從啤酒發(fā)酵廢水中提取核糖核酸
許寧，李志富，馮文華
（泰山醫(yī)學(xué)院工程學(xué)院，山東 泰安 271000） 摘要：廢酵母是啤酒工業(yè)廢水中的主要污染物。在常溫下，用10％的淡鹽水，從廢酵母中提取核糖核酸和脫核酵母，回收率為3.3％～3.5％和65.2％～66.5％。對(duì)提取液進(jìn)行預(yù)處理后，核糖核酸產(chǎn)品純度大于90％。提取核糖核酸和脫核酵母后廢水的BOD5 和CODcr分別下降81％和78％以上。
關(guān)鍵詞：啤酒；發(fā)酵；廢水；核糖核酸；脫核酵母
中圖分類(lèi)號(hào)：X791 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009－2455（2003） 03－0047—03 Extradion of Ribonucleic Acid fFOm Fermentation Wastewater of Brewery
XU Ning，LI Zhi-fu，F(xiàn)ENG Wen－h(huán)ua
（School of Engineering Taishan Medical College，Taian 271000,China） Abstract:Spent yeast is the main pollutant in the wastewater from breweries. The recovery rates of ribonu-cleic acid and deribonucleic yeast from spent yeast ambient temperature using 10％ dilute brine are 3.3％～3.5％and 65.2％～66.5％respectively.After the pretreatment of the extract，the purity of the ribonucleic acid proauct exceeus 90%.Alter the extraction of ribonucleic acid and deribonucleic yeast，the BOD5，and CODcr of the wastewater decrease by 81％and 78％ respectively.
Key words：beer；fermentation; wastewater; ribonucleic acid; deribonucleic yeast 目前，我國(guó)年產(chǎn)量在 10×l04 t以上的啤酒廠有幾十家，最小的年產(chǎn)量也在 10×103 t左右。這些廠遍布全國(guó)各地，生產(chǎn)中排出大量含有碳水化合物、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的廢水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)11啤酒約產(chǎn)出12—15 m3 的廢水，當(dāng)前全國(guó)啤酒年產(chǎn)量約為 2 ×l07t，每年產(chǎn)生大約 3×l08 m3 的廢水。啤酒工業(yè)廢水的污染指標(biāo)因所在地區(qū)和生產(chǎn)工藝的不同而略有差異，但大部分ρ（CODcr）＞1500 mg/L，ρ（BOD5）＞1000 mg/L，ρ（SS）＞280 mg/L[1]。
啤酒廢水中有機(jī)物主要來(lái)自釀造工序，如發(fā)酵過(guò)程中含有酵母殘余物、廢酵母的廢水，其BOD5 的質(zhì)量濃度高達(dá) 6800－13000 mg／L，約占整個(gè)廢水BOD5的82％[2]，而其中的廢酵母是主要污染物，1 g干酵母產(chǎn)生的 BOD5 約為 0.4 g[3]。因此，將這部分廢水中的廢酵母加以利用，提取核糖核酸并生產(chǎn)飼用脫核酵母，可變廢為寶，同時(shí)，大大降低廢水處理負(fù)荷。我們利用啤酒廠釀造工序廢水中的酵母，通過(guò)鹽析方法提取試驗(yàn)，回收高純度、低濁度的核糖核酸，確定了可行的工藝條件。 l 原理 酵母中核糖核酸（RNA）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2.67％－10.0％，脫氧核糖核酸（DNA）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03％－0.516％，其他真菌中RNA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.665％－28.5％，DNA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15％－3.30％[4-5]。啤酒酵母中的核糖核酸大多與蛋白質(zhì)結(jié)合成核蛋白，被包含在酵母細(xì)胞內(nèi)，菌體外有一層堅(jiān)韌的細(xì)胞壁。鹽析法提取酵母中的核糖核酸是通過(guò)改變細(xì)胞的滲透壓，利用其溶于水的特性使其溶解于水中，再通過(guò)調(diào)節(jié)pH值，將核糖核酸從溶液中沉淀出來(lái)，經(jīng)分離、洗滌、干燥后得成品核糖核酸。
