产油微生物利用废弃物积累油脂的研究进展

摘要：微生物油脂是一种应用前景广阔的新型油脂资源，具有制备功能性油脂和生物柴油的优点，因此越来越受到人们的重视。但微生物油脂生产时所用原料成本高，导致微生物油脂的产业化发展受到制约。因此寻找廉价易得的发酵基质将促进微生物油脂生产的工业化进程，同时解决了日益严峻的能源与环境安全问题。本文简述了各种工业废水、剩余活性污泥及餐厨废弃物等废弃物的特点，总结了产油微生物利用该类废弃物生产油脂的研究现状及可能存在的发酵工艺及经济成本问题，指出了未来的发展方向是开发附加值产品及廉价高效的絮凝剂以降低油脂成本、探究利用微生物前期处理降解剩余污泥中的毒性物质、探讨酶与酸碱联合水解餐厨废弃物的工艺等。

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2015）06–1762–06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.06.042

收稿日期：2015-01-30；修改稿日期：2015-02-13。

基金项目：唐山市科技支撑计划项目（14120210a）。

作者简介：李艾（1981—），女，硕士，讲师，研究方向为生物柴油制备、微生物油脂菌株选育。E-mail aiai3252891@163.com。

Research progress in lipid production from waste by oleaginous microorganism

LI Ai

（Department of Environmental and Chemical Engineering，Tangshan College，Tangshan 063000，Hebei，China）

Abstract：Microbial lipids are a kind of new oil resource with good prospect，which can be further processed to functional lipid and biodiesel.It has attracted more and more attentions.But the high cost of raw materials limits the industrialization of microbial oil production.The search for cheap，freely available fermentation substrate will promote the industrialization process of microbial oil production，and has significant implications for increasingly serious energy and environmental issues.In this review，recent progress in the utilization of oleaginous microorganism on a variety of waste and the existing problems regarding fermentation process and its economic performance，including food industry wastewater，excess sludge and kitchen garbage，have been discussed.In addition，the characteristics of waste is introduced.The future research on microbial lipids should be focused on the exploitation of value-added products and cheap flocculant in order to reduce cost，the study on degradation toxic substances in residual sludge by special properties microbial，the development of hydrolysis process for kitchen garbage by enzymes associated with acid and alkali.

Key words：oleaginous microorganism；waste；lipid；fermentation；hydrolysis

微生物油脂又称单细胞油脂，是从产油微生物（酵母、霉菌、细菌和藻类等）中获取的一种新型脂质。目前，微生物油脂可获得高附加值的脂肪酸 [1]，如花生四烯酸（ARA）、亚麻酸（GLA） [2]、二十二碳六烯酸（DHA）、二十碳五烯酸（EPA） [3]等，是生产功能性食品的重要原料。同时微生物油脂富含饱和及低度不饱和的长链脂肪酸，且组成上与大豆油、棕榈油、菜籽油等植物油相似，是目前生物柴油生产的潜在原料 [4]。

对于微生物油脂发酵生产的研究，国外主要集中在获取附加值较高的功能性油脂上 [5-8]，国内也进行过大量的探索 [9-13]。但微生物油脂无论是用于功能性食品，还是用于生物柴油制备，要想实现工业化，就要降低生产成本。目前，国内生产生物柴油的主要原料为含油植物，如大豆、油菜等。但这类农作物需要耗费人力长时间的种植，且需要提供大量的土地，原料成本占到了生物柴油成本的70%～85% [14]。因此，限制生物柴油广泛使用的最主要问题是成本问题。只有降低其成本，才能有广阔的商业化应用前景。所以制约生物柴油产业发展的瓶颈依然是其生产所用原料来源 [15]。

另一方面，微生物油脂生产的原料主要是葡萄糖及淀粉质原料。现在，油脂发酵原料特别关注于工农业廉价废弃物等相对于传统发酵行业成分比较明确的粗原料。例如我国丰富的木质纤维素物质资源如玉米稻秆、稻草、蔗渣等具有品种多、来源丰富、可再生等优点。仅农作物的秸秆每年就有6× 10 8t，大部分未被有效利用，因此是大规模生产微生物油脂很有潜力的原料 [15]。目前利用木质纤维素生产油脂研究已经有了一定的进展，天津科大的刘泽君等 [16]利用圆红冬孢酵母发酵玉米秸秆水解液，在最佳条件下培养5天，油脂产量达到4.71g/L，经气质联用分析与植物油脂成分相似，可作为生物柴油生产的一种原料。徐洪章等 [17]利用深黄被孢霉M2好氧间歇性发酵玉米秸秆水解液，建立了其发酵动力学模型。该模型的建立为生物质资源进一步的生物转化及不饱和脂肪酸的开发奠定了基础。另外值得注意的是，农副产品加工业、食品工业、造纸工业中产生的废弃物等也是一种非常重要的资源，若不有效利用不但造成资源浪费，同时也会造成环境污染。因此，寻找开拓一种廉价的用于微生物发酵生产油脂的原料成为我国未来柴油产业及功能性油脂发展的关键。

