餐廚廢油資源化產(chǎn)鼠李糖脂的研究進(jìn)展

范 強(qiáng)，劉 余，徐熠鎏，蘭貴紅

（1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川成都610500；2.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所，四川成都610041）

餐廚廢油（waste cooking oil）是來(lái)源于餐飲行業(yè)以及家庭生活的廢棄油脂，是城市餐廚垃圾的主要來(lái)源，具有極高的回收利用價(jià)值。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與人民生活水平的不斷提高，餐廚廢油的產(chǎn)量逐年遞增，其帶來(lái)的危害也與日俱增。然而，餐廚廢油在我國(guó)還沒(méi)有得到合理利用，餐廚廢油回流餐桌、污染環(huán)境的事件頻頻發(fā)生，已嚴(yán)重威脅到人們的身心健康和居住環(huán)境。微生物以餐廚廢油為廉價(jià)碳源生產(chǎn)鼠李糖脂，因碳源成本低、廢棄物資源化、產(chǎn)物應(yīng)用前景廣等優(yōu)勢(shì)被研究者廣泛關(guān)注。

作者在此介紹了餐廚廢油的危害及處理現(xiàn)狀，重點(diǎn)總結(jié)了餐廚廢油資源化產(chǎn)鼠李糖脂的研究現(xiàn)狀，擬為餐廚廢油的綜合利用、變廢為寶提供參考。

1 餐廚廢油的危害及處理現(xiàn)狀

餐廚廢油包含煎炸廢油、潲水油、地溝油等廢棄油脂。煎炸廢油主要來(lái)源于快餐、燒烤等行業(yè)，由于受到反復(fù)高溫加熱，油脂不斷發(fā)生氧化、分解、聚合等反應(yīng)，營(yíng)養(yǎng)成分遭到破壞，產(chǎn)生大量具有致癌作用的毒性物質(zhì)；潲水油主要指餐館或家庭的剩菜剩飯，含有大量油脂、淀粉、纖維素等成分，主要作為家畜的飼料，但在運(yùn)輸、存儲(chǔ)過(guò)程中極易變質(zhì)腐敗、滋生有害細(xì)菌，產(chǎn)生大量毒素，而這些有害物質(zhì)通過(guò)喂養(yǎng)家畜后經(jīng)食物鏈又被人體吸收；地溝油是指從下水道或飯店廢油桶中過(guò)濾得到的油脂，由于含大量的水分、糖類、蛋白質(zhì)和鹽分，地溝油極易酸敗變質(zhì)，人類誤食這類油脂常引起惡心、嘔吐、腹瀉等腸胃疾病［1］。目前，我國(guó)每年產(chǎn)生的餐廚廢油約700萬(wàn)t。由于餐廚廢油油脂含量高，在利益的驅(qū)使下，每年近350 萬(wàn)t的餐廚廢油經(jīng)脫水、脫渣、脫臭、脫色處理后被不法商販販賣給餐館，所引發(fā)的食品行業(yè)信任危機(jī)遲遲得不到緩解，食品安全問(wèn)題迫在眉睫［2］。

大量餐廚廢油的累積除了引發(fā)食品安全事故，還帶來(lái)了巨大的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。由于我國(guó)餐廚廢油的量多且處理難度大，常常直接被排入下水道，而得不到及時(shí)有效的處理。油脂在下水道中與各類蚊蠅、病源微生物、生活垃圾、廢棄化工產(chǎn)品等接觸，經(jīng)一系列生化反應(yīng)后散發(fā)出酸敗惡臭氣味，嚴(yán)重影響城市生活環(huán)境。同時(shí)，油脂大量的堆積極易使下水道結(jié)垢堵塞，導(dǎo)致污水四溢，特別是在寒冷的冬季更為嚴(yán)重。此外，餐廚廢油屬大分子疏水性有機(jī)物，具有色澤深、不透明、凝固點(diǎn)高等特點(diǎn)，一旦流入江河，將會(huì)導(dǎo)致大面積的水體污染。

