曾 錦， 徐 銳， 張無敵， 王艷飛， 梁高飛， 欣 娜， 衡圓圓， 賀 俊

(云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 云南 昆明 650500)

獼猴桃，又名奇異果、藤梨、狐貍桃等，是山茶目、獼猴桃科植物獼猴桃樹的成熟果實(shí)。獼猴桃擁有多樣性的營養(yǎng)成分，營養(yǎng)價(jià)值高，其富含大量人體必須的維生素C、礦物質(zhì)及纖維等[1-2]，在中國素有“果中之王”的美稱，備受現(xiàn)代人的青睞。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國獼猴桃展業(yè)發(fā)展迅速，陜西、四川、浙江等省份的獼猴桃栽培面積和總產(chǎn)量均有明顯提高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國獼猴桃栽培面積約為6萬hm2，年產(chǎn)量45萬t左右[3]。獼猴桃皮是在其果實(shí)加工成果汁飲料和果片后剩下的副產(chǎn)品，其質(zhì)量約占全果總質(zhì)量的10%～16%，經(jīng)過測定獼猴桃皮中含有粗蛋白6.4%、粗脂肪1.4%及粗纖維16.2%[4]，富含較高有機(jī)質(zhì)，已具備發(fā)酵的基礎(chǔ)條件。Hang Y D[4]等利用獼猴桃皮作原料通過固態(tài)發(fā)酵法產(chǎn)生檸檬酸，吳惠芳[5]等從獼猴桃皮渣中提取果膠，劉娟[6]以獼猴桃皮渣為原料,以傳統(tǒng)發(fā)酵理論為基礎(chǔ),對(duì)獼猴桃皮渣白蘭地釀造工藝進(jìn)行了研究。然而目前尚未見有以廢棄獼猴桃皮作為原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵的研究報(bào)道。因此，文章以獼猴桃皮作為沼氣發(fā)酵的原料進(jìn)行批量式發(fā)酵來研究其產(chǎn)沼氣潛力具有一定的探索和創(chuàng)新意義，目的在于為獼猴桃皮的資源化利用提供新的理論依據(jù)，解決其果皮處理措施在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面產(chǎn)生的諸多問題。同時(shí)，也可在一定程度上填補(bǔ)了獼猴桃皮厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)研究方面的空白。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 發(fā)酵原料

發(fā)酵原料采用云南省昆明市呈貢區(qū)云南師范大學(xué)某水果店廢棄的獼猴桃皮，經(jīng)測定獼猴桃皮的TS(總固體含量)為17.61%，VS(揮發(fā)性固體含量)為98.06%。

1.1.2 接種物

接種物為實(shí)驗(yàn)室長期馴化的豬糞厭氧發(fā)酵活化污泥，經(jīng)測定，其TS為16.27%，VS為70.03%，pH值為7.0。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

采用實(shí)驗(yàn)室自制的容積為500 mL的批量式發(fā)酵裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置由500 mL的發(fā)酵瓶，1000 mL的集氣瓶，1000 mL的計(jì)量瓶以及溫控系統(tǒng)組成。獼猴桃皮發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.溫控儀； 2.交流接觸器； 3.水槽; 4.電熱管； 5.熱電偶； 6.循環(huán)水泵； 7.發(fā)酵瓶； 8.取樣口； 9.玻璃三通； 10.集氣瓶； 11.計(jì)量瓶圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原料預(yù)處理

利用粉碎機(jī)(CS-700)將獼猴桃皮粉碎成泥狀，使其能夠與接種物充分混合均勻。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)發(fā)酵系統(tǒng)料液的配比。本實(shí)驗(yàn)由1個(gè)實(shí)驗(yàn)組和1個(gè)對(duì)照組構(gòu)成，兩組均重復(fù)設(shè)置3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)，配法料如下:

實(shí)驗(yàn)組：接種率為30%的接種物120 g，獼猴桃皮25.42 g，加水至400 mL，總的發(fā)酵濃度控制在6%。

對(duì)照組：接種率為30%的接種物120 g，加水至400 mL。

(2)實(shí)驗(yàn)過程中，通過運(yùn)用智能數(shù)顯溫控儀(C3W-221)確保中溫厭氧發(fā)酵環(huán)境的正常運(yùn)行，使發(fā)酵溫度維持在30℃±0.2℃。

(3)實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)后，每日定點(diǎn)記錄各套裝置的產(chǎn)氣量，每隔2～4 d利用氣相色譜儀(GC9790II)測一次甲烷的含量。

1.2.3 測試項(xiàng)目及方法

(1)pH值測定：采用5.7～8.5精密pH試紙測定。

(2)TS(總固體含量) 測定：將樣品放置在105℃±2℃下的烘箱內(nèi)烘干至恒重，利用電子天平稱量。計(jì)算樣品去除水分后剩余干物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7]。

