酵母菌在食品工業(yè)廢水處理中的應用現(xiàn)狀

趙秀文，紀鳳娣，宋昊，鄭玉芝

（北京一輕研究院，北京101111）

酵母菌在食品工業(yè)廢水處理中的應用現(xiàn)狀

趙秀文，紀鳳娣，宋昊，鄭玉芝*

（北京一輕研究院，北京101111）

酵母菌具有生長繁殖快、代謝旺盛、能形成絮體、耐酸和耐高滲透壓等特性，目前已經應用于處理味精廢水、啤酒廢水、蔗糖廢水等。根據(jù)酵母菌在廢水處理中的處理方法可以分為兩大類：酵母生產法和酵母廢水處理技術。酵母菌生產法是指酵母菌將廢水中的有機物質轉化為單細胞蛋白或者微生物油脂；而酵母廢水處理技術是通過酵母菌對廢水中的有機質的分解和利用從而凈化水質。該文介紹了酵母菌在食品工業(yè)廢水處理中的應用現(xiàn)狀，隨著科技的發(fā)展，基因工程技術、固定化技術等會被用來處理酵母菌，使其在廢水處理中得到更多更好的應用。

酵母菌；單細胞蛋白；微生物油脂；廢水處理

食品廢水多為高濃度有機廢水，產生量大并隨季節(jié)變化明顯，可降解成分多，易腐敗發(fā)臭，嚴重污染環(huán)境。目前，對食品污水的處理方法按原理分為物理法、化學法和生物法三類，其中生物法是利用微生物的新陳代謝活動，將污水中的有機物分解，從而達到凈化污水的目的，具有消耗少、效率高、成本低、工藝操作管理方便可靠和無二次污染等特點，得到廣泛的應用。目前，生物處理法使用較多的微生物為硝化細菌、反硝化細菌、光合細菌等。

隨著對酵母菌的不斷深入研究，發(fā)現(xiàn)酵母菌不僅具有細菌的一些特點（如細胞大、代謝快），也具有真菌的特點（如能形成絮體），而且具有很好的耐酸、耐高滲透壓等特性［1］，是廢水處理中一種珍貴的資源。目前，在高濃度有機廢水、含重金屬離子廢水、有毒有害廢水、生活廢水等方面都有了一定的應用，其在廢水處理方面具有廣闊的應用前景。

1　酵母菌的分類及其特點

酵母菌是一類真核微生物的通俗名稱，沒有明確的定義，在自然界分布廣泛，大多種生長在含糖量較高的環(huán)境，喜酸性（pH 4.0～5.0），生長溫度在25～30℃［2-4］。雖然相比于細菌，酵母菌種類很少，但其被廣泛應用在各行各業(yè)，例如用來釀酒、制作面包、生產甘油、石油及油品的脫蠟等。根據(jù)它的應用方式，可以將酵母菌分為兩大類，一類是發(fā)酵型酵母菌，可以利用糖類發(fā)酵為乙醇等有機物質和二氧化碳；另一類是氧化型酵母菌，氧化能力強而發(fā)酵能力弱或無發(fā)酵能力，包括假絲酵母、漢遜酵母等，能夠利用多種有機物甚至復雜的化合物［5］。酵母菌利用有機物的作用機理可以概括為，表面的水解酶先將有機大分子物質水解成小分子有機物，再通過糖酵解途徑將其轉化為丙酮酸，并產能供給酵母菌。發(fā)酵型酵母菌將通過酒精發(fā)酵將丙酮酸轉化為乙醇，而氧化型酵母菌在線粒體內將丙酮酸轉化成乙酰輔酶，再通過三羧酸循環(huán)轉化成二氧化碳和水等小分子物質［6］。根據(jù)作用機理，可以看出氧化型酵母菌是廢水處理的重要研究對象。

