利用大豆乳清廢水生產SCP的研究

喻 東，蘇 建，高 陪，沈 競，孫啟玲

四川大學生命科學學院生物資源與生態環境教育部重點實驗室，成都610064

利用大豆乳清廢水生產SCP的研究

喻 東，蘇 建，高 陪，沈 競，孫啟玲*

四川大學生命科學學院生物資源與生態環境教育部重點實驗室，成都610064

以大豆乳清廢水為原料，通過對產朊假絲酵母的培養，使大豆乳清廢水中的營養成分被酵母菌吸收利用，從而使菌體生長繁殖產生單細胞蛋白。單細胞蛋白(SCP)產量為8.7 mg/mL，蛋白含量為51.3%;且廢水COD去除率達到73.4%，達到了國家乳清廢水的標準，從而實現了廢水資源化利用的目的。

大豆乳清廢水;酵母菌;單細胞蛋白;蛋白含量

由于目前國際市場魚粉價格的不斷上漲，對國內飼料工業及畜牧業有著較大的沖擊。魚粉作為優質的動物蛋白飼料，粗蛋白質含量一般在45%以上，高的可達60%以上。它的作用是構成動物體各種組織，維持正常代謝、生長、繁殖和生產各種產品所必需的營養物質。因而，尋找廉價的替代品就成為解決目前國內飼料工業及畜牧業困境的一條重要途徑。

酵母菌具有適應性強、生長快等特點，其細胞內含豐富蛋白質、脂肪和核酸等物質，宜于工業化生產開發，是生產單細胞蛋白的常用菌種，所生產的單細胞蛋白是良好的動物飼料。由于酵母菌的生長對培養條件要求較低，產量較高。另外，隨著大豆蛋白加工行業的快速發展，其生產過程排放的高濃度有機廢水水量也在增加。據統計，每加工1 t大豆將排放2～5 t乳清廢水，廢水中可生物降解的有機物質量濃度(生物耗氧量，BOD)在8000 mg/L以上［1-2］。另外，大豆乳清廢水含有大量的蛋白質、低聚糖等天然有機物，是生產單細胞蛋白(SCP)的良好原料。利用大豆蛋白生產工藝排出的高濃度乳清廢水進行SCP生產，在回收SCP產生良好經濟效益的同時，可大幅度削減大豆乳清廢水的COD質量濃度，降低后續廢水的處理費用以及甲烷和CO2的排放量。因此，可用它來處理豆制品生產廢水，并可獲得單細胞菌體蛋白，這樣不僅使廢棄物得到利用，還能解決環境污染問題，對中小豆制品加工生產企業具有一定的實際價值。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 大豆乳清廢水

大豆乳清廢水取自當地某大豆蛋白生產企業，其水質分析結果如表1所示。該廢水COD質量濃度高達12236 mg/L，可生化系數(COD/BOD5，簡寫為B/C)大于0.6，是微生物生長的良好底料。廢水的pH值偏酸性，水溫適中，氮素營養充分，可滿足酵母菌增殖過程對各種營養的需求。

1.1.2 酵母菌種的篩選與來源

以大豆乳清廢水為培養基對實驗室現有的酵母菌種進行了篩選，包括白地霉(Geotrichum candidum Link)、產朊假絲酵母(Candida utilis)、熱帶假絲酵母(Candida tropica Lis)、解脂假絲酵母(Candida lipolytica var.Lipolytica)、扣囊復膜孢酵母(Saccharomycopsis fibuligera)、微球酵母(Lievitopalla adessere volatili)、啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)和生香酵母。白地霉水解蛋白能力強，環境適應能力好;產朊假絲酵母可以利用紙漿、蜜糖、土豆淀粉廢料和木材水解液，除了可以有效利用各種單糖和低聚糖之外，還可以分解纖維素一類的大分子物質;熱帶假絲酵母降解轉化玉米粉和烴類有機物較強，可利用各種糖類滿足自身生長的需要;解脂假絲酵母分解脂肪和蛋白質的能力都很強;扣囊復膜孢酵母能有效地利用淀粉和蛋白質作為能源和氮源，同時還具有降解轉化其他多種天然有機物的能力［3，4］。

表1 大豆乳清廢水水質Table 1 The composition of soybean whey wastewater

1.2 實驗方法

1.2.1 種子培養

菌種活化:挑取保藏于冰箱中的斜面菌種，接種于YEPG斜面培養基(2%葡萄糖，2%蛋白胨，1%酵母膏，2%瓊脂)上，在隔水式培養箱中28℃培養36 h活化;傳代，備用。

