公共餐厨垃圾饲料化利用的混合菌发酵工艺

黄林丽，谢斌，陈立，杨丁玮，蒲一涛，何庆华

(深圳大学 化学与环境工程学院 食品科学与工程系，广东 深圳，518071)

随着北京、天津、上海等46个城市生活垃圾分类工作的推进，实现生活垃圾的减量化、资源化和无害化处理已经是城镇化过程必须面对和解决的难题。餐厨垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分，是指家庭、学校、机关、公共食堂以及餐饮行业的食物废料、餐饮剩余物、食品加工废料及不可再食用的动植物油脂和各类油水混合物[1]。公共餐厨垃圾则主要是指食堂、餐馆、酒店等公共餐饮场所产生的餐厨垃圾，可以集中收集和处理，具有较高的资源化利用价值[2]。随着我国餐饮服务行业的蓬勃发展，餐厨垃圾的排放量也在不断增加。在我国的北京、上海和广州等地，餐厨垃圾的日产生量高达千吨[3]，由此带来的社会问题和环境问题也日益突出，所以如何简单高效地处理餐厨垃圾是当前需要迫切解决的问题。

目前，我国餐厨垃圾的处理技术主要有卫生填埋、焚烧、好氧堆肥、厌氧消化、好氧生物处理和饲料化处理。公共餐厨垃圾的含水量高、易腐烂的特点会促使垃圾在填埋的处理过程产生大量的渗沥液污染地下水及土壤，也会使得焚烧处理成本增加，另外焚烧易产生有害气体，对环境造成二次污染[4]。公共餐厨垃圾高油脂、高盐分的特性不利于堆肥过程，易导致土壤盐碱化[5]。厌氧消化处理制备沼气的缺点是工程总投资较大，工艺较复杂，反应器内生物启动时间较长，微生物对环境条件较为敏感，处理难度大[6]。好氧生物处理技术主要借助生化处理设备对餐厨垃圾中的有机物进行降解，该处理技术的优点是时间短，自动化程度高，但是单台设备的处理能力有限并且机器投入资金较大[7]。饲料化处理则不仅可以有效实现餐厨垃圾的减量化，而且产生的饲料可以减少人畜争粮的矛盾，具有良好的应用前景[8]。饲料化处理主要采用物理法和生物法。物理法是指脱水后高温消毒制饲料；生物法采用微生物发酵技术制饲料，原理是将培养出的菌种加入餐厨垃圾密封贮藏，菌种进行繁殖并杀除病原菌制成饲料[9]。利用微生物在饲料原料中的生长繁殖和新陈代谢，积累有用的菌体、酶和中间代谢产物来生产加工和调制微生物饲料的微生物发酵技术，在调制和生产饲料中具有物理、化学方法不可替代的优越性[10]。

本研究对公共餐厨垃圾厌氧发酵工艺进行了研究，在模拟实际生产条件下，以发酵数天后的餐厨垃圾作为混合菌菌种，探讨了4种发酵方式发酵后公共餐厨垃圾发酵过程中pH值、有害微生物、乳酸、水分含量和营养成分的变化。通过分析发酵贮藏过程中乳酸，淀粉、脂肪和蛋白质等成分的变化为实际生产生活公共餐厨垃圾的饲料化利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料

实验用餐厨垃圾，为深圳大学食堂午餐时收集的新鲜垃圾。泡菜水，购于深圳市西丽田寮菜市场。石油醚、石英砂、HCl、HaOH、乙酸铅、硫酸钠、无水乙醇、甲基红、D-无水葡萄糖、邻苯二甲酸氢钾、磷酸二氢钾、乙二胺四乙酸二钠、CaCO3、钙黄素、茜素、亚铁氰化钾、酒石酸钾钠和NaCl,阿拉丁公司。

1.1.2 仪器与设备

发酵袋(50×90)mm，南华千牧有限公司；PFS-400塑料薄膜封口机，浙江江南实业有限公司；HWS-250恒温恒湿箱，上海精宏实验设备有限公司；HVE-50高压灭菌锅，北京宏昌信科技有限公司；FB100马弗炉，德国爱安姆科技有限公司；DHG-9076A电热鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；SOX500脂肪测定仪和K9840自动凯氏定氮仪，济南海能仪器股份有限公司；SQL-6粗纤维测定仪，上海纤检仪器有限公司；BT206金黄色葡萄球菌测试片、BS205沙门氏菌测试片和BM207霉菌酵母菌测试片，广州绿洲生化科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 分组设计及样品处理

