植物餅渣液體有機(jī)肥生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

王本明，姜官恒，郎文培，楊紅光，王麗杰，于海濤

（濰坊農(nóng)科院/濰坊市基質(zhì)無(wú)土有機(jī)栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊261061）

植物餅渣液體有機(jī)肥生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

王本明，姜官恒，郎文培，楊紅光，王麗杰，于海濤

（濰坊農(nóng)科院/濰坊市基質(zhì)無(wú)土有機(jī)栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊261061）

以植物餅渣為主要原料，運(yùn)用生物技術(shù)和物理化學(xué)方法相應(yīng)設(shè)計(jì)了生產(chǎn)液體有機(jī)肥完整的工藝流程。筆者主要介紹了目標(biāo)營(yíng)養(yǎng)元素的確定、水解條件的優(yōu)化、蛋白酶產(chǎn)生菌種的培育以及大量營(yíng)養(yǎng)元素強(qiáng)化等技術(shù)，針對(duì)各種控制方法，闡述了其原理、應(yīng)用條件及研究進(jìn)展情況，提出了低成本規(guī)?；谱髦参镆后w有機(jī)肥的新思路，為有機(jī)肥料的資源化利用提供了參考。

植物餅渣；液體有機(jī)肥；水解條件；蛋白酶產(chǎn)生菌

0 引言

液體有機(jī)肥是指液態(tài)化的有機(jī)肥料。真正意義上的液體有機(jī)肥不含任何化學(xué)合成成分，養(yǎng)分來(lái)源于動(dòng)植物體或天然礦物，生產(chǎn)加工使用生物技術(shù)和物理方法，主要用于有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的中后期追肥[1]。

目前商品液體有機(jī)肥種類(lèi)極少，生產(chǎn)原料主要是深海魚(yú)類(lèi)，少數(shù)是動(dòng)物加工下腳料，氮素成分主要是蛋白類(lèi)物質(zhì)或銨態(tài)氮、硝態(tài)氮，成本較高[2]。用化學(xué)方法提取有機(jī)成分配制或添加化學(xué)肥料發(fā)酵加工的有機(jī)肥料都不是真正意義上的液體有機(jī)肥料，不能用于有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)[3]。植物油料餅渣（以下簡(jiǎn)稱(chēng)植物餅渣）作為肥料使用主要用于固態(tài)有機(jī)肥料生產(chǎn)，用于液體肥料生產(chǎn)鮮見(jiàn)報(bào)道。植物餅渣是優(yōu)質(zhì)的肥料原料，不僅NPK及中微量元素含量豐富，結(jié)構(gòu)更符合作物要求，而且資源豐富、可持續(xù)，原料成本更低[4]。筆者結(jié)合開(kāi)展的研究就使用植物餅渣生產(chǎn)液體有機(jī)肥要重點(diǎn)解決4個(gè)方面的技術(shù)問(wèn)題和一個(gè)工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題做如下討論。

1 氮素營(yíng)養(yǎng)目標(biāo)成分的確定與控制方法

1.1 氮素營(yíng)養(yǎng)目標(biāo)成分的確定

植物餅渣是以氮素養(yǎng)分為主的原料，在蛋白質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮之間選擇哪種氮素形態(tài)作為氮素目標(biāo)營(yíng)養(yǎng)成分，不僅涉及生產(chǎn)的工藝，而且對(duì)作物的吸收利用至關(guān)重要[5]。目前市場(chǎng)魚(yú)類(lèi)液體有機(jī)肥產(chǎn)品主要以蛋白質(zhì)態(tài)為主，畜禽加工下腳料類(lèi)產(chǎn)品則以銨硝態(tài)氮成分為主[6]。比較多肽、氨基酸、銨硝態(tài)氮的成分特性和植物對(duì)氮素吸收利用的特點(diǎn)，權(quán)衡對(duì)植物餅渣進(jìn)行生物加工處理的成本因素，以氨基酸為氮素主要目標(biāo)成分最為合適，其中保留適量的多肽類(lèi)和銨硝態(tài)氮素成分，形成中、短、速效結(jié)合，以短速效為主的成分結(jié)構(gòu)，既能快速滿(mǎn)足作物的氮素需求，又不會(huì)因大量施入肥料對(duì)作物造成傷害。

