自然風干對馬鈴薯莖葉成分及厭氧發(fā)酵產沼氣性能影響的研究

付龍云，李 彥，王艷芹，趙自超，張英鵬，田 葉，張宗東

(1.山東省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所，濟南 250100；2.農業(yè)農村部山東耕地保育科學觀測實驗站，濟南 250100；3.煙臺市農業(yè)綜合執(zhí)法支隊，山東 煙臺 264001)

馬鈴薯是世界五大糧食作物之一，單產量高且具有耐貯存、耐貧瘠、抗旱、抗寒等優(yōu)良特性，在世界范圍內有著廣泛的種植，是部分國家人們餐桌上的主食[1]。自明朝中晚期引入我國以來，歷經400余年發(fā)展，馬鈴薯已成為僅次于水稻、玉米、小麥的第四大糧食作物，播種面積和產量均居世界首位[2-3]。馬鈴薯不但可以作為主糧或蔬菜食用，而且還可是淀粉、乙醇等大宗產品的原料和優(yōu)質的動物飼料，推動馬鈴薯產業(yè)發(fā)展對于保證國家糧食安全、優(yōu)化種植結構、增加農民收入等均具有十分重要的意義。

營養(yǎng)性塊莖是馬鈴薯的主要可食用部分，而莖、葉等地上部分的生物量約與塊莖相當，富含蛋白質、糖類等，其合理利用不但具有可觀的經濟效益，而且具有良好的生態(tài)和環(huán)保效益。目前，馬鈴薯莖葉的利用途徑主要有飼料化、材料化和能源化等方式。馬鈴薯莖葉營養(yǎng)較為豐富，具有一定飼用價值，但實踐中需要解決適口性差、易腐爛和龍葵素的毒性等問題：何志軍[4]等將馬鈴薯莖葉與小麥秸稈、玉米秸稈等混合后青貯，提高了馬鈴薯莖葉的青貯品質和適口性；楊永在[5]等發(fā)現將馬鈴薯莖葉與全株玉米按一定比例混合后青貯，或添加6%的糖蜜后青貯，均能降低馬鈴薯莖葉中有毒的龍葵素含量，提高青貯品質和飼用價值。馬鈴薯莖葉中含有0.1%～1%的茄尼醇，且相對于煙草等其它材料價廉易得，可用于茄尼醇等重要生化原料的提取[6-7]。馬鈴薯莖葉的能源化利用方式則主要是厭氧發(fā)酵生產沼氣，目前的研究報道主要集中在通過物料混合或預處理的手段提高產氣效率方面：Ashekuzzaman S M[8]等比較了馬鈴薯莖等植物原料單獨發(fā)酵及與牛糞混合發(fā)酵產沼氣效率差異，發(fā)現混合發(fā)酵時沼氣和甲烷產量顯著增加，并認為混合發(fā)酵體系可避免氨積累、揮發(fā)性脂肪酸過剩等問題，同時營養(yǎng)更均衡；周彥峰[9]等利用稀釋100倍的木醋液對馬鈴薯莖葉進行預處理，促進莖葉中纖維成分的降解，提高了產沼氣效率；葛一洪[10]等則以多種不同的離子液體處理馬鈴薯莖葉，可明顯縮短厭氧消化啟動停滯期，提高產沼氣量和甲烷體積分數。相較于其它處理方式，厭氧沼氣發(fā)酵對原材料的純度、衛(wèi)生等要求較低，適用地域更加廣闊，在產出沼氣的同時產生有肥料利用價值的沼渣、沼液，可同時實現廢棄物的能源化與肥料化利用，尤其適合在馬鈴薯集中種植區(qū)進行推廣。

