高文海，隋麗娜，劉同軍，楊平平，王燕

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 生物工程學(xué)院，濟(jì)南 250353)

食品加工和儲(chǔ)藏過(guò)程中發(fā)生的食品腐敗變質(zhì)是目前食品工業(yè)面臨的主要問(wèn)題之一[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年有10%～20%的食物由于腐敗而廢棄。而防腐劑的添加可以在一定程度上抑制食品的變質(zhì)，因此，人們對(duì)于防腐劑的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用愈加關(guān)注[2]。本文重點(diǎn)介紹了乙醇作為防腐劑的應(yīng)用以及纖維乙醇的處理方法。

1 乙醇在食品防腐中的應(yīng)用

隨著國(guó)家對(duì)食品及其相關(guān)行業(yè)的大力監(jiān)督，人們?cè)絹?lái)越注重食品的安全問(wèn)題[3-4]。乙醇作為植物天然產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，具有相對(duì)的安全性，因此被廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)中。利用乙醇處理的方式主要包括乙醇熏蒸、乙醇溶液浸蘸、乙醇緩釋放。適當(dāng)濃度的乙醇處理具有保證果蔬新鮮的作用，相對(duì)于SO2熏蒸、福爾馬林、醛類(lèi)、硫氰酸鉀溶液處理方式是比較安全的方法[5]。

1.1 乙醇熏蒸處理

多名學(xué)者已證明適量濃度的乙醇對(duì)果蔬進(jìn)行熏蒸具有顯著的保鮮作用。經(jīng)過(guò)乙醇熏蒸處理的果蔬在保存期間具有更好的理化性質(zhì)。李云云[6]研究了不同濃度乙醇熏蒸對(duì)雙孢蘑菇品質(zhì)的影響。發(fā)現(xiàn)乙醇用量為400 μL/L時(shí)，可以有效抑制雙孢蘑菇的呼吸作用，保持蘑菇較高的Vc、可溶性固形物和可溶性蛋白質(zhì)含量，同時(shí)降低了總酚含量，從而實(shí)現(xiàn)雙孢蘑菇的保鮮效果。果蔬含有多種類(lèi)型的酶，儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)逐漸失活，影響果蔬的品質(zhì)，乙醇熏蒸有效減緩了酶活的降低，從而起到了保鮮作用。肖婷等[7]研究了20，50，100 μL/L的乙醇熏蒸對(duì)紅薯尖冷藏期間品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，50 μL/L乙醇熏蒸有效提高了多酚氧化酶、過(guò)氧化物酶、超氧化物歧化酶和過(guò)氧化氫酶的活性，降低了丙二醛的含量，儲(chǔ)存12 d的腐爛指數(shù)僅為5.23%，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)乙醇含量上升至100 μL/L時(shí)，紅薯尖腐爛衰老的速度反而加快。由此可見(jiàn)，一定濃度的乙醇熏蒸可以起到果蔬保鮮的作用，但是當(dāng)濃度過(guò)高時(shí)會(huì)起到相反的效果，考慮到乙醇易于揮發(fā)且為了保證熏蒸效果，一般不使用高濃度乙醇。

1.2 乙醇溶液處理

使用適量濃度的乙醇溶液對(duì)鮮果進(jìn)行浸泡同樣能起到保鮮作用。范傳會(huì)等[8]研究了不同乙醇濃度對(duì)于鮮切荸薺品質(zhì)的影響，通過(guò)對(duì)呼吸速率、色澤以及醇、醛、酮含量的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)當(dāng)乙醇濃度為35%～55%時(shí)，可顯著增加多酚氧化酶的活性，延長(zhǎng)了鮮切荸薺的保存期。Han等[9]用6 mL/kg乙醇溶液浸泡西蘭花5 h，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，乙醇處理后的西蘭花過(guò)氧化物酶、超氧化物歧化酶和過(guò)氧化氫酶活性較高，有效抑制了西蘭花的衰老。有學(xué)者研究了不同濃度乙醇對(duì)鮮切馬鈴薯的影響，結(jié)果表明，用5%體積分?jǐn)?shù)的乙醇與微波相結(jié)合處理馬鈴薯15 min有效增加了多酚氧化酶的活性，抑制了酶促褐變，乙醇溶液處理取得理想的保鮮效果，進(jìn)一步推動(dòng)了乙醇溶液在食品保鮮中的應(yīng)用。

