微生物絮凝劑在食品工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展

葉永麗，扈曉鵬，高旭東，陳士恩

微生物絮凝劑在食品工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展

葉永麗，扈曉鵬，高旭東，陳士恩*

（西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730030）

微生物絮凝劑是一類由微生物產(chǎn)生的具有絮凝活性的天然高分子有機(jī)物，具有安全、高效、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)。主要介紹了微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理及其在食品工業(yè)中廢水處理、渾液分離、固液分離等幾個(gè)方面的應(yīng)用，并對(duì)微生物絮凝劑今后的發(fā)展進(jìn)行了展望。

微生物絮凝劑；絮凝機(jī)理；應(yīng)用進(jìn)展；廢水處理

絮凝劑是一種通過(guò)物理或者化學(xué)方法使液體中不易沉降的固體懸浮顆粒凝聚沉降的物質(zhì)[1]。絮凝劑常分為有機(jī)合成高分子絮凝劑、無(wú)機(jī)絮凝劑、天然高分子絮凝劑或生物絮凝劑，天然高分子絮凝劑包括微生物絮凝劑和植物改性高分子絮凝劑[2-3]。但使用化學(xué)合成絮凝劑會(huì)產(chǎn)生含有大量金屬和非生物降解材料的化學(xué)污泥，其安全性和成本很難保證。據(jù)研究調(diào)查，一些傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)和合成有機(jī)高分子絮凝劑有引起或促進(jìn)阿爾茨海默氏癥、神經(jīng)毒性和癌癥的效應(yīng)[4]。在尋求解決這些問(wèn)題的過(guò)程中，微生物絮凝劑以其明顯的優(yōu)勢(shì)迅速成為優(yōu)良絮凝產(chǎn)品的研究熱點(diǎn)。

微生物絮凝劑（microbial flocculant，MBF）是一類由微生物（如細(xì)菌、酵母、霉菌、放線菌等）在特定培養(yǎng)條件下產(chǎn)生的，具有絮凝活性的代謝產(chǎn)物，通過(guò)發(fā)酵、提取、精制等生物技術(shù)手段得到的可生物降解及具有安全性高、高效低成本的無(wú)毒水處理劑[5]。根據(jù)絮凝劑來(lái)源的不同，微生物絮凝劑主要分為3類[6]：直接利用微生物細(xì)胞的絮凝劑、利用微生物細(xì)胞提取物的絮凝劑和利用微生物細(xì)胞代謝產(chǎn)物的絮凝劑。由于可以克服無(wú)機(jī)高分子和有機(jī)高分子絮凝劑自身的不足，具有高效、無(wú)二次污染、安全無(wú)毒性、原料來(lái)源廣泛等的優(yōu)點(diǎn)[7-8]，近些年來(lái)微生物絮凝劑的研究應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，如供水、焦化、建材、染料、紡織、造紙、食品生產(chǎn)等行業(yè)[9-11]。在食品行業(yè)中，微生物絮凝劑可以用于廢水處理、生產(chǎn)過(guò)程中的混液澄清以及固液分離等方面。

1 微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理

有關(guān)微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理研究工作者先后提出過(guò)很多學(xué)說(shuō)，主要有以下幾種，而目前普遍接受的是“橋聯(lián)”作用機(jī)理學(xué)說(shuō)。

1.1 “橋聯(lián)”機(jī)理學(xué)說(shuō)

微生物絮凝劑作為一類高分子化合物，不但具有線性結(jié)構(gòu)，而且具有可與顆粒表面的某些部位起作用的化學(xué)基團(tuán)，當(dāng)微生物絮凝劑與顆粒接觸，基團(tuán)便與顆粒表面產(chǎn)生特定的反應(yīng)而相互吸附，而微生物絮凝劑其余部分則暴露在溶液中，與另一個(gè)顆粒繼續(xù)接觸吸附，這便起到了架橋連接的作用[6]。即該學(xué)說(shuō)認(rèn)為的絮凝劑大分子借助離子鍵、氫鍵、范德華力，同時(shí)結(jié)合多個(gè)顆粒分子，在顆粒之間產(chǎn)生“中間橋聯(lián)”，從而形成網(wǎng)狀的三維結(jié)構(gòu)而把這些顆粒聯(lián)結(jié)在一起而沉淀下來(lái)。這一機(jī)理可對(duì)大多數(shù)的微生物絮凝劑引起的絮凝現(xiàn)象作出解釋。

