豆制品廢水生物法資源化利用研究進展

楊春華，齊 文，張 娜

哈爾濱商業(yè)大學 食品工程學院，黑龍江 哈爾濱 150028

豆制品生產過程中產生的廢水也叫黃漿水。在傳統(tǒng)大豆食品中，豆腐占據(jù)了50%的消費份額，在豆腐、豆腐皮、豆腐干等的生產過程中，黃漿水主要來源于浸出、蒸煮、壓濾、精煉工段。黃漿水屬于低毒性、高濃度、高可生化性廢水，含有大分子蛋白、還原糖、脂肪、色素和鹽類等物質。如今，隨著豆制品產量的提高，廢水量也逐年增加。2019年，我國大豆播種面積達933萬hm2，比上一年增長10.9%，全球大豆產量達到3.37億t。據(jù)統(tǒng)計，每利用1 t大豆要排放廢水30～50 m3，國內豆制品企業(yè)每年的黃漿水排放量至少300萬t，排放量大且環(huán)境污染嚴重，生化需氧量(BOD)高達5 000～8 000 mg/L，化學需氧量(COD)高達15 000～22 000 mg/L[1-3]，直接排放會污染田地和水質。如何處理這些廢水對于企業(yè)和環(huán)境保護部門都是一個難題，從循環(huán)經濟角度出發(fā)，應該通過回收廢水最大限度地減少損失和循環(huán)副產品。目前處理大豆廢水的方法有很多。從20世紀60年代起，國外就開始研究高濃度廢水的處理方法，現(xiàn)已形成了以生物處理為主的豆制品廢水處理技術。好氧生物處理法作為一種被廣泛應用的方法去污能力強，但易產生大量污泥，其中的有毒有害物質會擴散到環(huán)境中；厭氧生物處理雖然成本低，在凈化廢水的同時可以回收能源，但遭破壞后恢復期長，對溫度要求較高，不能去除生物氮和磷[4-5]；利用物理法提取功能性營養(yǎng)成分也是處理豆制品廢水的一種途徑，近年來膜技術和膜生物反應器以其高效節(jié)能、操作簡單等優(yōu)勢應用廣泛，是目前所掌握的最節(jié)能的分離技術，可濃縮大豆蛋白和大豆低聚糖，但膜污染問題尚未得到很好解決[6-9]；冷凍技術可以回收廢水中的蛋白質，但需消耗大量能量,不經濟[10]；超濾法、絮凝法、大孔樹脂吸附法等都可以提取廢水中的營養(yǎng)物質，但經物理、化學方法處理過的廢水不宜直接排放，易污染環(huán)境。

好氧和厭氧生物處理雖可以降低廢水的BOD，使其達到國家排放標準，但從資源利用方面講是一種浪費。大豆低聚糖、大豆異黃酮、大豆乳清蛋白等功能性營養(yǎng)成分的提取會產生二次廢水，在廢水利用率上沒有優(yōu)越性。微生物發(fā)酵即在適宜的條件下，利用微生物將原料經特定的代謝途徑轉化為所需產物的過程。以黃漿水為基質培養(yǎng)微生物可大大降低微生物培養(yǎng)成本；將廢水作為食品加工原料制備飲料、醬油等，幾乎能完全利用廢水，可見微生物發(fā)酵黃漿水在降低培養(yǎng)成本和提高廢水利用率上具有顯著優(yōu)勢。

1 生產B族維生素

B族維生素是人體必需的營養(yǎng)元素，哺乳動物無法合成[11]。維生素B12是人體許多輔酶的組成部分，在科學和醫(yī)學領域中被稱為最吸引人的分子[12]，與其他B族維生素不同，B12在一般植物中含量極少，主要由動物腸道細菌及土壤中的細菌生成[13]。通過微生物發(fā)酵生產維生素屬于生物化學過程，安全性高，發(fā)展前景好。目前利用黃漿水培養(yǎng)僅可生產維生素B2和B12。