作為馬鈴薯種植的副產品，莖葉部分在塊莖收獲以后往往會被暫時擱置在田間地頭。同其它植物生物質材料類似，隨時間推移植株會逐漸風干失水，可溶性碳水化合物(Water Soluble Carbohydrate，WSC)、粗蛋白(Crude Protein，CP)、粗脂肪(Ether Extract，crude fat，EE)等易利用成分快速流失，木質纖維化程度不斷加深，不利于發(fā)酵微生物的分解轉化，給后續(xù)的資源化利用造成不利影響，導致原料利用率低、產氣效率低下等一系列問題的出現[11-13]；但是同時又有多項研究指出，若以含水率過高、易降解成分含量豐富的生物質材料直接進行厭氧沼氣發(fā)酵，則易因原料分解過快而引起多種有機酸的超量累積，過多的有機酸不能被產甲烷微生物及時利用，體系pH值急劇降低，出現所謂“過酸化”現象，阻礙厭氧發(fā)酵的正常進行，甚至可能直接導致體系崩潰、產氣失敗[14-15]。因此，了解風干過程對厭氧沼氣發(fā)酵效率的影響，尋找最佳風干程度，對于提高馬鈴薯莖葉利用率、避免發(fā)酵中的“過酸化”現象、提高產沼氣效率十分重要。本研究選取新收割的馬鈴薯莖葉并在自然條件下風干一定時間，期間監(jiān)測WSC，CP，中性洗滌纖維(Neutral Detergent Fiber，NDF，包括半纖維素、纖維素、木質素和灰分)等的變化情況；并選取不同風干時間的馬鈴薯莖葉分別進行單物料中溫厭氧發(fā)酵，通過日產氣量、累積產氣量、甲烷含量、pH值等關鍵指標的比較，探索風干程度對產沼氣效率的影響，為馬鈴薯莖葉這種重要生物質資源的資源化利用提供一定技術指導。

1 材料與方法

1.1 實驗材料：

馬鈴薯莖葉取自山東省滕州市馬鈴薯產地，收取時間為6月份馬鈴薯采收期，分別自然風干不同時間后備用；接種物為取自養(yǎng)豬場厭氧沼氣發(fā)酵設施的沼渣沼液混合物，4℃冷藏保存?zhèn)溆?，使用?5℃復蘇2 d；厭氧發(fā)酵物料的總固體(Total Solid，TS)、揮發(fā)性固體(Volatile Solid，VS)、總碳(Total Carbon，TC)、全氮(Total Nitrogen，TN)、碳氮比(C/N)、可溶性碳水化合物(WSC)、粗蛋白(CP)、粗脂肪(EE)、中性洗滌纖維(NDF)含量等理化性質見表1。

表1 厭氧發(fā)酵物料的基本特性

1.2 厭氧發(fā)酵裝置

實驗采用批式發(fā)酵。厭氧發(fā)酵裝置為發(fā)酵瓶、連接管和氣體采樣袋組成的發(fā)酵系統，即以2.5 L容積的玻璃瓶(具橡膠塞)作為發(fā)酵瓶，塞子上打孔并以玻璃彎管、橡膠管分別連接鋁箔氣體采樣袋(普萊特，大連)以收集發(fā)酵產生的氣體；物料裝載完畢后，將各發(fā)酵瓶連同氣體采樣袋放于35℃恒溫箱中培養(yǎng)；實驗周期內，每天手工振蕩玻璃瓶2次，以確保物料混合均勻和防止發(fā)酵液分層結殼。

1.3 實驗方案

1.3.1 馬鈴薯莖葉風干實驗

馬鈴薯莖葉收取后，平鋪于野外避雨通風處自然風干(溫度25℃～35℃)，分別風干0 h，12 h，24 h，36 h，48 h，60 h，72 h，84 h，96 h后取回，粉碎至5～10 mm片段后混合均勻，抽真空后置于4℃冰箱存放備用，分別測定樣品WSC，CP，NDF等含量等指標。實驗結果為3組平行實驗的算數平均值。

