《Journal of Dairy Science》：Wastewater treatment techniques for application in fat recovery from waste ice cream
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本研究针对冰淇淋生产过程中产生的大量废弃冰淇淋（WIC）造成资源浪费的问题，探索了利用废水处理技术回收其中高价值脂肪成分的新策略。研究人员系统评估了多种絮凝剂（Flocculants）和混凝剂（Coagulants）对五种不同冰淇淋的脂肪分离效果，发现絮凝法能高效浓缩89%-100%的脂肪，且脱脂后的水相可作为发酵基质生产广谱细菌素（Thermophilin 110）和乙醇（~10%）。该研究为WIC的资源化利用提供了经济可行的技术路径，对减少食品工业浪费、促进循环经济具有重要意义。
冰淇淋作为一种广受欢迎的乳制品，在美国创造了巨大的市场价值。然而，在其生产过程中，即使质量合格，也会产生大量的产品损失。这些废弃冰淇淋（Waste Ice Cream, WIC）富含脂肪、蛋白质和糖类等宝贵成分，但由于生产线上不同废物流的混合以及冰淇淋中含有的多种过敏原，使得这些物料难以直接回用于食品生产，最终只能被丢弃，每年给生产商带来数百万美元的经济损失和环境处置负担。因此，开发高效的技术来回收WIC中的有价值成分，并将其转化为新的食品或非食品原料，成为了冰淇淋行业亟待解决的问题。
在WIC的众多成分中，乳脂（Butterfat）价值最高，其含量根据冰淇淋品类不同，从脱脂冰淇淋的0.7%到超 premium 冰淇淋的20%不等。如果能将脂肪有效地分离出来，并通过精炼制成油脂产品，理论上可以避免过敏风险，实现高值化利用。然而，WIC中脂肪的自然分离速度极慢，无法满足工业化生产的需求。此前，研究人员尝试过离心、结合酶解或搅拌等多种分离技术，但都存在各自的局限性。例如，离心法对均质后牛奶的脂肪浓缩上限约为44%，部分原因是均质过程中酪蛋白胶束在脂肪球上的沉积增加了脂肪球的表观密度，使得小脂肪球难以通过离心回收。而使用乙醇破坏乳液稳定性的方法虽然能获得高纯度（98%，干基）的脂肪，但回收率仅有50%。因此，业界迫切需要一种能够以高回收率、低处理成本和更短时间分离乳脂的新工艺。
正是在这一背景下，发表于《Journal of Dairy Science》的这项研究，另辟蹊径地将目光投向了成熟的废水处理技术——絮凝法和溶解空气浮选法（Dissolved Air Flotation, DAF），旨在评估它们用于WIC脂肪回收的潜力，并探索分离后副产物的增值利用途径。
为了开展这项研究，研究人员主要应用了几项关键技术：首先，他们选取了五种具有不同脂肪含量（9.8%-11.7%）的商业香草冰淇淋作为模型WIC样本。核心的分离技术包括溶解空气浮选（DAF）实验和化学絮凝实验。在DAF测试中，使用定制的小型设备对融化的冰淇淋进行处理，考察不同回流比下的分离效果。在絮凝实验中，系统测试了多种混凝剂（如氯化铁、多种聚氯化铝）和絮凝剂（如多种阳离子、阴离子、非离子型聚丙烯酰胺），详细研究了絮凝剂类型、冰淇淋品种、处理温度、pH值以及酶预处理对脂肪分离效率的影响。脂肪含量的定量分析采用时域核磁共振法。此外，研究还评估了絮凝处理后得到的脱脂水相作为发酵培养基的潜力，分别用于接种 Streptococcus thermophilus B59671 生产细菌素 Thermophilin 110，以及接种 Saccharomyces cerevisiae Y45 进行乙醇发酵，并采用高效液相色谱监测发酵过程。
结果与讨论
溶解空气浮选性能评估
初步DAF测试表明，该方法能够分离脂肪，但过程需要加入大量水，导致即使回收的富脂部分其脂肪浓度也低于原始冰淇淋。冰淇淋本身的泡沫会给DAF系统引入额外空气，造成干扰。脱气后（密度从0.61 g/mL增至1.05 g/mL）的DAF处理，其顶部、中部和底部样品的脂肪浓度相近（约2.0%-2.3%），分离效果不佳。当结合使用氯化铁混凝剂和CTI-EM 440 BD絮凝剂时，DAF形成了清晰的分层，顶部脂肪浓度达到9.2%（湿基），但依然低于单纯使用絮凝加重力过滤所能达到的22.1%（湿基）。因此，研究认为DAF在此应用场景下不如重力絮凝分离有效。
絮凝剂的效果