將大豆蛋白廢水進行預處理后，基本滿足了發(fā)酵維生素的條件。劉平等[14]利用黃漿水以謝氏丙酸桿菌為菌種，再添加一些葡萄糖、酵母膏等外源營養(yǎng)素制備培養(yǎng)基進行維生素發(fā)酵，從而得到含大量維生素B12的菌絲體。宋德貴等[15]利用黃漿水以阿氏假囊酵母為菌種，優(yōu)化發(fā)酵生產核黃素的工藝條件，經正交試驗得到在28 ℃培養(yǎng)13 d維生素B2產量達最大值。江連洲等[16]通過試驗從預選菌種中篩選出最適合豆制品廢水發(fā)酵制取維生素B的菌種是阿氏假囊酵母與薛氏丙酸桿菌(質量比1∶ 1)的復合菌種。因為維生素B12的化學合成過程昂貴且復雜，其商業(yè)生產完全通過生物發(fā)酵合成。微生物生產維生素B12有好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵2種類型。丙酸桿菌是典型產維生素B12的厭氧菌，但好氧反硝化假單胞菌生產維生素B12的微生物生產率比厭氧發(fā)酵更高，也被廣泛應用于工業(yè)和商業(yè)維生素B12的發(fā)酵中[17]。

2 培養(yǎng)食用菌

食用菌是可供人類食用的大型真菌，其藥用價值包括抗癌、抗菌、降血脂、免疫調節(jié)等。深層培養(yǎng)食用菌可在短期就得到數(shù)量很多的食用菌菌絲體，同時還能獲得多糖、單細胞蛋白等次生級代謝物，食用菌單細胞蛋白易被人體消化吸收，可成為人類蛋白食品的重要來源[18]。由于利用傳統(tǒng)作物生產真菌和提取生物活性代謝物在某些情況下價格昂貴，通過生物技術獲得這些代謝物在成本效益上優(yōu)勢顯著[19]。

黃漿水中含大量蛋白質、糖類、鹽類和微量元素，以黃漿水為原料制備食用菌液體菌種的工藝可行。趙永勛等[20]利用大豆分離蛋白廢水深層培養(yǎng)香菇菌絲，經過試驗證明大豆廢水可以作為很好的液體培養(yǎng)基，菌絲體生物量在第7天達到最高值，并且除了菌絲體，發(fā)酵液中也可以提取很多如香菇多糖的次生級代謝物。王謙等[21]以大豆廢水為原料培養(yǎng)白靈菇，制備白靈菇液體菌種的周期短，活力強，最佳培養(yǎng)條件為初始pH 6.5、接種量10%、搖床轉速180 r/min。通過人工液體培養(yǎng)的蛹蟲草菌絲體與天然蟲草營養(yǎng)價值相似，王麗夏[22]選擇在黃漿水中接種蛹蟲草SN-18，菌絲體生物量逐步提高到13.01 g/100 mL，從第6天開始趨于平穩(wěn)，同時發(fā)酵過程也提高了黃漿水的功能活性。此外，食用菌菌絲體可凈化廢水，降低COD和BOD5作用明顯，COD去除率達79.91%，BOD5去除率達91.55%。菌絲體的接種量影響污水的凈化效果，李仔密等[23]選擇3個平菇菌絲體接種量分別為3%、5%、10%，凈化效果從強到弱依次為3%、5%、10%，接種量3%、凈化時間20 d對黃漿水的凈化效果最好，此時對總氮也有一定去除效果。

3 生產單細胞蛋白

單細胞蛋白又稱微生物蛋白，由于其原料要求低、營養(yǎng)價值高、用途廣泛，被視為人類和動物獲得蛋白質的手段之一。目前，生物處理法應用較多的微生物包括酵母菌、硝化細菌、反硝化細菌、光合細菌等。酵母菌生產法創(chuàng)于第二次世界大戰(zhàn)時期，由于當時蛋白質大量缺乏，利用酵母菌生產單細胞蛋白成為了解決糧食短缺的一種途徑[24]。在20世紀90年代，日本最先開始利用酵母菌處理廢水，包括味精廢水、大豆廢水、啤酒廢水等，降解廢水中的有機物達到凈化水質的作用[25]。

