蔬菜廢棄物資源化利用—生產(chǎn)乳?；旌巷暳?/h1>
2016-10-25 08:15:22陳靜靜,李建華,TAKAHASHIJUNICHI等
中國(guó)科技信息 2016年19期
蔬菜廢棄物資源化利用—生產(chǎn)乳?；旌巷暳?/p>
近年來(lái)，我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。2013年我國(guó)蔬菜種植面積2.0899×107 hm2，總產(chǎn)量達(dá)7.35×109 t（國(guó)家統(tǒng)計(jì)局農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查司，2014），分別占世界蔬菜種植面積和產(chǎn)量的41.75%和50.96%，均居世界第一位。由此，隨之產(chǎn)生的蔬菜廢棄物也在不斷增長(zhǎng)。我國(guó)是世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國(guó)家，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)蔬菜廢棄物達(dá)到了1.0×109 t。據(jù)王亞靜等（2010）統(tǒng)計(jì)，我國(guó)蔬菜廢棄物可收集利用率為0.80，由此可推算出2013年我國(guó)資源化利用的蔬菜廢棄物為2.15×109 t左右。
這些大量的蔬菜廢棄物如果不經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理就將污染排放進(jìn)入外界環(huán)境，將會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和資源浪費(fèi)。大量的蔬菜廢棄物積累，與有害微生物相互作用導(dǎo)致腐敗變質(zhì)。在此過(guò)程中生成NH3， H2S， CO2， CH4，乙烯，乙炔等化學(xué)物質(zhì)，導(dǎo)致嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染，對(duì)人類身心健康和正常生活造成影響。根據(jù)2008年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年北京的蔬菜浪費(fèi)達(dá)到3.333×106 t，其中70%的污染物在不經(jīng)過(guò)任何處理的情況下直接填埋堆肥。這種蔬菜污染可為病原菌傳播提供便利，引起大范圍的蔬菜疾??；并且，此污染也能通過(guò)降雨進(jìn)入地表水和地下水，引起地下污水的滲透和泄漏，這是蔬菜種植區(qū)域最嚴(yán)重的污染源之一，對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境衛(wèi)生與農(nóng)產(chǎn)品安全造成威脅；另外，蔬菜廢棄物富含有大量的從土壤中吸取的有機(jī)物，因?yàn)槠錁O低的利用率，這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也被白白浪費(fèi)。
因此，解決并利用蔬菜垃圾有著極大的需求。目前，國(guó)內(nèi)主要有如下幾種蔬菜廢棄物循環(huán)利用方法：熱處理、蒸發(fā)、膜處理、厭氧消化、厭氧共消化、生物柴油、直接燃燒、酯交換反應(yīng)混凝與堆肥。各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。
本實(shí)驗(yàn)利用BIO-PKC微生菌，通過(guò)發(fā)酵高含水率的農(nóng)業(yè)廢棄物，提高它們的品質(zhì)，使其易于保存。另外，回收利用蔬菜垃圾可以降低環(huán)境污染，通過(guò)同步種植蔬菜與飼養(yǎng)動(dòng)物減少群落的整體能源成本。目前本實(shí)驗(yàn)圍繞利用BIOPKC發(fā)酵與保存蔬菜廢棄物的展開(kāi)初步實(shí)驗(yàn)。
材料與方法
蔬菜垃圾實(shí)驗(yàn)材料
西蘭花廢棄部分：根，莖
微生物材料
BIO-PKC（丸紅，日本）用于發(fā)酵蔬菜垃圾。BIO-PKC是一種厭氧菌與好氧菌并存的混合菌種，包括芽孢桿菌、乳酸菌、鏈球菌、白色念珠菌、硝化菌、甲烷氧化菌、硫酸鹽還原菌和光合細(xì)菌。
西蘭花廢棄物發(fā)酵產(chǎn)物的制作
