蔡毅飛+唐敏

摘 要：將大量蔬果垃圾制作成環(huán)保酵素是固體廢棄物資源化的有效途徑。通過對(duì)環(huán)保酵素發(fā)酵過程中的pH值、電導(dǎo)率和還原糖含量的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)三者在發(fā)酵結(jié)束時(shí)幾乎數(shù)據(jù)同時(shí)趨于穩(wěn)定，因此這3個(gè)參數(shù)都可作為判斷發(fā)酵進(jìn)程結(jié)束的重要參考依據(jù)。pH值和電導(dǎo)率具有測(cè)量方便的優(yōu)點(diǎn)，且最終pH值是判斷發(fā)酵是否成功的標(biāo)準(zhǔn)之一。通過不同溫度條件下制作環(huán)保酵素試驗(yàn)，得出中溫條件更加有利于蔬果垃圾的水解酸化，環(huán)保酵素的溶解固體含量最低，電導(dǎo)率最大。

關(guān)鍵詞：蔬果垃圾 環(huán)保酵素 pH 電導(dǎo)率 還原糖

中圖分類號(hào)：N34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）05（b）-0230-02

蔬果垃圾在城市垃圾中占有較大的比重，如果將其簡(jiǎn)單按照一般生活垃圾的處理方式進(jìn)行處置，不僅成本高昂，從某種程度上也是一種資源的浪費(fèi)。如何利用蔬果垃圾是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。泰國(guó)有機(jī)農(nóng)業(yè)協(xié)會(huì)的創(chuàng)始人樂素昆·普潘翁博士提出采用發(fā)酵技術(shù)，將蔬果垃圾制作成環(huán)保酵素。研究表明，酵素具有對(duì)超氧陰離子自由基、羥基自由基和DPPH自由基等的清潔能力，除了可部分替代家庭清潔劑外，還可用于農(nóng)業(yè)肥料和土壤改良、環(huán)境污染治理等方面。研究環(huán)保酵素的發(fā)酵過程，對(duì)實(shí)現(xiàn)蔬果垃圾資源化具有重要的意義。

1 環(huán)保酵素制作方法

制作環(huán)保酵素的主要原料是紅糖、蔬果垃圾和水。將蔬果垃圾切成小塊，紅糖∶蔬果垃圾∶水按照1∶3∶10的比例混合。將制作容器密封，早期每天放氣1～2次，待1個(gè)月后無氣體放出，置于陰涼處保存發(fā)酵3個(gè)月即可。

2 發(fā)酵過程監(jiān)測(cè)

2.1 pH值

酸化過程是蔬果垃圾厭氧發(fā)酵的重要步驟，一般認(rèn)為，pH直接通過影響酸化細(xì)菌細(xì)胞膜電荷的變化，進(jìn)而影響細(xì)菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收代謝過程中的相關(guān)酶的活性，改變生長(zhǎng)環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收[1]。實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行，采用雷磁pHS-3C型電導(dǎo)率儀對(duì)發(fā)酵過程中pH值的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在發(fā)酵過程剛開始的一段時(shí)間內(nèi)，大分子有機(jī)底物水解酸化，產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸，造成pH值迅速降低。通過滴定法測(cè)定，第6天的揮發(fā)性有機(jī)酸達(dá)到7.54 g/L。隨著發(fā)酵的進(jìn)行，pH不斷變化，發(fā)酵類型也在不斷發(fā)生變化。pH=4.0～4.5為主要乙醇型發(fā)酵區(qū)域，pH=4.5～5.0和pH=5.5～6.5為丁酸型發(fā)酵區(qū)域，pH=5.5～6.5為丁酸型發(fā)酵區(qū)域，當(dāng)pH為4～5時(shí)，乙酸占總酸累積濃度的一半以上[2]，可以在發(fā)酵初期通過調(diào)節(jié)pH使有益酸化產(chǎn)物增加。在發(fā)酵約18 d時(shí)，pH達(dá)到最低值，隨后pH開始逐步增加，可能是由于氨的濃度逐漸增加。發(fā)酵78 d后，pH趨于穩(wěn)定。植物酵素具有較大的pH值活性范圍，一般發(fā)酵成功pH值范圍在3.0～4.0[3]。

2.2 還原糖

發(fā)酵原料中的紅糖為發(fā)酵提供了所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過監(jiān)測(cè)發(fā)酵體系中總糖或還原糖的含量，及時(shí)準(zhǔn)確的了解發(fā)酵過程中其消耗情況對(duì)掌握發(fā)酵進(jìn)程至關(guān)重要，也是目前廣泛采用的方法。測(cè)定發(fā)酵液糖含量一般有高錳酸鉀滴定、費(fèi)林試劑和3，5-二硝基水楊酸比色法等，但都比較繁瑣，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高。考慮發(fā)酵液底色深不易觀察顏色變化的問題，采用費(fèi)林試劑返滴定法[4]測(cè)定發(fā)酵液中還原糖含量。初始還原糖含量為14.8 g/L，發(fā)酵第6 d還原糖含量達(dá)到15.9 g/L，隨后還原糖含量呈下降趨勢(shì)，直至約72 d后趨于穩(wěn)定。分析原因，發(fā)酵初始階段為厭氧水解酸化階段，底物中多糖類物質(zhì)經(jīng)水解生成單糖及其它小分子化合物，發(fā)酵系統(tǒng)含糖量達(dá)到最大值。隨著發(fā)酵的繼續(xù)進(jìn)行，還原糖作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸被微生物菌消耗，直至發(fā)酵基本完成。

