中藥渣堆肥化過(guò)程中皂苷變化及腐熟度研究

閆美超，孫 宇，閆非凡，于海茹，崔宗均，李佳佳，趙洪顏*

(1.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉 133002；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/生物質(zhì)工程中心，北京 100193；3.延邊州農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，吉林 延吉 133002；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津300001 )

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)中醫(yī)藥行業(yè)的支持，中藥行業(yè)得到了發(fā)展，但在中藥行業(yè)不斷發(fā)展的同時(shí)，也產(chǎn)生大量中藥殘?jiān)殉蔀橹扑幑久媾R的嚴(yán)重問(wèn)題[1]。據(jù)報(bào)道，中藥渣的年產(chǎn)量約為3 000萬(wàn)t[2]，而目前中藥渣通常采用較為傳統(tǒng)的方式進(jìn)行處理，例如焚化、深坑填埋或是在固定區(qū)域堆放，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此，迫切地需要將中藥渣作為潛在的資源進(jìn)行研究利用[3]。

堆肥技術(shù)作為一種用于有機(jī)固體廢物資源利用的新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。堆肥的處理能力大，無(wú)害化程度高，運(yùn)行成本低，而且符合經(jīng)濟(jì)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的理念，非常適合用于對(duì)中藥渣的處理[4]。中藥渣中主要含有大量的生物質(zhì)，如纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、生物堿和其他生物活性物質(zhì)，腐熟的中藥渣堆肥可以用作土壤改良劑或有機(jī)肥料[5]。目前，評(píng)價(jià)堆肥是否腐熟的指標(biāo)有很多，其中，堆肥的溫度、pH值、發(fā)芽指數(shù)(GI)等指標(biāo)都可用來(lái)判定堆肥的腐熟程度[6]。國(guó)內(nèi)外對(duì)中藥渣堆肥化進(jìn)行了大量研究，更多針對(duì)白芷、桃仁、黃芪、女貞子等多種類型及不同部位的中藥渣，堆肥化過(guò)程差異較大[7]。但是對(duì)人參藥渣的研究較少，尤其是對(duì)中藥渣堆肥化過(guò)程中皂苷含量的變化研究尚未見到報(bào)道。

因此，該研究以人參和葛根混合中藥渣進(jìn)行堆肥化處理，通過(guò)堆肥化過(guò)程中溫度、木質(zhì)纖維素含量、C/N、發(fā)芽指數(shù)、理化性狀、皂苷含量等指標(biāo)，評(píng)價(jià)堆肥化進(jìn)程中皂苷含量的變化及腐熟程度，為將來(lái)中藥渣高值化利用及功能性農(nóng)產(chǎn)品的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 堆制材料及堆制方法

試驗(yàn)地點(diǎn)為延邊大學(xué)實(shí)踐教學(xué)基地，試驗(yàn)材料葛根和人參殘?jiān)苫靥峁?。堆體長(zhǎng)10 m，寬1.8 m，高1.2 m。將中藥渣與豬糞混勻并調(diào)整碳氮比為25∶1，調(diào)節(jié)水分含量為60%左右。堆體溫度上升到50 ℃開始翻堆，每隔1 d翻堆1次，溫度下降到35 ℃以后每5 d翻堆1次。試驗(yàn)堆制30 d，將堆制的當(dāng)天作為第0天，從堆肥開始，每3 d取1次樣，取樣分別在距堆體頂部30、80和100 cm深處，各層采用對(duì)角線5點(diǎn)取樣法取樣后混合均勻，測(cè)定樣品中木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、總皂苷含量，其余樣品風(fēng)干磨碎過(guò)70目篩，作為待測(cè)樣品測(cè)定理化指標(biāo)。

表1 堆肥原料的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of raw material

1.2 發(fā)酵參數(shù)的測(cè)定

1.2.1 溫度

將溫度計(jì)插入到堆體內(nèi)部，測(cè)定堆體前、中、后3個(gè)點(diǎn)的溫度，取平均值并記錄。

1.2.2 總皂苷含量的測(cè)定

總皂苷的測(cè)定采用焦曉林[8]土壤中人參皂苷提取與含量測(cè)定方法。中藥渣樣品用粉碎機(jī)粉碎后過(guò)50目篩，精確稱量20 g，加入300 mL 80%甲醇水溶液，175 r/min搖床震蕩24 h后抽濾，將濾液在40 ℃蒸發(fā)皿中揮干甲醇。剩余的液體依次用氯仿、水飽和正丁醇分別萃取3次，收集正丁醇層濃縮至干，剩余殘?jiān)?0%甲醇定容至5 mL，用濾膜過(guò)濾得到提取液。以人參皂苷Re作為標(biāo)準(zhǔn)品配置標(biāo)準(zhǔn)曲線，用分光光度計(jì)測(cè)量總皂苷的含量。

