環(huán)保酵素的發(fā)酵過程研究

蔡毅飛+唐敏

摘 要：將大量蔬果垃圾制作成環(huán)保酵素是固體廢棄物資源化的有效途徑。通過對環(huán)保酵素發(fā)酵過程中的pH值、電導率和還原糖含量的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)三者在發(fā)酵結束時幾乎數(shù)據(jù)同時趨于穩(wěn)定，因此這3個參數(shù)都可作為判斷發(fā)酵進程結束的重要參考依據(jù)。pH值和電導率具有測量方便的優(yōu)點，且最終pH值是判斷發(fā)酵是否成功的標準之一。通過不同溫度條件下制作環(huán)保酵素試驗，得出中溫條件更加有利于蔬果垃圾的水解酸化，環(huán)保酵素的溶解固體含量最低，電導率最大。

關鍵詞：蔬果垃圾 環(huán)保酵素 pH 電導率 還原糖

中圖分類號：N34 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（b）-0230-02

蔬果垃圾在城市垃圾中占有較大的比重，如果將其簡單按照一般生活垃圾的處理方式進行處置，不僅成本高昂，從某種程度上也是一種資源的浪費。如何利用蔬果垃圾是當前研究的熱點之一。泰國有機農(nóng)業(yè)協(xié)會的創(chuàng)始人樂素昆·普潘翁博士提出采用發(fā)酵技術，將蔬果垃圾制作成環(huán)保酵素。研究表明，酵素具有對超氧陰離子自由基、羥基自由基和DPPH自由基等的清潔能力，除了可部分替代家庭清潔劑外，還可用于農(nóng)業(yè)肥料和土壤改良、環(huán)境污染治理等方面。研究環(huán)保酵素的發(fā)酵過程，對實現(xiàn)蔬果垃圾資源化具有重要的意義。

1 環(huán)保酵素制作方法

制作環(huán)保酵素的主要原料是紅糖、蔬果垃圾和水。將蔬果垃圾切成小塊，紅糖∶蔬果垃圾∶水按照1∶3∶10的比例混合。將制作容器密封，早期每天放氣1～2次，待1個月后無氣體放出，置于陰涼處保存發(fā)酵3個月即可。

2 發(fā)酵過程監(jiān)測

2.1 pH值

酸化過程是蔬果垃圾厭氧發(fā)酵的重要步驟，一般認為，pH直接通過影響酸化細菌細胞膜電荷的變化，進而影響細菌對營養(yǎng)物質的吸收代謝過程中的相關酶的活性，改變生長環(huán)境中營養(yǎng)物質的吸收[1]。實驗在室內(nèi)環(huán)境中進行，采用雷磁pHS-3C型電導率儀對發(fā)酵過程中pH值的變化進行監(jiān)測。

在發(fā)酵過程剛開始的一段時間內(nèi)，大分子有機底物水解酸化，產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸，造成pH值迅速降低。通過滴定法測定，第6天的揮發(fā)性有機酸達到7.54 g/L。隨著發(fā)酵的進行，pH不斷變化，發(fā)酵類型也在不斷發(fā)生變化。pH=4.0～4.5為主要乙醇型發(fā)酵區(qū)域，pH=4.5～5.0和pH=5.5～6.5為丁酸型發(fā)酵區(qū)域，pH=5.5～6.5為丁酸型發(fā)酵區(qū)域，當pH為4～5時，乙酸占總酸累積濃度的一半以上[2]，可以在發(fā)酵初期通過調(diào)節(jié)pH使有益酸化產(chǎn)物增加。在發(fā)酵約18 d時，pH達到最低值，隨后pH開始逐步增加，可能是由于氨的濃度逐漸增加。發(fā)酵78 d后，pH趨于穩(wěn)定。植物酵素具有較大的pH值活性范圍，一般發(fā)酵成功pH值范圍在3.0～4.0[3]。

2.2 還原糖

發(fā)酵原料中的紅糖為發(fā)酵提供了所需的營養(yǎng)物質，通過監(jiān)測發(fā)酵體系中總糖或還原糖的含量，及時準確的了解發(fā)酵過程中其消耗情況對掌握發(fā)酵進程至關重要，也是目前廣泛采用的方法。測定發(fā)酵液糖含量一般有高錳酸鉀滴定、費林試劑和3，5-二硝基水楊酸比色法等，但都比較繁瑣，數(shù)據(jù)準確性不高?？紤]發(fā)酵液底色深不易觀察顏色變化的問題，采用費林試劑返滴定法[4]測定發(fā)酵液中還原糖含量。初始還原糖含量為14.8 g/L，發(fā)酵第6 d還原糖含量達到15.9 g/L，隨后還原糖含量呈下降趨勢，直至約72 d后趨于穩(wěn)定。分析原因，發(fā)酵初始階段為厭氧水解酸化階段，底物中多糖類物質經(jīng)水解生成單糖及其它小分子化合物，發(fā)酵系統(tǒng)含糖量達到最大值。隨著發(fā)酵的繼續(xù)進行，還原糖作為營養(yǎng)物質逐漸被微生物菌消耗，直至發(fā)酵基本完成。