本文主要针对微生物发酵生产油脂所用的几种工业废弃物和餐厨废弃物原料及相关技术进行了综述，以期为微生物油脂的工业化发展提供参考。目前，用于微生物发酵生产油脂的主要废弃物原料包括以下几大类：①工业废水；②剩余活性污泥；③餐厨废弃物。

1　用于微生物发酵生产油脂的工业废水类原料

1.1淀粉生产废水

淀粉废水是食品工业中污染较严重的废水之一 [18]。直接采用工艺处理淀粉废水，因有机物浓度太高对处理造成很大困难，而且也因废水中有用物质的直接排放而造成很大的浪费 [19]。淀粉废水主要来自淀粉工艺过程中洗涤浓缩工段的洗涤水、冷凝液和蛋白水 [20]。

玉米加工成淀粉时，主要的淀粉、蛋白质等在生产中已被提取，残留在废水中的主要为碳水化合物、可溶性蛋白和无机盐等，该类物质可被微生物利用以供其生长繁殖 [21]。

淀粉废水水质的主要特点有：①玉米淀粉废水其COD Cr在10000～20000mg/L，包含有氮、磷等营养元素及丰富的碳水化合物，可生化性良好；②废水中含量较高的胶体蛋白及悬浮物会对厌氧污泥系统不利；③在玉米浸泡程序中少量的亚硫酸根及硫酸根离子会进入废水系统，这些含硫的化合物会被微生物还原为H 2S，当H 2S及亚硫酸盐超过一定值时，会对厌氧系统产生一定的抑制作用 [22]。

针对淀粉废水的特点，钟娜等 [23]利用一株驯化筛选的黏红酵母处理高COD淀粉废水，在初始COD 75000mg/L、葡萄糖质量浓度为36g/L的营养条件下培养33h，菌体油脂含量可达到29.5%，COD降至5600mg/L，实现了淀粉废水的资源化利用。王志勇等 [24]利用玉米淀粉生产过程中玉米浸泡工段的玉米浸泡废水、淀粉生产工段的麸质水、糖化工段的葡萄糖废母液的混合淀粉废水为发酵液。投加经驯化和筛选的高产油脂黏红酵母，酵母中油的质量分数为38%～45%，COD的去除率达到80%～85%，实现了环境效益和经济效益的双赢。Xue等 [19]在300L发酵罐中加入未经灭菌和调节pH值的淀粉废水（COD 30000mg/L），投入生物量为40g/L的黏红酵母发酵30～40h后COD降解80%，胞内油脂含量达到35%，油脂经酯交换实验可用于生产生物柴油，实现了半工业化生产油脂规模。Liu等 [25]利用马铃薯淀粉废水培养斯达氏油脂酵母，经过实验优化得到在120g/L的葡萄糖、3.0g/L(NH 4) 2SO 4，10%接种量下培养96h，细胞生物量和脂质含量分别可达到2.59g/L和8.88%。该研究为今后利用微生物处理淀粉废水奠定了一定的实验基础，具有深远的社会效益及经济效益。

1.2味精生产废水

味精废水来源于味精生产工艺进行过程中产生的废水，包括分离出谷氨酸后剩余的发酵液和工艺各个工段的洗涤废水。其工艺不同，排放的废水水质也会有所不同 [26]。味精废水COD主要来自废发酵母液和离子交换液，其pH值低，铵含量高，含有大量的菌体，COD非常高，这些都使得味精废水必须经过科学的处理才能排放到环境中 [20]。味精废水中含有大量的可利用资源。废水中残留的谷氨酸占发酵醪液中谷氨酸含量的20%～25%，废水中谷氨酸质量分数约为l.2%～1.5%，有时甚至高达2%。同时废水中还含有大量的菌体，可作为优质蛋白源利用，其粗蛋白含量约占70%～80% [26]。

