餐厨废油资源化产鼠李糖脂的研究进展

范 强，刘 余，徐熠鎏，兰贵红

（1.西南石油大学化学化工学院，四川成都610500；2.农业部沼气科学研究所，四川成都610041）

餐厨废油（waste cooking oil）是来源于餐饮行业以及家庭生活的废弃油脂，是城市餐厨垃圾的主要来源，具有极高的回收利用价值。随着社会经济的快速发展与人民生活水平的不断提高，餐厨废油的产量逐年递增，其带来的危害也与日俱增。然而，餐厨废油在我国还没有得到合理利用，餐厨废油回流餐桌、污染环境的事件频频发生，已严重威胁到人们的身心健康和居住环境。微生物以餐厨废油为廉价碳源生产鼠李糖脂，因碳源成本低、废弃物资源化、产物应用前景广等优势被研究者广泛关注。

作者在此介绍了餐厨废油的危害及处理现状，重点总结了餐厨废油资源化产鼠李糖脂的研究现状，拟为餐厨废油的综合利用、变废为宝提供参考。

1 餐厨废油的危害及处理现状

餐厨废油包含煎炸废油、潲水油、地沟油等废弃油脂。煎炸废油主要来源于快餐、烧烤等行业，由于受到反复高温加热，油脂不断发生氧化、分解、聚合等反应，营养成分遭到破坏，产生大量具有致癌作用的毒性物质；潲水油主要指餐馆或家庭的剩菜剩饭，含有大量油脂、淀粉、纤维素等成分，主要作为家畜的饲料，但在运输、存储过程中极易变质腐败、滋生有害细菌，产生大量毒素，而这些有害物质通过喂养家畜后经食物链又被人体吸收；地沟油是指从下水道或饭店废油桶中过滤得到的油脂，由于含大量的水分、糖类、蛋白质和盐分，地沟油极易酸败变质，人类误食这类油脂常引起恶心、呕吐、腹泻等肠胃疾病［1］。目前，我国每年产生的餐厨废油约700万t。由于餐厨废油油脂含量高，在利益的驱使下，每年近350 万t的餐厨废油经脱水、脱渣、脱臭、脱色处理后被不法商贩贩卖给餐馆，所引发的食品行业信任危机迟迟得不到缓解，食品安全问题迫在眉睫［2］。

大量餐厨废油的累积除了引发食品安全事故，还带来了巨大的环境污染风险。由于我国餐厨废油的量多且处理难度大，常常直接被排入下水道，而得不到及时有效的处理。油脂在下水道中与各类蚊蝇、病源微生物、生活垃圾、废弃化工产品等接触，经一系列生化反应后散发出酸败恶臭气味，严重影响城市生活环境。同时，油脂大量的堆积极易使下水道结垢堵塞，导致污水四溢，特别是在寒冷的冬季更为严重。此外，餐厨废油属大分子疏水性有机物，具有色泽深、不透明、凝固点高等特点，一旦流入江河，将会导致大面积的水体污染。

我国餐厨废油资源非常丰富，但其成分复杂、来源不稳定，相关的回收利用、检测方法与制度也不够完善。目前，国内处理餐厨废油的方式主要包括：（1）餐厨废油作为化工原料生产脂肪酸、脂肪醇、肥皂等产品，但这种处理方式易造成二次污染，且经济效益差；（2）将餐厨废油转化为清洁能源生物柴油，但目前生产生物柴油还存在着工艺技术落后和生产成本高等缺点；（3）将餐厨废油与其它餐厨垃圾混合作为家畜饲料，这种处理方式简单直接，但易将有害物质引入食物链而造成恶性循环。

国外对餐厨废油资源化的研究也较多，处理方式主要是：首先对其进行油水分离处理，再将分离得到的油脂作为生产原料回收利用，如用作柴油机的混合燃料［3］，生产生物柴油［4］、合成气［5］以及生物表面活性剂［6］等。其中餐厨废油微生物资源化产生物表面活性剂具有经济效益良好及环境友好等优点，已成为当前餐厨废油资源化较为流行的处理方式。餐厨废油能被多种微生物利用产生物表面活性剂，如产碱杆菌产生物破乳剂［7］、酵母菌产糖脂［8－9］、粘质沙雷菌［10］和枯草芽孢杆菌［11］产脂肽、假单胞菌产鼠李糖脂［11］等。

2 餐厨废油产鼠李糖脂的研究现状

2.1 鼠李糖脂的主要生产菌株

鼠李糖脂最早由Jarvis等发现，其结构由1～2个鼠李糖（亲水基）链接1～2个饱和或不饱和脂肪酸（疏水基）构成［12］，主要通过假单胞菌（Pseudomonas）或伯克氏菌（Burkholderia）代谢产生。可代谢产鼠李糖脂的菌株包括：肾杆菌属的R.salmoninarum［13］，不动杆菌属的A.calcoaceticus以及肠杆菌属的E.asburiae、E.hormaechei［14］，假单胞菌属的P.aeruginosa［11］、P.cepacia、P.acidovorans、P.picketti、P.fluorescen［15］、P.nitroreducens［16］、P.putida［17］等，伯克氏菌属的B.plantarii［18］、B.glumae［19］等菌株，但不同菌株代谢活性差异较大、鼠李糖脂产量各异。其中以假单胞菌代谢活性突出，且能更好地利用不同来源的餐厨废油作为碳源，并表现出较高的油脂利用率，因此，目前绝大部分餐厨废油资源化产鼠李糖脂的研究都以铜绿假单胞菌作为出发菌株。

