餐廚垃圾微生物發(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料的工藝條件研究

肖云

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物工程學(xué)院，湖北武漢430072）

餐廚垃圾主要是指家庭、餐廳、機關(guān)公共食堂的食物下腳料和殘余的廢棄物，包括水、油脂、蔬菜、米面、果皮、魚、肉、骨頭以及廢餐具、塑料、紙巾等多種物質(zhì)的混合物，來源復(fù)雜，含有各種細菌和病原菌。如果不加以處理，餐廚垃圾極易變質(zhì)、腐爛、發(fā)酵，滋生蚊蠅，產(chǎn)生大量毒素及散發(fā)惡臭氣體，污染水體和大氣，直接排入下水道還會引起下水道堵塞。但同時，餐廚垃圾又含有大量的有機物，營養(yǎng)價值豐富，具有很大的回收利用價值[1-3]。

伴隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程的加快，城市生活垃圾的排放量愈來愈大，其中餐廚垃圾的比例日漸上升，占城市生活垃圾的37%～62%。我國餐廚垃圾具有高有機物含量(有機物含量約占干物質(zhì)的80%以上）、高含水率(80%～90%）、高油、高鹽分等特點。據(jù)報道，如果將我國一年的餐廚垃圾全部利用，則相當(dāng)于節(jié)約3 000萬畝玉米的產(chǎn)出量和600萬噸生物柴油，可見其資源化特征十分明顯[4-5]。目前對餐廚垃圾的處理有四種主流的工藝路線：生產(chǎn)飼料、好氧堆肥、厭氧消化和制備生物柴油。其中，厭氧消化是在無氧條件下利用微生物自身代謝作用將大分子有機物分解為小分子有機物和無機物的過程，也是目前應(yīng)用和研究較多的技術(shù)，預(yù)計也是未來餐廚垃圾處理的主流技術(shù)[6]。盡管如此，仍然需要開發(fā)新型綜合的處理技術(shù)來提高餐廚的資源化循環(huán)利用程度。

筆者采用微生物發(fā)酵技術(shù)，選擇目前常用的三種微生物菌劑：HM菌劑、EM菌劑、自制復(fù)合菌劑(黑曲霉∶啤酒酵母∶枯草芽孢桿菌=1∶1∶1），添加至餐廚垃圾中，比較產(chǎn)品中蛋白質(zhì)的含量[7]，以篩選出能快速處理餐廚垃圾的微生物菌群，為大規(guī)模處理餐廚垃圾提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料

1.1.1 餐廚垃圾

餐廚垃圾取自武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院西區(qū)食堂，經(jīng)初步分揀去除筷子、叉子、紙巾等不可利用物，主要成分為飯渣、菜葉、肉渣等，離心去除部分水分，置于冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.1.2 菌種

HM菌劑 (河北智道生物科技有限公司）；EM菌劑(滄州華雨生物科技有限公司）；自制復(fù)合菌劑(黑曲霉∶啤酒酵母∶枯草芽孢桿菌=1∶1∶1），自行保存，均為農(nóng)業(yè)部生物安全通過技術(shù)規(guī)定使用的生產(chǎn)菌種。

1.1.3 培養(yǎng)基

肉湯培養(yǎng)基：蛋白胨1%，牛肉膏0.5%，NaCl 0.5%，pH 7.4±0.2，用于培養(yǎng)種子。

1.2 實驗方法

1.2.1 菌種的活化

HM/EM菌種處理方法：接種前先制成HM/EM菌液，按質(zhì)量比為HM/EM菌∶紅糖∶無菌水=10∶1∶10混合均勻，37℃培養(yǎng)，1～2 d 搖動一次，5～7 d 即可[8]。

將冰箱保藏的混合菌種取出，用接種環(huán)挑取接到斜面培養(yǎng)基，37℃培養(yǎng)24 h，然后挑取單個菌落接到液體培養(yǎng)基中，35℃搖床培養(yǎng)36 h，制得種子液[9]。

