水产加工废水蛋白质的回收及再利用研究进展

张益奇，陈康，周龙锡，张银照，戴志远，*

（1.浙江工商大学海洋食品研究院，浙江杭州310035；2.浙江省水产品加工技术联合重点实验室，浙江杭州310035；3.浙江丰宇海洋生物制品有限公司，浙江舟山316104）

我国水产资源丰富，据统计，2016年全国水产品总产量达6 901.25万吨[1]。水产品加工行业为典型的高耗水行业，其废水产量大，主要源于原料解冻、清洗、鱼糜/虾糜漂洗、鱼粉加工、鱼块腌制、甲壳素生产等工艺，其中在鱼粉、鱼糜加工行业尤为突出。以鱼糜生产为例，鱼糜加工中为得到质构、色泽良好的优质鱼糜，需要采用大量水通过多次漂洗处理以去除各类脂类杂质以及肌浆蛋白等组分，但这也会造成30%左右的可溶蛋白流失到漂洗水中[2]。按目前我国冷冻鱼糜年产量20～30万吨计算，全国每年仅鱼糜加工产生约500万吨废水，造成可溶蛋白流失约8万吨[2-3]。水产加工废水通常富含蛋白质等营养成分，化学需要量高，直接排放不仅会造成蛋白质资源的极大浪费，也给废水处理带来负荷，而且还严重污染环境。

从水产加工废水中回收的蛋白质，其氨基酸组成较合理，可作为蛋白源添加到饲料或食品中。对水产加工废水进行处理，回收其中的蛋白质，不仅能减少蛋白资源浪费，增加企业效益，而且可显著降低废水化学需氧量（chemical oxygen demand，COD），减少废水处理成本[4]，这是顺应水产品清洁、高值化生产的趋势。为此，本文综述了近几年国内外有关水产品加工废水蛋白质的回收技术及再利用研究进展，旨在为水产品加工副产物绿色、高值化利用提供参考。

1 水产加工废水中蛋白质的回收工艺

水产加工废水中蛋白质的回收方法可分为沉淀法和膜分离法。沉淀法是通过调节废水中pH值、体系热量或添加外源物来破坏蛋白质的稳定性，使其从溶液体系沉淀出来。沉淀法主要有等电点沉淀法、热处理法和絮凝法等[5]。膜分离法是一种借助外界能量或化学位的推动，以选择性透过膜为分离介质，对多组分液体成分进行分离、分级和富集的技术[6]。

1.1 沉淀法

1.1.1 等电点沉淀法

蛋白质是一种两性电解质，其电荷数量随溶液pH值的不同而发生变化。当蛋白质处于等电点时，蛋白质分子净电荷为零，此时蛋白质分子之间的作用力减弱，胶体分子间极易碰撞、凝聚而形成沉淀物[2]。目前，等电点沉淀法通常采用传统的无机酸、碱作为pH值调节剂。逯慎杰等[7]对鱼糜废水蛋白质等电点沉淀规律开展了大量基础性研究工作，发现鱼浆蛋白的等电点主要分布在4.3和5.9，通过分级等电沉淀技术可将蛋白质回收率由60%左右提高到74.36%。通过无机酸或碱调节体系的pH值来沉淀蛋白质的工艺方法较为简单，可操作性高，在工业上可大批量使用，但所用的酸或碱可能会腐蚀设备，回收的蛋白质不可避免含有大量的盐类，限制其进一步利用。

不同于利用无机酸、碱作为pH值调节剂的传统沉淀技术，逯慎杰[8]以加压二氧化碳作为酸度调节剂回收鱼糜漂洗水中蛋白质，发现当乙酸浓度100%，反应温度78.19℃，反应20 min时可使得体系最佳pH值降低为4.58，蛋白质回收率达到83%。在此基础上，王路[9]发现相比于加压二氧化碳携带乙酸体系，加压氮气携带乙酸体系可将蛋白浓度在10 mg/mL范围内的鱼糜废水pH值精确稳定地调节至4以下，该技术也不存在传统等电点沉淀处理中减压后pH值的反升现象。此外，废水中乙酸可进一步通过蒸馏技术回收利用[10]，使其循环利用成为可能。加压酸性气体作为酸度调节剂是对传统等电点沉淀法的改进，使得该技术可连续沉淀不同等电点的蛋白质，在工业上具有明显的可行性与可控性，是一种值得深入研究的废水蛋白质回收方法。

