植物餅渣液體有機肥生產關鍵技術研究進展

王本明，姜官恒，郎文培，楊紅光，王麗杰，于海濤

（濰坊農科院/濰坊市基質無土有機栽培重點實驗室，山東濰坊261061）

植物餅渣液體有機肥生產關鍵技術研究進展

王本明，姜官恒，郎文培，楊紅光，王麗杰，于海濤

（濰坊農科院/濰坊市基質無土有機栽培重點實驗室，山東濰坊261061）

以植物餅渣為主要原料，運用生物技術和物理化學方法相應設計了生產液體有機肥完整的工藝流程。筆者主要介紹了目標營養元素的確定、水解條件的優化、蛋白酶產生菌種的培育以及大量營養元素強化等技術，針對各種控制方法，闡述了其原理、應用條件及研究進展情況，提出了低成本規模化制作植物液體有機肥的新思路，為有機肥料的資源化利用提供了參考。

植物餅渣；液體有機肥；水解條件；蛋白酶產生菌

0 引言

液體有機肥是指液態化的有機肥料。真正意義上的液體有機肥不含任何化學合成成分，養分來源于動植物體或天然礦物，生產加工使用生物技術和物理方法，主要用于有機農產品生產的中后期追肥[1]。

目前商品液體有機肥種類極少，生產原料主要是深海魚類，少數是動物加工下腳料，氮素成分主要是蛋白類物質或銨態氮、硝態氮，成本較高[2]。用化學方法提取有機成分配制或添加化學肥料發酵加工的有機肥料都不是真正意義上的液體有機肥料，不能用于有機農產品生產[3]。植物油料餅渣（以下簡稱植物餅渣）作為肥料使用主要用于固態有機肥料生產，用于液體肥料生產鮮見報道。植物餅渣是優質的肥料原料，不僅NPK及中微量元素含量豐富，結構更符合作物要求，而且資源豐富、可持續，原料成本更低[4]。筆者結合開展的研究就使用植物餅渣生產液體有機肥要重點解決4個方面的技術問題和一個工藝設計問題做如下討論。

1 氮素營養目標成分的確定與控制方法

1.1 氮素營養目標成分的確定

植物餅渣是以氮素養分為主的原料，在蛋白質、銨態氮、硝態氮之間選擇哪種氮素形態作為氮素目標營養成分，不僅涉及生產的工藝，而且對作物的吸收利用至關重要[5]。目前市場魚類液體有機肥產品主要以蛋白質態為主，畜禽加工下腳料類產品則以銨硝態氮成分為主[6]。比較多肽、氨基酸、銨硝態氮的成分特性和植物對氮素吸收利用的特點，權衡對植物餅渣進行生物加工處理的成本因素，以氨基酸為氮素主要目標成分最為合適，其中保留適量的多肽類和銨硝態氮素成分，形成中、短、速效結合，以短速效為主的成分結構，既能快速滿足作物的氮素需求，又不會因大量施入肥料對作物造成傷害。

1.2 生物技術控制法

為滿足有機農產品生產的要求，應用生物技術的加工方法是最好的途徑。通過對植物餅渣中蛋白質進行水解，將蛋白質態有機氮轉化為水溶性的有機氮和速效氮。作為肥料產品蛋白質水解不宜用酶解，鑒于植物餅渣蛋白質、油脂、纖維素含量較高，發酵菌種宜選用富含地衣芽孢桿菌、酵母菌、枯草芽孢桿菌的混菌[7]。試驗發現，用禽類、犬類腸胃消化液半厭氧定向誘導培養的發酵菌效果較好。

1.3 腐熟度的控制法

腐熟度影響著發酵的進程和底物有效成分的轉化比率，同時決定了營養成分的結構。相同條件下影響腐熟度的主要是發酵時間。判斷腐熟度的標準有外觀法、化學參數法、生物學參數法、光譜法等，實踐中應以種子發芽指數為標準，比較各種方法的對應關系，形成時間控制腐熟度的數量指標。

1.4 發酵條件控制

植物餅渣的發酵主要是蛋白質的發酵，脂肪類、纖維木質素類自然進行。控制發酵條件主要是激發蛋白酶產生菌和蛋白酶的活性，促進蛋白質的水解進程。影響蛋白質水解的因素主要是溫度、氧飽和度、酸堿度、固含量。研究表明，動物菌源半厭氧發酵，溫度以40～50℃，攪拌后底物氧飽和度10%～20%，初始酸堿度pH 7～8，固含率20%～40%轉化效率最高[8]。

1.5 輔料使用控制

試驗表明，在粘性較大的餅渣中添加稻殼、珍珠巖等可有效提高底物氧含量，減少臭氣的產生。適量添加淀粉等碳水化合物可有效加快蛋白質水解進程。及時進行固液分離，補充新的發酵材料和水分，可減少游離銨態氮和硝態氮的含量。調整發酵產物的成分可通過調整發酵底物的構成實現。