溫子健等[26]通過對8種酵母菌進行試驗得出其中產量最大、大豆乳清廢水處理能力最強的為產朊假絲酵母。產朊假絲酵母的單細胞蛋白產量可達1.18 g/L，對乳清廢水中COD的去除率為67.6%，BOD5的去除率為63.2%。劉玉等[27]把從酸漿中分離的假絲酵母和白地霉放入黃漿水培養(yǎng)基中發(fā)酵，最終得到產量較高的單細胞蛋白。李建政等[28]以5種常見的工業(yè)酵母菌進行大豆乳清廢水的單細胞蛋白生產試驗，結果是5種酵母菌均能在大豆分離蛋白生產廢水中快速增殖，其中回收單細胞蛋白的最適酵母為C.lipolyticavar.lipolytica和S.fibuligera。車穎潔[29]通過試驗得到發(fā)酵豆制品廢水生產單細胞時，最佳菌種及質量配比為扣囊擬內孢霉∶ 白地霉∶ 解脂假絲酵母∶ 產朊假絲酵母=2∶ 1∶ 1∶ 2或3∶ 1∶ 1∶ 2。

光合細菌處理廢水也是回收單細胞蛋白的方法之一。光合細菌廣泛存在于自然界，常見于腐敗有機物濃度高的水域，是一類具有原始光能合成體系的原核微生物，可以利用光能生長、代謝，對碳、氮和磷都有較高的去除率[30]。利用光合細菌處理豆制品廢水不僅可達到較高的COD去除率，同時還可以回收單細胞蛋白、類胡蘿卜素、氨基酸等有機物質[31-33]。

4 生產生物柴油

生物柴油是典型的綠色能源，具有原料來源廣泛、環(huán)保性能好等特點，有廣闊的工業(yè)化應用前景。充足的碳源是微生物發(fā)酵產油的關鍵之一，而豆制品廢水中含有豐富的碳源和氮源，具有很好的生物降解性能，適合成為生物柴油的原料。利用微生物發(fā)酵生產的生物柴油相對于其他植物油脂擁有更高的品質[34]。雖然目前生物柴油大多來源于動、植物油，但通過黃漿水培養(yǎng)產油在成本、原料、環(huán)境上都具有優(yōu)勢[35]。

目前研究的產油微生物以酵母、微藻和霉菌為主。產油酵母的產油能力可達20%～70%，易對其進行基因改造，是一種極具潛力的產油微生物[36]。魏群等[37]得到了大豆蛋白廢水培養(yǎng)油脂酵母的適宜工藝條件，在此條件下菌體密度大、廢水中殘?zhí)羌皻埖康?。劉軍賢[38]利用斯達氏油脂酵母處理大豆蛋白廢水，在最優(yōu)條件下生物量5.68 g/L、油脂含量7.74%、油脂產量0.44 g/L。微藻的環(huán)境適應能力強，生長速率快，光合作用效率高，能去除廢水中的有機污染物、重金屬和病原體，且油脂性質與標準生物柴油相近，易于生物技術改造，能有效解決能源問題[39-41]。在能源危機的背景下，利用微藻生產生物柴油的研究越來越普遍。小球藻是一種油脂含量高的微藻，常在廢水中培養(yǎng)，被認為是生產生物柴油的理想原料[42-43]。初曉婉[44]考察了小球藻在不同條件下的油脂積累規(guī)律并總結出油脂產率最高時的條件。尚海等[45]發(fā)現(xiàn)藻菌共生體系能夠促進油脂的積累，其中細菌和小球藻構建的共生體系使油脂含量提高了36.3%。但是，在廢水中進行微藻培養(yǎng)時，易發(fā)生細菌污染。一方面，在有限的有機質和營養(yǎng)物質下，細菌和微藻存在的競爭關系會限制藻類的生長；另一方面，細菌促進污染物的去除，利于藻類的生長。因此，需要找出細菌在生產過程中的影響因素并制定解決方案。

