環保酵素的發酵過程研究

蔡毅飛+唐敏

摘 要：將大量蔬果垃圾制作成環保酵素是固體廢棄物資源化的有效途徑。通過對環保酵素發酵過程中的pH值、電導率和還原糖含量的監測，發現三者在發酵結束時幾乎數據同時趨于穩定，因此這3個參數都可作為判斷發酵進程結束的重要參考依據。pH值和電導率具有測量方便的優點，且最終pH值是判斷發酵是否成功的標準之一。通過不同溫度條件下制作環保酵素試驗，得出中溫條件更加有利于蔬果垃圾的水解酸化，環保酵素的溶解固體含量最低，電導率最大。

關鍵詞：蔬果垃圾 環保酵素 pH 電導率 還原糖

中圖分類號：N34 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（b）-0230-02

蔬果垃圾在城市垃圾中占有較大的比重，如果將其簡單按照一般生活垃圾的處理方式進行處置，不僅成本高昂，從某種程度上也是一種資源的浪費。如何利用蔬果垃圾是當前研究的熱點之一。泰國有機農業協會的創始人樂素昆·普潘翁博士提出采用發酵技術，將蔬果垃圾制作成環保酵素。研究表明，酵素具有對超氧陰離子自由基、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，還可用于農業肥料和土壤改良、環境污染治理等方面。研究環保酵素的發酵過程，對實現蔬果垃圾資源化具有重要的意義。

1 環保酵素制作方法

制作環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個月后無氣體放出，置于陰涼處保存發酵3個月即可。

2 發酵過程監測

2.1 pH值

酸化過程是蔬果垃圾厭氧發酵的重要步驟，一般認為，pH直接通過影響酸化細菌細胞膜電荷的變化，進而影響細菌對營養物質的吸收代謝過程中的相關酶的活性，改變生長環境中營養物質的吸收[1]。實驗在室內環境中進行，采用雷磁pHS-3C型電導率儀對發酵過程中pH值的變化進行監測。

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

2.2 還原糖

發酵原料中的紅糖為發酵提供了所需的營養物質，通過監測發酵體系中總糖或還原糖的含量，及時準確的了解發酵過程中其消耗情況對掌握發酵進程至關重要，也是目前廣泛采用的方法。測定發酵液糖含量一般有高錳酸鉀滴定、費林試劑和3，5-二硝基水楊酸比色法等，但都比較繁瑣，數據準確性不高。考慮發酵液底色深不易觀察顏色變化的問題，采用費林試劑返滴定法[4]測定發酵液中還原糖含量。初始還原糖含量為14.8 g/L，發酵第6 d還原糖含量達到15.9 g/L，隨后還原糖含量呈下降趨勢，直至約72 d后趨于穩定。分析原因，發酵初始階段為厭氧水解酸化階段，底物中多糖類物質經水解生成單糖及其它小分子化合物，發酵系統含糖量達到最大值。隨著發酵的繼續進行，還原糖作為營養物質逐漸被微生物菌消耗，直至發酵基本完成。

2.3 電導率

在發酵過程中，還原糖殘余量一直被作為發酵過程是否結束的重要參考指標，但其檢測過程較為繁瑣。通過對發酵液電導率的監測，建立發酵液電導率與還原糖含量關系模型。發酵系統初始電導率為6.34 ms/cm，伴隨著發酵進行，電導率不斷下降，發酵48天后電導率又逐漸上升直至平穩。發酵初期，產生的乙醇在發酵體系中所占體積分數不斷增加，而乙醇屬于非電解質，造成電導率下降的趨勢[5]。到達發酵中后期，發酵原料蔬果垃圾中的礦物質釋放到系統中，導致電導率回升。

在發酵72 d時，電導率和還原糖含量的變化速度都趨緩，84 d左右同時達到基本穩定。可以看出，發酵系統pH值、還原糖含量和電導率隨著發酵過程的進行，幾乎在同時趨于穩定，可以作為判斷環保酵素發酵過程結束的評判參考依據。

3 溫度對發酵過程的影響研究

溫度是發酵工藝最重要的參數之一，能夠影響酶的活性，進而對微生物的生長和基質的代謝產生影響。目前針對溫度與環保酵素發酵過程關系的研究少有報道，對于蔬果垃圾制作環保酵素的工業化發展，選擇合適的溫度是非常必要的。

一般根據溫度的不同，可將發酵工藝分為常溫發酵、中溫發酵和高溫發酵三大類。該實驗按照配比制作三份環保酵素，分別置于20℃、30℃和50℃的恒溫培養箱中。發酵過程中對三份樣品的pH值、電導率和還原糖含量進行連續監測。從pH值變化可以看出，20℃和30℃時的水解酸化率最大。30℃條件下生成的環保酵素電導率稍高。進一步對三種環保酵素的總固體含量（TS）進行測定，20℃環保酵素TS含量為46%，30℃環保酵素TS含量為21%，50℃環保酵素TS含量為33%。因此，中溫30℃條件更有利于蔬果垃圾的轉化和環保酵素的生成。

4 結論

（1）環保酵素制作發酵過程中，發酵系統pH值、電導率和還原糖含量三個數值在發酵結束時同時開始趨于穩定，因此pH值和電導率的變化也作為判斷發酵進程是否結束的參考依據。pH值和電導率相對還原糖含量測定具有準確度高，快速便捷的特點，同時可通過測定環保酵素最終pH值判斷發酵是否成功。

（2）pH值在水解酸化階段急劇下降，不同pH值范圍對應不同產物發酵區域，可通過調節系統pH控制酸化進程，使產生具有針對性用途的環保酵素。

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

參考文獻

[1] Horiuchii J I， Shimizu T， Tada K， et al. Selective production of organic acids in anaerobic acid reactor by pH control[J].Bio resource Technology，2002，82（3）：209-213.

[2] 鄭明月，鄭明霞，王凱軍，等.溫度、pH和負荷對果蔬垃圾厭氧酸化途徑的影響[J].可再生能源，2012，30（4）：75-79.

[3] 周新萍，付小全，陳桂蘭.利用餐廚垃圾制作植物酵素及其活性成分分析[J].東莞理工學院學報，2014，21（5）：93-96.

[4] 黃彬紅.返滴定法測定赤砂糖還原糖[J].福建輕紡，2014（5）：46-50.

[5] 李沖偉，宋福強，宋永，等.酒精發酵過程中電導率變化趨勢解析[J].食品科學，2015，36（21）：105-110.