大豆乳清廢水的回收利用研究進展

孫薏雯，鄒雅婷，馬欣悅，劉苗苗，李 瑞

（濟寧醫學院生物科學學院, 山東日照 276826）

大豆是世界上主要的糧食和油料作物之一。大豆中含有豐富的優質蛋白質、鈣、鉀、鐵、銅、鋅等微量元素、維生素 B1和 B2、有機酸與纖維素等營養物質[1-2]，所以大豆加工產品備受廣大人民青睞。豆腐（tofu）和大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI）是大豆加工產品的主要原料，但是在它們的生產過程中會產生大量的大豆乳清廢水[3]，其生產流程如圖1所示。由圖1可知，tofu和SPI乳清廢水分別產生于從豆漿和堿溶上清液中提取豆腐和大豆分離蛋白的過程。因而其中含有大量的有機物（具體成分如表1所示），所以大豆乳清廢水的任意排放會對環境造成嚴重污染。目前，大多數豆腐和大豆分離蛋白生產企業將大豆乳清廢水排放至污水處理廠進行生化處理，給企業造成了很大的經濟負擔。

圖1 豆腐、大豆分離蛋白以及大豆乳清廢水的生產流程Fig.1 Workflow for production of tofu, soybean protein isolate (SPI） and soy whey wastewater

表1 豆腐和SPI乳清廢水的成分分析Table 1 Ingredients of tofu and SPI whey wastewater

從表1 可知，大豆乳清廢水中含有大量的蛋白質和糖類物質。除此之外，還含有大豆異黃酮等高價值有機物[6]。這些有機物的回收利用，不僅可以有效降低大豆乳清廢水的處理成本和對環境的污染，還能為豆腐和大豆分離蛋白生產企業帶來可觀的經濟收入。因此，采用合適的策略綜合利用大豆乳清廢水，對環境保護、節約資源和降低企業生產成本有重要的意義。目前，大豆廢水的資源化策略主要有兩種：一種是分別提取其中的活性成分加以利用，包括蛋白質、低聚糖、異黃酮等有機物；另一種是將大豆廢水作為培養基用以生物轉化產生新的產品[3]。鑒于此，本文將圍繞上述兩種策略對今年來大豆乳清廢水的回收利用研究現狀進行總結和分析，并提出實現大豆乳清廢水資源化所需進一步研究的問題。

1 大豆乳清廢水中活性成分的回收

1.1 大豆乳清蛋白

大豆乳清蛋白（whey soy proteins, WSP）是大豆乳清廢水中的酸溶蛋白，主要包含胰蛋白酶抑制劑（包括Kunitz抑制劑和Bowman-Birk抑制劑）、細胞凝集素、脂肪氧化酶和β-淀粉酶等組分[7-8]。其中，胰蛋白酶抑制劑具有良好的抑制癌癥和抗蟲害作用[9]，β-淀粉酶在工業上廣泛用于水解淀粉生產麥芽糖。與此同時，WSP整體還具有良好的泡沫和乳化性能[8,10]。正是基于WSP在食品和醫藥領域的高潛在應用價值，研究者們采用多種分離技術從大豆乳清廢水中回收了WSP單個組分及其整體。

1.1.1 WSP的單組分回收 由于胰蛋白酶抑制劑和β-淀粉酶的應用價值較高，因此它們從大豆乳清廢水中的分離研究首先取得了初步的進展。LI等[11]和CHANG等[12]都用殼聚糖吸附法從SPI乳清廢水中回收了Kunitz胰蛋白酶抑制劑。所不同的是，前者先使目標物質吸附在殼聚糖上，然后與多聚糖相互作用形成聚合物沉淀出來，最后通過調控pH和蛋白質-殼聚糖的添加比除去殼聚糖和多聚糖，Kunitz胰蛋白酶抑制劑的收率為32%、純度為90%；而后者是通過在pH7.0條件下殼聚糖上接枝三聚磷酸鹽和京尼平作為吸附劑從SPI乳清廢水中吸附Kunitz胰蛋白酶抑制劑，其收率為80.9%，但其純度低于前者。此外，程芬芬等[13]還采用硫酸鈉鹽析法從SPI乳清廢水中回收了20.54%的Kunitz胰蛋白酶抑制劑，然而其分離效果遠低于CHANG等[12]的研究結果。