在水产加工业中，等电点沉淀法是目前回收蛋白质的重要手段之一，依据终端产品的不同，可采用多元酸、有机溶剂、提高离子强度或结合高速离心等方法，较快地回收水产加工废水中的蛋白质。如Bourtoom等[11]通过改变鱼糜漂洗水pH值，同时添加乙醇等有机溶剂回收漂洗水中蛋白质，研究表明在pH值3.5，鱼糜漂洗水中乙醇浓度达到60%时，蛋白质沉淀较好，而反应时间对蛋白沉淀无显著影响。在大宗食品废水蛋白质回收工艺中，等电点沉淀处理还可与加热法、絮凝法、膜分离法等工艺相结合，进一步提高蛋白质的回收率。

1.1.2 热处理法

溶液中蛋白质经适当、适度热处理后会发生热变性，暴露疏水基团，破坏蛋白质分子表面水化层，最终凝固沉淀[12]。Iwashita等[13]采用等电点沉淀与加热复合处理回收阿拉斯加鳕鱼鱼糜漂洗水中蛋白质，发现pH 5时可沉淀63%的蛋白质，随后60℃热处理20 min几乎能沉淀体系中全部蛋白质；但工业规模上上述条件只能回收21%的蛋白质，这可能源于实际离心条件的差异，有待进一步研究。电阻加热法是利用电能产生热能从而使得蛋白质沉淀的一种方法，可分为连续加热和间断加热两种形式。Huang等[14]采用间断性加热法从太平洋鳕鱼加工废水中分离蛋白质，发现70℃时蛋白质回收率达到33%，COD去除率达到59.3%。然而工业规模上水产品加工废水多为连续排放，因此间断性加热法在蛋白质的回收上存在明显弊端。Kanjanapongkul等[15]采用连续式电阻加热处理回收鱼糜漂洗水中蛋白质，发现蛋白质絮凝率约为60%。电阻加热法没有加入任何添加剂，回收的蛋白质安全性高，但能耗大、成本高，难以在工业上大规模应用，可考虑与其他回收技术复合使用。

1.1.3 絮凝法

絮凝法一般指加入一定量的化学物质使得废水中的蛋白质形成絮团、沉淀、达到固-液分离。絮凝剂从分子组成上分为无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂；根据其组分的复杂性，又可分为单一絮凝剂和复合絮凝剂。李流川等[16]比较了聚丙烯酰胺、硫酸铝、硫酸铁、氯化铝、明矾等11种絮凝剂回收带鱼鱼糜漂洗水蛋白的效果，发现三氯化铁最佳，当其添加量为0.13 g/L，絮凝温度18.44℃，时间5 h，pH 5.44时，蛋白质回收率可达86.94%。在所用的无机絮凝剂中，三氯化铁的絮凝效果较好，同时价格便宜、回收操作简单，可大量用于工业生产。

有机高分子絮凝剂分为合成和天然两大类。有机合成高分子絮凝剂降解困难，易造成二次污染，如目前常用的聚丙烯酰胺，其残留的单体往往具有毒性，严重限制了回收蛋白质的再利用，已在很多国家和地区被禁止添加[17]。天然高分子絮凝剂主要包括淀粉、纤维素、壳聚糖及其衍生物、海藻酸钠、腐植酸等，在水产加工废水处理中的研究主要集中在鱼粉、鱼糜漂洗、甲壳质生产等废水中蛋白质的回收方面[18-20]。近年来，Hao等[21]系统研究了卡拉胶、瓜耳豆胶、壳聚糖、海藻酸等天然多糖絮凝剂对鱼粉废水中蛋白质的絮凝效果，发现卡拉胶絮凝效果最好，其pH 3.5，蛋白质多糖比10∶1时，蛋白质回收率达到70%。张玉等[22]采用单因素及响应面法优化海藻酸钠回收带鱼鱼糜漂洗水可溶蛋白工艺，发现在絮凝温度13℃，海藻酸钠添加量0.82 mg/mL，絮凝时间2 h，pH 5.0时，蛋白回收率为82.36%。天然高分子絮凝剂的开发与高效制备逐渐成为今后的发展方向，Salehizadeh等[23]为此重点概括了不同类型的多糖生物基絮凝剂的制备与化学改性处理，以期进一步提高其絮凝效果。利用天然高分子絮凝剂沉淀蛋白质，操作简单，蛋白质回收率、食用安全性高，具有很高的实用价值，如何在保持较高蛋白回收率的情况下降低天然高分子絮凝剂的用量也将是后续开发过程中需要重点考虑的问题。

