酵母菌在食品工业废水处理中的应用现状

2016-10-14赵秀文纪凤娣宋昊郑玉芝

中国酿造 2016年6期

关键词：酵母菌废水处理油脂

赵秀文，纪凤娣，宋昊，郑玉芝

（北京一轻研究院，北京101111）

酵母菌在食品工业废水处理中的应用现状

赵秀文，纪凤娣，宋昊，郑玉芝*

（北京一轻研究院，北京101111）

酵母菌具有生长繁殖快、代谢旺盛、能形成絮体、耐酸和耐高渗透压等特性，目前已经应用于处理味精废水、啤酒废水、蔗糖废水等。根据酵母菌在废水处理中的处理方法可以分为两大类：酵母生产法和酵母废水处理技术。酵母菌生产法是指酵母菌将废水中的有机物质转化为单细胞蛋白或者微生物油脂；而酵母废水处理技术是通过酵母菌对废水中的有机质的分解和利用从而净化水质。该文介绍了酵母菌在食品工业废水处理中的应用现状，随着科技的发展，基因工程技术、固定化技术等会被用来处理酵母菌，使其在废水处理中得到更多更好的应用。

酵母菌；单细胞蛋白；微生物油脂；废水处理

食品废水多为高浓度有机废水，产生量大并随季节变化明显，可降解成分多，易腐败发臭，严重污染环境。目前，对食品污水的处理方法按原理分为物理法、化学法和生物法三类，其中生物法是利用微生物的新陈代谢活动，将污水中的有机物分解，从而达到净化污水的目的，具有消耗少、效率高、成本低、工艺操作管理方便可靠和无二次污染等特点，得到广泛的应用。目前，生物处理法使用较多的微生物为硝化细菌、反硝化细菌、光合细菌等。

随着对酵母菌的不断深入研究，发现酵母菌不仅具有细菌的一些特点（如细胞大、代谢快），也具有真菌的特点（如能形成絮体），而且具有很好的耐酸、耐高渗透压等特性［1］，是废水处理中一种珍贵的资源。目前，在高浓度有机废水、含重金属离子废水、有毒有害废水、生活废水等方面都有了一定的应用，其在废水处理方面具有广阔的应用前景。

1　酵母菌的分类及其特点

酵母菌是一类真核微生物的通俗名称，没有明确的定义，在自然界分布广泛，大多种生长在含糖量较高的环境，喜酸性（pH 4.0～5.0），生长温度在25～30℃［2-4］。虽然相比于细菌，酵母菌种类很少，但其被广泛应用在各行各业，例如用来酿酒、制作面包、生产甘油、石油及油品的脱蜡等。根据它的应用方式，可以将酵母菌分为两大类，一类是发酵型酵母菌，可以利用糖类发酵为乙醇等有机物质和二氧化碳；另一类是氧化型酵母菌，氧化能力强而发酵能力弱或无发酵能力，包括假丝酵母、汉逊酵母等，能够利用多种有机物甚至复杂的化合物［5］。酵母菌利用有机物的作用机理可以概括为，表面的水解酶先将有机大分子物质水解成小分子有机物，再通过糖酵解途径将其转化为丙酮酸，并产能供给酵母菌。发酵型酵母菌将通过酒精发酵将丙酮酸转化为乙醇，而氧化型酵母菌在线粒体内将丙酮酸转化成乙酰辅酶，再通过三羧酸循环转化成二氧化碳和水等小分子物质［6］。根据作用机理，可以看出氧化型酵母菌是废水处理的重要研究对象。

