固態(tài)發(fā)酵處理餐廚垃圾制備飼料的研究

韓端丹，洪 琦，江 陽

（1.武漢東湖學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院，武漢 430212；2.湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢 430062）

餐廚垃圾俗稱泔腳、潲水，是日常生活中剩下的飯菜及其他食用垃圾的混合物。餐廚垃圾極易腐爛發(fā)酵，并產(chǎn)生毒素和刺激性氣味。長期積放還容易產(chǎn)生黃曲霉素等致癌物質(zhì)，大量繁殖細(xì)菌。餐廚垃圾在露天環(huán)境下存放易招來大量蚊蠅鼠蟲，這些蚊蠅鼠蟲身上常帶有病菌病毒，所以餐廚垃圾處理不好就會(huì)成為病菌病毒傳播媒介。中國一些地方常用餐廚垃圾直接作為家禽家畜飼料，食用后容易造成人畜間交叉?zhèn)魅?，?dǎo)致某些病毒病菌的傳播?，F(xiàn)在人民生活水平不斷提高，日常餐廚垃圾生產(chǎn)量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)2015、2016、2017年，僅上海市餐余垃圾數(shù)量分別為314 914、368 360和423 750 t，年平均增長率為15%［1-3］。餐廚垃圾“四高”表現(xiàn)為含水率、有機(jī)物濃度、鹽分、含油量都高，所以會(huì)給生活環(huán)境帶來危害，中國城市餐廚垃圾處理鏈也因此承受重大壓力［4］。

餐廚垃圾的常見處理方法有焚燒、填埋、粉碎直排、蚯蚓堆肥、好氧堆肥、厭氧堆肥等。這些處理方法有的對環(huán)境污染較大，有的效益不高。而餐廚垃圾屬于高能量、有機(jī)物豐富的物質(zhì)，可以作為生產(chǎn)飼料，尤其蛋白飼料的優(yōu)良原料。相比而言，餐廚垃圾處理轉(zhuǎn)化成蛋白飼料具有環(huán)保、效益高的優(yōu)勢。其中固態(tài)發(fā)酵是餐廚垃圾處理的常用方法，具有底物價(jià)格低廉，技術(shù)要求低、耗能低，產(chǎn)率高，基質(zhì)水含量低、減少廢水處理負(fù)擔(dān)；加工簡單、無菌操作要求低，不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體、低風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)［5-7］。為此，本研究擬從幾種食用酵母菌和霉菌中篩選出餐廚垃圾發(fā)酵效率高、蛋白轉(zhuǎn)化率高的發(fā)酵菌種，篩選出最適菌種后再對其發(fā)酵條件進(jìn)行探索優(yōu)化，以期提高其對餐廚垃圾的蛋白發(fā)酵轉(zhuǎn)化率，并以此為基礎(chǔ)對餐廚垃圾的綜合利用途徑進(jìn)行相關(guān)的探索。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料 餐廚垃圾，來自武漢東湖學(xué)院學(xué)生食堂。

1.1.2 菌種 漢遜德巴利酵母（F1）、釀酒酵母（F2）、黑曲霉（F3）、米曲霉（F4），均為武漢東湖學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院保存。

1.1.3 培養(yǎng)基 霉菌液體種子培養(yǎng)基：K2HPO40.1 g，可溶性淀粉 3 g，（NH4）2SO40.5 g，去離子水定容至100 mL，調(diào)pH至6.4。酵母菌液體種子培養(yǎng)基：MgSO40.05 g，葡萄糖5.0 g，黃豆芽汁5.0 g，去離子水定容至100 mL，調(diào)pH至6.4。察氏瓊脂培養(yǎng)基：蔗糖30 g，F(xiàn)eSO40.01 g，KCl 0.5 g，瓊脂粉15g，去離子水定容至1 000 mL。麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基：3 g瓊脂粉，麥芽汁定容至150 mL，調(diào)pH至6.4。發(fā)酵固體培養(yǎng)基：將餐廚垃圾過濾后取其濾渣，50℃烘干研磨成粉末，每份20 g裝入250 mL三角瓶中，加入（NH4）2SO40.4 g，尿素0.4 g，121℃高壓滅菌下20 min。

1.1.4 試劑 K2HPO4、（NH4）2SO4、MgSO4、葡萄糖、蔗糖、尿素、淀粉、石油醚、硼酸、丙酮、正己烷、硫氰酸、硫酸鐵銨、亞鐵氰化鉀、乙酸鋅、冰乙酸，以上試劑均為分析純。

