趙秀文，紀(jì)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(yīng)用現(xiàn)狀

趙秀文，紀(jì)鳳娣，宋昊，鄭玉芝*

（北京一輕研究院，北京101111）

酵母菌具有生長(zhǎng)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(jīng)應(yīng)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(lèi)：酵母生產(chǎn)法和酵母廢水處理技術(shù)。酵母菌生產(chǎn)法是指酵母菌將廢水中的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為單細(xì)胞蛋白或者微生物油脂；而酵母廢水處理技術(shù)是通過(guò)酵母菌對(duì)廢水中的有機(jī)質(zhì)的分解和利用從而凈化水質(zhì)。該文介紹了酵母菌在食品工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀，隨著科技的發(fā)展，基因工程技術(shù)、固定化技術(shù)等會(huì)被用來(lái)處理酵母菌，使其在廢水處理中得到更多更好的應(yīng)用。

酵母菌；單細(xì)胞蛋白；微生物油脂；廢水處理

食品廢水多為高濃度有機(jī)廢水，產(chǎn)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(yán)重污染環(huán)境。目前，對(duì)食品污水的處理方法按原理分為物理法、化學(xué)法和生物法三類(lèi)，其中生物法是利用微生物的新陳代謝活動(dòng)，將污水中的有機(jī)物分解，從而達(dá)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(wú)二次污染等特點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。目前，生物處理法使用較多的微生物為硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、光合細(xì)菌等。

隨著對(duì)酵母菌的不斷深入研究，發(fā)現(xiàn)酵母菌不僅具有細(xì)菌的一些特點(diǎn)（如細(xì)胞大、代謝快），也具有真菌的特點(diǎn)（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(jī)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(yīng)用，其在廢水處理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

1　酵母菌的分類(lèi)及其特點(diǎn)

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

酵母菌不僅生長(zhǎng)繁殖快，能形成絮體，細(xì)胞大，代謝旺盛，還有良好的耐酸能力。一般的細(xì)菌難以在低酸環(huán)境下生長(zhǎng)代謝，但酵母菌能在pH 3.0～7.5范圍內(nèi)生長(zhǎng)。呂偉民等［7］篩選出了耐酸酵母菌株，在pH 3.0時(shí)，仍能正常生長(zhǎng)發(fā)酵，并且可以發(fā)酵酸度較高的糟水來(lái)生產(chǎn)酒精，解決了酒精生產(chǎn)企業(yè)廢水污染的問(wèn)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(guò)吸附作用對(duì)活性黑B進(jìn)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(zhǎng)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(méi)有較好的耐酸特性，其生長(zhǎng)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(shí)酵母菌也能夠生存。因此，酵母菌能夠適應(yīng)一些惡劣的生長(zhǎng)環(huán)境，擁有較高的在污水中生長(zhǎng)存活的可能性。此外，酵母菌對(duì)某些難降解物質(zhì)及有機(jī)毒物具有很強(qiáng)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(zhì)［10］。黑亮等［11］通過(guò)研究酵母菌內(nèi)的脫氫酶活性的強(qiáng)弱來(lái)確定高濃度的硫酸根離子和氨氮是否抑制酵母菌的生長(zhǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)即使硫酸根離子和氨氮的控制濃度達(dá)到2 000 mg/L，對(duì)酵母菌也沒(méi)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(duì)細(xì)菌具有強(qiáng)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(chǎn)生淀粉酶、纖維素酶、脂酶、蛋白酶和木質(zhì)素過(guò)氧化物酶等，從而分解利用有機(jī)質(zhì)。

2　酵母菌在廢水處理中的應(yīng)用

將酵母菌用于廢水處理最早始于國(guó)外，國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了廣泛的相關(guān)研究。根據(jù)其應(yīng)用方式的不同，可將其分為兩大類(lèi)——酵母生產(chǎn)法和酵母菌廢水處理技術(shù)。

2.1酵母生產(chǎn)法

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

2.1.1生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白

酵母菌蛋白質(zhì)量可達(dá)干質(zhì)量的50%，可以提取豐富的B族維生素、輔酶A等，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高。酵母菌生產(chǎn)SCP具有諸多特點(diǎn)：營(yíng)養(yǎng)豐富、可利用率高，生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)效率高，利用原料廣、消除污染，設(shè)備簡(jiǎn)單、占地面積小。