式中：W0取為樣品重量，g；W1為樣品烘干至恒重后的重量，g。

(3)VS(揮發(fā)性固體含量) 測定：將TS測定后恒重的總固體在550℃±20℃下燒至恒重后，利用電子天平稱量。計(jì)算揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7]。

式中：W2為灰分重量，g。

(4)產(chǎn)氣量測定：采用排水集氣法收集氣體并測定產(chǎn)氣量，實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)以后，每天同一時(shí)間(20:00)記錄各組的產(chǎn)氣量，通過計(jì)算各組平行實(shí)驗(yàn)的平均產(chǎn)氣量來最終確定發(fā)酵過程中每天的產(chǎn)氣量。

(5)甲烷含量測定：采用實(shí)驗(yàn)室GC9790II氣象色譜儀測定其甲烷、氫氣、二氧化碳的含量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵前后發(fā)酵液的TS，VS及pH值變化

實(shí)驗(yàn)前后發(fā)酵料液的TS，VS及pH值等結(jié)果變化詳見表1。

表1 發(fā)酵前后料液的TS，VS和pH 值

由表1可知：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)組和對(duì)照組的TS和VS在發(fā)酵之后均有不同程度的降低，說明在厭氧發(fā)酵過程中，原料被不同程度的分解利用。通過計(jì)算可知，實(shí)驗(yàn)組的TS和VS降解率分別為19.85%，21.63%，對(duì)照組的TS和VS降解率分別為0.67%，1.41%。其中，原料的TS，VS降解率明顯高于接種物的TS和VS降解率，對(duì)照組的TS和VS降解率都很低，可見對(duì)照組幾乎不產(chǎn)氣，這些均符合發(fā)酵過程中產(chǎn)氣的規(guī)律。因此實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣量受接種物的影響是極小的，同時(shí)說明實(shí)驗(yàn)組的微生物活性良好、發(fā)酵完全。發(fā)酵料液前后的pH值有所變化，但依然維持在沼氣發(fā)酵較佳的pH值范圍內(nèi)。

2.2 產(chǎn)氣情況分析

2.2.1 日產(chǎn)氣量

試驗(yàn)啟動(dòng)后，每天定時(shí)記錄產(chǎn)氣情況，通過計(jì)算分析得到獼猴桃皮厭氧發(fā)酵時(shí)間和產(chǎn)氣量的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)組的日產(chǎn)氣量變化曲線如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)組日產(chǎn)氣量曲線圖

由圖2可知，獼猴桃皮發(fā)酵實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)較快，第1～5天產(chǎn)氣較多，第1天就達(dá)到了日產(chǎn)氣的高峰，產(chǎn)氣量達(dá)547 mL，對(duì)氣體成分進(jìn)行測定，結(jié)果顯示甲烷含量為13.56%，點(diǎn)燃?xì)怏w，完全沒有火焰，這可能是因?yàn)楂J猴桃皮自身含有大量的水解蛋白酶，剛開始獼猴桃皮被水解產(chǎn)生大量的CO2；第2天產(chǎn)氣量有所下降，第4天達(dá)到日產(chǎn)氣量另一高峰，從第6天開始，沼氣產(chǎn)量總體呈下降趨勢，中間略有波動(dòng)，但起伏不大；16 d之后日產(chǎn)氣量低于50 mL；在第27天，發(fā)酵體系停止產(chǎn)氣，產(chǎn)氣量小于5 mL，所以實(shí)驗(yàn)組的發(fā)酵周期為27 d。

圖3 日產(chǎn)氣體含量曲線圖

由圖3可知，發(fā)酵初期甲烷的含量較低，但隨著發(fā)酵時(shí)間的增長，在產(chǎn)甲烷菌的作用下，甲烷的含量逐漸增加；在第13天，甲烷含量幾乎達(dá)到整個(gè)發(fā)酵過程中的峰值，為50.05%；在發(fā)酵過程中，氫氣、二氧化碳的含量幾乎保持穩(wěn)定，中間略有波動(dòng)，但總體起伏不大；在發(fā)酵末期，由于發(fā)酵底物即將消耗殆盡，甲烷的含量逐漸降低直至反應(yīng)終止。

2.2.2 累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率

統(tǒng)計(jì)本次實(shí)驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣量，詳見表2。