1.1.5 儀器 研磨粉碎機(jī)、自動(dòng)索氏抽提裝置、恒溫箱、微生物培養(yǎng)箱、真空干燥箱、馬弗爐。

1.2 方法

1.2.1 餐廚垃圾（原料）各成分的檢測 取適量新鮮的餐廚垃圾過濾，將濾渣在50℃下烘干并碾碎成粉末，再取餐廚垃圾粉末按二硝基水楊酸（DNS）法及各自的檢測標(biāo)準(zhǔn)測定其總糖、還原糖、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分和氯化物的含量［8-11］。

1.2.2 各菌種的接種及發(fā)酵 菌種28℃活化12 h，活化后接種于液體種子培養(yǎng)基中，200 r/min搖床培養(yǎng)2 d。完成后取培養(yǎng)好的種子液20 mL。種子液、發(fā)酵培養(yǎng)基、水按1∶1∶3體積比接種，攪拌均勻，28℃下發(fā)酵7 d。

1.2.3 最優(yōu)菌種發(fā)酵餐廚垃圾 制作好總糖殘?zhí)锹逝c還原糖殘?zhí)锹实拇x曲線后，根據(jù)數(shù)據(jù)對比選取最優(yōu)的菌種。在篩選出最適菌種后，發(fā)酵培養(yǎng)基根據(jù)發(fā)酵條件優(yōu)化的試驗(yàn)要求，相應(yīng)地調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的NaCl含量及初始pH。取篩選出的最適菌種的培養(yǎng)液15 mL，按1∶1的體積比接種經(jīng)過處理的餐廚垃圾，發(fā)酵5 d，發(fā)酵完后再測定其各營養(yǎng)成分的含量，測定的方法及標(biāo)準(zhǔn)同上。

圖1 總糖代謝曲線

圖2 還原糖代謝曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 固態(tài)發(fā)酵處理餐廚垃圾菌種的篩選

菌種F1、F2、F3、F4固態(tài)發(fā)酵后每36 h測量一次各發(fā)酵物的總糖含量和還原糖含量（DNS法）。原餐廚垃圾含糖量為m0，固態(tài)發(fā)酵后產(chǎn)物含糖量為m1，以m1占m0百分比為發(fā)酵后殘?zhí)锹?。各菌株發(fā)酵總糖和還原糖代謝曲線見圖1和圖2。由圖1可知，4種菌種0～72 h內(nèi)總糖殘?zhí)橇砍噬仙厔荩?2 h左右開始發(fā)酵總糖。菌種F3、F4在總糖代謝上效率高于F1、F2；而F3從72 h后比F4總糖代謝更快。菌種表現(xiàn)為F3≥F4＞F2≥F1。由圖2可知，F(xiàn)3、F4在0～72 h還原糖含量先呈上升趨勢，分析原因是霉菌通過分泌淀粉酶將淀粉分解為還原糖，同時(shí)消耗還原糖以合成自身細(xì)胞物質(zhì)及維持能量需要。這兩種因素作用的結(jié)果是開始時(shí)體系中還原糖量增加，隨著霉菌細(xì)胞增殖較多時(shí)還原糖消耗變大后含量下降。通過菌種對總糖及還原糖的代謝消耗的考察，可評價(jià)固態(tài)發(fā)酵的效果或發(fā)酵特性，綜上，4種菌種對餐廚垃圾的發(fā)酵效果的順序?yàn)镕3≥F4＞F2＞F1。

菌種F1、F2、F3、F4固態(tài)發(fā)酵48 h后測定各發(fā)酵物中粗蛋白質(zhì)含量，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，相同條件下，黑曲霉F3發(fā)酵培養(yǎng)物中粗蛋白質(zhì)含量達(dá)31.53%，相比其他3個(gè)菌株，黑曲霉F3對于未發(fā)酵餐廚垃圾中粗蛋白質(zhì)含量的增幅最大，結(jié)合菌種對糖的利用率，據(jù)此在4個(gè)菌種中選擇黑曲霉F3作為單一菌種發(fā)酵的最佳菌種。通過篩選確定發(fā)酵菌種后，以黑曲霉為對象，研究其發(fā)酵的最佳工藝條件。

圖3 不同菌種的發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)含量

2.2 黑曲霉固態(tài)發(fā)酵中溫度的影響

黑曲霉F3接種后分別在26、28、30、32、34 ℃下固態(tài)發(fā)酵48 h，測定各發(fā)酵物中粗蛋白質(zhì)的含量，由圖4可以看出，一開始隨著溫度的升高，發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)含量隨之升高，在30℃時(shí)達(dá)到最大值31.53%，但溫度繼續(xù)升高，粗蛋白質(zhì)含量反而下降，估計(jì)是高溫抑制了微生物的生長。由此確定固體發(fā)酵的最佳溫度為30℃。

