餐廚廢棄物的腐敗機理及其影響因素

毛文成 楊曙明 楊麗華 張嚴化

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術研究所，北京 100081;2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全重點實驗室，北京 100081）

1 餐廚廢棄物理化性質(zhì)及利用情況

餐廚廢棄物又稱為餐廚垃圾，是人們在生活、消費過程中因就餐而產(chǎn)生的有機廢棄物的總稱，一般俗稱泔水、泔腳、潲水。餐廚垃圾內(nèi)富含大量的有機質(zhì)，主要成分是淀粉、纖維素、鈣質(zhì)、蛋白質(zhì)、脂類和鹽，主要組成包括米、面粉類食物殘余、蔬菜、動植物油、肉蛋、骨頭、邊角料等，還可能混入一些像筷子、餐具碎片、包裝材料等雜質(zhì)。根據(jù)來源不同，餐廚廢棄物主要分為餐飲垃圾和廚余垃圾。餐飲垃圾產(chǎn)生自飯店、食堂等餐飲業(yè)的殘羹剩飯，具有產(chǎn)生量大、來源多、分布廣的特點。廚余垃圾是人們?nèi)粘Ｅ胝{(diào)中廢棄的下腳料，和其他的生活垃圾混合在一起，不易區(qū)分。

餐廚廢棄物的主要化學成分是淀粉、蛋白質(zhì)、脂類、纖維素和無機鹽，水分含量較高，通常高達60%～80%。Westendorf等（1998）的研究結果表明，自助餐廳的餐廚廢棄物含有干物質(zhì)22.4%、粗蛋白21.4%、粗纖維14.1%、粗脂肪27.2%、灰分3.2%[1]。其主要特點是成份復雜、有機質(zhì)含量豐富、含水分極高，所以極易腐爛變質(zhì)，散發(fā)惡臭，傳播細菌和病毒。如不及時處理其性狀和氣味都會對環(huán)境衛(wèi)生造成惡劣影響，且容易滋長病原微生物、霉菌毒素等有害物質(zhì)。

各國對餐廚廢棄物的利用情況不盡相同。早在20世紀40年代，美國就成功地研制開發(fā)出家庭食物垃圾處理機。在美國，餐廚垃圾產(chǎn)生量較大的單位設置垃圾粉碎機和油脂分離裝置，餐廚垃圾經(jīng)粉碎機粉碎后進入油脂分離裝置，碎料排入下水道，油脂則送往相關加工廠（如制皂廠）加以利用；餐廚垃圾產(chǎn)生量較小的單位，則將其混入有機垃圾中進行處理。近時期的發(fā)展則是傾向于采用堆肥工藝制成肥料或加工成動物飼料進行資源化回收利用。

目前，餐廚垃圾的主要處置方式有焚燒、填埋、飼料化和生物處理技術[3]。由于餐廚垃圾焚燒、填埋處理會導致大量有機物的浪費，因此許多國家和地區(qū)（如美國、歐盟、韓國和日本等）已經(jīng)出臺多項法律法規(guī)，嚴禁將餐廚垃圾作為普通生活垃圾進行填埋和焚燒處置。所以許多國家和地區(qū)通過飼料化技術將餐廚廢棄物用作飼料，但存在一定的安全性問題[4]。根據(jù)餐廚垃圾有機質(zhì)含量高和易生物降解的特點，采用生物處理技術進行堆肥或發(fā)酵產(chǎn)氣是實現(xiàn)餐廚垃圾減量化、資源化和無害化處理較安全可行的方法。目前國外常用的生物處理技術包括蚯蚓堆肥、好氧堆肥和厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣，其中好氧堆肥和厭氧發(fā)酵是迄今為止技術較成熟且研究應用最廣泛的2種生物處理技術[5]。

2 餐廚廢棄物的腐敗變質(zhì)

2.1 腐敗過程（生鮮食品）

2.1.1 生肉

牲畜宰后發(fā)生的系列變化，分為肉的僵硬、成熟和深度自溶，此外還伴有肉的發(fā)酵、腐敗分解過程。肌肉的僵硬達到頂點時開始軟化。在肉的加深自溶過程中，蛋白質(zhì)和脂肪分解。屠宰后牲畜脂肪在脂肪酶的作用下發(fā)生水解，使脂肪酸價產(chǎn)生明顯的變化。脂肪的腐敗一部分是微生物將其分解成游離脂肪酸，另一部分由于油脂發(fā)生氧化腐敗。