微生物油脂正廣泛應用于生物柴油的生產，未來微生物以黃漿水作為廉價原料產油時，還需考慮以下問題：(1)暫時無法進行工業(yè)化生產。若要進行工業(yè)化生產，微生物利用廢水產油的產油量與糖類等碳源相比較少，無法滿足其要求[46]。(2)預處理增添了成本。由于廢水成分復雜，里面生長的微生物種類多，初始pH值不易滿足產油微生物的生長要求，因此，應對其進行低價、高效的預處理[47]。(3)廢水雜質多、提取工藝復雜。廢水中含有很多高濃度的有機酸及復雜的鹽成分，甚至存在不利于酵母生長代謝的雜質和難降解的化學物質，產油酵母的生長及代謝會受到抑制，增加了油脂提取的困難程度。

5 制備發(fā)酵飲料

發(fā)酵乳酸飲料產業(yè)的增長率大大超過了其他飲料制品，并且其市場優(yōu)勢在未來的乳飲料市場發(fā)展中將越來越顯著。植物蛋白飲料是以含有一定蛋白質的植物果實、種子或果仁等為主要原料加工而成的乳狀飲料，它的興起克服了動物蛋白飲料高脂肪、高膽固醇的不足。發(fā)酵型植物蛋白飲料經由乳酸菌發(fā)酵，乳酸菌有調節(jié)胃腸道正常菌群、降低血清膽固醇、提高食物消化率、保持微生態(tài)平衡等功能，還可以抑制腸道內腐敗菌的生長繁殖，提高食品的營養(yǎng)價值和保藏性，改善食品風味[48-49]。豆制品廢水里殘留了許多無毒無害的功能性營養(yǎng)成分，經過加工可以研發(fā)出美味的大豆乳清蛋白飲品。葉翠層等[50]以黃漿水為主要原料，利用乳酸發(fā)酵制得了豆清蛋白乳酸菌飲料。王欣欣等[51]利用植物乳桿菌、戊糖片球菌和腸膜明串珠菌對黃漿水進行發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)游離苷元型大豆異黃酮的含量大幅增加，并得到發(fā)酵富含苷元型大豆異黃酮黃漿水的最佳條件。辛嘉英[52]采用乳酸菌發(fā)酵法，通過對黃漿水進行脫臭、蛋白質降解、離子交換樹脂去除金屬離子等步驟制得口感酸爽、微黃透明的乳酸飲料。陳則華等[53]用L.rhamnosus對大豆廢水進行發(fā)酵，調整風味后可將其作為一種益生菌飲料。唐思頡等[54]以黃漿水作為紅茶菌的新型發(fā)酵基質，得到了具有功能活性的新型黃漿水發(fā)酵產品。

以黃漿水為原材料制作飲料在廢水利用率上有很大的優(yōu)勢，幾乎可以完全利用。但制作黃漿水發(fā)酵飲料有2個弊端：黃漿水畢竟是廢棄物，很多消費者心里無法接受經其加工得到的飲品；發(fā)酵飲料產品的安全性有一定程度的缺乏。應從加工開始就確保產品的安全和衛(wèi)生，并且要保證乳酸菌在保質期內保持應有的數(shù)量級。

6 制備酸漿豆腐

酸漿是黃漿水經自然發(fā)酵后形成的凝固劑，富含乳酸菌，能分解蛋白質、脂肪和多糖[55-56]。凝固劑的添加是制作豆腐過程中最關鍵的一步，其種類和生產工藝決定著豆腐的品質，可生產出質地從軟到硬、水分含量70%～90%的豆腐[57]。豆腐凝固劑主要分為硫酸鈣、氯化鎂等鹽類凝固劑和葡萄糖酸δ-內酯、L-抗壞血酸等酸類凝固劑[58-60]。酸漿與外來凝固劑相比有更安全、更醇香、更環(huán)保等優(yōu)點，也有易變質、難存儲、酸度難控制等缺點?，F(xiàn)在酸漿豆腐的制作工藝正在不斷改善，如純種發(fā)酵、雙菌發(fā)酵、優(yōu)勢菌種都是為了做出口感更好、安全系數(shù)更高的豆腐[61]，且酸漿是將豆腐壓出的黃漿水經發(fā)酵又加入到豆腐制作中，起到了豆制品廢水循環(huán)利用的作用。

