火龍果果皮產(chǎn)沼氣發(fā)酵實(shí)驗(yàn)研究

李映娟，何耀瑩，楊 斌，柳 靜，尹 芳，張無(wú)敵

(1.云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.昆明振華制藥廠有限公司，云南 昆明 650034)

火龍果，學(xué)名量天尺(Hylocereusundatus)，屬被子植物門、雙子葉植物綱、原始花被亞綱、仙人掌目、仙人掌科、三角柱屬植物[1].火龍果果實(shí)常作為水果、蔬菜，因其含有豐富的花青苷、植物白蛋白、維生素C和膳食纖維等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是優(yōu)良的綠色保健食品[2].火龍果花也因具有大量的活性成分被開發(fā)成干菜用作煲湯或飲料.近年來(lái)發(fā)現(xiàn)火龍果莖中黃酮類化合物含量豐富[3-4]，并含有豐富的礦物質(zhì)、維生素E、植物甾醇以及火龍果莖多糖等活性物質(zhì)[5]，現(xiàn)已被開發(fā)成保健藥品、食品，動(dòng)物飼料和日用化妝品原料[2].可以說(shuō)火龍果的果實(shí)、莖、花等部分的資源化利用程度很高，但火龍果果皮的加工利用率極低，基本上都是作為廢物處理[6].

近年來(lái)，很多學(xué)者開始對(duì)火龍果果皮的資源化利用做了一些相關(guān)的研究[7-8]，可作為食品添加、化妝品添加等用途使用，是綠色、安全的天然色素.為充分利用有限資源并產(chǎn)生環(huán)保效益的同時(shí)開發(fā)出清潔能源，采用厭氧發(fā)酵技術(shù)對(duì)火龍果果皮進(jìn)行產(chǎn)甲烷發(fā)酵，火龍果果皮的資源化利用開發(fā)一條新的途徑和為火龍果果皮的合理利用提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料

火龍果果皮樣品取自云南永勝縣.經(jīng)測(cè)定，新鮮紅心紅皮火龍果果皮總固體含量(TS)為15.74%，揮發(fā)性固體含量(VS)為86.37%，新鮮白心紅皮火龍果果皮TS為19.30%，VS為82.60%.

1.2 接種物

接種物為本實(shí)驗(yàn)采用豬糞發(fā)酵后的活性污泥.經(jīng)測(cè)定其pH為7.0，TS為15.55%，VS為64.02%.

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2個(gè)實(shí)驗(yàn)組和1個(gè)對(duì)照組.2個(gè)實(shí)驗(yàn)組分別以紅心紅皮火龍果果皮和白心紅皮火龍果果皮為發(fā)酵原料，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組設(shè)置3個(gè)平行實(shí)驗(yàn).設(shè)計(jì)發(fā)酵料液濃度為6%，接種量為30%，發(fā)酵瓶總有效容積為500 mL，發(fā)酵料液容積為400 mL.因此，2個(gè)實(shí)驗(yàn)組火龍果果皮的添加量為57.30 g,接種物的添加量為120 mL，最后補(bǔ)水至400 mL.對(duì)照組也設(shè)置3個(gè)平行，分別向3個(gè)平行試驗(yàn)中加入120 mL接種物，補(bǔ)水至400 mL.

1.4 實(shí)驗(yàn)裝置

采用實(shí)驗(yàn)室自制的恒溫水浴裝置，控制水溫(30±2)℃，沼氣發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)裝置見圖1.該裝置由厭氧發(fā)酵系統(tǒng)(厭氧發(fā)酵瓶、排水集氣瓶及體積計(jì)量瓶)和溫控系統(tǒng)等組成.在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，厭氧發(fā)酵瓶為廣口瓶(500 mL)，用帶玻璃導(dǎo)管的橡皮塞封口；排水集氣瓶為下口三角瓶(500 mL)，用帶玻璃三通管的橡皮塞封口；體積計(jì)量瓶為自制的500 mL廣口瓶；厭氧發(fā)酵瓶、排水集氣瓶和體積計(jì)量瓶通過(guò) 8 mm 的乳膠管連接.溫控系統(tǒng)由水槽、電熱管、循環(huán)水泵、交流接觸器、熱電偶等組成.

1.5 分析項(xiàng)目及測(cè)定方法

1.5.1 產(chǎn)氣量

利用排水集氣法，發(fā)酵瓶中每天產(chǎn)生的沼氣把集氣瓶中的水壓入計(jì)量瓶中，通過(guò)計(jì)量瓶上的刻度標(biāo)記，讀取水的體積，即每天的產(chǎn)氣量.記錄對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組3個(gè)平行每天的產(chǎn)氣量，以實(shí)驗(yàn)組每天的平均產(chǎn)氣量減去對(duì)照組每天的平均產(chǎn)氣量即可得到實(shí)驗(yàn)組每天的凈產(chǎn)氣量.