1.3.2 厭氧沼氣發(fā)酵實驗

共設置6組實驗處理，分別為新鮮莖葉組、風干24 h組、風干48 h組、風干72 h組、風干96 h組和接種物對照組，分別記為T1，T2，T3，T4，T5，T0，每組處理均設置3個平行實驗。除T0外，各處理組初始TS均設置為5%(以馬鈴薯莖葉計)，接種物加入量均為500 g，加水補充至2000 mL；T0只含500 g接種物，1500 mL無菌水，各組物料組成詳見表2所示。物料混合均勻后一次性加入發(fā)酵瓶，以N2向瓶內頂部空間吹入2min并迅速蓋緊橡膠塞，以盡量排出空氣制造缺氧環(huán)境。實驗采用35℃中溫發(fā)酵，實驗周期為40 d，實驗期間內每天定時收集氣體采樣袋以測量產沼氣量及甲烷濃度，每隔3 d在密封狀態(tài)下取發(fā)酵液測定pH值。

表2 厭氧發(fā)酵物料的組成 (g)

1.4 測定指標與方法

1.4.1 秸稈木質化

采用FOSS Fibertec 2010全自動纖維分析儀(FOSS，瑞典)，參照范氏(Van Soest)洗滌纖維法測定馬鈴薯莖葉的中性洗滌纖維(NDF)含量[16]。

1.4.2 沼氣產量

采用濕式氣體流量計(TG1，Ritter，德國)測定沼氣產量。

1.4.3 沼氣成分

采用氣相色譜儀(GC1100，普析，北京)測定CH4的百分含量，色譜方法為：載氣使用高純H2；熱導檢測器(TCD 檢測器)；設置進樣口和檢測器溫度分別為110℃和150℃；色譜柱采用填充色譜柱(TDX-01，島津，日本)，柱箱程序升溫，初始溫度為40℃，保持2 min后以10℃·min-1速度升溫至80℃并保持1min。

1.4.4 其他指標

TS，VS，pH值均按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》所述方法進行測定[17]；WSC測定采用硫酸-蒽酮比色法[18]；CP采用凱氏定氮儀測定(Kjel master K-375，BUCHI，瑞士)；EE采用乙醚索氏抽提法測定[19]；TC和TN采用總有機碳/有機氮分析儀(multi C/N TOC，耶拿，德國)測定。

2 結果與分析

2.1 風干時間對馬鈴薯莖葉成分的影響

風干時間對馬鈴薯莖葉成分的影響如表3所示。馬鈴薯塊莖收獲時，植株發(fā)黃凋萎現象并不嚴重，其莖葉部分的含水量仍然較高，本研究所使用新鮮馬鈴薯莖葉的初始干物質含量為13.58%，與楊永在、韋國杰、楊聞文等的研究結果接近[5，20-21]。隨風干時間的延長，馬鈴薯莖葉含水率逐漸降低，干物質含量逐漸升高，風干96 h時干物質含量達到44.06%。風干前期馬鈴薯莖葉失水速度較快，而后期則逐漸減慢，這可能是由于風干前期馬鈴薯莖葉細胞呼吸作用、蒸騰作用等生理活動仍然旺盛，此時主要失去的是大量細胞游離水；而風干后期細胞逐漸失活，細胞結構水逐漸流失。

表3 馬鈴薯莖葉成分隨風干時間的變化

新鮮馬鈴薯莖葉含有豐富的可溶性碳水化合物(WSC)、粗蛋白(CP)和粗脂肪(EE)等營養(yǎng)成分，本研究中新鮮馬鈴薯莖葉中WSC，CP，EE初始含量分別為5.16%，18.20%和4.25%，相較于厭氧沼氣發(fā)酵中常用的玉米秸稈，馬鈴薯莖葉CP含量顯著較高，WSC則顯著較低，EE含量則較為接近[22-24]。隨自然風干的進行，馬鈴薯莖葉WSC，CP，EE含量均有一定程度降低，風干96 h時分別降至3.95%，14.37%和3.04%，降低幅度分別達23.45%，21.04%和28.47%。同失水情況相類似的是，整個風干過程中WSC，CP，EE的減少速度逐漸放緩，這與植物細胞各種代謝活動逐漸減弱存在直接的聯系[25]，同時由于水活度的降低，植株表面的土著微生物也更加難以生存。

