肖云

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物工程學(xué)院，湖北武漢430072）

餐廚垃圾主要是指家庭、餐廳、機(jī)關(guān)公共食堂的食物下腳料和殘余的廢棄物，包括水、油脂、蔬菜、米面、果皮、魚(yú)、肉、骨頭以及廢餐具、塑料、紙巾等多種物質(zhì)的混合物，來(lái)源復(fù)雜，含有各種細(xì)菌和病原菌。如果不加以處理，餐廚垃圾極易變質(zhì)、腐爛、發(fā)酵，滋生蚊蠅，產(chǎn)生大量毒素及散發(fā)惡臭氣體，污染水體和大氣，直接排入下水道還會(huì)引起下水道堵塞。但同時(shí)，餐廚垃圾又含有大量的有機(jī)物，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，具有很大的回收利用價(jià)值[1-3]。

伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市生活垃圾的排放量愈來(lái)愈大，其中餐廚垃圾的比例日漸上升，占城市生活垃圾的37%～62%。我國(guó)餐廚垃圾具有高有機(jī)物含量(有機(jī)物含量約占干物質(zhì)的80%以上）、高含水率(80%～90%）、高油、高鹽分等特點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，如果將我國(guó)一年的餐廚垃圾全部利用，則相當(dāng)于節(jié)約3 000萬(wàn)畝玉米的產(chǎn)出量和600萬(wàn)噸生物柴油，可見(jiàn)其資源化特征十分明顯[4-5]。目前對(duì)餐廚垃圾的處理有四種主流的工藝路線(xiàn)：生產(chǎn)飼料、好氧堆肥、厭氧消化和制備生物柴油。其中，厭氧消化是在無(wú)氧條件下利用微生物自身代謝作用將大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的過(guò)程，也是目前應(yīng)用和研究較多的技術(shù)，預(yù)計(jì)也是未來(lái)餐廚垃圾處理的主流技術(shù)[6]。盡管如此，仍然需要開(kāi)發(fā)新型綜合的處理技術(shù)來(lái)提高餐廚的資源化循環(huán)利用程度。

筆者采用微生物發(fā)酵技術(shù)，選擇目前常用的三種微生物菌劑：HM菌劑、EM菌劑、自制復(fù)合菌劑(黑曲霉∶啤酒酵母∶枯草芽孢桿菌=1∶1∶1），添加至餐廚垃圾中，比較產(chǎn)品中蛋白質(zhì)的含量[7]，以篩選出能快速處理餐廚垃圾的微生物菌群，為大規(guī)模處理餐廚垃圾提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

1.1.1 餐廚垃圾

餐廚垃圾取自武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院西區(qū)食堂，經(jīng)初步分揀去除筷子、叉子、紙巾等不可利用物，主要成分為飯?jiān)?、菜葉、肉渣等，離心去除部分水分，置于冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.1.2 菌種

HM菌劑 (河北智道生物科技有限公司）；EM菌劑(滄州華雨生物科技有限公司）；自制復(fù)合菌劑(黑曲霉∶啤酒酵母∶枯草芽孢桿菌=1∶1∶1），自行保存，均為農(nóng)業(yè)部生物安全通過(guò)技術(shù)規(guī)定使用的生產(chǎn)菌種。

1.1.3 培養(yǎng)基

肉湯培養(yǎng)基：蛋白胨1%，牛肉膏0.5%，NaCl 0.5%，pH 7.4±0.2，用于培養(yǎng)種子。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 菌種的活化

HM/EM菌種處理方法：接種前先制成HM/EM菌液，按質(zhì)量比為HM/EM菌∶紅糖∶無(wú)菌水=10∶1∶10混合均勻，37℃培養(yǎng)，1～2 d 搖動(dòng)一次，5～7 d 即可[8]。

將冰箱保藏的混合菌種取出，用接種環(huán)挑取接到斜面培養(yǎng)基，37℃培養(yǎng)24 h，然后挑取單個(gè)菌落接到液體培養(yǎng)基中，35℃搖床培養(yǎng)36 h，制得種子液[9]。

