段夢(mèng)雯，梁達(dá)奉，馬瑞佳，陸登俊*

(1.廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣東省生物工程研究所 (廣州甘蔗糖業(yè)研究所)，廣州 510316)

蔗汁澄清作為制糖工藝中的中間環(huán)節(jié)與關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量以及糖分的回收起著至關(guān)重要的作用[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)食糖質(zhì)量的要求正在逐步上升，因此開發(fā)處理效率高、無(wú)毒且不會(huì)發(fā)生二次污染的微生物絮凝劑已經(jīng)成為糖用絮凝劑開發(fā)的大趨勢(shì)。天然生物絮凝劑因不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害、易降解和不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響等優(yōu)點(diǎn)，故與有機(jī)合成高分子絮凝劑和無(wú)機(jī)絮凝劑相比，其安全性較好[2]。另外，傳統(tǒng)的絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)[3]與微生物絮凝劑相比，有毒性殘留的隱患。因此，將這種高效、無(wú)毒、無(wú)污染的天然生物高分子絮凝劑運(yùn)用于甘蔗糖業(yè)，將為推動(dòng)糖業(yè)的綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展助力。

1 微生物絮凝劑的簡(jiǎn)介

1.1 微生物絮凝劑的定義與組成

微生物絮凝劑(microbial flocculant,MBF)是一種由微生物代謝產(chǎn)生的菌體細(xì)胞，其能通過(guò)吸附架橋、化學(xué)反應(yīng)等作用將液體中懸浮固體或膠體顆粒凝聚而沉淀分離的特殊代謝物[4]，其成分主要為蛋白質(zhì)、多糖、聚氨基酸等[5]。

1.2 微生物絮凝劑的特點(diǎn)

新型的微生物絮凝劑是一種天然的高分子有機(jī)物，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)安全無(wú)毒。已經(jīng)在醫(yī)藥、食品等行業(yè)中有所應(yīng)用[6,7]。(2)高效性[8]。在同樣的使用劑量下，微生物絮凝劑比傳統(tǒng)無(wú)機(jī)或有機(jī)絮凝劑的處理效率更高。(3)無(wú)二次性污染[9]。到目前為止，已知的由微生物產(chǎn)生的絮凝物質(zhì)均能夠自行降解，因此不會(huì)造成二次污染。(4)用途廣泛。目前，微生物絮凝劑在水處理、食品加工和發(fā)酵工業(yè)上有著十分廣泛的應(yīng)用[10，11]。

1.3 產(chǎn)生絮凝劑的微生物種類

微生物絮凝劑的來(lái)源主要為：微生物細(xì)胞代謝產(chǎn)物、微生物細(xì)胞壁提取物、對(duì)微生物細(xì)胞利用或克隆所獲得的物質(zhì)[12]，目前已發(fā)現(xiàn)60多種微生物絮凝劑產(chǎn)生菌，主要有放線菌、細(xì)菌、酵母菌和霉菌等[13]，見表1。

表1 微生物絮凝劑的產(chǎn)生菌Table 1 The Producing bacteria of microbial flocculants

2 微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理

微生物絮凝劑含有羥基、羧基、氨基等親水性基團(tuán)，其絮凝機(jī)理十分復(fù)雜，無(wú)法用單一的學(xué)說(shuō)加以闡述[14]，目前主要有以下幾種學(xué)說(shuō)。

2.1 吸附架橋?qū)W說(shuō)

此學(xué)說(shuō)認(rèn)為，當(dāng)具有長(zhǎng)鏈構(gòu)象的高分子絮凝劑與懸浮的膠體表面發(fā)生吸附行為時(shí)，可產(chǎn)生靜電引力、范德華力等作用力，并通過(guò)氫鍵、離子鍵等使膠體顆粒團(tuán)聚吸附在一起，進(jìn)而在顆粒之間形成“架橋”，使被吸附的懸浮部分聚集成為大的三維網(wǎng)狀的絮凝體，然后有效地沉降下來(lái)[15]。因此，這種絮凝被稱為“橋聯(lián)絮凝”，是絮凝的重要機(jī)理之一。架橋過(guò)程見圖1[16]。

圖1 架橋過(guò)程Fig.1 The bridging process

2.2 電性中和學(xué)說(shuō)