NDF為植株中半纖維素、纖維素、木質素和灰分等難降解細胞結構組分的總和，較難被植物細胞自身和環(huán)境微生物分解，可在一定程度上代表植株的木質纖維化程度。自然風干過程中，在水分逐漸喪失，WSC，CP，EE等易分解有機物含量逐漸降低的同時，馬鈴薯莖葉中NDF含量卻有所增加。實驗中，風干96 h時NDF含量達到47.08%，比新鮮馬鈴薯莖葉高8.55%，這一方面是由于WSC等易分解有機物含量的降低而使得NDF含量相對升高；另一方面，隨著時間的延長，木質纖維聚合度、結晶度逐漸提高，纖維素、半纖維素、木質素分子交聯更加緊密，也更難以被微生物所利用[26]。探索合適的風干時間，對于馬鈴薯莖葉的資源化利用是十分必要的。

2.2 厭氧發(fā)酵日產氣量

對厭氧發(fā)酵過程中日產氣量的變化進行了統計，結果如圖1所示。除只含有接種物的對照組T0外，實驗周期內各處理組均出現多個產氣高峰，且在實驗開始后第1天即迅速出現顯著的“產氣高峰”，產氣量分別達1.45 L·d-1，1.32 L·d-1，1.24 L·d-1，1.30 L·d-1和1.15 L·d-1，均為各處理組日產氣量最高峰。實驗開始時氣體的大量產生主要由馬鈴薯莖葉自身細胞生理活動、微生物分解代謝、蛋白酶活性作用等因素造成[27-28]，結合圖3可以發(fā)現，此時產生的氣體中甲烷含量很低，且在第1天后各組產氣量均迅速降低，說明發(fā)酵體系尚未進入厭氧發(fā)酵的產甲烷階段，此“產氣高峰”并非真正的沼氣產生高峰。

真正沼氣產生高峰出現時，甲烷達到較高濃度。從圖1可以發(fā)現，第1產氣高峰出現時間隨馬鈴薯莖葉風干程度加深而逐漸推遲：T1組(新鮮馬鈴薯莖葉)第1產氣高峰出現時間最早，第6天時沼氣日產量達1.17 L·d-1；T2組(風干24 h馬鈴薯莖葉)第1產氣高峰出現在第10天，達1.02 L·d-1；T3組(風干48 h馬鈴薯莖葉)第1產氣高峰出現在第13天，達1.04 L·d-1；T4組(風干72 h馬鈴薯莖葉)第1產氣高峰出現在第14天，為0.86 L·d-1；T5組(風干96 h馬鈴薯莖葉)第1產氣高峰出現時間最晚，第15天時沼氣日產量為0.86 L·d-1。植物材料風干程度越高，WSC，CP，EE等易被發(fā)酵微生物快速利用的成分損耗越多，NDF含量增加，同時植物材料含有的土著微生物數量也因水活度的降低而減少，一般而言原料木質化程度越深，則厭氧發(fā)酵啟動越緩慢[29-31]。

圖1 厭氧發(fā)酵日產氣量

各處理組在第1產氣高峰出現后，隨發(fā)酵時間延續(xù)均又出現1～2個次產氣高峰。T1，T2，T3，T4和T5處理組分別在第23、27、28、32天和31天出現5次產氣高峰，5次產氣高峰產氣量分別為0.58 L·d-1，0.79 L·d-1，0.89 L·d-1，0.66 L·d-1和0.56 L·d-1?？梢园l(fā)現除T4組外，隨原料風干程度的加深，各處理組次產氣高峰出現時間依次延后，與第1產氣高峰的出現順序基本一致。多項研究指出，秸稈類植物原料厭氧發(fā)酵時會出現不止一個產氣高峰，本研究結果符合這一規(guī)律[29-30]。每次產氣高峰的產生往往是由于發(fā)酵原料中半纖維素、纖維素等難降解成分經多種微生物的復雜生理代謝，逐漸被分解利用的緣故。發(fā)酵原料風干程度越高則木質纖維化程度越高、微觀結構越緊密，微生物菌群啟動發(fā)酵所需時間越長，而每次產氣高峰出現時間則越晚。值得注意的是相對于其它各組，T2組和T3組每次次產氣高峰維持時間較長，表現為一個高產氣“平臺期”，能夠產生更多的甲烷，這可能與T2組和T3組發(fā)酵體系pH值、揮發(fā)性脂肪酸、微生物菌群等關鍵發(fā)酵指標達到了較好的平衡有關。