邢旭等 [27]利用味精废水发酵一株驯化优良的黏红酵母菌株Rh8，初步探讨其在高浓度味精废水进行发酵产脂的条件，结果表明其最佳发酵条件为将来自莲花味精厂高COD、高盐废水稀释4倍、pH值调至5.5；添加0.5g/L酵母粉、1%葡萄糖母液、2g/L KH 2PO 4、1g/L MgSO 4、0.5g/L MnSO 4五种营养因子；黏红酵母菌株Rh8菌株产油脂量可达到15.6g/L，同时COD去除率可达到50%。Liu等 [28]利用斯达氏油脂酵母处理谷氨酸钠（味精）废水，生产微生物油脂。实验中研究了影响油脂产量及含量的相关影响因素。确定出最佳发酵条件：80g/L的葡萄糖，接种体积分数为10%、初始pH值约为5.0，孵化时间96h。在这种情况下，生物质生产达到4.61g/L，油脂产量及含量分别为1.14g/L和24.73%。同时，蛋白质和COD去除率为分别78.60% 和78.60%。

1.3啤酒生产废水

啤酒在生产过程中每道工序几乎都有废水产生。啤酒的酿造工艺一般分为制麦芽、糖化、发酵、洗瓶及灌装五大工序。废水主要来源：原料浸泡水、降温水、装置清洗水以及灭菌用水 [29]。啤酒酿造中的糖化、麦汁冷却、发酵等需要大量的冷却水，此类水质污染程度不高，约占废水总量的70%；工艺中制作麦芽、糖化及发酵罐的刷洗废水属于高浓度有机废水，约占5%～6%；最后工段的洗瓶、冲洗和杀菌水中有机物浓度较低，约占20% [30]。

啤酒废水含有大量可被生物降解的有机物质，非常有利于生化处理。同时其主要特点是BOD 5/COD Cr值高，在50%及以上 [31]。啤酒生产废水主要含有糖类、可溶性淀粉以及醇类等有机物 [32]，若其不经过处理直接排入水体会造成水体污染，同时也是一种资源的巨大浪费。因此对于啤酒行业，将其废水资源充分利用将成为发展低碳经济最重要的内容之一。

郭书贤等 [33]对利用啤酒生产废水培养斯达油脂酵母（Lipomyces starkeyi 1809）产油脂和COD降解率的发酵条件及发酵动力学进行了研究。结果表明：COD的降解与菌体生长同步，属于与生长相关型；而油脂积累与菌体生长不完全同步，属于与生长部分相关型。王华等 [34]利用斯达油脂酵母（Lipomyces starkeyi 1809）发酵添加一定营养因子的啤酒生产废水。实验过程中通过油脂量和COD降解情况对培养基进行了优化，其最优条件为在啤酒生产废水中添加碳源（木糖）和氮源（硫酸铵），其质量比为55∶1；加入微量元素FeC1 3·6H 2O 3mg/L；并且添加了色醇这种特殊物质，它作为真核微生物进行多细胞间相互联系的信号分子，可以促进斯达油脂酵母油脂合成。用此培养基培养斯达油脂酵母120h，生物量和油脂产量比优化前分别提高了137.98%和l17.82%，所产菌体油脂的不饱和脂肪酸指数（IUFA）可达到63.95%。郭书贤等 [35]为探索食品工业废水资源的再利用手段，在测定河南南阳地区的豆制品、啤酒和淀粉生产废水的基础上，分别以这些废水为培养基进行斯达油脂酵母（Lipomyces starkeyi 1809）产油脂的揺瓶培养。结果表明：在3种废水中，啤酒生产废水最适于斯达油脂酵母发酵产油脂，所产油脂的不饱和脂肪酸指数（IUFA）高达68.99%，比对照高7.63%，说明利用啤酒生产废水培养斯达油脂酵母，有利用不饱和脂肪酸的合成和积累。

1.4鱼粉生产废水

鱼粉生产废水中含有大量有机物，其COD值为30～120g/L，氨氮含量在4g/L以上，营养组分丰富 [36]。含有大量未被利用的鱼粉、鱼油、鱼碎体等，固体物质约占23%，蛋白质约为15%，严重污染了近海环境和水质 [37]。鱼粉行业是我国沿海水产品深加工支柱行业之一。

