2023-07-04 16:09:00 来源: 食品安全导刊
1 固定化技术概述
固定化技术是利用物理或化学手段，将生物细胞或一些不稳定的酶，吸附或固定在较小区域空间内，使其细胞数量或酶浓度得以富集浓缩，在保证其生化活性的同时，又能提高细胞或生物酶结构稳定性、环境耐受性、重复使用性的一种生化处理技术。在20世纪50年代末，hattori等[1]首次成功使用吸附树脂固定大肠杆菌，固定化技术的研究就此拉开序幕。随后几十年的发展，有关固定化载体材料、固定化生物细胞、固定化酶工程等内容的研究不断深入和创新，并在食品工业、药品研制、污染治理、土壤修复及生物能源开发等领域得到广泛应用。
2 固定化技术在白酒行业中的应用研究回顾
我国白酒的发酵通常采用多菌种发酵技术，原料的糖化、液化、产酒和生香都需要不同类型的微生物协同参与，而微生物在生长、代谢过程中，往往存在着营养竞争和产物抑制的相互关系，因此在实际生产中，提高对白酒发酵和生香有益的微生物数量、提升酿酒微生物的环境耐受力、维持其生长和代谢活力，一直以来都是白酒行业不断讨论和研究的热点。
由于固定化技术的加工特性，其产品通常会在缓释性、稳定性、耐受性等方面得到强化，这为解决上述白酒发酵生产过程中存在的问题和难点，提供了可行的路径。此外，被固定化的细胞或酶，在连续发酵、高效生产、反复利用等特性上也有着比传统游离细胞或酶更优异的性能表现。本文就此内容开展回顾和述评，并从固定化生物细胞和固定化酶两个方面，梳理了近年来的研究成果。
2.1 固定化生物细胞在白酒行业中的应用
早在20世纪80年代，我国轻工业部联合江苏双沟酒厂、山东武城酒厂开展了固定化己酸菌批式发酵的国家“六五”攻关项目研究[2]，试验结果表明，固定化的己酸菌不仅在己酸产量上有了显著提升，其产酸活性在低温环境(4～6 ℃)下储藏3个月后依然保持较高水平。此后，张婕[3]以2%的海藻酸钠溶液为载体，将己酸菌菌液与氯化钙溶液按照1∶4的体积比混合后制成球状凝胶，被包埋后的己酸菌液不仅能够重复产酸，还具有较强的机械稳定性，载体可保持100 d以上不变性，这为以后己酸菌在中温大曲培养、窖泥驯化老熟、酯化液制备等方面的应用奠定了理论研究基础。
同样在20世纪80年代末，在白酒酿造工业中，有关酵母细胞固定化技术的研究报道也随之出现。孙志敏等[4]采用海藻酸钙对酵母细胞悬液进行固定，并分别将制备的固定化酵母与游离酵母在酯化培养基中，与己酸菌液共培养发酵。结果显示，在发酵4 d后，固定化酵母比游离酵母表现出更高的己酸乙酯产率，这也为浓香型白酒的提质增香以及连续化发酵生产和自动化控制提供了可行路径。此后，许喜林等[5]分别将根霉菌和酵母菌制成固定化细胞，通过培养基模拟半连续发酵试验。结果表明，采用双边发酵的酿酒工艺结合两种固定化细胞生产米香型饮料酒，较之于传统固体曲药，具有更高的原料出酒率和更短的发酵周期。
随着固定化技术的不断发展和推广应用，21世纪以后，学者们的研究重点也逐渐开始从最初的对酿酒微生物细胞进行简单的固定，转向采用复合载体对发酵过程中的微生物细胞、特殊菌体或其他活性物质等开展更高效和多样性的固定化研究。侯红萍等[6]选择溶液浓度为6%的明胶-戊二醛为包埋剂制得固定化酵母菌体，在白酒液态法发酵中具有比游离酵母更高的原料出酒率和产酯量。张磊等[7]采用正交试验法探究了海藻酸钠、硼酸-氯化钙、二氧化硅以及聚乙烯醇这4种壁材复配使用的最佳工艺配比，确定了酵母细胞的最佳固定化条件。
此后数十年间，固定化微生物技术在白酒工业中的应用范围不断延伸，有关酿酒副产物的降解、多细胞共固定化技术、高产菌株的筛选及包埋等研究内容也逐渐成为新的讨论热点。吴正云[8]在对浓香型大曲酒丢糟的资源化利用过程中发现，固定化酵母具有比游离酵母更高效的丢糟降解液处理效率，在实际生产中，可提高酒类企业对丢糟的综合利用率。刘永军等[9]采用多细胞共固定化技术对浓香型白酒窖泥中分离出的优势菌株进行固定，通过发酵柱模拟了不同阶段酒糟发酵产酸的变化规律。史雁飞[10]利用紫外照射和微波诱变处理酿酒酵母和异常威克汉逊酵母，将筛选出的突变菌株进行固定化处理后，菌株酒精耐受力显著提升，乙酸乙酯产量高达3.4 g·l-1，为促进清香型大曲酒中乙酸乙酯的生成与累积奠定了重要的研究基础。
2.2 固定化酶在白酒行业中的应用
我国白酒的香型通常分为12种，其关系网图及典型代表产品如图1所示。
