利用大豆乳清废水生产SCP的研究

喻 东，苏 建，高 陪，沈 竞，孙启玲

四川大学生命科学学院生物资源与生态环境教育部重点实验室，成都610064

利用大豆乳清废水生产SCP的研究

喻 东，苏 建，高 陪，沈 竞，孙启玲*

四川大学生命科学学院生物资源与生态环境教育部重点实验室，成都610064

以大豆乳清废水为原料，通过对产朊假丝酵母的培养，使大豆乳清废水中的营养成分被酵母菌吸收利用，从而使菌体生长繁殖产生单细胞蛋白。单细胞蛋白(SCP)产量为8.7 mg/mL，蛋白含量为51.3%;且废水COD去除率达到73.4%，达到了国家乳清废水的标准，从而实现了废水资源化利用的目的。

大豆乳清废水;酵母菌;单细胞蛋白;蛋白含量

由于目前国际市场鱼粉价格的不断上涨，对国内饲料工业及畜牧业有着较大的冲击。鱼粉作为优质的动物蛋白饲料，粗蛋白质含量一般在45%以上，高的可达60%以上。它的作用是构成动物体各种组织，维持正常代谢、生长、繁殖和生产各种产品所必需的营养物质。因而，寻找廉价的替代品就成为解决目前国内饲料工业及畜牧业困境的一条重要途径。

酵母菌具有适应性强、生长快等特点，其细胞内含丰富蛋白质、脂肪和核酸等物质，宜于工业化生产开发，是生产单细胞蛋白的常用菌种，所生产的单细胞蛋白是良好的动物饲料。由于酵母菌的生长对培养条件要求较低，产量较高。另外，随着大豆蛋白加工行业的快速发展，其生产过程排放的高浓度有机废水水量也在增加。据统计，每加工1 t大豆将排放2～5 t乳清废水，废水中可生物降解的有机物质量浓度(生物耗氧量，BOD)在8000 mg/L以上［1-2］。另外，大豆乳清废水含有大量的蛋白质、低聚糖等天然有机物，是生产单细胞蛋白(SCP)的良好原料。利用大豆蛋白生产工艺排出的高浓度乳清废水进行SCP生产，在回收SCP产生良好经济效益的同时，可大幅度削减大豆乳清废水的COD质量浓度，降低后续废水的处理费用以及甲烷和CO2的排放量。因此，可用它来处理豆制品生产废水，并可获得单细胞菌体蛋白，这样不仅使废弃物得到利用，还能解决环境污染问题，对中小豆制品加工生产企业具有一定的实际价值。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 大豆乳清废水

大豆乳清废水取自当地某大豆蛋白生产企业，其水质分析结果如表1所示。该废水COD质量浓度高达12236 mg/L，可生化系数(COD/BOD5，简写为B/C)大于0.6，是微生物生长的良好底料。废水的pH值偏酸性，水温适中，氮素营养充分，可满足酵母菌增殖过程对各种营养的需求。

1.1.2 酵母菌种的筛选与来源

以大豆乳清废水为培养基对实验室现有的酵母菌种进行了筛选，包括白地霉(Geotrichum candidum Link)、产朊假丝酵母(Candida utilis)、热带假丝酵母(Candida tropica Lis)、解脂假丝酵母(Candida lipolytica var.Lipolytica)、扣囊复膜孢酵母(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强，环境适应能力好;产朊假丝酵母可以利用纸浆、蜜糖、土豆淀粉废料和木材水解液，除了可以有效利用各种单糖和低聚糖之外，还可以分解纤维素一类的大分子物质;热带假丝酵母降解转化玉米粉和烃类有机物较强，可利用各种糖类满足自身生长的需要;解脂假丝酵母分解脂肪和蛋白质的能力都很强;扣囊复膜孢酵母能有效地利用淀粉和蛋白质作为能源和氮源，同时还具有降解转化其他多种天然有机物的能力［3，4］。

表1 大豆乳清废水水质Table 1 The composition of soybean whey wastewater

1.2 实验方法

1.2.1 种子培养

菌种活化:挑取保藏于冰箱中的斜面菌种，接种于YEPG斜面培养基(2%葡萄糖，2%蛋白胨，1%酵母膏，2%琼脂)上，在隔水式培养箱中28℃培养36 h活化;传代，备用。

