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        固態(tài)發(fā)酵處理餐廚垃圾制備飼料的研究

        2021-02-22 08:46:54韓端丹
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:粗蛋白質(zhì)黑曲霉餐廚

        韓端丹,洪 琦,江 陽

        (1.武漢東湖學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院,武漢 430212;2.湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,武漢 430062)

        餐廚垃圾俗稱泔腳、潲水,是日常生活中剩下的飯菜及其他食用垃圾的混合物。餐廚垃圾極易腐爛發(fā)酵,并產(chǎn)生毒素和刺激性氣味。長(zhǎng)期積放還容易產(chǎn)生黃曲霉素等致癌物質(zhì),大量繁殖細(xì)菌。餐廚垃圾在露天環(huán)境下存放易招來大量蚊蠅鼠蟲,這些蚊蠅鼠蟲身上常帶有病菌病毒,所以餐廚垃圾處理不好就會(huì)成為病菌病毒傳播媒介。中國一些地方常用餐廚垃圾直接作為家禽家畜飼料,食用后容易造成人畜間交叉?zhèn)魅荆瑢?dǎo)致某些病毒病菌的傳播?,F(xiàn)在人民生活水平不斷提高,日常餐廚垃圾生產(chǎn)量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)2015、2016、2017年,僅上海市餐余垃圾數(shù)量分別為314 914、368 360和423 750 t,年平均增長(zhǎng)率為15%[1-3]。餐廚垃圾“四高”表現(xiàn)為含水率、有機(jī)物濃度、鹽分、含油量都高,所以會(huì)給生活環(huán)境帶來危害,中國城市餐廚垃圾處理鏈也因此承受重大壓力[4]。

        餐廚垃圾的常見處理方法有焚燒、填埋、粉碎直排、蚯蚓堆肥、好氧堆肥、厭氧堆肥等。這些處理方法有的對(duì)環(huán)境污染較大,有的效益不高。而餐廚垃圾屬于高能量、有機(jī)物豐富的物質(zhì),可以作為生產(chǎn)飼料,尤其蛋白飼料的優(yōu)良原料。相比而言,餐廚垃圾處理轉(zhuǎn)化成蛋白飼料具有環(huán)保、效益高的優(yōu)勢(shì)。其中固態(tài)發(fā)酵是餐廚垃圾處理的常用方法,具有底物價(jià)格低廉,技術(shù)要求低、耗能低,產(chǎn)率高,基質(zhì)水含量低、減少廢水處理負(fù)擔(dān);加工簡(jiǎn)單、無菌操作要求低,不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體、低風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。為此,本研究擬從幾種食用酵母菌和霉菌中篩選出餐廚垃圾發(fā)酵效率高、蛋白轉(zhuǎn)化率高的發(fā)酵菌種,篩選出最適菌種后再對(duì)其發(fā)酵條件進(jìn)行探索優(yōu)化,以期提高其對(duì)餐廚垃圾的蛋白發(fā)酵轉(zhuǎn)化率,并以此為基礎(chǔ)對(duì)餐廚垃圾的綜合利用途徑進(jìn)行相關(guān)的探索。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        1.1.1 原料 餐廚垃圾,來自武漢東湖學(xué)院學(xué)生食堂。

        1.1.2 菌種 漢遜德巴利酵母(F1)、釀酒酵母(F2)、黑曲霉(F3)、米曲霉(F4),均為武漢東湖學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院保存。

        1.1.3 培養(yǎng)基 霉菌液體種子培養(yǎng)基:K2HPO40.1 g,可溶性淀粉 3 g,(NH4)2SO40.5 g,去離子水定容至100 mL,調(diào)pH至6.4。酵母菌液體種子培養(yǎng)基:MgSO40.05 g,葡萄糖5.0 g,黃豆芽汁5.0 g,去離子水定容至100 mL,調(diào)pH至6.4。察氏瓊脂培養(yǎng)基:蔗糖30 g,F(xiàn)eSO40.01 g,KCl 0.5 g,瓊脂粉15g,去離子水定容至1 000 mL。麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基:3 g瓊脂粉,麥芽汁定容至150 mL,調(diào)pH至6.4。發(fā)酵固體培養(yǎng)基:將餐廚垃圾過濾后取其濾渣,50℃烘干研磨成粉末,每份20 g裝入250 mL三角瓶中,加入(NH4)2SO40.4 g,尿素0.4 g,121℃高壓滅菌下20 min。

        1.1.4 試劑 K2HPO4、(NH4)2SO4、MgSO4、葡萄糖、蔗糖、尿素、淀粉、石油醚、硼酸、丙酮、正己烷、硫氰酸、硫酸鐵銨、亞鐵氰化鉀、乙酸鋅、冰乙酸,以上試劑均為分析純。