我國(guó)餐廚廢油資源非常豐富，但其成分復(fù)雜、來(lái)源不穩(wěn)定，相關(guān)的回收利用、檢測(cè)方法與制度也不夠完善。目前，國(guó)內(nèi)處理餐廚廢油的方式主要包括：（1）餐廚廢油作為化工原料生產(chǎn)脂肪酸、脂肪醇、肥皂等產(chǎn)品，但這種處理方式易造成二次污染，且經(jīng)濟(jì)效益差；（2）將餐廚廢油轉(zhuǎn)化為清潔能源生物柴油，但目前生產(chǎn)生物柴油還存在著工藝技術(shù)落后和生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)；（3）將餐廚廢油與其它餐廚垃圾混合作為家畜飼料，這種處理方式簡(jiǎn)單直接，但易將有害物質(zhì)引入食物鏈而造成惡性循環(huán)。

國(guó)外對(duì)餐廚廢油資源化的研究也較多，處理方式主要是：首先對(duì)其進(jìn)行油水分離處理，再將分離得到的油脂作為生產(chǎn)原料回收利用，如用作柴油機(jī)的混合燃料［3］，生產(chǎn)生物柴油［4］、合成氣［5］以及生物表面活性劑［6］等。其中餐廚廢油微生物資源化產(chǎn)生物表面活性劑具有經(jīng)濟(jì)效益良好及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前餐廚廢油資源化較為流行的處理方式。餐廚廢油能被多種微生物利用產(chǎn)生物表面活性劑，如產(chǎn)堿桿菌產(chǎn)生物破乳劑［7］、酵母菌產(chǎn)糖脂［8－9］、粘質(zhì)沙雷菌［10］和枯草芽孢桿菌［11］產(chǎn)脂肽、假單胞菌產(chǎn)鼠李糖脂［11］等。

2 餐廚廢油產(chǎn)鼠李糖脂的研究現(xiàn)狀

2.1 鼠李糖脂的主要生產(chǎn)菌株

鼠李糖脂最早由Jarvis等發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)由1～2個(gè)鼠李糖（親水基）鏈接1～2個(gè)飽和或不飽和脂肪酸（疏水基）構(gòu)成［12］，主要通過(guò)假單胞菌（Pseudomonas）或伯克氏菌（Burkholderia）代謝產(chǎn)生?？纱x產(chǎn)鼠李糖脂的菌株包括：腎桿菌屬的R.salmoninarum［13］，不動(dòng)桿菌屬的A.calcoaceticus以及腸桿菌屬的E.asburiae、E.hormaechei［14］，假單胞菌屬的P.aeruginosa［11］、P.cepacia、P.acidovorans、P.picketti、P.fluorescen［15］、P.nitroreducens［16］、P.putida［17］等，伯克氏菌屬的B.plantarii［18］、B.glumae［19］等菌株，但不同菌株代謝活性差異較大、鼠李糖脂產(chǎn)量各異。其中以假單胞菌代謝活性突出，且能更好地利用不同來(lái)源的餐廚廢油作為碳源，并表現(xiàn)出較高的油脂利用率，因此，目前絕大部分餐廚廢油資源化產(chǎn)鼠李糖脂的研究都以銅綠假單胞菌作為出發(fā)菌株。

2.2 鼠李糖脂的應(yīng)用價(jià)值

鼠李糖脂具有無(wú)毒、生物相容性好、易生物降解、表面活性優(yōu)良、乳化活性穩(wěn)定、能耐受高溫、高礦化度、強(qiáng)酸或強(qiáng)堿等極端條件的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗菌性能和抗毒活性［20］，目前已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、生物修復(fù)、微生物采油、食品、化妝品行業(yè)等領(lǐng)域。