目前，我国已鉴定出的白酒呈香呈味物质多达上千种，其中酯类物质的含量最多，不仅能赋予酒体天然果香，还能使人产生舒适的愉悦感。近年来，随着固定化酶处理技术的发展，与白酒产酯生香有关的生物酶被定向提取、包埋和应用，被固定化的酶在白酒的催陈老熟、增加酒体酯类化合物、降解白酒中异杂物质、废弃资源处理及酒体净化等方面，表现出了比传统酶制剂更高效便捷的应用优势。
赖登燡等[11]开展了根霉酯化菌的产酯条件研究，结果显示被有机溶剂处理后的根霉，其胞内酯化酶系以菌体细胞为载体被有效固定，并且在有机和无机溶剂相中均具有良好的己酸乙酯产率，尤其适用于浓香型白酒厂的酿造生产。邓彭花[12]采用固定化脂肪酶处理豉香型白酒陈酿酝浸的老肥猪肉，改变了肥油中酸价和脂肪酸组成，实现了加速陈肉氧化老熟、缩短老肥猪肉培养时间、提高豉香型白酒产酒质量的目的。
在催化合成酯香化合物方面，梁龙元等[13]采用固定化技术分别将紫红曲霉酯酶和猪胰腺脂肪酶进行包埋固定，并用于催化制备乙酸异戊酯、己酸乙酯和乙酸丁酯，以此提高白酒产风味物质的比率。王洪海等[14]在此基础上，采用交联剂固定化方法，将假丝酵母中的脂肪酶制成固定化酶凝胶颗粒，用于催化正丁醇和乙酸乙酯反应制备乙酸正丁酯。he等[15]以磁性胶原纳米颗粒为固定化载体，利用共价结合法将假丝酵母脂肪酶固定后用于合成丁酸乙酯，其产品具有良好的磁分离能力。
杂醇油是粮谷类原料在发酵制备乙醇时，产生的碳原子数大于2的脂肪醇混合物，它是白酒酿造过程中普遍存在的一类酿酒副产物，其含量过多往往会引起饮酒后的头痛和宿醉。程永乐[16]采用海藻酸钠对苹果皮渣中分离提取的高级醇降解酶开展固定化研究，试验结果显示，固定化的苹果粗酶用于处理白酒酒样，能够有效降低酒中杂醇油的含量。王东[17]从曲药和酒糟中分离出具有乙醇耐受性的肠杆菌菌株，通过将其产生的丙醇脱氢酶固定化，可实现多次循环催化乙醇中的丙醇氧化为丙醛，对降解白酒中的部分高级醇的含量具有一定的参考价值。
此外，在白酒酿造生产的废弃物处理、原酒除杂和酒体净化等环节，固定化技术的应用也在逐渐渗透和发展。egwim等[18]采用壳聚糖珠分别对蜗牛肠道分离物中提取的纤维素酶和酿酒酵母进行固定化处理，并将其用于甘蔗渣的水解和发酵，最终还原糖和乙醇的产率均高于使用游离纤维素酶和游离酵母细胞的对照组。dong等[19]采用硼酸、氯化钙和壳聚糖对氨基甲酸酯酶进行包埋固定，氨基甲酸酯酶的耐热性、耐乙醇性均显著提升，将其应用于我国白酒贮藏中，可有效降低酒体中2a类致癌物氨基甲酸酯的含量。chen等[20]采用病毒状二氧化硅与南极假丝酵母脂肪酶b进行共价结合，然后利用自粘附法将其引入聚间苯二甲酰间苯二胺膜中，制成的生物膜能够高效吸附和催化降解低度白酒加浆降度时引起浑浊的棕榈酸乙酯、油酸乙酯、亚油酸乙酯。
3 固定化技术在白酒行业中的应用展望
综上可见，近40年来固定化技术的不断发展，让传统白酒酿造行业在功能微生物强化、原酒催陈老熟、废弃物资源化利用、酒体除杂净化等领域获得了新的技术突破和工艺创新，对提高我国白酒的固态酿造发酵效率和产酒质量起到了促进作用。但是，固定化产品在酒类企业获得了广泛普及与应用，尚存在着一些技术层面的难点，为此，在今后的研究中可从以下几方面继续深入开展研究工作。①有关固定化载体材料创新及其发酵环境安全性的研究。白酒的发酵是一个多种微生物共同发酵的复杂系统，将固定化细胞或酶应用于白酒发酵系统中，必须考虑到载体在自然降解、底物渗透、废料回收、环境残留等方面的问题，以防止在固定化产品使用过程中，为酿酒微生态系统带来的不可逆破坏。因此，结合白酒固态酿造的发酵特点，针对性地开展功能性固定化材料或新型改性复合材料的研制，是未来值得深入研究的一个方向。②基于多酶或多细胞的共固定化技术研究。白酒的培菌制曲、发酵生产、贮藏老熟等过程，涉及了纷繁复杂的微生物参与以及各类生物酶的级联反应，若仅对单一或少数几种功能微生物或酶进行固定研究，很难在实际生产中获得理想效果。由于共固定化技术是将多类芯材同时固定在一个载体上，其产品的催化选择性和协同性往往更高，因此将其应用于白酒生产过程中，对于降低发酵过程中一些过渡产物积累、减少污染物的生成、提高底物传质反应效率等方面，均具有潜在的研究价值。③开发能高效降解白酒工业生产废弃物的固定化细胞或酶制剂。随着白酒产能的持续提升，有害副产物的增加为酒类生产企业在环境监测及污染治理等方面提出了新的挑战。白酒在蒸馏结束后排放的锅炉水、废弃丢糟、酿造车间的地面冲洗水等，通常含有大量的杂质、金属盐、氮磷有机物等，必须在专业的沉降池中处理净化后，才能被允许排入自然环境。使用固定化菌体、固定化酶制剂或制备固定化生物反应器，用以处理白酒酿造中产生的各类难降解废渣、废水、有害物化合物等，应是未来值得重点关注和研究的方向。