1.2.3 pH值及電導(dǎo)率測(cè)定

pH值使用SX-620 pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定讀取數(shù)值，電導(dǎo)率使用DDSJ-308A電導(dǎo)率儀進(jìn)行測(cè)定讀取數(shù)值。

1.2.4 中藥渣理化指標(biāo)的測(cè)定

中藥渣理化指標(biāo)全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀、有機(jī)質(zhì)采用鮑士旦的測(cè)定方法，參見參考文獻(xiàn)[9]。

1.2.5 半纖維素、纖維素、木質(zhì)素成分測(cè)定

將風(fēng)干的樣品過(guò)1 mm的篩子，通過(guò)ANKOM200纖維素分析儀進(jìn)行中和洗滌和酸洗，測(cè)量樣品中半纖維素的含量，然后用72%濃硫酸洗滌，并在馬弗爐中灰化，測(cè)定樣品中的纖維素和木質(zhì)素含量。

1.2.6 種子發(fā)芽指數(shù)(GI)的測(cè)定

稱量10 g樣品，加入50 mL蒸餾水，搖床震蕩30 min，離心10 min獲得清液。將濾紙放入無(wú)菌的9 cm培養(yǎng)皿中，20粒蘿卜種子均勻地放入培養(yǎng)皿中加入5 mL提取液，以蒸餾水為對(duì)照，在25 ℃恒溫培養(yǎng)室培養(yǎng)48 h，測(cè)定發(fā)芽率和根長(zhǎng)，并計(jì)算發(fā)芽指數(shù)GI/%=處理平均發(fā)芽率×處理平均根長(zhǎng)(對(duì)照平均發(fā)芽率×對(duì)照平均根長(zhǎng))×100。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥化進(jìn)程中溫度的變化

堆肥產(chǎn)品是否可以達(dá)到無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)可以直接反映堆肥過(guò)程是否正常進(jìn)行，堆肥過(guò)程中的溫度變化是評(píng)價(jià)堆肥腐熟度的重要指標(biāo)之一[10]。

由圖1可知，堆肥過(guò)程中的堆體內(nèi)部溫度具體變化，溫度變化可以清楚地分為3個(gè)時(shí)期：升溫時(shí)期、高溫時(shí)期和降溫時(shí)期。堆制開始后，溫度迅速上升，第3天即達(dá)到50 ℃以上，第6天達(dá)到最高值67 ℃，然后開始下降。但堆體內(nèi)50 ℃以上的高溫時(shí)間持續(xù)到堆肥的第15天。此后溫度繼續(xù)下降，并且在發(fā)酵結(jié)束時(shí)，溫度為35 ℃，堆體溫度趨于穩(wěn)定。我國(guó)糞便無(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，堆肥最高堆溫達(dá)50～55 ℃以上持續(xù)5～7 d，或者在55 ℃以上維持3 d，堆肥可達(dá)到無(wú)害化[11]，可以初步確定該試驗(yàn)堆肥已經(jīng)腐熟并且符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 不同堆肥發(fā)酵階段pH值和EC含量變化

微生物發(fā)酵是中藥渣堆肥發(fā)酵過(guò)程的本質(zhì)，中藥渣堆肥發(fā)酵過(guò)程中有許多因素會(huì)影響微生物的繁殖和存活，pH值是重要因素之一[12]。研究發(fā)現(xiàn)，pH值呈弱堿性、弱酸性或中性最適合微生物的繁殖和生存。堆體的pH值變化見表2。堆肥的升溫期pH值為5.62，高溫期為6.11，降溫期為5.83。隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，pH值先升高0.49再降低0.28，呈先升高后降低的趨勢(shì)。這主要?dú)w因于堆肥中微生物的氨化，這些微生物使有機(jī)氮礦化并分解釋放大量氨氮，從而導(dǎo)致pH值升高。隨著堆肥技術(shù)的發(fā)展，堆肥材料中微生物的硝化作用逐漸占主導(dǎo)地位，這促進(jìn)了氨氮向硝酸鹽氮的連續(xù)轉(zhuǎn)化，并使堆肥材料的pH值開始下降[13]，最終pH值變成弱酸性，表明堆肥已達(dá)到穩(wěn)定和腐熟的水平。

