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        蔬菜廢棄物資源化利用—生產(chǎn)乳?;旌巷暳?/h1>
        2016-10-25 08:15:22陳靜靜,李建華,TAKAHASHIJUNICHI
        中國科技信息 2016年19期
        關(guān)鍵詞:西蘭花乙酸乳酸

        蔬菜廢棄物資源化利用—生產(chǎn)乳?;旌巷暳?/p>

        近年來,我國蔬菜產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。2013年我國蔬菜種植面積2.0899×107 hm2,總產(chǎn)量達(dá)7.35×109 t(國家統(tǒng)計(jì)局農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查司,2014),分別占世界蔬菜種植面積和產(chǎn)量的41.75%和50.96%,均居世界第一位。由此,隨之產(chǎn)生的蔬菜廢棄物也在不斷增長。我國是世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國家,據(jù)統(tǒng)計(jì),我國蔬菜廢棄物達(dá)到了1.0×109 t。據(jù)王亞靜等(2010)統(tǒng)計(jì),我國蔬菜廢棄物可收集利用率為0.80,由此可推算出2013年我國資源化利用的蔬菜廢棄物為2.15×109 t左右。

        這些大量的蔬菜廢棄物如果不經(jīng)過適當(dāng)處理就將污染排放進(jìn)入外界環(huán)境,將會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問題和資源浪費(fèi)。大量的蔬菜廢棄物積累,與有害微生物相互作用導(dǎo)致腐敗變質(zhì)。在此過程中生成NH3, H2S, CO2, CH4,乙烯,乙炔等化學(xué)物質(zhì),導(dǎo)致嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染,對(duì)人類身心健康和正常生活造成影響。根據(jù)2008年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),2007年北京的蔬菜浪費(fèi)達(dá)到3.333×106 t,其中70%的污染物在不經(jīng)過任何處理的情況下直接填埋堆肥。這種蔬菜污染可為病原菌傳播提供便利,引起大范圍的蔬菜疾?。徊⑶?,此污染也能通過降雨進(jìn)入地表水和地下水,引起地下污水的滲透和泄漏,這是蔬菜種植區(qū)域最嚴(yán)重的污染源之一,對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境衛(wèi)生與農(nóng)產(chǎn)品安全造成威脅;另外,蔬菜廢棄物富含有大量的從土壤中吸取的有機(jī)物,因?yàn)槠錁O低的利用率,這些營養(yǎng)物質(zhì)也被白白浪費(fèi)。

        因此,解決并利用蔬菜垃圾有著極大的需求。目前,國內(nèi)主要有如下幾種蔬菜廢棄物循環(huán)利用方法:熱處理、蒸發(fā)、膜處理、厭氧消化、厭氧共消化、生物柴油、直接燃燒、酯交換反應(yīng)混凝與堆肥。各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

        本實(shí)驗(yàn)利用BIO-PKC微生菌,通過發(fā)酵高含水率的農(nóng)業(yè)廢棄物,提高它們的品質(zhì),使其易于保存。另外,回收利用蔬菜垃圾可以降低環(huán)境污染,通過同步種植蔬菜與飼養(yǎng)動(dòng)物減少群落的整體能源成本。目前本實(shí)驗(yàn)圍繞利用BIOPKC發(fā)酵與保存蔬菜廢棄物的展開初步實(shí)驗(yàn)。

        材料與方法

        蔬菜垃圾實(shí)驗(yàn)材料

        西蘭花廢棄部分:根,莖

        微生物材料

        BIO-PKC(丸紅,日本)用于發(fā)酵蔬菜垃圾。BIO-PKC是一種厭氧菌與好氧菌并存的混合菌種,包括芽孢桿菌、乳酸菌、鏈球菌、白色念珠菌、硝化菌、甲烷氧化菌、硫酸鹽還原菌和光合細(xì)菌。

        西蘭花廢棄物發(fā)酵產(chǎn)物的制作

        將西蘭花廢棄物經(jīng)過切割,并于一定量(0%,1%,2%)BIO-PKC生物菌攪拌均勻,密封并保存在室溫20~35℃的環(huán)境中發(fā)酵兩個(gè)月,每15d進(jìn)行采樣。

        西蘭花廢棄物的發(fā)酵產(chǎn)物發(fā)酵指標(biāo)評(píng)估:

        表1 蔬菜廢棄物循環(huán)利用方法

        pH, 電導(dǎo)率 NH3-N, 揮發(fā)性脂肪酸, 糖類, 乙醇

        1) pH 多參數(shù)測(cè)試儀,梅特勒-托利多,上海

        2) 電導(dǎo)率 實(shí)驗(yàn)室電導(dǎo)率儀FE30,梅特勒-托利多,上海

        3) NH3-N 納氏試劑分光光度法

        4) 揮發(fā)性脂肪酸 GC-2010plus氣相色譜儀,島津,日本

        5) 乙醇 安捷倫1260高效液相色譜,安捷倫科技,德國

        纖維素部分:

        1)中性纖維素 NDF 范式洗滌法

        2)酸性纖維素 ADF 范式洗滌法

        圖1 發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)和評(píng)價(jià)

        圖2 用BIO-PKC發(fā)酵西蘭花60d中PH值的變化

        圖3 用BIO-PKC發(fā)酵西蘭花60d中其ORP的變化

        圖4 用BIO-PKC 發(fā)酵西蘭花60d中乙醇(在干物質(zhì)中)含量的變化

        圖5 用BIO-PKC 對(duì)西蘭花發(fā)酵60天中乙酸(在干物質(zhì)中)含量的變化

        結(jié)果與分析

        前15d的發(fā)酵中,pH值都從7.1下降到4.0,在后15d中,pH都比較的穩(wěn)定,用1%的PH值最低。

        ORP的變化情況基本呈現(xiàn)V字形,從0到15d,或者30d,ORP從-140下降到了-280,后15d中又有所上升。發(fā)酵15d時(shí),2%的BIO-PKC 處理的西蘭花的OPR值最低。

