固定化技術在白酒行業中的應用回顧與展望

1 固定化技術概述

固定化技術是利用物理或化學手段，將生物細胞或一些不穩定的酶，吸附或固定在較小區域空間內，使其細胞數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構穩定性、環境耐受性、重複使用性的一種生化處理技術。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杆菌，固定化技術的研究就此拉開序幕。隨後幾十年的發展，有關固定化載體材料、固定化生物細胞、固定化酶工程等內容的研究不斷深入和創新，並在食品工業、藥品研製、汙染治理、土壤修複及生物能源開發等領域得到廣泛應用。

2 固定化技術在白酒行業中的應用研究回顧

我國白酒的發酵通常采用多菌種發酵技術，原料的糖化、液化、產酒和生香都需要不同類型的微生物協同參與，而微生物在生長、代謝過程中，往往存在著營養競爭和產物抑製的相互關係，因此在實際生產中，提高對白酒發酵和生香有益的微生物數量、提升釀酒微生物的環境耐受力、維持其生長和代謝活力，一直以來都是白酒行業不斷討論和研究的熱點。

由於固定化技術的加工特性，其產品通常會在緩釋性、穩定性、耐受性等方麵得到強化，這為解決上述白酒發酵生產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，在連續發酵、高效生產、反複利用等特性上也有著比傳統遊離細胞或酶更優異的性能表現。本文就此內容開展回顧和述評，並從固定化生物細胞和固定化酶兩個方麵，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中的應用

早在20世紀80年代，我國輕工業部聯合江蘇雙溝酒廠、山東武城酒廠開展了固定化己酸菌批式發酵的國家“六五”攻關項目研究[2]，試驗結果表明，固定化的己酸菌不僅在己酸產量上有了顯著提升，其產酸活性在低溫環境(4～6 ℃)下儲藏3個月後依然保持較高水平。此後，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的體積比混合後製成球狀凝膠，被包埋後的己酸菌液不僅能夠重複產酸，還具有較強的機械穩定性，載體可保持100 d以上不變性，這為以後己酸菌在中溫大曲培養、窖泥馴化老熟、酯化液製備等方麵的應用奠定了理論研究基礎。

同樣在20世紀80年代末，在白酒釀造工業中，有關酵母細胞固定化技術的研究報道也隨之出現。孫誌敏等[4]采用海藻酸鈣對酵母細胞懸液進行固定，並分別將製備的固定化酵母與遊離酵母在酯化培養基中，與己酸菌液共培養發酵。結果顯示，在發酵4 d後，固定化酵母比遊離酵母表現出更高的己酸乙酯產率，這也為濃香型白酒的提質增香以及連續化發酵生產和自動化控製提供了可行路徑。此後，許喜林等[5]分別將根黴菌和酵母菌製成固定化細胞，通過培養基模擬半連續發酵試驗。結果表明，采用雙邊發酵的釀酒工藝結合兩種固定化細胞生產米香型飲料酒，較之於傳統固體曲藥，具有更高的原料出酒率和更短的發酵周期。

隨著固定化技術的不斷發展和推廣應用，21世紀以後，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，轉向采用複合載體對發酵過程中的微生物細胞、特殊菌體或其他活性物質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-戊二醛為包埋劑製得固定化酵母菌體，在白酒液態法發酵中具有比遊離酵母更高的原料出酒率和產酯量。張磊等[7]采用正交試驗法探究了海藻酸鈉、硼酸-氯化鈣、二氧化矽以及聚乙烯醇這4種壁材複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。

此後數十年間，固定化微生物技術在白酒工業中的應用範圍不斷延伸，有關釀酒副產物的降解、多細胞共固定化技術、高產菌株的篩選及包埋等研究內容也逐漸成為新的討論熱點。吳正雲[8]在對濃香型大曲酒丟糟的資源化利用過程中發現，固定化酵母具有比遊離酵母更高效的丟糟降解液處理效率，在實際生產中，可提高酒類企業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對濃香型白酒窖泥中分離出的優勢菌株進行固定，通過發酵柱模擬了不同階段酒糟發酵產酸的變化規律。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後，菌株酒精耐受力顯著提升，乙酸乙酯產量高達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。

2.2 固定化酶在白酒行業中的應用

我國白酒的香型通常分為12種，其關係網圖及典型代表產品如圖1所示。

目前，我國已鑒定出的白酒呈香呈味物質多達上千種，其中酯類物質的含量最多，不僅能賦予酒體天然果香，還能使人產生舒適的愉悅感。近年來，隨著固定化酶處理技術的發展，與白酒產酯生香有關的生物酶被定向提取、包埋和應用，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、廢棄資源處理及酒體淨化等方麵，表現出了比傳統酶製劑更高效便捷的應用優勢。

