纤维素乙醇作为防腐剂的应用及制备处理方法研究进展

高文海，隋丽娜，刘同军，杨平平，王燕

(齐鲁工业大学(山东省科学院) 生物工程学院，济南 250353)

食品加工和储藏过程中发生的食品腐败变质是目前食品工业面临的主要问题之一[1]。据统计，全球每年有10%～20%的食物由于腐败而废弃。而防腐剂的添加可以在一定程度上抑制食品的变质，因此，人们对于防腐剂的开发与应用愈加关注[2]。本文重点介绍了乙醇作为防腐剂的应用以及纤维乙醇的处理方法。

1 乙醇在食品防腐中的应用

随着国家对食品及其相关行业的大力监督，人们越来越注重食品的安全问题[3-4]。乙醇作为植物天然产生的代谢产物，具有相对的安全性，因此被广泛应用于食品行业中。利用乙醇处理的方式主要包括乙醇熏蒸、乙醇溶液浸蘸、乙醇缓释放。适当浓度的乙醇处理具有保证果蔬新鲜的作用，相对于SO2熏蒸、福尔马林、醛类、硫氰酸钾溶液处理方式是比较安全的方法[5]。

1.1 乙醇熏蒸处理

多名学者已证明适量浓度的乙醇对果蔬进行熏蒸具有显著的保鲜作用。经过乙醇熏蒸处理的果蔬在保存期间具有更好的理化性质。李云云[6]研究了不同浓度乙醇熏蒸对双孢蘑菇品质的影响。发现乙醇用量为400 μL/L时，可以有效抑制双孢蘑菇的呼吸作用，保持蘑菇较高的Vc、可溶性固形物和可溶性蛋白质含量，同时降低了总酚含量，从而实现双孢蘑菇的保鲜效果。果蔬含有多种类型的酶，储存过程中会逐渐失活，影响果蔬的品质，乙醇熏蒸有效减缓了酶活的降低，从而起到了保鲜作用。肖婷等[7]研究了20，50，100 μL/L的乙醇熏蒸对红薯尖冷藏期间品质的影响。结果表明，50 μL/L乙醇熏蒸有效提高了多酚氧化酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的活性，降低了丙二醛的含量，储存12 d的腐烂指数仅为5.23%，并且发现当乙醇含量上升至100 μL/L时，红薯尖腐烂衰老的速度反而加快。由此可见，一定浓度的乙醇熏蒸可以起到果蔬保鲜的作用，但是当浓度过高时会起到相反的效果，考虑到乙醇易于挥发且为了保证熏蒸效果，一般不使用高浓度乙醇。

1.2 乙醇溶液处理

使用适量浓度的乙醇溶液对鲜果进行浸泡同样能起到保鲜作用。范传会等[8]研究了不同乙醇浓度对于鲜切荸荠品质的影响，通过对呼吸速率、色泽以及醇、醛、酮含量的测定，发现当乙醇浓度为35%～55%时，可显著增加多酚氧化酶的活性，延长了鲜切荸荠的保存期。Han等[9]用6 mL/kg乙醇溶液浸泡西兰花5 h，发现与对照组相比，乙醇处理后的西兰花过氧化物酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性较高，有效抑制了西兰花的衰老。有学者研究了不同浓度乙醇对鲜切马铃薯的影响，结果表明，用5%体积分数的乙醇与微波相结合处理马铃薯15 min有效增加了多酚氧化酶的活性，抑制了酶促褐变，乙醇溶液处理取得理想的保鲜效果，进一步推动了乙醇溶液在食品保鲜中的应用。

1.3 乙醇缓释放处理

乙醇缓释放处理是指利用缓释技术持续维持储存环境中的低浓度乙醇来降低果实的呼吸速率，从而起到保鲜作用。不同浓度的乙醇缓释保鲜剂对鲜果有不同的影响，乙醇浓度在一定范围时可以有效抑制病原菌，持续保持鲜果的VC和可溶性固形物含量，保证良好口感。马瑜等[10]采用不同剂量乙醇缓释剂处理草莓，用聚乙烯保鲜袋包装后在室温(20±2) ℃下避光贮藏7 d，结果表明，乙醇缓释气体有效地抑制了草莓的腐烂，延缓了水分、VC和可滴定酸含量的下降，乙烯产量与呼吸强度均小于未经处理的对照组。此法相比于乙醇熏蒸和乙醇溶液处理，可以使极低浓度的乙醇气体持续释放到储藏空间中，在延长保鲜时间的同时不会产生类似酒精发酵的异味，是一种更加温和的方法。