2.3 厭氧發(fā)酵累積產氣量和TS產氣率

以不同風干時間的馬鈴薯莖葉為原料進行厭氧發(fā)酵時，各處理組累積產氣量的變化如圖2所示。在40 d的實驗周期內，T1，T2，T3，T4和T5組累積產氣量分別為：20.21 L，23.67 L，26.05 L，16.29 L和12.93 L，其中原料風干時間48 h的T3組最高，原料風干時間96 h的T5組最低，T3組累積產氣量為T5組的2.01倍。雖然在整個實驗周期內，原料風干時間與厭氧發(fā)酵累積產氣量之間不存在簡單的線性關系，但是在厭氧發(fā)酵的前中期(前23 d)，卻可發(fā)現原料風干時間越短則累積產氣量越高的現象。由于發(fā)酵前中期沼氣主要由原料中WSC，CP，EE等易利用組分發(fā)酵產生，風干時間越短則這些易利用組分保留越多，因而產氣量越高，這也與各處理組第1產氣高峰的出現順序基本吻合；而在發(fā)酵的中后期(23 d后)，隨著原料中易利用組分的耗盡，沼氣微生物菌群主要依靠較難分解的半纖維素、纖維素等產生沼氣，此時原料風干時間分別為24 h和48 h的T2，T3組產氣量逐漸后來居上，累積產氣量明顯高于其它各組。該現象說明發(fā)酵中后期沼氣的產生受多種因素影響，并不完全取決于原料的木質化程度，還與發(fā)酵環(huán)境酸堿平衡、揮發(fā)性脂肪酸濃度、微生物群落構成等多種因素有關。TS產氣率可以反映不同物料在發(fā)酵周期內的沼氣轉化效率，一般TS產氣率越高，則代表物料產氣潛力越大。綜合來看，本研究中扣除只含接種物的對照組T0產氣量后，T1，T2，T3，T4和T5各組TS產氣率分別為193.30 mL·g-1，227.90 mL·g-1，251.70 mL·g-1，154.10 mL·g-1和120.50 mL·g-1，其中以風干48 h馬鈴薯莖葉為原料的T3組TS產氣率最高，產氣效果較好。對馬鈴薯莖葉進行48 h左右的自然風干、降低含水率，雖然WSC，CP，EE等含量相對新鮮莖葉有所下降，木質化程度有一定提高，但是用于厭氧沼氣發(fā)酵卻可以取得較優(yōu)的產氣效果。

圖2 厭氧發(fā)酵累積產氣量

2.4 厭氧發(fā)酵過程甲烷含量變化

如圖3所示，實驗開始一段時間內，各處理組甲烷含量均能提升到50%(體積分數)以上，在實驗中后期略有下降但仍基本保持穩(wěn)定，T1，T2，T3，T4和T5組甲烷含量達到或超過50%所需時間分別為：7 d，8 d，9 d，10 d和11 d，可見馬鈴薯莖葉風干時間越長則厭氧發(fā)酵甲烷濃度提升越緩慢，但是各組彼此差異并不明顯；同時，實驗條件下各處理組所能達到的最高甲烷含量較為接近，T1，T2，T3，T4和T5組最高甲烷含量分別為：55.05%，54.68%，54.62%，53.55%和53.60%，說明原料風干程度的差異對沼氣的最高甲烷含量影響不大。另外，在40 d的厭氧發(fā)酵周期內，盡管各處理組產氣量和產氣效率存在較大差異，但均能達到較高的甲烷濃度并保持相對穩(wěn)定，可認為實驗條件下各處理組均能成功發(fā)酵產氣，即新鮮和風干24 h,48 h,72 h,96 h的馬鈴薯莖葉均可用于厭氧發(fā)酵沼氣生產之中。