種子培養:從YEPG培養基上挑取酵母單菌落，接種于YEPG液體培養基中，于28℃、180 r/min搖床培養，繪制其生長曲線，確定種子培養時間。

1.2.2 SCP生產實驗

1.2.2.1 種子培養

將通過種子培養獲得的種子液，在3000 r/min離心10 min，收獲的菌體用生理鹽水洗滌1次后，以生理鹽水稀釋，制備成一定濃度的菌懸液，備用。

1.2.2.2 SCP培養

取自然澄清的大豆乳清廢水(未經滅菌處理) 100 mL置于500 mL搖瓶中，調節 pH值分別為4.0、5.0、6.0和7.0;接種菌懸液，用富氧膜封口;在搖床中于28℃、180 r/min培養24 h。

1.2.2.3 檢測方法

生物量:離心收集菌體，105℃烘干;蛋白含量:凱氏定氮法;

2 結果與分析

2.1 適合乳清廢水菌株的篩選

表2 不同酵母菌發酵50 ml廢水的總蛋白產量Table 2 The protein production of 50 ml wastewater on the different yeast fermentation

從表2可知，菌體自身蛋白含量較高的為產朊假絲酵母和熱帶假絲酵母，分別為 51.8%和50.4%，綜合其總蛋白產量，發酵50 mL廢水產朊假絲酵母最高可達249.9 mg，也即5.0 g蛋白/L廢水。因此，從應用飼料的角度考慮，將產朊假絲酵母作為發酵廢水的菌株。

2.2 產朊假絲酵母種子生長曲線

圖1 產朊假絲酵母菌株在YEPG培養基中的生長曲線Fig.1 The growth curve of Candida utilis in the YEPG

從圖1可以看出，產朊假絲酵母菌株在培養到第16 h菌體量達到最大為12.13 mg/mL，而在14 h菌體處于對數生長期的中后期，菌體量已達11.83 mg/mL，因此為保證菌體生長活力及接種量，種子培養14 h為最佳。

2.3 廢水初始pH值對菌體生長的影響

用乳酸將廢水的pH值分別調為4.0、5.0、6.0、7.0，接種后搖瓶培養24 h，并每隔4 h取樣測培養液中的菌體量及pH值，以考察pH值對菌體生長的影響，結果見圖2。

圖2 不同初始pH對菌體生長的影響Fig.2 The effect of biomass growth on the different initial pH

由圖2可知，除pH4.0在20 h菌體量達到最大外，其余各個pH條件下菌體量均在16 h達到最大值，其中pH5.0和pH6.0較高，分別為10.03 mg/ mL和9.98 mg/mL，pH4.0和pH7.0的菌體量稍低，分別為9.44 mg/mL和9.47 mg/mL;在pH7.0條件下，由于pH較高致使菌體生長過快的進入衰亡期，導致細胞破裂蛋白降低，pH繼續升高(見圖2和圖3)又將進一步導致細胞衰亡，不利于單細胞蛋白的產量;另外，在pH4.0條件下，菌體生長偏慢，得到的菌體蛋白也不及pH5.0和pH6.0;因此，在利用酵母菌對用豆制品生產廢水進行處理時，廢水初始pH值應控制為5.0～6.0較適宜，此條件下可以較快獲得大量的酵母菌細胞。

由圖3可知，隨著發酵過程的進行，發酵環境的pH值均是先降低后升高的。這是由于菌體在對數生長期主要進行三羧酸循環途徑，產生的大量CO2溶于水中造成。但當酵母菌進入穩定期后，一方由于菌體破裂釋放出一部分氨基類物質，從而造成廢水pH升高;另一方面，大量具體需要合成更多的蛋白質。圖4表明不同pH的初始條件對菌體合成蛋白也有一定影響，初始pH5.0時菌體蛋白含量最高為51.3%。酵母菌生長代謝過程，吸收銨鹽同化氨態氮的途徑有限，其中最常見的有兩個，即谷氨酸脫氫酶(GDH)途徑和谷氨酰胺合成酶(glns)-谷氨酸合成酶(glus)途徑［5，6］。在氨質量濃度高時，主要通過GDH途徑同化氨:

在氨質量濃度較低時，則主要通過glns-glus途徑同化。在此途徑中，氨首先與谷氨酸結合，生成谷氨酰胺，然后谷氨酰胺的酰胺氮被轉移到α-酮戊二酸上，產生2個谷氨酸:

谷氨酸+NH3+ATP→谷氨酰胺+ADP+Pi;

α-酮戊二酸+谷氨酰胺+NADPH+H+→2谷氨酸+NADP+;

