固定化技術(shù)在白酒行業(yè)中的應(yīng)用回顧與展望

何 運，周文川，田殿梅

（瀘州職業(yè)技術(shù)學，四川瀘州 646000）

1 固定化技術(shù)概述

固定化技術(shù)是利用物理或化學手段，將生物細胞或一些不穩(wěn)定的酶，吸附或固定在較小區(qū)域空間內(nèi)，使其細胞數(shù)量或酶濃度得以富集濃縮，在保證其生化活性的同時，又能提高細胞或生物酶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、環(huán)境耐受性、重復(fù)使用性的一種生化處理技術(shù)。在20 世紀50 年代末，HATTORI 等[1]首次成功使用吸附樹脂固定大腸桿菌，固定化技術(shù)的研究就此拉開序幕。隨后幾十年的發(fā)展，有關(guān)固定化載體材料、固定化生物細胞、固定化酶工程等內(nèi)容的研究不斷深入和創(chuàng)新，并在食品工業(yè)、藥品研制、污染治理、土壤修復(fù)及生物能源開發(fā)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 固定化技術(shù)在白酒行業(yè)中的應(yīng)用研究回顧

我國白酒的發(fā)酵通常采用多菌種發(fā)酵技術(shù)，原料的糖化、液化、產(chǎn)酒和生香都需要不同類型的微生物協(xié)同參與，而微生物在生長、代謝過程中，往往存在著營養(yǎng)競爭和產(chǎn)物抑制的相互關(guān)系，因此在實際生產(chǎn)中，提高對白酒發(fā)酵和生香有益的微生物數(shù)量、提升釀酒微生物的環(huán)境耐受力、維持其生長和代謝活力，一直以來都是白酒行業(yè)不斷討論和研究的熱點。

由于固定化技術(shù)的加工特性，其產(chǎn)品通常會在緩釋性、穩(wěn)定性、耐受性等方面得到強化，這為解決上述白酒發(fā)酵生產(chǎn)過程中存在的問題和難點，提供了可行的路徑。此外，被固定化的細胞或酶，在連續(xù)發(fā)酵、高效生產(chǎn)、反復(fù)利用等特性上也有著比傳統(tǒng)游離細胞或酶更優(yōu)異的性能表現(xiàn)。本文就此內(nèi)容開展回顧和述評，并從固定化生物細胞和固定化酶兩個方面，梳理了近年來的研究成果。

2.1 固定化生物細胞在白酒行業(yè)中的應(yīng)用

早在20 世紀80 年代，我國輕工業(yè)部聯(lián)合江蘇雙溝酒廠、山東武城酒廠開展了固定化己酸菌批式發(fā)酵的國家“六五”攻關(guān)項目研究[2]，試驗結(jié)果表明，固定化的己酸菌不僅在己酸產(chǎn)量上有了顯著提升，其產(chǎn)酸活性在低溫環(huán)境（4 ～6 ℃）下儲藏3 個月后依然保持較高水平。此后，張婕[3]以2%的海藻酸鈉溶液為載體，將己酸菌菌液與氯化鈣溶液按照1 ∶4的體積比混合后制成球狀凝膠，被包埋后的己酸菌液不僅能夠重復(fù)產(chǎn)酸，還具有較強的機械穩(wěn)定性，載體可保持100 d 以上不變性，這為以后己酸菌在中溫大曲培養(yǎng)、窖泥馴化老熟、酯化液制備等方面的應(yīng)用奠定了理論研究基礎(chǔ)。

同樣在20 世紀80 年代末，在白酒釀造工業(yè)中，有關(guān)酵母細胞固定化技術(shù)的研究報道也隨之出現(xiàn)。孫志敏等[4]采用海藻酸鈣對酵母細胞懸液進行固定，并分別將制備的固定化酵母與游離酵母在酯化培養(yǎng)基中，與己酸菌液共培養(yǎng)發(fā)酵。結(jié)果顯示，在發(fā)酵4 d 后，固定化酵母比游離酵母表現(xiàn)出更高的己酸乙酯產(chǎn)率，這也為濃香型白酒的提質(zhì)增香以及連續(xù)化發(fā)酵生產(chǎn)和自動化控制提供了可行路徑。此后，許喜林等[5]分別將根霉菌和酵母菌制成固定化細胞，通過培養(yǎng)基模擬半連續(xù)發(fā)酵試驗。結(jié)果表明，采用雙邊發(fā)酵的釀酒工藝結(jié)合兩種固定化細胞生產(chǎn)米香型飲料酒，較之于傳統(tǒng)固體曲藥，具有更高的原料出酒率和更短的發(fā)酵周期。