酵母菌不仅生长繁殖快，能形成絮体，细胞大，代谢旺盛，还有良好的耐酸能力。一般的细菌难以在低酸环境下生长代谢，但酵母菌能在pH 3.0～7.5范围内生长。吕伟民等［7］筛选出了耐酸酵母菌株，在pH 3.0时，仍能正常生长发酵，并且可以发酵酸度较高的糟水来生产酒精，解决了酒精生产企业废水污染的问题。MEEHAN C等［8］发现了一株酵母菌株，不仅能够耐酸，还能够耐高温，在pH 2.0下，仍然能够通过吸附作用对活性黑B进行脱色。酵母菌株的耐酸特性保证了酵母菌能够在酸性污水中生长繁殖、代谢发酵，而食品企业污水都为pH值较低的废水。如果废水处理菌株没有较好的耐酸特性，其生长将受到酸的抑制。酵母菌也有较好的耐渗透压能力，在水分活度（activity water，Aw）为0.60～0.70时酵母菌也能够生存。因此，酵母菌能够适应一些恶劣的生长环境，拥有较高的在污水中生长存活的可能性。此外，酵母菌对某些难降解物质及有机毒物具有很强的降解能力。有研究发现酵母菌能够降解苯酚［9］、果胶、粗淀粉、甘油酯、半纤维素等多种大分子物质［10］。黑亮等［11］通过研究酵母菌内的脱氢酶活性的强弱来确定高浓度的硫酸根离子和氨氮是否抑制酵母菌的生长，结果发现即使硫酸根离子和氨氮的控制浓度达到2 000 mg/L，对酵母菌也没有显著的影响。然而这种高浓度的氨氮和硫酸根离子等废水对细菌具有强烈的杀灭作用。酵母菌这一特性是由于酵母菌的酶系丰富，能产生淀粉酶、纤维素酶、脂酶、蛋白酶和木质素过氧化物酶等，从而分解利用有机质。

2　酵母菌在废水处理中的应用

将酵母菌用于废水处理最早始于国外，国内也进行了广泛的相关研究。根据其应用方式的不同，可将其分为两大类——酵母生产法和酵母菌废水处理技术。

2.1酵母生产法

传统的酵母生产法是酵母菌利用废水中的有机物质，转化成富含蛋白质和氨基酸的酵母菌菌体，是以生产酵母单细胞蛋白（single cell protein，SCP）为主要目的。随着研究的深入，酵母生产法也出现了新的研究方向——用酵母菌处理废水来生产单细胞油脂（single cell oil，SCO）。目前，这两种酵母生产法已经应用在了味精废水、啤酒废水、蔗糖废水等方面。

2.1.1生产单细胞蛋白

酵母菌蛋白质量可达干质量的50%，可以提取丰富的B族维生素、辅酶A等，营养价值很高。酵母菌生产SCP具有诸多特点：营养丰富、可利用率高，生产周期短、生产效率高，利用原料广、消除污染，设备简单、占地面积小。

酵母菌生产法最早出现在第二次世界大战时期。由于蛋白质大量缺乏，利用酵母菌生产SCP受到了极大重视，希望借此能够解决粮食短缺的问题。在我国，上海有机化学研究所等单位从20世纪60年代就致力于酵母菌生产SCP的研究［3］。较常用于生产SCP的酵母菌为啤酒酵母、热带假丝酵母和产朊假丝酵母。吴立根［12］研究了产朊酵母菌利用烤鳗鱼工艺的最后一道工序——蒲烧废水生产单细胞蛋白，确定了最佳培养条件，还研究了产朊酵母菌和啤酒酵母菌混合培养的最佳培养条件，比单独一种时获得的SCP产量高。武运等［13］对热带假丝酵母和啤酒酵母利用苹果渣生产SCP进行了相关研究，分别确定了热带假丝酵母和啤酒酵母的最适添加量，并发现两株菌株混合后产量更高，品质更优。励飞等［14］通过富集培养筛选到了一株能够耐高温的热带假丝酵母，并分析了其氨基酸含量，可发酵木薯酒糟，提高粗蛋白含量，并且有一定的化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）去除效果。

酵母生产技术并不以废水净化为主要目的，所采用的菌株也是以SCP得率作为指标，往往处理后，废水中有机物含量仍较高，而且在实际生产中需要采取无菌操作，投资大，运行费用高，生产成本大。

2.1.2生产油脂

微生物油脂又叫单细胞油脂，是由微生物在一定的条件下，利用碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂作为碳源，在体内产生的油脂。微生物生产油脂具有生产周期短、产量高、不受季节影响，原料多样，生物安全性好等特点［15］。

