微生物絮凝剂在甘蔗糖业中的应用研究进展

段梦雯，梁达奉，马瑞佳，陆登俊*

(1.广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004；2.广东省生物工程研究所 (广州甘蔗糖业研究所)，广州 510316)

蔗汁澄清作为制糖工艺中的中间环节与关键环节，对提高产品质量以及糖分的回收起着至关重要的作用[1]。随着社会的发展，人们对食糖质量的要求正在逐步上升，因此开发处理效率高、无毒且不会发生二次污染的微生物絮凝剂已经成为糖用絮凝剂开发的大趋势。天然生物絮凝剂因不会对人体产生伤害、易降解和不会对环境造成影响等优点，故与有机合成高分子絮凝剂和无机絮凝剂相比，其安全性较好[2]。另外，传统的絮凝剂聚丙烯酰胺(PAM)[3]与微生物絮凝剂相比，有毒性残留的隐患。因此，将这种高效、无毒、无污染的天然生物高分子絮凝剂运用于甘蔗糖业，将为推动糖业的绿色环保可持续发展助力。

1 微生物絮凝剂的简介

1.1 微生物絮凝剂的定义与组成

微生物絮凝剂(microbial flocculant,MBF)是一种由微生物代谢产生的菌体细胞，其能通过吸附架桥、化学反应等作用将液体中悬浮固体或胶体颗粒凝聚而沉淀分离的特殊代谢物[4]，其成分主要为蛋白质、多糖、聚氨基酸等[5]。

1.2 微生物絮凝剂的特点

新型的微生物絮凝剂是一种天然的高分子有机物，有以下几个特点：(1)安全无毒。已经在医药、食品等行业中有所应用[6,7]。(2)高效性[8]。在同样的使用剂量下，微生物絮凝剂比传统无机或有机絮凝剂的处理效率更高。(3)无二次性污染[9]。到目前为止，已知的由微生物产生的絮凝物质均能够自行降解，因此不会造成二次污染。(4)用途广泛。目前，微生物絮凝剂在水处理、食品加工和发酵工业上有着十分广泛的应用[10，11]。

1.3 产生絮凝剂的微生物种类

微生物絮凝剂的来源主要为：微生物细胞代谢产物、微生物细胞壁提取物、对微生物细胞利用或克隆所获得的物质[12]，目前已发现60多种微生物絮凝剂产生菌，主要有放线菌、细菌、酵母菌和霉菌等[13]，见表1。

表1 微生物絮凝剂的产生菌Table 1 The Producing bacteria of microbial flocculants

2 微生物絮凝剂的絮凝机理

微生物絮凝剂含有羟基、羧基、氨基等亲水性基团，其絮凝机理十分复杂，无法用单一的学说加以阐述[14]，目前主要有以下几种学说。

2.1 吸附架桥学说

此学说认为，当具有长链构象的高分子絮凝剂与悬浮的胶体表面发生吸附行为时，可产生静电引力、范德华力等作用力，并通过氢键、离子键等使胶体颗粒团聚吸附在一起，进而在颗粒之间形成“架桥”，使被吸附的悬浮部分聚集成为大的三维网状的絮凝体，然后有效地沉降下来[15]。因此，这种絮凝被称为“桥联絮凝”，是絮凝的重要机理之一。架桥过程见图1[16]。

图1 架桥过程Fig.1 The bridging process

2.2 电性中和学说

该机理称，由于胶体颗粒表面带负电荷，异于带正电荷的絮凝剂，因此发生了电荷中和作用。电性中和反应的发生导致颗粒表面电荷密度的改变，电荷密度降低致使颗粒失稳，通过引力克服颗粒间的静电排斥作用，从而使液体中颗粒可以充分又紧密地接近，在一定条件下，会立即形成网状结构沉淀。该学说可解释大部分微生物絮凝剂的絮凝作用，以及解释温度、pH值、离子强度、二价阳离子等对絮凝作用的影响[17]。

2.3 双电层压缩学说

此学说认为，絮凝剂的絮凝作用是由于存在范德华力和静电斥力所导致的。当加入含有与胶体粒子电性相反离子的微生物絮凝剂，胶粒互相接近至双电层并发生重叠时，颗粒之间吸引力变大，碰撞距离变短，合力变为引力作用，从而使颗粒间互相吸引、互相絮凝。

2.4 化学反应学说

此学说认为，微生物絮凝剂的基团可与某些生物大分子的活性基团发生化学反应，从而聚集结合沉淀下来。董晓斌研究发现，可通过增加或减少微生物絮凝剂的某些活性基团来提高絮凝剂效果。

3 影响微生物絮凝剂絮凝作用的因素

3.1 温度

温度对于微生物絮凝剂的絮凝效果影响较大，特别是蛋白质类的絮凝剂的絮凝效果更好。温度上升会引起悬浮颗粒和胶体颗粒的运动速度加快，进而引起絮凝率的升高；此外，较高的温度导致分子链断裂，结构发生变化，致使活性降低[18，19]。