賴登燡等[11]開展了根黴酯化菌的產酯條件研究，結果顯示被有機溶劑處理後的根黴，其胞內酯化酶係以菌體細胞為載體被有效固定，並且在有機和無機溶劑相中均具有良好的己酸乙酯產率，尤其適用於濃香型白酒廠的釀造生產。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，實現了加速陳肉氧化老熟、縮短老肥豬肉培養時間、提高豉香型白酒產酒質量的目的。

在催化合成酯香化合物方麵，梁龍元等[13]采用固定化技術分別將紫紅曲黴酯酶和豬胰腺脂肪酶進行包埋固定，並用於催化製備乙酸異戊酯、己酸乙酯和乙酸丁酯，以此提高白酒產風味物質的比率。王洪海等[14]在此基礎上，采用交聯劑固定化方法，將假絲酵母中的脂肪酶製成固定化酶凝膠顆粒，用於催化正丁醇和乙酸乙酯反應製備乙酸正丁酯。HE等[15]以磁性膠原納米顆粒為固定化載體，利用共價結合法將假絲酵母脂肪酶固定後用於合成丁酸乙酯，其產品具有良好的磁分離能力。

雜醇油是糧穀類原料在發酵製備乙醇時，產生的碳原子數大於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物，其含量過多往往會引起飲酒後的頭痛和宿醉。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，試驗結果顯示，固定化的蘋果粗酶用於處理白酒酒樣，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杆菌菌株，通過將其產生的丙醇脫氫酶固定化，可實現多次循環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，在白酒釀造生產的廢棄物處理、原酒除雜和酒體淨化等環節，固定化技術的應用也在逐漸滲透和發展。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，並將其用於甘蔗渣的水解和發酵，最終還原糖和乙醇的產率均高於使用遊離纖維素酶和遊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，將其應用於我國白酒貯藏中，可有效降低酒體中2A類致癌物氨基甲酸酯的含量。CHEN等[20]采用病毒狀二氧化矽與南極假絲酵母脂肪酶B進行共價結合，然後利用自粘附法將其引入聚間苯二甲酰間苯二胺膜中，製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 固定化技術在白酒行業中的應用展望

綜上可見，近40年來固定化技術的不斷發展，讓傳統白酒釀造行業在功能微生物強化、原酒催陳老熟、廢棄物資源化利用、酒體除雜淨化等領域獲得了新的技術突破和工藝創新，對提高我國白酒的固態釀造發酵效率和產酒質量起到了促進作用。但是，固定化產品在酒類企業獲得了廣泛普及與應用，尚存在著一些技術層麵的難點，為此，在今後的研究中可從以下幾方麵繼續深入開展研究工作。①有關固定化載體材料創新及其發酵環境安全性的研究。白酒的發酵是一個多種微生物共同發酵的複雜係統，將固定化細胞或酶應用於白酒發酵係統中，必須考慮到載體在自然降解、底物滲透、廢料回收、環境殘留等方麵的問題，以防止在固定化產品使用過程中，為釀酒微生態係統帶來的不可逆破壞。因此，結合白酒固態釀造的發酵特點，針對性地開展功能性固定化材料或新型改性複合材料的研製，是未來值得深入研究的一個方向。②基於多酶或多細胞的共固定化技術研究。白酒的培菌製曲、發酵生產、貯藏老熟等過程，涉及了紛繁複雜的微生物參與以及各類生物酶的級聯反應，若僅對單一或少數幾種功能微生物或酶進行固定研究，很難在實際生產中獲得理想效果。由於共固定化技術是將多類芯材同時固定在一個載體上，其產品的催化選擇性和協同性往往更高，因此將其應用於白酒生產過程中，對於降低發酵過程中一些過渡產物積累、減少汙染物的生成、提高底物傳質反應效率等方麵，均具有潛在的研究價值。③開發能高效降解白酒工業生產廢棄物的固定化細胞或酶製劑。隨著白酒產能的持續提升，有害副產物的增加為酒類生產企業在環境監測及汙染治理等方麵提出了新的挑戰。白酒在蒸餾結束後排放的鍋爐水、廢棄丟糟、釀造車間的地麵衝洗水等，通常含有大量的雜質、金屬鹽、氮磷有機物等，必須在專業的沉降池中處理淨化後，才能被允許排入自然環境。使用固定化菌體、固定化酶製劑或製備固定化生物反應器，用以處理白酒釀造中產生的各類難降解廢渣、廢水、有害物化合物等，應是未來值得重點關注和研究的方向。