1.3 乙醇緩釋放處理

乙醇緩釋放處理是指利用緩釋技術(shù)持續(xù)維持儲(chǔ)存環(huán)境中的低濃度乙醇來(lái)降低果實(shí)的呼吸速率，從而起到保鮮作用。不同濃度的乙醇緩釋保鮮劑對(duì)鮮果有不同的影響，乙醇濃度在一定范圍時(shí)可以有效抑制病原菌，持續(xù)保持鮮果的VC和可溶性固形物含量，保證良好口感。馬瑜等[10]采用不同劑量乙醇緩釋劑處理草莓，用聚乙烯保鮮袋包裝后在室溫(20±2) ℃下避光貯藏7 d，結(jié)果表明，乙醇緩釋氣體有效地抑制了草莓的腐爛，延緩了水分、VC和可滴定酸含量的下降，乙烯產(chǎn)量與呼吸強(qiáng)度均小于未經(jīng)處理的對(duì)照組。此法相比于乙醇熏蒸和乙醇溶液處理，可以使極低濃度的乙醇?xì)怏w持續(xù)釋放到儲(chǔ)藏空間中，在延長(zhǎng)保鮮時(shí)間的同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似酒精發(fā)酵的異味，是一種更加溫和的方法。

2 纖維乙醇的制備與預(yù)處理

常見(jiàn)的預(yù)處理方法可以分為物理法、化學(xué)法、生物法、物理化學(xué)法以及各種組合法。

2.1 物理預(yù)處理法

物理預(yù)處理可以降低纖維素的結(jié)晶度和聚合度，增加纖維素的可及性，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)便。物理預(yù)處理法主要包括機(jī)械粉碎、電離輻射、微波處理和蒸汽爆破等方式。

2.1.1 機(jī)械粉碎

機(jī)械粉碎即通過(guò)機(jī)械破碎處理，減小原料的顆粒尺寸，降低纖維素的結(jié)晶度和聚合度，有效增加了纖維素的可及度，從而提高酶的水解效率。Sipponen等[11]用球磨法研磨玉米秸稈，結(jié)果表明，機(jī)械粉碎破壞了半纖維素的結(jié)構(gòu)，但是對(duì)于木質(zhì)素沒(méi)用顯著影響。Licari等[12]對(duì)比了星球磨、振動(dòng)球磨、離心研磨和噴射研磨4種方法，經(jīng)過(guò)3 h的粉碎處理，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)球磨的效率最好，使甘蔗渣達(dá)到95.3%的葡萄糖產(chǎn)率、94.4%的木糖產(chǎn)率，然而振動(dòng)球磨法能耗較大，考慮到能源問(wèn)題，此法仍需進(jìn)一步改善。

2.1.2 電離輻射

電離輻射是指波長(zhǎng)短、頻率高、能量高的射線，可以使被作用的物質(zhì)產(chǎn)生電離的粒子流。木質(zhì)纖維素原料經(jīng)電離輻射處理后，纖維素的聚合度降低，結(jié)構(gòu)變得松散，原料的比表面積和纖維素的可及度增加。Kapoor K等[13]用γ射線處理甘蔗渣，發(fā)現(xiàn)隨著輻射劑量的增大，轉(zhuǎn)化率也逐漸增大，但到達(dá)頂點(diǎn)后，繼續(xù)加大輻射劑量會(huì)起到相反的作用。張勇等[14]用60Co-γ射線對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理發(fā)現(xiàn)玉米秸稈經(jīng)照射后纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量均降低，且半纖維素含量減少最多，但是經(jīng)測(cè)定并未出現(xiàn)糖的大量損失，于是推測(cè)大分子的纖維素和半纖維素被降解成小分子的糖。電離輻射操作簡(jiǎn)便，但是具有一定的危險(xiǎn)性，需要找到處理的最佳條件才能起到良好的效果。