3.2 pH值

王兰等[20]通过研究发现，体系pH值的变化也对微生物絮凝剂的絮凝作用有很大影响，这是由于pH的改变直接影响着絮凝剂和胶体颗粒表面所带电荷的种类、中和电荷的能力以及带电状态，从而对它们之间的靠近和吸附行为造成影响。在某个范围内的pH值，微生物絮凝剂的絮凝效果较好，这是因为在该范围内的pH值，胶体颗粒表面所带的电荷数相对较少，使得颗粒间的相互排斥力被削弱，进而促进了颗粒与絮凝剂之间的桥联作用，增强其絮凝的效果。另外，对于不同来源的微生物絮凝剂而言，每种菌都有其最佳pH值。

3.3 微生物絮凝剂的分子结构及分子量

据报道，微生物絮凝剂的分子量在一定程度上影响着絮凝的活性，分子量越大，其絮凝效果越好。目前，微生物絮凝剂大部分是蛋白质与多聚糖类的大分子，分子量大都在几十万到几百万。此外，具有线性结构的絮凝剂分子的絮凝效果较好，而具有交联分子结构或支链结构的微生物絮凝剂的絮凝效果较弱[21]。

3.4 微生物絮凝剂的添加剂量

一般来说，微生物絮凝剂的投加剂量都有一个最佳值，在较低的浓度区间内，随着絮凝剂浓度的升高，絮凝作用增强，然而达到一定浓度后，持续添加絮凝剂，絮凝效率会降低。实验表明：由于大分子在固体颗粒上形成架桥的可能性很大，因此絮凝剂加入量的最佳值一般约为固体颗粒表面能够吸附的大分子化合物的最大量的一半[22]。

此外，金属离子与其他无机离子、加入微生物絮凝剂时的搅拌速率、培养时的通气量、培养体积等也会对絮凝剂的絮凝效果产生一定的影响[23]。

4 微生物絮凝剂在甘蔗糖业中的应用

食用糖是我国重要的战略储备物资之一[24]，且制糖工业是我国一项重要的经济产业，如何有效地改进生产工业，提高产品质量，为企业创造效益，同时又能减少排污量是目前急需解决的问题。其中澄清工序对于保证产品稳定性和提高产品感官品质起着关键的作用。如今，微生物絮凝剂已经被成功地应用在食品加工、发酵工业和水处理行业中。尤其在给水、废水处理方面有着十分广泛的应用，但对于制糖行业国内外的研究较少。目前，国内研究的采用微生物絮凝剂处理蔗汁，均达到了一定的脱色效果。李楠等[25]用从活性污泥中筛选得到的富产絮凝剂菌株的轮枝孢属作为蔗汁澄清絮凝剂，絮凝率为69.2%，所得清汁的色值为87.4 IU。吴春兰等[26]利用3种微生物絮凝剂进行蔗汁澄清实验，结果表明：微生物絮凝剂可加快混合汁的沉降速率，压缩了滤泥体积并且具有脱色效果。由于吴春兰等的实验结果除浊效果不太理想，罗玉琴等[27]用聚丙烯酰胺与微生物絮凝剂BN-25复配处理蔗汁，有着较好的澄清效果，经过处理后，清汁色值仅为273 IU，浊度仅为84 MAU，澄清效果明显优于单独使用聚丙烯酰胺，并将聚丙烯酰胺添加量降低了75%以上。此外，Luo 等[28]将微生物絮凝剂与聚丙烯酰胺复配之后处理蔗糖混合汁，澄清效果也明显优于单独使用聚丙烯酰胺的效果。李雨虹等[29]以地衣芽孢杆菌作为出发菌株，利用紫外诱变的方法选育出了1株絮凝剂的高产菌株，进而利用它对蔗汁进行澄清，结果表明：突变株产微生物絮凝剂的絮凝活性相比于出发菌株提高了17%；2 mg/kg聚丙烯酰胺与10 U/mL微生物絮凝剂处理蔗汁的澄清效果没有很大差异。Zhuang等[30]用糖蜜取代蔗糖作为生物絮凝剂发酵中的唯一碳源，然后采用来自地衣芽孢杆菌的生物絮凝剂澄清后，清汁的色值和浊度分别达到1267 IU和206 IU，这些值几乎与用聚丙烯酰胺处理后获得的值相同。由以上实验结果可知，微生物絮凝剂与传统絮凝剂相比有着更高的絮凝率与良好的澄清效果，由此可见，其在甘蔗糖厂的澄清工艺中有着很大的应用潜力。

5 展望

新型的微生物絮凝剂和常规的絮凝剂相比，有非常多的优点，目前对于微生物絮凝剂的研究还有很大的发展空间：

(1)有关微生物絮凝剂的研究大部分还停留在实验室的研究与开发环节，与其实际应用存在一定的差异。所以日后应对规模化的生产工业试验进行研究，为甘蔗糖业的生产提供依据。

(2)絮凝过程及机理研究不充分，评价絮凝活性指标单一，安全性评价体系不完善。日后应从生物、化学和物理等方面采用多角度、多层次、多种形式的工艺来研究微生物絮凝剂的絮凝机制，并对微生物絮凝剂建立完善的评价体系。

(3)微生物絮凝剂的发展与应用受生产成本的限制。因此，通过利用廉价培养基来降低微生物絮凝剂的成本将成为未来微生物絮凝剂的研究方向之一。

(4)微生物絮凝剂的种类繁多，但单一的絮凝剂实际运用却很小。因此，复合型微生物絮凝剂的开发和复配也将会成为日后研究的热点之一。