香瓜皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力研究

摘要：為探討香瓜（Cucumis melo L.）皮作為沼氣發(fā)酵原料資源化利用的可行性，以香瓜皮為發(fā)酵原料，在30 ℃下進行批量式沼氣發(fā)酵試驗，測定發(fā)酵過程中的TS產(chǎn)氣潛力、VS產(chǎn)氣潛力、日產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率、pH等指標。結(jié)果表明，發(fā)酵歷時48 d，當發(fā)酵體系出現(xiàn)酸化時，在微生物的調(diào)節(jié)下pH能夠很快恢復，產(chǎn)氣未受到任何影響。整個發(fā)酵過程香瓜皮總產(chǎn)氣量3 274 mL，TS產(chǎn)氣潛力為726 mL/g（TS），VS產(chǎn)氣潛力為777 mL/g（VS），且發(fā)酵前后pH變化不大，維持在沼氣發(fā)酵的較佳范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：香瓜（Cucumis melo L.）皮；沼氣發(fā)酵；pH；產(chǎn)氣潛力

中圖分類號：TQ920；S652.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4484-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.032

Abstract： Aiming to study the feasibility of biogas production using muskmelon（Cucumis melo L.） skins in a resource utilization way，using musk melon skins as raw materials， the fermentation experiments were carried out at 30 ℃. Parameters of TS biogas production potential， VS biogas production potential， daily biogas output， biogas production rate and pH etc. were determined during experiments. Results showed that，fermentation lasted 48 days， when the fermentation system appeared acidification， under the regulation of microorganisms， pH can quickly recover， there was no any effect on the production of gas. The total biogas production output of musk melon skins during fermentation experiment was 3 274 mL， TS biogas production potential was 726 mL/g（TS），VS biogas production potential was 777 mL/g（VS）. Before and after the experiment， pH changed slightly and remained within the suitable scope for fermentation.

Key words： muskmelon skins（Cucumis melo L.）； biogas fermentation； pH； biogas production potential

香瓜（Cucumis melo L.）屬葫蘆科（Cucurbitaceae）甜瓜屬（Cucumis）一年生蔓生草本植物，其味甘，性寒，是人們夏天特別喜歡的瓜類之一[1]。香瓜具有特殊的香味，富含糖類、礦物質(zhì)和維生素，具有清熱解暑、止咳利尿、消除疲勞、軟化血管、降低膽固醇等作用。小兒飲其汁，對防治軟骨病有一定的作用，香瓜所含的軟化酶可以將不溶性蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性蛋白質(zhì)供腎臟吸收。另外，香瓜含有胡蘿卜素B，能明顯增加肝臟內(nèi)糖原的儲備量，可及時補充大腦與血液中的血糖濃度，對人體的精力有明顯的補充作用[2，3]。在食用過程中大量的香瓜果皮被隨意丟棄，既造成環(huán)境污染問題，也使得大量的生物質(zhì)資源被浪費。目前以香瓜皮作為沼氣發(fā)酵原料的試驗尚未見報道。為此，本試驗以香瓜皮為原料，探究其產(chǎn)沼氣潛力，以期為解決其環(huán)境污染問題提供一條新的途徑，同時實現(xiàn)香瓜皮的資源化利用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

發(fā)酵原料為香瓜皮，經(jīng)測定總固體（TS）含量為8.02%，揮發(fā)性固體（VS）含量為93.34%。接種物為實驗室長期馴化的厭氧發(fā)酵活化污泥，TS含量為16.24%，VS含量為65.13%。

1.2 試驗裝置

采用實驗室自制的容積為500 mL的發(fā)酵裝置進行試驗。裝置示意圖如圖1所示。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料預處理 將香瓜皮清理后切成小于2 cm的小段，以便充分與接種物混合均勻。

1.3.2 試驗設(shè)計 分別設(shè)置試驗組和對照組，每組3次重復。為保證試驗的一致性，進行單瓶配料。試驗組料液配比：120 mL接種物，56.26 g香瓜皮，加水至400 mL；對照組料液配比：120 mL接種物，加水至400 mL。采用自動控溫裝置30 ℃下厭氧發(fā)酵，每天定時記錄產(chǎn)氣量及火焰顏色。

1.3.3 測試項目

1）產(chǎn)氣量的測定。排水法收集沼氣[4]，統(tǒng)計每天特定時間內(nèi)計量瓶中所收集水的體積。同時，采用火焰顏色比色卡法[5]，根據(jù)火焰的顏色確定沼氣中甲烷的含量。

2）TS含量的測定。將樣品在（105±2） ℃下烘至恒重，計算樣品干物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)[6]。

式中，W0為樣品重量（g）；W1為樣品烘干至恒重后的重量（g）。

3）VS含量的測定。將測定TS后恒重的總固體在（550±20） ℃下燒至恒重，計算揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)[6]。