2 纤维乙醇的制备与预处理

常见的预处理方法可以分为物理法、化学法、生物法、物理化学法以及各种组合法。

2.1 物理预处理法

物理预处理可以降低纤维素的结晶度和聚合度，增加纤维素的可及性，其最大的优点在于操作简便。物理预处理法主要包括机械粉碎、电离辐射、微波处理和蒸汽爆破等方式。

2.1.1 机械粉碎

机械粉碎即通过机械破碎处理，减小原料的颗粒尺寸，降低纤维素的结晶度和聚合度，有效增加了纤维素的可及度，从而提高酶的水解效率。Sipponen等[11]用球磨法研磨玉米秸秆，结果表明，机械粉碎破坏了半纤维素的结构，但是对于木质素没用显著影响。Licari等[12]对比了星球磨、振动球磨、离心研磨和喷射研磨4种方法，经过3 h的粉碎处理，发现振动球磨的效率最好，使甘蔗渣达到95.3%的葡萄糖产率、94.4%的木糖产率，然而振动球磨法能耗较大，考虑到能源问题，此法仍需进一步改善。

2.1.2 电离辐射

电离辐射是指波长短、频率高、能量高的射线，可以使被作用的物质产生电离的粒子流。木质纤维素原料经电离辐射处理后，纤维素的聚合度降低，结构变得松散，原料的比表面积和纤维素的可及度增加。Kapoor K等[13]用γ射线处理甘蔗渣，发现随着辐射剂量的增大，转化率也逐渐增大，但到达顶点后，继续加大辐射剂量会起到相反的作用。张勇等[14]用60Co-γ射线对玉米秸秆进行预处理发现玉米秸秆经照射后纤维素、半纤维素、木质素含量均降低，且半纤维素含量减少最多，但是经测定并未出现糖的大量损失，于是推测大分子的纤维素和半纤维素被降解成小分子的糖。电离辐射操作简便，但是具有一定的危险性，需要找到处理的最佳条件才能起到良好的效果。

2.1.3 微波处理

微波是一种波长在1 mm～100 cm之间、频率在300 MHz～300 GHz的电磁波。微波辐照与传统的加热过程不同，微波加热是基于极性分子直接吸收能量的内部加热过程。马欢等[15]用微波辐照强度680 W处理水稻秸秆24 min，使纤维素的转化率提高了30.6%，总转化率提高了30.3%。有学者认为将微波与酸、碱、有机溶剂等催化剂结合起来降解木质素的效果更好。Bahiru T[16]用氢氧化钠溶液处理样品后再进行微波处理，不仅去除了60%以上的木质素，同时去除了大量的酸不溶性灰分(主要是二氧化硅)，进一步提高了葡萄糖的产量。微波处理在去除木质素的同时，还去除了酸不溶性灰分，从而提高了酶解效果，但是微波处理设备费用偏高，目前未应用于工业化生产。

2.1.4 蒸汽爆破法

蒸汽爆破是利用高能热量的蒸汽使纤维发生“爆炸”，通过瞬间泄压破坏秸秆的木质纤维素结构，增加纤维素的可及度。López-Linares J C[17]等在215 ℃下处理油菜秸秆7.5 min，使纤维素转化率达到81%。Alvira P等[18]在200 ℃下处理玉米秸秆10 min，得到 80%的纤维素转化率，此法需要较高的条件，温度越高处理时间越短。Alvarez C等[19]在180 ℃，30 min的条件下处理大麦秸秆，使纤维素与半纤维素转化率分别达到90%和60%。Chandra R P等[20]用两个阶段(不同的温度和处理时间)处理杨树，使纤维素转化率达到92%，此方法适用于各种原料，尤其是农业残余物和硬木。

