纖維素乙醇作為防腐劑的應用及制備處理方法研究進展

高文海，隋麗娜，劉同軍，楊平平，王燕

(齊魯工業大學(山東省科學院) 生物工程學院，濟南 250353)

食品加工和儲藏過程中發生的食品腐敗變質是目前食品工業面臨的主要問題之一[1]。據統計，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，因此，人們對于防腐劑的開發與應用愈加關注[2]。本文重點介紹了乙醇作為防腐劑的應用以及纖維乙醇的處理方法。

1 乙醇在食品防腐中的應用

隨著國家對食品及其相關行業的大力監督，人們越來越注重食品的安全問題[3-4]。乙醇作為植物天然產生的代謝產物，具有相對的安全性，因此被廣泛應用于食品行業中。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。適當濃度的乙醇處理具有保證果蔬新鮮的作用，相對于SO2熏蒸、福爾馬林、醛類、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

多名學者已證明適量濃度的乙醇對果蔬進行熏蒸具有顯著的保鮮作用。經過乙醇熏蒸處理的果蔬在保存期間具有更好的理化性質。李云云[6]研究了不同濃度乙醇熏蒸對雙孢蘑菇品質的影響。發現乙醇用量為400 μL/L時，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含量，同時降低了總酚含量，從而實現雙孢蘑菇的保鮮效果。果蔬含有多種類型的酶，儲存過程中會逐漸失活，影響果蔬的品質，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的乙醇熏蒸對紅薯尖冷藏期間品質的影響。結果表明，50 μL/L乙醇熏蒸有效提高了多酚氧化酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的活性，降低了丙二醛的含量，儲存12 d的腐爛指數僅為5.23%，并且發現當乙醇含量上升至100 μL/L時，紅薯尖腐爛衰老的速度反而加快。由此可見，一定濃度的乙醇熏蒸可以起到果蔬保鮮的作用，但是當濃度過高時會起到相反的效果，考慮到乙醇易于揮發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鮮果進行浸泡同樣能起到保鮮作用。范傳會等[8]研究了不同乙醇濃度對于鮮切荸薺品質的影響，通過對呼吸速率、色澤以及醇、醛、酮含量的測定，發現當乙醇濃度為35%～55%時，可顯著增加多酚氧化酶的活性，延長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，發現與對照組相比，乙醇處理后的西蘭花過氧化物酶、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性較高，有效抑制了西蘭花的衰老。有學者研究了不同濃度乙醇對鮮切馬鈴薯的影響，結果表明，用5%體積分數的乙醇與微波相結合處理馬鈴薯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，進一步推動了乙醇溶液在食品保鮮中的應用。

1.3 乙醇緩釋放處理

乙醇緩釋放處理是指利用緩釋技術持續維持儲存環境中的低濃度乙醇來降低果實的呼吸速率，從而起到保鮮作用。不同濃度的乙醇緩釋保鮮劑對鮮果有不同的影響，乙醇濃度在一定范圍時可以有效抑制病原菌，持續保持鮮果的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，乙烯產量與呼吸強度均小于未經處理的對照組。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氣體持續釋放到儲藏空間中，在延長保鮮時間的同時不會產生類似酒精發酵的異味，是一種更加溫和的方法。

2 纖維乙醇的制備與預處理

常見的預處理方法可以分為物理法、化學法、生物法、物理化學法以及各種組合法。

2.1 物理預處理法

物理預處理可以降低纖維素的結晶度和聚合度，增加纖維素的可及性，其最大的優點在于操作簡便。物理預處理法主要包括機械粉碎、電離輻射、微波處理和蒸汽爆破等方式。

2.1.1 機械粉碎

機械粉碎即通過機械破碎處理，減小原料的顆粒尺寸，降低纖維素的結晶度和聚合度，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，結果表明，機械粉碎破壞了半纖維素的結構，但是對于木質素沒用顯著影響。Licari等[12]對比了星球磨、振動球磨、離心研磨和噴射研磨4種方法，經過3 h的粉碎處理，發現振動球磨的效率最好，使甘蔗渣達到95.3%的葡萄糖產率、94.4%的木糖產率，然而振動球磨法能耗較大，考慮到能源問題，此法仍需進一步改善。