劉國慶等[6]的研究表明，冰鮮豬肉在4℃貯藏條件下，前1～7 d豬肉中菌落總數(shù)均小于1.0×106cfu/g，符合冰鮮肉的衛(wèi)生標準，但從第9 d開始菌落總數(shù)超過1.0×106cfu/g，肉開始變質(zhì)；在冰鮮豬肉變質(zhì)過程中，各主要致腐微生物生長繁殖的狀況不同，主要表現(xiàn)為：假單胞菌數(shù)量不多，并不是優(yōu)勢菌；葡萄球菌數(shù)目在前期和中期低速穩(wěn)定增長，在后期迅速增長；在整個過程中乳酸菌屬于厭氧菌，增長有限；酵母菌和霉菌數(shù)量持續(xù)增長；在9～11 d,腸桿菌數(shù)上升了1個數(shù)量級，進一步說明肉已進入變質(zhì)期。

2.1.2 水產(chǎn)品

水產(chǎn)品的腐敗主要表現(xiàn)在某些細菌降解游離氨基酸生成胺、硫化物、醛、酮、酯、有機酸等，產(chǎn)生不良味道。水產(chǎn)品腐敗時微生物產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物與畜肉和禽肉中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物差別不大，但是水產(chǎn)品腐敗產(chǎn)生的三甲胺具有鮮魚腐敗時典型的氨臭味，這也是水產(chǎn)品腐敗時其味道區(qū)別于其他肉類的原因。

Miller等[7]將熒光假單胞菌和腐敗假單胞菌接種到無菌美洲平鲉魚塊中，利用GC-MS研究其產(chǎn)生的腐敗物質(zhì)，定量研究其腐敗能力。Gram等[8]將細菌接種到殺菌過的鱸魚肉湯中，通過其腐敗氣味，以確定其腐敗能力，用氧化三甲胺培養(yǎng)基來測試產(chǎn)生三甲胺和硫化氫的能力。郭全友等[9]從菌落和細胞形態(tài)、生理生化特征、細胞脂肪酸組成等方面，結合使用細菌鑒定系統(tǒng)，以及接種腐敗希瓦氏菌到無菌大黃魚身體，研究其腐敗能力。

2.1.3 果蔬

水果和蔬菜的表皮和表皮外覆蓋著一層蠟質(zhì)狀物質(zhì)，這種物質(zhì)有防止微生物侵入的作用。但是當果蔬表皮受到昆蟲的刺傷或其它機械損傷時，微生物就會從此侵入并進行繁殖，從而促進果蔬的腐爛變質(zhì)，尤其是成熟度高的果蔬更易損傷。引起水果變質(zhì)的微生物，開始只能是酵母菌、霉菌；引起蔬菜變質(zhì)的微生物是霉菌、酵母菌和少數(shù)細菌。由于微生物繁殖，果蔬外觀上就表現(xiàn)出深色的斑點，果實變得松軟、發(fā)綿、凹陷、變形，并逐漸變成漿液狀甚至是水液狀，并產(chǎn)生了各種不同的味道，如酸味、芳香味、酒味等。

2.2 腐敗過程（熱加工后食品）

食品腐敗變質(zhì)的過程實質(zhì)上是食品中蛋白質(zhì)、糖類、脂肪等被污染微生物的分解代謝作用或自身組織酶進行的某些生化過程。但是熱加工后的食品自身的組織酶已經(jīng)失活，所以熱加工后食品的腐敗變質(zhì)主要是由于污染的微生物的分解代謝作用引起的。

2.2.1 蛋白質(zhì)的腐敗

肉、魚、禽蛋和豆制品等富含蛋白質(zhì)的食品，主要是以蛋白質(zhì)分解為其腐敗變質(zhì)特征。由微生物引起蛋白質(zhì)食品發(fā)生的變質(zhì)，通常稱為腐敗。蛋白質(zhì)在微生物分泌的蛋白酶（protease）和肽鏈內(nèi)切酶（endopetidase）等的作用下，首先水解成多肽，進而裂解形成氨基酸。氨基酸通過脫羧基、脫氨基、脫硫等作用進一步分解成相應的氨、胺類、有機酸類和各種碳氫化合物，食品即表現(xiàn)出腐敗特征。