1.2.2 餐廚垃圾的固體發(fā)酵實驗

取一定量處理后的餐廚垃圾，加入不同含量的氮源作為發(fā)酵培養(yǎng)基，分別接入一定量的HM菌劑、EM菌劑、復(fù)合菌劑，在一定條件下進行發(fā)酵實驗。

1.2.3 檢測方法

發(fā)酵完畢，將發(fā)酵產(chǎn)品用蒸餾水漂洗3次，離心收集沉淀物于60℃～65℃烘干并粉碎。水分的測定參照GB/T6436-1992；總糖的測定參照GB/T 3865-1983；粗脂肪的測定參照GB/T 6433-2006；粗蛋白的測定參照GB/T6432-1994；總酸的測定參照 GB/T12456-1990[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水量對餐廚垃圾發(fā)酵的影響

取固體培養(yǎng)基100 g，尿素1.5 g，將含水量調(diào)成30%、40%、50%、60%、70%、80%，調(diào)節(jié) pH 為 6，121℃滅菌20 min，分別接入HM菌劑、EM菌劑、自制混合菌劑，34℃培養(yǎng)48 h后，測定粗蛋白的含量。結(jié)果如圖1。

圖1 不同含水量對發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量的影響Fig.1 The effect of different water content on crude protein content in fermentation products

由圖1可以看出，培養(yǎng)基含水量對HM菌劑、EM菌劑、自制復(fù)合菌劑三種發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白含量都有較明顯的影響。隨著含水量的增加，粗蛋白含量升高；當(dāng)含水量達到60%，三種菌劑發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白含量均達到最高，其中自制混合劑為28.12，EM菌劑為27.33，HM菌劑為25.38；含水量超過60%后，隨著含水量增加，粗蛋白含量降低。可能的原因是，含水量過低，培養(yǎng)基膨脹度低，黏度大，不利于通風(fēng)，微生物的生長受到抑制；含水量過高，物料濃度偏低，不利于菌體合成蛋白質(zhì)。因此，在含水量為60%時，發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量達到最高。

2.2 接種量對餐廚垃圾發(fā)酵的影響

取固體培養(yǎng)基100 g，尿素1.5 g，將含水量調(diào)成60%，pH為6，121℃滅菌20 min，按接種量為0.5%、1%、1.5%、2%，2.5%分別無菌接入HM菌劑、EM菌劑、自制混合菌劑，34℃培養(yǎng)48 h后測定粗蛋白的含量。結(jié)果如圖2。

圖2 不同接種量對發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量的影響Fig.2 The effect of different inoculation amount on crude protein content in fermentation products

接種量不同對三種菌劑發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白含量均有一定的影響。從圖2可以看出，對三種不同發(fā)酵菌劑而言，接種量為1.5%時，發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量較高，其中自制復(fù)合菌劑產(chǎn)物中粗蛋白含量達到27.98%；但是當(dāng)接種量超過1.5%后，三種菌劑發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量均無明顯增加。從生產(chǎn)實踐和經(jīng)濟角度考慮，接種量為1.5%較為合適。

2.3 溫度對餐廚垃圾發(fā)酵的影響

取固體培養(yǎng)基100 g，尿素1.5 g，將含水量調(diào)成60%，pH為6，121℃滅菌20 min，按接種量1.5%，分別無菌接入HM菌劑、EM菌劑、自制混合菌劑，分別在25℃、28℃、31℃、34℃、37℃、40℃培養(yǎng) 48 h，測定粗蛋白的含量。結(jié)果如圖3。

圖3 發(fā)酵溫度對發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量的影響Fig.3 The effect of different temperatureon crude protein content in fermentation products

