范 強，劉 余，徐熠鎏，蘭貴紅

（1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川成都610500；2.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所，四川成都610041）

餐廚廢油（waste cooking oil）是來源于餐飲行業(yè)以及家庭生活的廢棄油脂，是城市餐廚垃圾的主要來源，具有極高的回收利用價值。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展與人民生活水平的不斷提高，餐廚廢油的產(chǎn)量逐年遞增，其帶來的危害也與日俱增。然而，餐廚廢油在我國還沒有得到合理利用，餐廚廢油回流餐桌、污染環(huán)境的事件頻頻發(fā)生，已嚴(yán)重威脅到人們的身心健康和居住環(huán)境。微生物以餐廚廢油為廉價碳源生產(chǎn)鼠李糖脂，因碳源成本低、廢棄物資源化、產(chǎn)物應(yīng)用前景廣等優(yōu)勢被研究者廣泛關(guān)注。

作者在此介紹了餐廚廢油的危害及處理現(xiàn)狀，重點總結(jié)了餐廚廢油資源化產(chǎn)鼠李糖脂的研究現(xiàn)狀，擬為餐廚廢油的綜合利用、變廢為寶提供參考。

1 餐廚廢油的危害及處理現(xiàn)狀

餐廚廢油包含煎炸廢油、潲水油、地溝油等廢棄油脂。煎炸廢油主要來源于快餐、燒烤等行業(yè)，由于受到反復(fù)高溫加熱，油脂不斷發(fā)生氧化、分解、聚合等反應(yīng)，營養(yǎng)成分遭到破壞，產(chǎn)生大量具有致癌作用的毒性物質(zhì)；潲水油主要指餐館或家庭的剩菜剩飯，含有大量油脂、淀粉、纖維素等成分，主要作為家畜的飼料，但在運輸、存儲過程中極易變質(zhì)腐敗、滋生有害細菌，產(chǎn)生大量毒素，而這些有害物質(zhì)通過喂養(yǎng)家畜后經(jīng)食物鏈又被人體吸收；地溝油是指從下水道或飯店廢油桶中過濾得到的油脂，由于含大量的水分、糖類、蛋白質(zhì)和鹽分，地溝油極易酸敗變質(zhì)，人類誤食這類油脂常引起惡心、嘔吐、腹瀉等腸胃疾?。?］。目前，我國每年產(chǎn)生的餐廚廢油約700萬t。由于餐廚廢油油脂含量高，在利益的驅(qū)使下，每年近350 萬t的餐廚廢油經(jīng)脫水、脫渣、脫臭、脫色處理后被不法商販販賣給餐館，所引發(fā)的食品行業(yè)信任危機遲遲得不到緩解，食品安全問題迫在眉睫［2］。

大量餐廚廢油的累積除了引發(fā)食品安全事故，還帶來了巨大的環(huán)境污染風(fēng)險。由于我國餐廚廢油的量多且處理難度大，常常直接被排入下水道，而得不到及時有效的處理。油脂在下水道中與各類蚊蠅、病源微生物、生活垃圾、廢棄化工產(chǎn)品等接觸，經(jīng)一系列生化反應(yīng)后散發(fā)出酸敗惡臭氣味，嚴(yán)重影響城市生活環(huán)境。同時，油脂大量的堆積極易使下水道結(jié)垢堵塞，導(dǎo)致污水四溢，特別是在寒冷的冬季更為嚴(yán)重。此外，餐廚廢油屬大分子疏水性有機物，具有色澤深、不透明、凝固點高等特點，一旦流入江河，將會導(dǎo)致大面積的水體污染。

我國餐廚廢油資源非常豐富，但其成分復(fù)雜、來源不穩(wěn)定，相關(guān)的回收利用、檢測方法與制度也不夠完善。目前，國內(nèi)處理餐廚廢油的方式主要包括：（1）餐廚廢油作為化工原料生產(chǎn)脂肪酸、脂肪醇、肥皂等產(chǎn)品，但這種處理方式易造成二次污染，且經(jīng)濟效益差；（2）將餐廚廢油轉(zhuǎn)化為清潔能源生物柴油，但目前生產(chǎn)生物柴油還存在著工藝技術(shù)落后和生產(chǎn)成本高等缺點；（3）將餐廚廢油與其它餐廚垃圾混合作為家畜飼料，這種處理方式簡單直接，但易將有害物質(zhì)引入食物鏈而造成惡性循環(huán)。