1.2 “電性中和”學(xué)說(shuō)

該學(xué)說(shuō)認(rèn)為膠體顆粒表面對(duì)異種離子有強(qiáng)烈的吸附作用，相反電荷的聚合電解質(zhì)可以減少顆粒表面電荷的密度，使得水中顆粒相互之間充分接近，進(jìn)而使吸引力變得更加有效。在條件適宜的情況下會(huì)迅速形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而使顆粒沉淀下來(lái)。這一學(xué)說(shuō)可以解釋pH值、離子強(qiáng)度、溫度、二價(jià)陽(yáng)離子等因素對(duì)絮凝劑絮凝活性的影響[12]。

1.3 “化學(xué)反應(yīng)”學(xué)說(shuō)

生物大分子中某些活性基團(tuán)與被絮凝物質(zhì)相應(yīng)的基團(tuán)發(fā)生了化學(xué)作用，聚集成較大的分子而沉淀下來(lái)，通過(guò)對(duì)生物大分子改性、處理，使其添加或喪失某些活性基團(tuán)，其絮凝活性就大受影響。有研究者認(rèn)為這些絮凝劑的絮凝活性大部分依賴于活性基團(tuán)。溫度影響絮凝效果，主要是通過(guò)影響其化學(xué)基團(tuán)活性從而影響其化學(xué)反應(yīng)的[13]。

此外，還有其他一些絮凝機(jī)理學(xué)說(shuō)，如掃卷作用、網(wǎng)捕作用、粘質(zhì)說(shuō)、聚-β-羥丁酸（poly-β-hydroxybutyricacid，PHB）酯合學(xué)說(shuō)、菌體外纖維素纖絲學(xué)說(shuō)等也可解釋一些絮凝現(xiàn)象。但一定程度上存在局限性，絮凝機(jī)理并非是單一的學(xué)說(shuō)，而是在某一條件下以某一機(jī)理為主。王琴等[14]認(rèn)為復(fù)合微生物絮凝劑的絮凝過(guò)程涉及吸附、中和和化學(xué)鍵合機(jī)理。

2 微生物絮凝劑在食品工業(yè)上的應(yīng)用

2.1 廢水處理

2.1.1 廢水除濁

無(wú)機(jī)和有機(jī)絮凝劑廣泛應(yīng)用于污水脫泥和水凈化處理。無(wú)機(jī)絮凝劑主要分鐵鹽類和鋁鹽類兩個(gè)大類，其中，鋁鹽中的鋁離子具有神經(jīng)毒性，經(jīng)鐵鹽處理過(guò)的水帶有顏色，人體攝入高價(jià)態(tài)鐵容易形成高鐵血紅蛋白。人工合成的有機(jī)高分子絮凝劑如聚丙烯酰胺等雖與無(wú)機(jī)絮凝劑相比更具優(yōu)勢(shì)，但一些高分子絮凝劑單體具有毒性，且在環(huán)境中難以降解。與無(wú)機(jī)或有機(jī)合成高分子絮凝劑相比，微生物絮凝劑由于其安全、無(wú)毒的特性而逐漸應(yīng)用于食品生產(chǎn)廠廢水的處理過(guò)程中。許多研究表明，其處理廢水效果顯著，處理后的沉淀物和廢水可再次綜合利用。