酵母菌不僅生長繁殖快，能形成絮體，細胞大，代謝旺盛，還有良好的耐酸能力。一般的細菌難以在低酸環(huán)境下生長代謝，但酵母菌能在pH 3.0～7.5范圍內生長。呂偉民等［7］篩選出了耐酸酵母菌株，在pH 3.0時，仍能正常生長發(fā)酵，并且可以發(fā)酵酸度較高的糟水來生產酒精，解決了酒精生產企業(yè)廢水污染的問題。MEEHAN C等［8］發(fā)現(xiàn)了一株酵母菌株，不僅能夠耐酸，還能夠耐高溫，在pH 2.0下，仍然能夠通過吸附作用對活性黑B進行脫色。酵母菌株的耐酸特性保證了酵母菌能夠在酸性污水中生長繁殖、代謝發(fā)酵，而食品企業(yè)污水都為pH值較低的廢水。如果廢水處理菌株沒有較好的耐酸特性，其生長將受到酸的抑制。酵母菌也有較好的耐滲透壓能力，在水分活度（activity water，Aw）為0.60～0.70時酵母菌也能夠生存。因此，酵母菌能夠適應一些惡劣的生長環(huán)境，擁有較高的在污水中生長存活的可能性。此外，酵母菌對某些難降解物質及有機毒物具有很強的降解能力。有研究發(fā)現(xiàn)酵母菌能夠降解苯酚［9］、果膠、粗淀粉、甘油酯、半纖維素等多種大分子物質［10］。黑亮等［11］通過研究酵母菌內的脫氫酶活性的強弱來確定高濃度的硫酸根離子和氨氮是否抑制酵母菌的生長，結果發(fā)現(xiàn)即使硫酸根離子和氨氮的控制濃度達到2 000 mg/L，對酵母菌也沒有顯著的影響。然而這種高濃度的氨氮和硫酸根離子等廢水對細菌具有強烈的殺滅作用。酵母菌這一特性是由于酵母菌的酶系豐富，能產生淀粉酶、纖維素酶、脂酶、蛋白酶和木質素過氧化物酶等，從而分解利用有機質。

2　酵母菌在廢水處理中的應用

將酵母菌用于廢水處理最早始于國外，國內也進行了廣泛的相關研究。根據(jù)其應用方式的不同，可將其分為兩大類——酵母生產法和酵母菌廢水處理技術。

2.1酵母生產法

傳統(tǒng)的酵母生產法是酵母菌利用廢水中的有機物質，轉化成富含蛋白質和氨基酸的酵母菌菌體，是以生產酵母單細胞蛋白（single cell protein，SCP）為主要目的。隨著研究的深入，酵母生產法也出現(xiàn)了新的研究方向——用酵母菌處理廢水來生產單細胞油脂（single cell oil，SCO）。目前，這兩種酵母生產法已經應用在了味精廢水、啤酒廢水、蔗糖廢水等方面。

2.1.1生產單細胞蛋白

酵母菌蛋白質量可達干質量的50%，可以提取豐富的B族維生素、輔酶A等，營養(yǎng)價值很高。酵母菌生產SCP具有諸多特點：營養(yǎng)豐富、可利用率高，生產周期短、生產效率高，利用原料廣、消除污染，設備簡單、占地面積小。

酵母菌生產法最早出現(xiàn)在第二次世界大戰(zhàn)時期。由于蛋白質大量缺乏，利用酵母菌生產SCP受到了極大重視，希望借此能夠解決糧食短缺的問題。在我國，上海有機化學研究所等單位從20世紀60年代就致力于酵母菌生產SCP的研究［3］。較常用于生產SCP的酵母菌為啤酒酵母、熱帶假絲酵母和產朊假絲酵母。吳立根［12］研究了產朊酵母菌利用烤鰻魚工藝的最后一道工序——蒲燒廢水生產單細胞蛋白，確定了最佳培養(yǎng)條件，還研究了產朊酵母菌和啤酒酵母菌混合培養(yǎng)的最佳培養(yǎng)條件，比單獨一種時獲得的SCP產量高。武運等［13］對熱帶假絲酵母和啤酒酵母利用蘋果渣生產SCP進行了相關研究，分別確定了熱帶假絲酵母和啤酒酵母的最適添加量，并發(fā)現(xiàn)兩株菌株混合后產量更高，品質更優(yōu)。勵飛等［14］通過富集培養(yǎng)篩選到了一株能夠耐高溫的熱帶假絲酵母，并分析了其氨基酸含量，可發(fā)酵木薯酒糟，提高粗蛋白含量，并且有一定的化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）去除效果。

酵母生產技術并不以廢水凈化為主要目的，所采用的菌株也是以SCP得率作為指標，往往處理后，廢水中有機物含量仍較高，而且在實際生產中需要采取無菌操作，投資大，運行費用高，生產成本大。

2.1.2生產油脂

微生物油脂又叫單細胞油脂，是由微生物在一定的條件下，利用碳水化合物、碳氫化合物和普通油脂作為碳源，在體內產生的油脂。微生物生產油脂具有生產周期短、產量高、不受季節(jié)影響，原料多樣，生物安全性好等特點［15］。