白艷紅、趙電波等[10]研究發(fā)現(xiàn)：在7℃貯藏條件下，真空包裝低溫灌腸在感官上都先后出現(xiàn)“空皮”、“出水、出油”和“脹袋”等腐敗現(xiàn)象，同時伴有酸味、臭味等異味產(chǎn)生。胡長利等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在牛肉氣調(diào)保藏的整個過程中，細菌總數(shù)呈現(xiàn)了由慢到快的增長趨勢。低氧環(huán)境下，A組細菌總數(shù)增加最快，到16 d 達到最大，此后逐步降低。所有包裝中，乳酸菌的數(shù)量都呈現(xiàn)了先增后減，再增加的趨勢。隨著保藏時間的延長，氧氣在保藏期間也發(fā)生部分溶解，乳酸菌逐步成為優(yōu)勢菌群。孟建彤[12]通過對肉干現(xiàn)場采樣和實驗檢測，對132份市售肉干、肉脯制品進行了霉菌污染調(diào)查，結果表明肉干、肉脯的霉菌檢出率為43.2%，曲霉、青霉、鐮刀菌為優(yōu)勢菌種。2007年泉州市熟肉制品微生物污染現(xiàn)狀調(diào)查[13]發(fā)現(xiàn)，泉州地區(qū)市售熟肉制品存在不同程度的微生物污染。大腸菌群超標率42.5%（17/40），9份樣品中檢出溶血性腸球菌，分別為屎腸球菌和糞腸球菌。市售熟肉制品中大腸菌群超標率與溶血性腸球菌檢出率相關。未檢出沙門菌、志賀菌、金黃色葡萄球菌。

2.2.2 糖類的發(fā)酵

食品中的糖類包括纖維素、半纖維素、淀粉、糖元以及雙糖和單糖等。含這些成份較多的食品主要是糧食、蔬菜、水果和糖類及其制品。在微生物及動植物組織中的各種酶及其它因素作用下，這些食品組成成分被分解成單糖、醇、醛、酮、羧酸、二氧化碳和水等低級產(chǎn)物。

Lu Zhanhui等[14]通過研究自然發(fā)酵對大米淀粉結構的影響后發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵主要改變淀粉顆粒的無定形區(qū)，對淀粉的結晶結構幾乎沒有影響。但閔偉紅[15]研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌發(fā)酵使大米淀粉非結晶區(qū)增加。Suphatta P等[16]認為糊黏度明顯下降是由于發(fā)酵后淀粉在熱水中有更大的可溶性或發(fā)酵過程中更短淀粉鏈產(chǎn)生引起的。Han Xianzhong等[17]報道，支鏈淀粉的長鏈部分與其糊化時的衰減值呈負相關，而短鏈部分與其糊化時的衰減值呈正相關。Klingspohn等[18]將馬鈴薯淀粉渣經(jīng)稀硫酸處理后得到果膠、淀粉、纖維素和半纖維素，利用甲醇或丙酮將果膠和淀粉析出，經(jīng)酶水解纖維素和半纖維素組成的殘渣生成葡萄糖和木糖，或經(jīng)菅囊酵母（Pachysolen tannophilus）發(fā)酵產(chǎn)生乙醇。

2.2.3 脂肪的酸敗

雖然脂肪發(fā)生變質(zhì)主要是由于化學作用所引起，但是許多研究表明，它與微生物也有著密切的關系。食品中油脂酸敗的化學反應，主要是油脂自身氧化過程，其次是加水水解。油脂的自身氧化是一種自由基的氧化反應；而水解則是在微生物解脂酶作用下，使食物中的中性脂肪分解成甘油和脂肪酸等。

Farkas等[19]研究證實，脂質(zhì)過氧化反應是自由基連鎖攻擊不飽和脂肪酸的過程，可分為引發(fā)、傳遞、終止和二次產(chǎn)物的形成4個階段。此外，光、熱和可變價金屬（Fe、Cu、Cr、Mn）等作用可加快脂質(zhì)過氧化反應速度。由于油脂氧化酸敗受多種因素的影響（如油脂種類、溫度、時間、氧氣等），使形成的產(chǎn)物和結構異常復雜。研究發(fā)現(xiàn)油脂氧化產(chǎn)生的產(chǎn)物達220多種，但主要是由氫過氧化物等初級產(chǎn)物和由初級產(chǎn)物分解出來的次級產(chǎn)物組成，次級產(chǎn)物含量甚至高達46.7%[20]。

3 餐廚廢棄物腐敗變質(zhì)的影響因素

3.1 環(huán)境條件的影響

3.1.1 溫度

溫度是影響餐廚廢棄物腐敗變質(zhì)的重要因素。在自然界中各類微生物都有它一定的適宜生長溫度。根據(jù)微生物對溫度的適應性，可將其分成嗜冷微生物、嗜溫微生物和嗜熱微生物三個生理類群，其中與腐敗有密切關系的是嗜溫微生物。蔣立鳳等[21]測試了豬肉凍藏工藝對TVBN含量的影響，結果表明，貯藏在低溫凍藏庫內(nèi)的在結凍狀態(tài)下的肉品，化學變化和微生物的生長繁殖受到了良好的抑制，但時間延長品質(zhì)也會發(fā)生變化。李飛燕等[22]利用培養(yǎng)基實驗系統(tǒng)建立的數(shù)學模型并結合食品本身成分組織的復雜性、不同微生物間的相互作用以及各環(huán)節(jié)溫度的動態(tài)變化，建立了預測微生物模型，預測了食品中微生物的生長狀況。