1.2 生物技術(shù)控制法

為滿(mǎn)足有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的要求，應(yīng)用生物技術(shù)的加工方法是最好的途徑。通過(guò)對(duì)植物餅渣中蛋白質(zhì)進(jìn)行水解，將蛋白質(zhì)態(tài)有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為水溶性的有機(jī)氮和速效氮。作為肥料產(chǎn)品蛋白質(zhì)水解不宜用酶解，鑒于植物餅渣蛋白質(zhì)、油脂、纖維素含量較高，發(fā)酵菌種宜選用富含地衣芽孢桿菌、酵母菌、枯草芽孢桿菌的混菌[7]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用禽類(lèi)、犬類(lèi)腸胃消化液半?yún)捬醵ㄏ蛘T導(dǎo)培養(yǎng)的發(fā)酵菌效果較好。

1.3 腐熟度的控制法

腐熟度影響著發(fā)酵的進(jìn)程和底物有效成分的轉(zhuǎn)化比率，同時(shí)決定了營(yíng)養(yǎng)成分的結(jié)構(gòu)。相同條件下影響腐熟度的主要是發(fā)酵時(shí)間。判斷腐熟度的標(biāo)準(zhǔn)有外觀法、化學(xué)參數(shù)法、生物學(xué)參數(shù)法、光譜法等，實(shí)踐中應(yīng)以種子發(fā)芽指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，比較各種方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成時(shí)間控制腐熟度的數(shù)量指標(biāo)。

1.4 發(fā)酵條件控制

植物餅渣的發(fā)酵主要是蛋白質(zhì)的發(fā)酵，脂肪類(lèi)、纖維木質(zhì)素類(lèi)自然進(jìn)行。控制發(fā)酵條件主要是激發(fā)蛋白酶產(chǎn)生菌和蛋白酶的活性，促進(jìn)蛋白質(zhì)的水解進(jìn)程。影響蛋白質(zhì)水解的因素主要是溫度、氧飽和度、酸堿度、固含量。研究表明，動(dòng)物菌源半?yún)捬醢l(fā)酵，溫度以40～50℃，攪拌后底物氧飽和度10%～20%，初始酸堿度pH 7～8，固含率20%～40%轉(zhuǎn)化效率最高[8]。

1.5 輔料使用控制

試驗(yàn)表明，在粘性較大的餅渣中添加稻殼、珍珠巖等可有效提高底物氧含量，減少臭氣的產(chǎn)生。適量添加淀粉等碳水化合物可有效加快蛋白質(zhì)水解進(jìn)程。及時(shí)進(jìn)行固液分離，補(bǔ)充新的發(fā)酵材料和水分，可減少游離銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量。調(diào)整發(fā)酵產(chǎn)物的成分可通過(guò)調(diào)整發(fā)酵底物的構(gòu)成實(shí)現(xiàn)。

2 蛋白酶產(chǎn)生菌種的選育使用

2.1 菌源的選擇

產(chǎn)生蛋白酶的菌種較多，但主要的是地衣芽孢桿菌和酵母菌。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物胃腸中此類(lèi)菌種含量較多且種類(lèi)豐富，尤其是生長(zhǎng)期較長(zhǎng)的動(dòng)物更佳[9]?？紤]其他成分發(fā)酵菌的要求、每種動(dòng)物的消化能力以及肥料對(duì)溫度的要求，以動(dòng)物體溫40℃以上的禽類(lèi)和犬類(lèi)腸胃消化液作為菌源更為合適。

2.2 菌種的馴化

菌種都有專(zhuān)一性的特點(diǎn)，不同的發(fā)酵底物和發(fā)酵條件要求不同的混菌結(jié)構(gòu)。為提高菌種的適應(yīng)性和優(yōu)勢(shì)必須對(duì)菌種進(jìn)行馴化培養(yǎng)。馴化的目標(biāo)因素主要是底物，其次是發(fā)酵條件[10]。馴化過(guò)程可分階段逐步完成，在此基礎(chǔ)上逐漸擴(kuò)大接種菌量。

