公共餐廚垃圾飼料化利用的混合菌發酵工藝

黃林麗，謝斌，陳立，楊丁瑋，蒲一濤，何慶華

(深圳大學 化學與環境工程學院 食品科學與工程系，廣東 深圳，518071)

隨著北京、天津、上海等46個城市生活垃圾分類工作的推進，實現生活垃圾的減量化、資源化和無害化處理已經是城鎮化過程必須面對和解決的難題。餐廚垃圾是城市生活垃圾的重要組成部分，是指家庭、學校、機關、公共食堂以及餐飲行業的食物廢料、餐飲剩余物、食品加工廢料及不可再食用的動植物油脂和各類油水混合物[1]。公共餐廚垃圾則主要是指食堂、餐館、酒店等公共餐飲場所產生的餐廚垃圾，可以集中收集和處理，具有較高的資源化利用價值[2]。隨著我國餐飲服務行業的蓬勃發展，餐廚垃圾的排放量也在不斷增加。在我國的北京、上海和廣州等地，餐廚垃圾的日產生量高達千噸[3]，由此帶來的社會問題和環境問題也日益突出，所以如何簡單高效地處理餐廚垃圾是當前需要迫切解決的問題。

目前，我國餐廚垃圾的處理技術主要有衛生填埋、焚燒、好氧堆肥、厭氧消化、好氧生物處理和飼料化處理。公共餐廚垃圾的含水量高、易腐爛的特點會促使垃圾在填埋的處理過程產生大量的滲瀝液污染地下水及土壤，也會使得焚燒處理成本增加，另外焚燒易產生有害氣體，對環境造成二次污染[4]。公共餐廚垃圾高油脂、高鹽分的特性不利于堆肥過程，易導致土壤鹽堿化[5]。厭氧消化處理制備沼氣的缺點是工程總投資較大，工藝較復雜，反應器內生物啟動時間較長，微生物對環境條件較為敏感，處理難度大[6]。好氧生物處理技術主要借助生化處理設備對餐廚垃圾中的有機物進行降解，該處理技術的優點是時間短，自動化程度高，但是單臺設備的處理能力有限并且機器投入資金較大[7]。飼料化處理則不僅可以有效實現餐廚垃圾的減量化，而且產生的飼料可以減少人畜爭糧的矛盾，具有良好的應用前景[8]。飼料化處理主要采用物理法和生物法。物理法是指脫水后高溫消毒制飼料；生物法采用微生物發酵技術制飼料，原理是將培養出的菌種加入餐廚垃圾密封貯藏，菌種進行繁殖并殺除病原菌制成飼料[9]。利用微生物在飼料原料中的生長繁殖和新陳代謝，積累有用的菌體、酶和中間代謝產物來生產加工和調制微生物飼料的微生物發酵技術，在調制和生產飼料中具有物理、化學方法不可替代的優越性[10]。

本研究對公共餐廚垃圾厭氧發酵工藝進行了研究，在模擬實際生產條件下，以發酵數天后的餐廚垃圾作為混合菌菌種，探討了4種發酵方式發酵后公共餐廚垃圾發酵過程中pH值、有害微生物、乳酸、水分含量和營養成分的變化。通過分析發酵貯藏過程中乳酸，淀粉、脂肪和蛋白質等成分的變化為實際生產生活公共餐廚垃圾的飼料化利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料

實驗用餐廚垃圾，為深圳大學食堂午餐時收集的新鮮垃圾。泡菜水，購于深圳市西麗田寮菜市場。石油醚、石英砂、HCl、HaOH、乙酸鉛、硫酸鈉、無水乙醇、甲基紅、D-無水葡萄糖、鄰苯二甲酸氫鉀、磷酸二氫鉀、乙二胺四乙酸二鈉、CaCO3、鈣黃素、茜素、亞鐵氰化鉀、酒石酸鉀鈉和NaCl,阿拉丁公司。

1.1.2 儀器與設備

發酵袋(50×90)mm，南華千牧有限公司；PFS-400塑料薄膜封口機，浙江江南實業有限公司；HWS-250恒溫恒濕箱，上海精宏實驗設備有限公司；HVE-50高壓滅菌鍋，北京宏昌信科技有限公司；FB100馬弗爐，德國愛安姆科技有限公司；DHG-9076A電熱鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；SOX500脂肪測定儀和K9840自動凱氏定氮儀，濟南海能儀器股份有限公司；SQL-6粗纖維測定儀，上海纖檢儀器有限公司；BT206金黃色葡萄球菌測試片、BS205沙門氏菌測試片和BM207霉菌酵母菌測試片，廣州綠洲生化科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 分組設計及樣品處理