        1.1.5 儀器 研磨粉碎機(jī)、自動(dòng)索氏抽提裝置、恒溫箱、微生物培養(yǎng)箱、真空干燥箱、馬弗爐。

        1.2 方法

        1.2.1 餐廚垃圾(原料)各成分的檢測(cè) 取適量新鮮的餐廚垃圾過濾,將濾渣在50℃下烘干并碾碎成粉末,再取餐廚垃圾粉末按二硝基水楊酸(DNS)法及各自的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定其總糖、還原糖、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分和氯化物的含量[8-11]。

        1.2.2 各菌種的接種及發(fā)酵 菌種28℃活化12 h,活化后接種于液體種子培養(yǎng)基中,200 r/min搖床培養(yǎng)2 d。完成后取培養(yǎng)好的種子液20 mL。種子液、發(fā)酵培養(yǎng)基、水按1∶1∶3體積比接種,攪拌均勻,28℃下發(fā)酵7 d。

        1.2.3 最優(yōu)菌種發(fā)酵餐廚垃圾 制作好總糖殘?zhí)锹逝c還原糖殘?zhí)锹实拇x曲線后,根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比選取最優(yōu)的菌種。在篩選出最適菌種后,發(fā)酵培養(yǎng)基根據(jù)發(fā)酵條件優(yōu)化的試驗(yàn)要求,相應(yīng)地調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的NaCl含量及初始pH。取篩選出的最適菌種的培養(yǎng)液15 mL,按1∶1的體積比接種經(jīng)過處理的餐廚垃圾,發(fā)酵5 d,發(fā)酵完后再測(cè)定其各營(yíng)養(yǎng)成分的含量,測(cè)定的方法及標(biāo)準(zhǔn)同上。

        圖1 總糖代謝曲線

        圖2 還原糖代謝曲線

        2 結(jié)果與分析

        2.1 固態(tài)發(fā)酵處理餐廚垃圾菌種的篩選

        菌種F1、F2、F3、F4固態(tài)發(fā)酵后每36 h測(cè)量一次各發(fā)酵物的總糖含量和還原糖含量(DNS法)。原餐廚垃圾含糖量為m0,固態(tài)發(fā)酵后產(chǎn)物含糖量為m1,以m1占m0百分比為發(fā)酵后殘?zhí)锹?。各菌株發(fā)酵總糖和還原糖代謝曲線見圖1和圖2。由圖1可知,4種菌種0~72 h內(nèi)總糖殘?zhí)橇砍噬仙厔?shì),72 h左右開始發(fā)酵總糖。菌種F3、F4在總糖代謝上效率高于F1、F2;而F3從72 h后比F4總糖代謝更快。菌種表現(xiàn)為F3≥F4>F2≥F1。由圖2可知,F(xiàn)3、F4在0~72 h還原糖含量先呈上升趨勢(shì),分析原因是霉菌通過分泌淀粉酶將淀粉分解為還原糖,同時(shí)消耗還原糖以合成自身細(xì)胞物質(zhì)及維持能量需要。這兩種因素作用的結(jié)果是開始時(shí)體系中還原糖量增加,隨著霉菌細(xì)胞增殖較多時(shí)還原糖消耗變大后含量下降。通過菌種對(duì)總糖及還原糖的代謝消耗的考察,可評(píng)價(jià)固態(tài)發(fā)酵的效果或發(fā)酵特性,綜上,4種菌種對(duì)餐廚垃圾的發(fā)酵效果的順序?yàn)镕3≥F4>F2>F1。

        菌種F1、F2、F3、F4固態(tài)發(fā)酵48 h后測(cè)定各發(fā)酵物中粗蛋白質(zhì)含量,結(jié)果見圖3。從圖3可以看出,相同條件下,黑曲霉F3發(fā)酵培養(yǎng)物中粗蛋白質(zhì)含量達(dá)31.53%,相比其他3個(gè)菌株,黑曲霉F3對(duì)于未發(fā)酵餐廚垃圾中粗蛋白質(zhì)含量的增幅最大,結(jié)合菌種對(duì)糖的利用率,據(jù)此在4個(gè)菌種中選擇黑曲霉F3作為單一菌種發(fā)酵的最佳菌種。通過篩選確定發(fā)酵菌種后,以黑曲霉為對(duì)象,研究其發(fā)酵的最佳工藝條件。

        圖3 不同菌種的發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)含量

        2.2 黑曲霉固態(tài)發(fā)酵中溫度的影響

        黑曲霉F3接種后分別在26、28、30、32、34 ℃下固態(tài)發(fā)酵48 h,測(cè)定各發(fā)酵物中粗蛋白質(zhì)的含量,由圖4可以看出,一開始隨著溫度的升高,發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)含量隨之升高,在30℃時(shí)達(dá)到最大值31.53%,但溫度繼續(xù)升高,粗蛋白質(zhì)含量反而下降,估計(jì)是高溫抑制了微生物的生長(zhǎng)。由此確定固體發(fā)酵的最佳溫度為30℃。

