水產(chǎn)加工廢水蛋白質(zhì)的回收及再利用研究進(jìn)展

張益奇，陳康，周龍錫，張銀照，戴志遠(yuǎn)，*

（1.浙江工商大學(xué)海洋食品研究院，浙江杭州310035；2.浙江省水產(chǎn)品加工技術(shù)聯(lián)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310035；3.浙江豐宇海洋生物制品有限公司，浙江舟山316104）

我國水產(chǎn)資源豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年全國水產(chǎn)品總產(chǎn)量達(dá)6 901.25萬噸[1]。水產(chǎn)品加工行業(yè)為典型的高耗水行業(yè)，其廢水產(chǎn)量大，主要源于原料解凍、清洗、魚糜/蝦糜漂洗、魚粉加工、魚塊腌制、甲殼素生產(chǎn)等工藝，其中在魚粉、魚糜加工行業(yè)尤為突出。以魚糜生產(chǎn)為例，魚糜加工中為得到質(zhì)構(gòu)、色澤良好的優(yōu)質(zhì)魚糜，需要采用大量水通過多次漂洗處理以去除各類脂類雜質(zhì)以及肌漿蛋白等組分，但這也會(huì)造成30%左右的可溶蛋白流失到漂洗水中[2]。按目前我國冷凍魚糜年產(chǎn)量20～30萬噸計(jì)算，全國每年僅魚糜加工產(chǎn)生約500萬噸廢水，造成可溶蛋白流失約8萬噸[2-3]。水產(chǎn)加工廢水通常富含蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分，化學(xué)需要量高，直接排放不僅會(huì)造成蛋白質(zhì)資源的極大浪費(fèi)，也給廢水處理帶來負(fù)荷，而且還嚴(yán)重污染環(huán)境。

從水產(chǎn)加工廢水中回收的蛋白質(zhì)，其氨基酸組成較合理，可作為蛋白源添加到飼料或食品中。對(duì)水產(chǎn)加工廢水進(jìn)行處理，回收其中的蛋白質(zhì)，不僅能減少蛋白資源浪費(fèi)，增加企業(yè)效益，而且可顯著降低廢水化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD），減少廢水處理成本[4]，這是順應(yīng)水產(chǎn)品清潔、高值化生產(chǎn)的趨勢(shì)。為此，本文綜述了近幾年國內(nèi)外有關(guān)水產(chǎn)品加工廢水蛋白質(zhì)的回收技術(shù)及再利用研究進(jìn)展，旨在為水產(chǎn)品加工副產(chǎn)物綠色、高值化利用提供參考。

1 水產(chǎn)加工廢水中蛋白質(zhì)的回收工藝

水產(chǎn)加工廢水中蛋白質(zhì)的回收方法可分為沉淀法和膜分離法。沉淀法是通過調(diào)節(jié)廢水中pH值、體系熱量或添加外源物來破壞蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，使其從溶液體系沉淀出來。沉淀法主要有等電點(diǎn)沉淀法、熱處理法和絮凝法等[5]。膜分離法是一種借助外界能量或化學(xué)位的推動(dòng)，以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，對(duì)多組分液體成分進(jìn)行分離、分級(jí)和富集的技術(shù)[6]。

