公共餐廚垃圾飼料化利用的混合菌發(fā)酵工藝

黃林麗，謝斌，陳立，楊丁瑋，蒲一濤，何慶華

(深圳大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 食品科學(xué)與工程系，廣東 深圳，518071)

隨著北京、天津、上海等46個(gè)城市生活垃圾分類工作的推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)生活垃圾的減量化、資源化和無害化處理已經(jīng)是城鎮(zhèn)化過程必須面對和解決的難題。餐廚垃圾是城市生活垃圾的重要組成部分，是指家庭、學(xué)校、機(jī)關(guān)、公共食堂以及餐飲行業(yè)的食物廢料、餐飲剩余物、食品加工廢料及不可再食用的動植物油脂和各類油水混合物[1]。公共餐廚垃圾則主要是指食堂、餐館、酒店等公共餐飲場所產(chǎn)生的餐廚垃圾，可以集中收集和處理，具有較高的資源化利用價(jià)值[2]。隨著我國餐飲服務(wù)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，餐廚垃圾的排放量也在不斷增加。在我國的北京、上海和廣州等地，餐廚垃圾的日產(chǎn)生量高達(dá)千噸[3]，由此帶來的社會問題和環(huán)境問題也日益突出，所以如何簡單高效地處理餐廚垃圾是當(dāng)前需要迫切解決的問題。

目前，我國餐廚垃圾的處理技術(shù)主要有衛(wèi)生填埋、焚燒、好氧堆肥、厭氧消化、好氧生物處理和飼料化處理。公共餐廚垃圾的含水量高、易腐爛的特點(diǎn)會促使垃圾在填埋的處理過程產(chǎn)生大量的滲瀝液污染地下水及土壤，也會使得焚燒處理成本增加，另外焚燒易產(chǎn)生有害氣體，對環(huán)境造成二次污染[4]。公共餐廚垃圾高油脂、高鹽分的特性不利于堆肥過程，易導(dǎo)致土壤鹽堿化[5]。厭氧消化處理制備沼氣的缺點(diǎn)是工程總投資較大，工藝較復(fù)雜，反應(yīng)器內(nèi)生物啟動時(shí)間較長，微生物對環(huán)境條件較為敏感，處理難度大[6]。好氧生物處理技術(shù)主要借助生化處理設(shè)備對餐廚垃圾中的有機(jī)物進(jìn)行降解，該處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間短，自動化程度高，但是單臺設(shè)備的處理能力有限并且機(jī)器投入資金較大[7]。飼料化處理則不僅可以有效實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的減量化，而且產(chǎn)生的飼料可以減少人畜爭糧的矛盾，具有良好的應(yīng)用前景[8]。飼料化處理主要采用物理法和生物法。物理法是指脫水后高溫消毒制飼料；生物法采用微生物發(fā)酵技術(shù)制飼料，原理是將培養(yǎng)出的菌種加入餐廚垃圾密封貯藏，菌種進(jìn)行繁殖并殺除病原菌制成飼料[9]。利用微生物在飼料原料中的生長繁殖和新陳代謝，積累有用的菌體、酶和中間代謝產(chǎn)物來生產(chǎn)加工和調(diào)制微生物飼料的微生物發(fā)酵技術(shù)，在調(diào)制和生產(chǎn)飼料中具有物理、化學(xué)方法不可替代的優(yōu)越性[10]。

本研究對公共餐廚垃圾厭氧發(fā)酵工藝進(jìn)行了研究，在模擬實(shí)際生產(chǎn)條件下，以發(fā)酵數(shù)天后的餐廚垃圾作為混合菌菌種，探討了4種發(fā)酵方式發(fā)酵后公共餐廚垃圾發(fā)酵過程中pH值、有害微生物、乳酸、水分含量和營養(yǎng)成分的變化。通過分析發(fā)酵貯藏過程中乳酸，淀粉、脂肪和蛋白質(zhì)等成分的變化為實(shí)際生產(chǎn)生活公共餐廚垃圾的飼料化利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用餐廚垃圾，為深圳大學(xué)食堂午餐時(shí)收集的新鮮垃圾。泡菜水，購于深圳市西麗田寮菜市場。石油醚、石英砂、HCl、HaOH、乙酸鉛、硫酸鈉、無水乙醇、甲基紅、D-無水葡萄糖、鄰苯二甲酸氫鉀、磷酸二氫鉀、乙二胺四乙酸二鈉、CaCO3、鈣黃素、茜素、亞鐵氰化鉀、酒石酸鉀鈉和NaCl,阿拉丁公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

發(fā)酵袋(50×90)mm，南華千牧有限公司；PFS-400塑料薄膜封口機(jī)，浙江江南實(shí)業(yè)有限公司；HWS-250恒溫恒濕箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；HVE-50高壓滅菌鍋，北京宏昌信科技有限公司；FB100馬弗爐，德國愛安姆科技有限公司；DHG-9076A電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；SOX500脂肪測定儀和K9840自動凱氏定氮儀，濟(jì)南海能儀器股份有限公司；SQL-6粗纖維測定儀，上海纖檢儀器有限公司；BT206金黃色葡萄球菌測試片、BS205沙門氏菌測試片和BM207霉菌酵母菌測試片，廣州綠洲生化科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 分組設(shè)計(jì)及樣品處理

