微生物絮凝剂在食品工业中的应用进展

叶永丽，扈晓鹏，高旭东，陈士恩

微生物絮凝剂在食品工业中的应用进展

叶永丽，扈晓鹏，高旭东，陈士恩*

（西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃兰州730030）

微生物絮凝剂是一类由微生物产生的具有絮凝活性的天然高分子有机物，具有安全、高效、可生物降解等优点。主要介绍了微生物絮凝剂的絮凝机理及其在食品工业中废水处理、浑液分离、固液分离等几个方面的应用，并对微生物絮凝剂今后的发展进行了展望。

微生物絮凝剂；絮凝机理；应用进展；废水处理

絮凝剂是一种通过物理或者化学方法使液体中不易沉降的固体悬浮颗粒凝聚沉降的物质[1]。絮凝剂常分为有机合成高分子絮凝剂、无机絮凝剂、天然高分子絮凝剂或生物絮凝剂，天然高分子絮凝剂包括微生物絮凝剂和植物改性高分子絮凝剂[2-3]。但使用化学合成絮凝剂会产生含有大量金属和非生物降解材料的化学污泥，其安全性和成本很难保证。据研究调查，一些传统的无机和合成有机高分子絮凝剂有引起或促进阿尔茨海默氏症、神经毒性和癌症的效应[4]。在寻求解决这些问题的过程中，微生物絮凝剂以其明显的优势迅速成为优良絮凝产品的研究热点。

微生物絮凝剂（microbial flocculant，MBF）是一类由微生物（如细菌、酵母、霉菌、放线菌等）在特定培养条件下产生的，具有絮凝活性的代谢产物，通过发酵、提取、精制等生物技术手段得到的可生物降解及具有安全性高、高效低成本的无毒水处理剂[5]。根据絮凝剂来源的不同，微生物絮凝剂主要分为3类[6]：直接利用微生物细胞的絮凝剂、利用微生物细胞提取物的絮凝剂和利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂。由于可以克服无机高分子和有机高分子絮凝剂自身的不足，具有高效、无二次污染、安全无毒性、原料来源广泛等的优点[7-8]，近些年来微生物絮凝剂的研究应用范围越来越广，如供水、焦化、建材、染料、纺织、造纸、食品生产等行业[9-11]。在食品行业中，微生物絮凝剂可以用于废水处理、生产过程中的混液澄清以及固液分离等方面。

1 微生物絮凝剂的絮凝机理

有关微生物絮凝剂的絮凝机理研究工作者先后提出过很多学说，主要有以下几种，而目前普遍接受的是“桥联”作用机理学说。

1.1 “桥联”机理学说

微生物絮凝剂作为一类高分子化合物，不但具有线性结构，而且具有可与颗粒表面的某些部位起作用的化学基团，当微生物絮凝剂与颗粒接触，基团便与颗粒表面产生特定的反应而相互吸附，而微生物絮凝剂其余部分则暴露在溶液中，与另一个颗粒继续接触吸附，这便起到了架桥连接的作用[6]。即该学说认为的絮凝剂大分子借助离子键、氢键、范德华力，同时结合多个颗粒分子，在颗粒之间产生“中间桥联”，从而形成网状的三维结构而把这些颗粒联结在一起而沉淀下来。这一机理可对大多数的微生物絮凝剂引起的絮凝现象作出解释。

1.2 “电性中和”学说

该学说认为胶体颗粒表面对异种离子有强烈的吸附作用，相反电荷的聚合电解质可以减少颗粒表面电荷的密度，使得水中颗粒相互之间充分接近，进而使吸引力变得更加有效。在条件适宜的情况下会迅速形成网状结构而使颗粒沉淀下来。这一学说可以解释pH值、离子强度、温度、二价阳离子等因素对絮凝剂絮凝活性的影响[12]。

1.3 “化学反应”学说

生物大分子中某些活性基团与被絮凝物质相应的基团发生了化学作用，聚集成较大的分子而沉淀下来，通过对生物大分子改性、处理，使其添加或丧失某些活性基团，其絮凝活性就大受影响。有研究者认为这些絮凝剂的絮凝活性大部分依赖于活性基团。温度影响絮凝效果，主要是通过影响其化学基团活性从而影响其化学反应的[13]。