1.1 沉淀法

1.1.1 等電點(diǎn)沉淀法

蛋白質(zhì)是一種兩性電解質(zhì)，其電荷數(shù)量隨溶液pH值的不同而發(fā)生變化。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)處于等電點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)分子凈電荷為零，此時(shí)蛋白質(zhì)分子之間的作用力減弱，膠體分子間極易碰撞、凝聚而形成沉淀物[2]。目前，等電點(diǎn)沉淀法通常采用傳統(tǒng)的無機(jī)酸、堿作為pH值調(diào)節(jié)劑。逯慎杰等[7]對(duì)魚糜廢水蛋白質(zhì)等電點(diǎn)沉淀規(guī)律開展了大量基礎(chǔ)性研究工作，發(fā)現(xiàn)魚漿蛋白的等電點(diǎn)主要分布在4.3和5.9，通過分級(jí)等電沉淀技術(shù)可將蛋白質(zhì)回收率由60%左右提高到74.36%。通過無機(jī)酸或堿調(diào)節(jié)體系的pH值來沉淀蛋白質(zhì)的工藝方法較為簡單，可操作性高，在工業(yè)上可大批量使用，但所用的酸或堿可能會(huì)腐蝕設(shè)備，回收的蛋白質(zhì)不可避免含有大量的鹽類，限制其進(jìn)一步利用。

不同于利用無機(jī)酸、堿作為pH值調(diào)節(jié)劑的傳統(tǒng)沉淀技術(shù)，逯慎杰[8]以加壓二氧化碳作為酸度調(diào)節(jié)劑回收魚糜漂洗水中蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)乙酸濃度100%，反應(yīng)溫度78.19℃，反應(yīng)20 min時(shí)可使得體系最佳pH值降低為4.58，蛋白質(zhì)回收率達(dá)到83%。在此基礎(chǔ)上，王路[9]發(fā)現(xiàn)相比于加壓二氧化碳攜帶乙酸體系，加壓氮?dú)鈹y帶乙酸體系可將蛋白濃度在10 mg/mL范圍內(nèi)的魚糜廢水pH值精確穩(wěn)定地調(diào)節(jié)至4以下，該技術(shù)也不存在傳統(tǒng)等電點(diǎn)沉淀處理中減壓后pH值的反升現(xiàn)象。此外，廢水中乙酸可進(jìn)一步通過蒸餾技術(shù)回收利用[10]，使其循環(huán)利用成為可能。加壓酸性氣體作為酸度調(diào)節(jié)劑是對(duì)傳統(tǒng)等電點(diǎn)沉淀法的改進(jìn)，使得該技術(shù)可連續(xù)沉淀不同等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)，在工業(yè)上具有明顯的可行性與可控性，是一種值得深入研究的廢水蛋白質(zhì)回收方法。

在水產(chǎn)加工業(yè)中，等電點(diǎn)沉淀法是目前回收蛋白質(zhì)的重要手段之一，依據(jù)終端產(chǎn)品的不同，可采用多元酸、有機(jī)溶劑、提高離子強(qiáng)度或結(jié)合高速離心等方法，較快地回收水產(chǎn)加工廢水中的蛋白質(zhì)。如Bourtoom等[11]通過改變魚糜漂洗水pH值，同時(shí)添加乙醇等有機(jī)溶劑回收漂洗水中蛋白質(zhì)，研究表明在pH值3.5，魚糜漂洗水中乙醇濃度達(dá)到60%時(shí)，蛋白質(zhì)沉淀較好，而反應(yīng)時(shí)間對(duì)蛋白沉淀無顯著影響。在大宗食品廢水蛋白質(zhì)回收工藝中，等電點(diǎn)沉淀處理還可與加熱法、絮凝法、膜分離法等工藝相結(jié)合，進(jìn)一步提高蛋白質(zhì)的回收率。