隨著固定化技術(shù)的不斷發(fā)展和推廣應(yīng)用，21 世紀以后，學者們的研究重點也逐漸開始從最初的對釀酒微生物細胞進行簡單的固定，轉(zhuǎn)向采用復(fù)合載體對發(fā)酵過程中的微生物細胞、特殊菌體或其他活性物質(zhì)等開展更高效和多樣性的固定化研究。侯紅萍等[6]選擇溶液濃度為6%的明膠-戊二醛為包埋劑制得固定化酵母菌體，在白酒液態(tài)法發(fā)酵中具有比游離酵母更高的原料出酒率和產(chǎn)酯量。張磊等[7]采用正交試驗法探究了海藻酸鈉、硼酸-氯化鈣、二氧化硅以及聚乙烯醇這4 種壁材復(fù)配使用的最佳工藝配比，確定了酵母細胞的最佳固定化條件。

此后數(shù)十年間，固定化微生物技術(shù)在白酒工業(yè)中的應(yīng)用范圍不斷延伸，有關(guān)釀酒副產(chǎn)物的降解、多細胞共固定化技術(shù)、高產(chǎn)菌株的篩選及包埋等研究內(nèi)容也逐漸成為新的討論熱點。吳正云[8]在對濃香型大曲酒丟糟的資源化利用過程中發(fā)現(xiàn)，固定化酵母具有比游離酵母更高效的丟糟降解液處理效率，在實際生產(chǎn)中，可提高酒類企業(yè)對丟糟的綜合利用率。劉永軍等[9]采用多細胞共固定化技術(shù)對濃香型白酒窖泥中分離出的優(yōu)勢菌株進行固定，通過發(fā)酵柱模擬了不同階段酒糟發(fā)酵產(chǎn)酸的變化規(guī)律。史雁飛[10]利用紫外照射和微波誘變處理釀酒酵母和異常威克漢遜酵母，將篩選出的突變菌株進行固定化處理后，菌株酒精耐受力顯著提升，乙酸乙酯產(chǎn)量高達3.4 g·L-1，為促進清香型大曲酒中乙酸乙酯的生成與累積奠定了重要的研究基礎(chǔ)。

2.2 固定化酶在白酒行業(yè)中的應(yīng)用

我國白酒的香型通常分為12 種，其關(guān)系網(wǎng)圖及典型代表產(chǎn)品如圖1 所示。

圖1 我國白酒十二香型關(guān)系及其代表產(chǎn)品

目前，我國已鑒定出的白酒呈香呈味物質(zhì)多達上千種，其中酯類物質(zhì)的含量最多，不僅能賦予酒體天然果香，還能使人產(chǎn)生舒適的愉悅感。近年來，隨著固定化酶處理技術(shù)的發(fā)展，與白酒產(chǎn)酯生香有關(guān)的生物酶被定向提取、包埋和應(yīng)用，被固定化的酶在白酒的催陳老熟、增加酒體酯類化合物、降解白酒中異雜物質(zhì)、廢棄資源處理及酒體凈化等方面，表現(xiàn)出了比傳統(tǒng)酶制劑更高效便捷的應(yīng)用優(yōu)勢。

賴登燡等[11]開展了根霉酯化菌的產(chǎn)酯條件研究，結(jié)果顯示被有機溶劑處理后的根霉，其胞內(nèi)酯化酶系以菌體細胞為載體被有效固定，并且在有機和無機溶劑相中均具有良好的己酸乙酯產(chǎn)率，尤其適用于濃香型白酒廠的釀造生產(chǎn)。鄧彭花[12]采用固定化脂肪酶處理豉香型白酒陳釀醞浸的老肥豬肉，改變了肥油中酸價和脂肪酸組成，實現(xiàn)了加速陳肉氧化老熟、縮短老肥豬肉培養(yǎng)時間、提高豉香型白酒產(chǎn)酒質(zhì)量的目的。

在催化合成酯香化合物方面，梁龍元等[13]采用固定化技術(shù)分別將紫紅曲霉酯酶和豬胰腺脂肪酶進行包埋固定，并用于催化制備乙酸異戊酯、己酸乙酯和乙酸丁酯，以此提高白酒產(chǎn)風味物質(zhì)的比率。王洪海等[14]在此基礎(chǔ)上，采用交聯(lián)劑固定化方法，將假絲酵母中的脂肪酶制成固定化酶凝膠顆粒，用于催化正丁醇和乙酸乙酯反應(yīng)制備乙酸正丁酯。HE等[15]以磁性膠原納米顆粒為固定化載體，利用共價結(jié)合法將假絲酵母脂肪酶固定后用于合成丁酸乙酯，其產(chǎn)品具有良好的磁分離能力。

雜醇油是糧谷類原料在發(fā)酵制備乙醇時，產(chǎn)生的碳原子數(shù)大于2 的脂肪醇混合物，它是白酒釀造過程中普遍存在的一類釀酒副產(chǎn)物，其含量過多往往會引起飲酒后的頭痛和宿醉。程永樂[16]采用海藻酸鈉對蘋果皮渣中分離提取的高級醇降解酶開展固定化研究，試驗結(jié)果顯示，固定化的蘋果粗酶用于處理白酒酒樣，能夠有效降低酒中雜醇油的含量。王東[17]從曲藥和酒糟中分離出具有乙醇耐受性的腸桿菌菌株，通過將其產(chǎn)生的丙醇脫氫酶固定化，可實現(xiàn)多次循環(huán)催化乙醇中的丙醇氧化為丙醛，對降解白酒中的部分高級醇的含量具有一定的參考價值。

