微生物利用食品工業(yè)廢水發(fā)酵產(chǎn)油脂的研究進(jìn)展

1、2013年12月第28卷第12期中國糧油學(xué)報(bào)JournaloftheChineseCerealsOilsAssociationVol28，No12Dec.2013微生物利用食品工業(yè)廢水發(fā)酵產(chǎn)油脂的研究進(jìn)展王斐羅登林劉建學(xué)(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，洛陽471003)摘要食品工業(yè)廢水中含有大量的有機(jī)物，直接排放會引起水體的富營養(yǎng)化，而一些微生物則可利用這些廢水中的糖類、含氮物質(zhì)等發(fā)酵生產(chǎn)生物柴油和多不飽和脂肪酸，既能減少環(huán)境污染，又

2、可實(shí)現(xiàn)廢物的高值化利用。首先介紹了產(chǎn)油微生物的分布和微生物的產(chǎn)油機(jī)理，分析了食品工業(yè)中各種廢水的營養(yǎng)特點(diǎn)，概述了近年來國內(nèi)外利用食品工業(yè)廢水發(fā)酵產(chǎn)油脂的研究現(xiàn)狀，討論了目前微生物利用食品工業(yè)廢水發(fā)酵產(chǎn)油脂過程中存在的問題，并對今后發(fā)展提出了一些建議。關(guān)鍵詞微生物食品工業(yè)廢水發(fā)酵油脂中圖分類號:Q89文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1003－0174(2013)12－0124－05收稿日期:2013－03－04作者簡介:王斐，男，1986年出生，

3、碩士，應(yīng)用微生物學(xué)通訊作者:羅登林，男，1976年出生，副教授，博士，食品科學(xué)與工程微生物油脂又稱單細(xì)胞油脂，即微生物(酵母、霉菌、細(xì)菌等)在一定條件下，以碳水化合物、碳?xì)浠衔锖推胀ㄓ椭茸鳛樘荚?、氮源，輔以無機(jī)鹽生產(chǎn)的油脂和另一些有商品價值的脂質(zhì)，其主要成分是三酰甘油、游離的脂肪酸和一些其他脂類［1－2］。與依賴動物和油料植物獲取油脂的傳統(tǒng)方法相比，微生物油脂具有可連續(xù)生產(chǎn)、生產(chǎn)周期短、不受季節(jié)和氣候的影響、原料來源廣泛和產(chǎn)品高值化

4、潛力大等優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景［3－4］。微生物油脂的工業(yè)化生產(chǎn)首先要解決碳源的成本問題。葡萄糖已被證明是良好的碳源，但價格較高［5］。一些廉價的有機(jī)物如木質(zhì)纖維素、粗甘油、幾丁質(zhì)和食品廢水等，也被證明是可以利用的碳源，其中木質(zhì)纖維素水解液和食品工業(yè)廢水已成為研究熱點(diǎn)。木質(zhì)纖維素分布廣泛，成分低廉，但必須轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵性糖才能被微生物利用，預(yù)處理成本較高［6］而食品工業(yè)廢水排放量大、可發(fā)酵性糖含量高，且含有微生物生長必須氮、磷的化合

5、物等物質(zhì)，較易被微生物利用［7］。食品工業(yè)廢水如果直接排放，對環(huán)境的污染非常嚴(yán)重，尤其會造成水體的富營養(yǎng)化，破壞水體的自凈能力［8］。如果能讓微生物利用食品工業(yè)廢水發(fā)酵產(chǎn)油脂［9］，做到變廢為寶，對環(huán)境保護(hù)及循環(huán)經(jīng)濟(jì)都有積極意義。因此，對微生物利用食品工業(yè)廢水發(fā)酵產(chǎn)油脂的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述及分析，針對研究過程中的一些問題提出了建議，并對工業(yè)化前景進(jìn)行了展望。1常見產(chǎn)油微生物種類分布及油脂合成機(jī)理細(xì)菌、酵母、霉菌、微藻均能產(chǎn)生油脂，由于細(xì)