將西蘭花廢棄物經(jīng)過(guò)切割，并于一定量（0%，1%，2%）BIO-PKC生物菌攪拌均勻，密封并保存在室溫20～35℃的環(huán)境中發(fā)酵兩個(gè)月，每15d進(jìn)行采樣。
西蘭花廢棄物的發(fā)酵產(chǎn)物發(fā)酵指標(biāo)評(píng)估：
表1 蔬菜廢棄物循環(huán)利用方法
pH， 電導(dǎo)率 NH3-N， 揮發(fā)性脂肪酸， 糖類， 乙醇
1） pH 多參數(shù)測(cè)試儀，梅特勒-托利多，上海
2） 電導(dǎo)率 實(shí)驗(yàn)室電導(dǎo)率儀FE30，梅特勒-托利多，上海
3） NH3-N 納氏試劑分光光度法
4） 揮發(fā)性脂肪酸 GC-2010plus氣相色譜儀，島津，日本
5） 乙醇 安捷倫1260高效液相色譜，安捷倫科技，德國(guó)
纖維素部分：
1）中性纖維素 NDF 范式洗滌法
2）酸性纖維素 ADF 范式洗滌法
圖1 發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)和評(píng)價(jià)
圖2 用BIO-PKC發(fā)酵西蘭花60d中PH值的變化
圖3 用BIO-PKC發(fā)酵西蘭花60d中其ORP的變化
圖4 用BIO-PKC 發(fā)酵西蘭花60d中乙醇（在干物質(zhì)中）含量的變化
圖5 用BIO-PKC 對(duì)西蘭花發(fā)酵60天中乙酸（在干物質(zhì)中）含量的變化
結(jié)果與分析
前15d的發(fā)酵中，pH值都從7.1下降到4.0，在后15d中，pH都比較的穩(wěn)定，用1%的PH值最低。
ORP的變化情況基本呈現(xiàn)V字形，從0到15d，或者30d，ORP從-140下降到了-280，后15d中又有所上升。發(fā)酵15d時(shí)，2%的BIO-PKC 處理的西蘭花的OPR值最低。
從發(fā)酵開(kāi)始到30d，乙醇含量都在上升，30d后，乙醇的含量基本保持平穩(wěn)。不用BIO-PKC處理發(fā)酵，乙醇的含量最高。
從發(fā)酵開(kāi)始到15d or 30 ，其乙酸的含量會(huì)一直上升，經(jīng)BIO-PKC處理的經(jīng)60天后其乙酸的含量比不處理的低，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，用1%和2%沒(méi)有多大的影響。
盡管在發(fā)酵過(guò)程中，氨氮的含量呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，但是總體來(lái)說(shuō)，用1%處理的最后的氨基酸含量偏低。
用1%處理和不處理發(fā)酵到30d，其ADF含量在增加，但是30d之后，又有所降低，而且1%處理的降的最低
用1%處理和不處理方法，NDF含量在前30d在持續(xù)的升高，而后30d又有所下降，并且%1下降到最低。用2%處理的在15d時(shí)達(dá)到高峰，但以后又陡降
新鮮的西蘭花含有大量的可溶性糖，經(jīng)過(guò)60d的發(fā)酵，糖明顯的減少，且最后這三者無(wú)顯著差別。但也可以看出：2%＞1%＞0
圖6 用BIO-PKC 對(duì)西蘭花發(fā)酵60d中氨氮（在干物質(zhì)中）含量的變化
圖7 用BIO-PKC 對(duì)西蘭花發(fā)酵60d中ADF（在干物質(zhì)中）含量的變化
圖8 用BIO-PKC 對(duì)西蘭花發(fā)酵60d中NDF（在干物質(zhì)中）含量的變化
圖9 用BIO-PKC 對(duì)西蘭花發(fā)酵60d中可溶性糖（在干物質(zhì)中）含量的變化
討論與結(jié)論
一般來(lái)說(shuō)， 高水分青貯飼料的厭氧發(fā)酵中，對(duì)于儲(chǔ)存的反芻家畜飼料合適的pH值是小于4.2，這是因?yàn)橛袡C(jī)酸比如乳酸和醋酸的生成等。在目前的研究中， 在第15d發(fā)酵時(shí)，每組西蘭花廢棄物（自然發(fā)酵組和BIO-PKC發(fā)酵組）中的pH值下降到4左右，乙酸含量也有所增加。通常在早期發(fā)酵階段階段，乳酸和醋酸發(fā)酵細(xì)菌利用可發(fā)酵的碳水化合物，如淀粉、糖類等底物，該細(xì)菌將在有機(jī)酸產(chǎn)生而導(dǎo)致酸性的條件下停止活動(dòng)， 隨后該細(xì)菌的生態(tài)系統(tǒng)將被纖維素降解細(xì)菌和和半纖維素降解酶取代。
ORP值反映了飼料的氧化還原電位性質(zhì)。在發(fā)酵30d時(shí)， ORP通常有所改變（圖3）。即在第一階段的發(fā)酵0-30d， ORP大幅下降同時(shí)伴隨著乙酸的生成（圖4）。在第二階段30 ～ 60d， ORP由于氨氮的增加ORP值有所上升（圖6）。