陳燁等[15]用硅酸鹽細(xì)菌GY03菌株所產(chǎn)生的高效絮凝劑在pH為8.5，廢水與絮凝劑體積比為8∶1的條件下靜置處理啤酒廠廢水8h。結(jié)果顯示，沉降處理后啤酒廢水的懸浮物（suspendedsubstance，SS）、生化需氧量（biochemical oxygen demand，BOD5）及化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，CODCr）的去除率分別為93.59%、77.40%和70.52%，效果明顯要比化學(xué)合成絮凝劑好。楊常鳳等[16]自制微生物絮凝劑處理醬油廢水，在pH值6～8，投加量4mL/L時(shí)，COD去除率約70%，且當(dāng)與其他絮凝劑復(fù)配時(shí)，COD去除率明顯提高。復(fù)合微生物絮凝處理紅薯淀粉廠中高濃度有機(jī)廢水，絮凝率可達(dá)97%，其COD去除率達(dá)65%，處理后的廢水還可再生產(chǎn)紅薯淀粉或用于農(nóng)田灌溉，沉淀物中富含蛋白質(zhì)，故還可制作高級(jí)飼料用于水產(chǎn)養(yǎng)殖[17]。PATIL S V等[18]在對(duì)從Azotobacter indicusATCC 9540菌株中所產(chǎn)胞外多糖（exopolysaccharides，EPS）特性研究的基礎(chǔ)上，調(diào)查探討了該特殊EPS對(duì)乳制品、淀粉以及制糖業(yè)中廢水處理的絮凝效果（見(jiàn)表1）。生物聚合物使用量為500mg/L時(shí)，廢水中的生化需氧量（38%～80%）、化學(xué)需氧量（37%～79%）和懸浮物（41%～68%）均有不同程度的下降。

表1 EPS處理前后的水質(zhì)參數(shù)分析Table 1 Analysis parameters of water quality before and after EPStreatment

2.1.2 廢水脫色處理

目前的廢水處理技術(shù)雖可大大降低廢水中的BOD、COD等含量，但對(duì)于廢水脫色這一方面尚缺乏行之有效的方法，特別是可溶性色素溶液的脫色處理[19]。微生物絮凝劑處理有色廢水可有效地凝聚水溶性色素，對(duì)一些用高分子絮凝劑難以除去的著色物質(zhì)也有很好的脫色效果。

甘蔗糖蜜是甘蔗榨糖后所得的副產(chǎn)物，呈黑褐色、黏狀、半流動(dòng)液體，即俗稱的“桔水”。國(guó)內(nèi)外對(duì)糖蜜酒精廢水脫色處理的研究取得了一定的發(fā)展。由于各種水溶性色素物質(zhì)尤其是類黑精的存在，酒廠廢水經(jīng)厭氧處理后有可能會(huì)重新形成新的有色物質(zhì)而致使廢水色澤加深。此外廢液中還含有大量懸浮物以及濃度較高的蛋白質(zhì)、糖類等有機(jī)質(zhì)，直接排放至環(huán)境中會(huì)對(duì)土壤肥力和水質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。YADAV S等[20]在確定Proteus mirabilis、Bacillussp.、Raoultella planticola、Enterobacter sakazakii4種菌株最佳復(fù)合比例的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了其生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)條件和培養(yǎng)條件對(duì)脫色效果的影響。實(shí)驗(yàn)表明，該4種菌株（4∶3∶2∶1）在碳源1.0%、氮源0.1%、培養(yǎng)溫度（35±0.1）℃、pH7.0條件下180r/min搖床培養(yǎng)10d后其糖蜜類黑精的脫色率可高達(dá)75%，COD去除率為71%。范艷霞等[21]將采用富集培養(yǎng)技術(shù)從糖廠內(nèi)循環(huán)（internal circulation，IC）反應(yīng)器活性污泥中得到的菌群用于糖蜜酒精廢水脫色處理，并探討了微生物對(duì)糖蜜酒精廢水的脫色條件，包括糖蜜廢水濃度、不同廢水組分、初始pH、溫度以及培養(yǎng)時(shí)間5因素，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了脫色過(guò)程中細(xì)菌菌落結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，菌群在10%（v/v）廢水中添加適量的碳源、氮源和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并調(diào)節(jié)pH7.0，于37℃培養(yǎng)7d后廢水脫色率可達(dá)46.2%，同時(shí)COD去除率為38.5%。微生物處理糖蜜酒精廢水脫色是一個(gè)比較復(fù)雜的生化過(guò)程，微生物的組成結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)情況決定了處理效果的好與壞，因而在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)微生物的生長(zhǎng)條件控制是關(guān)鍵問(wèn)題之一。目前有關(guān)利用微生物對(duì)食品工業(yè)廢水脫色的研究與分析尚少見(jiàn)，對(duì)于微生物的脫色機(jī)理也缺乏詳盡的論述。