2 蛋白酶產生菌種的選育使用

2.1 菌源的選擇

產生蛋白酶的菌種較多，但主要的是地衣芽孢桿菌和酵母菌。試驗發現，動物胃腸中此類菌種含量較多且種類豐富，尤其是生長期較長的動物更佳[9]。考慮其他成分發酵菌的要求、每種動物的消化能力以及肥料對溫度的要求，以動物體溫40℃以上的禽類和犬類腸胃消化液作為菌源更為合適。

2.2 菌種的馴化

菌種都有專一性的特點，不同的發酵底物和發酵條件要求不同的混菌結構。為提高菌種的適應性和優勢必須對菌種進行馴化培養。馴化的目標因素主要是底物，其次是發酵條件[10]。馴化過程可分階段逐步完成，在此基礎上逐漸擴大接種菌量。

2.3 菌種的比較

不同的菌源具有不同的菌種組成及數量結構，對不同的發酵底物具有明顯的嗜好差異[11]。對于生產使用的具體原料要進行菌種適應性比較和良種篩選。菌種優劣通過其在一定條件下的蛋白質水解轉化效率來判斷，設定時間的蛋白質水解度是衡量指標。

2.4 菌種的培育使用

優勢菌種和發酵條件確定后，還要對菌種材料進行進一步的培育擴繁，以進一步提高菌種的適應性和優勢菌種數量上的優勢。培育方法采取馴化培養的方式，從發酵底物和發酵條件兩個方面開展誘導馴化[12]。在此基礎上逐步對菌種擴大繁殖，直至達到生產需要的用菌量。

2.5 菌種的保持利用

生產加工的過程也是強化優勢菌種的過程。液體肥的生產過程不需對底物菌種滅活，保持利用菌種非常重要。可利用每次加工分離的固體物作為菌種保持材料，按照消化效率每次只添加等量的新的原料材料，保證每次發酵過程都有較高的優勢菌種基數。

3 發酵條件的優化與調整

3.1 pH值

不同菌源的菌種對pH值的要求略有差異，需要開展實驗室檢驗。試驗發現，整個發酵過程呈現酸化趨勢，起始pH值偏堿性更有利于發酵效率的提高[13]。研究證明，起始在pH 8～9之間，終點在pH 7左右時，對發酵最有利。植物原料起始pH值整體呈酸性，pH值的調整是調堿。可與添加材料的使用結合起來，尤其是堿性高鉀材料的使用，如草木灰、窯灰的利用。

3.2 溫度

溫度對菌種的活性和菌種的選擇影響最大，因而也是影響發酵效率和產物成分的主要因素[14]。蛋白酶產生菌的最適溫度大多在50℃左右；脂肪、淀粉、糖類分解酶產生菌的適宜溫度偏低，在35～40℃；纖維、木質素類則偏高，在55～60℃。兼顧各菌種活性，馴化及發酵加工的溫度控制在40～50℃之間為宜[15]。液體有機肥生產加工溫度的保持主要靠外來能源。

3.3 含水率

底物含水率同時反映著底物固含量，是影響發酵效率和產物濃度水平的重要指標。植物餅渣類原料膠類物質含量較高，含水率過高會阻礙氧在底物中的傳導。不同原料適應的含水率水平不盡相同，細粉、粘稠類餅渣適宜含水率偏低，顆粒、散狀類適宜含水率偏高，具體指標可通過試驗確定。但為保持產物較高的養分含量水平，生產中一般控制在60%～80%。

3.4 供氧量

供氧水平決定了發酵的方式和原料的降解過程，作為以肥料為產物的發酵，采取轉化率更高的半厭氧發酵更為合適，間歇式的供氧方式，保持底物氧含量8%～15%的水平[16]。粘稠度大的餅渣要在底物中添加適量分散性材料，并通過攪拌以提高底物各部分氧含量的均衡性。

3.5 C/N、C/P

碳是微生物的唯一能源，適當的C/N、C/P有利于保持菌種的活性。一般認為：有機物C/N在10左右，有機物被微生物分解速度最大。植物餅渣C/N、C/P一般都較低，為提高發酵效率可補充適量的高碳物質[17]。補碳可與改進透氣性結合實施，如添加適量的稻殼、谷糠、麩皮等[18]。

4 養分含量的提升與營養結構調整

4.1 營養結構設計

液體有機肥一般作為追肥使用（含根際追肥和根外追肥），對應作物中后期生理特點和營養規律，理想的營養結構是高鉀中氮或高鉀高氮，因作物補充一定量的中微量元素。同時提供一定數量具有促根護根、增強抗性的腐殖酸等功能性營養物質。

4.2 原料結構調整法

提高和改善有機液體肥的營養結構，主要是靠調整原料的構成實現。一般情況下，高氮餅渣加工的液體有機肥含氮量較高，磷鉀亦然。因此，生產高氮液體有機肥宜使用大豆餅、花生餅等，生產高磷液體有機肥宜使用菜籽餅、蓖麻餅、芝麻餅等。