此外，还有其他一些絮凝机理学说，如扫卷作用、网捕作用、粘质说、聚-β-羟丁酸（poly-β-hydroxybutyricacid，PHB）酯合学说、菌体外纤维素纤丝学说等也可解释一些絮凝现象。但一定程度上存在局限性，絮凝机理并非是单一的学说，而是在某一条件下以某一机理为主。王琴等[14]认为复合微生物絮凝剂的絮凝过程涉及吸附、中和和化学键合机理。

2 微生物絮凝剂在食品工业上的应用

2.1 废水处理

2.1.1 废水除浊

无机和有机絮凝剂广泛应用于污水脱泥和水净化处理。无机絮凝剂主要分铁盐类和铝盐类两个大类，其中，铝盐中的铝离子具有神经毒性，经铁盐处理过的水带有颜色，人体摄入高价态铁容易形成高铁血红蛋白。人工合成的有机高分子絮凝剂如聚丙烯酰胺等虽与无机絮凝剂相比更具优势，但一些高分子絮凝剂单体具有毒性，且在环境中难以降解。与无机或有机合成高分子絮凝剂相比，微生物絮凝剂由于其安全、无毒的特性而逐渐应用于食品生产厂废水的处理过程中。许多研究表明，其处理废水效果显著，处理后的沉淀物和废水可再次综合利用。

陈烨等[15]用硅酸盐细菌GY03菌株所产生的高效絮凝剂在pH为8.5，废水与絮凝剂体积比为8∶1的条件下静置处理啤酒厂废水8h。结果显示，沉降处理后啤酒废水的悬浮物（suspendedsubstance，SS）、生化需氧量（biochemical oxygen demand，BOD5）及化学需氧量（chemical oxygen demand，CODCr）的去除率分别为93.59%、77.40%和70.52%，效果明显要比化学合成絮凝剂好。杨常凤等[16]自制微生物絮凝剂处理酱油废水，在pH值6～8，投加量4mL/L时，COD去除率约70%，且当与其他絮凝剂复配时，COD去除率明显提高。复合微生物絮凝处理红薯淀粉厂中高浓度有机废水，絮凝率可达97%，其COD去除率达65%，处理后的废水还可再生产红薯淀粉或用于农田灌溉，沉淀物中富含蛋白质，故还可制作高级饲料用于水产养殖[17]。PATIL S V等[18]在对从Azotobacter indicusATCC 9540菌株中所产胞外多糖（exopolysaccharides，EPS）特性研究的基础上，调查探讨了该特殊EPS对乳制品、淀粉以及制糖业中废水处理的絮凝效果（见表1）。生物聚合物使用量为500mg/L时，废水中的生化需氧量（38%～80%）、化学需氧量（37%～79%）和悬浮物（41%～68%）均有不同程度的下降。

表1 EPS处理前后的水质参数分析Table 1 Analysis parameters of water quality before and after EPStreatment

2.1.2 废水脱色处理

目前的废水处理技术虽可大大降低废水中的BOD、COD等含量，但对于废水脱色这一方面尚缺乏行之有效的方法，特别是可溶性色素溶液的脱色处理[19]。微生物絮凝剂处理有色废水可有效地凝聚水溶性色素，对一些用高分子絮凝剂难以除去的着色物质也有很好的脱色效果。

甘蔗糖蜜是甘蔗榨糖后所得的副产物，呈黑褐色、黏状、半流动液体，即俗称的“桔水”。国内外对糖蜜酒精废水脱色处理的研究取得了一定的发展。由于各种水溶性色素物质尤其是类黑精的存在，酒厂废水经厌氧处理后有可能会重新形成新的有色物质而致使废水色泽加深。此外废液中还含有大量悬浮物以及浓度较高的蛋白质、糖类等有机质，直接排放至环境中会对土壤肥力和水质产生严重影响。YADAV S等[20]在确定Proteus mirabilis、Bacillussp.、Raoultella planticola、Enterobacter sakazakii4种菌株最佳复合比例的基础上，进一步研究了其生长营养条件和培养条件对脱色效果的影响。实验表明，该4种菌株（4∶3∶2∶1）在碳源1.0%、氮源0.1%、培养温度（35±0.1）℃、pH7.0条件下180r/min摇床培养10d后其糖蜜类黑精的脱色率可高达75%，COD去除率为71%。范艳霞等[21]将采用富集培养技术从糖厂内循环（internal circulation，IC）反应器活性污泥中得到的菌群用于糖蜜酒精废水脱色处理，并探讨了微生物对糖蜜酒精废水的脱色条件，包括糖蜜废水浓度、不同废水组分、初始pH、温度以及培养时间5因素，并在此基础上进一步分析了脱色过程中细菌菌落结构。结果显示，菌群在10%（v/v）废水中添加适量的碳源、氮源和其他营养物质，并调节pH7.0，于37℃培养7d后废水脱色率可达46.2%，同时COD去除率为38.5%。微生物处理糖蜜酒精废水脱色是一个比较复杂的生化过程，微生物的组成结构和生长情况决定了处理效果的好与坏，因而在应用过程中对微生物的生长条件控制是关键问题之一。目前有关利用微生物对食品工业废水脱色的研究与分析尚少见，对于微生物的脱色机理也缺乏详尽的论述。