2.3 菌種的比較

不同的菌源具有不同的菌種組成及數(shù)量結(jié)構(gòu)，對(duì)不同的發(fā)酵底物具有明顯的嗜好差異[11]。對(duì)于生產(chǎn)使用的具體原料要進(jìn)行菌種適應(yīng)性比較和良種篩選。菌種優(yōu)劣通過(guò)其在一定條件下的蛋白質(zhì)水解轉(zhuǎn)化效率來(lái)判斷，設(shè)定時(shí)間的蛋白質(zhì)水解度是衡量指標(biāo)。

2.4 菌種的培育使用

優(yōu)勢(shì)菌種和發(fā)酵條件確定后，還要對(duì)菌種材料進(jìn)行進(jìn)一步的培育擴(kuò)繁，以進(jìn)一步提高菌種的適應(yīng)性和優(yōu)勢(shì)菌種數(shù)量上的優(yōu)勢(shì)。培育方法采取馴化培養(yǎng)的方式，從發(fā)酵底物和發(fā)酵條件兩個(gè)方面開(kāi)展誘導(dǎo)馴化[12]。在此基礎(chǔ)上逐步對(duì)菌種擴(kuò)大繁殖，直至達(dá)到生產(chǎn)需要的用菌量。

2.5 菌種的保持利用

生產(chǎn)加工的過(guò)程也是強(qiáng)化優(yōu)勢(shì)菌種的過(guò)程。液體肥的生產(chǎn)過(guò)程不需對(duì)底物菌種滅活，保持利用菌種非常重要。可利用每次加工分離的固體物作為菌種保持材料，按照消化效率每次只添加等量的新的原料材料，保證每次發(fā)酵過(guò)程都有較高的優(yōu)勢(shì)菌種基數(shù)。

3 發(fā)酵條件的優(yōu)化與調(diào)整

3.1 pH值

不同菌源的菌種對(duì)pH值的要求略有差異，需要開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程呈現(xiàn)酸化趨勢(shì)，起始pH值偏堿性更有利于發(fā)酵效率的提高[13]。研究證明，起始在pH 8～9之間，終點(diǎn)在pH 7左右時(shí)，對(duì)發(fā)酵最有利。植物原料起始pH值整體呈酸性，pH值的調(diào)整是調(diào)堿?？膳c添加材料的使用結(jié)合起來(lái)，尤其是堿性高鉀材料的使用，如草木灰、窯灰的利用。

3.2 溫度

溫度對(duì)菌種的活性和菌種的選擇影響最大，因而也是影響發(fā)酵效率和產(chǎn)物成分的主要因素[14]。蛋白酶產(chǎn)生菌的最適溫度大多在50℃左右；脂肪、淀粉、糖類(lèi)分解酶產(chǎn)生菌的適宜溫度偏低，在35～40℃；纖維、木質(zhì)素類(lèi)則偏高，在55～60℃。兼顧各菌種活性，馴化及發(fā)酵加工的溫度控制在40～50℃之間為宜[15]。液體有機(jī)肥生產(chǎn)加工溫度的保持主要靠外來(lái)能源。

3.3 含水率

底物含水率同時(shí)反映著底物固含量，是影響發(fā)酵效率和產(chǎn)物濃度水平的重要指標(biāo)。植物餅渣類(lèi)原料膠類(lèi)物質(zhì)含量較高，含水率過(guò)高會(huì)阻礙氧在底物中的傳導(dǎo)。不同原料適應(yīng)的含水率水平不盡相同，細(xì)粉、粘稠類(lèi)餅渣適宜含水率偏低，顆粒、散狀類(lèi)適宜含水率偏高，具體指標(biāo)可通過(guò)試驗(yàn)確定。但為保持產(chǎn)物較高的養(yǎng)分含量水平，生產(chǎn)中一般控制在60%～80%。

3.4 供氧量

供氧水平?jīng)Q定了發(fā)酵的方式和原料的降解過(guò)程，作為以肥料為產(chǎn)物的發(fā)酵，采取轉(zhuǎn)化率更高的半?yún)捬醢l(fā)酵更為合適，間歇式的供氧方式，保持底物氧含量8%～15%的水平[16]。粘稠度大的餅渣要在底物中添加適量分散性材料，并通過(guò)攪拌以提高底物各部分氧含量的均衡性。