近年來(lái)，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，工業(yè)排放的廢水、固體廢棄物，農(nóng)田中施用的農(nóng)藥以及石油開(kāi)采中的井噴及運(yùn)輸中的泄漏等對(duì)水體和土壤的污染日趨嚴(yán)重。處理這類環(huán)境污染問(wèn)題的傳統(tǒng)方式是利用化學(xué)合成表面活性劑對(duì)污染源的增溶作用，但這類化學(xué)合成表面活性劑具有一定的環(huán)境毒性，且很難被自然修復(fù)或生物降解，因此被認(rèn)為是額外添加的污染源［21］。而生物修復(fù)是通過(guò)加入微生物或生物表面活性劑，增強(qiáng)憎水性化合物的親水性和生物可利用性，使進(jìn)入環(huán)境的污染物不斷地被降解，最終達(dá)到控制污染而不傷環(huán)境的目的。研究表明，鼠李糖脂對(duì)脂肪族、芳香族的烷烴乳化活性高于常用的化學(xué)表面活性劑（如Tween－80、Triton X－100），并能有效刺激氯苯甲酸等的降解［22］。鼠李糖脂不僅能提高烷烴、芳香烴的去除率，還可以縮短可被微生物利用的適應(yīng)時(shí)間。2010年，美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，假單胞菌產(chǎn)鼠李糖脂可快速有效降解墨西哥灣漏油事故中釋放出來(lái)的多環(huán)芳烴、致癌和誘發(fā)突變的化合物。鼠李糖脂也可用于修復(fù)受重金屬污染的水源［23］等環(huán)境問(wèn)題。

此外，鼠李糖脂還可以降低原油與水之間的界面張力，從而將大量被毛細(xì)管、孔隙夾持的原油釋放出來(lái)，這為生物表面活性劑應(yīng)用于石油工業(yè)提供了重要的理論依據(jù)［24］；同時(shí)，鼠李糖脂能很大程度地降低稠油黏度，有利于稠油的開(kāi)采和遠(yuǎn)程運(yùn)輸［25］；再者，鼠李糖脂穩(wěn)定性好，在大面積油田和地下貯藏條件下使用更為有效［26］。應(yīng)用鼠李糖脂作驅(qū)油劑具有工藝簡(jiǎn)單、適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)效益高和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，且安全性能好，不損害地層，同時(shí)由于對(duì)鼠李糖脂的純度要求不高，可直接使用含完整菌體的發(fā)酵液。正是因?yàn)槭罄钐侵哂械妮^化學(xué)表面活性劑的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛地應(yīng)用于三次采油中。如今我國(guó)多數(shù)油田已經(jīng)進(jìn)入三次采油階段，采出液含水率極高（90%以上）；同時(shí)，我國(guó)稠油資源豐富，儲(chǔ)量達(dá)16億t，但開(kāi)采難度很大。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，鼠李糖脂等生物表面活性劑用于三次采油和稠油開(kāi)采都有很好的增產(chǎn)效果，已逐漸成為21世紀(jì)石油工業(yè)最重要的支撐點(diǎn)［27］。

2.3 餐廚廢油產(chǎn)鼠李糖脂的生產(chǎn)及條件優(yōu)化

目前，研究發(fā)現(xiàn)，鼠李糖脂產(chǎn)量普遍偏低，且不同出發(fā)菌株的產(chǎn)量差異也十分明顯。菌株培養(yǎng)條件優(yōu)化、菌種改良是提高鼠李糖脂產(chǎn)量并實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。培養(yǎng)條件優(yōu)化主要涉及發(fā)酵條件（pH 值、溫度、轉(zhuǎn)速、時(shí)間）優(yōu)化和培養(yǎng)基組分（碳源、氮源、C／N值、鹽濃度、微量元素）優(yōu)化；而菌種改良包括紫外誘變選育高產(chǎn)菌株等。

2.3.1 碳源

實(shí)現(xiàn)鼠李糖脂的規(guī)模化生產(chǎn)，碳源價(jià)格是十分重要的成本控制因素，這是因?yàn)榕渲婆囵B(yǎng)基的成本占整個(gè)生產(chǎn)成本的50%以上［6，28］，而碳源的種類和用量對(duì)鼠李糖脂的產(chǎn)量影響顯著［29］。以大豆油為碳源時(shí)，利用P.aeruginosaWJ－1菌株產(chǎn)鼠李糖脂產(chǎn)量最高可達(dá)50.2g·L－1，同時(shí)產(chǎn)物的CMC 最低，為14mg·L－1［30］。