2.3 電導(dǎo)率

在發(fā)酵過程中，還原糖殘余量一直被作為發(fā)酵過程是否結(jié)束的重要參考指標(biāo)，但其檢測(cè)過程較為繁瑣。通過對(duì)發(fā)酵液電導(dǎo)率的監(jiān)測(cè)，建立發(fā)酵液電導(dǎo)率與還原糖含量關(guān)系模型。發(fā)酵系統(tǒng)初始電導(dǎo)率為6.34 ms/cm，伴隨著發(fā)酵進(jìn)行，電導(dǎo)率不斷下降，發(fā)酵48天后電導(dǎo)率又逐漸上升直至平穩(wěn)。發(fā)酵初期，產(chǎn)生的乙醇在發(fā)酵體系中所占體積分?jǐn)?shù)不斷增加，而乙醇屬于非電解質(zhì)，造成電導(dǎo)率下降的趨勢(shì)[5]。到達(dá)發(fā)酵中后期，發(fā)酵原料蔬果垃圾中的礦物質(zhì)釋放到系統(tǒng)中，導(dǎo)致電導(dǎo)率回升。

在發(fā)酵72 d時(shí)，電導(dǎo)率和還原糖含量的變化速度都趨緩，84 d左右同時(shí)達(dá)到基本穩(wěn)定?？梢钥闯?，發(fā)酵系統(tǒng)pH值、還原糖含量和電導(dǎo)率隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行，幾乎在同時(shí)趨于穩(wěn)定，可以作為判斷環(huán)保酵素發(fā)酵過程結(jié)束的評(píng)判參考依據(jù)。

3 溫度對(duì)發(fā)酵過程的影響研究

溫度是發(fā)酵工藝最重要的參數(shù)之一，能夠影響酶的活性，進(jìn)而對(duì)微生物的生長(zhǎng)和基質(zhì)的代謝產(chǎn)生影響。目前針對(duì)溫度與環(huán)保酵素發(fā)酵過程關(guān)系的研究少有報(bào)道，對(duì)于蔬果垃圾制作環(huán)保酵素的工業(yè)化發(fā)展，選擇合適的溫度是非常必要的。

一般根據(jù)溫度的不同，可將發(fā)酵工藝分為常溫發(fā)酵、中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵三大類。該實(shí)驗(yàn)按照配比制作三份環(huán)保酵素，分別置于20℃、30℃和50℃的恒溫培養(yǎng)箱中。發(fā)酵過程中對(duì)三份樣品的pH值、電導(dǎo)率和還原糖含量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。從pH值變化可以看出，20℃和30℃時(shí)的水解酸化率最大。30℃條件下生成的環(huán)保酵素電導(dǎo)率稍高。進(jìn)一步對(duì)三種環(huán)保酵素的總固體含量（TS）進(jìn)行測(cè)定，20℃環(huán)保酵素TS含量為46%，30℃環(huán)保酵素TS含量為21%，50℃環(huán)保酵素TS含量為33%。因此，中溫30℃條件更有利于蔬果垃圾的轉(zhuǎn)化和環(huán)保酵素的生成。

4 結(jié)論

（1）環(huán)保酵素制作發(fā)酵過程中，發(fā)酵系統(tǒng)pH值、電導(dǎo)率和還原糖含量三個(gè)數(shù)值在發(fā)酵結(jié)束時(shí)同時(shí)開始趨于穩(wěn)定，因此pH值和電導(dǎo)率的變化也作為判斷發(fā)酵進(jìn)程是否結(jié)束的參考依據(jù)。pH值和電導(dǎo)率相對(duì)還原糖含量測(cè)定具有準(zhǔn)確度高，快速便捷的特點(diǎn)，同時(shí)可通過測(cè)定環(huán)保酵素最終pH值判斷發(fā)酵是否成功。

（2）pH值在水解酸化階段急劇下降，不同pH值范圍對(duì)應(yīng)不同產(chǎn)物發(fā)酵區(qū)域，可通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH控制酸化進(jìn)程，使產(chǎn)生具有針對(duì)性用途的環(huán)保酵素。

（3）溫度對(duì)環(huán)保酵素的發(fā)酵過程有一定影響。中溫條件更加適合水解酸化的進(jìn)行，酵素液中總固體含量也較少，更加有利于環(huán)保酵素的使用。

參考文獻(xiàn)

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