國外對餐廚廢油資源化的研究也較多，處理方式主要是：首先對其進行油水分離處理，再將分離得到的油脂作為生產(chǎn)原料回收利用，如用作柴油機的混合燃料［3］，生產(chǎn)生物柴油［4］、合成氣［5］以及生物表面活性劑［6］等。其中餐廚廢油微生物資源化產(chǎn)生物表面活性劑具有經(jīng)濟效益良好及環(huán)境友好等優(yōu)點，已成為當(dāng)前餐廚廢油資源化較為流行的處理方式。餐廚廢油能被多種微生物利用產(chǎn)生物表面活性劑，如產(chǎn)堿桿菌產(chǎn)生物破乳劑［7］、酵母菌產(chǎn)糖脂［8－9］、粘質(zhì)沙雷菌［10］和枯草芽孢桿菌［11］產(chǎn)脂肽、假單胞菌產(chǎn)鼠李糖脂［11］等。

2 餐廚廢油產(chǎn)鼠李糖脂的研究現(xiàn)狀

2.1 鼠李糖脂的主要生產(chǎn)菌株

鼠李糖脂最早由Jarvis等發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)由1～2個鼠李糖（親水基）鏈接1～2個飽和或不飽和脂肪酸（疏水基）構(gòu)成［12］，主要通過假單胞菌（Pseudomonas）或伯克氏菌（Burkholderia）代謝產(chǎn)生?？纱x產(chǎn)鼠李糖脂的菌株包括：腎桿菌屬的R.salmoninarum［13］，不動桿菌屬的A.calcoaceticus以及腸桿菌屬的E.asburiae、E.hormaechei［14］，假單胞菌屬的P.aeruginosa［11］、P.cepacia、P.acidovorans、P.picketti、P.fluorescen［15］、P.nitroreducens［16］、P.putida［17］等，伯克氏菌屬的B.plantarii［18］、B.glumae［19］等菌株，但不同菌株代謝活性差異較大、鼠李糖脂產(chǎn)量各異。其中以假單胞菌代謝活性突出，且能更好地利用不同來源的餐廚廢油作為碳源，并表現(xiàn)出較高的油脂利用率，因此，目前絕大部分餐廚廢油資源化產(chǎn)鼠李糖脂的研究都以銅綠假單胞菌作為出發(fā)菌株。

2.2 鼠李糖脂的應(yīng)用價值

鼠李糖脂具有無毒、生物相容性好、易生物降解、表面活性優(yōu)良、乳化活性穩(wěn)定、能耐受高溫、高礦化度、強酸或強堿等極端條件的優(yōu)點，同時具有較強的抗菌性能和抗毒活性［20］，目前已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、生物修復(fù)、微生物采油、食品、化妝品行業(yè)等領(lǐng)域。

近年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，工業(yè)排放的廢水、固體廢棄物，農(nóng)田中施用的農(nóng)藥以及石油開采中的井噴及運輸中的泄漏等對水體和土壤的污染日趨嚴(yán)重。處理這類環(huán)境污染問題的傳統(tǒng)方式是利用化學(xué)合成表面活性劑對污染源的增溶作用，但這類化學(xué)合成表面活性劑具有一定的環(huán)境毒性，且很難被自然修復(fù)或生物降解，因此被認(rèn)為是額外添加的污染源［21］。而生物修復(fù)是通過加入微生物或生物表面活性劑，增強憎水性化合物的親水性和生物可利用性，使進入環(huán)境的污染物不斷地被降解，最終達到控制污染而不傷環(huán)境的目的。研究表明，鼠李糖脂對脂肪族、芳香族的烷烴乳化活性高于常用的化學(xué)表面活性劑（如Tween－80、Triton X－100），并能有效刺激氯苯甲酸等的降解［22］。鼠李糖脂不僅能提高烷烴、芳香烴的去除率，還可以縮短可被微生物利用的適應(yīng)時間。2010年，美國俄勒岡州立大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，假單胞菌產(chǎn)鼠李糖脂可快速有效降解墨西哥灣漏油事故中釋放出來的多環(huán)芳烴、致癌和誘發(fā)突變的化合物。鼠李糖脂也可用于修復(fù)受重金屬污染的水源［23］等環(huán)境問題。