最早對生產SCO的研究始于第一次世界大戰(zhàn)期間，而我國的相關研究工作始于20世紀60年代。單細胞油脂多以甘油三脂為主，也能產生部分磷脂，而不同的培養(yǎng)條件，如碳源、氮源、碳氮比、pH值、無機鹽和微量元素等都將影響微生物的產油量和油脂成分［16］。郭書賢等［17-18］采用豆制品、啤酒和淀粉的生產廢水作為培養(yǎng)基來培養(yǎng)斯達油脂酵母并進行產油脂實驗，結果發(fā)現(xiàn)啤酒生產廢水利于酵母菌的生長，也利于不飽和脂肪酸的合成。此外，也對培養(yǎng)條件進行了優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)在最適培養(yǎng)條件下，油脂產量為5.24 g/L，而且COD去除率可達到65%。也有研究采用味精廢水進行酵母菌株的培養(yǎng)并生產SCO。吳開云等［19］利用斯達氏油脂酵母生產SCO，油脂產量達4.94 g/L。為了獲得產油率更高的菌株，生化工程和基因工程技術也越來越多地用到了相關的研究中［15］。生化工程是通過控制培養(yǎng)基成分和培養(yǎng)條件來刺激微生物合成油脂。YOUNGQUIST J T等［20］分別限制了培養(yǎng)基中的碳源、氮源和磷源，結果發(fā)現(xiàn)相對于碳源的缺少，限氮和限磷更能刺激脂肪酸的轉化。ZHAO X等［21］采用不同的培養(yǎng)方式對圓紅冬孢酵母進行發(fā)酵培養(yǎng)，當進行批式發(fā)酵45 h時產油量比搖瓶發(fā)酵提高了70%，當采用批式補料發(fā)酵118 h時，產油量比批式發(fā)酵提高了130%，可見不同的發(fā)酵培養(yǎng)方式影響圓紅冬孢酵母的產油量。隨著基因工程技術的日趨成熟，改變微生物的基因來提高產油量已成為研究熱點。通過對微生物體內油脂合成途徑的研究，明確了油脂合成的幾種關鍵酶，如乙酰輔酶A羧化酶、脂肪酸合酶、甘油二酯酰基轉移酶等。

2.2酵母菌廢水處理技術

酵母菌廢水處理技術是以廢水凈化為目的，表現(xiàn)為去除廢水中的COD和生物需氧量（biochemical oxygen demand，BOD）。該技術先從環(huán)境中篩選出能夠在廢水中生長并且能夠有效分解有機物質的一種或多種酵母菌菌種，再以混合菌種的形式，以好氧的方式，通過酵母菌對廢水中的有機質進行分解和利用，從而降低廢水中的COD，來實現(xiàn)水質凈化［22］。

酵母菌廢水處理的工藝與采用活性污泥進行廢水處理的工藝相似。廢水在有混合菌種的曝氣池曝氣，然后進入沉降池，利用酵母菌體的自然沉降實現(xiàn)固液分離，上清液進入到后續(xù)的處理中，沉降的菌體污泥部分回流。這部分工藝可以作為廢水處理的前處理部分，五日生物需氧量（BOD5）的去除率可達到90%～95%，再增加一個后續(xù)處理部分，如活性污泥工藝、接觸氧化工藝等，污水即可達到排放標準進行排放［23］。酵母菌廢水處理技術的處理負荷高，需要場地小，產生污染少，后續(xù)處理方便，并且操作過程無需無菌操作，相比于酵母生產法，投資更少［1，24］。

20世紀70年代后期，日本國稅廳釀造研究所開始研究酵母菌廢水處理技術，YOSHIZAWA K［25］發(fā)表了相關的文章，引起了人們對廢水處理技術的重視。在20世紀90年代，日本最先實現(xiàn)了利用酵母菌進行廢水處理，篩選的酵母菌株對有機物特別是油脂等展現(xiàn)出較好的降解能力。該技術在日本得到了廣泛認可，已有50多家工廠采用了該技術處理廢水（如味精廢水、啤酒廢水、豆制品廢水、水產品加工廢水等）［20，26］。