2.1.2 電離輻射

電離輻射是指波長短、頻率高、能量高的射線，可以使被作用的物質產生電離的粒子流。木質纖維素原料經電離輻射處理后，纖維素的聚合度降低，結構變得松散，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，發現隨著輻射劑量的增大，轉化率也逐漸增大，但到達頂點后，繼續加大輻射劑量會起到相反的作用。張勇等[14]用60Co-γ射線對玉米秸稈進行預處理發現玉米秸稈經照射后纖維素、半纖維素、木質素含量均降低，且半纖維素含量減少最多，但是經測定并未出現糖的大量損失，于是推測大分子的纖維素和半纖維素被降解成小分子的糖。電離輻射操作簡便，但是具有一定的危險性，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。微波輻照與傳統的加熱過程不同，微波加熱是基于極性分子直接吸收能量的內部加熱過程。馬歡等[15]用微波輻照強度680 W處理水稻秸稈24 min，使纖維素的轉化率提高了30.6%，總轉化率提高了30.3%。有學者認為將微波與酸、堿、有機溶劑等催化劑結合起來降解木質素的效果更好。Bahiru T[16]用氫氧化鈉溶液處理樣品后再進行微波處理，不僅去除了60%以上的木質素，同時去除了大量的酸不溶性灰分(主要是二氧化硅)，進一步提高了葡萄糖的產量。微波處理在去除木質素的同時，還去除了酸不溶性灰分，從而提高了酶解效果，但是微波處理設備費用偏高，目前未應用于工業化生產。

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生“爆炸”，通過瞬間泄壓破壞秸稈的木質纖維素結構，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，使纖維素轉化率達到81%。Alvira P等[18]在200 ℃下處理玉米秸稈10 min，得到 80%的纖維素轉化率，此法需要較高的條件，溫度越高處理時間越短。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化率分別達到90%和60%。Chandra R P等[20]用兩個階段(不同的溫度和處理時間)處理楊樹，使纖維素轉化率達到92%，此方法適用于各種原料，尤其是農業殘余物和硬木。

2.2 化學預處理法

化學預處理方法主要包括酸處理、堿處理和氧化預處理等方法。化學處理在破壞方面非常有效，但是更容易產生抑制發酵的副產物。

2.2.1 酸法預處理

酸法預處理是一種常用的方法。經過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1～5 min，獲得最大轉化率為83%。有學者用2%的硫酸處理玉米秸稈，在121 ℃下反應1 h，半纖維素含量下降22.06%，木質素含量基本沒有變化。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，水解轉化率最高達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，但同時降低了半纖維素的利用率。

2.2.2 堿法預處理

堿法是通過向木質纖維素原料中加入堿液，溶解木質素以增加纖維素的暴露面積來促進水解，主要原理是加入堿性溶液后發生酯化反應和糖苷鍵斷裂，使木質纖維素生物質結構發生變化。張云飛等[23]用稀氫氧化鈉處理甘蔗渣，并研究了其結構變化，發現處理后的甘蔗渣結構變得松散，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，去除木質素32.6%，轉化率為50.5%，較未處理的大豆秸稈提高了28.4%。也有學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，木質素去除率高達87.4%。

2.2.3 氧化預處理

常用的氧化劑主要有臭氧和H2O2。氧化的作用是除去木質素以及灰分，但也會溶解半纖維素和少量的纖維素，并且在降解木質素時會釋放少量的有機酸等抑制物，對后續發酵產生抑制作用。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化率。有學者將過氧化氫與生物法和酸法結合，在去除木質素、提高轉化率的同時，大大提高了轉化的速率。Serafín Muoz等[25]用堿性H2O2處理玉米秸稈和小麥秸稈，發現它們去除了大量的木質素和半纖維素，同時去除了小麥秸稈中86.4%的灰分，過氧化氫的加入不僅提高了轉化率，同時降低了水解液中發酵抑制劑的含量。

2.3 生物預處理法

生物處理法與其他方法相比能耗低且不需要添加化學試劑，它是利用微生物產生木質素降解酶如過氧化物酶和漆酶去除木質素，從而提高水解效果。目前生物預處理主要使用的是棕色、白色和軟腐真菌的微生物，它們可以降解木質素和半纖維素。Wan Caixia[26]用Ceriporiopsissubvermispora(一種木質素降解菌)處理玉米秸稈，去除了31.59%的木質素，纖維素損失率小于6%。Badal C Saha等[27]優化了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，得到較高的糖產量且未檢測到發酵抑制物(糠醛和羥甲基糠醛)。生物預處理法相對于其他方法而言更加溫和，不會產生副產物，但是處理時間較長。