复合絮凝剂可通过多组分单一絮凝剂组合或通过物理化学反应形成大分子量共聚复合物[2]，从而克服单一絮凝剂不足，高效回收废水中蛋白质。施文正等[24]提供了一种复合絮凝剂回收鱼糜漂洗水蛋白质的方法，通过调节体系pH值到3～6，于15℃～25℃添加6 g/L～10 g/L的羧甲基壳聚糖与皂土复合絮凝剂，静置离心后可回收89%的可溶性蛋白质。Wibowo等探讨了不同比例[25]、不同分子量[26]的壳聚糖与海藻酸钠复合絮凝剂对鱼糜漂洗水蛋白质回收率的影响，发现壳聚糖与海藻酸钠比例1∶5时，蛋白质回收率可达到83%，但壳聚糖的分子量大小对其絮凝效果影响不大。复合絮凝剂的效果往往优于单一絮凝剂，通过对不同天然有机絮凝剂复配，充分发挥各絮凝剂协同作用，蛋白质回收率较高，更符合水产加工废水蛋白回收的要求。将絮凝剂与其他工艺技术组合使用，可充分发挥各技术协同作用。如齐祥明等[27]采用壳聚糖絮凝回收分级等电沉淀鳕鱼鱼糜漂洗水蛋白质，经分级沉淀和壳聚糖复合处理后，蛋白质量浓度由7.00 mg/mL降低至0.37 mg/mL，蛋白质总回收率结果可达94.75%。此外，研究表明通过絮凝剂结合等电点沉淀技术，可使得蛋白质在较低离心力下快速析出[28]，可显著降低工业成本，增加实际生产中的可操作性。

1.2 膜分离法

膜分离法是以筛分效应为基本原理，依靠压力驱动，以选择性透过膜为分离介质，对液体成分进行分离、分级和富集的技术，依据膜孔径可分为微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、膜蒸馏等[5，29]。Afonso 等[30]用截留分子质量为15 kDa的超滤膜来浓缩鱼粉工业废水，可有效地回收废水中的蛋白质。Tonon等[31]采用陶瓷膜超滤技术浓缩虾加工废水中的蛋白质，浓缩系数为3.2，经超滤处理后废水蛋白质浓度达到0.301 g/100 g，可直接用于后续酶解处理。Amado等[32]发现单独使用截留分子量300、100、30 kDa超滤膜均可有效浓缩虾蒸煮液中的蛋白质。Khatprathum等[33]采用板框再生纤维素膜对鱼糜漂洗水进行浓缩，发现30 kDa的膜包截留效果较好，可有效回收漂洗水中大量蛋白质，同时使得COD降低84%。Stine等[34]通过电泳和氨基酸分析膜浓缩蛋白氨基酸组成与鱼糜蛋白相似，但分子量更小，添加5%的浓缩蛋白并不会显著影响鱼糜在-20℃下的贮藏效果。

膜分离技术操作方面安全，工艺流程简单，无需加热，无相变，不会破坏待分离组分的品质及生物活性，具有节能、高效、环保等优点。现有研究表明利用膜浓缩水产品加工废水蛋白质的效率较高，但滤膜的造价高且易受污染，目前还没有普适性的避免膜污染的可行性方法和技术[35]，这严重阻碍了膜分离技术在水产品加工废水处理中的大规模应用。

2 回收蛋白再利用

水产加工废水中含有大量水溶性蛋白质，对其进行回收再利用，不仅能减少蛋白质资源浪费，还可显著降低废水化学需氧量（COD），减少废水处理成本，增大企业效益，这对于保护环境、节约资源具有重要意义。

2.1 饲料

食品工业上，从水产品废水中回收的蛋白质可直接添加到饲料或进一步经酶解制得饲用肽产品，提高其营养价值。如顾林等[36]探讨了中性蛋白酶酶解鱼粉榨汁蛋白质的水解工艺，发现水解液氨基酸组成均衡、必需氨基酸含量丰富，其中小分子多肽含量约占80%，其相对分子量主要分布在132 Da～1 500 Da。Wibowo等[37]发现通过壳聚糖絮凝剂回收的蛋白质富含赖氨酸、组氨酸、蛋氨酸和苯丙氨酸，在小鼠饲料中添加15%的分离蛋白并不影响其蛋白质功效。此外，回收的蛋白质也可作为微生物的培养基，如H-Kittikun等[38]采用商品蛋白酶对鱼糜漂洗水中的蛋白质进行水解，在水解度为40%时，酶解液可作为Enterobacter sp.C2361和Providencia sp.C1112培养基蛋白胨，用于生产转谷氨酰胺酶。