        圖4 不同溫度下發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)含量

        2.3 黑曲霉固態(tài)發(fā)酵中pH的影響

        微生物生長(zhǎng)需要適宜的pH范圍,圖5顯示在不同的初始pH條件下黑曲霉發(fā)酵后測(cè)定的總糖殘?zhí)锹剩贸鼋Y(jié)論是在pH 5.3左右發(fā)酵情況最理想。

        圖5 黑曲霉固態(tài)發(fā)酵中pH的影響

        2.4 黑曲霉固態(tài)發(fā)酵中鹽含量的影響

        餐廚垃圾中常含含量不等的食鹽,微生物的生長(zhǎng)要求一定的滲透壓,超過范圍及驟然改變很可能影響微生物生長(zhǎng)直至導(dǎo)致死亡。因此在餐廚垃圾處理后設(shè)計(jì)一組試驗(yàn),即添加不同濃度的NaCl,黑曲霉發(fā)酵后測(cè)定其總糖殘?zhí)锹?,結(jié)果見圖6。從圖6可以看出,在原有含鹽量的基礎(chǔ)上加入2.5%的NaCl,發(fā)酵后糖利用率高,效果好。

        圖6 黑曲霉固態(tài)發(fā)酵中鹽含量的影響

        2.5 發(fā)酵產(chǎn)物與原料各營(yíng)養(yǎng)成分的比較

        在篩選出最佳菌種并確定最佳工藝條件后,測(cè)定了固態(tài)發(fā)酵前后餐廚原料和發(fā)酵產(chǎn)物中主要化學(xué)及營(yíng)養(yǎng)成分的含量,所得數(shù)據(jù)見表1。由表1可知,餐廚垃圾經(jīng)黑曲霉F3固態(tài)發(fā)酵處理后,總糖含量從20.35%降到了5.11%,而粗蛋白質(zhì)含量提高了5.72個(gè)百分點(diǎn),達(dá)31.53%,提高了其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,其主要成分含量達(dá)到了蛋白質(zhì)飼料的標(biāo)準(zhǔn)。

        表1 原料和產(chǎn)物主要化學(xué)及營(yíng)養(yǎng)成分

        3 小結(jié)

        餐廚垃圾中蛋白質(zhì)與糖類物質(zhì)含量豐富,通過發(fā)酵消耗糖獲得的能量可用來合成菌體蛋白質(zhì)以提高發(fā)酵產(chǎn)物中蛋白質(zhì)含量,固態(tài)發(fā)酵時(shí)還可適量補(bǔ)充尿素等氮源來提高產(chǎn)物中蛋白質(zhì)的濃度,可見餐廚垃圾是發(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料的理想原料。相比其他飼料,蛋白質(zhì)飼料價(jià)格昂貴,效益更高,因此以餐廚垃圾為原料發(fā)酵轉(zhuǎn)化成蛋白質(zhì)飼料,實(shí)現(xiàn)變廢為寶,是綜合利用餐廚垃圾的理想途徑。本研究以處理過的餐廚垃圾固體成分為原料,以4種食用酵母菌和霉菌為備選菌種,通過這些菌種發(fā)酵中總糖及還原糖的代謝消耗情況及對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物中粗蛋白質(zhì)含量的檢測(cè),從中篩選出轉(zhuǎn)化率最高的菌種,即黑曲霉F3為最佳菌種。在進(jìn)一步的研究工作中可考慮應(yīng)用雙菌混合發(fā)酵來提高蛋白質(zhì)含量與發(fā)酵能力,考慮到霉菌可分解淀粉、纖維素等多糖為還原糖,而酵母菌可快速利用還原糖,反過來刺激霉菌分解多糖而加強(qiáng)發(fā)酵,因此選擇一株酵母菌,和黑曲霉F3兩兩配合,有望實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)酵效果[12]。

        以篩選出的黑曲霉F3為發(fā)酵菌種,通過試驗(yàn)確定了最佳工藝條件:發(fā)酵溫度30℃,初始pH 5.3,NaCl添加2.5%。此條件下發(fā)酵餐廚垃圾,所得產(chǎn)物粗蛋白質(zhì)含量為31.53%,比原料提高了5.72個(gè)百分點(diǎn),總糖量從20.35%降到了5.11%,發(fā)酵產(chǎn)物有酒香味,無霉味。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可鼓風(fēng)或攪拌來提高生產(chǎn)效率。而餐廚垃圾進(jìn)行處理后用微生物發(fā)酵的過程,也是防霉和抑制有害菌生長(zhǎng)的過程。綜上,固態(tài)發(fā)酵處理餐廚垃圾,通過優(yōu)選菌種和優(yōu)化工藝,能提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,尤其是蛋白質(zhì)的含量,且防霉安全,是一種比較好的處理餐廚垃圾和制備蛋白質(zhì)飼料的途徑。

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