收集深圳大學食堂的餐廚垃圾，濾去餐廚垃圾中的水分后，在實驗室對樣品進行預處理，將原料中的塑料袋、骨頭和其他難以粉碎的物質剔除，然后粉碎餐廚垃圾并攪拌均勻。隨機選擇3種泡菜水并等比例混合后作為原始混合菌發酵菌種。發酵工藝流程如下。

發酵工藝分為2個階段，第一階段制備菌種，分為2個處理，發酵7 d。第1個處理調節餐廚垃圾pH≤4.2，即調酸組。第2個處理添加10%泡菜水，即泡菜水組。第二階段為發酵處理，分別以第一階段的發酵產物作為菌種，按照10%比例添加到未滅菌處理和滅菌處理的餐廚垃圾樣品中，發酵14 d。即得到4個處理組：(A)調酸+未滅菌，(B)調酸+滅菌，(C)泡菜水+未滅菌，(D)泡菜水+滅菌，每個處理3個重復。為了更加貼近實際生產情況，收集的新鮮餐廚垃圾，控制溫度在28℃下放置24 h后進行后續操作，制備菌種階段和發酵處理階段溫度也控制在28 ℃。

1.2.2 水分含量的測定

采用直接干燥法(GB 5009.3—2010)[11]測定公共餐廚垃圾的水分含量。

1.2.3 pH值的測定

用玻璃棒將待測樣品攪拌均勻后，采用Sartorius PP-20型pH計，測定樣品中央的pH值，重復測定3次取平均值。

1.2.4 微生物數量的測定

采用測試片測定微生物的菌落數。即取發酵樣品10.0 g，與90.0 mL滅菌的生理鹽水混合后，調節溶液pH值至6.6～7.2，即得稀釋度為10-1的樣品溶液，并梯度稀釋制備稀釋度為10-2、10-3、10-4和10-5的樣品溶液。精確移取1.000 mL各稀釋度的樣品溶液，均勻滴加到測試片中，靜置1 min后于培養箱內培養。選取菌落數在15～150的測試片進行菌落數測定，每個稀釋梯度設置2～3個重復，取其平均值。

1.2.5 乳酸含量的測定

采用EDTA定鈣法測定樣品的乳酸含量[12]。

1.2.6 淀粉含量的測定

采用酸水解法測定樣品的淀粉含量，參照GB 5009.9—2016《食品中淀粉的測定》[13]方法測定，以占80%干物質的量計算。

1.2.7 脂肪含量的測定

脂肪使用脂肪測定儀SOX500測定，參照GB/T 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》[14]方法測定。

1.2.8 蛋白質含量的測定

采用凱氏定氮法測定樣品的蛋白質含量，參照GB 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》[15]方法測定。

1.2.9 粗纖維含量的測定

粗纖維測定采用減重法，參照GB/T 6434—2006《飼料中粗纖維的含量測定過濾法》[16]方法測定。

2 結果與分析

2.1 發酵貯藏過程中pH值的變化

各種微生物的生長都有其適宜的pH值環境，pH值影響微生物的活性。由圖1可知，發酵樣品在發酵的14 d內pH值呈現持續下降趨勢，并在前48 h內下降到4.2以下，最終穩定在3.2～3.3，說明樣品的有機酸含量在發酵前期不停的增加，直到發酵環境的pH不適合菌種生長，產生酸抑制才使pH穩定在一個范圍內。這樣的酸性環境也同樣抑制了腐敗菌的生長，延長了餐廚垃圾的貯藏時間。

圖1 公共餐廚垃圾在4種發酵方式下貯藏時pH值的變化Fig.1 Changes of pH of public kitchen waste during storage under four fermentation methods

2.2 發酵貯藏過程中微生物含量的變化

由表1可知，接種發酵的48 h，未檢測到金黃色葡萄球菌和沙門氏菌。證明接種預發酵后的餐廚垃圾在發酵2 d內，金黃色葡萄球菌和沙門氏菌已經基本失活。pH值的測定也表明餐廚垃圾在發酵貯藏2 d內pH降低到4.2以下，能有效抑制有害菌的生長。