Huang等 [38]利用L.starkeyi发酵鱼粉废水制备微生物油脂，结果显示其生物量可达17.62g/L，油脂产量2.71g/L。张博等 [39]利用斯达式油脂酵母HL发酵鱼粉废水。研究了影响生物量、油脂产量、COD及蛋白质去除率的相关影响因素。实验表明，在葡萄糖浓度为100g/L时，蛋白质去除率已高达76.30%。但油脂产率、油脂含量和COD去除率呈现下降趋势。因此，综合考虑选择添加葡萄糖20g/L、初始pH值为4，此时生物量l7.62g/L，油脂产量为2.71g/L，COD及蛋白质去除率分别为43.44%和91.15%。该油脂中脂肪酸成分经气质联用分析与植物油成分相似，主要为肉豆蔻酸（C 14：0）和棕榈酸（C 16：0），可拓宽鱼粉废水的资源化综合利用范围。

1.5酒精生产废水

酒精工业的生产废水污染严重，其主要包括蒸馏发酵成熟醪后排出的酒精糟，洗涤、冲洗生产设备用水，以及蒸煮、糖化、发酵、蒸馏工艺的冷却水等。酒精废水中有机物浓度高、含有高度悬浮物且水体温度高，目前对酒精废水及酒精糟的处理方法主要是进行厌氧处理等工艺，继而用来生产沼气 [40]。

周稳稳等 [41]利用圆红冬孢酵母AS 2.1389发酵酒精废水。结果表明发酵的最佳条件为：将废水稀释1倍、保持原废水pH值3.88、接种5%的菌种、培养96h，酒精废水COD去除率72.3%，油脂含量31.9%。后又利用驯化后的圆红冬孢酵母发酵，可使废水COD去除率达到75.9%，油脂含量达到39.8%。经气相色谱分析，其油脂成分主要为与植物油脂成分相近的C 15～C 18的脂肪酸，因此该研究得到的油脂适合用于生物柴油的生产。

2　用于微生物发酵生产油脂的剩余活性污泥

剩余污泥是活性污泥污水处理法产生的副产物，剩余活性污泥的主要有机成分是蛋白质、脂肪和碳水化合物，其中含有未得到充分利用的蛋白质约占60%。因此开发利用剩余污泥不仅可以减少固体污染物的排放，而且可获得更高附加值的产品。该研究可以缓解由于城镇化进程的不断推进而日益严重的环境与能源问题。

徐静阳等 [42]将剩余污泥中的蛋白质成分进行资源化利用，采用热碱解法进行处理，并尝试将处理后得到的上清液作为氮源培养圆红冬孢酵母用于微生物油脂的合成。在剩余污泥中添加NaOH调节初始pH值为10，在60℃下处理5h后中和体系pH值至7，得到的上清液经微孔膜过滤后用于配制限氮培养基可以使菌体生长良好，并且细胞内油脂含量达35%。Angerbauer等 [43]利用超声波处理后的剩余活性污泥培养微生物L.starkeyi，研究表明可以促进其体内油脂积累，该结果为今后能够更好的利用剩余活性污泥提供了一定的基础。

3　用于微生物发酵生产油脂的餐厨废弃物

餐厨废弃物属于特殊垃圾，其中含有淀粉、蛋白质和油脂等主要成分，同时还富含氮、磷、钾、钙以及各种微量元素，具有营养物质量大、营养元素齐全、再利用价值高的特点 [44]。餐厨垃圾水解液内含大量的营养物质，如其主要成分多糖和氨基酸等就可被S cerevisiae As2.5 l6等为代表的产油脂菌利用。这些营养物质成本低、来源广泛、收集方便，具有很高的资源性价值 [45-46]。

曹媛媛等 [44]采用复合酶制剂对餐厨废弃物进行处理，利用餐厨废弃物中的有效成分培养发酵生产微生物油脂。结果表明在加入含有淀粉酶、糖化酶、蛋白酶和纤维素酶的酶解液中，调节pH值在5～7，50～60℃水解2h条件下，接入健强地霉G9菌株发酵，最终可得油脂9.74g/L。实现每吨餐厨废弃物可产油脂近20kg。孙士权等 [47]以酿酒酵母（S cerevisiae As2.516）为供试菌株，研究其在餐厨垃圾水解液中发酵产油脂的生产规律。构建了3个分批发酵动力学模型：菌体生长模型、油脂产物生成模型和底物还原糖消耗模型，模型揭示了菌株在餐厨垃圾水解液培养菌体产油脂发酵过程中的基本特征。模型的构建为餐厨垃圾水解液发酵产油脂发酵过程的放大、控制与工艺的改进以及建立菌株发酵产油脂分批补料发酵模型提供了理论指导。