1.1.2 熱處理法

溶液中蛋白質(zhì)經(jīng)適當(dāng)、適度熱處理后會(huì)發(fā)生熱變性，暴露疏水基團(tuán)，破壞蛋白質(zhì)分子表面水化層，最終凝固沉淀[12]。Iwashita等[13]采用等電點(diǎn)沉淀與加熱復(fù)合處理回收阿拉斯加鱈魚魚糜漂洗水中蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)pH 5時(shí)可沉淀63%的蛋白質(zhì)，隨后60℃熱處理20 min幾乎能沉淀體系中全部蛋白質(zhì)；但工業(yè)規(guī)模上上述條件只能回收21%的蛋白質(zhì)，這可能源于實(shí)際離心條件的差異，有待進(jìn)一步研究。電阻加熱法是利用電能產(chǎn)生熱能從而使得蛋白質(zhì)沉淀的一種方法，可分為連續(xù)加熱和間斷加熱兩種形式。Huang等[14]采用間斷性加熱法從太平洋鱈魚加工廢水中分離蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)70℃時(shí)蛋白質(zhì)回收率達(dá)到33%，COD去除率達(dá)到59.3%。然而工業(yè)規(guī)模上水產(chǎn)品加工廢水多為連續(xù)排放，因此間斷性加熱法在蛋白質(zhì)的回收上存在明顯弊端。Kanjanapongkul等[15]采用連續(xù)式電阻加熱處理回收魚糜漂洗水中蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)絮凝率約為60%。電阻加熱法沒有加入任何添加劑，回收的蛋白質(zhì)安全性高，但能耗大、成本高，難以在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用，可考慮與其他回收技術(shù)復(fù)合使用。

1.1.3 絮凝法

絮凝法一般指加入一定量的化學(xué)物質(zhì)使得廢水中的蛋白質(zhì)形成絮團(tuán)、沉淀、達(dá)到固-液分離。絮凝劑從分子組成上分為無機(jī)絮凝劑和有機(jī)高分子絮凝劑；根據(jù)其組分的復(fù)雜性，又可分為單一絮凝劑和復(fù)合絮凝劑。李流川等[16]比較了聚丙烯酰胺、硫酸鋁、硫酸鐵、氯化鋁、明礬等11種絮凝劑回收帶魚魚糜漂洗水蛋白的效果，發(fā)現(xiàn)三氯化鐵最佳，當(dāng)其添加量為0.13 g/L，絮凝溫度18.44℃，時(shí)間5 h，pH 5.44時(shí)，蛋白質(zhì)回收率可達(dá)86.94%。在所用的無機(jī)絮凝劑中，三氯化鐵的絮凝效果較好，同時(shí)價(jià)格便宜、回收操作簡單，可大量用于工業(yè)生產(chǎn)。

有機(jī)高分子絮凝劑分為合成和天然兩大類。有機(jī)合成高分子絮凝劑降解困難，易造成二次污染，如目前常用的聚丙烯酰胺，其殘留的單體往往具有毒性，嚴(yán)重限制了回收蛋白質(zhì)的再利用，已在很多國家和地區(qū)被禁止添加[17]。天然高分子絮凝劑主要包括淀粉、纖維素、殼聚糖及其衍生物、海藻酸鈉、腐植酸等，在水產(chǎn)加工廢水處理中的研究主要集中在魚粉、魚糜漂洗、甲殼質(zhì)生產(chǎn)等廢水中蛋白質(zhì)的回收方面[18-20]。近年來，Hao等[21]系統(tǒng)研究了卡拉膠、瓜耳豆膠、殼聚糖、海藻酸等天然多糖絮凝劑對(duì)魚粉廢水中蛋白質(zhì)的絮凝效果，發(fā)現(xiàn)卡拉膠絮凝效果最好，其pH 3.5，蛋白質(zhì)多糖比10∶1時(shí)，蛋白質(zhì)回收率達(dá)到70%。張玉等[22]采用單因素及響應(yīng)面法優(yōu)化海藻酸鈉回收帶魚魚糜漂洗水可溶蛋白工藝，發(fā)現(xiàn)在絮凝溫度13℃，海藻酸鈉添加量0.82 mg/mL，絮凝時(shí)間2 h，pH 5.0時(shí)，蛋白回收率為82.36%。天然高分子絮凝劑的開發(fā)與高效制備逐漸成為今后的發(fā)展方向，Salehizadeh等[23]為此重點(diǎn)概括了不同類型的多糖生物基絮凝劑的制備與化學(xué)改性處理，以期進(jìn)一步提高其絮凝效果。利用天然高分子絮凝劑沉淀蛋白質(zhì)，操作簡單，蛋白質(zhì)回收率、食用安全性高，具有很高的實(shí)用價(jià)值，如何在保持較高蛋白回收率的情況下降低天然高分子絮凝劑的用量也將是后續(xù)開發(fā)過程中需要重點(diǎn)考慮的問題。