最早对生产SCO的研究始于第一次世界大战期间，而我国的相关研究工作始于20世纪60年代。单细胞油脂多以甘油三脂为主，也能产生部分磷脂，而不同的培养条件，如碳源、氮源、碳氮比、pH值、无机盐和微量元素等都将影响微生物的产油量和油脂成分［16］。郭书贤等［17-18］采用豆制品、啤酒和淀粉的生产废水作为培养基来培养斯达油脂酵母并进行产油脂实验，结果发现啤酒生产废水利于酵母菌的生长，也利于不饱和脂肪酸的合成。此外，也对培养条件进行了优化研究，发现在最适培养条件下，油脂产量为5.24 g/L，而且COD去除率可达到65%。也有研究采用味精废水进行酵母菌株的培养并生产SCO。吴开云等［19］利用斯达氏油脂酵母生产SCO，油脂产量达4.94 g/L。为了获得产油率更高的菌株，生化工程和基因工程技术也越来越多地用到了相关的研究中［15］。生化工程是通过控制培养基成分和培养条件来刺激微生物合成油脂。YOUNGQUIST J T等［20］分别限制了培养基中的碳源、氮源和磷源，结果发现相对于碳源的缺少，限氮和限磷更能刺激脂肪酸的转化。ZHAO X等［21］采用不同的培养方式对圆红冬孢酵母进行发酵培养，当进行批式发酵45 h时产油量比摇瓶发酵提高了70%，当采用批式补料发酵118 h时，产油量比批式发酵提高了130%，可见不同的发酵培养方式影响圆红冬孢酵母的产油量。随着基因工程技术的日趋成熟，改变微生物的基因来提高产油量已成为研究热点。通过对微生物体内油脂合成途径的研究，明确了油脂合成的几种关键酶，如乙酰辅酶A羧化酶、脂肪酸合酶、甘油二酯酰基转移酶等。

2.2酵母菌废水处理技术

酵母菌废水处理技术是以废水净化为目的，表现为去除废水中的COD和生物需氧量（biochemical oxygen demand，BOD）。该技术先从环境中筛选出能够在废水中生长并且能够有效分解有机物质的一种或多种酵母菌菌种，再以混合菌种的形式，以好氧的方式，通过酵母菌对废水中的有机质进行分解和利用，从而降低废水中的COD，来实现水质净化［22］。

酵母菌废水处理的工艺与采用活性污泥进行废水处理的工艺相似。废水在有混合菌种的曝气池曝气，然后进入沉降池，利用酵母菌体的自然沉降实现固液分离，上清液进入到后续的处理中，沉降的菌体污泥部分回流。这部分工艺可以作为废水处理的前处理部分，五日生物需氧量（BOD5）的去除率可达到90%～95%，再增加一个后续处理部分，如活性污泥工艺、接触氧化工艺等，污水即可达到排放标准进行排放［23］。酵母菌废水处理技术的处理负荷高，需要场地小，产生污染少，后续处理方便，并且操作过程无需无菌操作，相比于酵母生产法，投资更少［1，24］。

20世纪70年代后期，日本国税厅酿造研究所开始研究酵母菌废水处理技术，YOSHIZAWA K［25］发表了相关的文章，引起了人们对废水处理技术的重视。在20世纪90年代，日本最先实现了利用酵母菌进行废水处理，筛选的酵母菌株对有机物特别是油脂等展现出较好的降解能力。该技术在日本得到了广泛认可，已有50多家工厂采用了该技术处理废水（如味精废水、啤酒废水、豆制品废水、水产品加工废水等）［20，26］。

在国内，对酵母菌废水处理技术也有大量的研究，黑亮等［11］做了酵母菌处理味精废水的相关研究，进行了连续的小试实验，从高浓度的味精废水中筛选出了能够适应高浓度味精废水环境的酵母菌混合菌群，设计了酵母菌——活性污泥处理工艺。研究结果表明，高浓度的氨氮和硫酸盐的环境对酵母菌混合菌群的活性没有显著影响；在28℃，溶解氧为4 mg/L条件下，COD容积负荷为2.0～14.3 kg/（m3·d），COD去除率稳定在80%以上；处理后可获得大量单细胞蛋白，可以回收作饲料添加剂。杨清香等［27］也从味精厂废水中利用富集培养和选择培养基筛选出了两株酵母菌种，并通过生理生化实验和文献调研对这两株酵母菌株进行了鉴定。两株菌株混合培养后不仅可以有效去除味精废水中的COD，还可以去除还原糖，相比活性污泥法去除率更高，且速度更快。

