三峽庫區(qū)廢棄芹菜發(fā)酵條件優(yōu)化

鄧永芳 羅林森 李雪蓉

[摘 要] 為了充分利用三峽庫區(qū)廢棄芹菜，尋找最適合三峽庫區(qū)廢棄芹菜的發(fā)酵條件，本文以三峽庫區(qū)廢棄芹菜作為原料，以含水量與pH值作為影響因素（含水量取38%、89%、95% 3個水平，pH值取3.0、4.5、5.0 3個水平），利用軟件設(shè)計正交表，根據(jù)表格所搭配的含水量與pH值，配以30 g芹菜與18 mL發(fā)酵菌液為發(fā)酵原料進(jìn)行發(fā)酵。同時，以可溶性糖含量作為發(fā)酵結(jié)果檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，每2 d測量一次數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與計算分析。結(jié)果表明，在25 ℃溫度條件下，含水量為38%、pH值為4.0時廢棄芹菜發(fā)酵效果最好。

[關(guān)鍵詞] 芹菜;發(fā)酵;三峽庫區(qū)

[中圖分類號] TS255.5;TQ920.6 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] B [文章編號] 1674-7909（2020）03-103-3

三峽庫區(qū)農(nóng)作物種類繁多，資源豐富，但除了少數(shù)被用作食用、畜牧飼料、食品與生物肥料和農(nóng)用燃燒外，大多數(shù)被直接焚燒或遺棄[1]。這既浪費(fèi)了資源，又污染了環(huán)境;既不環(huán)保，又不高效[2]。因此，對廢棄農(nóng)作物再循環(huán)利用的研究迫在眉睫。

目前，我國用于發(fā)酵的廢棄農(nóng)作物主要是農(nóng)作物秸稈，如玉米、小麥、水稻等作物秸稈[3-5]，這對廢棄農(nóng)作物的再循環(huán)利用有很大的幫助。同時，相關(guān)學(xué)者還開展了對其他原材料的發(fā)酵研究，如海南椰子廢棄物、熱帶農(nóng)作物木薯、廢棄的果蔬等，研究內(nèi)容隨著特定地區(qū)需求而開展。其中，蔬菜多用于食用[6]，然而實(shí)際生產(chǎn)過程中卻有很多蔬菜被丟棄，既破壞了環(huán)境，又浪費(fèi)了資源。自三峽庫區(qū)形成以來，學(xué)者對三峽庫區(qū)的研究主要集中于環(huán)境、生物、氣候、地質(zhì)等方面，對三峽庫區(qū)廢棄農(nóng)作物如芹菜再循環(huán)利用的研究甚少。基于此，筆者以芹菜作為試驗(yàn)原材料，探尋最適合三峽庫區(qū)廢棄芹菜的發(fā)酵條件，以充分利用三峽庫區(qū)廢棄芹菜。芹菜（Apium graveolens L.）是一種草本植物[7]，含有豐富的營養(yǎng)元素，具有一定的藥用價值。芹菜中含有豐富的纖維素，纖維素經(jīng)降解形成葡萄糖，通過對葡萄糖含量的測定來檢驗(yàn)纖維素的降解結(jié)果，可篩選最適合降解的參數(shù)值。

在廢棄農(nóng)作物發(fā)酵試驗(yàn)中，多是按照不同固液配比進(jìn)行發(fā)酵，而忽略了發(fā)酵原料本身含水量及發(fā)酵初始pH值對發(fā)酵效率的影響。鑒于此，本試驗(yàn)采取不同條件處理后，具有不同初始含水量的廢棄芹菜在不同初始pH值下進(jìn)行發(fā)酵，得出廢棄芹菜發(fā)酵時的最適初始含水量和pH值，為三峽庫區(qū)廢棄農(nóng)作物發(fā)酵條件的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

芹菜（市購）、紅糖（市購）、生物菌肥發(fā)酵劑（鄭州農(nóng)富康生物科技有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 芹菜預(yù)處理。取3組芹菜若干，第一組芹菜自然放置;第二組芹菜置于烘箱內(nèi)，75 ℃烘干24 h后取出;第三組芹菜置于烘箱內(nèi)，75℃烘干48 h取出。將3組芹菜分別取少量進(jìn)行含水量測定。含水量=（M1-M2）/（M1-3）×100%，其中M1為皿器加樣品烘前質(zhì)量，M2為皿器加樣品烘后質(zhì)量，M3為皿器質(zhì)量。經(jīng)計算得第一組含水量為95%，第二組含水量為89%，第三組含水量為38%。