對(duì)照組中的乙醇含量高于BIO-PKC組，這意味著對(duì)于高水分西蘭花廢物自然發(fā)酵生成乙醇多于添加了BIOPKC發(fā)酵產(chǎn)物中的乙醇 （圖4）。這或許能夠解釋為BIO-PKC優(yōu)化了微生物代謝，改變微生物生態(tài)系統(tǒng)。通常，在新鮮蔬菜廢棄物表面有足夠數(shù)量的天然酵母、釀酒酵母，使得厭氧發(fā)酵過(guò)程中能夠很快產(chǎn)生乙醇。另一方面， BIOPKC包含一個(gè)替代酒精發(fā)酵酵母，白色念珠菌，這種菌可能與天然釀酒酵母爭(zhēng)奪輕易可發(fā)酵碳水化合物基質(zhì)，生產(chǎn)乙醇和乙酸。此外，對(duì)照組的西蘭花廢物中含有天然乳酸細(xì)菌，雜發(fā)酵乳酸菌， 除了乳酸，這種菌還可以生產(chǎn)乙醇和醋酸。BIO-PKC還包含人類發(fā)酵的乳酸菌，這種菌只會(huì)產(chǎn)生乳酸。因此，相比于對(duì)照組的西蘭花廢物，BIO-PKC生產(chǎn)相對(duì)較低的乙醇和乙酸含量，因此推斷出BIO-PKC可促進(jìn)乳酸的生產(chǎn)。
盡管早期發(fā)酵階段，ADF和NDF相對(duì)含量明顯增加，但絕對(duì)值在這個(gè)階段并不一定改變，這個(gè)由于發(fā)酵過(guò)程中，干物質(zhì)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和水而質(zhì)量減少所引起的。然而， 30d發(fā)酵后，BIO-PKC組中ADF和NDF的含量比對(duì)照組中的低，這一變化表明BIO-PKC明顯促進(jìn)結(jié)構(gòu)性碳水化合物的水解，抑制無(wú)用的可溶性碳水化合物發(fā)酵 （圖7、8、9）。
通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，我們得出利用纖維素生物質(zhì)廢物創(chuàng)建高品質(zhì)的飼料資源，1%含量的BIO-PKC發(fā)酵飼料對(duì)于2個(gè)月的發(fā)酵期更為合適的菌種濃度。
10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.035
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3） NH3-N 納氏試劑分光光度法
4） 揮發(fā)性脂肪酸 GC-2010plus氣相色譜儀，島津，日本
5） 乙醇 安捷倫1260高效液相色譜，安捷倫科技，德國(guó)
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1）中性纖維素 NDF 范式洗滌法
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圖2 用BIO-PKC發(fā)酵西蘭花60d中PH值的變化
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圖4 用BIO-PKC 發(fā)酵西蘭花60d中乙醇（在干物質(zhì)中）含量的變化
圖5 用BIO-PKC 對(duì)西蘭花發(fā)酵60天中乙酸（在干物質(zhì)中）含量的變化
結(jié)果與分析
前15d的發(fā)酵中，pH值都從7.1下降到4.0，在后15d中，pH都比較的穩(wěn)定，用1%的PH值最低。
ORP的變化情況基本呈現(xiàn)V字形，從0到15d，或者30d，ORP從-140下降到了-280，后15d中又有所上升。發(fā)酵15d時(shí)，2%的BIO-PKC 處理的西蘭花的OPR值最低。
從發(fā)酵開(kāi)始到30d，乙醇含量都在上升，30d后，乙醇的含量基本保持平穩(wěn)。不用BIO-PKC處理發(fā)酵，乙醇的含量最高。
從發(fā)酵開(kāi)始到15d or 30 ，其乙酸的含量會(huì)一直上升，經(jīng)BIO-PKC處理的經(jīng)60天后其乙酸的含量比不處理的低，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，用1%和2%沒(méi)有多大的影響。
盡管在發(fā)酵過(guò)程中，氨氮的含量呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，但是總體來(lái)說(shuō)，用1%處理的最后的氨基酸含量偏低。