4　微生物发酵生产油脂存在的问题

经研究表明，当微生物以葡萄糖作为生长最适碳源时，微生物油脂含油率可高达60%。但是进行规模化油脂生产仅依靠葡萄糖作原料不仅成本高，而且会产生“与人争粮以及与粮争地”的情况。因此，探索各类工业废水及废弃物生产微生物油脂具有重要价值，但在利用上述废弃原料生产油脂研究中也存在各种问题。

刑旭等 [29]发现以味精生产废水为原料培养黏红酵母时，硫酸铵可以作为细胞生长的氮源。但是，碳源要额外添加葡萄糖母液来满足。同时，发现黏红酵母菌株Rh8没有去除废水中铵盐的能力，对于深度处理味精废水还需考虑与其他手段联用以去除硫酸铵。朱永强等 [48]发现味精废水中铵根离子过高会抑制油脂微生物生长和油脂积累，研究利用酿酒与黏红酵母联合处理味精废水，首先利用酿酒酵母预处理味精废水，再用黏红酵母发酵酿酒酵母预处理后的味精废水合成油脂。此项研究可以在利用酿酒酵母降低NH 4 +浓度的同时提高黏红酵母的生物量及油脂含率，并缩短发酵时间。但此工艺增加了生产工序，同时，未考虑到酿酒酵母在预处理过程中是否会大量消耗废水中的营养物质，可能会导致生产成本有所升高。此外，各类废水大都需经过一定的前处理和在添加碳源或者营养元素后才能被各类产油微生物所利用，同时这些废弃物的转化效率比较低，利用方式也需要进一步改进。

对于剩余污泥的微生物油脂化研究还处于初始阶段。因此，将剩余污泥资源化的同时，研究过程中还存在着很多值得研究探讨的问题。徐静阳等 [42]在碱性条件下水解剩余污泥析出氮元素的同时，蛋白质与碳水化合物在热与碱的共同作用下，会产生某些不确定的复杂反应，结果将导致蛋白质可能转化为一些黑色素或腐殖酸等难溶物。同时这些物质的产生是否还会对微生物的生长造成一定的抑制性作用 [49-51]。另一方面，污泥中含有的重金属成分、有毒性物质以及可能存在的病原性物质，都会限制剩余污泥的资源化应用。因此在应用污泥中氮源成分时，要充分实现污泥真正的无害化处置和资源化利用，就要对上述这些有毒物质的去向进行研究，以消除其带来的不利影响。

另外在利用餐厨废弃物生产油脂时，微生物不能直接利用其生产油脂，首先要在反应体系中添加淀粉酶、糖化酶、蛋白酶和纤维素酶等复合水解酶类，将其降解为可被微生物利用的糖类。但是，复合酶系中的个别酶价格可能会很昂贵，如果这样就增加了生产成本。

最后值得考虑的问题是含油微生物的收集及油脂产物的提取。目前导致生物柴油不能大范围推广的另一个重要原因就是高成本含油细胞的收获。杨天喜 [20]和王玉梅 [52]在工业废水生产油脂研究中都探讨了菌体收集方法，杨天喜通过对絮凝法和气浮法处理黏红酵母的物料成本和工艺特点进行分析比较，确定气浮和沉降结合使用最佳。并探究了双螺杆挤压破壁处理黏红酵母和小球藻的可行性；王玉梅针对皮状丝孢酵母的收集研究结果为壳聚糖表现出较好的絮凝效果。以上研究表明在实际生产中，发酵工艺及菌种的不同都会影响细胞回收的效果，因此如何选择细胞回收方式也是油脂生产至关重要的一环。

5　展望

针对以后产油微生物利用废弃物积累油脂研究可从以下几个方面进一步开展。

在以后利用酿酒和黏红酵母联合处理味精废水生产油脂时，为降低成产成本，可考虑在酿酒酵母的预处理过程中产生一些附加值的产品。对于剩余污泥中的毒性物质，同样可以考虑用一些廉价的微生物在前期降解其毒性物质。针对餐厨废弃物生产油脂时要利用昂贵的酶类，可以考虑采用廉价的酸或碱降解餐厨废弃物，但是大量的酸碱会造成环境的污染，并且降解产物复杂不易控制，因此同时要开发这类污染治理技术。采用酶与酸碱联合处理的方法，同时节省了酶类及酸碱的用量，但是降解工艺需要进行研究与探讨。针对下游工业细胞收集高成本问题，可研究开发廉价、高效、适用性强的絮凝剂。最后随着国家对环境保护要求的提高和水处理技术的不断进步，有机工业废水的产量和废水中有机物浓度都将降低，针对以上发展趋势在今后的研究中应该有针对性和选择性地开发微生物油脂生产原料。