3.5 C/N、C/P

碳是微生物的唯一能源，適當(dāng)?shù)腃/N、C/P有利于保持菌種的活性。一般認(rèn)為：有機(jī)物C/N在10左右，有機(jī)物被微生物分解速度最大。植物餅渣C/N、C/P一般都較低，為提高發(fā)酵效率可補(bǔ)充適量的高碳物質(zhì)[17]。補(bǔ)碳可與改進(jìn)透氣性結(jié)合實(shí)施，如添加適量的稻殼、谷糠、麩皮等[18]。

4 養(yǎng)分含量的提升與營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整

4.1 營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液體有機(jī)肥一般作為追肥使用（含根際追肥和根外追肥），對(duì)應(yīng)作物中后期生理特點(diǎn)和營(yíng)養(yǎng)規(guī)律，理想的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)是高鉀中氮或高鉀高氮，因作物補(bǔ)充一定量的中微量元素。同時(shí)提供一定數(shù)量具有促根護(hù)根、增強(qiáng)抗性的腐殖酸等功能性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

4.2 原料結(jié)構(gòu)調(diào)整法

提高和改善有機(jī)液體肥的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，主要是靠調(diào)整原料的構(gòu)成實(shí)現(xiàn)。一般情況下，高氮餅渣加工的液體有機(jī)肥含氮量較高，磷鉀亦然。因此，生產(chǎn)高氮液體有機(jī)肥宜使用大豆餅、花生餅等，生產(chǎn)高磷液體有機(jī)肥宜使用菜籽餅、蓖麻餅、芝麻餅等。

4.3 重復(fù)、疊加法

重復(fù)發(fā)酵法是將發(fā)酵提取液再次進(jìn)入發(fā)酵過(guò)程以強(qiáng)化液體養(yǎng)分濃度的方法。如將上輪發(fā)酵分離液體代替部分水分再次進(jìn)入發(fā)酵過(guò)程，或?qū)⒄右旱绕渌l(fā)酵液代替水分進(jìn)入發(fā)酵過(guò)程。疊加法是將不同肥料加工工藝重復(fù)使用的方法。如將浸提的草木灰上清液替代水分進(jìn)入發(fā)酵過(guò)程的方法。

4.4 添加法

受餅渣天然特點(diǎn)的影響，鉀素成分含量整體偏低，大幅提高液體有機(jī)肥鉀的含量只能通過(guò)添加的方法。草木灰是最好的鉀素添加原料。酸堿度等功能性調(diào)整也主要是通過(guò)添加的辦法解決。為降低成本和質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)，添加材料不宜過(guò)多，提倡一料多用。如鈣鎂磷肥、石灰氮、草木灰等，既是堿性調(diào)理劑，又是肥料提升劑，石灰氮還兼具菌種滅活的功能[19]。

5 生產(chǎn)工藝流程的設(shè)計(jì)

5.1 發(fā)酵設(shè)備的選用

液體有機(jī)肥的加工發(fā)酵設(shè)備是核心。目前有液體發(fā)酵和固體發(fā)酵兩種設(shè)備?？紤]餅渣的特點(diǎn)和商品肥料較高養(yǎng)分含量的要求，選用固體發(fā)酵設(shè)備采取固體發(fā)酵工藝較為合適。設(shè)備要具備自動(dòng)攪拌和溫控能力，一般應(yīng)兼具在位滅菌、酸堿調(diào)節(jié)、水分調(diào)節(jié)、供氧（氣）等功能[20]。

5.2 原料的預(yù)處理

包括原材料的搜集篩選、物理去雜、干料浸泡、組配填裝、滅菌消毒等。原料選擇以當(dāng)?shù)胤嫌袡C(jī)液體肥生產(chǎn)要求的大宗餅渣資源為主，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品定位進(jìn)行原料結(jié)構(gòu)的搭配。除一般性去雜、浸泡、組配外，對(duì)生料餅渣還要結(jié)合滅菌進(jìn)行蒸煮處理。對(duì)細(xì)粘餅渣還要添加一定比例的粗料，以提高底物的透氣性。