EC值越低對(duì)植物產(chǎn)生的毒害越小，一般而言堆肥產(chǎn)品的EC應(yīng)小于4 000 μs/cm，以便土地的安全應(yīng)用[14]。表2中EC在堆肥的升溫期為1 325 μs/cm，在高溫期為1 200 μs/cm，在降溫時(shí)期為1 050 μs/cm。EC值隨著發(fā)酵的時(shí)間變化在減小，在發(fā)酵的高溫期降低了125 μs/cm，在降溫期減小275 μs/cm。該試驗(yàn)在堆肥的降溫時(shí)期，EC值小于4 000 μs/cm，因此，對(duì)植物生長(zhǎng)沒(méi)有不利影響。

表2 不同堆肥發(fā)酵階段堆體內(nèi)pH值及EC的變化Table 2 Changes of pH and EC in the different fermentation phases

2.3 堆肥化過(guò)程中總皂苷含量的變化

由圖2可知，在堆肥發(fā)酵的過(guò)程中總皂苷含量隨著發(fā)酵天數(shù)的變化雖呈下降趨勢(shì)，但在發(fā)酵結(jié)束時(shí)總皂苷仍有殘留。在堆肥的升溫時(shí)期總皂苷含量為0.59%，在堆肥的高溫時(shí)期含量為0.42%，皂苷殘留含量為29%。在堆肥的降溫時(shí)期總皂苷含量為0.07%，殘留12%。總皂苷雖被堆肥中的微生物分解但最后分解并不完全，堆肥發(fā)酵結(jié)束堆肥中總皂苷仍有剩余。

2.4 不同發(fā)酵階段木質(zhì)纖維素含量的變化

半纖維素是由不同糖組成的側(cè)鏈較短的分支，主要由D-木糖、D-甘露糖、D-半乳糖、D-半乳糖醛酸和D-葡萄糖醛酸組成，通過(guò)β-1，4-糖苷鍵連接在一起[15]。堆肥的升溫時(shí)期半纖維素的含量為6.42%，高溫時(shí)期為3.01%，降溫時(shí)期為1.86%。在堆肥過(guò)程中，半纖維素降解了4.56%，降解率為71.02%。由于半纖維素易水解，在升溫時(shí)期微生物即可分泌一些酶將其降解，為微生物提供營(yíng)養(yǎng)，所以在升溫期的時(shí)候降解率高，而且整個(gè)堆肥化過(guò)程半纖維素的降解率最高(圖3)。

纖維素的分解在一定程度上影響整個(gè)中藥渣的堆肥過(guò)程[16]。在該試驗(yàn)中，堆肥發(fā)酵的升溫時(shí)期纖維素含量為32.92%，高溫時(shí)期為25.65%，降溫時(shí)期為18.16%。纖維素含量在堆肥的升溫和高溫階段降解迅速，而在堆肥的降溫階段則變得緩慢并且穩(wěn)定，降解率為44.83%(圖3)。

木質(zhì)素是由苯丙烷前體合成的芳香族聚合物，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子量大、不溶性使其難于生物降解[16]。在堆肥升溫階段，木質(zhì)素的含量為43.70%，堆肥的高溫階段木質(zhì)素為37.30%，降溫階段為31.96%。當(dāng)堆肥腐熟完成時(shí)，木質(zhì)素降解11.74%，降解率為26.86%(圖3)。

