豆制品废水生物法资源化利用研究进展

杨春华，齐 文，张 娜

哈尔滨商业大学 食品工程学院，黑龙江 哈尔滨 150028

豆制品生产过程中产生的废水也叫黄浆水。在传统大豆食品中，豆腐占据了50%的消费份额，在豆腐、豆腐皮、豆腐干等的生产过程中，黄浆水主要来源于浸出、蒸煮、压滤、精炼工段。黄浆水属于低毒性、高浓度、高可生化性废水，含有大分子蛋白、还原糖、脂肪、色素和盐类等物质。如今，随着豆制品产量的提高，废水量也逐年增加。2019年，我国大豆播种面积达933万hm2，比上一年增长10.9%，全球大豆产量达到3.37亿t。据统计，每利用1 t大豆要排放废水30～50 m3，国内豆制品企业每年的黄浆水排放量至少300万t，排放量大且环境污染严重，生化需氧量(BOD)高达5 000～8 000 mg/L，化学需氧量(COD)高达15 000～22 000 mg/L[1-3]，直接排放会污染田地和水质。如何处理这些废水对于企业和环境保护部门都是一个难题，从循环经济角度出发，应该通过回收废水最大限度地减少损失和循环副产品。目前处理大豆废水的方法有很多。从20世纪60年代起，国外就开始研究高浓度废水的处理方法，现已形成了以生物处理为主的豆制品废水处理技术。好氧生物处理法作为一种被广泛应用的方法去污能力强，但易产生大量污泥，其中的有毒有害物质会扩散到环境中；厌氧生物处理虽然成本低，在净化废水的同时可以回收能源，但遭破坏后恢复期长，对温度要求较高，不能去除生物氮和磷[4-5]；利用物理法提取功能性营养成分也是处理豆制品废水的一种途径，近年来膜技术和膜生物反应器以其高效节能、操作简单等优势应用广泛，是目前所掌握的最节能的分离技术，可浓缩大豆蛋白和大豆低聚糖，但膜污染问题尚未得到很好解决[6-9]；冷冻技术可以回收废水中的蛋白质，但需消耗大量能量,不经济[10]；超滤法、絮凝法、大孔树脂吸附法等都可以提取废水中的营养物质，但经物理、化学方法处理过的废水不宜直接排放，易污染环境。

好氧和厌氧生物处理虽可以降低废水的BOD，使其达到国家排放标准，但从资源利用方面讲是一种浪费。大豆低聚糖、大豆异黄酮、大豆乳清蛋白等功能性营养成分的提取会产生二次废水，在废水利用率上没有优越性。微生物发酵即在适宜的条件下，利用微生物将原料经特定的代谢途径转化为所需产物的过程。以黄浆水为基质培养微生物可大大降低微生物培养成本；将废水作为食品加工原料制备饮料、酱油等，几乎能完全利用废水，可见微生物发酵黄浆水在降低培养成本和提高废水利用率上具有显著优势。

1 生产B族维生素

B族维生素是人体必需的营养元素，哺乳动物无法合成[11]。维生素B12是人体许多辅酶的组成部分，在科学和医学领域中被称为最吸引人的分子[12]，与其他B族维生素不同，B12在一般植物中含量极少，主要由动物肠道细菌及土壤中的细菌生成[13]。通过微生物发酵生产维生素属于生物化学过程，安全性高，发展前景好。目前利用黄浆水培养仅可生产维生素B2和B12。

将大豆蛋白废水进行预处理后，基本满足了发酵维生素的条件。刘平等[14]利用黄浆水以谢氏丙酸杆菌为菌种，再添加一些葡萄糖、酵母膏等外源营养素制备培养基进行维生素发酵，从而得到含大量维生素B12的菌丝体。宋德贵等[15]利用黄浆水以阿氏假囊酵母为菌种，优化发酵生产核黄素的工艺条件，经正交试验得到在28 ℃培养13 d维生素B2产量达最大值。江连洲等[16]通过试验从预选菌种中筛选出最适合豆制品废水发酵制取维生素B的菌种是阿氏假囊酵母与薛氏丙酸杆菌(质量比1∶ 1)的复合菌种。因为维生素B12的化学合成过程昂贵且复杂，其商业生产完全通过生物发酵合成。微生物生产维生素B12有好氧发酵和厌氧发酵2种类型。丙酸杆菌是典型产维生素B12的厌氧菌，但好氧反硝化假单胞菌生产维生素B12的微生物生产率比厌氧发酵更高，也被广泛应用于工业和商业维生素B12的发酵中[17]。