式中，W2為灰分重量（g）。

4）pH的測定。采用精密pH試紙測定pH。

2 結(jié)果與分析

試驗測定并記錄了發(fā)酵前后料液TS、VS、pH的變化，對發(fā)酵料液每天產(chǎn)氣量進行了統(tǒng)計，計算了其產(chǎn)氣速率，最后得出香瓜皮的產(chǎn)氣潛力。

2.1 發(fā)酵前后料液TS、VS、pH的變化

試驗共進行了48 d，試驗前后發(fā)酵料液TS、VS、pH的變化見表1。由表1可以看出，試驗組和對照發(fā)酵后的TS和VS含量都有所下降，說明在厭氧發(fā)酵過程中，原料被一定程度地利用。試驗組TS和VS降低量明顯高于對照，這是由于對照的原料是長期馴化后的活性污泥，其含有的可降解有機物較少，因此VS含量下降較少。經(jīng)進一步計算可知，試驗組料液的TS和VS降解率分別為15.27%和16.52%；對照料液的TS和VS降解率分別為14.63%和12.50%，表明香瓜皮能被發(fā)酵微生物有效降解。

2.2 產(chǎn)氣量分析

2.2.1 日產(chǎn)氣量 統(tǒng)計每天特定時間內(nèi)計量瓶中所收集水的體積，試驗組與對照體積的差值作為實際產(chǎn)氣量，3次重復的平均值得實際產(chǎn)氣量即為每天香瓜皮發(fā)酵的產(chǎn)氣量。試驗開始后，每天記錄香瓜皮的產(chǎn)氣量，得出香瓜皮產(chǎn)氣量與發(fā)酵時間的變化規(guī)律（圖2）。從圖2可以看出，香瓜皮厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣曲線符合沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣的一般規(guī)律，沼氣發(fā)酵共48 d，發(fā)酵第1天，產(chǎn)氣量達到小高峰，為170 mL，但所產(chǎn)生的氣體不能點燃，甲烷的含量不高（<40%），這是由于發(fā)酵初期香瓜皮被水解產(chǎn)生CO2的緣故；發(fā)酵第2～3天，產(chǎn)氣量均小于第1天，所產(chǎn)生的氣體也不能點燃，甲烷的含量約為40%；發(fā)酵第4天和第5天，產(chǎn)氣量突然下降，僅為50 mL，所產(chǎn)生的氣體能連續(xù)燃燒但不能燒完，火焰顏色為淡青藍，判斷甲烷含量約55%；pH經(jīng)測定為6.0，發(fā)酵體系出現(xiàn)酸化，在微生物的自我調(diào)節(jié)下，發(fā)酵體系第7天恢復正常，pH為7.0；發(fā)酵的第8天，產(chǎn)氣量達到最大，為220 mL，所產(chǎn)生的氣體能連續(xù)燃燒并且能夠燒盡，火焰顏色為青藍色，從火焰顏色判斷甲烷含量為70%左右；第19～27天，沼氣產(chǎn)量總體呈下降趨勢，這段發(fā)酵期間，從火焰顏色判斷甲烷含量在70%左右；第28～48天，產(chǎn)氣量普遍比較低，第40 天時產(chǎn)氣量最低，僅為10 mL，從沼氣火焰顏色判斷甲烷含量在40%～55%。

2.2.2 累計產(chǎn)氣量 對香瓜皮發(fā)酵的累計產(chǎn)氣量進行了統(tǒng)計，結(jié)果見表2。由表2可知，在香瓜皮的整個發(fā)酵過程中，前5 d的產(chǎn)氣量較少，這是由于第4天體系酸化，pH為6.0，導致體系中產(chǎn)甲烷菌不能正常代謝的結(jié)果。在微生物的自我調(diào)節(jié)下，體系恢復正常后產(chǎn)氣量平穩(wěn)上升。整個厭氧發(fā)酵過程中，主要產(chǎn)氣階段集中在第5～30天，從490 mL增加到2 908 mL；最快產(chǎn)氣階段為第10～20天，從1 344 mL增加到2 505 mL；30 d以后的產(chǎn)氣量雖然仍在增加，但增加幅度不明顯。由試驗數(shù)據(jù)可知，香瓜皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣主要集中在前30 d。

2.3 產(chǎn)氣速率分析

每天實際產(chǎn)氣量與總產(chǎn)氣量之比為產(chǎn)氣速率。香瓜皮整個發(fā)酵過程產(chǎn)氣速率變化如圖3所示。由圖3可知，香瓜皮發(fā)酵產(chǎn)氣速率隨發(fā)酵時間的延長先增加后趨于平緩。在整個發(fā)酵過程中，1～5 d產(chǎn)氣速率較平緩，這是體系酸化造成的；6～27 d的曲線最為陡峭，到第30天時，產(chǎn)氣量已經(jīng)達到總產(chǎn)氣量的88.82%，其后產(chǎn)氣速率明顯減緩。發(fā)酵45 d產(chǎn)氣速率達到99.39%，表明第48天時香瓜皮中可被沼氣發(fā)酵微生物降解的成分大部分已被發(fā)酵轉(zhuǎn)化成沼氣。