5.3 餅渣發(fā)酵

包括添加菌種、啟動(dòng)發(fā)酵、條件控制、適時(shí)出料等。將足量的菌種加入降溫后的發(fā)酵底物，啟動(dòng)攪拌、溫度控制等程序發(fā)酵即開(kāi)始。受發(fā)酵底物C/N的限制，溫度需要借助外能。發(fā)酵過(guò)程在自動(dòng)控制下進(jìn)行，各項(xiàng)指標(biāo)按照試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置，酸堿度等調(diào)整材料要符合有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的要求，達(dá)到腐熟指標(biāo)后及時(shí)出料轉(zhuǎn)入下一流程。

5.4 后續(xù)加工

包括固液分離、指標(biāo)調(diào)整、研磨攪拌、精細(xì)加工等。固液分離要兼顧填充物的再利用和菌種的保護(hù)利用，應(yīng)采取離心分離的方式。養(yǎng)分、理化指標(biāo)的調(diào)整以底物、發(fā)酵過(guò)程調(diào)整為主，后續(xù)只根據(jù)目標(biāo)肥料指標(biāo)、功能、性能要求做微調(diào)矯正。研磨攪拌是將各種添加物通過(guò)膠體磨作均質(zhì)處理，同時(shí)將固形物粒徑研磨至一定粒徑之下。精細(xì)加工可進(jìn)一步改善肥料性能，形成諸如葉面肥、特定植物專(zhuān)用肥等。

6 結(jié)論與討論

以植物油料餅渣為主要原料，運(yùn)用生物技術(shù)與物理化學(xué)方法相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)制作了液體有機(jī)肥生產(chǎn)的完整工藝流程。生產(chǎn)制作的核心技術(shù)是蛋白質(zhì)水解技術(shù)，涉及了一系列氮素營(yíng)養(yǎng)目標(biāo)成分的確定與控制方法、水解條件的優(yōu)化，蛋白酶產(chǎn)生菌種的培育以及大量營(yíng)養(yǎng)元素強(qiáng)化等技術(shù)，研究了液體有機(jī)肥發(fā)酵參數(shù)（如溫度、酸堿度）的交互效應(yīng)及最佳組合，優(yōu)化了液體有機(jī)肥生產(chǎn)工藝，提高肥料質(zhì)量，減少生產(chǎn)成本。

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Key Production Technology of Liquid Organic Fertilizer from Vegetable Oil Residue:Research Progress

Wang Benming,Jiang Guanheng,Lang Wenpei,Yang Hongguang,Wang Lijie,Yu Haitao
(Weifang Academy of Agricultural Sciences/Weifang laboratory of Soilless Cultivation Substrates,Weifang 261061,Shandong,China)

Based on vegetable oil residue,the whole process of producing liquid organic fertilizer was designed by using biotechnology and physical-chemistry method.The research mainly introduced some technologies,including the determination of the target nutrient elements,the optimization of the hydrolysis conditions,the cultivation of the protease strains and the enhancement of the nutrient elements etc.The paper also expounded the principles,application conditions and research progress of the control methods,and proposed a new way which was low-cost for large-scale production of liquid organic fertilizer.The results can provide references for the resource utilization of organic manure.

Vegetable Oil Residue;Liquid Organic Fertilizer;Hydrolysis Condition;Proteinase Strain

S-1

A論文編號(hào)：casb17070016

濰坊市2016年科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“蕓豆無(wú)土有機(jī)高效栽培技術(shù)研究與應(yīng)用”(2016ZJ1114)，“餅渣氨肽液體有機(jī)肥加工技術(shù)研究與應(yīng)用”(2016ZJ1112)；山東省2017年度農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目“菇渣爐渣基質(zhì)化利用研究與工廠化加工應(yīng)用”（山東省財(cái)政支持）。

王本明，男，1962年出生，山東日照人，研究員，碩士，主要從事基質(zhì)無(wú)土有機(jī)栽培研究。通信地址：261061山東省濰坊市勝利東街1921號(hào) 濰坊市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，Tel：0536-2118578，E-mail：wfnkwbm@qq.com。

王麗杰，女，1991年出生，山東濱州人，實(shí)習(xí)研究員，碩士，主要從事土壤生態(tài)研究。通信地址：261061山東省濰坊市勝利東街1921號(hào)濰坊市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，Tel：0536-2118570，E-mail：270960753@qq.com。

2017-07-14，

2017-10-12。