1.2.2 餐廚垃圾的固體發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

取一定量處理后的餐廚垃圾，加入不同含量的氮源作為發(fā)酵培養(yǎng)基，分別接入一定量的HM菌劑、EM菌劑、復(fù)合菌劑，在一定條件下進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 檢測(cè)方法

發(fā)酵完畢，將發(fā)酵產(chǎn)品用蒸餾水漂洗3次，離心收集沉淀物于60℃～65℃烘干并粉碎。水分的測(cè)定參照GB/T6436-1992；總糖的測(cè)定參照GB/T 3865-1983；粗脂肪的測(cè)定參照GB/T 6433-2006；粗蛋白的測(cè)定參照GB/T6432-1994；總酸的測(cè)定參照 GB/T12456-1990[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水量對(duì)餐廚垃圾發(fā)酵的影響

取固體培養(yǎng)基100 g，尿素1.5 g，將含水量調(diào)成30%、40%、50%、60%、70%、80%，調(diào)節(jié) pH 為 6，121℃滅菌20 min，分別接入HM菌劑、EM菌劑、自制混合菌劑，34℃培養(yǎng)48 h后，測(cè)定粗蛋白的含量。結(jié)果如圖1。

圖1 不同含水量對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量的影響Fig.1 The effect of different water content on crude protein content in fermentation products

由圖1可以看出，培養(yǎng)基含水量對(duì)HM菌劑、EM菌劑、自制復(fù)合菌劑三種發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白含量都有較明顯的影響。隨著含水量的增加，粗蛋白含量升高；當(dāng)含水量達(dá)到60%，三種菌劑發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白含量均達(dá)到最高，其中自制混合劑為28.12，EM菌劑為27.33，HM菌劑為25.38；含水量超過(guò)60%后，隨著含水量增加，粗蛋白含量降低?？赡艿脑蚴牵窟^(guò)低，培養(yǎng)基膨脹度低，黏度大，不利于通風(fēng)，微生物的生長(zhǎng)受到抑制；含水量過(guò)高，物料濃度偏低，不利于菌體合成蛋白質(zhì)。因此，在含水量為60%時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量達(dá)到最高。

2.2 接種量對(duì)餐廚垃圾發(fā)酵的影響

取固體培養(yǎng)基100 g，尿素1.5 g，將含水量調(diào)成60%，pH為6，121℃滅菌20 min，按接種量為0.5%、1%、1.5%、2%，2.5%分別無(wú)菌接入HM菌劑、EM菌劑、自制混合菌劑，34℃培養(yǎng)48 h后測(cè)定粗蛋白的含量。結(jié)果如圖2。

圖2 不同接種量對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量的影響Fig.2 The effect of different inoculation amount on crude protein content in fermentation products

接種量不同對(duì)三種菌劑發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白含量均有一定的影響。從圖2可以看出，對(duì)三種不同發(fā)酵菌劑而言，接種量為1.5%時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量較高，其中自制復(fù)合菌劑產(chǎn)物中粗蛋白含量達(dá)到27.98%；但是當(dāng)接種量超過(guò)1.5%后，三種菌劑發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量均無(wú)明顯增加。從生產(chǎn)實(shí)踐和經(jīng)濟(jì)角度考慮，接種量為1.5%較為合適。

2.3 溫度對(duì)餐廚垃圾發(fā)酵的影響

取固體培養(yǎng)基100 g，尿素1.5 g，將含水量調(diào)成60%，pH為6，121℃滅菌20 min，按接種量1.5%，分別無(wú)菌接入HM菌劑、EM菌劑、自制混合菌劑，分別在25℃、28℃、31℃、34℃、37℃、40℃培養(yǎng) 48 h，測(cè)定粗蛋白的含量。結(jié)果如圖3。

圖3 發(fā)酵溫度對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量的影響Fig.3 The effect of different temperatureon crude protein content in fermentation products