1.5.2 甲烷含量

采用GC-6890A氣相色譜儀測(cè)定所產(chǎn)沼氣中的甲烷含量.日產(chǎn)氣量超過(guò)250 mL進(jìn)行測(cè)量，若不足則累積至250 mL進(jìn)行測(cè)量以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性.

1.5.3 pH值

采用精密pH試紙，測(cè)定發(fā)酵前后發(fā)酵液的pH值.

1.5.4 TS(總固體含量)

將樣品在(105±2)℃的烘箱中烘干至恒重，計(jì)算樣品除水分后干物質(zhì)占樣品總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[14].

1.5.5 VS(揮發(fā)性固體含量)

將測(cè)定過(guò)TS的樣品在馬弗爐中550±20 ℃下燒至恒重，所得固體為灰分，將干物質(zhì)含量減去灰分，即的揮發(fā)分重量，將揮發(fā)分重量除以干物質(zhì)重量即得揮發(fā)性固體含量[14].

2 結(jié)果分析

2.1 產(chǎn)氣情況分析

每天定時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的產(chǎn)氣量，并以3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)的平均值為當(dāng)天的產(chǎn)氣量, 以實(shí)驗(yàn)組每天的平均產(chǎn)氣量減去對(duì)照組每天的平均產(chǎn)氣量即可得到實(shí)驗(yàn)組每天的凈產(chǎn)氣量.作實(shí)驗(yàn)組日產(chǎn)氣量與發(fā)酵時(shí)間的相關(guān)性曲線，結(jié)果見圖2.

從圖2中可以看出，紅心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵進(jìn)行了29 d，其中出現(xiàn)4個(gè)產(chǎn)氣高峰和3個(gè)產(chǎn)氣低谷，第12天產(chǎn)氣達(dá)到最高峰，第8天產(chǎn)氣達(dá)到最低谷，由此可以看出，產(chǎn)氣高峰滯后于產(chǎn)氣低谷.整個(gè)曲線的走勢(shì)并未呈現(xiàn)出沼氣發(fā)酵的一般規(guī)律，發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)氣較不穩(wěn)定.

白心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵歷程29 d，過(guò)程中共出現(xiàn)5個(gè)產(chǎn)氣高峰和4個(gè)產(chǎn)氣低谷，發(fā)酵第2天即達(dá)到產(chǎn)氣最高峰，第8天即出現(xiàn)產(chǎn)氣最低谷，很明顯產(chǎn)氣高峰前于產(chǎn)氣低谷.從整個(gè)曲線來(lái)看，發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)氣不穩(wěn)定，日產(chǎn)氣量并未呈現(xiàn)出沼氣發(fā)酵明顯的規(guī)律.

從圖2中可以直觀地看出，2個(gè)實(shí)驗(yàn)組的發(fā)酵規(guī)律存在一定的相似點(diǎn)和不同點(diǎn).首先，2條曲線的起點(diǎn)都較高，即發(fā)酵開始的第1天產(chǎn)氣都很高，分別達(dá)到200 mL(白心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組)和 280 mL(紅心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組).其次，2條曲線都有幾個(gè)很突出的峰和谷，即發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)氣不穩(wěn)定，產(chǎn)氣時(shí)高時(shí)低.再次，雖產(chǎn)氣量不穩(wěn)定，但2條曲線都出現(xiàn)了很明顯的產(chǎn)氣高峰和產(chǎn)氣低谷.最后，發(fā)酵進(jìn)行到一定程度時(shí)，產(chǎn)氣趨于穩(wěn)定并表現(xiàn)出產(chǎn)氣量的一致性，產(chǎn)氣主要集中在前20天.

2個(gè)實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氣規(guī)律的不同點(diǎn)也很明顯.第1，產(chǎn)氣起點(diǎn)不同，即發(fā)酵開始的第1天，紅心紅皮火龍果果皮的產(chǎn)氣量大于白心紅皮火龍果果皮的產(chǎn)氣量.第2，白心紅皮火龍果果皮的產(chǎn)氣高峰前于紅心紅皮火龍果果皮，產(chǎn)氣低谷在時(shí)間上卻保持一致，只是產(chǎn)氣量有所不同.

2.2 甲烷含量分析

用氣相色譜對(duì)所產(chǎn)沼氣進(jìn)行成分測(cè)定，沼氣中主要成分為甲烷、二氧化碳、氫氣等，對(duì)其中的甲烷含量與發(fā)酵時(shí)間做關(guān)系曲線，結(jié)果見圖3.