圖4 不同溫度下發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)含量

2.3 黑曲霉固態(tài)發(fā)酵中pH的影響

微生物生長需要適宜的pH范圍，圖5顯示在不同的初始pH條件下黑曲霉發(fā)酵后測定的總糖殘?zhí)锹?，得出結(jié)論是在pH 5.3左右發(fā)酵情況最理想。

圖5 黑曲霉固態(tài)發(fā)酵中pH的影響

2.4 黑曲霉固態(tài)發(fā)酵中鹽含量的影響

餐廚垃圾中常含含量不等的食鹽，微生物的生長要求一定的滲透壓，超過范圍及驟然改變很可能影響微生物生長直至導(dǎo)致死亡。因此在餐廚垃圾處理后設(shè)計(jì)一組試驗(yàn)，即添加不同濃度的NaCl，黑曲霉發(fā)酵后測定其總糖殘?zhí)锹剩Y(jié)果見圖6。從圖6可以看出，在原有含鹽量的基礎(chǔ)上加入2.5%的NaCl，發(fā)酵后糖利用率高，效果好。

圖6 黑曲霉固態(tài)發(fā)酵中鹽含量的影響

2.5 發(fā)酵產(chǎn)物與原料各營養(yǎng)成分的比較

在篩選出最佳菌種并確定最佳工藝條件后，測定了固態(tài)發(fā)酵前后餐廚原料和發(fā)酵產(chǎn)物中主要化學(xué)及營養(yǎng)成分的含量，所得數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，餐廚垃圾經(jīng)黑曲霉F3固態(tài)發(fā)酵處理后，總糖含量從20.35%降到了5.11%，而粗蛋白質(zhì)含量提高了5.72個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)31.53%，提高了其營養(yǎng)價(jià)值，其主要成分含量達(dá)到了蛋白質(zhì)飼料的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 原料和產(chǎn)物主要化學(xué)及營養(yǎng)成分

3 小結(jié)

餐廚垃圾中蛋白質(zhì)與糖類物質(zhì)含量豐富，通過發(fā)酵消耗糖獲得的能量可用來合成菌體蛋白質(zhì)以提高發(fā)酵產(chǎn)物中蛋白質(zhì)含量，固態(tài)發(fā)酵時(shí)還可適量補(bǔ)充尿素等氮源來提高產(chǎn)物中蛋白質(zhì)的濃度，可見餐廚垃圾是發(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料的理想原料。相比其他飼料，蛋白質(zhì)飼料價(jià)格昂貴，效益更高，因此以餐廚垃圾為原料發(fā)酵轉(zhuǎn)化成蛋白質(zhì)飼料，實(shí)現(xiàn)變廢為寶，是綜合利用餐廚垃圾的理想途徑。本研究以處理過的餐廚垃圾固體成分為原料，以4種食用酵母菌和霉菌為備選菌種，通過這些菌種發(fā)酵中總糖及還原糖的代謝消耗情況及對發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)含量的檢測，從中篩選出轉(zhuǎn)化率最高的菌種，即黑曲霉F3為最佳菌種。在進(jìn)一步的研究工作中可考慮應(yīng)用雙菌混合發(fā)酵來提高蛋白質(zhì)含量與發(fā)酵能力，考慮到霉菌可分解淀粉、纖維素等多糖為還原糖，而酵母菌可快速利用還原糖，反過來刺激霉菌分解多糖而加強(qiáng)發(fā)酵，因此選擇一株酵母菌，和黑曲霉F3兩兩配合，有望實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)酵效果［12］。

以篩選出的黑曲霉F3為發(fā)酵菌種，通過試驗(yàn)確定了最佳工藝條件：發(fā)酵溫度30℃，初始pH 5.3，NaCl添加2.5%。此條件下發(fā)酵餐廚垃圾，所得產(chǎn)物粗蛋白質(zhì)含量為31.53%，比原料提高了5.72個(gè)百分點(diǎn)，總糖量從20.35%降到了5.11%，發(fā)酵產(chǎn)物有酒香味，無霉味。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可鼓風(fēng)或攪拌來提高生產(chǎn)效率。而餐廚垃圾進(jìn)行處理后用微生物發(fā)酵的過程，也是防霉和抑制有害菌生長的過程。綜上，固態(tài)發(fā)酵處理餐廚垃圾，通過優(yōu)選菌種和優(yōu)化工藝，能提高其營養(yǎng)價(jià)值，尤其是蛋白質(zhì)的含量，且防霉安全，是一種比較好的處理餐廚垃圾和制備蛋白質(zhì)飼料的途徑。