溫度是微生物發(fā)酵的一個重要因素，影響微生物細胞內(nèi)的酶的生成和酶的活力。本次實驗采用的是混合菌群發(fā)酵，涉及多種微生物的共同生長，因此選擇合適的發(fā)酵溫度，協(xié)調(diào)各個微生物的生長繁殖，對發(fā)酵有明顯的影響。由圖3可以看出，對于HM菌劑和EM菌劑，隨著溫度的升高，在溫度達到37℃前發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白呈升高趨勢，溫度超過37℃后，粗蛋白含量基本保持不變；對于自制復(fù)合菌劑，在溫度達到34℃前，隨著溫度升高，發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量逐漸升高，在34℃時粗蛋白含量達到最大值28.22%，當(dāng)溫度超過34℃，繼續(xù)升高溫度，反而抑制了部分微生物的生長，發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白有所下降。故對于HM菌劑和EM菌劑，最適發(fā)酵溫度為37℃；對于自制復(fù)合菌劑而言，最適發(fā)酵溫度為34℃。

2.4 pH對餐廚垃圾發(fā)酵的影響

取固體培養(yǎng)基100 g，尿素1.5 g，將含水量調(diào)成60%，分別調(diào)節(jié) pH 為 4、5、6、7、8，121℃滅菌 20 min，按接種量1.5%，分別無菌接入HM菌劑、EM菌劑、自制混合菌劑，34℃分別培養(yǎng)48 h，測定粗蛋白的含量。結(jié)果如圖4。

圖4 不同pH值對發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量的影響Fig.4 The effect of different pH on crude protein content in fermentation products

pH也是影響微生物發(fā)酵的一個重要因素。由圖4可以看出，當(dāng)pH低于6時，隨著pH值上升，三種菌劑發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量明顯上升，當(dāng)pH達到6時，自制復(fù)合菌劑中粗蛋白含量達到最大28.35%，當(dāng)pH繼續(xù)上升，反而抑制了微生物的生長，發(fā)酵產(chǎn)物的粗蛋白反而下降。故最適發(fā)酵的pH為6。

2.5 發(fā)酵時間對餐廚垃圾發(fā)酵的影響

取固體培養(yǎng)基100 g，尿素1.5 g，將含水量調(diào)成60%，pH為6，121℃滅菌20 min，按接種量1.5%，分別無菌接入HM菌劑、EM菌劑、自制混合菌劑，34℃分別培養(yǎng) 24 h、36 h、48 h、60 h，測定粗蛋白的含量。結(jié)果如圖5。

圖5 發(fā)酵時間對發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量的影響Fig.5 The effect of different time on crude protein content in fermentation products

由圖5可知，當(dāng)發(fā)酵時間低于48 h時，三種菌劑產(chǎn)物中的粗蛋白均隨著發(fā)酵時間增加而增加，當(dāng)發(fā)酵時間達到48 h，自制復(fù)合菌劑中的粗蛋白達到最大28.34%，當(dāng)發(fā)酵時間超過48 h，隨著發(fā)酵時間增加，粗蛋白含量逐漸下降。故最適發(fā)酵時間為48 h。

3 結(jié)論

本次實驗對HM菌劑、EM菌劑、自制混合菌劑三種菌劑利用餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)粗蛋白的發(fā)酵條件進行優(yōu)化，對比三種菌劑轉(zhuǎn)化蛋白質(zhì)的效率，其中自制復(fù)合菌劑蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化率最高為28.35%，故確定可降解餐廚垃圾的菌群為1∶1∶1的黑曲霉∶啤酒酵母∶枯草芽孢桿菌，最佳發(fā)酵工藝條件為：以添加1.5%的尿素為氮源，含水量為60%，pH為6的餐廚垃圾為基質(zhì)進行發(fā)酵，混合菌種接種量為1.5%，34℃發(fā)酵48 h后，所得生物飼料中粗蛋白的含量為28.35%，發(fā)酵產(chǎn)物有酒香味。本研究的實驗結(jié)果為餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料提供一定的思路。