管立軍等[62]使用一種純種乳酸菌發(fā)酵豆?jié){的新工藝制備乳酸菌發(fā)酵豆腐，此工藝不僅使豆腐風味與傳統(tǒng)酸漿豆腐相似，還能解決酸漿非標準化等問題。呂博等[63]以保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌共同在黃漿水中發(fā)酵制備豆腐凝固劑，此方法可以提高凝固劑中乳酸的含量并改善豆腐凝固劑的功能性。葉青等[64]利用一株從黃漿水中分離純化出的干酪乳桿菌YQ336進行純種發(fā)酵制備酸漿豆腐，其與自然發(fā)酵酸漿制備的豆腐相比具有更優(yōu)的感官評分，并且不含腐敗菌。王國良等[65]從酸漿中分離出了一株嗜酸乳桿菌，經鑒定其產酸能力最強。江振桂等[66]采用熟漿工藝生產豆腐時，分別比較以石膏、MgCl2、豆清發(fā)酵液為凝固劑的豆腐得率、保水性、感官評分、質構特性、風味特性，結果以豆清發(fā)酵液生產的豆腐感官評分最高，其他性能也較好，適合熟漿工藝豆腐加工。

酸漿豆腐保水性好、質地細膩，符合現(xiàn)代消費者健康的消費理念。由于酸漿豆腐是把自然發(fā)酵后的酸漿作為凝固劑循環(huán)使用于豆腐制作過程中，存在的安全衛(wèi)生問題導致其無法標準化生產，如今諸如此類的弊端正逐漸被改進，酸漿豆腐的工業(yè)化生產極具潛力。

7 制備醬油

醬油是以大豆、脫脂大豆、小麥、小麥粉等為原料，蒸煮后添加人工培養(yǎng)的菌種使其發(fā)酵，利用微生物的各種酶進行分解，使原料中的蛋白質和淀粉轉變?yōu)楦鞣N氨基酸、糖類、醇類、有機酸及色素，最后形成一種營養(yǎng)豐富、色香味俱全的調味品[67]。醬油作為世界上較古老的調味品之一，在中國已經使用了3 000多年，具有無可撼動的地位和廣闊的市場需求[68]。目前，我國的醬油生產工藝以高鹽稀態(tài)和低鹽固態(tài)為主。高鹽稀態(tài)法發(fā)酵時間為4～6個月，應用范圍較小，產量在我國醬油總產量中僅占10%。低鹽固態(tài)法是我國醬油生產普遍采用的發(fā)酵方法，產量占我國醬油總產量的90%左右，此法具有生產周期短、產量大等特點，實現(xiàn)了我國醬油的速釀生產[69-71]。

傳統(tǒng)發(fā)酵醬油的主要原料是大豆，因此開發(fā)了黃漿水生產新型醬油的可能性[72]。薛臨生[73]在早期就證實了腐乳生產廢水完全可以用于醬油的生產，既能利用豆腐廢水中的蛋白質，又能降低環(huán)境污染。張瑞等[74]利用大豆廢水代替了傳統(tǒng)醬油生產時所用的酸水解蛋白，確定了配制營養(yǎng)強化型醬油的最佳配方和工藝參數(shù)，并證實最終加工后得到的醬油在色澤、香氣、滋味和體態(tài)上與市面釀造產品相比無明顯差異。李雄輝等[75]設計的醬油生產工藝對黃漿水的利用率極高，可達90%以上，相比低鹽固態(tài)法提高了15%。若要提升黃漿水發(fā)酵釀造醬油的市場需求量和生產規(guī)模，首先要保證醬油的釀造質量，嚴格按照工藝要求執(zhí)行；其次需滿足消費者對醬油各方面的需求，對醬油風味的改善進行不斷地探索研究。

