豆制品廢水資源化利用研究現(xiàn)狀

林春陽，王春勇，興長(zhǎng)策，朱博

豆制品廢水資源化利用研究現(xiàn)狀

林春陽，王春勇*，興長(zhǎng)策，朱博

（遼寧工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

介紹了豆制品廢水的資源化利用現(xiàn)狀，并論述了豆制品廢水的資源化利用途徑，包括培養(yǎng)微生物、以黃漿水為原料加工食品以及膜技術(shù)分離黃漿水有價(jià)組分3種利用途徑，之后介紹了不同利用途徑的優(yōu)勢(shì)及局限性，最后對(duì)未來豆制品廢水的資源化利用方法進(jìn)行了展望。

豆制品廢水；微生物培養(yǎng)；膜分離技術(shù)；資源化利用

大豆是一種重要的豆類作物，而豆制品是我國(guó)傳統(tǒng)食物，其歷史悠久，且長(zhǎng)期被用作蛋白質(zhì)來源，凝結(jié)著中華民族數(shù)千年智慧的結(jié)晶[1]。豆制品具有極好的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和健康益處。而大豆所含低聚糖中的棉子糖和水蘇糖可以促進(jìn)結(jié)腸中有益細(xì)菌的生長(zhǎng)，被認(rèn)為是益生元[2]。此外，豆制品口感和風(fēng)味良好，深受人們的喜歡。世界各地的豆制品種類繁多，大致可分為兩大類：發(fā)酵豆豉（如豆豉、納豆、醬油等）和未發(fā)酵豆制品（如豆奶和豆腐）。近年來，我國(guó)豆制品產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，產(chǎn)品種類增多，如豆干、豆腐乳等多種豆制品被推向市場(chǎng)[3-4]。

目前，豆制品行業(yè)還存在許多問題，例如傳統(tǒng)的豆制品生產(chǎn)，大多在小作坊進(jìn)行，而且生產(chǎn)中的衛(wèi)生問題很難控制。此外，許多企業(yè)缺乏科學(xué)的生產(chǎn)工藝和核心技術(shù)，自動(dòng)化水平較低。豆制品行業(yè)產(chǎn)生的廢水未經(jīng)處理直接排放，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[5]。隨著人們對(duì)豆制品需求、質(zhì)量和安全等要求提升，將傳統(tǒng)豆制品生產(chǎn)技術(shù)與新型設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)豆制品的自動(dòng)化生產(chǎn)將是未來的發(fā)展方向。隨著豆制品質(zhì)量和產(chǎn)量的不斷提高，產(chǎn)生的廢水處理問題也亟待解決。

1 豆制品廢水來源、主要成分及危害

1.1 來源

豆制品生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢水，其中以泡豆水、清洗水和壓榨過程中產(chǎn)生的黃漿水為主[6]。泡豆水和清洗水主要是浸泡豆子和清洗設(shè)備產(chǎn)生的廢水，其所含雜質(zhì)較多。大豆黃漿水則是以大豆為原料，在豆腐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的液體副產(chǎn)品。無論制作豆腐的程序如何，其基本原理是將大豆種子用水提取制成豆?jié){或豆?jié){飲料，大豆蛋白與鹽或酸凝固制成豆腐。而豆腐經(jīng)過凝固和擠壓后會(huì)產(chǎn)生大豆黃漿水。

1.2 主要成分

豆制品廢水屬典型高濃度有機(jī)廢水，其COD高達(dá)10 000 mg·L-1以上。豆制品廢水中含有大豆乳清蛋白、大豆寡糖、大豆異黃酮、大豆皂苷等多種生理活性物質(zhì)組成，水質(zhì)微黃，且容易變質(zhì)[7]。

1.3 危害

豆制品廢水是一種可生化性好的高濃度有機(jī)廢水。豆制品廢水如果不經(jīng)處理直接排入河流和湖泊，其會(huì)在生物降解作用下，消耗大量的氧氣，使受納水體缺氧甚至厭氧，導(dǎo)致大多數(shù)水生生物死亡，產(chǎn)生惡臭，引起水質(zhì)惡化[8]。此外，廢水中所含的維生素、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和碳水化合物是許多微生物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[9]。廢水進(jìn)入河流、湖泊、海灣等緩流水體時(shí)，會(huì)引起有害藻類等浮游生物快速繁殖，引起水質(zhì)惡化，魚類等生物死亡，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化[10]。

豆制品廢水中還含有皂甙等功能成分，工廠生產(chǎn)的豆制品廢水往往伴隨著渾濁、異味、色澤和泡沫[11]。它會(huì)引起人們的不愉快感，嚴(yán)重影響水體附近人們的正常生活。