2.5 不同發(fā)酵階段理化指標(biāo)的變化

不同發(fā)酵階段堆肥理化指標(biāo)含量的變化見表3。堆肥過(guò)程中全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均為下降趨勢(shì)，堆肥的過(guò)程中微生物通過(guò)代謝作用消耗堆肥中的氮素，氨氣在此期間也會(huì)隨之流失，導(dǎo)致全氮和銨態(tài)氮的含量下降。堆肥所產(chǎn)生的高溫抑制了硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，導(dǎo)致硝態(tài)氮含量下降。全鉀含量隨著堆肥的發(fā)酵含量降低，速效鉀含量隨著堆肥的發(fā)酵先下降并趨于穩(wěn)定。隨著堆肥的發(fā)酵全磷的含量增加，發(fā)酵降溫時(shí)期全磷的含量增加0.35 g/kg，由于有機(jī)物的生物降解導(dǎo)致堆肥質(zhì)量的損失，因此堆肥結(jié)束全磷的含量升高。速效磷含量在堆肥的高溫時(shí)期、降溫時(shí)期分別降低17和25 mg/kg。堆肥中有機(jī)質(zhì)含量呈下降趨勢(shì)，在堆肥高溫時(shí)期與降溫時(shí)期有機(jī)質(zhì)含量下降22.33和41.53 g/kg。

表3 不同發(fā)酵階段理化指標(biāo)的變化Table 3 Changes of maturity index in different fermentation phases

2.6 堆肥化過(guò)程中C/N的變化

在堆肥發(fā)酵過(guò)程中消耗大量的C和N有機(jī)物才能被微生物分解。適當(dāng)?shù)奶嫉扔欣诙逊什牧系陌l(fā)酵，所以常常用C/N 來(lái)評(píng)估堆肥的腐熟程度。由圖4可知，C/N 在發(fā)酵過(guò)程中呈下降趨勢(shì)，C/N 從堆肥升溫時(shí)期的25.26下降到降溫時(shí)期的18.38，下降27.23%。研究表明，分解后的堆肥產(chǎn)品的C/N在15～20，可以認(rèn)為堆肥達(dá)到腐熟狀態(tài)且穩(wěn)定化[17]，并且堆肥產(chǎn)品的C/N如果太高施用到土壤中后，容易使土壤氮素缺乏，從而影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育。C/N太低不能滿足作物生長(zhǎng)所需的碳元素，從該試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，堆肥處理30 d后，堆肥可以達(dá)到較高的腐熟程度。

2.7 堆肥提取液發(fā)芽指數(shù)的變化

發(fā)芽指數(shù)是通過(guò)堆肥是否抑制植物發(fā)芽來(lái)評(píng)估堆肥的無(wú)害性和穩(wěn)定程度的指數(shù)。它不僅可以檢測(cè)堆肥的植物毒性水平，而且堆肥對(duì)植物的毒性大小也可以用其判斷。種子發(fā)芽和生長(zhǎng)效果可以全面的用GI進(jìn)行判斷，GI被認(rèn)為是堆肥發(fā)酵過(guò)程中可靠的評(píng)價(jià)指標(biāo)[18]。當(dāng)GI大于50%，認(rèn)為堆肥產(chǎn)品對(duì)種子無(wú)毒，GI大于80%，可以認(rèn)為完全無(wú)毒，堆肥達(dá)到腐熟狀態(tài)[19]。由圖5可知，升溫時(shí)期蘿卜的發(fā)芽指數(shù)較低，為43.32%，隨著發(fā)酵天數(shù)的增加發(fā)芽指數(shù)逐漸升高，在堆肥的高溫時(shí)期發(fā)芽指數(shù)為74.14%，在堆肥的降溫時(shí)期發(fā)芽指數(shù)達(dá)到86.64%。因此，從結(jié)果來(lái)看在堆肥的降溫時(shí)期達(dá)到腐熟狀態(tài)[19]。

2.8 堆肥化過(guò)程總皂苷含量和發(fā)芽指數(shù)的相關(guān)性

由表4可知，堆肥的升溫階段(0～3 d)總皂苷含量和發(fā)芽指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，總皂苷抑制堆肥發(fā)芽指數(shù)增長(zhǎng)。堆肥的高溫階段(6～12 d)總皂苷含量和發(fā)芽指數(shù)開始呈正相關(guān)，總皂苷含量與發(fā)芽指數(shù)有相關(guān)性，總皂苷促進(jìn)堆肥發(fā)芽指數(shù)增長(zhǎng)。堆肥的降溫階段(15～18 d)總皂苷含量和發(fā)芽指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，總皂苷抑制堆肥的發(fā)芽指數(shù)增長(zhǎng)。堆肥第24天，總皂苷含量和發(fā)芽指數(shù)呈顯著正相關(guān)，第24天堆肥的發(fā)芽指數(shù)趨于穩(wěn)定，并接近85%。說(shuō)明在堆肥的發(fā)酵過(guò)程中在第24天時(shí)，總皂苷促進(jìn)堆肥腐熟進(jìn)程、提高種子發(fā)芽指數(shù)的作用最大，效果最為顯著，在中藥渣堆肥工業(yè)化生產(chǎn)中推薦堆肥發(fā)酵到第24天進(jìn)行生產(chǎn)。