2 培养食用菌

食用菌是可供人类食用的大型真菌，其药用价值包括抗癌、抗菌、降血脂、免疫调节等。深层培养食用菌可在短期就得到数量很多的食用菌菌丝体，同时还能获得多糖、单细胞蛋白等次生级代谢物，食用菌单细胞蛋白易被人体消化吸收，可成为人类蛋白食品的重要来源[18]。由于利用传统作物生产真菌和提取生物活性代谢物在某些情况下价格昂贵，通过生物技术获得这些代谢物在成本效益上优势显著[19]。

黄浆水中含大量蛋白质、糖类、盐类和微量元素，以黄浆水为原料制备食用菌液体菌种的工艺可行。赵永勋等[20]利用大豆分离蛋白废水深层培养香菇菌丝，经过试验证明大豆废水可以作为很好的液体培养基，菌丝体生物量在第7天达到最高值，并且除了菌丝体，发酵液中也可以提取很多如香菇多糖的次生级代谢物。王谦等[21]以大豆废水为原料培养白灵菇，制备白灵菇液体菌种的周期短，活力强，最佳培养条件为初始pH 6.5、接种量10%、摇床转速180 r/min。通过人工液体培养的蛹虫草菌丝体与天然虫草营养价值相似，王丽夏[22]选择在黄浆水中接种蛹虫草SN-18，菌丝体生物量逐步提高到13.01 g/100 mL，从第6天开始趋于平稳，同时发酵过程也提高了黄浆水的功能活性。此外，食用菌菌丝体可净化废水，降低COD和BOD5作用明显，COD去除率达79.91%，BOD5去除率达91.55%。菌丝体的接种量影响污水的净化效果，李仔密等[23]选择3个平菇菌丝体接种量分别为3%、5%、10%，净化效果从强到弱依次为3%、5%、10%，接种量3%、净化时间20 d对黄浆水的净化效果最好，此时对总氮也有一定去除效果。

3 生产单细胞蛋白

单细胞蛋白又称微生物蛋白，由于其原料要求低、营养价值高、用途广泛，被视为人类和动物获得蛋白质的手段之一。目前，生物处理法应用较多的微生物包括酵母菌、硝化细菌、反硝化细菌、光合细菌等。酵母菌生产法创于第二次世界大战时期，由于当时蛋白质大量缺乏，利用酵母菌生产单细胞蛋白成为了解决粮食短缺的一种途径[24]。在20世纪90年代，日本最先开始利用酵母菌处理废水，包括味精废水、大豆废水、啤酒废水等，降解废水中的有机物达到净化水质的作用[25]。

温子健等[26]通过对8种酵母菌进行试验得出其中产量最大、大豆乳清废水处理能力最强的为产朊假丝酵母。产朊假丝酵母的单细胞蛋白产量可达1.18 g/L，对乳清废水中COD的去除率为67.6%，BOD5的去除率为63.2%。刘玉等[27]把从酸浆中分离的假丝酵母和白地霉放入黄浆水培养基中发酵，最终得到产量较高的单细胞蛋白。李建政等[28]以5种常见的工业酵母菌进行大豆乳清废水的单细胞蛋白生产试验，结果是5种酵母菌均能在大豆分离蛋白生产废水中快速增殖，其中回收单细胞蛋白的最适酵母为C.lipolyticavar.lipolytica和S.fibuligera。车颖洁[29]通过试验得到发酵豆制品废水生产单细胞时，最佳菌种及质量配比为扣囊拟内孢霉∶ 白地霉∶ 解脂假丝酵母∶ 产朊假丝酵母=2∶ 1∶ 1∶ 2或3∶ 1∶ 1∶ 2。

光合细菌处理废水也是回收单细胞蛋白的方法之一。光合细菌广泛存在于自然界，常见于腐败有机物浓度高的水域，是一类具有原始光能合成体系的原核微生物，可以利用光能生长、代谢，对碳、氮和磷都有较高的去除率[30]。利用光合细菌处理豆制品废水不仅可达到较高的COD去除率，同时还可以回收单细胞蛋白、类胡萝卜素、氨基酸等有机物质[31-33]。