酵母菌生產(chǎn)法最早出現(xiàn)在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期。由于蛋白質(zhì)大量缺乏，利用酵母菌生產(chǎn)SCP受到了極大重視，希望借此能夠解決糧食短缺的問(wèn)題。在我國(guó)，上海有機(jī)化學(xué)研究所等單位從20世紀(jì)60年代就致力于酵母菌生產(chǎn)SCP的研究［3］。較常用于生產(chǎn)SCP的酵母菌為啤酒酵母、熱帶假絲酵母和產(chǎn)朊假絲酵母。吳立根［12］研究了產(chǎn)朊酵母菌利用烤鰻魚(yú)工藝的最后一道工序——蒲燒廢水生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白，確定了最佳培養(yǎng)條件，還研究了產(chǎn)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(dú)一種時(shí)獲得的SCP產(chǎn)量高。武運(yùn)等［13］對(duì)熱帶假絲酵母和啤酒酵母利用蘋(píng)果渣生產(chǎn)SCP進(jìn)行了相關(guān)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(chǎn)量更高，品質(zhì)更優(yōu)。勵(lì)飛等［14］通過(guò)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(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）去除效果。

酵母生產(chǎn)技術(shù)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(biāo)，往往處理后，廢水中有機(jī)物含量仍較高，而且在實(shí)際生產(chǎn)中需要采取無(wú)菌操作，投資大，運(yùn)行費(fèi)用高，生產(chǎn)成本大。

2.1.2生產(chǎn)油脂

微生物油脂又叫單細(xì)胞油脂，是由微生物在一定的條件下，利用碳水化合物、碳?xì)浠衔锖推胀ㄓ椭鳛樘荚矗隗w內(nèi)產(chǎn)生的油脂。微生物生產(chǎn)油脂具有生產(chǎn)周期短、產(chǎn)量高、不受季節(jié)影響，原料多樣，生物安全性好等特點(diǎn)［15］。

最早對(duì)生產(chǎn)SCO的研究始于第一次世界大戰(zhàn)期間，而我國(guó)的相關(guān)研究工作始于20世紀(jì)60年代。單細(xì)胞油脂多以甘油三脂為主，也能產(chǎn)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(wú)機(jī)鹽和微量元素等都將影響微生物的產(chǎn)油量和油脂成分［16］。郭書(shū)賢等［17-18］采用豆制品、啤酒和淀粉的生產(chǎn)廢水作為培養(yǎng)基來(lái)培養(yǎng)斯達(dá)油脂酵母并進(jìn)行產(chǎn)油脂實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)啤酒生產(chǎn)廢水利于酵母菌的生長(zhǎng)，也利于不飽和脂肪酸的合成。此外，也對(duì)培養(yǎng)條件進(jìn)行了優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)在最適培養(yǎng)條件下，油脂產(chǎn)量為5.24 g/L，而且COD去除率可達(dá)到65%。也有研究采用味精廢水進(jìn)行酵母菌株的培養(yǎng)并生產(chǎn)SCO。吳開(kāi)云等［19］利用斯達(dá)氏油脂酵母生產(chǎn)SCO，油脂產(chǎn)量達(dá)4.94 g/L。為了獲得產(chǎn)油率更高的菌株，生化工程和基因工程技術(shù)也越來(lái)越多地用到了相關(guān)的研究中［15］。生化工程是通過(guò)控制培養(yǎng)基成分和培養(yǎng)條件來(lái)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(jié)果發(fā)現(xiàn)相對(duì)于碳源的缺少，限氮和限磷更能刺激脂肪酸的轉(zhuǎn)化。ZHAO X等［21］采用不同的培養(yǎng)方式對(duì)圓紅冬孢酵母進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)，當(dāng)進(jìn)行批式發(fā)酵45 h時(shí)產(chǎn)油量比搖瓶發(fā)酵提高了70%，當(dāng)采用批式補(bǔ)料發(fā)酵118 h時(shí)，產(chǎn)油量比批式發(fā)酵提高了130%，可見(jiàn)不同的發(fā)酵培養(yǎng)方式影響圓紅冬孢酵母的產(chǎn)油量。隨著基因工程技術(shù)的日趨成熟，改變微生物的基因來(lái)提高產(chǎn)油量已成為研究熱點(diǎn)。通過(guò)對(duì)微生物體內(nèi)油脂合成途徑的研究，明確了油脂合成的幾種關(guān)鍵酶，如乙酰輔酶A羧化酶、脂肪酸合酶、甘油二酯?；D(zhuǎn)移酶等。

2.2酵母菌廢水處理技術(shù)

酵母菌廢水處理技術(shù)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(shù)先從環(huán)境中篩選出能夠在廢水中生長(zhǎng)并且能夠有效分解有機(jī)物質(zhì)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(guò)酵母菌對(duì)廢水中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分解和利用，從而降低廢水中的COD，來(lái)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化［22］。