3.1.2 氣體

不同種類的微生物具有各自的呼吸酶，因此他們在氧化過程中對氧的要求也不同。餐廚廢棄物處于有氧的情況下，各種霉菌、酵母菌和細菌都可生長而引起食品腐敗變質(zhì)；而在缺氧情況下引起餐廚廢棄物變質(zhì)就只有那些厭氧生長的細菌和酵母菌。馬麗珍等[23]研究了不同氣調(diào)包裝方式的冷卻豬肉在冷藏過程中的微生物變化，結果表明，CO-MAP（CO+CO2+N2）包裝抑制腐敗菌的效果最好。

3.2 基質(zhì)的影響

餐廚廢棄物中除了含有一定的水分外，還含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物和無機鹽等營養(yǎng)成分，而這些成分又都是微生物生長的良好培養(yǎng)基，所以微生物很容易在其上生長，從而導致腐敗變質(zhì)。而且不同的基質(zhì)決定微生物所具有的酶的種類不同，腐敗類型也不同。不同的氫離子濃度對微生物的生命活動也有很大影響。不同種類的微生物都有自己最適生長的pH值范圍。餐廚廢棄物的酸度不同，引起餐廚廢棄物腐敗變質(zhì)的微生物的類群就不同。史宏偉等[24]以餐廚垃圾、果蔬垃圾、麥秸3種不同原料分別進行厭氧消化，研究了各反應器在最佳運行條件下的消化特性和微生物群落組成。結果表明，不同樣品組中細菌和古菌的群落存在相同的優(yōu)勢微生物，但其數(shù)量和群落結構存在明顯的差異。許曉暉、范曉蕾等[25]研究了餐廚垃圾分批厭氧消解過程中不同起始固含率和稀釋率對水解酸化過程的影響，研究表明，不同起始固含率和稀釋率能明顯影響餐廚垃圾的水解酸化。

3.3 微生物的作用

微生物的污染是導致餐廚廢棄物發(fā)生腐效變質(zhì)的根源。能引起餐廚廢棄物發(fā)生腐敗變質(zhì)的微生物種類很多，主要有細菌、酵母和霉菌。一般情況下細菌比酵母菌占優(yōu)勢?？梢苑謩e通過分解蛋白質(zhì)、糖類和脂肪的微生物種類進行分析。

分解蛋白質(zhì)的微生物，主要是細菌、霉菌和酵母菌，它們多數(shù)是通過分泌胞外蛋白酶來完成的。細菌中，芽孢桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬、假單孢菌屬等分解蛋白質(zhì)能力較強。許多霉菌也具有分解蛋白質(zhì)的能力，霉菌比細菌更能利用天然蛋白質(zhì)。而多數(shù)酵母菌對蛋白質(zhì)的分解能力極弱。細菌中能高效分解淀粉的為數(shù)不多，主要是芽孢桿菌屬和梭狀芽孢桿菌屬的某些種；能分解纖維素和半纖維素只有芽孢桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬和八疊球菌屬的一些種；但絕大多數(shù)細菌都具有分解單糖的能力；能分解果膠的細菌主要有芽孢桿菌屬、歐氏植病桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬中的部分菌株，它們參與果蔬的腐敗。多數(shù)霉菌都有分解簡單糖類的能力。分解果膠質(zhì)的霉菌活力強的有曲霉屬、毛霉屬等。大多數(shù)酵母有利用有機酸的能力。分解脂肪的微生物能生成脂肪酶，使脂肪水解為甘油和脂肪酸。細菌中的假單孢菌屬、無色桿菌屬、黃色桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬和芽孢桿菌屬中的許多種都具有分解脂肪的特性。能分解脂肪的霉菌比細菌多，常見的有曲霉屬、白地霉等。酵母菌分解脂肪的菌種不多，主要是解脂假絲酵母，其分解蛋白質(zhì)的能力也非常強[26-28]。

4 結語

餐廚廢棄物的主要特點是成份復雜、有機質(zhì)含量豐富、含水分極高，所以極易腐爛變質(zhì)。國內(nèi)外餐廚廢棄物的主要處置方式有焚燒、填埋、飼料化和生物處理技術，其中生物處理技術最優(yōu)。

餐廚廢棄物的腐敗主要表現(xiàn)為蛋白質(zhì)、糖類和脂質(zhì)的腐敗。其中影響腐敗的主要因素有環(huán)境條件、基質(zhì)、微生物的影響。因此，只有通過對腐敗機理的研究才能更好的對餐廚廢棄物進行安全評價和綜合利用。