陳超琴等[14]利用超濾法從SPI乳清廢水中回收了92%的β-淀粉酶，其酶活濃縮倍數為9。為了進一步提高β-淀粉酶的回收純度，關艷艷等[15]在從SPI乳清廢水中超濾濃縮β-淀粉酶之后，又對濃縮液進行了乙醇沉淀。結果表明，超濾結合乙醇沉淀所得到的β-淀粉酶的純化倍數為3.17，遠高于超濾得到β-淀粉酶的純化倍數（1.22）。因此，超濾結合乙醇沉淀法可有效提高β-淀粉酶的純度，但是也降低了β-淀粉酶的活性收率（降低后為77.54%）。

從上述研究可以看出，回收WSP的單個組分需要多步分離操作才能完成，并且每步的分離成本都相對較高，這主要是由于大豆乳清廢水中成分復雜且蛋白濃度相對較低。較高的分離成本抵消甚至高于每個蛋白組分的應用價值，導致回收WSP的單個組分在經濟上不合算，因而一直未能實現工業化生產。

1.1.2 WSP的整體回收 WSP具有良好的泡沫和乳化性能，因此更多學者傾向于從大豆乳清廢水中整體回收WSP以用于食品領域。目前，大豆乳清廢水中的WSP整體回收技術主要包括絮凝法、膜分離法和泡沫分離法，其優缺點對比如表2所示。

表2 大豆乳清廢水中的WSP的整體回收技術優缺點對比Table 2 Advantages and disadvantages of techniques for recovering the whole WSP from soy whey wastewater

1.1.2.1 絮凝法 蛋白質絮凝是指通過向溶液中添加高分子有機物作為絮凝劑促進蛋白質的凝聚從而使蛋白凝聚物從溶液中分離出來。CHENG等[16]以殼聚糖為絮凝劑對SPI乳清廢水中的WSP進行了絮凝，隨后又利用超濾對WSP-絮凝劑混合物進行了回收，WSP的最終收率可達61.21%。XU等[17]利用表沒食子兒茶素沒食子酸酯為絮凝劑先與WSP相互作用形成復合物，隨后復合物相互聚集為沉淀，從而使60.7%的WSP從SPI乳清廢水中分離出來，所分離的WSP的純度為69.51%且具有一定的抗凋亡活性。由此來看，絮凝法可有效回收大豆乳清廢水中的WSP，但是絮凝劑與所回收的WSP分離難度很大，導致所回收的WSP應用價值不高甚至無法應用，因而造成絮凝法在回收WSP方面應用前景不佳。

1.1.2.2 膜分離法 膜分離因其操作條件溫和，在蛋白質分離領域應用廣泛，所以很多研究者采用膜分離法從大豆乳清廢水中成功回收了WSP，并獲得了較高的回收率，相關研究工作李琦等[18]已做了較為詳細的總結概括。但由于大豆乳清廢水粘度較高且成分復雜，導致膜污染嚴重，進而造成分離成本較高。所以，膜分離技術在回收大豆乳清廢水中WSP方面尚未實現工業化生產。近年來，膜分離WSP相關研究工作的重點在于如何降低WSP回收過程中的膜污染。潘秋月等[19]采用轉谷氨酰胺酶促進WSP聚合，在提高分離效果的同時，一定程度上降低了膜污染。CHENG等[16]通過殼聚糖絮凝WSP也有效降低了膜污染。由此可見，通過聚合增大WSP顆粒的粒徑可望有效降低膜污染[20]，從而促進膜分離技術在大豆乳清廢水資源化中的工業化應用。但是，所采用的促WSP聚合方法是否成本低廉、WSP的聚合是否會降低其功能性等問題還有待進一步的研究。