從圖3可以看出，2個(gè)實(shí)驗(yàn)組所產(chǎn)沼氣中甲烷含量的變化趨勢(shì)是一致的，都是從低逐步升高至趨于平緩.所不同的是：白心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組甲烷含量前期總體高于紅心紅皮實(shí)驗(yàn)組.白心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組甲烷含量在第7天突然升高至70.40%，隨后趨于平緩，但總體還是高于紅心紅皮實(shí)驗(yàn)組的甲烷含量，甲烷含量最高可達(dá)77.30%.而紅心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組甲烷含量則從開始到最后一致平穩(wěn)上升最后趨于平緩，甲烷含量最高達(dá)到80.21%，高于白心紅皮實(shí)驗(yàn)組.結(jié)合圖2中的日產(chǎn)氣量來(lái)分析，雖然2個(gè)實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣不穩(wěn)定，但氣體中的甲烷含量上升趨勢(shì)卻很穩(wěn)定.

2.3 累積產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣速率分析

將圖2的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，按每5 d進(jìn)行一次產(chǎn)氣量累計(jì)，并將累計(jì)產(chǎn)氣量除以總產(chǎn)氣量得到混合接種物實(shí)驗(yàn)組和牛糞發(fā)酵液接種物實(shí)驗(yàn)組的累計(jì)產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率，見表1.

表1 不同實(shí)驗(yàn)組累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率

從表1可以看出，從總產(chǎn)氣量來(lái)看，在29 d的發(fā)酵時(shí)間內(nèi)，紅心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組的總產(chǎn)氣量為 4 420 mL，白心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組的總產(chǎn)氣量為 4 240 mL，總體上低于紅心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組.從產(chǎn)氣速率來(lái)看，第1～10天白心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣速率高于紅心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組，第10天以后紅心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣速率逐漸超過(guò)白心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組，最后2個(gè)實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣速率趨于平緩.從表中可以很明顯的看出，在第15天2個(gè)實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣速率均高于80%，紅心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組的略高于白心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組.而在第20天以后2個(gè)實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣速率都超過(guò)90%，因此可以看出第20～29天這幾天的產(chǎn)氣效率極低，這主要是由于有機(jī)質(zhì)在前20 d左右被發(fā)酵微生物消耗，發(fā)酵體系中可利用的有機(jī)質(zhì)剩余量較少，發(fā)酵微生物缺乏基質(zhì)，故產(chǎn)氣較少.

2.4 發(fā)酵前后料液的TS、VS及pH分析

表2 實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵前后料液的TS、VS及pH變化

從表2可以看出，2個(gè)實(shí)驗(yàn)組的TS、VS和pH在發(fā)酵前后發(fā)生了很大的變化，紅心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組TS降解率為29.51%，VS降解率為32.93%，白心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組TS降解率為30.72%，VS降解率為34.07%.從數(shù)據(jù)來(lái)看，白心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組的降解率要高于紅心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組.從果皮本身的有機(jī)質(zhì)含量來(lái)說(shuō)紅心紅皮火龍果果皮的VS(86.37%)含量大于白心紅皮火龍果果皮的VS(82.60%)，但在發(fā)酵體系中出現(xiàn)降解率小于白心紅皮火龍果果皮的現(xiàn)象，這就充分說(shuō)明紅心紅皮火龍果果皮中可被發(fā)酵微生物降解的有機(jī)質(zhì)多子紅心紅皮火龍果果皮.單從這點(diǎn)來(lái)看，白心紅皮火龍果果皮更適合用來(lái)沼氣發(fā)酵.從pH的變化來(lái)看，2個(gè)實(shí)驗(yàn)組的初始pH均略微偏酸性，但發(fā)酵結(jié)束時(shí)都呈中性.這種情況在發(fā)酵過(guò)程中很普遍.沼氣發(fā)酵微生物最適宜的pH值為6.5～7.5.超出這一范圍，沼氣微生物的代謝將減慢或產(chǎn)甲烷菌受抑制或是被殺死.因此，維持沼氣發(fā)酵適宜的pH值是保證正常產(chǎn)氣的又一關(guān)鍵性指標(biāo).本次實(shí)驗(yàn)中，發(fā)酵起始和結(jié)束時(shí)的pH均在沼氣發(fā)酵適宜的pH值范圍內(nèi).至于pH值的微小變化，主要是由于在沼氣發(fā)酵過(guò)程中，大量有機(jī)酸產(chǎn)生，沼氣發(fā)酵微生物為了維持適宜的pH值，氨化細(xì)菌的氨化作用產(chǎn)生緩沖劑氨，形成沼氣發(fā)酵體系內(nèi)的能自動(dòng)調(diào)節(jié)pH值的緩沖體系.