4 生产生物柴油

生物柴油是典型的绿色能源，具有原料来源广泛、环保性能好等特点，有广阔的工业化应用前景。充足的碳源是微生物发酵产油的关键之一，而豆制品废水中含有丰富的碳源和氮源，具有很好的生物降解性能，适合成为生物柴油的原料。利用微生物发酵生产的生物柴油相对于其他植物油脂拥有更高的品质[34]。虽然目前生物柴油大多来源于动、植物油，但通过黄浆水培养产油在成本、原料、环境上都具有优势[35]。

目前研究的产油微生物以酵母、微藻和霉菌为主。产油酵母的产油能力可达20%～70%，易对其进行基因改造，是一种极具潜力的产油微生物[36]。魏群等[37]得到了大豆蛋白废水培养油脂酵母的适宜工艺条件，在此条件下菌体密度大、废水中残糖及残氮量低。刘军贤[38]利用斯达氏油脂酵母处理大豆蛋白废水，在最优条件下生物量5.68 g/L、油脂含量7.74%、油脂产量0.44 g/L。微藻的环境适应能力强，生长速率快，光合作用效率高，能去除废水中的有机污染物、重金属和病原体，且油脂性质与标准生物柴油相近，易于生物技术改造，能有效解决能源问题[39-41]。在能源危机的背景下，利用微藻生产生物柴油的研究越来越普遍。小球藻是一种油脂含量高的微藻，常在废水中培养，被认为是生产生物柴油的理想原料[42-43]。初晓婉[44]考察了小球藻在不同条件下的油脂积累规律并总结出油脂产率最高时的条件。尚海等[45]发现藻菌共生体系能够促进油脂的积累，其中细菌和小球藻构建的共生体系使油脂含量提高了36.3%。但是，在废水中进行微藻培养时，易发生细菌污染。一方面，在有限的有机质和营养物质下，细菌和微藻存在的竞争关系会限制藻类的生长；另一方面，细菌促进污染物的去除，利于藻类的生长。因此，需要找出细菌在生产过程中的影响因素并制定解决方案。

微生物油脂正广泛应用于生物柴油的生产，未来微生物以黄浆水作为廉价原料产油时，还需考虑以下问题：(1)暂时无法进行工业化生产。若要进行工业化生产，微生物利用废水产油的产油量与糖类等碳源相比较少，无法满足其要求[46]。(2)预处理增添了成本。由于废水成分复杂，里面生长的微生物种类多，初始pH值不易满足产油微生物的生长要求，因此，应对其进行低价、高效的预处理[47]。(3)废水杂质多、提取工艺复杂。废水中含有很多高浓度的有机酸及复杂的盐成分，甚至存在不利于酵母生长代谢的杂质和难降解的化学物质，产油酵母的生长及代谢会受到抑制，增加了油脂提取的困难程度。

5 制备发酵饮料

发酵乳酸饮料产业的增长率大大超过了其他饮料制品，并且其市场优势在未来的乳饮料市场发展中将越来越显著。植物蛋白饮料是以含有一定蛋白质的植物果实、种子或果仁等为主要原料加工而成的乳状饮料，它的兴起克服了动物蛋白饮料高脂肪、高胆固醇的不足。发酵型植物蛋白饮料经由乳酸菌发酵，乳酸菌有调节胃肠道正常菌群、降低血清胆固醇、提高食物消化率、保持微生态平衡等功能，还可以抑制肠道内腐败菌的生长繁殖，提高食品的营养价值和保藏性，改善食品风味[48-49]。豆制品废水里残留了许多无毒无害的功能性营养成分，经过加工可以研发出美味的大豆乳清蛋白饮品。叶翠层等[50]以黄浆水为主要原料，利用乳酸发酵制得了豆清蛋白乳酸菌饮料。王欣欣等[51]利用植物乳杆菌、戊糖片球菌和肠膜明串珠菌对黄浆水进行发酵，发现游离苷元型大豆异黄酮的含量大幅增加，并得到发酵富含苷元型大豆异黄酮黄浆水的最佳条件。辛嘉英[52]采用乳酸菌发酵法，通过对黄浆水进行脱臭、蛋白质降解、离子交换树脂去除金属离子等步骤制得口感酸爽、微黄透明的乳酸饮料。陈则华等[53]用L.rhamnosus对大豆废水进行发酵，调整风味后可将其作为一种益生菌饮料。唐思颉等[54]以黄浆水作为红茶菌的新型发酵基质，得到了具有功能活性的新型黄浆水发酵产品。