1.1.2.3 泡沫分離法 泡沫分離是一項以氣泡為介質分離溶液中表面活性物質的分離技術，具有低濃度下效率高和成本低的優點[21]。鑒于WSP良好的泡沫性能和在大豆乳清廢水中的低濃度，許多研究者對泡沫分離法回收廢水中的WSP進行了研究。孫瑞娉等[22]通過提高泡沫分離過程的操作溫度來提高WSP的富集比至7.71，采用兩級泡沫分離法來提高WSP回收率至82.75%。JIANG等[23]采用斜壁式泡沫分離塔進一步強化了泡沫排液以提高WSP至8.5，同樣采用兩級泡沫分離法的WSP收率為80%。隨后，LI等[24]開展了泡沫分離法回收SPI中WSP的中試實驗，并對所分離產品的泡沫性能和乳化性能進行了分析，研究發現在加熱的條件下WSP很容易聚集沉淀。基于WSP在泡沫分離過程中WSP容易聚集沉淀的現象，LI等[8]通過改造泡沫分離技術開發了連續鼓泡和消泡工藝以強化WSP從SPI乳清廢水中沉淀出來，通過該工藝可以回收88.4% WSP，但是所回收WSP的功能性已經完全喪失。山東綠邦生物科技有限公司采用泡沫分離法結合疊螺脫水從大豆乳清廢水中每天回收每天生產含水率83%左右的WSP 40噸，實現了泡沫分離法回收大豆乳清廢水中WSP的工業化生產。由于所回收的WSP大部分已變性沉淀，因此它作為動物飼料的蛋白源在市場上銷售。雖然泡沫分離技術在回收WSP方面已經實現了工業化生產，但是分離過程中聚集沉淀造成WSP功能性的喪失，導致其利用價值大幅降低。因此，如何保持功能活性對提高WSP的應用價值至關重要，是泡沫分離WSP過程中需要進一步研究的問題。

1.2 大豆低聚糖

大豆乳清廢水中的糖類物質主要為低聚糖，包括水蘇糖、棉子糖、蔗糖、乳糖、果糖和葡萄糖等[3]。大豆低聚糖具有抗癌、降血脂和調節腸道菌群的作用[25-27]，因此大豆低聚糖的回收利用對大豆乳清廢水的資源化有積極的促進作用。目前，大豆乳清廢水中低聚糖的回收方法主要是超濾法，即去除WSP后，采用截留分子量為10 kDa的聚醚砜膜進行超濾處理，低聚糖的收率約為76%[28-29]。此外，LI等[30]利用NF-3A納濾膜從大豆低聚糖發酵液中回收了純度為77.9%大豆低聚糖，其收率為83.2%。該方法對有效提高大豆乳清廢水中所回收低聚糖的純度有重要的指導意義。

1.3 大豆異黃酮

大豆異黃酮是一種弱植物雌激素，具有美容、抗癌和調節代謝的功能[1]。由于小顆粒的異黃酮會懸浮于水中，所以在豆腐和大豆分離蛋白生產過程中會隨著大豆乳清廢水流失。 在大豆乳清廢水中，大豆異黃酮的濃度很低約為0.4 g/L[31]，這給其回收造成了很大的困難。目前，大豆乳清廢水中異黃酮的回收方法主要包括萃取法和吸附法。楊敬東等[32]分別采用乙酸乙酯萃取法和大孔樹脂吸附法從大豆乳清廢水中回收異黃酮，并對這兩種分離方法進行了對比分析。實驗結果表明，通過這兩種方法大豆異黃酮的收率均可達到60%。考慮到大豆乳清廢水的排放量大，乙酸乙酯的用量會很大，導致萃取法的成本較高。因而大孔樹脂吸附特別是動態吸附流程是更為合適的大豆異黃酮分離技術。

由于大豆異黃酮與WSP有很好的絡合作用，所以LIU等[33]以WSP為捕集劑采用兩級泡沫分離法從SPI乳清廢水中回收了大豆異黃酮，其富集比和回收率分別為4.05和87.72%，實現了大豆異黃酮的有效回收。在此基礎上，通過調控溫度和pH使WSP與大豆異黃酮分離開來[34]，在用泡沫分離法除去WSP后，通過酸解將葡萄糖苷型異黃酮轉化為異黃酮苷元增強其活性，并采用殼聚糖微球法有效回收了異黃酮苷元[35]。基于大豆乳清廢水中的復雜組成和大豆異黃酮的低濃度，采用泡沫分離法這一成本低效率高的技術對大豆乳清廢水中的異黃酮進行初步的濃縮，然后再采用萃取或吸附法進一步回收，要比直接從大豆乳清廢水中直接萃取或吸附大豆異黃酮從節約成本的角度考慮更為合適。