圖3 厭氧發(fā)酵甲烷含量變化

2.5 厭氧發(fā)酵過程pH值變化

按照經典的厭氧沼氣發(fā)酵三階段理論，物料的厭氧消化主要分為“水解液化”、“產酸”和“產甲烷”3個階段，即多糖、蛋白質大分子有機物在復雜微生物菌群的作用下，首先分解為單糖、氨基酸等小分子有機物，隨后轉變?yōu)楸?、丁酸等多種有機酸和CO2，最后生成CH4。3個階段緊密銜接，每個階段各有發(fā)酵細菌、產酸細菌、產甲烷菌等不同種類的微生物發(fā)揮關鍵性作用[32-33]。不同種類的微生物生存生長所需的最適環(huán)境pH值是不同的，但總體而言偏近于中性，WuQ L[34]等認為pH值低于5.0時產甲烷菌活性會受到完全的抑制，因此確保發(fā)酵體系酸堿平衡是保證正常產氣的必要條件。本研究每隔3 d對發(fā)酵過程中各組pH值變化進行了測定，結果如圖4所示。整體來看，除T0對照組外，各處理組pH值均呈“迅速降低-升高-小幅降低-升高-穩(wěn)定”的“W”型變化趨勢。在實驗開始的3～6 d，T1，T2，T3，T4和T5組均達到發(fā)酵過程的最低pH值，各組最低pH值隨原料風干程度增加而逐漸升高，分別為5.92，6.05，6.12，6.24和6.48，這與原料風干程度越高，則WSC，CP等易利用組分含量降低，而木質纖維化程度升高有關。有文獻報道，以蔬菜廢棄物、餐廚垃圾等易腐敗原料進行厭氧發(fā)酵時，可能由于糖類、蛋白質等易利用組分被微生物過快水解而生成大量有機酸，pH值迅速下降，超出發(fā)酵體系緩沖范圍和產甲烷菌利用有機酸能力而出現“過酸化”現象，毒害整個沼氣發(fā)酵微生物菌群而導致發(fā)酵產氣失敗[35-36]。雖然實驗開始階段各組pH值降低幅度較大，但結合日產氣曲線(見圖1)來看各組均開始正常產氣，未出現“過酸化”現象，說明此時的pH值仍在發(fā)酵體系的緩沖范圍和產甲烷菌等功能微生物耐受范圍之內。

圖4 厭氧發(fā)酵過程中pH值的變化

3 討論與結論

利用馬鈴薯莖葉等生物質資源厭氧發(fā)酵生產沼氣，是實現農業(yè)廢棄物資源化利用的重要方式。但新鮮莖葉含水量高、易腐敗變質，干秸稈則木質化程度太深、可生化性較差，為解決該問題，筆者研究了自然風干對馬鈴薯莖葉營養(yǎng)成分和厭氧發(fā)酵產沼氣性能的影響。

厭氧沼氣發(fā)酵是一個微生物主導的復雜生化過程，其中底物的可生化性直接關系著產氣性能的高低。經分析測定，本研究中新鮮馬鈴薯莖葉中可溶性碳水化合物、粗蛋白、粗脂肪和中性洗滌纖維的含量分別為5.16%，18.20%，4.25%和43.37%，其中可溶性碳水化合物、粗蛋白、粗脂肪屬于易利用組分，在發(fā)酵中優(yōu)先被微生物分解利用；而中性洗滌纖維涵蓋了纖維素、半纖維素等難降解成分，屬難利用組分，一般在易利用組分耗盡后才逐漸得到分解利用。隨風干時間的延長，由于植物細胞本身的生理代謝、老化死亡等因素，莖葉水分逐漸流失，可溶性碳水化合物、粗蛋白、粗脂肪等逐漸減少，而中性洗滌纖維含量逐漸升高，即整體呈現易利用組分減少而難利用組分升高的現象。顯然，沼氣發(fā)酵微生物對易利用組分的利用順序優(yōu)于難利用組分，該現象類似于微生物發(fā)酵中廣泛存在的葡萄糖對乳糖、乙醇等其它底物抑制的“葡萄糖效應”[38]。風干時間通過影響易利用組分、難利用組分的含量，間接影響了厭氧發(fā)酵產沼氣的啟動速度，本研究中，新鮮莖葉，風干24 h，48 h，72 h和96 h的馬鈴薯莖葉處理組到達第1產氣高峰的時間分別為第6、10、13、14天和15天，符合“易利用組分含量越高，則厭氧發(fā)酵產沼氣啟動速度越快”的規(guī)律。