該機(jī)理稱，由于膠體顆粒表面帶負(fù)電荷，異于帶正電荷的絮凝劑，因此發(fā)生了電荷中和作用。電性中和反應(yīng)的發(fā)生導(dǎo)致顆粒表面電荷密度的改變，電荷密度降低致使顆粒失穩(wěn)，通過(guò)引力克服顆粒間的靜電排斥作用，從而使液體中顆?？梢猿浞钟志o密地接近，在一定條件下，會(huì)立即形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)沉淀。該學(xué)說(shuō)可解釋大部分微生物絮凝劑的絮凝作用，以及解釋溫度、pH值、離子強(qiáng)度、二價(jià)陽(yáng)離子等對(duì)絮凝作用的影響[17]。

2.3 雙電層壓縮學(xué)說(shuō)

此學(xué)說(shuō)認(rèn)為，絮凝劑的絮凝作用是由于存在范德華力和靜電斥力所導(dǎo)致的。當(dāng)加入含有與膠體粒子電性相反離子的微生物絮凝劑，膠粒互相接近至雙電層并發(fā)生重疊時(shí)，顆粒之間吸引力變大，碰撞距離變短，合力變?yōu)橐ψ饔?，從而使顆粒間互相吸引、互相絮凝。

2.4 化學(xué)反應(yīng)學(xué)說(shuō)

此學(xué)說(shuō)認(rèn)為，微生物絮凝劑的基團(tuán)可與某些生物大分子的活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而聚集結(jié)合沉淀下來(lái)。董曉斌研究發(fā)現(xiàn)，可通過(guò)增加或減少微生物絮凝劑的某些活性基團(tuán)來(lái)提高絮凝劑效果。

3 影響微生物絮凝劑絮凝作用的因素

3.1 溫度

溫度對(duì)于微生物絮凝劑的絮凝效果影響較大，特別是蛋白質(zhì)類的絮凝劑的絮凝效果更好。溫度上升會(huì)引起懸浮顆粒和膠體顆粒的運(yùn)動(dòng)速度加快，進(jìn)而引起絮凝率的升高；此外，較高的溫度導(dǎo)致分子鏈斷裂，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，致使活性降低[18，19]。

3.2 pH值

王蘭等[20]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，體系pH值的變化也對(duì)微生物絮凝劑的絮凝作用有很大影響，這是由于pH的改變直接影響著絮凝劑和膠體顆粒表面所帶電荷的種類、中和電荷的能力以及帶電狀態(tài)，從而對(duì)它們之間的靠近和吸附行為造成影響。在某個(gè)范圍內(nèi)的pH值，微生物絮凝劑的絮凝效果較好，這是因?yàn)樵谠摲秶鷥?nèi)的pH值，膠體顆粒表面所帶的電荷數(shù)相對(duì)較少，使得顆粒間的相互排斥力被削弱，進(jìn)而促進(jìn)了顆粒與絮凝劑之間的橋聯(lián)作用，增強(qiáng)其絮凝的效果。另外，對(duì)于不同來(lái)源的微生物絮凝劑而言，每種菌都有其最佳pH值。

3.3 微生物絮凝劑的分子結(jié)構(gòu)及分子量

據(jù)報(bào)道，微生物絮凝劑的分子量在一定程度上影響著絮凝的活性，分子量越大，其絮凝效果越好。目前，微生物絮凝劑大部分是蛋白質(zhì)與多聚糖類的大分子，分子量大都在幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)。此外，具有線性結(jié)構(gòu)的絮凝劑分子的絮凝效果較好，而具有交聯(lián)分子結(jié)構(gòu)或支鏈結(jié)構(gòu)的微生物絮凝劑的絮凝效果較弱[21]。

3.4 微生物絮凝劑的添加劑量

一般來(lái)說(shuō)，微生物絮凝劑的投加劑量都有一個(gè)最佳值，在較低的濃度區(qū)間內(nèi)，隨著絮凝劑濃度的升高，絮凝作用增強(qiáng)，然而達(dá)到一定濃度后，持續(xù)添加絮凝劑，絮凝效率會(huì)降低。實(shí)驗(yàn)表明：由于大分子在固體顆粒上形成架橋的可能性很大，因此絮凝劑加入量的最佳值一般約為固體顆粒表面能夠吸附的大分子化合物的最大量的一半[22]。

此外，金屬離子與其他無(wú)機(jī)離子、加入微生物絮凝劑時(shí)的攪拌速率、培養(yǎng)時(shí)的通氣量、培養(yǎng)體積等也會(huì)對(duì)絮凝劑的絮凝效果產(chǎn)生一定的影響[23]。