此外，鼠李糖脂還可以降低原油與水之間的界面張力，從而將大量被毛細管、孔隙夾持的原油釋放出來，這為生物表面活性劑應(yīng)用于石油工業(yè)提供了重要的理論依據(jù)［24］；同時，鼠李糖脂能很大程度地降低稠油黏度，有利于稠油的開采和遠程運輸［25］；再者，鼠李糖脂穩(wěn)定性好，在大面積油田和地下貯藏條件下使用更為有效［26］。應(yīng)用鼠李糖脂作驅(qū)油劑具有工藝簡單、適用范圍廣、經(jīng)濟效益高和無污染等優(yōu)點，且安全性能好，不損害地層，同時由于對鼠李糖脂的純度要求不高，可直接使用含完整菌體的發(fā)酵液。正是因為鼠李糖脂所具有的較化學(xué)表面活性劑的獨特優(yōu)勢，因而被廣泛地應(yīng)用于三次采油中。如今我國多數(shù)油田已經(jīng)進入三次采油階段，采出液含水率極高（90%以上）；同時，我國稠油資源豐富，儲量達16億t，但開采難度很大。經(jīng)過多年發(fā)展，鼠李糖脂等生物表面活性劑用于三次采油和稠油開采都有很好的增產(chǎn)效果，已逐漸成為21世紀(jì)石油工業(yè)最重要的支撐點［27］。

2.3 餐廚廢油產(chǎn)鼠李糖脂的生產(chǎn)及條件優(yōu)化

目前，研究發(fā)現(xiàn)，鼠李糖脂產(chǎn)量普遍偏低，且不同出發(fā)菌株的產(chǎn)量差異也十分明顯。菌株培養(yǎng)條件優(yōu)化、菌種改良是提高鼠李糖脂產(chǎn)量并實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。培養(yǎng)條件優(yōu)化主要涉及發(fā)酵條件（pH 值、溫度、轉(zhuǎn)速、時間）優(yōu)化和培養(yǎng)基組分（碳源、氮源、C／N值、鹽濃度、微量元素）優(yōu)化；而菌種改良包括紫外誘變選育高產(chǎn)菌株等。

2.3.1 碳源

實現(xiàn)鼠李糖脂的規(guī)?；a(chǎn)，碳源價格是十分重要的成本控制因素，這是因為配制培養(yǎng)基的成本占整個生產(chǎn)成本的50%以上［6，28］，而碳源的種類和用量對鼠李糖脂的產(chǎn)量影響顯著［29］。以大豆油為碳源時，利用P.aeruginosaWJ－1菌株產(chǎn)鼠李糖脂產(chǎn)量最高可達50.2g·L－1，同時產(chǎn)物的CMC 最低，為14mg·L－1［30］。

Partovi等［31］報道，與以精煉油作為碳源相比，廢棄油脂能更有效地刺激微生物的生長及表面活性劑的合成。研究者大多采用煎炸廢油、廢棄橄欖油、葵花油、大豆油等作為銅綠假單胞菌的生長碳源。Xia等［30］對比不同濃度廢棄的橄欖油、葵花籽油、大豆油、棉籽油、砂心油對鼠李糖脂產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，不同碳源與濃度對鼠李糖脂的產(chǎn)量影響顯著，以廢棄葵花籽油加量在80g·L－1時鼠李糖脂產(chǎn)量最大。Benincasa等［32］報道，假單胞菌能利用不飽和脂肪酸，如油酸、亞油酸、亞麻酸等；Zhang等［33］研究脂肪酸碳鏈長度（C12～C22）對鼠李糖脂產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，銅綠假單胞菌產(chǎn)鼠李糖脂的產(chǎn)量與C18脂肪酸含量成正比。這為針對性地選擇碳源提高鼠李糖脂的產(chǎn)量提供了重要參考。

2.3.2 氮源

氮源分為有機氮源和無機氮源，不同種類的氮源對假單胞菌的糖脂合成能力影響也不同［34］。其中，銨鹽和硝酸鹽是兩種常見的無機氮源。銨鹽屬于酸性氮源，被微生物利用后會產(chǎn)生大量的H＋，導(dǎo)致發(fā)酵液pH 值下降；而硝酸鹽屬于堿性氮源，微生物利用硝酸鹽合成菌體時會釋放出大量的OH－，使發(fā)酵液pH 值上升［35］。所以，以銨鹽為唯一氮源會抑制不飽和脂肪酸單體的生成，從而抑制鼠李糖脂的合成。因此，硝酸鹽氮比銨鹽氮更能促進菌體的生長以及鼠李糖脂的積累［36］，其中硝酸鈉是絕大部分研究所選用的氮源。

除了無機氮源外，發(fā)酵中還常使用蛋白胨、酵母膏、牛肉膏和玉米漿等有機氮源。它們作為復(fù)雜混合生物制劑，含有微生物所需要的豐富碳基質(zhì)，能有效刺激菌體的生長，但也會導(dǎo)致菌體老化和縮短自溶時間，因而縮短產(chǎn)物分泌期，影響糖脂的最終產(chǎn)量。所以這些物質(zhì)有利于菌體合成，卻不利于次級代謝產(chǎn)物的合成。