試驗(yàn)流程如圖1所示。 2 試驗(yàn)原料和方法 2.1 原料
啤酒廢酵母：來(lái)自啤酒廠釀造車(chē)間；食鹽（市售）；鹽酸、氯化鈣、氫氧化鈉（工業(yè)級(jí)）、無(wú)水乙醇（分析純）；絮凝劑（工業(yè)用）。 
2.2 設(shè)備、儀器
帶攪拌和換熱裝置的敞口反應(yīng)器，板框壓濾機(jī)、離心分離機(jī)、沉淀漕、真空干燥器、751 GW型分光光度計(jì)、PHS－gV酸度計(jì)。
2.3 分析方法
至今，市場(chǎng)上對(duì)核糖核酸產(chǎn)品質(zhì)量還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只是國(guó)際上一些公司常用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。一般包括RNA含量（純度）、濁度、pH值等。RNA含量采用鋁藍(lán)比色法。水分采用重量法測(cè)定。濁度的分析方法通過(guò)透光率測(cè)定。
2.4 試驗(yàn)方法
整個(gè)實(shí)驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法，以確定最佳工藝條件。每組試驗(yàn)基本步驟為：
①將當(dāng)日排放的廢酵母，用清水洗滌3～4次，沉淀 30～40 h后，除去上層清水，取樣測(cè)定沉淀的水分。
?、趯⑺春蠛湍?0％－25％的原液加人反應(yīng)器，按不同的濃度加人精制食鹽，攪拌均勻后調(diào)節(jié)pH值，然后迅速升溫至90℃，并在90～95℃下保溫2～3 h。
?、蹖Ⅺ}析完成的物料冷卻至50～55℃，加入適量絮凝劑，然后進(jìn)行重相、輕相離心分離、洗滌。重相用于生產(chǎn)飼用脫核酵母。
?、茉诜蛛x出的清液中加人助凝劑和絮凝劑，控制適當(dāng)?shù)?pH值，沉淀后 2 h后進(jìn)行分離。
?、萆喜椒蛛x的清液冷卻至 20℃以下，用 6mol／L的鹽酸迅速把pH值調(diào)至2.0左右，并加入少量氯化鈣，沉淀0.5 h后，去掉上清液，再離心分離。
?、抻胮H為2.0左右的去離子水洗滌濾餅數(shù)次，除去殘鹽及水溶性雜質(zhì)。
⑦用不同濃度的乙醇分別洗滌濾餅數(shù)次，以便除去醇溶性雜質(zhì)和色素。
?、噙^(guò)濾除去乙醇，并在55～60℃的真空干燥器中干燥，然后粉碎過(guò)80目篩得成品核糖核酸。 3 試驗(yàn)結(jié)果與討論 3.1 核糖核酸的回收率
濕酵母含水75％～80％，每批試驗(yàn)投料為折干酵母 500 g?；厥章蕯?shù)據(jù)如表 1。以干酵母為基準(zhǔn)的回收率，核糖核酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.3％～3.5％，脫核酵母的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65.2％～66.5％。
表1 回收率試驗(yàn)數(shù)據(jù) |
| 序號(hào) | 核糖核酸 | 脫核酵母 |
|
| 干重/g | 質(zhì)量分?jǐn)?shù)／％ | 回收率／％ | 干重/g | 回收率／％ |
| 1 | 18.6 | 91.2 | 3.4 | 331.0 | 66.2 | 2 | 18.1 | 91.2 | 3.3 | 332.5 | 66.5 | 3 | 18.2 | 90.9 | 3.3 | 331.5 | 66.3 | 4 | 18.7 | 91.0 | 3.4 | 327.0 | 65.4 | 5 | 19.3 | 90.7 | 3.5 | 326.0 | 65.2 | 6 | 18.2 | 90.5 | 3.3 | 327.5 | 65.5 | 7 | 19.4 | 90.2 | 3.5 | 329.5 | 65.9 | 8 | 19.4 | 90.1 | 3.5 | 328.5 | 65.7 | 平均 | | 90.7 | 3.4 | 328.5 | 65.8 |
|
3.2 鹽析的影響因素
影響鹽析中核糖核酸回收率的主要因素有鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溶液出值和升溫速率。其中在溶液pH值6.0～7.0 時(shí)，鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響結(jié)果如表 2 所示。
鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 9.0 ％～11.0 ％時(shí)，回收率可達(dá)3.4％以上；鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 7.0％～9.0 ％時(shí)，回收率為 3.0 ％～3.3％；當(dāng)鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于 7.0％后，回收率大幅度下降。試驗(yàn)還表明，加鹽后必須快速將溶液升溫至90℃，盡可能縮短20～70℃之間的停留時(shí)間，減少磷酸二脂酶的降解率，提高核糖核酸的回收率。 表2 鹽的質(zhì)且分貝對(duì)核出核糖核酸回收率的影響 |