2.1.3 廢水中油水分離處理

食品行業(yè)的含油廢水主要是餐飲業(yè)、食品生產(chǎn)廠、食用油生產(chǎn)行業(yè)等未經(jīng)處理而排放的廢水，含油廢水對(duì)環(huán)境、生態(tài)平衡和人體健康均有危害。目前處理含油廢水的技術(shù)主要分3類：化學(xué)法、物理法及生物法?；瘜W(xué)法易產(chǎn)生二次污染，物理法雖對(duì)環(huán)境無(wú)危險(xiǎn)，但處理周期長(zhǎng)、成本高、經(jīng)濟(jì)效益低。生物法成本低，且無(wú)二次污染，是國(guó)內(nèi)外油脂廢水處理研究的熱門(mén)技術(shù)。

含油廢水中的油脂為微生物的生存提供了能源和碳源，而微生物代謝產(chǎn)生的脂肪酶穩(wěn)定性較好，水解效率高，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的生化反應(yīng)可以將油脂徹底氧化分解。已篩選出的可有效降解油脂的微生物主要有需氧的細(xì)菌、真菌和酵母。CHIGUSA K等[22]采用9株混合酵母菌處理豆油廢水，獲得了較好的效果，其對(duì)COD、BOD、豆油三者的去除率均維持在93%以上。呂文洲等[23]利用篩選到的6株酵母菌對(duì)高濃度含油的色拉油廢水進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)。結(jié)果顯示，進(jìn)水CODCr含量約12 000mg/L，油含量約3 500mg/L，BOD5-yeast負(fù)荷1.0～2.5kg/（kg·d）條件下，CODCr和油的去除率分別為87.1%～97.3%、92.9%～99.8%，除油效果非常顯著。但連續(xù)運(yùn)行會(huì)有潛在的酵母菌種類和形態(tài)發(fā)生變化、污泥膨脹和菌株數(shù)量減少等現(xiàn)象，因而B(niǎo)OD5-yeast負(fù)荷應(yīng)控制在1.0～1.5kg/（kg·d）范圍內(nèi)。黃立志等[24]研究了在某餐館排污渠污泥中篩選的油脂降解菌株對(duì)油脂、含油脂廢水和固體廢棄物的降解條件及規(guī)律，探索了所得優(yōu)勢(shì)菌株降解油脂的可行性。通過(guò)以花生油作為唯一碳源馴化得到1株優(yōu)勢(shì)菌株，在最適生長(zhǎng)條件培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，以該菌株處理花生油（花生油、CODCr初始質(zhì)量濃度分別為700mg/L、1 012.93mg/L）24h，結(jié)果發(fā)現(xiàn)花生油和CODCr的降解率分別可達(dá)到98.91%、97.27%；處理餐廳污水時(shí)，油脂在30h內(nèi)可降解88.66%，CODCr的降解率也達(dá)85.42%；對(duì)固體油脂膜的降解速度雖較慢，但30d的降解率與自然條件下降解相比提高了13倍，顯示了其對(duì)固體油脂較高的降解速率。