2.3 電導率

在發(fā)酵過程中，還原糖殘余量一直被作為發(fā)酵過程是否結束的重要參考指標，但其檢測過程較為繁瑣。通過對發(fā)酵液電導率的監(jiān)測，建立發(fā)酵液電導率與還原糖含量關系模型。發(fā)酵系統(tǒng)初始電導率為6.34 ms/cm，伴隨著發(fā)酵進行，電導率不斷下降，發(fā)酵48天后電導率又逐漸上升直至平穩(wěn)。發(fā)酵初期，產(chǎn)生的乙醇在發(fā)酵體系中所占體積分數(shù)不斷增加，而乙醇屬于非電解質，造成電導率下降的趨勢[5]。到達發(fā)酵中后期，發(fā)酵原料蔬果垃圾中的礦物質釋放到系統(tǒng)中，導致電導率回升。

在發(fā)酵72 d時，電導率和還原糖含量的變化速度都趨緩，84 d左右同時達到基本穩(wěn)定?？梢钥闯觯l(fā)酵系統(tǒng)pH值、還原糖含量和電導率隨著發(fā)酵過程的進行，幾乎在同時趨于穩(wěn)定，可以作為判斷環(huán)保酵素發(fā)酵過程結束的評判參考依據(jù)。

3 溫度對發(fā)酵過程的影響研究

溫度是發(fā)酵工藝最重要的參數(shù)之一，能夠影響酶的活性，進而對微生物的生長和基質的代謝產(chǎn)生影響。目前針對溫度與環(huán)保酵素發(fā)酵過程關系的研究少有報道，對于蔬果垃圾制作環(huán)保酵素的工業(yè)化發(fā)展，選擇合適的溫度是非常必要的。

一般根據(jù)溫度的不同，可將發(fā)酵工藝分為常溫發(fā)酵、中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵三大類。該實驗按照配比制作三份環(huán)保酵素，分別置于20℃、30℃和50℃的恒溫培養(yǎng)箱中。發(fā)酵過程中對三份樣品的pH值、電導率和還原糖含量進行連續(xù)監(jiān)測。從pH值變化可以看出，20℃和30℃時的水解酸化率最大。30℃條件下生成的環(huán)保酵素電導率稍高。進一步對三種環(huán)保酵素的總固體含量（TS）進行測定，20℃環(huán)保酵素TS含量為46%，30℃環(huán)保酵素TS含量為21%，50℃環(huán)保酵素TS含量為33%。因此，中溫30℃條件更有利于蔬果垃圾的轉化和環(huán)保酵素的生成。

4 結論

（1）環(huán)保酵素制作發(fā)酵過程中，發(fā)酵系統(tǒng)pH值、電導率和還原糖含量三個數(shù)值在發(fā)酵結束時同時開始趨于穩(wěn)定，因此pH值和電導率的變化也作為判斷發(fā)酵進程是否結束的參考依據(jù)。pH值和電導率相對還原糖含量測定具有準確度高，快速便捷的特點，同時可通過測定環(huán)保酵素最終pH值判斷發(fā)酵是否成功。

（2）pH值在水解酸化階段急劇下降，不同pH值范圍對應不同產(chǎn)物發(fā)酵區(qū)域，可通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH控制酸化進程，使產(chǎn)生具有針對性用途的環(huán)保酵素。

（3）溫度對環(huán)保酵素的發(fā)酵過程有一定影響。中溫條件更加適合水解酸化的進行，酵素液中總固體含量也較少，更加有利于環(huán)保酵素的使用。

參考文獻

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[3] 周新萍，付小全，陳桂蘭.利用餐廚垃圾制作植物酵素及其活性成分分析[J].東莞理工學院學報，2014，21（5）：93-96.

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[5] 李沖偉，宋福強，宋永，等.酒精發(fā)酵過程中電導率變化趨勢解析[J].食品科學，2015，36（21）：105-110.