因此，無機氮源比有機氮源更有利于菌體的代謝生長，且無機氮源具有價格優(yōu)勢［17，37］；由于鼠李糖脂的大量生物合成大多起始于氮元素耗竭，限氮環(huán)境有利于鼠李糖脂產(chǎn)量的提高［38－39］，在配制培養(yǎng)基時，無機氮源更易控制加入量。

2.3.3 C／N 值

Onwos等［16］認(rèn)為培養(yǎng)基中的碳源、氮源濃度應(yīng)該控制在一定C／N 值范圍內(nèi)才更有利于鼠李糖脂的積累。C／N 值過低，菌體提前自溶；C／N 值過高，菌體代謝異常，均不利于產(chǎn)物積累。Xia等［30］以葵花油為碳源，硝酸鈉為氮源，其它組分不變，在C／N 值為8∶1時，鼠李糖脂的產(chǎn)量最高；C／N 值低于4∶1時，菌體濃度最大。郝東輝［40］以酵母粉與硝酸鈉為復(fù)合氮源，當(dāng)C／N 值為18∶1時鼠李糖脂產(chǎn)量最高，為5.40g·L－1；保持此最優(yōu)C／N 值加大碳氮源濃度時，在碳源濃度為7%（體積比）時鼠李糖脂產(chǎn)量最高，達6.37g·L－1，產(chǎn)量提高18.0%。Guerra－Santos等［34］同樣也證明C／N 值直接決定了鼠李糖脂的產(chǎn)量。

2.3.4 菌株

紫外誘變能改變銅綠假單胞菌的生長代謝特性。Zhu等［37］篩選出一株產(chǎn)鼠李糖脂的銅綠假單胞菌株P(guān).aeruginosazju.u1M，并對該菌株進行紫外誘變育種，篩選得到高產(chǎn)鼠李糖脂的突變品系，實現(xiàn)了在4%（體積比）的餐廚廢油濃度下，鼠李糖脂的產(chǎn)量幾近翻倍，從突變前的12.47g·L－1增加至突變后的24.61 g·L－1（搖瓶發(fā)酵120h）。

2.3.5 其它

氯化鈉和微量元素作為菌體生理活性物質(zhì)合成時的調(diào)節(jié)物，低濃度時有利于菌體酶的合成、刺激產(chǎn)物的積累；濃度過高則會影響細胞膜的通透性，從而明顯抑制菌體代謝作用。

發(fā)酵工藝對鼠李糖脂的產(chǎn)量也有明顯影響。補料分批發(fā)酵不僅能有效解除發(fā)酵過程中的底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和分解代謝物質(zhì)阻遏作用，還能降低染菌幾率、提高產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。Luo等［41］改進發(fā)酵工藝，采用補料分批發(fā)酵實現(xiàn)增產(chǎn)28.8%，為大規(guī)模生產(chǎn)鼠李糖脂提供了參考。

pH 值和溫度影響菌體體內(nèi)的酶活性以及分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；轉(zhuǎn)速影響溶解氧與底物的傳質(zhì)；發(fā)酵時間決定了產(chǎn)物的積累量和餐廚廢油的利用率。鼠李糖脂作為假單胞菌的次級代謝產(chǎn)物，在菌體進入穩(wěn)定期后大量積累，而據(jù)Thaniyavarn 等［42］報道，菌體從穩(wěn)定期進入衰亡期后，鼠李糖脂的產(chǎn)量依然能夠穩(wěn)定地增加，可為提高鼠李糖脂的產(chǎn)量以及發(fā)酵動力學(xué)的深入研究提供參考。

3 問題與展望

我國每年產(chǎn)生的餐廚廢油數(shù)量龐大，因餐廚廢油所引發(fā)的食品安全、環(huán)境污染等問題已嚴(yán)重影響到人類的生存。但餐廚廢油作為一類可回收利用的廉價資源，只要利用得當(dāng)，就可以變廢為寶。雖然目前餐廚廢油資源化產(chǎn)鼠李糖脂的室內(nèi)研究較多，但普遍存在產(chǎn)量低、產(chǎn)物分離難等問題，限制了其進一步的產(chǎn)業(yè)化。為了提高鼠李糖脂的產(chǎn)量，還需要加強對餐廚廢油的來源及保存問題和鼠李糖脂的分離提純工藝等方面的研究。

餐廚廢油資源化產(chǎn)鼠李糖脂作為一條有效處置餐廚廢油、降低鼠李糖脂生產(chǎn)成本的新途徑，前景可觀。對餐廚廢油資源化產(chǎn)鼠李糖脂工藝的不斷改進和完善有望實現(xiàn)社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益三者的統(tǒng)一。

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