1.2.2 發(fā)酵菌激活。取100 mL蒸餾水于燒杯中，將蒸餾水燒開，紅糖倒入沸水中煮3～5 min，目的是殺死紅糖中的雜菌。將燒杯進(jìn)行冷卻，待水溫低于40 ℃時，倒入菌粉攪拌均勻。密封燒杯謹(jǐn)防漏氣。通過加入不同量的紅糖來調(diào)節(jié)pH值。經(jīng)調(diào)節(jié)獲得三組pH配比：第一組為1 g菌粉加100 g紅糖，pH值為3.5;第二組為1 g菌粉加50 g紅糖，pH值為4.0;第三組為1 g菌粉加10 g紅糖，pH值為5.0。

1.2.3 物料混合。記初始含水量為因素A，pH值為因素B，取30 g處理后的原料加入18 mL菌液，按照初始含水量與pH值所生成的正交表進(jìn)行混合并記錄好標(biāo)簽，常溫發(fā)酵，見表1。

1.2.4 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作。采用蒽酮法測定葡萄糖含量，經(jīng)測定得葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程式：y=0.007x-0.067 4（R2=0.984 6）。

1.2.5 樣品中可溶性糖含量的測定。采用蒽酮法測定發(fā)酵芹菜中的可溶性糖含量。需注意的是，當(dāng)樣品讀取OD值大于標(biāo)準(zhǔn)曲線所測OD值的最大值時，將提取液稀釋20倍并重復(fù)糖含量測定步驟。記錄稀釋編號、OD值與稀釋倍數(shù)。每隔2 d對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次測量、記錄，查標(biāo)準(zhǔn)曲線計算葡萄糖含量（μg）。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

將記錄的數(shù)據(jù)錄入Microsoft Excel 2010，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與繪圖。樣品糖含量計算公式如下：樣品含糖量（g/100 g鮮質(zhì)量）=（查表所得糖含量/稀釋倍數(shù)）×100%。

2 結(jié)果與分析

將所記錄的值錄入表格。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線所導(dǎo)出的函數(shù)進(jìn)行計算，記錄計算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2所計算的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，結(jié)果見圖1～3。分析圖1～3和表1～2可以得出：①隨著時間的增加，糖含量先降低后增加;②編號3、6、8所對應(yīng)的含水量與pH值下的糖含量累積較高，其他編號所對應(yīng)的含水量與pH值下的含糖量累積較少;③在含水量為38%時，所測得糖含量普遍高于另外2個含水量;④pH值對糖含量影響不明顯，在同一pH值下，含水量較少的糖含量較高。

隨著時間的增加，發(fā)酵過程中糖含量先降低后增加。其原因在于在發(fā)酵初始階段，添加的菌液由紅糖液所激活，故一開始測量的值較高。此階段菌體處于生長期，需要進(jìn)行有氧呼吸，而消耗大量的糖才能滿足其能量需求，同時菌體發(fā)酵效率低，糖生成量小于消耗量，故而糖含量積聚下降。隨后菌體生長達(dá)到飽和，對糖的需求波動不大，發(fā)酵后期進(jìn)行無氧呼吸產(chǎn)生乙醇，菌的發(fā)酵能力逐漸展現(xiàn)，對糖的生產(chǎn)量大于消耗量，故而糖含量增加。

編號3、6、8的糖含量累積量相對較高，其所對應(yīng)的含水量均為38%。由于稱取的原料統(tǒng)一為30 g，故而含水量越小的組分，其原料數(shù)量越多;含水量越大，其原料數(shù)量越少。在同等量的菌液下，含水量大、數(shù)量少的組分將很快被降解為糖供給菌生長消耗，從而導(dǎo)致發(fā)酵后期糖含量較小;而含水量小的組分，其數(shù)量較多，發(fā)酵時產(chǎn)生的糖含量高于其他組分，部分用于菌代謝，留有剩余，故而測量時含量較高，糖累積值明顯高于其他含水量的組分。

pH值對糖含量的影響不明顯，因所購買的菌肥最適pH值為3.0～5.0，發(fā)酵條件滿足此區(qū)間，故而差異不明顯。相比而言，含水量對糖含量影響較大，含水量少，糖含量高。但在同一含水量情況下，當(dāng)pH值為4.0時，發(fā)酵效果相對較好。