2.2 制糖業(yè)中的渾液澄清

糖液澄清工序是制糖工藝流程中的重點(diǎn)，其處理的好與壞關(guān)系到成品的質(zhì)量，影響著生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟(jì)效益。怎樣提高蔗糖的精度及純度是整個(gè)制糖行業(yè)所面對(duì)的問(wèn)題。傳統(tǒng)制糖工藝中均需要加入絮凝劑來(lái)提高其澄清效率，所以絮凝劑在制糖業(yè)中具有非常重要的地位。無(wú)機(jī)或有機(jī)高分子絮凝劑有一定的處理效果，但其在使用過(guò)程中的不安全性以及存在的研究和應(yīng)用局限性越來(lái)越受人們的重視。石灰和二氧化硫是糖廠常用的澄清劑，兩者的使用均與pH的高低有關(guān)，由于石灰本身雜質(zhì)多，若pH控制不當(dāng)，清汁中殘留的灰分會(huì)越來(lái)越多，熱面積垢增加，白糖產(chǎn)率降低；而以二氧化硫作澄清劑時(shí)，pH值和溫度越高，還原糖遭破壞越多，且物料的色值也會(huì)增加。此外還有亞硫酸法、碳酸法、離子交換樹(shù)脂法、聚合電解質(zhì)法、氣浮法、加表面活性劑、活性炭等方法，這些方法均存在某些不足之處，如成本高難投入使用、濾出物難處理、清汁中易混入重金屬等。故亟需尋找開(kāi)發(fā)無(wú)毒、無(wú)二次污染且處理效率更高的制糖用絮凝劑。微生物絮凝劑具備這樣的優(yōu)點(diǎn)且還具有一定的去污和脫色能力，故可將其應(yīng)用到制糖生產(chǎn)中。

吳春蘭等[25]利用馬鈴薯瓊脂培養(yǎng)基和牛肉汁培養(yǎng)基培養(yǎng)的復(fù)合微生物絮凝劑處理糖廠蔗汁，不但可以提高其絮凝的速度，降低泥底高度，而且與糖廠普遍采用的聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）相比，蔗汁純度更高。在蔗汁脫色方面，微生物絮凝劑脫色效果也比PAM處理的效果要好。李楠等[26]從污水處理廠的活性污泥中分離得到1株對(duì)蔗汁進(jìn)行絮凝沉淀和脫色效果均良好的霉菌。其結(jié)果表明，該霉菌在分別以葡萄糖、牛肉膏為碳源、氮源，調(diào)節(jié)pH 6.0，28℃、140r/min搖床培養(yǎng)4d后處理蔗汁效果最佳，絮凝率達(dá)69.2%，清汁色值為87.4。除了在制糖業(yè)上有少量相關(guān)報(bào)道外，微生物在其他汁液澄清工藝中的應(yīng)用極少或幾乎沒(méi)有報(bào)道，若要擴(kuò)大其使用范圍，必須對(duì)微生物的絮凝機(jī)理及具絮凝活性的組分有更深入的研究和認(rèn)知。

2.3 發(fā)酵制品的固液分離

在發(fā)酵制品生產(chǎn)過(guò)程中，菌體細(xì)胞和細(xì)胞殘留碎片分離是發(fā)酵液后處理的第一步，是不可缺少的工藝程序。發(fā)酵液中除含有菌體細(xì)胞及其碎片外，還含有蛋白質(zhì)和膠狀物質(zhì)等，這些雜質(zhì)若不除去，則會(huì)對(duì)后續(xù)的加工提取產(chǎn)生不良影響。發(fā)酵液常呈膠體狀態(tài)，傳統(tǒng)的過(guò)濾分離方法處理存在困難，如勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低且有可能對(duì)設(shè)備造成損壞，過(guò)濾操作無(wú)法正常進(jìn)行等[6]。另外，離心法也可用于發(fā)酵液的分離，但設(shè)備投資大，生產(chǎn)成本高。微生物絮凝劑對(duì)大多數(shù)的微生物細(xì)胞具有絮凝作用，包括放線菌、細(xì)菌、真菌及藻類等，故可以取代傳統(tǒng)工藝用于食品生產(chǎn)中細(xì)胞和其他物質(zhì)的分離，降低殘留物對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響及潛在的安全問(wèn)題。