8 制備其他發(fā)酵產物

以黃漿水為基質還可以發(fā)酵生產曲酸、蝦青素、γ-氨基丁酸、白地霉、真菌多糖、白酒[76-77]等物質。熊衛(wèi)東等[78]利用米曲霉發(fā)酵法在添加了MgSO4·7H2O、K2HPO4等物質的黃漿水培養(yǎng)基中發(fā)酵培養(yǎng)曲酸，發(fā)現(xiàn)5～6 d菌體生長量和曲酸產量均達到最大值。孫玉梅等[79]在利用黃漿水發(fā)酵蝦青素時，通過補加乙醇和葡萄糖提高了生物量、蝦青素產量和蝦青素含量。孫冰潔等[80]在添加了5%廢糖蜜和1.0%磷酸氫二銨的培養(yǎng)基里培養(yǎng)從酸漿中分離出的白地霉FL44菌株，得到在最優(yōu)培養(yǎng)條件下白地霉FL44生物量為15.13 g/L。姚子鵬等[81]研究了Lactobacillusbulgaricus1.0205在黃漿水培養(yǎng)基中生產GABA的最佳發(fā)酵條件，發(fā)酵40 h時GABA產量為6.22 g/L。

9 小結與展望

作者從兩方面論述了微生物發(fā)酵處理黃漿水的方法：其一，從黃漿水中提取有用物質，如維生素B、食用菌、單細胞蛋白、生物柴油。國內關于黃漿水發(fā)酵維生素的文獻較少，相較于其他液體，豆制品廢水滿足發(fā)酵維生素的條件并能取得較好效果；食用菌的培養(yǎng)可在短期內就得到數(shù)量多的食用菌菌絲體，并能提取很多次生級代謝物；能生產單細胞蛋白的酵母菌種類繁多，光合細菌廢水處理在達到較高COD去除率的同時還可以回收單細胞蛋白；豆制品廢水中含有豐富的碳源和氮源，具有很好的生物降解性能，適合成為生物柴油的原料，用微生物發(fā)酵生產的生物柴油相對于其他植物油脂具有更高的品質。其二，將黃漿水作為食品加工原料進行發(fā)酵，如制備發(fā)酵飲料、酸漿豆腐、醬油。以黃漿水為原料可以研發(fā)出美味的大豆乳清蛋白飲品，在廢水利用率上有很大優(yōu)勢，幾乎可以完全利用；酸漿可從大豆廢水中提取后作為凝固劑，再加入到豆腐制作過程中循環(huán)往復利用；生產新型醬油也是豆制品廢水利用的方法之一，既能利用黃漿水中的蛋白質，又能減輕環(huán)境污染。

黃漿水的處理法范圍從物理、化學再到生物方法，對于如何有效地利用此類副產品具有十分重要的意義。生物法中的好氧處理有高投資、高能源成本、產生大量污泥等缺點，且會浪費大量的營養(yǎng)物質和有機碳；厭氧處理也廣泛應用于大豆廢水處理，但對有機氮和磷的去除能力極低，并且需要經常調節(jié)酸堿度。目前這2種生物凈化工藝雖然可以將黃漿水處理到符合國家一級排放標準的程度，但對于企業(yè)是沒有直接收益的。因此，處理黃漿水需要更經濟可行的方法，不僅要降低化學需氧量、可溶性固體等，還要充分利用其中有用的成分。

利用微生物發(fā)酵法將黃漿水直接發(fā)酵制備成飲品或調味料，很多消費者可能從心理上難以接受，而且安全性上有一定程度的缺乏。酸漿豆腐的保水性好、質地細膩，但是酸漿的使用量完全取決于工人的經驗，以及存在的安全衛(wèi)生問題都是導致無法標準化生產的關鍵原因。作為發(fā)酵飲料，還要保證乳酸菌在保質期內保持應有的數(shù)量級。此外，黃漿水在新飲料開發(fā)中具有作為組織改良劑(發(fā)泡劑、乳化劑和增稠劑)和食品配料的潛力。如今，微生物發(fā)酵法應用于諸多領域，以黃漿水為基質培養(yǎng)微生物在降低成本和提高廢水利用率上具有顯著優(yōu)勢，有極其廣闊的發(fā)展前景。