2 大豆乳清廢水的生物轉化

從上述分析來看，大豆乳清廢水中成分復雜，單獨回收其中的活性成分是非常困難的。并且廢水中含有豐富的糖、蛋白質、氨基酸和無機鹽等營養物質，非常有利于微生物的生長。因此，很多研究者直接將大豆乳清廢水作為底物通過微生物發酵將其轉化為附加值更高的產物，如單細胞蛋白、生物柴油、維生素、氨基酸、5-氨基乙酰丙酸、蝦青素和乳酸等，刁寧寧等[1]已對上述產品的早期相關研究工作其進行了分析總結，在本文中不再贅述。下面將對近年來關于大豆乳清廢水生物轉化上述部分產品新的研究和其他新產品的研究進行概括總結。

2.1 微藻

微藻當中含有豐富的油脂，是生物柴油的重要來源之一，同時還富含其他的營養物質。大豆乳清廢水中的營養物質豐富因而適合微藻的生長，因此它作為微藻的培養底物備受青睞。RIZKYTATA等[36]利用含有20%～30%豆腐乳清廢水的培養基對小球藻進行了培養，在得到23%的產率的同時，還有效降低了豆腐乳清廢水的BOD、COD、磷酸鹽和銨鹽的濃度。WANG等[37]以常規綠藻培養基（BG-11）為參照，考察了小球藻在豆腐乳清廢水中的生長情況，實驗結果表明豆腐乳清廢水更有利于小球藻的生長。在考察豆腐乳清廢水對小型黃絲藻生長影響的過程中，WANG等[38]也發現了相似的結論，即采用豆腐乳清廢水為培養基小型黃絲藻的生物量比以BG-11為培養基時增加了約1.5倍。此外，SHEN等[39]發現豆腐乳清廢水也非常適合斜生柵藻的生長。綜上來看，多種微藻適合生長于大豆乳清廢水中，這樣不僅可以產生大量的生物量，還能有效降低廢水的處理成本。因此，利用微藻處理大豆乳清廢水的工業前景非常可觀。

2.2 沼氣

隨著環境友好型社會建設的推進，沼氣因其無色、無味、無毒的優點而日益成為家庭和工業上常用的主要能源之一。由于生物燃氣主要以農業廢物為底物通過微生物發酵而得，所以很多研究者嘗試利用大豆乳清廢水發酵來生產沼氣。例如，SYAICHURROZI[40-41]嘗試了利用釀酒酵母發酵豆腐乳清廢水來生產沼氣，結果表明通過適當的調整pH利用豆腐乳清廢水發酵可以有效地產生沼氣。RAHAYU[42]研究了溫度、污泥和固含量對豆腐乳清廢水發酵產沼氣的影響，發現在30 ℃條件下向豆腐乳清廢水中添加20%的污泥可有效提高沼氣的產量。鑒于大豆乳清廢水發酵產沼氣過程簡便且具有很好的可行性，目前在國內外已經實現的較大規模的工業化生產[43-44]，成為大豆乳清廢水資源化的主要方法之一。