2.2 鼠李糖脂的应用价值

鼠李糖脂具有无毒、生物相容性好、易生物降解、表面活性优良、乳化活性稳定、能耐受高温、高矿化度、强酸或强碱等极端条件的优点，同时具有较强的抗菌性能和抗毒活性［20］，目前已广泛应用于工农业、生物修复、微生物采油、食品、化妆品行业等领域。

近年来，随着工农业生产的发展，工业排放的废水、固体废弃物，农田中施用的农药以及石油开采中的井喷及运输中的泄漏等对水体和土壤的污染日趋严重。处理这类环境污染问题的传统方式是利用化学合成表面活性剂对污染源的增溶作用，但这类化学合成表面活性剂具有一定的环境毒性，且很难被自然修复或生物降解，因此被认为是额外添加的污染源［21］。而生物修复是通过加入微生物或生物表面活性剂，增强憎水性化合物的亲水性和生物可利用性，使进入环境的污染物不断地被降解，最终达到控制污染而不伤环境的目的。研究表明，鼠李糖脂对脂肪族、芳香族的烷烃乳化活性高于常用的化学表面活性剂（如Tween－80、Triton X－100），并能有效刺激氯苯甲酸等的降解［22］。鼠李糖脂不仅能提高烷烃、芳香烃的去除率，还可以缩短可被微生物利用的适应时间。2010年，美国俄勒冈州立大学研究发现，假单胞菌产鼠李糖脂可快速有效降解墨西哥湾漏油事故中释放出来的多环芳烃、致癌和诱发突变的化合物。鼠李糖脂也可用于修复受重金属污染的水源［23］等环境问题。

此外，鼠李糖脂还可以降低原油与水之间的界面张力，从而将大量被毛细管、孔隙夹持的原油释放出来，这为生物表面活性剂应用于石油工业提供了重要的理论依据［24］；同时，鼠李糖脂能很大程度地降低稠油黏度，有利于稠油的开采和远程运输［25］；再者，鼠李糖脂稳定性好，在大面积油田和地下贮藏条件下使用更为有效［26］。应用鼠李糖脂作驱油剂具有工艺简单、适用范围广、经济效益高和无污染等优点，且安全性能好，不损害地层，同时由于对鼠李糖脂的纯度要求不高，可直接使用含完整菌体的发酵液。正是因为鼠李糖脂所具有的较化学表面活性剂的独特优势，因而被广泛地应用于三次采油中。如今我国多数油田已经进入三次采油阶段，采出液含水率极高（90%以上）；同时，我国稠油资源丰富，储量达16亿t，但开采难度很大。经过多年发展，鼠李糖脂等生物表面活性剂用于三次采油和稠油开采都有很好的增产效果，已逐渐成为21世纪石油工业最重要的支撑点［27］。

2.3 餐厨废油产鼠李糖脂的生产及条件优化

目前，研究发现，鼠李糖脂产量普遍偏低，且不同出发菌株的产量差异也十分明显。菌株培养条件优化、菌种改良是提高鼠李糖脂产量并实现其产业化的关键。培养条件优化主要涉及发酵条件（pH 值、温度、转速、时间）优化和培养基组分（碳源、氮源、C／N值、盐浓度、微量元素）优化；而菌种改良包括紫外诱变选育高产菌株等。

2.3.1 碳源

实现鼠李糖脂的规模化生产，碳源价格是十分重要的成本控制因素，这是因为配制培养基的成本占整个生产成本的50%以上［6，28］，而碳源的种类和用量对鼠李糖脂的产量影响显著［29］。以大豆油为碳源时，利用P.aeruginosaWJ－1菌株产鼠李糖脂产量最高可达50.2g·L－1，同时产物的CMC 最低，为14mg·L－1［30］。

Partovi等［31］报道，与以精炼油作为碳源相比，废弃油脂能更有效地刺激微生物的生长及表面活性剂的合成。研究者大多采用煎炸废油、废弃橄榄油、葵花油、大豆油等作为铜绿假单胞菌的生长碳源。Xia等［30］对比不同浓度废弃的橄榄油、葵花籽油、大豆油、棉籽油、砂心油对鼠李糖脂产量的影响，结果表明，不同碳源与浓度对鼠李糖脂的产量影响显著，以废弃葵花籽油加量在80g·L－1时鼠李糖脂产量最大。Benincasa等［32］报道，假单胞菌能利用不饱和脂肪酸，如油酸、亚油酸、亚麻酸等；Zhang等［33］研究脂肪酸碳链长度（C12～C22）对鼠李糖脂产量的影响，结果表明，铜绿假单胞菌产鼠李糖脂的产量与C18脂肪酸含量成正比。这为针对性地选择碳源提高鼠李糖脂的产量提供了重要参考。