2.1.3 废水中油水分离处理

食品行业的含油废水主要是餐饮业、食品生产厂、食用油生产行业等未经处理而排放的废水，含油废水对环境、生态平衡和人体健康均有危害。目前处理含油废水的技术主要分3类：化学法、物理法及生物法。化学法易产生二次污染，物理法虽对环境无危险，但处理周期长、成本高、经济效益低。生物法成本低，且无二次污染，是国内外油脂废水处理研究的热门技术。

含油废水中的油脂为微生物的生存提供了能源和碳源，而微生物代谢产生的脂肪酶稳定性较好，水解效率高，经过复杂的生化反应可以将油脂彻底氧化分解。已筛选出的可有效降解油脂的微生物主要有需氧的细菌、真菌和酵母。CHIGUSA K等[22]采用9株混合酵母菌处理豆油废水，获得了较好的效果，其对COD、BOD、豆油三者的去除率均维持在93%以上。吕文洲等[23]利用筛选到的6株酵母菌对高浓度含油的色拉油废水进行连续试验。结果显示，进水CODCr含量约12 000mg/L，油含量约3 500mg/L，BOD5-yeast负荷1.0～2.5kg/（kg·d）条件下，CODCr和油的去除率分别为87.1%～97.3%、92.9%～99.8%，除油效果非常显著。但连续运行会有潜在的酵母菌种类和形态发生变化、污泥膨胀和菌株数量减少等现象，因而BOD5-yeast负荷应控制在1.0～1.5kg/（kg·d）范围内。黄立志等[24]研究了在某餐馆排污渠污泥中筛选的油脂降解菌株对油脂、含油脂废水和固体废弃物的降解条件及规律，探索了所得优势菌株降解油脂的可行性。通过以花生油作为唯一碳源驯化得到1株优势菌株，在最适生长条件培养的基础上，以该菌株处理花生油（花生油、CODCr初始质量浓度分别为700mg/L、1 012.93mg/L）24h，结果发现花生油和CODCr的降解率分别可达到98.91%、97.27%；处理餐厅污水时，油脂在30h内可降解88.66%，CODCr的降解率也达85.42%；对固体油脂膜的降解速度虽较慢，但30d的降解率与自然条件下降解相比提高了13倍，显示了其对固体油脂较高的降解速率。

2.2 制糖业中的浑液澄清

糖液澄清工序是制糖工艺流程中的重点，其处理的好与坏关系到成品的质量，影响着生产厂家的经济效益。怎样提高蔗糖的精度及纯度是整个制糖行业所面对的问题。传统制糖工艺中均需要加入絮凝剂来提高其澄清效率，所以絮凝剂在制糖业中具有非常重要的地位。无机或有机高分子絮凝剂有一定的处理效果，但其在使用过程中的不安全性以及存在的研究和应用局限性越来越受人们的重视。石灰和二氧化硫是糖厂常用的澄清剂，两者的使用均与pH的高低有关，由于石灰本身杂质多，若pH控制不当，清汁中残留的灰分会越来越多，热面积垢增加，白糖产率降低；而以二氧化硫作澄清剂时，pH值和温度越高，还原糖遭破坏越多，且物料的色值也会增加。此外还有亚硫酸法、碳酸法、离子交换树脂法、聚合电解质法、气浮法、加表面活性剂、活性炭等方法，这些方法均存在某些不足之处，如成本高难投入使用、滤出物难处理、清汁中易混入重金属等。故亟需寻找开发无毒、无二次污染且处理效率更高的制糖用絮凝剂。微生物絮凝剂具备这样的优点且还具有一定的去污和脱色能力，故可将其应用到制糖生产中。