收集深圳大學(xué)食堂的餐廚垃圾，濾去餐廚垃圾中的水分后，在實(shí)驗(yàn)室對樣品進(jìn)行預(yù)處理，將原料中的塑料袋、骨頭和其他難以粉碎的物質(zhì)剔除，然后粉碎餐廚垃圾并攪拌均勻。隨機(jī)選擇3種泡菜水并等比例混合后作為原始混合菌發(fā)酵菌種。發(fā)酵工藝流程如下。

發(fā)酵工藝分為2個(gè)階段，第一階段制備菌種，分為2個(gè)處理，發(fā)酵7 d。第1個(gè)處理調(diào)節(jié)餐廚垃圾pH≤4.2，即調(diào)酸組。第2個(gè)處理添加10%泡菜水，即泡菜水組。第二階段為發(fā)酵處理，分別以第一階段的發(fā)酵產(chǎn)物作為菌種，按照10%比例添加到未滅菌處理和滅菌處理的餐廚垃圾樣品中，發(fā)酵14 d。即得到4個(gè)處理組：(A)調(diào)酸+未滅菌，(B)調(diào)酸+滅菌，(C)泡菜水+未滅菌，(D)泡菜水+滅菌，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。為了更加貼近實(shí)際生產(chǎn)情況，收集的新鮮餐廚垃圾，控制溫度在28℃下放置24 h后進(jìn)行后續(xù)操作，制備菌種階段和發(fā)酵處理階段溫度也控制在28 ℃。

1.2.2 水分含量的測定

采用直接干燥法(GB 5009.3—2010)[11]測定公共餐廚垃圾的水分含量。

1.2.3 pH值的測定

用玻璃棒將待測樣品攪拌均勻后，采用Sartorius PP-20型pH計(jì)，測定樣品中央的pH值，重復(fù)測定3次取平均值。

1.2.4 微生物數(shù)量的測定

采用測試片測定微生物的菌落數(shù)。即取發(fā)酵樣品10.0 g，與90.0 mL滅菌的生理鹽水混合后，調(diào)節(jié)溶液pH值至6.6～7.2，即得稀釋度為10-1的樣品溶液，并梯度稀釋制備稀釋度為10-2、10-3、10-4和10-5的樣品溶液。精確移取1.000 mL各稀釋度的樣品溶液，均勻滴加到測試片中，靜置1 min后于培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。選取菌落數(shù)在15～150的測試片進(jìn)行菌落數(shù)測定，每個(gè)稀釋梯度設(shè)置2～3個(gè)重復(fù)，取其平均值。

1.2.5 乳酸含量的測定

采用EDTA定鈣法測定樣品的乳酸含量[12]。

1.2.6 淀粉含量的測定

采用酸水解法測定樣品的淀粉含量，參照GB 5009.9—2016《食品中淀粉的測定》[13]方法測定，以占80%干物質(zhì)的量計(jì)算。

1.2.7 脂肪含量的測定

脂肪使用脂肪測定儀SOX500測定，參照GB/T 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》[14]方法測定。

1.2.8 蛋白質(zhì)含量的測定

采用凱氏定氮法測定樣品的蛋白質(zhì)含量，參照GB 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測定》[15]方法測定。

1.2.9 粗纖維含量的測定

粗纖維測定采用減重法，參照GB/T 6434—2006《飼料中粗纖維的含量測定過濾法》[16]方法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵貯藏過程中pH值的變化

各種微生物的生長都有其適宜的pH值環(huán)境，pH值影響微生物的活性。由圖1可知，發(fā)酵樣品在發(fā)酵的14 d內(nèi)pH值呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，并在前48 h內(nèi)下降到4.2以下，最終穩(wěn)定在3.2～3.3，說明樣品的有機(jī)酸含量在發(fā)酵前期不停的增加，直到發(fā)酵環(huán)境的pH不適合菌種生長，產(chǎn)生酸抑制才使pH穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)。這樣的酸性環(huán)境也同樣抑制了腐敗菌的生長，延長了餐廚垃圾的貯藏時(shí)間。

圖1 公共餐廚垃圾在4種發(fā)酵方式下貯藏時(shí)pH值的變化Fig.1 Changes of pH of public kitchen waste during storage under four fermentation methods

2.2 發(fā)酵貯藏過程中微生物含量的變化

由表1可知，接種發(fā)酵的48 h，未檢測到金黃色葡萄球菌和沙門氏菌。證明接種預(yù)發(fā)酵后的餐廚垃圾在發(fā)酵2 d內(nèi)，金黃色葡萄球菌和沙門氏菌已經(jīng)基本失活。pH值的測定也表明餐廚垃圾在發(fā)酵貯藏2 d內(nèi)pH降低到4.2以下，能有效抑制有害菌的生長。