种子培养:从YEPG培养基上挑取酵母单菌落，接种于YEPG液体培养基中，于28℃、180 r/min摇床培养，绘制其生长曲线，确定种子培养时间。

1.2.2 SCP生产实验

1.2.2.1 种子培养

将通过种子培养获得的种子液，在3000 r/min离心10 min，收获的菌体用生理盐水洗涤1次后，以生理盐水稀释，制备成一定浓度的菌悬液，备用。

1.2.2.2 SCP培养

取自然澄清的大豆乳清废水(未经灭菌处理) 100 mL置于500 mL摇瓶中，调节 pH值分别为4.0、5.0、6.0和7.0;接种菌悬液，用富氧膜封口;在摇床中于28℃、180 r/min培养24 h。

1.2.2.3 检测方法

生物量:离心收集菌体，105℃烘干;蛋白含量:凯氏定氮法;

2 结果与分析

2.1 适合乳清废水菌株的筛选

表2 不同酵母菌发酵50 ml废水的总蛋白产量Table 2 The protein production of 50 ml wastewater on the different yeast fermentation

从表2可知，菌体自身蛋白含量较高的为产朊假丝酵母和热带假丝酵母，分别为 51.8%和50.4%，综合其总蛋白产量，发酵50 mL废水产朊假丝酵母最高可达249.9 mg，也即5.0 g蛋白/L废水。因此，从应用饲料的角度考虑，将产朊假丝酵母作为发酵废水的菌株。

2.2 产朊假丝酵母种子生长曲线

图1 产朊假丝酵母菌株在YEPG培养基中的生长曲线Fig.1 The growth curve of Candida utilis in the YEPG

从图1可以看出，产朊假丝酵母菌株在培养到第16 h菌体量达到最大为12.13 mg/mL，而在14 h菌体处于对数生长期的中后期，菌体量已达11.83 mg/mL，因此为保证菌体生长活力及接种量，种子培养14 h为最佳。

2.3 废水初始pH值对菌体生长的影响

用乳酸将废水的pH值分别调为4.0、5.0、6.0、7.0，接种后摇瓶培养24 h，并每隔4 h取样测培养液中的菌体量及pH值，以考察pH值对菌体生长的影响，结果见图2。

图2 不同初始pH对菌体生长的影响Fig.2 The effect of biomass growth on the different initial pH

由图2可知，除pH4.0在20 h菌体量达到最大外，其余各个pH条件下菌体量均在16 h达到最大值，其中pH5.0和pH6.0较高，分别为10.03 mg/ mL和9.98 mg/mL，pH4.0和pH7.0的菌体量稍低，分别为9.44 mg/mL和9.47 mg/mL;在pH7.0条件下，由于pH较高致使菌体生长过快的进入衰亡期，导致细胞破裂蛋白降低，pH继续升高(见图2和图3)又将进一步导致细胞衰亡，不利于单细胞蛋白的产量;另外，在pH4.0条件下，菌体生长偏慢，得到的菌体蛋白也不及pH5.0和pH6.0;因此，在利用酵母菌对用豆制品生产废水进行处理时，废水初始pH值应控制为5.0～6.0较适宜，此条件下可以较快获得大量的酵母菌细胞。

由图3可知，随着发酵过程的进行，发酵环境的pH值均是先降低后升高的。这是由于菌体在对数生长期主要进行三羧酸循环途径，产生的大量CO2溶于水中造成。但当酵母菌进入稳定期后，一方由于菌体破裂释放出一部分氨基类物质，从而造成废水pH升高;另一方面，大量具体需要合成更多的蛋白质。图4表明不同pH的初始条件对菌体合成蛋白也有一定影响，初始pH5.0时菌体蛋白含量最高为51.3%。酵母菌生长代谢过程，吸收铵盐同化氨态氮的途径有限，其中最常见的有两个，即谷氨酸脱氢酶(GDH)途径和谷氨酰胺合成酶(glns)-谷氨酸合成酶(glus)途径［5，6］。在氨质量浓度高时，主要通过GDH途径同化氨:

在氨质量浓度较低时，则主要通过glns-glus途径同化。在此途径中，氨首先与谷氨酸结合，生成谷氨酰胺，然后谷氨酰胺的酰胺氮被转移到α-酮戊二酸上，产生2个谷氨酸:

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+;

由此可见，上述2种谷氨酸的合成途径中，均需消耗H+，H+浓度的不断降低，会直接导致了系统pH值的升高。pH的升高，在酵母开放的发酵过程中，不利于抑制细菌的生长;另外，从上述两条同化氨化氮，也可以看出保持系统充足的H+浓度，有利于酵母菌同化氨化氮进而促进其生长。因此在酵母发酵过程中保持pH值在5.0～6.0之间是很有必要的。

2.4 接种量对酵母菌培养的影响

酵母菌按1%、5%、10%和15%的比例分别接种于废水，摇瓶培养24 h后测定培养液中的菌体量、菌体蛋白含量，结果见图5和图6。

从图5可知，随着接种量的增加，酵母菌在培养24 h后培养液中菌体量也呈现增加的趋势。但当接种量超过5%以后，但其SCP产量变化差异不大，产量在10 mg/mL左右。因此，从放大及成本考虑接种时应将接种量控制在5%。另外，图6可以看出接种量对SCP蛋白含量的影响并不明显，其蛋白含量均控制在51.1%～51.5%之间。

2.5 最佳条件的确定

通过2.3中对发酵废水pH以及2.4中接种量的单因素调控，得出废水发酵pH维持在5.0(发酵过程中每隔2 h进行pH测定，通过滴加乳酸调节系统pH)，接种量5%，温度28℃，180 r/min摇床培养24 h。结果测得SCP产量8.7%，蛋白含量为51.3%。

2.6 酵母发酵生产SCP后对COD的影响

表4 酵母发酵生产SCP后COD去除率Table 4 The COD removal rate of the wastewater after fermentation

从表3可以看出，通过利用酵母发酵生产SCP，可将废水的COD降低至26.6%，使其73.4%的营养物质转化到菌体当中，创造大量的菌体蛋白。在改善环境的同时也带来了较大的经济价值。

3 结论与展望

本研究从目前市场亟待解决的问题出发，立足于解决饲料工业及畜牧业中高价鱼粉的替代品。在选育高产量菌体蛋白的酵母菌的同时，立足于现有资源，将大豆行业的乳清废水利用到单细胞蛋白的生产当中，变废为宝使资源得到充分利用。

本研究不仅可净化大豆乳清废水，而且还从中获取了10 kg/m3废水的优质饲料(单细胞蛋白)，其蛋白含量为51.3%，高于普通鱼粉。使废水的COD由原来的12236 mg/L，降低了73%，使COD中的8932 mg/L的物质得到了再利用，大大的降低了碳氮的排放。另外，废水处理速度与生产同步，当天产生的废水可以即时处理，不需投资更多的贮存设施。

本研究工艺与生产实际基本一致，因此，放大不存在较大困难。另外，本研究从大豆行业的乳清废水出发，获得单细胞蛋白，对其他类似行业也有相应启发作用，例如果汁行业的果渣，制糖行业的甘蔗渣，酿酒行业的酒糟等，都可以作为生产单细胞蛋白的优质原料。简言之，此研究工艺是一个在生产厂家很值得推广的项目。

1 Zhang P(张平)，Li JZ(李建政)，Lin ZH(林芝红)，et al.Screening of yeasts for single-cell-protein production by soybean whey fermentation.J Harbin Univ Comm，Nat Sci(哈尔滨商业大学学报，自科版)2008，24:204-206.

2 Shao W(邵伟)，Wu YJ(吴钰洁)，Xiong Z(熊泽)，et al.Study on the yeast SCP production by using of wastewater from production of soybean product.Food Sci Technol(食品科技)2005，10:98-100.

3 Wei Q(魏群)，Sun YM(孙玉梅)，Li GT(李广通).Cultivation of lipid yeast by using of wasterwater from production of soybean product.China Brewing(中国酿造)，2005，5:37-39.

4Zhang J(张继)，Wu GP(武光朋)，Wang WQ(王文强)，et al.Research development of the production of single cell protein feed.Feed Ind(饲料工业)，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.

6 Smirnova IE.Mixed cultures of cellulolytic bacteria and yeasts for preparation of feed protein based on plant waste material.VestnS-khNaukiKaz(Russian)，2000(6):62-63.

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

*通讯作者 E-mail:qlsun@126.com

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