6、菌生物量和產(chǎn)油量都比較小，目前國內(nèi)外的研究以酵母、霉菌和微藻為主。常見產(chǎn)油微生物的分布及最大油脂含量見表1。表1常見產(chǎn)油微生物的分布及最大油脂含量微生物種類產(chǎn)油微生物名稱及最大產(chǎn)油量酵母菌膠黏紅酵母72%、短四孢油脂酵母67%、紅冬孢酵母66%、淺白色隱球酵母65%、產(chǎn)油油脂酵母63%、斯氏油脂酵母63%等細(xì)菌節(jié)桿菌＞40%微藻叢粒藻＞40%、鹽生杜藻＞40%、粉粒小球藻＞40%等霉菌深黃被孢霉86%、柔毛棒質(zhì)霉75%、卷枝毛霉65%等

7、由于微生物油脂的諸多優(yōu)點(diǎn)和廣泛應(yīng)用，產(chǎn)油微生物的誘變選育及工業(yè)化應(yīng)用開發(fā)已成為微生物學(xué)和食品科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。PapanikolaouS等［10］報(bào)道利用深黃被孢酶進(jìn)行高濃度糖發(fā)酵(初始糖質(zhì)量濃度達(dá)100gL)，油脂產(chǎn)量達(dá)到181gL在多重碳源利用方面，中科院大連化物所實(shí)驗(yàn)室篩選出的4株產(chǎn)油酵母能同時轉(zhuǎn)化葡萄糖、木糖和阿拉伯糖為油脂，菌體含油量超過其干質(zhì)量的55%。在工業(yè)化生產(chǎn)方面，2000年武漢烯王生物工程有限公司已采用微生物發(fā)酵法

8、生產(chǎn)富含AＲA(花生四烯酸)油脂［11］。為了進(jìn)一步提高微生物油脂的產(chǎn)量，首先要弄清楚微生物的產(chǎn)油機(jī)理，產(chǎn)油酵母油脂積累代謝調(diào)控途徑簡圖如圖1所示。由圖1結(jié)合國內(nèi)外的研究，油脂合成的機(jī)理可分為4個環(huán)節(jié)［12］:(1)2個前體乙酰CoA和3－磷酸中國糧油學(xué)報(bào)2013年第12期發(fā)酵產(chǎn)油，在培養(yǎng)35h，稀釋率為25%時，生物量達(dá)到11gL，油脂得率為46%，碳氮比約為50的條件下，培養(yǎng)基利用率為48%的生物量，油脂得率為22%。提取到的脂肪主

9、要是油酸和棕櫚酸。313利用發(fā)酵工業(yè)廢水發(fā)酵產(chǎn)油郭書賢等［19］以啤酒生產(chǎn)廢水及添加一定的營養(yǎng)因子為培養(yǎng)基，采用單因素和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對斯達(dá)油脂酵母發(fā)酵產(chǎn)油脂和COD降解的培養(yǎng)基進(jìn)行了優(yōu)化，并利用氣相色譜分析比較了茵體油脂的脂肪酸組成。結(jié)果表明，生物量和油脂產(chǎn)量比優(yōu)化前分別提高了13798%和11782%，所產(chǎn)茵體油脂的不飽和脂肪酸指數(shù)達(dá)到6395%，其中油酸的相對含量高達(dá)5629%，比優(yōu)化前提高了545%，優(yōu)化效果顯著。曹海等［20］研

10、究了普通小球藻在未處理啤酒廢水及改良啤酒廢水中的生長及積累油脂特性，并優(yōu)化了改良啤酒廢水培養(yǎng)小球藻的營養(yǎng)鹽組成。利用改良的啤酒廢水培養(yǎng)小球藻可同時實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢水的資源化利用與降低微藻培養(yǎng)成本的雙重目的，具有潛在的應(yīng)用前景。周穩(wěn)穩(wěn)等［21］對利用酒精廢水培養(yǎng)圓紅冬孢母進(jìn)行研究，結(jié)果表明適宜處理?xiàng)l件為:進(jìn)水COD濃度為廢水原液的12，pH值自然，發(fā)酵時間為96h，接種量為5%該條件下可使酒精廢水COD的去除率達(dá)723%，菌體油脂含量為319%

11、，油脂成分主要為C15－C18的脂肪酸，適合生產(chǎn)生物柴油。對圓紅冬孢酵母進(jìn)行馴化，馴化后廢水COD降解率達(dá)到(75908)%，菌體油脂含量達(dá)到(39844)%。314利用淀粉廢水發(fā)酵產(chǎn)油杜娟等［22］研究了廢水預(yù)處理方式及添加營養(yǎng)因子對產(chǎn)油菌株FＲ在甘薯淀粉廢水中生長、產(chǎn)油及COD去除的影響，發(fā)現(xiàn)不經(jīng)稀釋的廢水發(fā)酵效果優(yōu)于稀釋后的效果，采用淀粉酶液化處理、添加碳氮比、添加Mn2均能夠促進(jìn)菌株FＲ生長、產(chǎn)油和COD去除，淀粉酶液化處理后的