| 序號(hào) | 溶液鹽的質(zhì)
量分?jǐn)?shù)／％ | 核糖核酸 | 純核糖核酸
回收率／％ |
|
| 干重/g | 質(zhì)量分?jǐn)?shù)／% | |
| 1 | 11.0 | 19.3 | 90.8 | 3.5 | 2 | 10.0 | 19.3 | 90.7 | 3.5 | 3 | 9.0 | 19.2 | 91.1 | 3.4 | 4 | 8.0 | 18.2 | 90.9 | 3.3 | 5 | 7.0 | 16.4 | 91.2 | 3.0 | 6 | 6.0 | 14.8 | 91.0 | 2.7 |
| | （pH=6.0～7.0.每批投料 500 g 折干酵母） |
3.3 抽取液的預(yù)處理
為獲得低濁度的核糖核酸，對(duì)分離出的抽取液進(jìn)行預(yù)處理是關(guān)鍵的一步。在鹽析后、分離前加人適當(dāng)?shù)男跄齽┯欣谳p、重相的離心分離，但投加量過(guò)多會(huì)影響洗滌效果，造成較大流失，影響回收率。經(jīng)過(guò)篩選試驗(yàn)，采用聚丙烯酸鈉做絮凝劑，用氯化亞鐵作助凝劑，在 pH=6.0±0.5時(shí)，效果較好。沉降后的清液直接分離核糖核酸，產(chǎn)品的濁度仍然高于 26％，必須將其中懸浮的顆料進(jìn)一步分離。試驗(yàn)中采用硅藻土過(guò)濾機(jī)進(jìn)行過(guò)濾，使產(chǎn)品的濁度控制在17％～20％之間。
預(yù)處理主要除去的是微粒狀懸浮物和部分自港蛋白質(zhì)，要將大部分自溶蛋白質(zhì)除去，還要進(jìn)一步研究適當(dāng)?shù)墓に嚄l件。
3.4 核糖核酸的分離
在常溫條件下，將預(yù)處理后的抽取液，控制pH值為2.0左右即可沉淀出核糖核酸。與常用的低溫法相比，回收率沒(méi)有下降。加人0.5%～1.0％的氯化鈣后，使沉淀時(shí)間由原來(lái)的 2h 以上縮短到0.5 h 以?xún)?nèi)，且沉淀效果明顯好轉(zhuǎn)，離心分離容易。
核糖核酸在稀堿或酸性條件下，都會(huì)產(chǎn)生不同程度的降解，只在低溫酸性條件下比較穩(wěn)定。所以，加入少量氯化鈣促進(jìn)沉淀，不但可以縮短常溫下停留時(shí)間，而且可以減少降解損失。
3.5 對(duì)廢水污染的控制效果
來(lái)自釀造工序的廢水通過(guò)沉降、過(guò)濾分離后，所含廢酵母的81％～84％被分離下來(lái)，試驗(yàn)所用幾次廢水水樣分離前后的BOD5，CODcr，SS數(shù)據(jù)列于表3。分離酵母后，廢水的BOD5，和CODcr分別下降80％和78％以上。 4 回收量分析 不同廠家釀造工序的廢水量波動(dòng)較大，一般含廢酵母17～33 g／L，經(jīng)沉降、過(guò)濾可分離出其中的81％以上。當(dāng)核糖核酸回收率達(dá)到3.3％時(shí)，可從每升廢水中回收0.6～1.1g 的核糖核酸，同時(shí)回收11.1～21.5 g 的脫核酵母。每公斤干酵母消耗食鹽為 1 kg。洗滌用乙醇循環(huán)使用，但損耗較大，約為30％。 表3 分離酵母前后水樣的分析結(jié)果 |
| 序號(hào) | 分離前 | 分離后 |
|
| ρ（BOD5）／
（mg·L-1） | ρ（COD）／
（mg·L-1） | ρ（SS）／
（mg·L-1） |
ρ（BOD5）／
（mg·L-1）
| ρ（COD）／
（mg·L-1） | ρ（SS）／
（mg·L-1） |
| 1 | 10137 | 712 | 10180 | 1923 | 143 | 772 | 2 | 10950 | 691 | 11072 | 2061 | 137 | 593 | 3 | 12420 | 387 | 12561 | 2294 | 132 | 654 | 4 | 13017 | 578 | 13095 | 2407 | 110 | 815 | 5 | 12366 | 614 | 12505 | 2299 | 117 | 930 |
|
5 結(jié)論 ?、俦竟に囋诔叵掠玫}提取核糖核酸，與常規(guī)的低溫濃鹽法相比，在保證較高回收率的前提下，縮短了生產(chǎn)周期，降低能耗。
②回收的核糖核酸產(chǎn)品純度大于90％，濁度小于20％。
?、塾迷摲椒ㄌ崛『颂呛怂?，并同時(shí)回收脫核酵母后，釀造工序廢水的BOD5 和CODcr 均有較大幅度的降低。 參考文獻(xiàn)： [1] 管敦義.啤酒工業(yè)手冊(cè)[M].北京：輕工業(yè)出版社，1998
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作者簡(jiǎn)介：許寧（1961－），男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，從事水污染控制工程的研究與教學(xué)工作，電話(huà)（0538）8513255。 | 