2.3.2 氮源

氮源分为有机氮源和无机氮源，不同种类的氮源对假单胞菌的糖脂合成能力影响也不同［34］。其中，铵盐和硝酸盐是两种常见的无机氮源。铵盐属于酸性氮源，被微生物利用后会产生大量的H＋，导致发酵液pH 值下降；而硝酸盐属于碱性氮源，微生物利用硝酸盐合成菌体时会释放出大量的OH－，使发酵液pH 值上升［35］。所以，以铵盐为唯一氮源会抑制不饱和脂肪酸单体的生成，从而抑制鼠李糖脂的合成。因此，硝酸盐氮比铵盐氮更能促进菌体的生长以及鼠李糖脂的积累［36］，其中硝酸钠是绝大部分研究所选用的氮源。

除了无机氮源外，发酵中还常使用蛋白胨、酵母膏、牛肉膏和玉米浆等有机氮源。它们作为复杂混合生物制剂，含有微生物所需要的丰富碳基质，能有效刺激菌体的生长，但也会导致菌体老化和缩短自溶时间，因而缩短产物分泌期，影响糖脂的最终产量。所以这些物质有利于菌体合成，却不利于次级代谢产物的合成。

因此，无机氮源比有机氮源更有利于菌体的代谢生长，且无机氮源具有价格优势［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，限氮环境有利于鼠李糖脂产量的提高［38－39］，在配制培养基时，无机氮源更易控制加入量。

2.3.3 C／N 值

Onwos等［16］认为培养基中的碳源、氮源浓度应该控制在一定C／N 值范围内才更有利于鼠李糖脂的积累。C／N 值过低，菌体提前自溶；C／N 值过高，菌体代谢异常，均不利于产物积累。Xia等［30］以葵花油为碳源，硝酸钠为氮源，其它组分不变，在C／N 值为8∶1时，鼠李糖脂的产量最高；C／N 值低于4∶1时，菌体浓度最大。郝东辉［40］以酵母粉与硝酸钠为复合氮源，当C／N 值为18∶1时鼠李糖脂产量最高，为5.40g·L－1；保持此最优C／N 值加大碳氮源浓度时，在碳源浓度为7%（体积比）时鼠李糖脂产量最高，达6.37g·L－1，产量提高18.0%。Guerra－Santos等［34］同样也证明C／N 值直接决定了鼠李糖脂的产量。

2.3.4 菌株

紫外诱变能改变铜绿假单胞菌的生长代谢特性。Zhu等［37］筛选出一株产鼠李糖脂的铜绿假单胞菌株P.aeruginosazju.u1M，并对该菌株进行紫外诱变育种，筛选得到高产鼠李糖脂的突变品系，实现了在4%（体积比）的餐厨废油浓度下，鼠李糖脂的产量几近翻倍，从突变前的12.47g·L－1增加至突变后的24.61 g·L－1（摇瓶发酵120h）。

2.3.5 其它

氯化钠和微量元素作为菌体生理活性物质合成时的调节物，低浓度时有利于菌体酶的合成、刺激产物的积累；浓度过高则会影响细胞膜的通透性，从而明显抑制菌体代谢作用。

发酵工艺对鼠李糖脂的产量也有明显影响。补料分批发酵不仅能有效解除发酵过程中的底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物质阻遏作用，还能降低染菌几率、提高产物的转化率。Luo等［41］改进发酵工艺，采用补料分批发酵实现增产28.8%，为大规模生产鼠李糖脂提供了参考。

pH 值和温度影响菌体体内的酶活性以及分子结构的稳定性；转速影响溶解氧与底物的传质；发酵时间决定了产物的积累量和餐厨废油的利用率。鼠李糖脂作为假单胞菌的次级代谢产物，在菌体进入稳定期后大量积累，而据Thaniyavarn 等［42］报道，菌体从稳定期进入衰亡期后，鼠李糖脂的产量依然能够稳定地增加，可为提高鼠李糖脂的产量以及发酵动力学的深入研究提供参考。

3 问题与展望

我国每年产生的餐厨废油数量庞大，因餐厨废油所引发的食品安全、环境污染等问题已严重影响到人类的生存。但餐厨废油作为一类可回收利用的廉价资源，只要利用得当，就可以变废为宝。虽然目前餐厨废油资源化产鼠李糖脂的室内研究较多，但普遍存在产量低、产物分离难等问题，限制了其进一步的产业化。为了提高鼠李糖脂的产量，还需要加强对餐厨废油的来源及保存问题和鼠李糖脂的分离提纯工艺等方面的研究。

餐厨废油资源化产鼠李糖脂作为一条有效处置餐厨废油、降低鼠李糖脂生产成本的新途径，前景可观。对餐厨废油资源化产鼠李糖脂工艺的不断改进和完善有望实现社会效益、经济效益和环境效益三者的统一。

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