4.3 重復、疊加法

重復發酵法是將發酵提取液再次進入發酵過程以強化液體養分濃度的方法。如將上輪發酵分離液體代替部分水分再次進入發酵過程，或將沼液等其他發酵液代替水分進入發酵過程。疊加法是將不同肥料加工工藝重復使用的方法。如將浸提的草木灰上清液替代水分進入發酵過程的方法。

4.4 添加法

受餅渣天然特點的影響，鉀素成分含量整體偏低，大幅提高液體有機肥鉀的含量只能通過添加的方法。草木灰是最好的鉀素添加原料。酸堿度等功能性調整也主要是通過添加的辦法解決。為降低成本和質量安全風險，添加材料不宜過多，提倡一料多用。如鈣鎂磷肥、石灰氮、草木灰等，既是堿性調理劑，又是肥料提升劑，石灰氮還兼具菌種滅活的功能[19]。

5 生產工藝流程的設計

5.1 發酵設備的選用

液體有機肥的加工發酵設備是核心。目前有液體發酵和固體發酵兩種設備。考慮餅渣的特點和商品肥料較高養分含量的要求，選用固體發酵設備采取固體發酵工藝較為合適。設備要具備自動攪拌和溫控能力，一般應兼具在位滅菌、酸堿調節、水分調節、供氧（氣）等功能[20]。

5.2 原料的預處理

包括原材料的搜集篩選、物理去雜、干料浸泡、組配填裝、滅菌消毒等。原料選擇以當地符合有機液體肥生產要求的大宗餅渣資源為主，根據目標產品定位進行原料結構的搭配。除一般性去雜、浸泡、組配外，對生料餅渣還要結合滅菌進行蒸煮處理。對細粘餅渣還要添加一定比例的粗料，以提高底物的透氣性。

5.3 餅渣發酵

包括添加菌種、啟動發酵、條件控制、適時出料等。將足量的菌種加入降溫后的發酵底物，啟動攪拌、溫度控制等程序發酵即開始。受發酵底物C/N的限制，溫度需要借助外能。發酵過程在自動控制下進行，各項指標按照試驗結果設置，酸堿度等調整材料要符合有機農產品生產的要求，達到腐熟指標后及時出料轉入下一流程。

5.4 后續加工

包括固液分離、指標調整、研磨攪拌、精細加工等。固液分離要兼顧填充物的再利用和菌種的保護利用，應采取離心分離的方式。養分、理化指標的調整以底物、發酵過程調整為主，后續只根據目標肥料指標、功能、性能要求做微調矯正。研磨攪拌是將各種添加物通過膠體磨作均質處理，同時將固形物粒徑研磨至一定粒徑之下。精細加工可進一步改善肥料性能，形成諸如葉面肥、特定植物專用肥等。

6 結論與討論

以植物油料餅渣為主要原料，運用生物技術與物理化學方法相結合的方式設計制作了液體有機肥生產的完整工藝流程。生產制作的核心技術是蛋白質水解技術，涉及了一系列氮素營養目標成分的確定與控制方法、水解條件的優化，蛋白酶產生菌種的培育以及大量營養元素強化等技術，研究了液體有機肥發酵參數（如溫度、酸堿度）的交互效應及最佳組合，優化了液體有機肥生產工藝，提高肥料質量，減少生產成本。

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Key Production Technology of Liquid Organic Fertilizer from Vegetable Oil Residue:Research Progress

Wang Benming,Jiang Guanheng,Lang Wenpei,Yang Hongguang,Wang Lijie,Yu Haitao
(Weifang Academy of Agricultural Sciences/Weifang laboratory of Soilless Cultivation Substrates,Weifang 261061,Shandong,China)

Based on vegetable oil residue,the whole process of producing liquid organic fertilizer was designed by using biotechnology and physical-chemistry method.The research mainly introduced some technologies,including the determination of the target nutrient elements,the optimization of the hydrolysis conditions,the cultivation of the protease strains and the enhancement of the nutrient elements etc.The paper also expounded the principles,application conditions and research progress of the control methods,and proposed a new way which was low-cost for large-scale production of liquid organic fertilizer.The results can provide references for the resource utilization of organic manure.

Vegetable Oil Residue;Liquid Organic Fertilizer;Hydrolysis Condition;Proteinase Strain

S-1

A論文編號：casb17070016

濰坊市2016年科學技術發展計劃項目“蕓豆無土有機高效栽培技術研究與應用”(2016ZJ1114)，“餅渣氨肽液體有機肥加工技術研究與應用”(2016ZJ1112)；山東省2017年度農業重大應用技術創新項目“菇渣爐渣基質化利用研究與工廠化加工應用”（山東省財政支持）。

王本明，男，1962年出生，山東日照人，研究員，碩士，主要從事基質無土有機栽培研究。通信地址：261061山東省濰坊市勝利東街1921號 濰坊市農業科學院，Tel：0536-2118578，E-mail：wfnkwbm@qq.com。

王麗杰，女，1991年出生，山東濱州人，實習研究員，碩士，主要從事土壤生態研究。通信地址：261061山東省濰坊市勝利東街1921號濰坊市農業科學院，Tel：0536-2118570，E-mail：270960753@qq.com。

2017-07-14，

2017-10-12。