2.5 產(chǎn)氣潛力分析

實(shí)驗(yàn)組的TS產(chǎn)氣率、VS產(chǎn)氣率和原料產(chǎn)氣率如表3所示.

表3 實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣潛力 mL/g

從表3的數(shù)據(jù)可以看出，2個(gè)實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣潛力都很高，紅心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組的TS、VS和原料產(chǎn)氣率都高于白心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組的.從產(chǎn)氣潛力來(lái)比較，紅心紅皮火龍果果皮的產(chǎn)氣潛力大于白心紅皮火龍果果皮，因此其更適合用來(lái)沼氣發(fā)酵.

2.6 各種水果果皮的產(chǎn)沼氣潛力的比較

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)火龍果果皮的產(chǎn)氣潛力，對(duì)發(fā)酵溫度30 ℃左右的各類水果果皮的發(fā)酵原料的發(fā)酵時(shí)間及TS產(chǎn)氣率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表4所示.

表4 不同水果果皮發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力

從表4可以看出，各種水果果皮的產(chǎn)氣潛力均較高.其中，西番蓮果皮、香蕉皮、菠蘿皮甚至是葡萄皮，這幾種水果果皮的發(fā)酵時(shí)間都在30 d左右，但他們的TS產(chǎn)氣率均高于本文2個(gè)火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組，TS產(chǎn)氣率是火龍果果皮的0.25～0.86倍，因此這些水果果皮的產(chǎn)氣效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2個(gè)火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組.而西瓜皮在92 d的發(fā)酵時(shí)間內(nèi)，TS產(chǎn)氣率僅達(dá) 669 mL/g TS，這相比于2個(gè)火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組的29 d內(nèi)的TS產(chǎn)氣來(lái)說(shuō)，雖然其數(shù)值大于火龍谷果皮，但其產(chǎn)氣效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于2個(gè)火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組.與菠蘿蜜果皮相比，2個(gè)火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組無(wú)論在發(fā)酵時(shí)間上還是在TS產(chǎn)氣率上來(lái)說(shuō)都優(yōu)于菠蘿蜜果皮.

3 能源轉(zhuǎn)化率

本實(shí)驗(yàn)中，紅心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組共產(chǎn)氣 4 420 mL，平均甲烷含量為63.26%.白心紅皮火龍果果皮實(shí)驗(yàn)組共產(chǎn)氣 4 240 mL，平均甲烷含量為65.42%.甲烷熱值為 35 965 kJ/m3,則實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，紅心紅皮火龍果果皮所產(chǎn)生的甲烷的熱值為：35 965×63.26%×4 420÷106= 100.56 kJ；白心紅皮火龍果果皮所產(chǎn)甲烷的熱值為 35 965×65.42%×4 240÷106=99.76 kJ.而火龍果的熱值為 249.46 kJ/100 g，試驗(yàn)中，火龍果果皮的用量為57.30 g，則實(shí)驗(yàn)所用果皮所產(chǎn)的理論熱值為：249.46×57.30%=142.94 kJ.所以，紅心紅皮火龍果果皮沼氣發(fā)酵的能源轉(zhuǎn)化率為：100.56÷142.94×100%=70.38%，而白心紅皮火龍果果皮沼氣發(fā)酵的能源轉(zhuǎn)化率為：99.76÷142.94×100%=69.80%.因此，從能源開發(fā)利用來(lái)看，紅心和白心紅皮龍果果皮的能源轉(zhuǎn)化效率接近70%，具有可開發(fā)利用的潛力.

4 結(jié)論

在30 ℃下，采用豬糞發(fā)酵料液為接種物，對(duì)紅心紅皮和白心紅皮2種火龍果果皮進(jìn)行批量式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣.發(fā)酵歷時(shí)29天，紅心紅皮火龍果果皮共產(chǎn)沼氣 4 420mL，TS產(chǎn)氣率達(dá) 490 mL/g TS，VS產(chǎn)氣率達(dá) 667 mL/g VS，原料產(chǎn)氣率達(dá) 77 mL/g.而白心紅皮火龍果果皮共產(chǎn)沼氣 4 240 mL，TS產(chǎn)氣率達(dá) 383 mL/g TS，VS產(chǎn)氣率達(dá) 464 mL/g VS，原料產(chǎn)氣率達(dá) 73 mL/g.由此可以看出，紅心和白心差別不大.而從能源轉(zhuǎn)化率的角度來(lái)看，紅心和白心紅皮龍果果皮的能源轉(zhuǎn)化效率接近70%，具有沼氣能源可開發(fā)利用的潛力.

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