2 豆制品廢水資源化利用現(xiàn)狀

豆制品廢水的處理方法主要集中在將廢水中蛋白質(zhì)和低聚糖作為有機(jī)污染物直接去除的生物過程[12-14]。蛋白質(zhì)和低聚糖作為一種很有吸引力的食品添加劑，如果能夠得到有效的回收利用，其效益將是很有吸引力的。目前，豆制品黃漿水的資源化利用主要是將豆制品廢水作為微生物培養(yǎng)基 質(zhì)[15-16]，以及用于食品開發(fā)[17-19]和膜分離提取功能性成分[20-23]。

2.1 以豆制品黃漿水為基質(zhì)培養(yǎng)微生物

微藻具有光合速率高、生長(zhǎng)速度快、環(huán)境適應(yīng)性好、運(yùn)行成本低以及作為生物質(zhì)來源的潛力等特殊優(yōu)勢(shì)，因此其在固定來自工業(yè)排放（如燃煤煙氣）的二氧化碳方面得到了廣泛的研究[24]。HU[25]等利用豆制品廢水和二氧化碳煙氣共培養(yǎng)微藻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在大豆廢水與模擬煙氣的雜交培養(yǎng)體系中可以培養(yǎng)出小球藻L166。小球藻L166對(duì)COD的去除率最高為78.2%。由此可見，小球藻L166具有同時(shí)固定煙氣二氧化碳和處理大豆加工廢水的潛力。SONG[16]等以大豆加工廢水為研究對(duì)象，采用吸附-微藻復(fù)合工藝處理大豆加工廢水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方法對(duì)大豆廢水的高效凈化效率為60.8%，體現(xiàn)了吸附-微藻雜交工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。SHEN[26]等用大豆廢水培養(yǎng)斜曲霉，培養(yǎng)8天后COD的去除率為72%，驗(yàn)證了氮、磷在葡萄糖培養(yǎng)中的作用，為高效處理大豆廢水提供了一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的選擇。

由于豆制品生產(chǎn)過程中會(huì)生產(chǎn)大量廢水，若用豆制品廢水培養(yǎng)微生物并投入工業(yè)化使用，同時(shí)達(dá)到對(duì)豆制品廢水的凈化作用，不僅需要苛刻的培養(yǎng)條件，還要考慮培養(yǎng)過程中對(duì)人們觀感的影響以及是否有異味產(chǎn)生等。

2.2 用豆制品黃漿水加工食品

豆制品黃漿水也可以應(yīng)用于加工食品[27]，例如，陳思雨[28]等以豆腐黃漿水和蔗糖為原料，采用單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化了制醋工藝的最適條件，既資源化利用了豆腐黃漿水，又為制醋工藝提供了理論依據(jù)。鄭送友[29]等利用豆腐黃漿水、蘋果汁、白砂糖為主要原料，研制出了酸甜可口、質(zhì)感細(xì)膩、營(yíng)養(yǎng)保健的黃漿水蘋果汁復(fù)合飲料，不僅為功能性負(fù)荷飲料的研制提供理論依據(jù)，還為豆腐黃漿水的回收利用提供有效途徑。

以豆制品黃漿水為原料加工食品做到了廢棄資源的再利用，但是此種方法要綜合考慮人們的接受程度。

2.3 利用膜技術(shù)分離豆制品廢水中的有用成分

膜分離技術(shù)以選擇性透過膜作為分離介質(zhì)，在膜兩側(cè)施加一定推動(dòng)力使某些原料中的某些組分選擇性地透過膜。膜分離技術(shù)被廣泛應(yīng)用于食品濃縮、澄清及分離等過程。根據(jù)料液中蛋白質(zhì)和糖類物質(zhì)分子大小差異，可以從豆制品廢水中分離回收蛋白質(zhì)、糖類等有價(jià)組分，該工藝主要包括超濾、納濾和反滲透[30-31]。田旭[32]等研究了溫度、壓力等條件對(duì)黃漿水的透過率和截留率的影響。結(jié)果表明，采用超濾膜技術(shù)對(duì)黃漿水進(jìn)行綜合處理后，蛋白質(zhì)截留率為83.44%，總糖透皮率為93.73%。大豆蛋白和低聚糖能有效分離，為黃漿水的利用提供了理論依據(jù)。秦學(xué)磊[33]等將黃漿水用殼聚糖絮凝后進(jìn)行超濾處理，結(jié)果表明，經(jīng)絮凝超濾后，黃漿水中蛋白質(zhì)的回收率為76.1%，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.7%，為黃漿水中蛋白質(zhì)的回收提供了有效的方法和理論依據(jù)。WANG[34]等以含糖和鹽的大豆乳清廢水作為模型溶液，模擬了間歇式全滲濾過程，研究了低聚糖和鹽去除的可能性。SRINIWORN[35]等采用具有不同相對(duì)分子質(zhì)量截留率的中空纖維膜（MWCO）來評(píng)價(jià)蛋白質(zhì)和糖的保留情況。與30 kDa膜相比，100 kDa膜具有更高的滲透通量和較低的糖類保留率。BENEDETTI[36]等使用4級(jí)塊凍結(jié)濃縮工藝和納濾濃縮大豆乳清，以濃縮異黃酮含量。經(jīng)納濾處理的豆腐乳清的滲透通量隨時(shí)間的增加而降低，最大減容系數(shù)為4.5。