2.2 鱼糜制品

除用于饲料、饲用小肽以及微生物培养基外，回收的蛋白质也可用于鱼糜制品加工配料。如魏华茂等[39]探究回收的鱼糜漂洗水蛋白理化性质，发现其氨基酸含量达73.11%，必需氨基酸占氨基酸总量的43.95%，具较高的营养价值；鱼糜漂洗水中的回收蛋白鱼香味明显，无令人不愉快的气味，添加3%的回收蛋白可显著改善带鱼鱼糜凝胶特性。邵明栓等[40]采用絮凝法回收白鲢鱼糜漂洗水中的蛋白质，并将其添加至鱼糜制品中，发现控制回收蛋白添加量在1%～3%时，可显著提高鱼肠白度，且凝胶强度下降较少。樊晓盼等[41]将从鲶鱼漂洗液中回收的肌浆蛋白添加到鲶鱼火腿中，发现添加量为6%时，鲶鱼火腿的凝胶强度达到最大（1 484.00±3.75）g，显著高于未添加改良剂，以及添加玉米淀粉或谷氨酰胺转氨酶的样品，此时火腿的蛋白质含量、嫩度、咀嚼性、胶着度和硬度均得到不同程度提高。现有研究表明，将回收的蛋白质添加到鱼糜制品中是可行的，这不仅有利于提高食品蛋白质的营养价值，还可进一步改善其食品品质。

2.3 生物活性肽

近年来，大量研究人员通过对蛋白质进行可控酶解，产生的低分子肽段也更易消化吸收，且具有较好的功能特性及生物活性[42]。如Tonon等[31]以虾废水回收蛋白为原料，采用商品蛋白酶Alcalase进行水解制备抗氧化肽，发现在75℃、pH 9.0、酶底比0.1%时，水解液的抗氧化活性最强。Amado等[43]以阿根廷鱿鱼加工废水回收的蛋白质为原料，采用Alcalase水解制备降血压肽，8 h水解液具有最大的ACE抑制活性，经超滤处理后，其 IC50为（58.4± 4.6）μg/mL。Tang等[44]采用复合蛋白酶对回收的鳀鱼水溶蛋白进行酶解，分离鉴定出一种抗菌肽，其分子量为1 104 Da，氨基酸序列为GLSRLFTALK。通过对回收蛋白质进行酶解处理，以期获得更易消化吸收、功能性质较好的生物活性肽，可进一步拓宽其应用范围，提高水产废水回收蛋白质的附加值。

3 展望

随着水产品加工业的发展，对水产加工废水蛋白质的回收再利用具有重要的经济和社会效益。但实际生产过程中，还没有哪一种方法能够兼顾生产成本、回收率、操作方便性、回收蛋白的安全性等方面。等电点沉淀法处理蛋白质，工艺简单、成本低，是目前回收蛋白质的重要手段之一，但是单独使用该方法时蛋白质得率并不高，所用酸或碱会腐蚀设备，且易造成局部过酸，同时引入较多灰分。常用的氯化铝、三氯化铁等无机絮凝剂因铝和铁等元素的存在，有机合成絮凝剂因残留单体的毒性，都严重制约了回收蛋白质的食用安全性。天然絮凝剂如壳聚糖、海藻酸钠等易于生物降解、无毒无害，絮凝效果好，回收的蛋白质可作为饲料或食品配料，但目前该方法面临工业化成本过高、难推广的技术难题[27]。采用膜分离水产加工废水蛋白质效果虽好，但滤膜的造价高且易受污染，也严重妨碍了该技术在水产加工废水处理中的工业化应用。

在水产加工废水的回收工艺方面，降低水产加工废水处理膜生产成本、提高膜的耐污染能力；通过微生物发酵或物理化学改性手段开发新型天然絮凝剂，降低生产成本、选择优良天然絮凝剂进行复配处理、将天然絮凝剂与加压酸性气体等电点沉淀处理、热处理等手段协同处理进行蛋白质回收，均具有广阔的应用前景。其次，将回收的蛋白质进行再利用是实现水产加工低值资源高值化的重要途径。除了分析回收蛋白的理化特性，还可通过酶解改性处理增强回收蛋白的功能特性与生物活性，在提高食品营养价值的同时，改善食品品质及可加工特性，从而进一步拓宽回收蛋白的再利用范围，提高其附加值。