表1 公共餐廚垃圾在4種發酵方式下貯藏時微生物數量的變化Table 1 Changes of microbial quantity of public kitchen waste during storage under four fermentation methods

注：ND表示未檢出。

2.3 發酵貯藏過程中乳酸含量的變化

發酵貯藏過程中乳酸含量的變化如圖2所示，4種發酵方式處理的餐廚垃圾在發酵14 d后乳酸含量都明顯升高，乳酸含量(質量分數)分別由第1天的0.26%、0.23%、0.16%和0.23%增長到第14天的1.19%、0.43%、0.90%和0.73%，比第1天分別增長了358%、87%、463%和217%。其中，B組第14天乳酸含量遠低于A組，可能與滅菌導致部分乳酸菌失活有關。

圖2 公共餐廚垃圾在4種發酵方式下貯藏過程中乳酸含量的變化Fig.2 Changes of lactic acid content in storage of public kitchen waste under four fermentation methods

2.4 發酵貯藏過程中含水量的變化

含水量是影響有機物料發酵的重要因素，直接影響微生物的活性和有機物料的發酵速度，適宜的含水量能使物料吸水膨脹而軟化，有利于特定微生物的分解，但含水量過高影響料堆的通氣性，極易造成厭氧狀態，抑制特定微生物的活性[17]。由圖3可知，各處理后，含水量均在80%左右，在整個發酵過程中均無明顯差異，說明餐廚垃圾含水量很高，其內部一直處于厭氧狀態。

圖3 公共餐廚垃圾在4種發酵方式下貯藏過程中水分含量的變化Fig.3 Changes of moisture content of public kitchen waste during storage under four fermentation methods

2.5 發酵貯藏過程中主要營養成分的變化

發酵前后的淀粉、脂肪、蛋白質和粗纖維含量如表2所示。餐廚垃圾在發酵的第14天淀粉(88%干物質)含量相對于第1天呈下降趨勢，但變化不顯著，蔡靜等[18]在研究餐廚垃圾微生物發酵生產蛋白質飼料的工藝時也發現，隨著發酵時間延長,淀粉含量下降。淀粉是發酵菌株的主要碳源，發酵會消耗樣品中部分淀粉，從而導致餐廚垃圾中的淀粉含量下降。脂肪含量的測定結果表明，B組和C組呈升高趨勢，而A組和D組呈下降趨勢，但無顯著差異，而且，發酵前后脂肪的含量變化相對淀粉較小，這可能與餐廚垃圾和泡菜水中微生物較少利用脂肪有關。蛋白質的測定結果表明，A組和B組呈升高趨勢，而C組和D組呈下降趨勢，但無顯著差異，這說明泡菜水含有的微生物可以利用部分蛋白質，而餐廚垃圾自身含有的微生物則較難利用蛋白質，這與潘婧冉等[19]的研究結果一致。此外，4種發酵方式處理的粗纖維素含量變化不顯著，相對A組和B組，C組和D組發酵后呈下降趨勢，由于A組和B組利用樣品本身含有的微生物進行發酵，而C組和D組則利用泡菜水含有的微生物，不同的微生物利用粗纖維的程度不同可能是導致粗纖維含量不同的原因，這與苜蓿飼料發酵過程中的結果一致[20]。

表2 公共餐廚垃圾在4種發酵方式下貯藏過程中主要營養成分的變化Table 2 Changes of nutrients of public kitchen waste during storage under four fermentation methods

3 結論

模擬實際生產條件，以公共餐廚垃圾的調酸和泡菜水發酵2個處理發酵7 d后的樣品作為2組菌種，分別接種到未滅菌和滅菌的餐廚垃圾樣品中，得到的4組發酵方式：(A)調酸+未滅菌、(B)調酸+滅菌、(C)泡菜水+未滅菌和(D)泡菜水+滅菌，在發酵14 d過程中，pH值均在48 h內下降到4.2以下，乳酸質量分數分別為1.19%、0.43%、0.90%和0.73%，其中，A組和C組乳酸含量相對于第1天分別增加了358%和463%，金黃色葡萄球菌和沙門氏菌均未檢出，而淀粉、脂肪、蛋白質和粗纖維等營養成分含量變化也不顯著。因此，通過混合菌發酵工藝能夠有效實現公共餐廚垃圾的發酵飼料化利用，并延長貯藏時間。從乳酸的含量來看，4種發酵工藝中，優選(A)調酸+未滅菌作為混合菌發酵工藝。