2.3 大豆乳清功能飲料

由于大豆乳清廢水中的糖、蛋白質和大豆異黃酮等物質均具有有益人體的功能活性，因此CHUA等[45]利用葡萄酒酵母發酵大豆乳清廢水將其轉化為了大豆酒精飲品，在發酵的過程中糖苷類的異黃酮轉化為了苷元型的異黃酮，一些具有芳香味的化合物轉化為了新的脂類物質和高級醇，有效增強了大豆酒精飲品的功能性。TU等[46]采用紅茶菌群將大豆乳清廢水轉化為了一種新型的功能性飲料，在轉化過程中大豆乳清廢水的抗氧化性能和抗菌性能得到了有效的提高，同時還產生了一些具有芳香味的新物質。AZI等[47]也將大豆乳清廢水轉化為了一種飲品，但是其利用的是含有乳酸菌、釀酒酵母和畢赤酵母的混合菌群，在發酵過程中新合成了短肽、肽類物質和黃酮類物質，同時糖苷類異黃酮和大豆皂甙被降解，大豆乳清廢水的ACE抑制活性和DPPH自由基清除能力得到了有效的提升。綜合來看，大豆乳清廢水制備功能性飲品是可行的。目前，日本已利用大豆乳清廢水開發出功能性飲料并得到市場的認可，但在國內還未有相關產品。

2.4 其他產品

大豆乳清廢水中的豐富營養除了能滿足上述研究中菌株的生長所需，還適合其他菌株的生長并生產有益的產品，具體如表3所示。大豆乳清廢水營養成分多樣，可同時滿足多種微生物的生長，可協作生產同一目的產物。例如，LAY等[48]向COD為20 g/L的豆腐廢水中添加活性污泥，在35 ℃和pH5.5～6.0條件下進行間歇發酵，獲得氫氣的產量為107.5 mL/g COD。CHEN等[49]利用豆腐乳清廢水在70 ℃培養含有熱桿菌和桿菌等的混合菌群可生產醋酸纖維素。也可在大豆乳清廢水中在不同的培養條件下，利用同一菌株生產不同的產物。YU等[50]在光誘導的條件下利用費氏丙酸桿菌和豆腐乳清廢水生產了維生素B12。而陳躍文等[51]在豆腐乳清廢水中無光誘導條件下培養費氏丙酸所得產物還有一定的抑菌作用，培養其他菌株如桿菌丙酸菌和羅伊氏乳桿菌的產物也獲得了抑菌產物。此外，王薇等[52]以豆腐乳清廢水為原料，添加2.0%豆粕粉、1.0%玉米粉、0.5% MgSO4·7H2O和10%紫紅曲霉，調整pH 至5.5，培養7 d獲得了色價為183 U/mL的紅曲色素。FANG等[53]利用豆腐乳清廢水培養蠟樣芽胞桿菌有效增強了生物水泥的可壓縮性。WANG等[54]和LEE等[55]利用豆腐乳清廢水效促進了裂殖壺菌的生長并產生了高附加值產物二十二碳六烯酸，在培養過程中廢水的BOD和COD降低了約60%。綜上可得，利用豆腐乳清廢水可獲得多種有益產物，從而促進其資源化利用。但是上述研究均處于實驗室階段，是否能真正走向工業化生產還有待進一步研究。

表3 大豆乳清廢水生物轉化所得其他產品及相應菌株Table 3 Products obtained by biotransformation of soy whey wastewater and corresponding used microorganisms

3 結語與展望

目前，已有大量方法用于大豆乳清廢水的資源化，概括為兩個方面：一，回收大豆乳清廢水中的有機物加以利用；二，生物轉化大豆乳清廢水為有用的物質。然而僅有少量的方法實現了工業化生產，例如，大豆乳清蛋白的回收并用于動物飼料與大豆乳清廢水生物轉化為沼氣。大部分的研究還停留在實驗階段，尚未實現工業化生產。其主要原因在于：a.大豆乳清廢水中成分復雜且活性成分濃度相對較低導致回收成本很高，經濟效益不顯著；b. 生物轉化法處理大豆乳清廢水的效率低。

由于大豆乳清廢水的排放量很大，因此需要綜合利用多種方法來實現其資源化。在未來可開展以下三方面的研究以促進大豆乳清廢水的大規模資源化：a. 開發并進一步優化效率高且低成本的分離工藝回收大豆乳清廢水中的有機物，并提高所回收有機物的利用價值；b.開發新的并進一步優化現有的大豆乳清廢水生物轉化方法，提高轉化效率、轉化率和產品附加值；c. 對所開發的資源化方法進行經濟效益核算，評估其是否適合工業化生產。