豆制品廢水膜處理工藝的主要限制為膜分離過程中產(chǎn)生的濃差極化以及污垢導(dǎo)致的膜通量降低，另一方面，殘留在豆制品廢水處理膜表面或膜孔內(nèi)吸附或沉積殘留分子或顆粒的污垢，用水沖洗很難去除，只有化學(xué)清洗才能去除。

3 展 望

本文綜述了豆制品廢水的資源化利用現(xiàn)狀，豆制品廢水中含有豐富的蛋白質(zhì)、大豆低聚糖和大豆異黃酮等有價(jià)組分。為了充分回收利用這些物質(zhì)，未來工作可以探索更具經(jīng)濟(jì)效益的方法。

1）膜技術(shù)依舊是最有前景的分離方法，通過優(yōu)化各種操作條件，減少濃差極化對(duì)膜通量衰減的影響，例如有效地利用旋轉(zhuǎn)陶瓷膜。

2）可以嘗試一些無害經(jīng)濟(jì)的有機(jī)絮凝劑，將絮凝出的有價(jià)組分用于家禽飼料的生產(chǎn)。

3）泡沫分離法設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗低，投資少，也不會(huì)存在膜處理的膜污染問題，值得未來開展進(jìn)一步研究。

[1] 李浩明. 舌尖上的中國(guó)豆制品——中國(guó)豆制品2014年行業(yè)發(fā)展高峰論壇特別報(bào)道[J].食品工業(yè)科技，2014，35（16）：18-22.

[2] TENORIO M D, ESPINOSA-MARTOS I, PRéSTAMO G, et al. Soybean whey enhance mineral balance and caecal fermentation in rats[J]., 2010, 49(3):155-163.

[3] 聶莉莎.豆制品污水的研究及防治對(duì)策[J].電大理工，2006（2）：17-18.

[4] 褚紹霞. 大豆黃漿水的資源化利用[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2010.

[5] GUO K, SHANG Y, GAO B, et al. Study on the treatment of soybean protein wastewater by a pilot-scale IC-A/O coupling reactor[J]., 2018, 343: 189-197.

[6] 王秋霜，應(yīng)鐵進(jìn). 大豆制品生產(chǎn)廢水綜合開發(fā)研究進(jìn)展[J].食品科學(xué)，2007（9）：594-599.

[7] 趙冬梅，劉凌，張京健. 豆制品生產(chǎn)中高濃度廢水的檢測(cè)與分析[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2006（1）：68-71.

[8] 趙平.基于生物濾膜的豆制品廢水處理技術(shù)研究[J].食品工業(yè)，2016，37（3）：146-148.

[9] 曹建平，許婷，劉寅，,等. 氣浮—改良活性污泥法處理豆制品廢水[J].給水排水，2013，49（9）：62-65.

[10] 劉芳，高秋生，畢軼，等. 污泥固定化兩相厭氧系統(tǒng)處理豆制品加工廢水（英文）[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，35（4）：413-418.

[11] REN Z, XU X, WANG X, et al. FTIR, Raman, and XPS analysis during phosphate, nitrate and Cr (VI) removal by amine cross-linking biosorbent[J]., 2016, 468: 313-323.

[12] 楊圣廣. 豆制品生產(chǎn)廢水能源化利用的工藝實(shí)踐[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（25）：64-66.

[13] 馬志輝. UASB與CASS聯(lián)用處理豆制品廢水工藝設(shè)計(jì)[D].保定：河北大學(xué)，2017.

[14] SUN L, WAN S, YU Z, et al. Anaerobic biological treatment of high strength cassava starch wastewater in a new type up-flow multistage anaerobic reactor[J]., 2012, 104: 280-288.

[15] 王麗夏. 黃漿水的蛹蟲草發(fā)酵及其功能活性研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

[16] SONG C, QIU Y, LI S, et al. A novel concept of bicarbonate-carbon utilization via an absorption-microalgae hybrid process assisted with nutrient recycling from soybean wastewater[J]., 2019, 237: 117864.

[17] 張清，劉麗莎，田旭，等. 黃漿水生料法發(fā)酵黃酒工藝優(yōu)化[J].中國(guó)釀造，2017，36（12）：23-26.

