固態發酵處理餐廚垃圾制備飼料的研究

韓端丹，洪 琦，江 陽

（1.武漢東湖學院生命科學與化學學院，武漢 430212；2.湖北大學生命科學學院，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酵，并產生毒素和刺激性氣味。長期積放還容易產生黃曲霉素等致癌物質，大量繁殖細菌。餐廚垃圾在露天環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傳染，導致某些病毒病菌的傳播。現在人民生活水平不斷提高，日常餐廚垃圾生產量不斷增加。據統計2015、2016、2017年，僅上海市餐余垃圾數量分別為314 914、368 360和423 750 t，年平均增長率為15%［1-3］。餐廚垃圾“四高”表現為含水率、有機物濃度、鹽分、含油量都高，所以會給生活環境帶來危害，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環境污染較大，有的效益不高。而餐廚垃圾屬于高能量、有機物豐富的物質，可以作為生產飼料，尤其蛋白飼料的優良原料。相比而言，餐廚垃圾處理轉化成蛋白飼料具有環保、效益高的優勢。其中固態發酵是餐廚垃圾處理的常用方法，具有底物價格低廉，技術要求低、耗能低，產率高，基質水含量低、減少廢水處理負擔；加工簡單、無菌操作要求低，不會產生有毒氣體、低風險等優點［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酵效率高、蛋白轉化率高的發酵菌種，篩選出最適菌種后再對其發酵條件進行探索優化，以期提高其對餐廚垃圾的蛋白發酵轉化率，并以此為基礎對餐廚垃圾的綜合利用途徑進行相關的探索。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料 餐廚垃圾，來自武漢東湖學院學生食堂。

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），均為武漢東湖學院生命科學與化學學院保存。

1.1.3 培養基 霉菌液體種子培養基：K2HPO40.1 g，可溶性淀粉 3 g，（NH4）2SO40.5 g，去離子水定容至100 mL，調pH至6.4。酵母菌液體種子培養基：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pH至6.4。察氏瓊脂培養基：蔗糖30 g，FeSO40.01 g，KCl 0.5 g，瓊脂粉15g，去離子水定容至1 000 mL。麥芽汁瓊脂培養基：3 g瓊脂粉，麥芽汁定容至150 mL，調pH至6.4。發酵固體培養基：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、自動索氏抽提裝置、恒溫箱、微生物培養箱、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 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）法及各自的檢測標準測定其總糖、還原糖、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分和氯化物的含量［8-11］。

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

1.2.3 最優菌種發酵餐廚垃圾 制作好總糖殘糖率與還原糖殘糖率的代謝曲線后，根據數據對比選取最優的菌種。在篩選出最適菌種后，發酵培養基根據發酵條件優化的試驗要求，相應地調節培養基的NaCl含量及初始pH。取篩選出的最適菌種的培養液15 mL，按1∶1的體積比接種經過處理的餐廚垃圾，發酵5 d，發酵完后再測定其各營養成分的含量，測定的方法及標準同上。

圖1 總糖代謝曲線

圖2 還原糖代謝曲線

2 結果與分析

2.1 固態發酵處理餐廚垃圾菌種的篩選

菌種F1、F2、F3、F4固態發酵后每36 h測量一次各發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，固態發酵后產物含糖量為m1，以m1占m0百分比為發酵后殘糖率。各菌株發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內總糖殘糖量呈上升趨勢，72 h左右開始發酵總糖。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。菌種表現為F3≥F4＞F2≥F1。由圖2可知，F3、F4在0～72 h還原糖含量先呈上升趨勢，分析原因是霉菌通過分泌淀粉酶將淀粉分解為還原糖，同時消耗還原糖以合成自身細胞物質及維持能量需要。這兩種因素作用的結果是開始時體系中還原糖量增加，隨著霉菌細胞增殖較多時還原糖消耗變大后含量下降。通過菌種對總糖及還原糖的代謝消耗的考察，可評價固態發酵的效果或發酵特性，綜上，4種菌種對餐廚垃圾的發酵效果的順序為F3≥F4＞F2＞F1。