在國內，對酵母菌廢水處理技術也有大量的研究，黑亮等［11］做了酵母菌處理味精廢水的相關研究，進行了連續(xù)的小試實驗，從高濃度的味精廢水中篩選出了能夠適應高濃度味精廢水環(huán)境的酵母菌混合菌群，設計了酵母菌——活性污泥處理工藝。研究結果表明，高濃度的氨氮和硫酸鹽的環(huán)境對酵母菌混合菌群的活性沒有顯著影響；在28℃，溶解氧為4 mg/L條件下，COD容積負荷為2.0～14.3 kg/（m3·d），COD去除率穩(wěn)定在80%以上；處理后可獲得大量單細胞蛋白，可以回收作飼料添加劑。楊清香等［27］也從味精廠廢水中利用富集培養(yǎng)和選擇培養(yǎng)基篩選出了兩株酵母菌種，并通過生理生化實驗和文獻調研對這兩株酵母菌株進行了鑒定。兩株菌株混合培養(yǎng)后不僅可以有效去除味精廢水中的COD，還可以去除還原糖，相比活性污泥法去除率更高，且速度更快。

ZHENG S K等［28-29］從色拉油廠廢水中篩選出了5株酵母菌株，混合培養(yǎng)后對色拉油廢水進行處理，色拉油去除率可達98%以上，COD去除率達90%以上。吳蘭等［30］使用酵母菌分別處理色拉油、餐飲油等含油廢水，發(fā)現(xiàn)可能由于使用的酵母菌株降解不同油脂的途徑不同，對石油類廢水降解率較低，而對色拉油和餐飲油中的油脂降解率分別約為90%和85%。

3　發(fā)展趨勢

為了提高酵母菌廢水處理的效果，越來越多的技術手段被應用：

（1）利用基因工程技術獲得新酵母菌株，從而有效地提高廢水處理效果。周力超［31］利用基因工程技術，將能夠降解脂肪的脂肪酶基因導入解脂耶氏酵母，成功表達脂肪酶，可去除90%以上的油脂和COD?；蚬こ碳夹g的不斷發(fā)展，可以實現(xiàn)酵母菌的遺傳學改造，從而獲得優(yōu)良的酵母菌株，然而，酵母菌株的基因組測序工作處于初始階段，沒有清晰的遺傳學背景，遺傳操作平臺不成熟。因此，采用基因工程技術改造菌株仍需深入研究。

（2）采用混合菌群進行污水處理，相互協(xié)作，利用不同菌種的酶系來進行降解，有效去除廢水中的不同有機物。凌云等［32］用酵母菌和光合細菌共同處理皂素廢水，其COD總去除率可達到87.2%，而單獨使用時最高只有53%。每種微生物所含有的酶系不同，可以分解的物質也不同。相對于只是用單獨一種微生物，混合菌群能夠分解更多的有機物質，凈化水質，有更好的廢水處理效果。

（3）隨著微生物固定化技術的發(fā)展，其在廢水處理方面的應用成為了一個新熱點。酵母菌種在培養(yǎng)過程中，如果可以利用的有機物較少，會出現(xiàn)自溶現(xiàn)象，若不及時回收，會造成二次污染。而且某些菌株能形成較輕的假分枝，導致沉降困難，排出的水中含有大量的菌絲體。固定化技術可以保證微生物的活性，減少流失，易于分離，避免酵母菌造成水體的二次污染［6］。

4　結語

酵母菌作為廢水處理中的一種珍貴的資源，具有生長繁殖快、代謝旺盛、耐酸、耐高滲透壓和擁有特殊酶系等特點。酵母菌在廢水處理中的應用不僅能夠進行水質凈化，還能夠生產單細胞蛋白和微生物油脂，實現(xiàn)了資源的回收，是一種可持續(xù)發(fā)展的技術，具有廣闊的前景。雖然我國相關研究起步較晚，但是也取得了一定的進展。為了酵母菌廢水處理的廣泛使用，應該進行更多方面的研究：充分利用基因工程技術改造酵母菌株，獲得優(yōu)良菌株，同時研究在實際生產中的應用；酵母菌廢水處理工藝的研究，在保證處理效果的前提下，盡可能地節(jié)約成本，創(chuàng)造盈利；研究不同的混合菌株對廢水處理的效果，生產出廢水處理菌群產品等。

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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

2016-01-07

北京市東城科委科技計劃項目（2015-3-003）

趙秀文（1989-），女，碩士，研究方向為食品發(fā)酵技術。

鄭玉芝（1965-），女，高級工程師，博士，研究方向為食品加工與檢測。