復(fù)合絮凝劑可通過多組分單一絮凝劑組合或通過物理化學(xué)反應(yīng)形成大分子量共聚復(fù)合物[2]，從而克服單一絮凝劑不足，高效回收廢水中蛋白質(zhì)。施文正等[24]提供了一種復(fù)合絮凝劑回收魚糜漂洗水蛋白質(zhì)的方法，通過調(diào)節(jié)體系pH值到3～6，于15℃～25℃添加6 g/L～10 g/L的羧甲基殼聚糖與皂土復(fù)合絮凝劑，靜置離心后可回收89%的可溶性蛋白質(zhì)。Wibowo等探討了不同比例[25]、不同分子量[26]的殼聚糖與海藻酸鈉復(fù)合絮凝劑對(duì)魚糜漂洗水蛋白質(zhì)回收率的影響，發(fā)現(xiàn)殼聚糖與海藻酸鈉比例1∶5時(shí)，蛋白質(zhì)回收率可達(dá)到83%，但殼聚糖的分子量大小對(duì)其絮凝效果影響不大。復(fù)合絮凝劑的效果往往優(yōu)于單一絮凝劑，通過對(duì)不同天然有機(jī)絮凝劑復(fù)配，充分發(fā)揮各絮凝劑協(xié)同作用，蛋白質(zhì)回收率較高，更符合水產(chǎn)加工廢水蛋白回收的要求。將絮凝劑與其他工藝技術(shù)組合使用，可充分發(fā)揮各技術(shù)協(xié)同作用。如齊祥明等[27]采用殼聚糖絮凝回收分級(jí)等電沉淀鱈魚魚糜漂洗水蛋白質(zhì)，經(jīng)分級(jí)沉淀和殼聚糖復(fù)合處理后，蛋白質(zhì)量濃度由7.00 mg/mL降低至0.37 mg/mL，蛋白質(zhì)總回收率結(jié)果可達(dá)94.75%。此外，研究表明通過絮凝劑結(jié)合等電點(diǎn)沉淀技術(shù)，可使得蛋白質(zhì)在較低離心力下快速析出[28]，可顯著降低工業(yè)成本，增加實(shí)際生產(chǎn)中的可操作性。

1.2 膜分離法

膜分離法是以篩分效應(yīng)為基本原理，依靠壓力驅(qū)動(dòng)，以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，對(duì)液體成分進(jìn)行分離、分級(jí)和富集的技術(shù)，依據(jù)膜孔徑可分為微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析、膜蒸餾等[5，29]。Afonso 等[30]用截留分子質(zhì)量為15 kDa的超濾膜來濃縮魚粉工業(yè)廢水，可有效地回收廢水中的蛋白質(zhì)。Tonon等[31]采用陶瓷膜超濾技術(shù)濃縮蝦加工廢水中的蛋白質(zhì)，濃縮系數(shù)為3.2，經(jīng)超濾處理后廢水蛋白質(zhì)濃度達(dá)到0.301 g/100 g，可直接用于后續(xù)酶解處理。Amado等[32]發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用截留分子量300、100、30 kDa超濾膜均可有效濃縮蝦蒸煮液中的蛋白質(zhì)。Khatprathum等[33]采用板框再生纖維素膜對(duì)魚糜漂洗水進(jìn)行濃縮，發(fā)現(xiàn)30 kDa的膜包截留效果較好，可有效回收漂洗水中大量蛋白質(zhì)，同時(shí)使得COD降低84%。Stine等[34]通過電泳和氨基酸分析膜濃縮蛋白氨基酸組成與魚糜蛋白相似，但分子量更小，添加5%的濃縮蛋白并不會(huì)顯著影響魚糜在-20℃下的貯藏效果。