以黄浆水为原材料制作饮料在废水利用率上有很大的优势，几乎可以完全利用。但制作黄浆水发酵饮料有2个弊端：黄浆水毕竟是废弃物，很多消费者心里无法接受经其加工得到的饮品；发酵饮料产品的安全性有一定程度的缺乏。应从加工开始就确保产品的安全和卫生，并且要保证乳酸菌在保质期内保持应有的数量级。

6 制备酸浆豆腐

酸浆是黄浆水经自然发酵后形成的凝固剂，富含乳酸菌，能分解蛋白质、脂肪和多糖[55-56]。凝固剂的添加是制作豆腐过程中最关键的一步，其种类和生产工艺决定着豆腐的品质，可生产出质地从软到硬、水分含量70%～90%的豆腐[57]。豆腐凝固剂主要分为硫酸钙、氯化镁等盐类凝固剂和葡萄糖酸δ-内酯、L-抗坏血酸等酸类凝固剂[58-60]。酸浆与外来凝固剂相比有更安全、更醇香、更环保等优点，也有易变质、难存储、酸度难控制等缺点。现在酸浆豆腐的制作工艺正在不断改善，如纯种发酵、双菌发酵、优势菌种都是为了做出口感更好、安全系数更高的豆腐[61]，且酸浆是将豆腐压出的黄浆水经发酵又加入到豆腐制作中，起到了豆制品废水循环利用的作用。

管立军等[62]使用一种纯种乳酸菌发酵豆浆的新工艺制备乳酸菌发酵豆腐，此工艺不仅使豆腐风味与传统酸浆豆腐相似，还能解决酸浆非标准化等问题。吕博等[63]以保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌共同在黄浆水中发酵制备豆腐凝固剂，此方法可以提高凝固剂中乳酸的含量并改善豆腐凝固剂的功能性。叶青等[64]利用一株从黄浆水中分离纯化出的干酪乳杆菌YQ336进行纯种发酵制备酸浆豆腐，其与自然发酵酸浆制备的豆腐相比具有更优的感官评分，并且不含腐败菌。王国良等[65]从酸浆中分离出了一株嗜酸乳杆菌，经鉴定其产酸能力最强。江振桂等[66]采用熟浆工艺生产豆腐时，分别比较以石膏、MgCl2、豆清发酵液为凝固剂的豆腐得率、保水性、感官评分、质构特性、风味特性，结果以豆清发酵液生产的豆腐感官评分最高，其他性能也较好，适合熟浆工艺豆腐加工。

酸浆豆腐保水性好、质地细腻，符合现代消费者健康的消费理念。由于酸浆豆腐是把自然发酵后的酸浆作为凝固剂循环使用于豆腐制作过程中，存在的安全卫生问题导致其无法标准化生产，如今诸如此类的弊端正逐渐被改进，酸浆豆腐的工业化生产极具潜力。

7 制备酱油

酱油是以大豆、脱脂大豆、小麦、小麦粉等为原料，蒸煮后添加人工培养的菌种使其发酵，利用微生物的各种酶进行分解，使原料中的蛋白质和淀粉转变为各种氨基酸、糖类、醇类、有机酸及色素，最后形成一种营养丰富、色香味俱全的调味品[67]。酱油作为世界上较古老的调味品之一，在中国已经使用了3 000多年，具有无可撼动的地位和广阔的市场需求[68]。目前，我国的酱油生产工艺以高盐稀态和低盐固态为主。高盐稀态法发酵时间为4～6个月，应用范围较小，产量在我国酱油总产量中仅占10%。低盐固态法是我国酱油生产普遍采用的发酵方法，产量占我国酱油总产量的90%左右，此法具有生产周期短、产量大等特点，实现了我国酱油的速酿生产[69-71]。