12、產(chǎn)油率可達(dá)453%，淀粉酶和糖化酶先后處理后的COD去除率可達(dá)663%，而Mg2的加入可以提高生物量。JumeiZ等［23］研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯廢水經(jīng)酶處理后，作為一種低碳高氮的培養(yǎng)基，很適合絲孢酵母產(chǎn)油，批量發(fā)酵試驗(yàn)表明，在沒有任何其他添加物的情況下，油脂產(chǎn)量能達(dá)到96gL，油脂得率能達(dá)到356%，這為生物質(zhì)能源的開發(fā)提供了新思路。315利用漁業(yè)廢水發(fā)酵產(chǎn)油張博等［24］以魚油廢水為培養(yǎng)基，研究了斯達(dá)式油脂酵母HL發(fā)酵生產(chǎn)微生物油脂的效果

13、及影響因素。結(jié)果表明，添加20gL的葡萄糖，初始pH值為4時，生物量高達(dá)1762gL，油脂產(chǎn)量達(dá)271gL，COD及蛋白質(zhì)去除率分別為4344%和9115%。所產(chǎn)油脂中脂肪酸主要成分為肉豆蔻酸和棕櫚酸。316利用味精廢水發(fā)酵產(chǎn)油邢旭等［25］研究了黏紅酵母利用味精廢水生產(chǎn)微生物油脂，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將廢水稀釋4倍、調(diào)節(jié)pH至55時，菌株可以較好地生長而添加廢葡萄糖母液、酵母粉、KH2PO4、MgSO4、MnSO4等均能夠促進(jìn)菌體的生長、產(chǎn)油和

14、廢水中的COD去除，在250mL搖瓶中，高油脂生物量達(dá)到156gL，油脂產(chǎn)率在30%左右，同時COD去除率約50%。苗金鑫等［26］研究了在味精廢水中混合培養(yǎng)黏紅酵母和鈍頂螺旋藻，并用來生產(chǎn)油脂。將COD(化學(xué)需氧量)為32000mgL的味精廢水稀釋5倍，pH值調(diào)節(jié)到55，接種10%的黏紅酵母，培養(yǎng)3d后接種10%的螺旋藻，培養(yǎng)5d后COD降解率為703%，油脂產(chǎn)量為216mgL，分別是黏紅酵母單獨(dú)培養(yǎng)的175倍和542倍，螺旋藻單獨(dú)培

15、養(yǎng)的236倍和754倍。混合培養(yǎng)同時也有利于廢水中還原糖以及谷氨酸的去除。朱永強(qiáng)等［27］研究發(fā)現(xiàn)，可以利用啤酒酵母和黏紅酵母混合發(fā)酵產(chǎn)油脂，因?yàn)槲毒珡U水中高濃度的NH4能抑制微生物油脂的合成，而釀酒酵母可以很好地降低NH4濃度，同時還能提高黏紅酵母的生物量及油脂產(chǎn)率，并縮短發(fā)酵時間。32生產(chǎn)多不飽和脂肪酸隨著研究的深入，利用食品廢水生產(chǎn)單一的具有高附加值的多不飽和脂肪酸已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。王宏勛等［28］研究了以馬鈴薯淀粉廢水為生產(chǎn)

16、含γ－亞麻酸(GLA)的發(fā)酵條件。結(jié)果表明，刺孢小克銀漢霉菌株能有效利用馬鈴薯淀粉廢水合成GLA，最佳碳源為蔗糖，最佳氮源為(NH4)2SO4，最佳CN為100∶1。在最佳條件下發(fā)酵培養(yǎng)7d，廢水的COD去除率達(dá)到1921%，生物量達(dá)到2053gL，菌絲體中粗油量為391gL，產(chǎn)油率為1903%，GLA產(chǎn)量為68010mgL。戴傳超等［29］為探討用豆制品廢水生產(chǎn)花生四烯酸(AA)和二十碳五烯酸(EPA)，研究了不同培養(yǎng)時間、碳源濃度、