2.1.3 微波處理

微波是一種波長(zhǎng)在1 mm～100 cm之間、頻率在300 MHz～300 GHz的電磁波。微波輻照與傳統(tǒng)的加熱過(guò)程不同，微波加熱是基于極性分子直接吸收能量的內(nèi)部加熱過(guò)程。馬歡等[15]用微波輻照強(qiáng)度680 W處理水稻秸稈24 min，使纖維素的轉(zhuǎn)化率提高了30.6%，總轉(zhuǎn)化率提高了30.3%。有學(xué)者認(rèn)為將微波與酸、堿、有機(jī)溶劑等催化劑結(jié)合起來(lái)降解木質(zhì)素的效果更好。Bahiru T[16]用氫氧化鈉溶液處理樣品后再進(jìn)行微波處理，不僅去除了60%以上的木質(zhì)素，同時(shí)去除了大量的酸不溶性灰分(主要是二氧化硅)，進(jìn)一步提高了葡萄糖的產(chǎn)量。微波處理在去除木質(zhì)素的同時(shí)，還去除了酸不溶性灰分，從而提高了酶解效果，但是微波處理設(shè)備費(fèi)用偏高，目前未應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。

2.1.4 蒸汽爆破法

蒸汽爆破是利用高能熱量的蒸汽使纖維發(fā)生“爆炸”，通過(guò)瞬間泄壓破壞秸稈的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，增加纖維素的可及度。López-Linares J C[17]等在215 ℃下處理油菜秸稈7.5 min，使纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)到81%。Alvira P等[18]在200 ℃下處理玉米秸稈10 min，得到 80%的纖維素轉(zhuǎn)化率，此法需要較高的條件，溫度越高處理時(shí)間越短。Alvarez C等[19]在180 ℃，30 min的條件下處理大麥秸稈，使纖維素與半纖維素轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到90%和60%。Chandra R P等[20]用兩個(gè)階段(不同的溫度和處理時(shí)間)處理?xiàng)顦?shù)，使纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)到92%，此方法適用于各種原料，尤其是農(nóng)業(yè)殘余物和硬木。

2.2 化學(xué)預(yù)處理法

化學(xué)預(yù)處理方法主要包括酸處理、堿處理和氧化預(yù)處理等方法?；瘜W(xué)處理在破壞方面非常有效，但是更容易產(chǎn)生抑制發(fā)酵的副產(chǎn)物。

2.2.1 酸法預(yù)處理

酸法預(yù)處理是一種常用的方法。經(jīng)過(guò)稀硫酸處理后的原料，半纖維素含量減少，使得纖維素酶更易接觸到纖維素，提高了酶解效果。Hsu T C等[21]用1%的硫酸處理稻草，在160～180 ℃下反應(yīng)1～5 min，獲得最大轉(zhuǎn)化率為83%。有學(xué)者用2%的硫酸處理玉米秸稈，在121 ℃下反應(yīng)1 h，半纖維素含量下降22.06%，木質(zhì)素含量基本沒(méi)有變化。Qing Q等[22]用1%稀硫酸在121 ℃下處理大豆秸稈1 h，去除了62.4%的半纖維素，水解轉(zhuǎn)化率最高達(dá)70.3%。酸處理去除了更多的半纖維素，使纖維素酶更容易附著于纖維素上，但同時(shí)降低了半纖維素的利用率。

2.2.2 堿法預(yù)處理

堿法是通過(guò)向木質(zhì)纖維素原料中加入堿液，溶解木質(zhì)素以增加纖維素的暴露面積來(lái)促進(jìn)水解，主要原理是加入堿性溶液后發(fā)生酯化反應(yīng)和糖苷鍵斷裂，使木質(zhì)纖維素生物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。張?jiān)骑w等[23]用稀氫氧化鈉處理甘蔗渣，并研究了其結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)處理后的甘蔗渣結(jié)構(gòu)變得松散，易于被水解。Qing Q等用1%的氫氧化鈉在121 ℃下處理大豆秸稈1 h，去除木質(zhì)素32.6%，轉(zhuǎn)化率為50.5%，較未處理的大豆秸稈提高了28.4%。也有學(xué)者將氫氧化鈉與離子液體(1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽)混合，在98.5 ℃下處理玉米秸稈1.31 h，木質(zhì)素去除率高達(dá)87.4%。