2.4 物理化學預處理法

2.4.1 氨纖維爆破法

氨纖維爆破法利用液態無水氨在一定的溫度和壓強下浸泡物料一段時間，然后釋放壓力，使氨氣快速膨脹，從而引起生物質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化率。Zhong C等[29]對稻草秸稈進行氨纖維爆破，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%的半纖維素轉化率。Blümmel M等[30]向原料中加入氨水，在1.4 MPa，100 ℃下對10種谷物秸稈進行氨纖維爆破，成功提高了60%～85%的纖維素轉化率和50%～85%的半纖維素轉化率。然而，此法對于含有較高木質素含量的生物質并不是非常有效。

2.4.2 超臨界流體萃取

超臨界流體同時具有液體和氣體的性質，因此利用超臨界流體特殊的溶解性和滲透擴散性對原料進行處理。Lv Huisheng等[31]用水-乙醇為共溶劑的超臨界CO2處理玉米秸稈時加入水-乙醇為共溶劑，當水醇比為2∶1時，得到最佳轉化率77.8%，且發現處理后的原料半纖維素和木質素含量明顯降低。Daza Serna L V等[32]同樣用水-乙醇為共溶劑對稻殼進行超臨界CO2處理，其認為最佳處理條件是80 ℃，27 MPa，水醇比3∶1，去除木質素含量高達96%。 Zhang Hong等[33]用超臨界CO2處理甘蔗渣，在180 ℃獲得最佳轉化率93.0%。超臨界流體具有無毒、不可燃等優點，但是超臨界處理的條件不宜確定且成本相對較高，用相對較低的條件處理原料對于原料的成分并沒有顯著的影響，轉化率提升有限，然而當處理溫度過高時會產生較多的糠醛和羥甲基糠醛等副產物。

2.5 混合預處理法

各種預處理方法都有優勢和局限性，單一的預處理方式很難達到理想的效果。比較常見的組合方法有兩種：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合，得到67.42%的葡萄糖轉化率，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，且發現其在一定范圍內降低酶濃度不會對水解率產生影響，有助于節約成本。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、堿處理相結合，氨處理與二氧化碳處理相結合等。組合處理法結合了多種處理方法，兼具多種方法優點，進一步提高了酶解效率。

3 纖維乙醇在食品中的應用

乙醇已經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。在料酒中，也有少量的酒精，有效地去除了魚、肉類的腥膻味，增加了菜肴的香氣。部分鮮面制品中也會加入微量的酒精，起到保鮮和殺菌的作用。大多數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用在多種果蔬中證明是有效的。

4 結論

乙醇在食品中已經有了廣泛的應用，不論是直接添加在產品中，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點。當然，作為防腐劑使用還是具有一定的應用局限性，研究人員已經對少數種類的乙醇提取液進行了研究，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，后期將圍繞此進行應用研究。

以木質纖維素原料制備乙醇在不占用人類口糧的同時實現了廢物利用，但是其堅固的細胞壁需要一定的預處理，在諸多預處理方法中，物理預處理法最大的優點在于無需加入新的試劑，操作簡便，然而其功耗較大、成本高的缺點限制了其在工業中的使用。單一的物理預處理方法有較大的局限性，因此常配合其他方法一同使用。化學處理方法是通過破壞纖維素-半纖維素-木質素結構提高酶解效率，其處理效果要優于物理處理法但污染環境。不管是物理處理法還是化學處理法，都容易產生發酵抑制劑，對后期的發酵產生顯著的抑制作用。生物預處理法不同于物理處理法和化學處理法，它是一種更加環保和安全的方法，其優點在于功耗低，操作條件溫和，不產生副產物。但是目前可用的微生物種類較少，在處理過程中還需要考慮染菌問題，其最大的問題在于分解木質素的酶類活力低，處理時間長，無形之中提高了成本。目前最具有效率的方法還屬于混合處理法，這也是當前研究的熱點。

總而言之，木質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，隨著相關方法的研究，纖維乙醇防腐劑將擁有更廣闊的市場。