溫度是微生物發(fā)酵的一個(gè)重要因素，影響微生物細(xì)胞內(nèi)的酶的生成和酶的活力。本次實(shí)驗(yàn)采用的是混合菌群發(fā)酵，涉及多種微生物的共同生長(zhǎng)，因此選擇合適的發(fā)酵溫度，協(xié)調(diào)各個(gè)微生物的生長(zhǎng)繁殖，對(duì)發(fā)酵有明顯的影響。由圖3可以看出，對(duì)于HM菌劑和EM菌劑，隨著溫度的升高，在溫度達(dá)到37℃前發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白呈升高趨勢(shì)，溫度超過(guò)37℃后，粗蛋白含量基本保持不變；對(duì)于自制復(fù)合菌劑，在溫度達(dá)到34℃前，隨著溫度升高，發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量逐漸升高，在34℃時(shí)粗蛋白含量達(dá)到最大值28.22%，當(dāng)溫度超過(guò)34℃，繼續(xù)升高溫度，反而抑制了部分微生物的生長(zhǎng)，發(fā)酵產(chǎn)物中的粗蛋白有所下降。故對(duì)于HM菌劑和EM菌劑，最適發(fā)酵溫度為37℃；對(duì)于自制復(fù)合菌劑而言，最適發(fā)酵溫度為34℃。

2.4 pH對(duì)餐廚垃圾發(fā)酵的影響

取固體培養(yǎng)基100 g，尿素1.5 g，將含水量調(diào)成60%，分別調(diào)節(jié) pH 為 4、5、6、7、8，121℃滅菌 20 min，按接種量1.5%，分別無(wú)菌接入HM菌劑、EM菌劑、自制混合菌劑，34℃分別培養(yǎng)48 h，測(cè)定粗蛋白的含量。結(jié)果如圖4。

圖4 不同pH值對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量的影響Fig.4 The effect of different pH on crude protein content in fermentation products

pH也是影響微生物發(fā)酵的一個(gè)重要因素。由圖4可以看出，當(dāng)pH低于6時(shí)，隨著pH值上升，三種菌劑發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量明顯上升，當(dāng)pH達(dá)到6時(shí)，自制復(fù)合菌劑中粗蛋白含量達(dá)到最大28.35%，當(dāng)pH繼續(xù)上升，反而抑制了微生物的生長(zhǎng)，發(fā)酵產(chǎn)物的粗蛋白反而下降。故最適發(fā)酵的pH為6。

2.5 發(fā)酵時(shí)間對(duì)餐廚垃圾發(fā)酵的影響

取固體培養(yǎng)基100 g，尿素1.5 g，將含水量調(diào)成60%，pH為6，121℃滅菌20 min，按接種量1.5%，分別無(wú)菌接入HM菌劑、EM菌劑、自制混合菌劑，34℃分別培養(yǎng) 24 h、36 h、48 h、60 h，測(cè)定粗蛋白的含量。結(jié)果如圖5。

圖5 發(fā)酵時(shí)間對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白含量的影響Fig.5 The effect of different time on crude protein content in fermentation products

由圖5可知，當(dāng)發(fā)酵時(shí)間低于48 h時(shí)，三種菌劑產(chǎn)物中的粗蛋白均隨著發(fā)酵時(shí)間增加而增加，當(dāng)發(fā)酵時(shí)間達(dá)到48 h，自制復(fù)合菌劑中的粗蛋白達(dá)到最大28.34%，當(dāng)發(fā)酵時(shí)間超過(guò)48 h，隨著發(fā)酵時(shí)間增加，粗蛋白含量逐漸下降。故最適發(fā)酵時(shí)間為48 h。

3 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)HM菌劑、EM菌劑、自制混合菌劑三種菌劑利用餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)粗蛋白的發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比三種菌劑轉(zhuǎn)化蛋白質(zhì)的效率，其中自制復(fù)合菌劑蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化率最高為28.35%，故確定可降解餐廚垃圾的菌群為1∶1∶1的黑曲霉∶啤酒酵母∶枯草芽孢桿菌，最佳發(fā)酵工藝條件為：以添加1.5%的尿素為氮源，含水量為60%，pH為6的餐廚垃圾為基質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵，混合菌種接種量為1.5%，34℃發(fā)酵48 h后，所得生物飼料中粗蛋白的含量為28.35%，發(fā)酵產(chǎn)物有酒香味。本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料提供一定的思路。