2.4 產(chǎn)氣潛力分析

香瓜皮發(fā)酵總產(chǎn)氣量為3 274 mL，新鮮原料產(chǎn)氣潛力為58 mL/g，TS產(chǎn)氣潛力為726 mL/g（TS），VS產(chǎn)氣潛力為777 mg/g（VS）。為更好地評價香瓜皮厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的潛力，將其與其他原料在相同條件和發(fā)酵工藝下的產(chǎn)沼氣潛力進行比較，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，不同水果果皮的發(fā)酵時間不同，哈密瓜皮、西瓜皮、菠蘿蜜果皮發(fā)酵時間較長，而西番蓮皮、香蕉皮、菠蘿皮、葡萄皮渣、紅毛丹果皮等發(fā)酵時間較短。同時，水果皮的TS產(chǎn)氣率普遍比較高。產(chǎn)氣潛力較大的哈密瓜皮、西番蓮皮、香蕉皮、西瓜皮、葡萄皮渣等含有較多的易于水解的單糖、多糖等有機物，在水解性細菌的作用下水解成產(chǎn)甲烷菌的底物，故產(chǎn)氣較多，產(chǎn)氣率高；而菠蘿皮、紅毛丹果皮、菠蘿蜜果皮等難于水解的有機物較多，因此水解有機物并產(chǎn)沼氣所需時間相對較長，產(chǎn)氣相對較少。與其他原料相比，香瓜皮的TS產(chǎn)氣率居中，且其可自行正常發(fā)酵，表明香瓜皮是一種較好的發(fā)酵原料。

3 小結(jié)

以香瓜皮為原料，在30 ℃下進行批量式厭氧發(fā)酵試驗，發(fā)酵時間為48 d。啟動后第4天體系出現(xiàn)酸化，pH為6.0，延長了厭氧發(fā)酵的水力滯留時間（HRT），但在沼氣微生物的自我調(diào)節(jié)下，系統(tǒng)第7天恢復正常，開始正常產(chǎn)氣。主要產(chǎn)氣階段集中在5～30 d，最快產(chǎn)氣階段為10～20 d；發(fā)酵30 d時累積產(chǎn)氣2 908 mL，產(chǎn)氣速率達88.82%。

發(fā)酵料液TS、VS降解率分別為15.27%和16.52%，表明香瓜皮能被沼氣發(fā)酵微生物有效降解。整個發(fā)酵過程總產(chǎn)氣量為3 274 mL，TS產(chǎn)氣潛力為726 mL/g（TS），VS產(chǎn)氣潛力為777 mL/g（VS），且發(fā)酵前后pH變化不大，維持在沼氣發(fā)酵的較佳范圍內(nèi)。香瓜皮與其他品種水果皮相比具有較好的產(chǎn)氣潛力。該試驗結(jié)果為香瓜皮的后續(xù)利用提供了理論依據(jù)，也提供了新的資源化利用途徑。

參考文獻：

[1] 葉 華，占躍進.香瓜酸奶的研制[J].湖北農(nóng)業(yè)科學，2014，53（1）：163-167.

[2] 麻成金，吳竹青，余 佶，等.香瓜西瓜復合飲料的研制[J].飲料工業(yè)，2001，8（5）：13-16.

[3] 翟明昌，李震碩.香瓜冰激凌的研制[J].四川食品與發(fā)酵，2007， 43（4）：33-35.

[4] 楊 紅，尹 芳，張無敵，等.非洲菊秸稈產(chǎn)沼氣潛力的實驗研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40（34）：16756-16757，16877.

[5] 江蘊華，余曉華.利用火焰顏色判斷沼氣中甲烷含量[J].中國沼氣，1983（3）：28.

[6] 張無敵，宋洪川，尹 芳，等.沼氣發(fā)酵與綜合利用[M].昆明：云南科技出版社，2004.

[7] 高燕妮，陳玉保，張無敵，等.哈密瓜皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2014，42（27）：9499-9500，9505.

[8] 李永波，郭德芳，張建鴻，等.西番蓮果皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的實驗研究[J].云南師范大學學報（自然科學版），2013，33（3）：12-16.

[9] 朱海春，劉士清，尹 芳，等.香蕉皮沼氣發(fā)酵的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2007，27（8）：74-79.

[10] 陳麗瓊，尹 芳，官會林，等.西瓜皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的研究[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2005，25（4）：75-78.

[11] 查國君，張無敵，尹 芳，等.菠蘿皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究[J].新能源及工藝，2007（1）：41-43.

[12] 柳 靜，張無敵，尹 芳，等.葡萄皮渣的沼氣發(fā)酵潛力研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，38（22）：11939-11940，11963.

[13] 李映娟，柳 靜，楊 紅，等.紅毛丹果皮沼氣發(fā)酵試驗研究及果皮回收利用分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2013，41（33）：12984-12986，13041.

[14] 阮越強，劉麗春，郭德芳，等.菠蘿蜜廢棄物沼氣發(fā)酵的實驗研究[J].云南師范大學學報（自然科學版），2013，33（3）：22-25.