2.2 化学预处理法

化学预处理方法主要包括酸处理、碱处理和氧化预处理等方法。化学处理在破坏方面非常有效，但是更容易产生抑制发酵的副产物。

2.2.1 酸法预处理

酸法预处理是一种常用的方法。经过稀硫酸处理后的原料，半纤维素含量减少，使得纤维素酶更易接触到纤维素，提高了酶解效果。Hsu T C等[21]用1%的硫酸处理稻草，在160～180 ℃下反应1～5 min，获得最大转化率为83%。有学者用2%的硫酸处理玉米秸秆，在121 ℃下反应1 h，半纤维素含量下降22.06%，木质素含量基本没有变化。Qing Q等[22]用1%稀硫酸在121 ℃下处理大豆秸秆1 h，去除了62.4%的半纤维素，水解转化率最高达70.3%。酸处理去除了更多的半纤维素，使纤维素酶更容易附着于纤维素上，但同时降低了半纤维素的利用率。

2.2.2 碱法预处理

碱法是通过向木质纤维素原料中加入碱液，溶解木质素以增加纤维素的暴露面积来促进水解，主要原理是加入碱性溶液后发生酯化反应和糖苷键断裂，使木质纤维素生物质结构发生变化。张云飞等[23]用稀氢氧化钠处理甘蔗渣，并研究了其结构变化，发现处理后的甘蔗渣结构变得松散，易于被水解。Qing Q等用1%的氢氧化钠在121 ℃下处理大豆秸秆1 h，去除木质素32.6%，转化率为50.5%，较未处理的大豆秸秆提高了28.4%。也有学者将氢氧化钠与离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐)混合，在98.5 ℃下处理玉米秸秆1.31 h，木质素去除率高达87.4%。

2.2.3 氧化预处理

常用的氧化剂主要有臭氧和H2O2。氧化的作用是除去木质素以及灰分，但也会溶解半纤维素和少量的纤维素，并且在降解木质素时会释放少量的有机酸等抑制物，对后续发酵产生抑制作用。Travaini R等[24]用臭氧处理甘蔗渣，得到77.55%和56.95%的纤维素和半纤维素转化率。有学者将过氧化氢与生物法和酸法结合，在去除木质素、提高转化率的同时，大大提高了转化的速率。Serafín Muoz等[25]用碱性H2O2处理玉米秸秆和小麦秸秆，发现它们去除了大量的木质素和半纤维素，同时去除了小麦秸秆中86.4%的灰分，过氧化氢的加入不仅提高了转化率，同时降低了水解液中发酵抑制剂的含量。

2.3 生物预处理法

生物处理法与其他方法相比能耗低且不需要添加化学试剂，它是利用微生物产生木质素降解酶如过氧化物酶和漆酶去除木质素，从而提高水解效果。目前生物预处理主要使用的是棕色、白色和软腐真菌的微生物，它们可以降解木质素和半纤维素。Wan Caixia[26]用Ceriporiopsissubvermispora(一种木质素降解菌)处理玉米秸秆，去除了31.59%的木质素，纤维素损失率小于6%。Badal C Saha等[27]优化了Phlebiabrevispora(一种白腐菌) NRRL-13018菌株处理玉米秸秆的条件，在28 ℃下，保持28%水分处理42 d，得到较高的糖产量且未检测到发酵抑制物(糠醛和羟甲基糠醛)。生物预处理法相对于其他方法而言更加温和，不会产生副产物，但是处理时间较长。

2.4 物理化学预处理法

2.4.1 氨纤维爆破法

氨纤维爆破法利用液态无水氨在一定的温度和压强下浸泡物料一段时间，然后释放压力，使氨气快速膨胀，从而引起生物质纤维膨胀造成物理破坏。Tao Ling等[28]用氨纤维爆破法处理柳枝稷，取得76.0%和76.1%的纤维素和半纤维素转化率。Zhong C等[29]对稻草秸秆进行氨纤维爆破，在140 ℃下处理30 min，每 1 g原料加入1 g氨水，最终取得80.6%的纤维素和89.6%的半纤维素转化率。Blümmel M等[30]向原料中加入氨水，在1.4 MPa，100 ℃下对10种谷物秸秆进行氨纤维爆破，成功提高了60%～85%的纤维素转化率和50%～85%的半纤维素转化率。然而，此法对于含有较高木质素含量的生物质并不是非常有效。