2.2.3 氧化預(yù)處理

常用的氧化劑主要有臭氧和H2O2。氧化的作用是除去木質(zhì)素以及灰分，但也會(huì)溶解半纖維素和少量的纖維素，并且在降解木質(zhì)素時(shí)會(huì)釋放少量的有機(jī)酸等抑制物，對(duì)后續(xù)發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用。Travaini R等[24]用臭氧處理甘蔗渣，得到77.55%和56.95%的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化率。有學(xué)者將過(guò)氧化氫與生物法和酸法結(jié)合，在去除木質(zhì)素、提高轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，大大提高了轉(zhuǎn)化的速率。Serafín Muoz等[25]用堿性H2O2處理玉米秸稈和小麥秸稈，發(fā)現(xiàn)它們?nèi)コ舜罅康哪举|(zhì)素和半纖維素，同時(shí)去除了小麥秸稈中86.4%的灰分，過(guò)氧化氫的加入不僅提高了轉(zhuǎn)化率，同時(shí)降低了水解液中發(fā)酵抑制劑的含量。

2.3 生物預(yù)處理法

生物處理法與其他方法相比能耗低且不需要添加化學(xué)試劑，它是利用微生物產(chǎn)生木質(zhì)素降解酶如過(guò)氧化物酶和漆酶去除木質(zhì)素，從而提高水解效果。目前生物預(yù)處理主要使用的是棕色、白色和軟腐真菌的微生物，它們可以降解木質(zhì)素和半纖維素。Wan Caixia[26]用Ceriporiopsissubvermispora(一種木質(zhì)素降解菌)處理玉米秸稈，去除了31.59%的木質(zhì)素，纖維素?fù)p失率小于6%。Badal C Saha等[27]優(yōu)化了Phlebiabrevispora(一種白腐菌) NRRL-13018菌株處理玉米秸稈的條件，在28 ℃下，保持28%水分處理42 d，得到較高的糖產(chǎn)量且未檢測(cè)到發(fā)酵抑制物(糠醛和羥甲基糠醛)。生物預(yù)處理法相對(duì)于其他方法而言更加溫和，不會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物，但是處理時(shí)間較長(zhǎng)。

2.4 物理化學(xué)預(yù)處理法

2.4.1 氨纖維爆破法

氨纖維爆破法利用液態(tài)無(wú)水氨在一定的溫度和壓強(qiáng)下浸泡物料一段時(shí)間，然后釋放壓力，使氨氣快速膨脹，從而引起生物質(zhì)纖維膨脹造成物理破壞。Tao Ling等[28]用氨纖維爆破法處理柳枝稷，取得76.0%和76.1%的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化率。Zhong C等[29]對(duì)稻草秸稈進(jìn)行氨纖維爆破，在140 ℃下處理30 min，每 1 g原料加入1 g氨水，最終取得80.6%的纖維素和89.6%的半纖維素轉(zhuǎn)化率。Blümmel M等[30]向原料中加入氨水，在1.4 MPa，100 ℃下對(duì)10種谷物秸稈進(jìn)行氨纖維爆破，成功提高了60%～85%的纖維素轉(zhuǎn)化率和50%～85%的半纖維素轉(zhuǎn)化率。然而，此法對(duì)于含有較高木質(zhì)素含量的生物質(zhì)并不是非常有效。

2.4.2 超臨界流體萃取

超臨界流體同時(shí)具有液體和氣體的性質(zhì)，因此利用超臨界流體特殊的溶解性和滲透擴(kuò)散性對(duì)原料進(jìn)行處理。Lv Huisheng等[31]用水-乙醇為共溶劑的超臨界CO2處理玉米秸稈時(shí)加入水-乙醇為共溶劑，當(dāng)水醇比為2∶1時(shí)，得到最佳轉(zhuǎn)化率77.8%，且發(fā)現(xiàn)處理后的原料半纖維素和木質(zhì)素含量明顯降低。Daza Serna L V等[32]同樣用水-乙醇為共溶劑對(duì)稻殼進(jìn)行超臨界CO2處理，其認(rèn)為最佳處理?xiàng)l件是80 ℃，27 MPa，水醇比3∶1，去除木質(zhì)素含量高達(dá)96%。 Zhang Hong等[33]用超臨界CO2處理甘蔗渣，在180 ℃獲得最佳轉(zhuǎn)化率93.0%。超臨界流體具有無(wú)毒、不可燃等優(yōu)點(diǎn)，但是超臨界處理的條件不宜確定且成本相對(duì)較高，用相對(duì)較低的條件處理原料對(duì)于原料的成分并沒(méi)有顯著的影響，轉(zhuǎn)化率提升有限，然而當(dāng)處理溫度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的糠醛和羥甲基糠醛等副產(chǎn)物。