ZHENG S K等［28-29］从色拉油厂废水中筛选出了5株酵母菌株，混合培养后对色拉油废水进行处理，色拉油去除率可达98%以上，COD去除率达90%以上。吴兰等［30］使用酵母菌分别处理色拉油、餐饮油等含油废水，发现可能由于使用的酵母菌株降解不同油脂的途径不同，对石油类废水降解率较低，而对色拉油和餐饮油中的油脂降解率分别约为90%和85%。

3　发展趋势

为了提高酵母菌废水处理的效果，越来越多的技术手段被应用：

（1）利用基因工程技术获得新酵母菌株，从而有效地提高废水处理效果。周力超［31］利用基因工程技术，将能够降解脂肪的脂肪酶基因导入解脂耶氏酵母，成功表达脂肪酶，可去除90%以上的油脂和COD。基因工程技术的不断发展，可以实现酵母菌的遗传学改造，从而获得优良的酵母菌株，然而，酵母菌株的基因组测序工作处于初始阶段，没有清晰的遗传学背景，遗传操作平台不成熟。因此，采用基因工程技术改造菌株仍需深入研究。

（2）采用混合菌群进行污水处理，相互协作，利用不同菌种的酶系来进行降解，有效去除废水中的不同有机物。凌云等［32］用酵母菌和光合细菌共同处理皂素废水，其COD总去除率可达到87.2%，而单独使用时最高只有53%。每种微生物所含有的酶系不同，可以分解的物质也不同。相对于只是用单独一种微生物，混合菌群能够分解更多的有机物质，净化水质，有更好的废水处理效果。

（3）随着微生物固定化技术的发展，其在废水处理方面的应用成为了一个新热点。酵母菌种在培养过程中，如果可以利用的有机物较少，会出现自溶现象，若不及时回收，会造成二次污染。而且某些菌株能形成较轻的假分枝，导致沉降困难，排出的水中含有大量的菌丝体。固定化技术可以保证微生物的活性，减少流失，易于分离，避免酵母菌造成水体的二次污染［6］。

4　结语

酵母菌作为废水处理中的一种珍贵的资源，具有生长繁殖快、代谢旺盛、耐酸、耐高渗透压和拥有特殊酶系等特点。酵母菌在废水处理中的应用不仅能够进行水质净化，还能够生产单细胞蛋白和微生物油脂，实现了资源的回收，是一种可持续发展的技术，具有广阔的前景。虽然我国相关研究起步较晚，但是也取得了一定的进展。为了酵母菌废水处理的广泛使用，应该进行更多方面的研究：充分利用基因工程技术改造酵母菌株，获得优良菌株，同时研究在实际生产中的应用；酵母菌废水处理工艺的研究，在保证处理效果的前提下，尽可能地节约成本，创造盈利；研究不同的混合菌株对废水处理的效果，生产出废水处理菌群产品等。

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ZHAO Xiuwen，JI Fengdi，SONG Hao，ZHENG Yuzhi*
（Beijing Industrial Technology Research Institute，Beijing 101111，China）

Yeast cells have the excellent features of fast growth，active metabolism，flocs forming，and high tolerance to acids and to hyperosmosis，they are widely used in food wastewater treatment，for instance，monosodium glutamate wastewater，beer wastewater，glucose wastewater etc.According to the application ways in wastewater treatment，it can be classified into two kinds：yeast production and yeast wastewater treatment technology.The yeast production is that yeast can transfer organic substance into single cell protein or microbial oil.The yeast wastewater treatment technology is to purify wastewater by degrading and utilizing organic substance in food wastewater.The application of yeast in food wastewater treatment was reviewed in this article.With the development of technology，more techniques such as gene engineering and immobilization technique will be used to treat with yeast cells，to make better application in wastewater treatment.

yeast；single cell protein；microbial oil；wastewater treatment

TS202.3

0254-5071（2016）06-0020-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2016.06.005