表1 公共餐廚垃圾在4種發(fā)酵方式下貯藏時(shí)微生物數(shù)量的變化Table 1 Changes of microbial quantity of public kitchen waste during storage under four fermentation methods

注：ND表示未檢出。

2.3 發(fā)酵貯藏過程中乳酸含量的變化

發(fā)酵貯藏過程中乳酸含量的變化如圖2所示，4種發(fā)酵方式處理的餐廚垃圾在發(fā)酵14 d后乳酸含量都明顯升高，乳酸含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別由第1天的0.26%、0.23%、0.16%和0.23%增長到第14天的1.19%、0.43%、0.90%和0.73%，比第1天分別增長了358%、87%、463%和217%。其中，B組第14天乳酸含量遠(yuǎn)低于A組，可能與滅菌導(dǎo)致部分乳酸菌失活有關(guān)。

圖2 公共餐廚垃圾在4種發(fā)酵方式下貯藏過程中乳酸含量的變化Fig.2 Changes of lactic acid content in storage of public kitchen waste under four fermentation methods

2.4 發(fā)酵貯藏過程中含水量的變化

含水量是影響有機(jī)物料發(fā)酵的重要因素，直接影響微生物的活性和有機(jī)物料的發(fā)酵速度，適宜的含水量能使物料吸水膨脹而軟化，有利于特定微生物的分解，但含水量過高影響料堆的通氣性，極易造成厭氧狀態(tài)，抑制特定微生物的活性[17]。由圖3可知，各處理后，含水量均在80%左右，在整個(gè)發(fā)酵過程中均無明顯差異，說明餐廚垃圾含水量很高，其內(nèi)部一直處于厭氧狀態(tài)。

圖3 公共餐廚垃圾在4種發(fā)酵方式下貯藏過程中水分含量的變化Fig.3 Changes of moisture content of public kitchen waste during storage under four fermentation methods

2.5 發(fā)酵貯藏過程中主要營養(yǎng)成分的變化

發(fā)酵前后的淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)和粗纖維含量如表2所示。餐廚垃圾在發(fā)酵的第14天淀粉(88%干物質(zhì))含量相對于第1天呈下降趨勢，但變化不顯著，蔡靜等[18]在研究餐廚垃圾微生物發(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料的工藝時(shí)也發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)酵時(shí)間延長,淀粉含量下降。淀粉是發(fā)酵菌株的主要碳源，發(fā)酵會消耗樣品中部分淀粉，從而導(dǎo)致餐廚垃圾中的淀粉含量下降。脂肪含量的測定結(jié)果表明，B組和C組呈升高趨勢，而A組和D組呈下降趨勢，但無顯著差異，而且，發(fā)酵前后脂肪的含量變化相對淀粉較小，這可能與餐廚垃圾和泡菜水中微生物較少利用脂肪有關(guān)。蛋白質(zhì)的測定結(jié)果表明，A組和B組呈升高趨勢，而C組和D組呈下降趨勢，但無顯著差異，這說明泡菜水含有的微生物可以利用部分蛋白質(zhì)，而餐廚垃圾自身含有的微生物則較難利用蛋白質(zhì)，這與潘婧冉等[19]的研究結(jié)果一致。此外，4種發(fā)酵方式處理的粗纖維素含量變化不顯著，相對A組和B組，C組和D組發(fā)酵后呈下降趨勢，由于A組和B組利用樣品本身含有的微生物進(jìn)行發(fā)酵，而C組和D組則利用泡菜水含有的微生物，不同的微生物利用粗纖維的程度不同可能是導(dǎo)致粗纖維含量不同的原因，這與苜蓿飼料發(fā)酵過程中的結(jié)果一致[20]。

表2 公共餐廚垃圾在4種發(fā)酵方式下貯藏過程中主要營養(yǎng)成分的變化Table 2 Changes of nutrients of public kitchen waste during storage under four fermentation methods

3 結(jié)論

模擬實(shí)際生產(chǎn)條件，以公共餐廚垃圾的調(diào)酸和泡菜水發(fā)酵2個(gè)處理發(fā)酵7 d后的樣品作為2組菌種，分別接種到未滅菌和滅菌的餐廚垃圾樣品中，得到的4組發(fā)酵方式：(A)調(diào)酸+未滅菌、(B)調(diào)酸+滅菌、(C)泡菜水+未滅菌和(D)泡菜水+滅菌，在發(fā)酵14 d過程中，pH值均在48 h內(nèi)下降到4.2以下，乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.19%、0.43%、0.90%和0.73%，其中，A組和C組乳酸含量相對于第1天分別增加了358%和463%，金黃色葡萄球菌和沙門氏菌均未檢出，而淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)和粗纖維等營養(yǎng)成分含量變化也不顯著。因此，通過混合菌發(fā)酵工藝能夠有效實(shí)現(xiàn)公共餐廚垃圾的發(fā)酵飼料化利用，并延長貯藏時(shí)間。從乳酸的含量來看，4種發(fā)酵工藝中，優(yōu)選(A)調(diào)酸+未滅菌作為混合菌發(fā)酵工藝。