4 微生物絮凝劑在甘蔗糖業(yè)中的應(yīng)用

食用糖是我國(guó)重要的戰(zhàn)略儲(chǔ)備物資之一[24]，且制糖工業(yè)是我國(guó)一項(xiàng)重要的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，如何有效地改進(jìn)生產(chǎn)工業(yè)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)創(chuàng)造效益，同時(shí)又能減少排污量是目前急需解決的問(wèn)題。其中澄清工序?qū)τ诒ＷC產(chǎn)品穩(wěn)定性和提高產(chǎn)品感官品質(zhì)起著關(guān)鍵的作用。如今，微生物絮凝劑已經(jīng)被成功地應(yīng)用在食品加工、發(fā)酵工業(yè)和水處理行業(yè)中。尤其在給水、廢水處理方面有著十分廣泛的應(yīng)用，但對(duì)于制糖行業(yè)國(guó)內(nèi)外的研究較少。目前，國(guó)內(nèi)研究的采用微生物絮凝劑處理蔗汁，均達(dá)到了一定的脫色效果。李楠等[25]用從活性污泥中篩選得到的富產(chǎn)絮凝劑菌株的輪枝孢屬作為蔗汁澄清絮凝劑，絮凝率為69.2%，所得清汁的色值為87.4 IU。吳春蘭等[26]利用3種微生物絮凝劑進(jìn)行蔗汁澄清實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：微生物絮凝劑可加快混合汁的沉降速率，壓縮了濾泥體積并且具有脫色效果。由于吳春蘭等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果除濁效果不太理想，羅玉琴等[27]用聚丙烯酰胺與微生物絮凝劑BN-25復(fù)配處理蔗汁，有著較好的澄清效果，經(jīng)過(guò)處理后，清汁色值僅為273 IU，濁度僅為84 MAU，澄清效果明顯優(yōu)于單獨(dú)使用聚丙烯酰胺，并將聚丙烯酰胺添加量降低了75%以上。此外，Luo 等[28]將微生物絮凝劑與聚丙烯酰胺復(fù)配之后處理蔗糖混合汁，澄清效果也明顯優(yōu)于單獨(dú)使用聚丙烯酰胺的效果。李雨虹等[29]以地衣芽孢桿菌作為出發(fā)菌株，利用紫外誘變的方法選育出了1株絮凝劑的高產(chǎn)菌株，進(jìn)而利用它對(duì)蔗汁進(jìn)行澄清，結(jié)果表明：突變株產(chǎn)微生物絮凝劑的絮凝活性相比于出發(fā)菌株提高了17%；2 mg/kg聚丙烯酰胺與10 U/mL微生物絮凝劑處理蔗汁的澄清效果沒(méi)有很大差異。Zhuang等[30]用糖蜜取代蔗糖作為生物絮凝劑發(fā)酵中的唯一碳源，然后采用來(lái)自地衣芽孢桿菌的生物絮凝劑澄清后，清汁的色值和濁度分別達(dá)到1267 IU和206 IU，這些值幾乎與用聚丙烯酰胺處理后獲得的值相同。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，微生物絮凝劑與傳統(tǒng)絮凝劑相比有著更高的絮凝率與良好的澄清效果，由此可見，其在甘蔗糖廠的澄清工藝中有著很大的應(yīng)用潛力。

5 展望

新型的微生物絮凝劑和常規(guī)的絮凝劑相比，有非常多的優(yōu)點(diǎn)，目前對(duì)于微生物絮凝劑的研究還有很大的發(fā)展空間：

(1)有關(guān)微生物絮凝劑的研究大部分還停留在實(shí)驗(yàn)室的研究與開發(fā)環(huán)節(jié)，與其實(shí)際應(yīng)用存在一定的差異。所以日后應(yīng)對(duì)規(guī)?；纳a(chǎn)工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)行研究，為甘蔗糖業(yè)的生產(chǎn)提供依據(jù)。

(2)絮凝過(guò)程及機(jī)理研究不充分，評(píng)價(jià)絮凝活性指標(biāo)單一，安全性評(píng)價(jià)體系不完善。日后應(yīng)從生物、化學(xué)和物理等方面采用多角度、多層次、多種形式的工藝來(lái)研究微生物絮凝劑的絮凝機(jī)制，并對(duì)微生物絮凝劑建立完善的評(píng)價(jià)體系。

(3)微生物絮凝劑的發(fā)展與應(yīng)用受生產(chǎn)成本的限制。因此，通過(guò)利用廉價(jià)培養(yǎng)基來(lái)降低微生物絮凝劑的成本將成為未來(lái)微生物絮凝劑的研究方向之一。

(4)微生物絮凝劑的種類繁多，但單一的絮凝劑實(shí)際運(yùn)用卻很小。因此，復(fù)合型微生物絮凝劑的開發(fā)和復(fù)配也將會(huì)成為日后研究的熱點(diǎn)之一。