收集深圳大学食堂的餐厨垃圾，滤去餐厨垃圾中的水分后，在实验室对样品进行预处理，将原料中的塑料袋、骨头和其他难以粉碎的物质剔除，然后粉碎餐厨垃圾并搅拌均匀。随机选择3种泡菜水并等比例混合后作为原始混合菌发酵菌种。发酵工艺流程如下。

发酵工艺分为2个阶段，第一阶段制备菌种，分为2个处理，发酵7 d。第1个处理调节餐厨垃圾pH≤4.2，即调酸组。第2个处理添加10%泡菜水，即泡菜水组。第二阶段为发酵处理，分别以第一阶段的发酵产物作为菌种，按照10%比例添加到未灭菌处理和灭菌处理的餐厨垃圾样品中，发酵14 d。即得到4个处理组：(A)调酸+未灭菌，(B)调酸+灭菌，(C)泡菜水+未灭菌，(D)泡菜水+灭菌，每个处理3个重复。为了更加贴近实际生产情况，收集的新鲜餐厨垃圾，控制温度在28℃下放置24 h后进行后续操作，制备菌种阶段和发酵处理阶段温度也控制在28 ℃。

1.2.2 水分含量的测定

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

1.2.3 pH值的测定

用玻璃棒将待测样品搅拌均匀后，采用Sartorius PP-20型pH计，测定样品中央的pH值，重复测定3次取平均值。

1.2.4 微生物数量的测定

采用测试片测定微生物的菌落数。即取发酵样品10.0 g，与90.0 mL灭菌的生理盐水混合后，调节溶液pH值至6.6～7.2，即得稀释度为10-1的样品溶液，并梯度稀释制备稀释度为10-2、10-3、10-4和10-5的样品溶液。精确移取1.000 mL各稀释度的样品溶液，均匀滴加到测试片中，静置1 min后于培养箱内培养。选取菌落数在15～150的测试片进行菌落数测定，每个稀释梯度设置2～3个重复，取其平均值。

1.2.5 乳酸含量的测定

采用EDTA定钙法测定样品的乳酸含量[12]。

1.2.6 淀粉含量的测定

采用酸水解法测定样品的淀粉含量，参照GB 5009.9—2016《食品中淀粉的测定》[13]方法测定，以占80%干物质的量计算。

1.2.7 脂肪含量的测定

脂肪使用脂肪测定仪SOX500测定，参照GB/T 5009.6—2016《食品中脂肪的测定》[14]方法测定。

1.2.8 蛋白质含量的测定

采用凯氏定氮法测定样品的蛋白质含量，参照GB 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定》[15]方法测定。

1.2.9 粗纤维含量的测定

粗纤维测定采用减重法，参照GB/T 6434—2006《饲料中粗纤维的含量测定过滤法》[16]方法测定。

2 结果与分析

2.1 发酵贮藏过程中pH值的变化

各种微生物的生长都有其适宜的pH值环境，pH值影响微生物的活性。由图1可知，发酵样品在发酵的14 d内pH值呈现持续下降趋势，并在前48 h内下降到4.2以下，最终稳定在3.2～3.3，说明样品的有机酸含量在发酵前期不停的增加，直到发酵环境的pH不适合菌种生长，产生酸抑制才使pH稳定在一个范围内。这样的酸性环境也同样抑制了腐败菌的生长，延长了餐厨垃圾的贮藏时间。

图1 公共餐厨垃圾在4种发酵方式下贮藏时pH值的变化Fig.1 Changes of pH of public kitchen waste during storage under four fermentation methods

2.2 发酵贮藏过程中微生物含量的变化

由表1可知，接种发酵的48 h，未检测到金黄色葡萄球菌和沙门氏菌。证明接种预发酵后的餐厨垃圾在发酵2 d内，金黄色葡萄球菌和沙门氏菌已经基本失活。pH值的测定也表明餐厨垃圾在发酵贮藏2 d内pH降低到4.2以下，能有效抑制有害菌的生长。

表1 公共餐厨垃圾在4种发酵方式下贮藏时微生物数量的变化Table 1 Changes of microbial quantity of public kitchen waste during storage under four fermentation methods