用1%處理和不處理發(fā)酵到30d，其ADF含量在增加，但是30d之后，又有所降低，而且1%處理的降的最低
用1%處理和不處理方法，NDF含量在前30d在持續(xù)的升高，而后30d又有所下降，并且%1下降到最低。用2%處理的在15d時(shí)達(dá)到高峰，但以后又陡降
新鮮的西蘭花含有大量的可溶性糖，經(jīng)過(guò)60d的發(fā)酵，糖明顯的減少，且最后這三者無(wú)顯著差別。但也可以看出：2%＞1%＞0
圖6 用BIO-PKC 對(duì)西蘭花發(fā)酵60d中氨氮（在干物質(zhì)中）含量的變化
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圖8 用BIO-PKC 對(duì)西蘭花發(fā)酵60d中NDF（在干物質(zhì)中）含量的變化
圖9 用BIO-PKC 對(duì)西蘭花發(fā)酵60d中可溶性糖（在干物質(zhì)中）含量的變化
討論與結(jié)論
一般來(lái)說(shuō)， 高水分青貯飼料的厭氧發(fā)酵中，對(duì)于儲(chǔ)存的反芻家畜飼料合適的pH值是小于4.2，這是因?yàn)橛袡C(jī)酸比如乳酸和醋酸的生成等。在目前的研究中， 在第15d發(fā)酵時(shí)，每組西蘭花廢棄物（自然發(fā)酵組和BIO-PKC發(fā)酵組）中的pH值下降到4左右，乙酸含量也有所增加。通常在早期發(fā)酵階段階段，乳酸和醋酸發(fā)酵細(xì)菌利用可發(fā)酵的碳水化合物，如淀粉、糖類等底物，該細(xì)菌將在有機(jī)酸產(chǎn)生而導(dǎo)致酸性的條件下停止活動(dòng)， 隨后該細(xì)菌的生態(tài)系統(tǒng)將被纖維素降解細(xì)菌和和半纖維素降解酶取代。
ORP值反映了飼料的氧化還原電位性質(zhì)。在發(fā)酵30d時(shí)， ORP通常有所改變（圖3）。即在第一階段的發(fā)酵0-30d， ORP大幅下降同時(shí)伴隨著乙酸的生成（圖4）。在第二階段30 ～ 60d， ORP由于氨氮的增加ORP值有所上升（圖6）。
對(duì)照組中的乙醇含量高于BIO-PKC組，這意味著對(duì)于高水分西蘭花廢物自然發(fā)酵生成乙醇多于添加了BIOPKC發(fā)酵產(chǎn)物中的乙醇 （圖4）。這或許能夠解釋為BIO-PKC優(yōu)化了微生物代謝，改變微生物生態(tài)系統(tǒng)。通常，在新鮮蔬菜廢棄物表面有足夠數(shù)量的天然酵母、釀酒酵母，使得厭氧發(fā)酵過(guò)程中能夠很快產(chǎn)生乙醇。另一方面， BIOPKC包含一個(gè)替代酒精發(fā)酵酵母，白色念珠菌，這種菌可能與天然釀酒酵母爭(zhēng)奪輕易可發(fā)酵碳水化合物基質(zhì)，生產(chǎn)乙醇和乙酸。此外，對(duì)照組的西蘭花廢物中含有天然乳酸細(xì)菌，雜發(fā)酵乳酸菌， 除了乳酸，這種菌還可以生產(chǎn)乙醇和醋酸。BIO-PKC還包含人類發(fā)酵的乳酸菌，這種菌只會(huì)產(chǎn)生乳酸。因此，相比于對(duì)照組的西蘭花廢物，BIO-PKC生產(chǎn)相對(duì)較低的乙醇和乙酸含量，因此推斷出BIO-PKC可促進(jìn)乳酸的生產(chǎn)。
盡管早期發(fā)酵階段，ADF和NDF相對(duì)含量明顯增加，但絕對(duì)值在這個(gè)階段并不一定改變，這個(gè)由于發(fā)酵過(guò)程中，干物質(zhì)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和水而質(zhì)量減少所引起的。然而， 30d發(fā)酵后，BIO-PKC組中ADF和NDF的含量比對(duì)照組中的低，這一變化表明BIO-PKC明顯促進(jìn)結(jié)構(gòu)性碳水化合物的水解，抑制無(wú)用的可溶性碳水化合物發(fā)酵 （圖7、8、9）。
通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，我們得出利用纖維素生物質(zhì)廢物創(chuàng)建高品質(zhì)的飼料資源，1%含量的BIO-PKC發(fā)酵飼料對(duì)于2個(gè)月的發(fā)酵期更為合適的菌種濃度。
10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.035
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