表2 獼猴桃皮累計(jì)產(chǎn)氣量

由表2可知，在整個(gè)獼猴桃皮發(fā)酵過程中，累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)2290 mL；第1～5天產(chǎn)氣量增速較快，達(dá)1232 mL；第5～10天和10～15天產(chǎn)氣量的增加幅度相差不大，而第15d～20天、第20～27天產(chǎn)氣量增加的幅度不明顯，這主要是因?yàn)榈搅税l(fā)酵的后期，可被降解的有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少，無法提供甲烷菌生長繁殖所需的營養(yǎng)，因此菌種的活性有所降低，進(jìn)而導(dǎo)致其發(fā)酵后期的產(chǎn)氣量比前期少[8,10]。由上述規(guī)律可知，獼猴桃皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣主要集中在前15 d，產(chǎn)氣較快階段主要集中在第1～5天。

關(guān)于累計(jì)產(chǎn)氣量的變化規(guī)律，依據(jù)發(fā)酵時(shí)間和累計(jì)產(chǎn)氣量，通過使用計(jì)算機(jī)軟件Origin擬合出了獼猴桃皮整個(gè)發(fā)酵階段的方程，詳見圖4。

圖4 累計(jì)產(chǎn)氣量擬合曲線方程

由圖4可知：獼猴桃皮在厭氧發(fā)酵過程中，累計(jì)產(chǎn)氣量隨時(shí)間變化的曲線基本符合一元三次方程：Y=191.87X-6.77X2+0.08X3+385.72，其相關(guān)系數(shù)為0.9980，該擬合方程與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)具有較好的相關(guān)性，可信度相對(duì)較高。

由累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的比例，得到獼猴桃皮厭氧發(fā)酵的累計(jì)產(chǎn)氣速率，詳見圖5。

圖5 產(chǎn)氣速率變化曲線

由圖5分析可知：在獼猴桃皮整個(gè)發(fā)酵過程中，產(chǎn)氣速率是先增加后趨于平緩的。在第1～15天累計(jì)產(chǎn)氣速率總體體呈上升趨勢，特別是第1～5天曲線最為陡峭。在獼猴桃皮發(fā)酵的第16天時(shí)超過總產(chǎn)氣量的90%，可以得出獼猴桃皮在厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的過程中主要集中在前16 d產(chǎn)氣。因此，在以獼猴桃皮為發(fā)酵原料的實(shí)際工藝中，可以將沼氣工程的水力滯留時(shí)間(HRT)設(shè)計(jì)為16 d，這在一定程度上可以減少資金投入，縮短投資回收期。

2.3 產(chǎn)氣潛力分析

結(jié)合獼猴皮的TS和VS 等值對(duì)其厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 獼猴桃皮厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力

為更加客觀地評(píng)價(jià)獼猴桃皮的產(chǎn)氣潛力，與以其他水果皮為發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

表4 不同水果皮的產(chǎn)氣潛力

由表4可知，獼猴桃皮的發(fā)酵周期相比于其他果皮原料相對(duì)較短，僅次于菠蘿皮的發(fā)酵周期，與西番蓮果皮發(fā)酵時(shí)間相接近，說明其產(chǎn)氣速率較快。各種水果皮含有豐富的糖和淀粉物質(zhì)，所以其TS的產(chǎn)氣率普遍較高。通過精密pH試紙的測量，獼猴桃皮的發(fā)酵體系pH值始終維持在沼氣發(fā)酵微生物最適宜的pH值范圍內(nèi)，在整個(gè)發(fā)酵過程中未出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，無需其他物質(zhì)來調(diào)節(jié)，可見其有很強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)能力。因此利用獼猴桃皮進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣是一種可行的方式，利用率較高。

3 結(jié)論

(1)以獼猴桃皮為發(fā)酵原料，在中溫(30℃±0.2℃)進(jìn)行批量式的厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，發(fā)酵周期為27 d，實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)較快。

(2)獼猴桃皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣主要集中在前16 d，到16 d時(shí)累計(jì)的產(chǎn)氣量已總產(chǎn)氣量的90%以上，因此可初步設(shè)計(jì)實(shí)際沼氣工程的水力滯留時(shí)間(HRT)為16 d。

(3)獼猴桃皮是一種可行的發(fā)酵原料，其產(chǎn)氣潛力為512 mL·g-1TS，522 mL·g-1VS。

本實(shí)驗(yàn)為獼猴皮的后續(xù)利用提供了一定的理論依據(jù)，并為廢棄獼猴桃皮的資源化利用提供了新的途徑。

(4)利用計(jì)算機(jī)軟件ORigin 擬合出累積產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化趨勢曲線所遵循的方程：Y=191.87X-6.77X2+0.08X3+385.72，其相關(guān)系數(shù)為0.9980，該方程為獼猴桃皮厭氧發(fā)酵的最佳利用提供了一定的理論研究基礎(chǔ)。