綜上分析可知，含水量為38%時進(jìn)行發(fā)酵所測出的糖含量均高于其他含水量基礎(chǔ)上的測量值?？梢姾繛?8%時發(fā)酵效果較好。而且pH值為4.0時，發(fā)酵累積效果最好。故而，當(dāng)含水量為38%、pH值為4.0時，發(fā)酵效果最好。

3 討論

纖維素在自然界含量豐富，是十分廉價的再生資源[8]。芹菜中含有豐富的高分子物質(zhì)如纖維素，這些物質(zhì)降解緩慢，使得發(fā)酵初期糖含量大于生成量[9]。對此，可以對芹菜進(jìn)行預(yù)處理，如膨化處理、超聲波處理、酸堿處理、氧化或酶處理等，提高纖維素降解速率，提升發(fā)酵效果[4]。溫度是微生物活動的標(biāo)志，溫度高低反映了發(fā)酵效率，發(fā)酵過程中可以通過測量溫度的變化來估測微生物的營養(yǎng)期與發(fā)酵效率。研究表明，發(fā)酵速率隨著微生物接種量的增加而增加[10]，但實(shí)際發(fā)酵池中很難達(dá)到接種量在70%以上，一般30%～70%即可，可通過測量發(fā)酵過程的產(chǎn)氣量檢測發(fā)酵效率。

本試驗(yàn)豐富了三峽庫區(qū)廢棄芹菜發(fā)酵的研究，對廢棄芹菜提出了一個相對較好的發(fā)酵條件，但仍有很多不足之處。試驗(yàn)重復(fù)度不高，且因素水平設(shè)置不夠豐富，應(yīng)增加因素與水平，多次重復(fù)開展試驗(yàn)，以豐富數(shù)據(jù)庫，有利于正確判定最優(yōu)發(fā)酵條件。而且試驗(yàn)原料單一，可采用其他原料進(jìn)行試驗(yàn)分析，從而豐富三峽庫區(qū)廢棄農(nóng)作物的發(fā)酵研究。檢測標(biāo)準(zhǔn)也可以豐富化，如C/N、產(chǎn)氣量等均可作為發(fā)酵檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1]周良.對國內(nèi)秸稈利用現(xiàn)狀的思考[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012（32）：15853-15855.

[2]胡雪竹，高宛莉，李玉英，等.秸稈厭氧發(fā)酵條件優(yōu)化的研究[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（4）：108-112.

[3]高麗娟，王小芬，崔宗均，等.玉米、小麥、水稻秸稈自然發(fā)酵的生化變化[J].草地學(xué)報，2005（1）：47-52.

[4]劉發(fā)來，范建平，蘇士，等.纖維素生物轉(zhuǎn)化研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008（17）：7059-7060，7140.

[5]常冬冬，余志晟，張洪勛.纖維素?zé)峤饧捌洚a(chǎn)物轉(zhuǎn)化乙醇的研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2012（26）：183-189.

[6]郝月，楊翔華，洪新.纖維素酶的應(yīng)用研究[J].青?？萍?，2005（3）：33-38.

[7]牛文娟，肖衛(wèi)華，劉賢，等.秸稈可溶性糖測定時樣品前處理?xiàng)l件的優(yōu)化[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012（5）：99-104.

[8]武冬梅，李冀新，孫新紀(jì).纖維素類物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的研究進(jìn)展[J].釀酒科技，2007（4）：116-120.

[9]李勇，烏莉婭·沙依提，陳妍，等.芹菜的最新研究進(jìn)展[J].中國野生植物資源，2010（1）：15-17.

[10]孫清，易維明，谷士艷，等.纖維素分解菌產(chǎn)酶性能優(yōu)化試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2010（s1）：141-144.