膜分離技術(shù)操作方面安全，工藝流程簡單，無需加熱，無相變，不會(huì)破壞待分離組分的品質(zhì)及生物活性，具有節(jié)能、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有研究表明利用膜濃縮水產(chǎn)品加工廢水蛋白質(zhì)的效率較高，但濾膜的造價(jià)高且易受污染，目前還沒有普適性的避免膜污染的可行性方法和技術(shù)[35]，這嚴(yán)重阻礙了膜分離技術(shù)在水產(chǎn)品加工廢水處理中的大規(guī)模應(yīng)用。

2 回收蛋白再利用

水產(chǎn)加工廢水中含有大量水溶性蛋白質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行回收再利用，不僅能減少蛋白質(zhì)資源浪費(fèi)，還可顯著降低廢水化學(xué)需氧量（COD），減少廢水處理成本，增大企業(yè)效益，這對(duì)于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源具有重要意義。

2.1 飼料

食品工業(yè)上，從水產(chǎn)品廢水中回收的蛋白質(zhì)可直接添加到飼料或進(jìn)一步經(jīng)酶解制得飼用肽產(chǎn)品，提高其營養(yǎng)價(jià)值。如顧林等[36]探討了中性蛋白酶酶解魚粉榨汁蛋白質(zhì)的水解工藝，發(fā)現(xiàn)水解液氨基酸組成均衡、必需氨基酸含量豐富，其中小分子多肽含量約占80%，其相對(duì)分子量主要分布在132 Da～1 500 Da。Wibowo等[37]發(fā)現(xiàn)通過殼聚糖絮凝劑回收的蛋白質(zhì)富含賴氨酸、組氨酸、蛋氨酸和苯丙氨酸，在小鼠飼料中添加15%的分離蛋白并不影響其蛋白質(zhì)功效。此外，回收的蛋白質(zhì)也可作為微生物的培養(yǎng)基，如H-Kittikun等[38]采用商品蛋白酶對(duì)魚糜漂洗水中的蛋白質(zhì)進(jìn)行水解，在水解度為40%時(shí)，酶解液可作為Enterobacter sp.C2361和Providencia sp.C1112培養(yǎng)基蛋白胨，用于生產(chǎn)轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶。

2.2 魚糜制品

除用于飼料、飼用小肽以及微生物培養(yǎng)基外，回收的蛋白質(zhì)也可用于魚糜制品加工配料。如魏華茂等[39]探究回收的魚糜漂洗水蛋白理化性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其氨基酸含量達(dá)73.11%，必需氨基酸占氨基酸總量的43.95%，具較高的營養(yǎng)價(jià)值；魚糜漂洗水中的回收蛋白魚香味明顯，無令人不愉快的氣味，添加3%的回收蛋白可顯著改善帶魚魚糜凝膠特性。邵明栓等[40]采用絮凝法回收白鰱魚糜漂洗水中的蛋白質(zhì)，并將其添加至魚糜制品中，發(fā)現(xiàn)控制回收蛋白添加量在1%～3%時(shí)，可顯著提高魚腸白度，且凝膠強(qiáng)度下降較少。樊曉盼等[41]將從鯰魚漂洗液中回收的肌漿蛋白添加到鯰魚火腿中，發(fā)現(xiàn)添加量為6%時(shí)，鯰魚火腿的凝膠強(qiáng)度達(dá)到最大（1 484.00±3.75）g，顯著高于未添加改良劑，以及添加玉米淀粉或谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的樣品，此時(shí)火腿的蛋白質(zhì)含量、嫩度、咀嚼性、膠著度和硬度均得到不同程度提高?，F(xiàn)有研究表明，將回收的蛋白質(zhì)添加到魚糜制品中是可行的，這不僅有利于提高食品蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價(jià)值，還可進(jìn)一步改善其食品品質(zhì)。