Partovi等［31］報(bào)道，與以精煉油作為碳源相比，廢棄油脂能更有效地刺激微生物的生長(zhǎng)及表面活性劑的合成。研究者大多采用煎炸廢油、廢棄橄欖油、葵花油、大豆油等作為銅綠假單胞菌的生長(zhǎng)碳源。Xia等［30］對(duì)比不同濃度廢棄的橄欖油、葵花籽油、大豆油、棉籽油、砂心油對(duì)鼠李糖脂產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，不同碳源與濃度對(duì)鼠李糖脂的產(chǎn)量影響顯著，以廢棄葵花籽油加量在80g·L－1時(shí)鼠李糖脂產(chǎn)量最大。Benincasa等［32］報(bào)道，假單胞菌能利用不飽和脂肪酸，如油酸、亞油酸、亞麻酸等；Zhang等［33］研究脂肪酸碳鏈長(zhǎng)度（C12～C22）對(duì)鼠李糖脂產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，銅綠假單胞菌產(chǎn)鼠李糖脂的產(chǎn)量與C18脂肪酸含量成正比。這為針對(duì)性地選擇碳源提高鼠李糖脂的產(chǎn)量提供了重要參考。

2.3.2 氮源

氮源分為有機(jī)氮源和無(wú)機(jī)氮源，不同種類的氮源對(duì)假單胞菌的糖脂合成能力影響也不同［34］。其中，銨鹽和硝酸鹽是兩種常見(jiàn)的無(wú)機(jī)氮源。銨鹽屬于酸性氮源，被微生物利用后會(huì)產(chǎn)生大量的H＋，導(dǎo)致發(fā)酵液pH 值下降；而硝酸鹽屬于堿性氮源，微生物利用硝酸鹽合成菌體時(shí)會(huì)釋放出大量的OH－，使發(fā)酵液pH 值上升［35］。所以，以銨鹽為唯一氮源會(huì)抑制不飽和脂肪酸單體的生成，從而抑制鼠李糖脂的合成。因此，硝酸鹽氮比銨鹽氮更能促進(jìn)菌體的生長(zhǎng)以及鼠李糖脂的積累［36］，其中硝酸鈉是絕大部分研究所選用的氮源。

除了無(wú)機(jī)氮源外，發(fā)酵中還常使用蛋白胨、酵母膏、牛肉膏和玉米漿等有機(jī)氮源。它們作為復(fù)雜混合生物制劑，含有微生物所需要的豐富碳基質(zhì)，能有效刺激菌體的生長(zhǎng)，但也會(huì)導(dǎo)致菌體老化和縮短自溶時(shí)間，因而縮短產(chǎn)物分泌期，影響糖脂的最終產(chǎn)量。所以這些物質(zhì)有利于菌體合成，卻不利于次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成。

因此，無(wú)機(jī)氮源比有機(jī)氮源更有利于菌體的代謝生長(zhǎng)，且無(wú)機(jī)氮源具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)［17，37］；由于鼠李糖脂的大量生物合成大多起始于氮元素耗竭，限氮環(huán)境有利于鼠李糖脂產(chǎn)量的提高［38－39］，在配制培養(yǎng)基時(shí)，無(wú)機(jī)氮源更易控制加入量。

2.3.3 C／N 值

Onwos等［16］認(rèn)為培養(yǎng)基中的碳源、氮源濃度應(yīng)該控制在一定C／N 值范圍內(nèi)才更有利于鼠李糖脂的積累。C／N 值過(guò)低，菌體提前自溶；C／N 值過(guò)高，菌體代謝異常，均不利于產(chǎn)物積累。Xia等［30］以葵花油為碳源，硝酸鈉為氮源，其它組分不變，在C／N 值為8∶1時(shí)，鼠李糖脂的產(chǎn)量最高；C／N 值低于4∶1時(shí)，菌體濃度最大。郝東輝［40］以酵母粉與硝酸鈉為復(fù)合氮源，當(dāng)C／N 值為18∶1時(shí)鼠李糖脂產(chǎn)量最高，為5.40g·L－1；保持此最優(yōu)C／N 值加大碳氮源濃度時(shí)，在碳源濃度為7%（體積比）時(shí)鼠李糖脂產(chǎn)量最高，達(dá)6.37g·L－1，產(chǎn)量提高18.0%。Guerra－Santos等［34］同樣也證明C／N 值直接決定了鼠李糖脂的產(chǎn)量。