表4 堆肥過(guò)程中總皂苷含量和發(fā)芽指數(shù)的相關(guān)性Table 4 Correlation between total saponin content and germination index during composting

3 討論

中藥渣堆肥的溫度變化可以反映微生物的生長(zhǎng)和繁殖情況，適當(dāng)?shù)臏囟瓤梢杂行Т龠M(jìn)微生物的快速生長(zhǎng)和繁殖。堆肥的高溫階段為45～70 ℃，當(dāng)堆體溫度處于45～60 ℃時(shí)，適宜于堆肥發(fā)酵[20-21]。該試驗(yàn)堆肥高溫期維持了12 d，說(shuō)明堆肥達(dá)到腐熟狀態(tài)，這與呂育財(cái)?shù)萚22]人的研究結(jié)果一致。GI值可說(shuō)明中藥渣堆肥作為植物基質(zhì)的可行性，GI大于80%時(shí)，堆肥腐熟并且無(wú)毒，該試驗(yàn)在堆肥的降溫時(shí)期發(fā)芽指數(shù)達(dá)到86.64%，可以說(shuō)明堆肥在降溫時(shí)期達(dá)到腐熟狀態(tài)，與吳小琴等[23]人的研究結(jié)果一致。pH值在堆肥結(jié)束時(shí)為弱酸性，EC值穩(wěn)定在1 050～1 350 μs/cm，pH值、EC值經(jīng)過(guò)堆制后也達(dá)到了植物正常生長(zhǎng)要求，因此，堆肥對(duì)植物生長(zhǎng)沒(méi)有不利影響。木質(zhì)素、纖維素等是植物中重要的骨架成分，降解中藥渣中的木質(zhì)素，才能更高效的利用中藥渣。在為期30 d的堆肥發(fā)酵結(jié)束后纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解率分別為44.83%、71.02%和26.18%，基本趨于穩(wěn)定，證明中藥渣加工廢棄物經(jīng)過(guò)30 d堆肥化處理可達(dá)到腐熟狀態(tài)。

前人做了很多中藥渣加工廢棄物的研究，但沒(méi)有對(duì)人參殘?jiān)亩逊驶M(jìn)行相關(guān)報(bào)道或系統(tǒng)性的研究。在該研究中除了中藥渣堆肥的各個(gè)階段指標(biāo)可以確保堆肥過(guò)程的正常進(jìn)行外，還研究了中藥渣堆肥過(guò)程中總皂苷含量的變化。堆肥發(fā)酵的過(guò)程中總皂苷含量隨著發(fā)酵天數(shù)的變化雖呈下降趨勢(shì)，但總皂苷最后并未被完全分解，說(shuō)明總皂苷在堆肥中仍有殘留?？傇碥胀ㄟ^(guò)微生物代謝作用分解，皂苷自身發(fā)生轉(zhuǎn)化，所以總皂苷含量降低。對(duì)于在中藥渣堆肥過(guò)程中皂苷如何進(jìn)行轉(zhuǎn)化可以進(jìn)行更深層次的研究。中藥渣堆肥發(fā)酵結(jié)束后堆肥中仍然含有皂苷，將含有總皂苷的中藥渣作為有機(jī)肥料施用于農(nóng)田后會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生什么樣的影響值得更深層次的研究，這樣不僅可以廢料資源化利用，還能達(dá)到減輕環(huán)境壓力的目的。

4 結(jié)論

1) 人參和葛根中藥渣作為堆肥化材料，30 d可以完全腐熟，其中，C/N為18.38，有機(jī)質(zhì)含量為46.62 g/kg，發(fā)芽指數(shù)為86.64%。

2) 堆肥化處理中藥渣可以有效降低纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量，降解率分別為44.83%、71.02%和26.18%。

3) 腐熟的中藥渣有機(jī)肥中含有皂苷，且殘留率為12.2%。