2.3 生物活性肽

近年來，大量研究人員通過對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行可控酶解，產(chǎn)生的低分子肽段也更易消化吸收，且具有較好的功能特性及生物活性[42]。如Tonon等[31]以蝦廢水回收蛋白為原料，采用商品蛋白酶Alcalase進(jìn)行水解制備抗氧化肽，發(fā)現(xiàn)在75℃、pH 9.0、酶底比0.1%時(shí)，水解液的抗氧化活性最強(qiáng)。Amado等[43]以阿根廷魷魚加工廢水回收的蛋白質(zhì)為原料，采用Alcalase水解制備降血壓肽，8 h水解液具有最大的ACE抑制活性，經(jīng)超濾處理后，其 IC50為（58.4± 4.6）μg/mL。Tang等[44]采用復(fù)合蛋白酶對(duì)回收的鳀魚水溶蛋白進(jìn)行酶解，分離鑒定出一種抗菌肽，其分子量為1 104 Da，氨基酸序列為GLSRLFTALK。通過對(duì)回收蛋白質(zhì)進(jìn)行酶解處理，以期獲得更易消化吸收、功能性質(zhì)較好的生物活性肽，可進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用范圍，提高水產(chǎn)廢水回收蛋白質(zhì)的附加值。

3 展望

隨著水產(chǎn)品加工業(yè)的發(fā)展，對(duì)水產(chǎn)加工廢水蛋白質(zhì)的回收再利用具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但實(shí)際生產(chǎn)過程中，還沒有哪一種方法能夠兼顧生產(chǎn)成本、回收率、操作方便性、回收蛋白的安全性等方面。等電點(diǎn)沉淀法處理蛋白質(zhì)，工藝簡單、成本低，是目前回收蛋白質(zhì)的重要手段之一，但是單獨(dú)使用該方法時(shí)蛋白質(zhì)得率并不高，所用酸或堿會(huì)腐蝕設(shè)備，且易造成局部過酸，同時(shí)引入較多灰分。常用的氯化鋁、三氯化鐵等無機(jī)絮凝劑因鋁和鐵等元素的存在，有機(jī)合成絮凝劑因殘留單體的毒性，都嚴(yán)重制約了回收蛋白質(zhì)的食用安全性。天然絮凝劑如殼聚糖、海藻酸鈉等易于生物降解、無毒無害，絮凝效果好，回收的蛋白質(zhì)可作為飼料或食品配料，但目前該方法面臨工業(yè)化成本過高、難推廣的技術(shù)難題[27]。采用膜分離水產(chǎn)加工廢水蛋白質(zhì)效果雖好，但濾膜的造價(jià)高且易受污染，也嚴(yán)重妨礙了該技術(shù)在水產(chǎn)加工廢水處理中的工業(yè)化應(yīng)用。

在水產(chǎn)加工廢水的回收工藝方面，降低水產(chǎn)加工廢水處理膜生產(chǎn)成本、提高膜的耐污染能力；通過微生物發(fā)酵或物理化學(xué)改性手段開發(fā)新型天然絮凝劑，降低生產(chǎn)成本、選擇優(yōu)良天然絮凝劑進(jìn)行復(fù)配處理、將天然絮凝劑與加壓酸性氣體等電點(diǎn)沉淀處理、熱處理等手段協(xié)同處理進(jìn)行蛋白質(zhì)回收，均具有廣闊的應(yīng)用前景。其次，將回收的蛋白質(zhì)進(jìn)行再利用是實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)加工低值資源高值化的重要途徑。除了分析回收蛋白的理化特性，還可通過酶解改性處理增強(qiáng)回收蛋白的功能特性與生物活性，在提高食品營養(yǎng)價(jià)值的同時(shí)，改善食品品質(zhì)及可加工特性，從而進(jìn)一步拓寬回收蛋白的再利用范圍，提高其附加值。