[18] 李麗梅，劉霞，李喜宏，等. 黃漿水紅棗復(fù)合飲料的研制及其穩(wěn)定性研究[J].食品研究與開發(fā)，2017，38（2）：74-77.

[19] 慕鴻雁，于春娣，杜德紅.大豆乳清蛋白乳飲料的研制[J].食品研究與開發(fā)，2012，33（4）：114-116.

[20] 劉娜，彭黔榮，楊敏，等. 膜分離技術(shù)在食品廢水處理和生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].食品研究與開發(fā)，2014，35（3）：114-118.

[21] LV S H, LIANG Z H, ZEN Y Y, et al. Soybean whey treatment with an air sparging ultrafiltration system[C].Advanced Materials Research. Trans Tech Publications Ltd., 2013.

[22] 馮曉，任南琪，陳兆波. 超濾膜分離工藝處理大豆乳清蛋白廢水的效能[J].化工學(xué)報(bào)，2009，60（6）：1477-1486.

[23] 井樂剛，張永忠. 大豆乳清中蛋白質(zhì)和異黃酮的超濾分離技術(shù)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006（10）：1993-1995.

[24] 韓玉.膜技術(shù)在微藻采收中的應(yīng)用[J].凈水技術(shù)，2021，40（5）：22-27.

[25] HU X, SONG C, MU H, et al. Optimization of simultaneous soybean processing wastewater treatment and flue gas CO2fixation via chlorella sp. L166 cultivation[J]., 2020, 8(4): 103960.

[26] SHEN X F, GAO L J, ZHOU S B, et al. High fatty acid productivity from Scenedesmus obliquus in heterotrophic cultivation with glucose and soybean processing wastewater via nitrogen and phosphorus regulation[J]., 2020, 708: 134596.

[27] 陳晴，李自成，李娟娟，等. 豆干黃漿水發(fā)酵條件優(yōu)化及其作為酸漿豆腐凝固劑的應(yīng)用[C].中國(guó)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)第十七屆年會(huì)論文集，2020.

[28] 陳思雨，孫楠，司定成，等. 豆腐黃漿水與蔗糖制醋工藝研究及功能性成分分析[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2020，46（22）：153-160.

[29] 鄭宋友，段紅梅，吳淑清. 黃漿水蘋果汁復(fù)合飲料的研制[J].江蘇調(diào)味副食品，2018（3）：9-12.

[30] 李昆凝.超濾膜技術(shù)在環(huán)境工程水處理中的應(yīng)用[J].新農(nóng)業(yè)，2021（11）：60.

[31] 高玉婷，陳文兵，溫明鐸，等. 納濾/反滲透技術(shù)去除水中含氮消毒副產(chǎn)物的研究進(jìn)展[J]. 工業(yè)用水與廢水，2021，52（2）：6-10.

[32] 田旭，劉麗莎，彭義交，等. 膜技術(shù)集成對(duì)黃漿水乳清蛋白的高效分離[J].食品科技，2018，43（1）：81-87.

[33] 秦學(xué)磊，張國(guó)治，劉宇，等. 豆制品廢水中蛋白質(zhì)回收研究[J].糧食與油脂，2018，31（4）：54-58.

[34] WANG X L, ZHANG C, OUYANG P. The possibility of separating saccharides from a NaCl solution by using nanofiltration in diafiltration mode[J]., 2002, 204(1-2): 271-281.

[35] SRINIWORN P, YOURAVONG W, WICHIENCHOT S. Permeate flux enhancement in ultrafiltration of tofu whey using pH-shifting and gas-liquid two-phase flow[J]., 2015, 50(15): 2367-2374.

[36] BENEDETTI S, PRUDENCIO E S, MüLLER C M O, et al. Utilization of tofu whey concentrate by nanofiltration process aimed at obtaining a functional fermented lactic beverage[J]., 2016, 171: 222-229.

Research Status of Resource Utilization of Soybean Product Wastewater

,,,

（School of Chemical and Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou Liaoning 121001, China）

The current status of resource utilization of soybean wastewater was introduced, and the resourceful utilization ways of soybean wastewater were discussed, including cultivating microorganisms, processing food with yellow slurry water as raw material, and membrane technology to separate valuable components of yellow slurry water. The advantages and limitations of different utilization methods were analyzed, and finally the future resource utilization trend of soybean wastewater was prospected.

Soybean wastewater; Cultivation of microorganisms; Membrane separation technology; Resource utilization

遼寧省教育廳科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JQL202015402、JFL202015403）。

2021-06-13

林春陽（1999-），女，河南省南陽市人，研究方向：污水資源化。

王春勇（1987-），男，博士，講師，研究方向：土壤污染修復(fù)。

X703

A

1004-0935（2021）12-1827-03