由此可見，上述2種谷氨酸的合成途徑中，均需消耗H+，H+濃度的不斷降低，會直接導致了系統pH值的升高。pH的升高，在酵母開放的發酵過程中，不利于抑制細菌的生長;另外，從上述兩條同化氨化氮，也可以看出保持系統充足的H+濃度，有利于酵母菌同化氨化氮進而促進其生長。因此在酵母發酵過程中保持pH值在5.0～6.0之間是很有必要的。

2.4 接種量對酵母菌培養的影響

酵母菌按1%、5%、10%和15%的比例分別接種于廢水，搖瓶培養24 h后測定培養液中的菌體量、菌體蛋白含量，結果見圖5和圖6。

從圖5可知，隨著接種量的增加，酵母菌在培養24 h后培養液中菌體量也呈現增加的趨勢。但當接種量超過5%以后，但其SCP產量變化差異不大，產量在10 mg/mL左右。因此，從放大及成本考慮接種時應將接種量控制在5%。另外，圖6可以看出接種量對SCP蛋白含量的影響并不明顯，其蛋白含量均控制在51.1%～51.5%之間。

2.5 最佳條件的確定

通過2.3中對發酵廢水pH以及2.4中接種量的單因素調控，得出廢水發酵pH維持在5.0(發酵過程中每隔2 h進行pH測定，通過滴加乳酸調節系統pH)，接種量5%，溫度28℃，180 r/min搖床培養24 h。結果測得SCP產量8.7%，蛋白含量為51.3%。

2.6 酵母發酵生產SCP后對COD的影響

表4 酵母發酵生產SCP后COD去除率Table 4 The COD removal rate of the wastewater after fermentation

從表3可以看出，通過利用酵母發酵生產SCP，可將廢水的COD降低至26.6%，使其73.4%的營養物質轉化到菌體當中，創造大量的菌體蛋白。在改善環境的同時也帶來了較大的經濟價值。

3 結論與展望

本研究從目前市場亟待解決的問題出發，立足于解決飼料工業及畜牧業中高價魚粉的替代品。在選育高產量菌體蛋白的酵母菌的同時，立足于現有資源，將大豆行業的乳清廢水利用到單細胞蛋白的生產當中，變廢為寶使資源得到充分利用。

本研究不僅可凈化大豆乳清廢水，而且還從中獲取了10 kg/m3廢水的優質飼料(單細胞蛋白)，其蛋白含量為51.3%，高于普通魚粉。使廢水的COD由原來的12236 mg/L，降低了73%，使COD中的8932 mg/L的物質得到了再利用，大大的降低了碳氮的排放。另外，廢水處理速度與生產同步，當天產生的廢水可以即時處理，不需投資更多的貯存設施。

本研究工藝與生產實際基本一致，因此，放大不存在較大困難。另外，本研究從大豆行業的乳清廢水出發，獲得單細胞蛋白，對其他類似行業也有相應啟發作用，例如果汁行業的果渣，制糖行業的甘蔗渣，釀酒行業的酒糟等，都可以作為生產單細胞蛋白的優質原料。簡言之，此研究工藝是一個在生產廠家很值得推廣的項目。

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3 Wei Q(魏群)，Sun YM(孫玉梅)，Li GT(李廣通).Cultivation of lipid yeast by using of wasterwater from production of soybean product.China Brewing(中國釀造)，2005，5:37-39.

4Zhang J(張繼)，Wu GP(武光朋)，Wang WQ(王文強)，et al.Research development of the production of single cell protein feed.Feed Ind(飼料工業)，2006，50-52.

5 Joshi SS，Dhopeshwarkar R，Jadhav U，et al.Continuousethanol production by fermentation of waste banana Peelsusing flocculating yeast.Indian J Chem Technol，2001，8:153-156.

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SCP Production from Soybean Whey

YU Dong，SU Jian，GAO Pei，SHEN Jing，SUN Qi-ling*
College of Life Sciences，Key Laboratory of Bio-resources and Eco-environment of Ministry of Education，Sichuan University，Chengdu 610064，China

The Candida utilis were used for single-cell protein(SCP)production from soybean whey by batch fermentation.As the result，SCP was yielded of 8.7 mg/mL with 51.3%protein，and the wastewater COD removal rate reached 73.4%.After that，soybean whey reached the national standard and achieved the purpose of water resource utilization.

soybean whey;Candida utilis;single-cell protein;protein content

1001-6880(2011)03-0538-04

2010-01-11 接受日期:2010-05-12

*通訊作者 E-mail:qlsun@126.com

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