2.4.2 超临界流体萃取

超临界流体同时具有液体和气体的性质，因此利用超临界流体特殊的溶解性和渗透扩散性对原料进行处理。Lv Huisheng等[31]用水-乙醇为共溶剂的超临界CO2处理玉米秸秆时加入水-乙醇为共溶剂，当水醇比为2∶1时，得到最佳转化率77.8%，且发现处理后的原料半纤维素和木质素含量明显降低。Daza Serna L V等[32]同样用水-乙醇为共溶剂对稻壳进行超临界CO2处理，其认为最佳处理条件是80 ℃，27 MPa，水醇比3∶1，去除木质素含量高达96%。 Zhang Hong等[33]用超临界CO2处理甘蔗渣，在180 ℃获得最佳转化率93.0%。超临界流体具有无毒、不可燃等优点，但是超临界处理的条件不宜确定且成本相对较高，用相对较低的条件处理原料对于原料的成分并没有显著的影响，转化率提升有限，然而当处理温度过高时会产生较多的糠醛和羟甲基糠醛等副产物。

2.5 混合预处理法

各种预处理方法都有优势和局限性，单一的预处理方式很难达到理想的效果。比较常见的组合方法有两种：平行组合法和顺序组合法。前者是多种处理方法同时使用，后者是多种处理方法先后使用。例如, SriBala G[34]将超声波与碱处理相结合，得到67.42%的葡萄糖转化率，较未处理原料提高了2.6倍。Shi F等[35]将臭氧与行星球磨法结合处理稻草秸秆，用臭氧处理90 min，再用行星球磨研磨8 min，每 1 g秸秆得到407.8 mg葡萄糖和101.9 mg木糖，且发现其在一定范围内降低酶浓度不会对水解率产生影响，有助于节约成本。Chen B等[36]在180 ℃下处理油菜秸秆，然后加入2%氢氧化钠在100 ℃处理2 h，最终使转化率增加5.9倍。也有研究人员将水热处理与酸、碱处理相结合，氨处理与二氧化碳处理相结合等。组合处理法结合了多种处理方法，兼具多种方法优点，进一步提高了酶解效率。

3 纤维乙醇在食品中的应用

乙醇已经广泛添加于各种食品中或者作为加工助剂使用。在腐乳中添加少量的食用酒精，不仅能够提高食品的口感，也可以抑制微生物的生长。在料酒中，也有少量的酒精，有效地去除了鱼、肉类的腥膻味，增加了菜肴的香气。部分鲜面制品中也会加入微量的酒精，起到保鲜和杀菌的作用。大多数香精都是以食用乙醇为溶剂配制的，乙醇作为一种安全的防腐剂已应用在多种果蔬中证明是有效的。

4 结论

乙醇在食品中已经有了广泛的应用，不论是直接添加在产品中，还是作为加工助剂使用，乙醇都具有高安全性和低毒性的优点。当然，作为防腐剂使用还是具有一定的应用局限性，研究人员已经对少数种类的乙醇提取液进行了研究，如蜂胶乙醇提取液、生姜乙醇提取液等都具有良好的防腐保鲜作用，后期将围绕此进行应用研究。

以木质纤维素原料制备乙醇在不占用人类口粮的同时实现了废物利用，但是其坚固的细胞壁需要一定的预处理，在诸多预处理方法中，物理预处理法最大的优点在于无需加入新的试剂，操作简便，然而其功耗较大、成本高的缺点限制了其在工业中的使用。单一的物理预处理方法有较大的局限性，因此常配合其他方法一同使用。化学处理方法是通过破坏纤维素-半纤维素-木质素结构提高酶解效率，其处理效果要优于物理处理法但污染环境。不管是物理处理法还是化学处理法，都容易产生发酵抑制剂，对后期的发酵产生显著的抑制作用。生物预处理法不同于物理处理法和化学处理法，它是一种更加环保和安全的方法，其优点在于功耗低，操作条件温和，不产生副产物。但是目前可用的微生物种类较少，在处理过程中还需要考虑染菌问题，其最大的问题在于分解木质素的酶类活力低，处理时间长，无形之中提高了成本。目前最具有效率的方法还属于混合处理法，这也是当前研究的热点。

总而言之，木质纤维素原料制备乙醇并添加于食品中或者作为加工助剂是一种良好的资源利用方法，随着相关方法的研究，纤维乙醇防腐剂将拥有更广阔的市场。