吴春兰等[25]利用马铃薯琼脂培养基和牛肉汁培养基培养的复合微生物絮凝剂处理糖厂蔗汁，不但可以提高其絮凝的速度，降低泥底高度，而且与糖厂普遍采用的聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）相比，蔗汁纯度更高。在蔗汁脱色方面，微生物絮凝剂脱色效果也比PAM处理的效果要好。李楠等[26]从污水处理厂的活性污泥中分离得到1株对蔗汁进行絮凝沉淀和脱色效果均良好的霉菌。其结果表明，该霉菌在分别以葡萄糖、牛肉膏为碳源、氮源，调节pH 6.0，28℃、140r/min摇床培养4d后处理蔗汁效果最佳，絮凝率达69.2%，清汁色值为87.4。除了在制糖业上有少量相关报道外，微生物在其他汁液澄清工艺中的应用极少或几乎没有报道，若要扩大其使用范围，必须对微生物的絮凝机理及具絮凝活性的组分有更深入的研究和认知。

2.3 发酵制品的固液分离

在发酵制品生产过程中，菌体细胞和细胞残留碎片分离是发酵液后处理的第一步，是不可缺少的工艺程序。发酵液中除含有菌体细胞及其碎片外，还含有蛋白质和胶状物质等，这些杂质若不除去，则会对后续的加工提取产生不良影响。发酵液常呈胶体状态，传统的过滤分离方法处理存在困难，如劳动强度大，效率低且有可能对设备造成损坏，过滤操作无法正常进行等[6]。另外，离心法也可用于发酵液的分离，但设备投资大，生产成本高。微生物絮凝剂对大多数的微生物细胞具有絮凝作用，包括放线菌、细菌、真菌及藻类等，故可以取代传统工艺用于食品生产中细胞和其他物质的分离，降低残留物对产品品质的影响及潜在的安全问题。

采用微生物絮凝技术和其他常规方法相结合，可有效去除发酵液的细胞及固形颗粒，既可降低或避免其他方法带来的高能耗、操作繁琐和管理不便等的影响。如张晶等[13]认为在乙醇酵母液中加入Ca2+和NOC-1絮凝处理有利于后续的过滤操作。在酿酒工业中，可用具有絮凝性能的酵母替换无絮凝特性的酵母，既有分离的作用，又可获得更高质量的啤酒。此外，在生物乙醇和面包发酵酵母的生产中亦可用微生物絮凝剂来达到固液分离的良好效果，缩短处理时间，并通过沉降除去不稳定物质以保证产品质量[27]。

3 展望

作为新一代絮凝产品，微生物絮凝剂以其在食品工业废水处理方面具有传统絮凝剂难以取代的优势使其在环保和生产应用中受到越来越多的关注。随着复合菌群培养技术、基因工程技术、生物流化床等[6]一系列新技术、新方法和新工艺在生物工程中得到应用，使得微生物絮凝剂的功用不断增强，处理效果也日渐提高，并使其逐渐从实验室研究走向实际生产成为可能。

但从目前已有的报道来看，扩大其在食品工业中的应用范围以及真正实用化，仍需对微生物絮凝剂有更深入的研究，如：继续寻找培养产絮凝剂菌种的廉价替代培养基，尽可能降低生产成本；对选育条件进行优化，筛选高产高效菌株；更深层次研究絮凝剂产生菌的代谢规律和絮凝作用机理；根据优势互补的思路，合理研究利用复合型微生物絮凝剂；采用基因和生物工程技术等手段提高微生物絮凝剂的絮凝活性；将微生物絮凝剂推广到更多行业，使其生产实现规模化，真正脱离实验室研究的限制[28-31]。

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Application progress of microbial flocculant in food industry

YE Yongli,HU Xiaopeng,GAO Xudong,CHEN Shien*
(College of Life Sciences and Engineering,Northwest University for Nationalities,Lanzhou 730030,China)

Microbial flocculant,with advantages of safety,high efficiency,biodegradability,is one of the natural macromolecular organic compounds created by microorganisms.The microbial flocculant mechanism and the application of flocculating agent in food industry were introduced in this paper,including wastewater treatment,fluid separation and solid-liquid separation.The development prospect was made as well.

microbial flocculant;flocculant mechanism;application progress;wastewater treatment

TS202.3

A

0254-5071（2014）04-0001-04

10.3969/j.issn.0254-5071.2014.04.001

2014-03-09

现代农业生产发展资金（甘财农[2012]323号）

叶永丽（1990-），女，硕士研究生，研究方向为食品安全与品质控制。

*通讯作者：陈士恩（1964-），男，教授，本科，研究方向为食品安全与品质控制。