采用微生物絮凝技術(shù)和其他常規(guī)方法相結(jié)合，可有效去除發(fā)酵液的細(xì)胞及固形顆粒，既可降低或避免其他方法帶來(lái)的高能耗、操作繁瑣和管理不便等的影響。如張晶等[13]認(rèn)為在乙醇酵母液中加入Ca2+和NOC-1絮凝處理有利于后續(xù)的過(guò)濾操作。在釀酒工業(yè)中，可用具有絮凝性能的酵母替換無(wú)絮凝特性的酵母，既有分離的作用，又可獲得更高質(zhì)量的啤酒。此外，在生物乙醇和面包發(fā)酵酵母的生產(chǎn)中亦可用微生物絮凝劑來(lái)達(dá)到固液分離的良好效果，縮短處理時(shí)間，并通過(guò)沉降除去不穩(wěn)定物質(zhì)以保證產(chǎn)品質(zhì)量[27]。

3 展望

作為新一代絮凝產(chǎn)品，微生物絮凝劑以其在食品工業(yè)廢水處理方面具有傳統(tǒng)絮凝劑難以取代的優(yōu)勢(shì)使其在環(huán)保和生產(chǎn)應(yīng)用中受到越來(lái)越多的關(guān)注。隨著復(fù)合菌群培養(yǎng)技術(shù)、基因工程技術(shù)、生物流化床等[6]一系列新技術(shù)、新方法和新工藝在生物工程中得到應(yīng)用，使得微生物絮凝劑的功用不斷增強(qiáng)，處理效果也日漸提高，并使其逐漸從實(shí)驗(yàn)室研究走向?qū)嶋H生產(chǎn)成為可能。

但從目前已有的報(bào)道來(lái)看，擴(kuò)大其在食品工業(yè)中的應(yīng)用范圍以及真正實(shí)用化，仍需對(duì)微生物絮凝劑有更深入的研究，如：繼續(xù)尋找培養(yǎng)產(chǎn)絮凝劑菌種的廉價(jià)替代培養(yǎng)基，盡可能降低生產(chǎn)成本；對(duì)選育條件進(jìn)行優(yōu)化，篩選高產(chǎn)高效菌株；更深層次研究絮凝劑產(chǎn)生菌的代謝規(guī)律和絮凝作用機(jī)理；根據(jù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的思路，合理研究利用復(fù)合型微生物絮凝劑；采用基因和生物工程技術(shù)等手段提高微生物絮凝劑的絮凝活性；將微生物絮凝劑推廣到更多行業(yè)，使其生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?，真正脫離實(shí)驗(yàn)室研究的限制[28-31]。

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Application progress of microbial flocculant in food industry

YE Yongli,HU Xiaopeng,GAO Xudong,CHEN Shien*
(College of Life Sciences and Engineering,Northwest University for Nationalities,Lanzhou 730030,China)

Microbial flocculant,with advantages of safety,high efficiency,biodegradability,is one of the natural macromolecular organic compounds created by microorganisms.The microbial flocculant mechanism and the application of flocculating agent in food industry were introduced in this paper,including wastewater treatment,fluid separation and solid-liquid separation.The development prospect was made as well.

microbial flocculant;flocculant mechanism;application progress;wastewater treatment

TS202.3

A

0254-5071（2014）04-0001-04

10.3969/j.issn.0254-5071.2014.04.001

2014-03-09

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展資金（甘財(cái)農(nóng)[2012]323號(hào)）

葉永麗（1990-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称钒踩c品質(zhì)控制。

*通訊作者：陳士恩（1964-），男，教授，本科，研究方向?yàn)槭称钒踩c品質(zhì)控制。