注：ND表示未检出。

2.3 发酵贮藏过程中乳酸含量的变化

发酵贮藏过程中乳酸含量的变化如图2所示，4种发酵方式处理的餐厨垃圾在发酵14 d后乳酸含量都明显升高，乳酸含量(质量分数)分别由第1天的0.26%、0.23%、0.16%和0.23%增长到第14天的1.19%、0.43%、0.90%和0.73%，比第1天分别增长了358%、87%、463%和217%。其中，B组第14天乳酸含量远低于A组，可能与灭菌导致部分乳酸菌失活有关。

图2 公共餐厨垃圾在4种发酵方式下贮藏过程中乳酸含量的变化Fig.2 Changes of lactic acid content in storage of public kitchen waste under four fermentation methods

2.4 发酵贮藏过程中含水量的变化

含水量是影响有机物料发酵的重要因素，直接影响微生物的活性和有机物料的发酵速度，适宜的含水量能使物料吸水膨胀而软化，有利于特定微生物的分解，但含水量过高影响料堆的通气性，极易造成厌氧状态，抑制特定微生物的活性[17]。由图3可知，各处理后，含水量均在80%左右，在整个发酵过程中均无明显差异，说明餐厨垃圾含水量很高，其内部一直处于厌氧状态。

图3 公共餐厨垃圾在4种发酵方式下贮藏过程中水分含量的变化Fig.3 Changes of moisture content of public kitchen waste during storage under four fermentation methods

2.5 发酵贮藏过程中主要营养成分的变化

发酵前后的淀粉、脂肪、蛋白质和粗纤维含量如表2所示。餐厨垃圾在发酵的第14天淀粉(88%干物质)含量相对于第1天呈下降趋势，但变化不显著，蔡静等[18]在研究餐厨垃圾微生物发酵生产蛋白质饲料的工艺时也发现，随着发酵时间延长,淀粉含量下降。淀粉是发酵菌株的主要碳源，发酵会消耗样品中部分淀粉，从而导致餐厨垃圾中的淀粉含量下降。脂肪含量的测定结果表明，B组和C组呈升高趋势，而A组和D组呈下降趋势，但无显著差异，而且，发酵前后脂肪的含量变化相对淀粉较小，这可能与餐厨垃圾和泡菜水中微生物较少利用脂肪有关。蛋白质的测定结果表明，A组和B组呈升高趋势，而C组和D组呈下降趋势，但无显著差异，这说明泡菜水含有的微生物可以利用部分蛋白质，而餐厨垃圾自身含有的微生物则较难利用蛋白质，这与潘婧冉等[19]的研究结果一致。此外，4种发酵方式处理的粗纤维素含量变化不显著，相对A组和B组，C组和D组发酵后呈下降趋势，由于A组和B组利用样品本身含有的微生物进行发酵，而C组和D组则利用泡菜水含有的微生物，不同的微生物利用粗纤维的程度不同可能是导致粗纤维含量不同的原因，这与苜蓿饲料发酵过程中的结果一致[20]。

表2 公共餐厨垃圾在4种发酵方式下贮藏过程中主要营养成分的变化Table 2 Changes of nutrients of public kitchen waste during storage under four fermentation methods

3 结论

模拟实际生产条件，以公共餐厨垃圾的调酸和泡菜水发酵2个处理发酵7 d后的样品作为2组菌种，分别接种到未灭菌和灭菌的餐厨垃圾样品中，得到的4组发酵方式：(A)调酸+未灭菌、(B)调酸+灭菌、(C)泡菜水+未灭菌和(D)泡菜水+灭菌，在发酵14 d过程中，pH值均在48 h内下降到4.2以下，乳酸质量分数分别为1.19%、0.43%、0.90%和0.73%，其中，A组和C组乳酸含量相对于第1天分别增加了358%和463%，金黄色葡萄球菌和沙门氏菌均未检出，而淀粉、脂肪、蛋白质和粗纤维等营养成分含量变化也不显著。因此，通过混合菌发酵工艺能够有效实现公共餐厨垃圾的发酵饲料化利用，并延长贮藏时间。从乳酸的含量来看，4种发酵工艺中，优选(A)调酸+未灭菌作为混合菌发酵工艺。