2.3.4 菌株

紫外誘變能改變銅綠假單胞菌的生長(zhǎng)代謝特性。Zhu等［37］篩選出一株產(chǎn)鼠李糖脂的銅綠假單胞菌株P(guān).aeruginosazju.u1M，并對(duì)該菌株進(jìn)行紫外誘變育種，篩選得到高產(chǎn)鼠李糖脂的突變品系，實(shí)現(xiàn)了在4%（體積比）的餐廚廢油濃度下，鼠李糖脂的產(chǎn)量幾近翻倍，從突變前的12.47g·L－1增加至突變后的24.61 g·L－1（搖瓶發(fā)酵120h）。

2.3.5 其它

氯化鈉和微量元素作為菌體生理活性物質(zhì)合成時(shí)的調(diào)節(jié)物，低濃度時(shí)有利于菌體酶的合成、刺激產(chǎn)物的積累；濃度過(guò)高則會(huì)影響細(xì)胞膜的通透性，從而明顯抑制菌體代謝作用。

發(fā)酵工藝對(duì)鼠李糖脂的產(chǎn)量也有明顯影響。補(bǔ)料分批發(fā)酵不僅能有效解除發(fā)酵過(guò)程中的底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和分解代謝物質(zhì)阻遏作用，還能降低染菌幾率、提高產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。Luo等［41］改進(jìn)發(fā)酵工藝，采用補(bǔ)料分批發(fā)酵實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)28.8%，為大規(guī)模生產(chǎn)鼠李糖脂提供了參考。

pH 值和溫度影響菌體體內(nèi)的酶活性以及分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；轉(zhuǎn)速影響溶解氧與底物的傳質(zhì)；發(fā)酵時(shí)間決定了產(chǎn)物的積累量和餐廚廢油的利用率。鼠李糖脂作為假單胞菌的次級(jí)代謝產(chǎn)物，在菌體進(jìn)入穩(wěn)定期后大量積累，而據(jù)Thaniyavarn 等［42］報(bào)道，菌體從穩(wěn)定期進(jìn)入衰亡期后，鼠李糖脂的產(chǎn)量依然能夠穩(wěn)定地增加，可為提高鼠李糖脂的產(chǎn)量以及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的深入研究提供參考。

3 問(wèn)題與展望

我國(guó)每年產(chǎn)生的餐廚廢油數(shù)量龐大，因餐廚廢油所引發(fā)的食品安全、環(huán)境污染等問(wèn)題已嚴(yán)重影響到人類的生存。但餐廚廢油作為一類可回收利用的廉價(jià)資源，只要利用得當(dāng)，就可以變廢為寶。雖然目前餐廚廢油資源化產(chǎn)鼠李糖脂的室內(nèi)研究較多，但普遍存在產(chǎn)量低、產(chǎn)物分離難等問(wèn)題，限制了其進(jìn)一步的產(chǎn)業(yè)化。為了提高鼠李糖脂的產(chǎn)量，還需要加強(qiáng)對(duì)餐廚廢油的來(lái)源及保存問(wèn)題和鼠李糖脂的分離提純工藝等方面的研究。

餐廚廢油資源化產(chǎn)鼠李糖脂作為一條有效處置餐廚廢油、降低鼠李糖脂生產(chǎn)成本的新途徑，前景可觀。對(duì)餐廚廢油資源化產(chǎn)鼠李糖脂工藝的不斷改進(jìn)和完善有望實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益三者的統(tǒng)一。

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