酵母菌廢水處理的工藝與采用活性污泥進(jìn)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(jìn)入沉降池，利用酵母菌體的自然沉降實(shí)現(xiàn)固液分離，上清液進(jìn)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(dá)到90%～95%，再增加一個(gè)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(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排放［23］。酵母菌廢水處理技術(shù)的處理負(fù)荷高，需要場(chǎng)地小，產(chǎn)生污染少，后續(xù)處理方便，并且操作過(guò)程無(wú)需無(wú)菌操作，相比于酵母生產(chǎn)法，投資更少［1，24］。

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

在國(guó)內(nèi)，對(duì)酵母菌廢水處理技術(shù)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(guān)研究，進(jìn)行了連續(xù)的小試實(shí)驗(yàn)，從高濃度的味精廢水中篩選出了能夠適應(yīng)高濃度味精廢水環(huán)境的酵母菌混合菌群，設(shè)計(jì)了酵母菌——活性污泥處理工藝。研究結(jié)果表明，高濃度的氨氮和硫酸鹽的環(huán)境對(duì)酵母菌混合菌群的活性沒(méi)有顯著影響；在28℃，溶解氧為4 mg/L條件下，COD容積負(fù)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(xì)胞蛋白，可以回收作飼料添加劑。楊清香等［27］也從味精廠(chǎng)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(guò)生理生化實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)調(diào)研對(duì)這兩株酵母菌株進(jìn)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(chǎng)廢水中篩選出了5株酵母菌株，混合培養(yǎng)后對(duì)色拉油廢水進(jìn)行處理，色拉油去除率可達(dá)98%以上，COD去除率達(dá)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(duì)石油類(lèi)廢水降解率較低，而對(duì)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(shì)

為了提高酵母菌廢水處理的效果，越來(lái)越多的技術(shù)手段被應(yīng)用：

（1）利用基因工程技術(shù)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(shù)，將能夠降解脂肪的脂肪酶基因?qū)虢庵辖湍?，成功表達(dá)脂肪酶，可去除90%以上的油脂和COD?；蚬こ碳夹g(shù)的不斷發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)酵母菌的遺傳學(xué)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(cè)序工作處于初始階段，沒(méi)有清晰的遺傳學(xué)背景，遺傳操作平臺(tái)不成熟。因此，采用基因工程技術(shù)改造菌株仍需深入研究。

（2）采用混合菌群進(jìn)行污水處理，相互協(xié)作，利用不同菌種的酶系來(lái)進(jìn)行降解，有效去除廢水中的不同有機(jī)物。凌云等［32］用酵母菌和光合細(xì)菌共同處理皂素廢水，其COD總?cè)コ士蛇_(dá)到87.2%，而單獨(dú)使用時(shí)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(zhì)也不同。相對(duì)于只是用單獨(dú)一種微生物，混合菌群能夠分解更多的有機(jī)物質(zhì)，凈化水質(zhì)，有更好的廢水處理效果。

（3）隨著微生物固定化技術(shù)的發(fā)展，其在廢水處理方面的應(yīng)用成為了一個(gè)新熱點(diǎn)。酵母菌種在培養(yǎng)過(guò)程中，如果可以利用的有機(jī)物較少，會(huì)出現(xiàn)自溶現(xiàn)象，若不及時(shí)回收，會(huì)造成二次污染。而且某些菌株能形成較輕的假分枝，導(dǎo)致沉降困難，排出的水中含有大量的菌絲體。固定化技術(shù)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(jié)語(yǔ)

酵母菌作為廢水處理中的一種珍貴的資源，具有生長(zhǎng)繁殖快、代謝旺盛、耐酸、耐高滲透壓和擁有特殊酶系等特點(diǎn)。酵母菌在廢水處理中的應(yīng)用不僅能夠進(jìn)行水質(zhì)凈化，還能夠生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白和微生物油脂，實(shí)現(xiàn)了資源的回收，是一種可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)，具有廣闊的前景。雖然我國(guó)相關(guān)研究起步較晚，但是也取得了一定的進(jìn)展。為了酵母菌廢水處理的廣泛使用，應(yīng)該進(jìn)行更多方面的研究：充分利用基因工程技術(shù)改造酵母菌株，獲得優(yōu)良菌株，同時(shí)研究在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)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(duì)廢水處理的效果，生產(chǎn)出廢水處理菌群產(chǎn)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(jì)劃項(xiàng)目（2015-3-003）

趙秀文（1989-），女，碩士，研究方向?yàn)槭称钒l(fā)酵技術(shù)。

鄭玉芝（1965-），女，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)槭称芳庸づc檢測(cè)。