传统发酵酱油的主要原料是大豆，因此开发了黄浆水生产新型酱油的可能性[72]。薛临生[73]在早期就证实了腐乳生产废水完全可以用于酱油的生产，既能利用豆腐废水中的蛋白质，又能降低环境污染。张瑞等[74]利用大豆废水代替了传统酱油生产时所用的酸水解蛋白，确定了配制营养强化型酱油的最佳配方和工艺参数，并证实最终加工后得到的酱油在色泽、香气、滋味和体态上与市面酿造产品相比无明显差异。李雄辉等[75]设计的酱油生产工艺对黄浆水的利用率极高，可达90%以上，相比低盐固态法提高了15%。若要提升黄浆水发酵酿造酱油的市场需求量和生产规模，首先要保证酱油的酿造质量，严格按照工艺要求执行；其次需满足消费者对酱油各方面的需求，对酱油风味的改善进行不断地探索研究。

8 制备其他发酵产物

以黄浆水为基质还可以发酵生产曲酸、虾青素、γ-氨基丁酸、白地霉、真菌多糖、白酒[76-77]等物质。熊卫东等[78]利用米曲霉发酵法在添加了MgSO4·7H2O、K2HPO4等物质的黄浆水培养基中发酵培养曲酸，发现5～6 d菌体生长量和曲酸产量均达到最大值。孙玉梅等[79]在利用黄浆水发酵虾青素时，通过补加乙醇和葡萄糖提高了生物量、虾青素产量和虾青素含量。孙冰洁等[80]在添加了5%废糖蜜和1.0%磷酸氢二铵的培养基里培养从酸浆中分离出的白地霉FL44菌株，得到在最优培养条件下白地霉FL44生物量为15.13 g/L。姚子鹏等[81]研究了Lactobacillusbulgaricus1.0205在黄浆水培养基中生产GABA的最佳发酵条件，发酵40 h时GABA产量为6.22 g/L。

9 小结与展望

作者从两方面论述了微生物发酵处理黄浆水的方法：其一，从黄浆水中提取有用物质，如维生素B、食用菌、单细胞蛋白、生物柴油。国内关于黄浆水发酵维生素的文献较少，相较于其他液体，豆制品废水满足发酵维生素的条件并能取得较好效果；食用菌的培养可在短期内就得到数量多的食用菌菌丝体，并能提取很多次生级代谢物；能生产单细胞蛋白的酵母菌种类繁多，光合细菌废水处理在达到较高COD去除率的同时还可以回收单细胞蛋白；豆制品废水中含有丰富的碳源和氮源，具有很好的生物降解性能，适合成为生物柴油的原料，用微生物发酵生产的生物柴油相对于其他植物油脂具有更高的品质。其二，将黄浆水作为食品加工原料进行发酵，如制备发酵饮料、酸浆豆腐、酱油。以黄浆水为原料可以研发出美味的大豆乳清蛋白饮品，在废水利用率上有很大优势，几乎可以完全利用；酸浆可从大豆废水中提取后作为凝固剂，再加入到豆腐制作过程中循环往复利用；生产新型酱油也是豆制品废水利用的方法之一，既能利用黄浆水中的蛋白质，又能减轻环境污染。

黄浆水的处理法范围从物理、化学再到生物方法，对于如何有效地利用此类副产品具有十分重要的意义。生物法中的好氧处理有高投资、高能源成本、产生大量污泥等缺点，且会浪费大量的营养物质和有机碳；厌氧处理也广泛应用于大豆废水处理，但对有机氮和磷的去除能力极低，并且需要经常调节酸碱度。目前这2种生物净化工艺虽然可以将黄浆水处理到符合国家一级排放标准的程度，但对于企业是没有直接收益的。因此，处理黄浆水需要更经济可行的方法，不仅要降低化学需氧量、可溶性固体等，还要充分利用其中有用的成分。

利用微生物发酵法将黄浆水直接发酵制备成饮品或调味料，很多消费者可能从心理上难以接受，而且安全性上有一定程度的缺乏。酸浆豆腐的保水性好、质地细腻，但是酸浆的使用量完全取决于工人的经验，以及存在的安全卫生问题都是导致无法标准化生产的关键原因。作为发酵饮料，还要保证乳酸菌在保质期内保持应有的数量级。此外，黄浆水在新饮料开发中具有作为组织改良剂(发泡剂、乳化剂和增稠剂)和食品配料的潜力。如今，微生物发酵法应用于诸多领域，以黄浆水为基质培养微生物在降低成本和提高废水利用率上具有显著优势，有极其广阔的发展前景。