但是，決定物料厭氧發(fā)酵產沼氣性能的因素是多方面的，發(fā)酵啟動速度只是其中之一。相對而言，累積產氣量和TS產氣率分別可以反映不同物料在發(fā)酵周期內的總產氣量和沼氣轉化效率，也是十分重要的指標。由于多數沼氣微生物生存的最適pH值接近于中性，健康的發(fā)酵體系應是酸堿平衡的體系，而底物中若易利用組分過多，分解過快，導致揮發(fā)性脂肪酸等有機酸積累太多，雖然不一定達到“過酸化”的程度，但是也會一定程度上抑制多種功能微生物，特別是產甲烷菌的活性。本研究中，可以發(fā)現，以風干48 h馬鈴薯莖葉為原料的T3組TS產氣率最高，為251.70 mL·g-1，高于新鮮莖葉組30.21%，是實驗設置條件下的最優(yōu)產氣組。結合發(fā)酵過程中pH值的變化(見圖4)可以發(fā)現，以新鮮莖葉為原料時，體系所達到的最低pH值為5.92，最終pH值為7.70；而以風干48 h馬鈴薯莖葉為原料時，體系所達到的最低pH值為6.12，最終pH值為8.08，均高于新鮮莖葉組，較為平穩(wěn)的酸堿環(huán)境可能對發(fā)酵微生物菌群沖擊較小。此外，隨著發(fā)酵過程的進行，更多的木質纖維素等難利用組分逐漸被轉化利用，表現為多個產氣高峰的出現，這也是適當風干后的馬鈴薯莖葉產沼氣性能優(yōu)于新鮮馬鈴薯莖葉的原因之一。良好的酸堿平衡、揮發(fā)性脂肪酸等重要中間產物的穩(wěn)定產生和消耗、及發(fā)酵微生物菌群的平穩(wěn)演化，都是保障系統較高產氣性能的重要條件。后續(xù)可以通過菌群高容量DNA測序、實時熒光活性分析等手段對發(fā)酵過程中各功能微生物菌群數量和活性變化等進行檢測。

本研究的具體結論如下：

(1)風干時間長短對馬鈴薯莖葉成分有顯著影響：風干時間越久，則可溶性碳水化合物、粗蛋白、粗脂肪等易利用組分含量越低，中性洗滌纖維等難利用組分含量越高。

(2)風干時間顯著影響馬鈴薯莖葉厭氧發(fā)酵啟動速度，風干時間越久則啟動越慢；實驗中可能出現多個產氣高峰，這與微生物對原料中不同組分利用的難易程度有關；風干時間對產氣甲烷濃度影響不大，各處理組甲烷濃度均可達50%以上并保持相對穩(wěn)定；累積TS產氣率并不完全取決于風干程度，各處理累積TS產氣率由高到低依次為：48 h風干莖葉、24 h風干莖葉、新鮮莖葉、72 h風干莖葉和96 h風干莖葉。

(3)馬鈴薯莖葉可作為合適的厭氧發(fā)酵原料，在35℃中溫條件下進行40 d的批式厭氧發(fā)酵，累積TS產氣率最高可達251.70 mL·g-1。鑒于風干時間對馬鈴薯莖葉產沼氣效率的重要影響，實踐中可選擇對原料進行48 h左右的自然風干，降低含水率，既方便貯存、避免腐敗變質，又可一定程度上增加沼氣產量，提高原料利用率。