此外，在白酒釀造生產(chǎn)的廢棄物處理、原酒除雜和酒體凈化等環(huán)節(jié)，固定化技術(shù)的應(yīng)用也在逐漸滲透和發(fā)展。EGWIM 等[18]采用殼聚糖珠分別對蝸牛腸道分離物中提取的纖維素酶和釀酒酵母進行固定化處理，并將其用于甘蔗渣的水解和發(fā)酵，最終還原糖和乙醇的產(chǎn)率均高于使用游離纖維素酶和游離酵母細胞的對照組。DONG 等[19]采用硼酸、氯化鈣和殼聚糖對氨基甲酸酯酶進行包埋固定，氨基甲酸酯酶的耐熱性、耐乙醇性均顯著提升，將其應(yīng)用于我國白酒貯藏中，可有效降低酒體中2A 類致癌物氨基甲酸酯的含量。CHEN 等[20]采用病毒狀二氧化硅與南極假絲酵母脂肪酶B 進行共價結(jié)合，然后利用自粘附法將其引入聚間苯二甲酰間苯二胺膜中，制成的生物膜能夠高效吸附和催化降解低度白酒加漿降度時引起渾濁的棕櫚酸乙酯、油酸乙酯、亞油酸乙酯。

3 固定化技術(shù)在白酒行業(yè)中的應(yīng)用展望

綜上可見，近40 年來固定化技術(shù)的不斷發(fā)展，讓傳統(tǒng)白酒釀造行業(yè)在功能微生物強化、原酒催陳老熟、廢棄物資源化利用、酒體除雜凈化等領(lǐng)域獲得了新的技術(shù)突破和工藝創(chuàng)新，對提高我國白酒的固態(tài)釀造發(fā)酵效率和產(chǎn)酒質(zhì)量起到了促進作用。但是，固定化產(chǎn)品在酒類企業(yè)獲得了廣泛普及與應(yīng)用，尚存在著一些技術(shù)層面的難點，為此，在今后的研究中可從以下幾方面繼續(xù)深入開展研究工作。①有關(guān)固定化載體材料創(chuàng)新及其發(fā)酵環(huán)境安全性的研究。白酒的發(fā)酵是一個多種微生物共同發(fā)酵的復(fù)雜系統(tǒng)，將固定化細胞或酶應(yīng)用于白酒發(fā)酵系統(tǒng)中，必須考慮到載體在自然降解、底物滲透、廢料回收、環(huán)境殘留等方面的問題，以防止在固定化產(chǎn)品使用過程中，為釀酒微生態(tài)系統(tǒng)帶來的不可逆破壞。因此，結(jié)合白酒固態(tài)釀造的發(fā)酵特點，針對性地開展功能性固定化材料或新型改性復(fù)合材料的研制，是未來值得深入研究的一個方向。②基于多酶或多細胞的共固定化技術(shù)研究。白酒的培菌制曲、發(fā)酵生產(chǎn)、貯藏老熟等過程，涉及了紛繁復(fù)雜的微生物參與以及各類生物酶的級聯(lián)反應(yīng)，若僅對單一或少數(shù)幾種功能微生物或酶進行固定研究，很難在實際生產(chǎn)中獲得理想效果。由于共固定化技術(shù)是將多類芯材同時固定在一個載體上，其產(chǎn)品的催化選擇性和協(xié)同性往往更高，因此將其應(yīng)用于白酒生產(chǎn)過程中，對于降低發(fā)酵過程中一些過渡產(chǎn)物積累、減少污染物的生成、提高底物傳質(zhì)反應(yīng)效率等方面，均具有潛在的研究價值。③開發(fā)能高效降解白酒工業(yè)生產(chǎn)廢棄物的固定化細胞或酶制劑。隨著白酒產(chǎn)能的持續(xù)提升，有害副產(chǎn)物的增加為酒類生產(chǎn)企業(yè)在環(huán)境監(jiān)測及污染治理等方面提出了新的挑戰(zhàn)。白酒在蒸餾結(jié)束后排放的鍋爐水、廢棄丟糟、釀造車間的地面沖洗水等，通常含有大量的雜質(zhì)、金屬鹽、氮磷有機物等，必須在專業(yè)的沉降池中處理凈化后，才能被允許排入自然環(huán)境。使用固定化菌體、固定化酶制劑或制備固定化生物反應(yīng)器，用以處理白酒釀造中產(chǎn)生的各類難降解廢渣、廢水、有害物化合物等，應(yīng)是未來值得重點關(guān)注和研究的方向。