在测试的多种絮凝剂中，只有阳离子聚合物类型能够在未修饰的冰淇淋中成功引发絮凝。其中，三种阳离子乳液絮凝剂C1596、C1598和C1600（与氯化铁联用）表现突出，均能分离出90%以上的脂肪。C1600效果最佳，它能使脂肪富集层重量仅占原样的50%，脂肪浓度达到19.8%（湿基），但其用量也显著高于其他两者。与先前需要三次离心才能达到85%-93%脂肪回收率且最高脂肪浓度为38%（湿基）的工艺相比，絮凝法能以更简单的操作获得更高的脂肪回收率，但脂肪流的纯度较低。
冰淇淋品种的影响
研究考察了絮凝法对不同品牌冰淇淋（P, B, G, H, T）的普适性。所有品种均能通过C1600絮凝剂形成絮凝体。脂肪回收率都很高，但脱水性能（表现为顶部富脂层的重量占比）和浓缩后的脂肪浓度存在差异。冰淇淋P的脱水效果最好（顶部重量占比约50%），脂肪浓度最高（19.8%），而冰淇淋T的脂肪浓度最低（11.7%）。值得注意的是，P和T两个品种需要更多的絮凝剂才能形成絮凝，这可能与其特定的成分有关。
温度的影响
考察了温度（13.5°C至38°C）对C1598和C1600两种絮凝剂效果的影响。对于C1598，温度升高（从25°C到38°C）能显著减少絮凝剂用量。总体而言，低温有利于脂肪浓缩，但需要更多絮凝剂；高温则节省絮凝剂，但浓缩效果稍差。成本估算表明，在当前能源和絮凝剂价格下，使用更多絮凝剂在低温下操作比加热冰淇淋以节省絮凝剂更为经济。絮凝法对温度变化不敏感的特性，使其相较于需要严格温控的离心、搅拌等传统方法更具操作优势。
pH值的影响
测试了pH值（3.5, 4.3, 5.0, 6.5, 8.0, 9.0）对絮凝的影响。pH 6.5及以上无法成功絮凝。在酸性条件下（pH 3.5, 4.3, 5.0），pH 4.3（即添加标准量氯化铁后自然达到的pH值）表现最佳，平均脂肪浓度最高，富脂层重量占比最低，且无需额外调节酸碱度，是WIC絮凝分离脂肪的最佳pH条件。
酶处理的效果
研究了酶预处理（凝乳酶、Flavorzyme）对絮凝的影响。酶解旨在水解乳化蛋白质，促进脂肪释放。结果显示，酶处理能显著提高脂肪回收率（均超过95%），但导致富脂层体积大幅增加，脂肪浓度相应下降。推测酶解增加了蛋白质表面积，增强了与絮凝剂的相互作用，形成了能包裹所有脂肪但同时也滞留更多水分和非脂成分的基质。此外，酶处理后，一些原本对未处理冰淇淋无效的阴离子絮凝剂（如4816）也能引发絮凝，但效果仍不理想。
絮凝副产物用于细菌素生产
评估了C1600絮凝处理后脱脂水相作为 Streptococcus thermophilus B59671 发酵培养基生产细菌素 Thermophilin 110 的能力。初始pH（~4.5）的水相无法支持菌体生长和细菌素生产。将pH调整至6.0后，获得了与标准培养基TYL相当的细菌素产量。研究发现，奶酪cloth过滤后的水相中存在白色沉淀（可能是残留絮凝剂），通过离心或离心后膜过滤可去除该沉淀，处理后的水相在pH 6.4下能良好支持细菌素生产。这表明水相可作为发酵基质，但残留絮凝剂可能限制其食品应用，需更严格过滤或转向非食品用途（如生物膜清除剂）。
絮凝副产物用于乙醇生产
pH调整至约6.4的脱脂水相，在添加乳糖酶、蛋白酶和磷酸二铵后，能有效支持 Saccharomyces cerevisiae Y45 的生长和乙醇发酵。发酵约48小时完成，最终乙醇浓度超过10%（体积比/体积比），蔗糖和葡萄糖被完全消耗，半乳糖有残留。这与之前使用搅拌法脱脂水相发酵的结果相似，证明了絮凝法产生的糖流同样适用于生物燃料生产。
结论
本研究证实，混凝和絮凝技术为从废弃冰淇淋中回收脂肪提供了一条有效的新途径。该工艺能产生一个浓缩的脂肪-蛋白质流和一个浓缩的糖流。虽然当前回收的脂肪因絮凝剂的存在尚不适用于食品工业，但可通过进一步纯化或转向生物柴油生产等方式实现价值。更重要的是，脱脂后的水相被证明是良好的发酵基质，可用于生产具有抗菌活性的细菌素和乙醇。絮凝法相较于离心、搅拌等传统方法，具有脂肪回收率高、无需酶解预处理、无需高强度机械加工、对温度控制要求宽松等优点。然而，它需要添加无机混凝剂和絮凝剂，且产品纯度不及其他技术。溶解空气浮选法在本研究中并未显示出优于重力絮凝分离的效果。这项研究为冰淇淋工业废弃物的资源化循环利用提供了具有潜力的技术方案，对降低生产成本、减少环境足迹、推动循环经济发展具有重要意义。
