた。
【００３１】
〔実施例５：脂質膜の耐久性テスト〕
実施例４で用いた脂質膜を２０％エタノール水溶液中に浸漬して長期安定性を検討したところ、３ヵ月経過してもエタノールおよび塩化物イオンに対する応答性は変化することなく維持されていた。
【００３２】
【発明の効果】
本発明のエタノール濃度測定方法に従えば、塩化物イオンおよびエタノールに対して応答性の異なる２種類の脂質膜電極の電位応答式を求めておくことにより、アルコール飲料などの各種のエタノール含有試料中のエタノール濃度の絶対値を直ちに知ることができ、その際、高濃度の塩化物イオンの塩を添加することにより共存物質の影響も除去される。本発明の高分子支持型脂質膜はきわめて優れた安定性（耐久性）を有するので、長期間にわたって高精度のエタノール濃度測定が可能である。２種類の膜電極を備えるダブルチャンネル型電位測定手段を備える本発明のエタノールセンサは、単一の装置でエタノール濃度を迅速かつ簡便に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエタノールセンサの典型例を示す概略図である。
【図２】塩化カリウム添加による共存物質の影響除去に関する特性図である。
【図３】本発明のエタノールセンサおよびガスクロマトグラフを用いた酒類中のエタノール濃度測定値の相関図である。

Claims (5)

1. 塩化物イオンおよびエタノールに対して応答性の異なる２種類の脂質膜電極のそれぞれについて、塩化物イオン濃度とエタノール濃度とをパラメータとする電位応答式を求めておき；前記２種類の脂質膜電極のそれぞれを用いてエタノール含有試料の電位を測定し；該電位の値を前記電位応答式に適用することにより前記試料中のエタノール濃度を算出することを特徴とするエタノール濃度の測定方法。
2. エタノール含有試料中に終濃度が５０ｍＭ以上になるように塩化物イオンの塩を添加しておくことを特徴とする請求項１のエタノール濃度の測定方法。
3. 請求項１または請求項２のエタノール濃度の測定方法に使用され塩化物イオンおよびエタノールに対して応答性の異なる２種類の脂質膜であって、該脂質膜のそれぞれが、アルキル第４級アンモニウム塩またはアルキル第４級ホスホニウム塩から成る塩化物イオン／エタノール感応物質と非プロトン性溶媒から成る可塑剤とが高分子支持体に分散されていることを特徴とする高分子支持型脂質膜。
4. 一方の脂質膜の可塑剤としてエーテル系溶媒が用いられ、他方の脂質膜の可塑剤としてエステル系溶媒が用いられていることを特徴とする請求項３の高分子支持型脂質膜。
5. 請求項３または請求項４に記載の２種類の脂質膜から成る２つの膜電極を備えるダブルチャンネル型電位測定手段を有することを特徴とするエタノールセンサ。

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