        從發(fā)酵開始到30d,乙醇含量都在上升,30d后,乙醇的含量基本保持平穩(wěn)。不用BIO-PKC處理發(fā)酵,乙醇的含量最高。

        從發(fā)酵開始到15d or 30 ,其乙酸的含量會(huì)一直上升,經(jīng)BIO-PKC處理的經(jīng)60天后其乙酸的含量比不處理的低,根據(jù)數(shù)據(jù)顯示,用1%和2%沒有多大的影響。

        盡管在發(fā)酵過程中,氨氮的含量呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì),但是總體來說,用1%處理的最后的氨基酸含量偏低。

        用1%處理和不處理發(fā)酵到30d,其ADF含量在增加,但是30d之后,又有所降低,而且1%處理的降的最低

        用1%處理和不處理方法,NDF含量在前30d在持續(xù)的升高,而后30d又有所下降,并且%1下降到最低。用2%處理的在15d時(shí)達(dá)到高峰,但以后又陡降

        新鮮的西蘭花含有大量的可溶性糖,經(jīng)過60d的發(fā)酵,糖明顯的減少,且最后這三者無顯著差別。但也可以看出:2%>1%>0

        圖6 用BIO-PKC 對(duì)西蘭花發(fā)酵60d中氨氮(在干物質(zhì)中)含量的變化

        圖7 用BIO-PKC 對(duì)西蘭花發(fā)酵60d中ADF(在干物質(zhì)中)含量的變化

        圖8 用BIO-PKC 對(duì)西蘭花發(fā)酵60d中NDF(在干物質(zhì)中)含量的變化

        圖9 用BIO-PKC 對(duì)西蘭花發(fā)酵60d中可溶性糖(在干物質(zhì)中)含量的變化

        討論與結(jié)論

        一般來說, 高水分青貯飼料的厭氧發(fā)酵中,對(duì)于儲(chǔ)存的反芻家畜飼料合適的pH值是小于4.2,這是因?yàn)橛袡C(jī)酸比如乳酸和醋酸的生成等。在目前的研究中, 在第15d發(fā)酵時(shí),每組西蘭花廢棄物(自然發(fā)酵組和BIO-PKC發(fā)酵組)中的pH值下降到4左右,乙酸含量也有所增加。通常在早期發(fā)酵階段階段,乳酸和醋酸發(fā)酵細(xì)菌利用可發(fā)酵的碳水化合物,如淀粉、糖類等底物,該細(xì)菌將在有機(jī)酸產(chǎn)生而導(dǎo)致酸性的條件下停止活動(dòng), 隨后該細(xì)菌的生態(tài)系統(tǒng)將被纖維素降解細(xì)菌和和半纖維素降解酶取代。

        ORP值反映了飼料的氧化還原電位性質(zhì)。在發(fā)酵30d時(shí), ORP通常有所改變(圖3)。即在第一階段的發(fā)酵0-30d, ORP大幅下降同時(shí)伴隨著乙酸的生成(圖4)。在第二階段30 ~ 60d, ORP由于氨氮的增加ORP值有所上升(圖6)。

        對(duì)照組中的乙醇含量高于BIO-PKC組,這意味著對(duì)于高水分西蘭花廢物自然發(fā)酵生成乙醇多于添加了BIOPKC發(fā)酵產(chǎn)物中的乙醇 (圖4)。這或許能夠解釋為BIO-PKC優(yōu)化了微生物代謝,改變微生物生態(tài)系統(tǒng)。通常,在新鮮蔬菜廢棄物表面有足夠數(shù)量的天然酵母、釀酒酵母,使得厭氧發(fā)酵過程中能夠很快產(chǎn)生乙醇。另一方面, BIOPKC包含一個(gè)替代酒精發(fā)酵酵母,白色念珠菌,這種菌可能與天然釀酒酵母爭(zhēng)奪輕易可發(fā)酵碳水化合物基質(zhì),生產(chǎn)乙醇和乙酸。此外,對(duì)照組的西蘭花廢物中含有天然乳酸細(xì)菌,雜發(fā)酵乳酸菌, 除了乳酸,這種菌還可以生產(chǎn)乙醇和醋酸。BIO-PKC還包含人類發(fā)酵的乳酸菌,這種菌只會(huì)產(chǎn)生乳酸。因此,相比于對(duì)照組的西蘭花廢物,BIO-PKC生產(chǎn)相對(duì)較低的乙醇和乙酸含量,因此推斷出BIO-PKC可促進(jìn)乳酸的生產(chǎn)。

        盡管早期發(fā)酵階段,ADF和NDF相對(duì)含量明顯增加,但絕對(duì)值在這個(gè)階段并不一定改變,這個(gè)由于發(fā)酵過程中,干物質(zhì)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和水而質(zhì)量減少所引起的。然而, 30d發(fā)酵后,BIO-PKC組中ADF和NDF的含量比對(duì)照組中的低,這一變化表明BIO-PKC明顯促進(jìn)結(jié)構(gòu)性碳水化合物的水解,抑制無用的可溶性碳水化合物發(fā)酵 (圖7、8、9)。

        通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,我們得出利用纖維素生物質(zhì)廢物創(chuàng)建高品質(zhì)的飼料資源,1%含量的BIO-PKC發(fā)酵飼料對(duì)于2個(gè)月的發(fā)酵期更為合適的菌種濃度。

        10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.035

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