从大豆浸泡水中回收的外源氮添加对试点规模单细胞蛋白质生产的影响

《Bioresource Technology》：Effects of recovered exogenous nitrogen addition on pilot-scale single-cell protein production from soybean soaking water

本研究通过补充鸡粪回收的硫酸铵氮源，优化碳氮比至33，实现了大豆浸泡废水的高效处理与单细胞蛋白（SCP）生产，使SCP产量提升至0.34 g/g COD去除率，蛋白质含量达47.7%，但过量氮源引发硫化物积累和金属沉淀问题，为循环生物经济提供新路径。

　　

徐辉|蒲英秋|王莉|黄荣|周岩

东华大学环境科学与工程学院，上海201620，中国

摘要

通过单细胞蛋白（SCP）的生产来利用富含营养的食品加工废水，为同时减少污染和补充蛋白质供应提供了一种可持续的途径。然而，此类废水中常见的氮缺乏限制了微生物蛋白质的有效合成。本研究展示了使用从鸡粪中回收的硫酸铵作为可持续氮源，从实际的大豆浸泡水中（SSW）进行SCP的试点规模生产。在没有补充氮的情况下，氮限制的SSW每去除1克化学需氧量（COD_R）仅产生0.18±0.03克SCP，其粗蛋白含量为42.0±1.0%。以33的碳氮比添加回收的氮后，性能显著提高，SCP产量增加到每去除1克COD_R产生0.34±0.04克，蛋白质含量提高到47.7±1.0%。然而，过量的氮添加导致了硫化物的积累以及SCP中痕量金属的沉淀。这种综合方法有效地将废水处理与高价值SCP的生产相结合，推动了食品行业的循环生物经济的发展。

引言

食品加工废水在原材料处理、设备清洁和设施卫生过程中产生，其典型特征是高有机负荷（化学需氧量（COD）为2,000–10,000 mg/L），成分变化较大，悬浮固体含量较高（例如300–1,000 mg/L）（Huang等人，2025年；Shrivastava等人，2022年）。特别是高有机含量使得这种废水成为资源回收的有希望的候选对象（He等人，2005年；Hernández等人，2021年）。近年来，单细胞蛋白（SCP）的生产作为一种可持续策略，越来越受到关注，旨在缓解全球蛋白质短缺问题同时减少环境足迹（Li等人，2024b年；Sharif等人，2021年）。该技术具有显著优势，包括高效率、可持续性、有价值的营养成分以及广泛的原料适用性（Li等人，2025年；Martínez-Ibá?ez等人，2025年）。它能够将富含有机物的废水转化为微生物生物质，从而在处理废水的同时产生经济效益（Jones等人，2020年；Tian等人，2023年）。然而，以往关于从这些废水中生产SCP的研究主要局限于短期实验室规模实验（Vethathirri等人，2023年；Vethathirri等人，2021年），对于长期运行动态、系统在波动进水条件下的稳定性以及微生物群落的演变了解有限。

食品加工废水的成分和浓度根据生产方法和原材料的不同而有很大差异。这种变异性对稳定的SCP生产构成了重大挑战，因为微生物培养通常对水质波动很敏感。特别是，由于原材料和加工过程的差异，关键营养物质（如碳、氮和磷）的变化在以往的研究中尚未得到充分关注（Zhao等人，2024年）。氮对微生物生长至关重要，其缺乏会严重限制SCP的产量和蛋白质含量，从而影响工艺的可行性（Huang等人，2025年；Widdig等人，2020年）。大豆浸泡废水就是一个相关的例子：在浸泡过程中，大量有机物渗入水中，而大部分氮以蛋白质的形式留在固体基质中，导致废水的碳氮（C/N）比显著较高（Huang等人，2025年；Santillan等人，2024年）。尽管商业氮源如硫酸铵（(NH₄)₂SO₄和尿素被广泛使用（Aidoo等人，2023年；Sun等人，2024年），但处理高C/N比的废水通常需要大量添加氮，这会增加运营成本。一种更可持续且成本效益更高的方法是从废弃物流（如畜禽消化物）中回收氨氮。例如，可以通过曝气/萃取和酸吸收从鸡场废水中回收氨，从而产生可再利用的富氮溶液，同时减少下游的氮负荷（Limoli等人，2016年；Matassa等人，2022年；Palakodeti等人，2021年）。使用回收的氮不仅缓解了氮的限制，还促进了SCP生产中的循环养分利用（Matassa等人，2022年；Sapkota等人，2024年）。据我们所知，之前尚未探索过使用从鸡场回收的氨氮来提高食品加工废水中的SCP产量和蛋白质质量。

此外，替代氮源中同时存在的元素（如回收的(NH₄)₂SO₄中的硫酸根）及其对SCP生产系统的潜在影响也受到了有限关注（Nasseri等人，2011年；Reihani和Khosravi-Darani，2019年）。这些元素可能会影响微生物代谢以及最终SCP产品的质量和安全性。因此，对SCP生产过程的全面评估必须不仅考虑生产力，还要考虑在不同操作条件下的生物质元素组成。此外，确定最佳的C/N比需要平衡考虑SCP的产量和质量，同时理解微生物群落结构的动态对于阐明工艺性能至关重要。

基于上述考虑，本研究调查了使用实际的大豆浸泡废水，并添加从鸡场回收的(NH₄)₂SO₄进行试点规模SCP生产的可行性。具体目标包括：（1）评估废水质量变化对长期运行中SCP产量和组成的影响；（2）系统分析添加这种回收的(NH₄)₂SO₄对SCP生产力、蛋白质含量和氨基酸组成的影响；（3）研究不同C/N比对微生物群落结构和SCP质量的影响，包括潜在的金属元素积累；（4）确定高效和高价值SCP生产的最佳C/N比。结果表明，使用实际的大豆浸泡废水可以扩大稳定的SCP生产过程，为废水处理和蛋白质生产提供见解。

部分摘录

接种的生物质和食品加工废水

从5升实验室规模的反应器中获得了4升种子生物质。该生物质最初在30升实验室规模的反应器中培养。两个实验室规模的反应器（5升和30升）均以连续批次模式处理大豆浸泡水。每个操作周期包括3小时的厌氧阶段、21小时的好氧阶段和1小时的沉淀阶段。操作参数（见补充材料，表S1）是基于初步实验确定的（Huang等人，2025年，

试点规模SCP生产反应器的性能

试点规模反应器的COD去除性能如图1a所示。在第一阶段（第1-28天），反应器处于启动阶段，出水的COD相对较高，范围在436 mg/L到1834 mg/L之间。28天后，出水COD浓度逐渐下降并稳定在300 mg/L以下，表明试点规模反应器成功启动。在第二阶段（第29-165天），没有额外添加氮。

结论

本研究探讨了使用好氧SCP技术将实际食品加工废水转化为高价值蛋白质产品的可行性。初步实验表明，废水中固有的氮含量低导致SCP产量和蛋白质含量不令人满意。通过添加从家禽场回收的(NH₄)₂SO₄有效解决了这一限制。在优化的操作条件下（HRT为1.5天，DO为0.5–1.5 mg/L，C/N比为

CRediT作者贡献声明

徐辉：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，可视化，监督，资源准备，方法学，调查，数据分析，概念化。蒲英秋：数据管理。王莉：调查，数据分析，数据管理。黄荣：验证，调查，数据分析。周岩：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，资金获取，数据分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了新加坡国家研究基金会（编号：04MNP001346N025）和中国国家自然科学基金（编号：52500070）的支持。