2.5 混合預(yù)處理法

各種預(yù)處理方法都有優(yōu)勢(shì)和局限性，單一的預(yù)處理方式很難達(dá)到理想的效果。比較常見(jiàn)的組合方法有兩種：平行組合法和順序組合法。前者是多種處理方法同時(shí)使用，后者是多種處理方法先后使用。例如, SriBala G[34]將超聲波與堿處理相結(jié)合，得到67.42%的葡萄糖轉(zhuǎn)化率，較未處理原料提高了2.6倍。Shi F等[35]將臭氧與行星球磨法結(jié)合處理稻草秸稈，用臭氧處理90 min，再用行星球磨研磨8 min，每 1 g秸稈得到407.8 mg葡萄糖和101.9 mg木糖，且發(fā)現(xiàn)其在一定范圍內(nèi)降低酶濃度不會(huì)對(duì)水解率產(chǎn)生影響，有助于節(jié)約成本。Chen B等[36]在180 ℃下處理油菜秸稈，然后加入2%氫氧化鈉在100 ℃處理2 h，最終使轉(zhuǎn)化率增加5.9倍。也有研究人員將水熱處理與酸、堿處理相結(jié)合，氨處理與二氧化碳處理相結(jié)合等。組合處理法結(jié)合了多種處理方法，兼具多種方法優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步提高了酶解效率。

3 纖維乙醇在食品中的應(yīng)用

乙醇已經(jīng)廣泛添加于各種食品中或者作為加工助劑使用。在腐乳中添加少量的食用酒精，不僅能夠提高食品的口感，也可以抑制微生物的生長(zhǎng)。在料酒中，也有少量的酒精，有效地去除了魚(yú)、肉類(lèi)的腥膻味，增加了菜肴的香氣。部分鮮面制品中也會(huì)加入微量的酒精，起到保鮮和殺菌的作用。大多數(shù)香精都是以食用乙醇為溶劑配制的，乙醇作為一種安全的防腐劑已應(yīng)用在多種果蔬中證明是有效的。

4 結(jié)論

乙醇在食品中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，不論是直接添加在產(chǎn)品中，還是作為加工助劑使用，乙醇都具有高安全性和低毒性的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，作為防腐劑使用還是具有一定的應(yīng)用局限性，研究人員已經(jīng)對(duì)少數(shù)種類(lèi)的乙醇提取液進(jìn)行了研究，如蜂膠乙醇提取液、生姜乙醇提取液等都具有良好的防腐保鮮作用，后期將圍繞此進(jìn)行應(yīng)用研究。

以木質(zhì)纖維素原料制備乙醇在不占用人類(lèi)口糧的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了廢物利用，但是其堅(jiān)固的細(xì)胞壁需要一定的預(yù)處理，在諸多預(yù)處理方法中，物理預(yù)處理法最大的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需加入新的試劑，操作簡(jiǎn)便，然而其功耗較大、成本高的缺點(diǎn)限制了其在工業(yè)中的使用。單一的物理預(yù)處理方法有較大的局限性，因此常配合其他方法一同使用?；瘜W(xué)處理方法是通過(guò)破壞纖維素-半纖維素-木質(zhì)素結(jié)構(gòu)提高酶解效率，其處理效果要優(yōu)于物理處理法但污染環(huán)境。不管是物理處理法還是化學(xué)處理法，都容易產(chǎn)生發(fā)酵抑制劑，對(duì)后期的發(fā)酵產(chǎn)生顯著的抑制作用。生物預(yù)處理法不同于物理處理法和化學(xué)處理法，它是一種更加環(huán)保和安全的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于功耗低，操作條件溫和，不產(chǎn)生副產(chǎn)物。但是目前可用的微生物種類(lèi)較少，在處理過(guò)程中還需要考慮染菌問(wèn)題，其最大的問(wèn)題在于分解木質(zhì)素的酶類(lèi)活力低，處理時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)形之中提高了成本。目前最具有效率的方法還屬于混合處理法，這也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

總而言之，木質(zhì)纖維素原料制備乙醇并添加于食品中或者作為加工助劑是一種良好的資源利用方法，隨著相關(guān)方法的研究，纖維乙醇防腐劑將擁有更廣闊的市場(chǎng)。