菌種F1、F2、F3、F4固態發酵48 h后測定各發酵物中粗蛋白質含量，結果見圖3。從圖3可以看出，相同條件下，黑曲霉F3發酵培養物中粗蛋白質含量達31.53%，相比其他3個菌株，黑曲霉F3對于未發酵餐廚垃圾中粗蛋白質含量的增幅最大，結合菌種對糖的利用率，據此在4個菌種中選擇黑曲霉F3作為單一菌種發酵的最佳菌種。通過篩選確定發酵菌種后，以黑曲霉為對象，研究其發酵的最佳工藝條件。

圖3 不同菌種的發酵產物中粗蛋白質含量

2.2 黑曲霉固態發酵中溫度的影響

黑曲霉F3接種后分別在26、28、30、32、34 ℃下固態發酵48 h，測定各發酵物中粗蛋白質的含量，由圖4可以看出，一開始隨著溫度的升高，發酵產物中粗蛋白質含量隨之升高，在30℃時達到最大值31.53%，但溫度繼續升高，粗蛋白質含量反而下降，估計是高溫抑制了微生物的生長。由此確定固體發酵的最佳溫度為30℃。

圖4 不同溫度下發酵產物中粗蛋白質含量

2.3 黑曲霉固態發酵中pH的影響

微生物生長需要適宜的pH范圍，圖5顯示在不同的初始pH條件下黑曲霉發酵后測定的總糖殘糖率，得出結論是在pH 5.3左右發酵情況最理想。

圖5 黑曲霉固態發酵中pH的影響

2.4 黑曲霉固態發酵中鹽含量的影響

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直至導致死亡。因此在餐廚垃圾處理后設計一組試驗，即添加不同濃度的NaCl，黑曲霉發酵后測定其總糖殘糖率，結果見圖6。從圖6可以看出，在原有含鹽量的基礎上加入2.5%的NaCl，發酵后糖利用率高，效果好。

圖6 黑曲霉固態發酵中鹽含量的影響

2.5 發酵產物與原料各營養成分的比較

在篩選出最佳菌種并確定最佳工藝條件后，測定了固態發酵前后餐廚原料和發酵產物中主要化學及營養成分的含量，所得數據見表1。由表1可知，餐廚垃圾經黑曲霉F3固態發酵處理后，總糖含量從20.35%降到了5.11%，而粗蛋白質含量提高了5.72個百分點，達31.53%，提高了其營養價值，其主要成分含量達到了蛋白質飼料的標準。

表1 原料和產物主要化學及營養成分

3 小結

餐廚垃圾中蛋白質與糖類物質含量豐富，通過發酵消耗糖獲得的能量可用來合成菌體蛋白質以提高發酵產物中蛋白質含量，固態發酵時還可適量補充尿素等氮源來提高產物中蛋白質的濃度，可見餐廚垃圾是發酵生產蛋白質飼料的理想原料。相比其他飼料，蛋白質飼料價格昂貴，效益更高，因此以餐廚垃圾為原料發酵轉化成蛋白質飼料，實現變廢為寶，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，通過這些菌種發酵中總糖及還原糖的代謝消耗情況及對發酵產物中粗蛋白質含量的檢測，從中篩選出轉化率最高的菌種，即黑曲霉F3為最佳菌種。在進一步的研究工作中可考慮應用雙菌混合發酵來提高蛋白質含量與發酵能力，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發酵，因此選擇一株酵母菌，和黑曲霉F3兩兩配合，有望實現更好的發酵效果［12］。

以篩選出的黑曲霉F3為發酵菌種，通過試驗確定了最佳工藝條件：發酵溫度30℃，初始pH 5.3，NaCl添加2.5%。此條件下發酵餐廚垃圾，所得產物粗蛋白質含量為31.53%，比原料提高了5.72個百分點，總糖量從20.35%降到了5.11%，發酵產物有酒香味，無霉味。實際生產時可鼓風或攪拌來提高生產效率。而餐廚垃圾進行處理后用微生物發酵的過程，也是防霉和抑制有害菌生長的過程。綜上，固態發酵處理餐廚垃圾，通過優選菌種和優化工藝，能提高其營養價值，尤其是蛋白質的含量，且防霉安全，是一種比較好的處理餐廚垃圾和制備蛋白質飼料的途徑。