濕熱處理技術工藝發展現狀與趨勢展望

潘煒，李鳴曉，祝超偉，夏天明，呂寧磬，朱金龍

（1.江蘇省環境保護廳，江蘇南京210036；2.中國環境科學院研究院，北京100012）

濕熱處理技術工藝發展現狀與趨勢展望

潘煒1，李鳴曉2，祝超偉2，夏天明2，呂寧磬2，朱金龍2

（1.江蘇省環境保護廳，江蘇南京210036；2.中國環境科學院研究院，北京100012）

濕熱處理技術近年來在國內外受到廣泛的關注，此項技術主要應用于淀粉、餐廚垃圾的濕熱水解均質化處理等方面。對此，研究人員開展了大量的研究工作，研究內容涉及濕熱處理工藝影響因素研究、濕熱處理工藝條件優化分析、濕熱處理工藝對底物結構與性質的影響?？偨Y前人的研究成果，沉淀目前濕熱處理工藝成果應用與成果轉化相關信息，并對濕熱處理工藝的潛在應用領域做出初步展望。

濕熱處理工藝；餐廚廢棄物；淀粉；結構；影響因素

濕熱處理技術是指將要處理的物料與水共同置于密閉的反應器中，在高溫高壓或常壓條件下，難降解的有機物或固體有機物分解為小分子有機物或氧化降解為CO2，H2O等無機物的物料均質化過程。

20世紀30年代開始，研究人員對淀粉濕熱處理進行了大量的研究，我國對淀粉濕熱處理的研究從2004年開始有研究論文發表，雖然研究時間僅為10年左右，但對淀粉濕熱處理的研究較為全面，包括淀粉的顆粒形貌、晶體性質、糊化特性、膨脹力和溶解度性質、凝沉動力學特性、熱力學特性以及水解性質等。

目前濕熱處理工藝主要應用于淀粉濕熱處理與餐廚廢棄物濕熱處理。濕熱處理工藝在處理過程中不加入任何一種有機溶劑或化學試劑，是純粹的物理變化過程。目前淀粉的濕熱處理還沒有統一的分類，普遍認為淀粉的濕熱處理分為韌化處理和濕熱處理兩種。韌化處理是指淀粉含水量在40%以上，在淀粉糊化溫度以下對淀粉進行處理的一種手段；濕熱處理是在低水分含量，一般低于35%，通常在100℃以上對淀粉進行的處理。

餐廚廢棄物的濕熱處理主要目的是應用于餐廚廢棄物的脫油脫水飼料化；或者是應用于厭氧發酵的預處理，避免餐廚廢棄物厭氧發酵過程中的長鏈脂肪酸抑制作用。餐廚廢棄物含水率可高達90%左右，脂肪含量約25%。其中水分的遷移流動特性，油脂的易氧化酸敗與易揮發的特性，脫水脫油成為餐廚廢棄物處理技術的關鍵環節，餐廚廢棄物經濕熱處理脫油之后得到的廢油脂是優良的生物能源與化工原料。濕熱處理不但可以脫出可浮油，優化餐廚廢棄物處理處置性能，并能提高其資源回收效率。

1 濕熱處理工藝在淀粉處理方面的應用

淀粉濕熱處理的目的是直鏈淀粉-脂復合物的產生，糊化透明度下降，不利于淀粉在某些食品中的應用；經過淀粉濕熱預處理改性之后，其持水性能提高，有利于淀粉在油性食品中的應用。濕熱處理是使塊莖淀粉結晶結構中由B型轉化為穩定性較好的A型結構的重要方法。用濕熱處理對淀粉進行改性，僅涉及到水和熱的物理方法，不添加任何化學藥劑，不會對環境造成任何污染，產品安全性較化學改性有大幅提高。因此用濕熱處理對淀粉進行改性，是清潔生產和生產綠色食品的重要手段，在這一點上，研究用濕熱處理來進行淀粉改性，前景廣闊。

淀粉濕熱處理分為兩種情況，一種是傳統的濕熱處理，即淀粉在常壓下對其進行高溫處理，通常處理的時間很長；另一種是淀粉在非常壓狀態與較高溫度下進行處理，此方法同時又分為高壓處理與減壓處理。高壓處理是未來保證熱力充分進入淀粉顆粒內部，改變淀粉性質；減壓處理可有效避免淀粉在濕熱過程中由于蒸汽冷凝而產生的糊化層。在研究濕熱處理對玉米淀粉性質的影響中發現，處理溫度相同時，壓熱處理較常壓處理對淀粉性質影響更為顯著。

在濕熱處理對不同種類淀粉性質的影響中，國內研究人員對淀粉結構與性能方面做了大量針對性的研究，其中對玉米淀粉進行較為細致的研究。經過濕熱處理之后，由于不同種類玉米淀粉的直鏈淀粉含量差別很大，不同種類玉米淀粉的外觀、晶體與分子結構，以及對酸與酶的敏感性與溶解性等方面均有顯著影響。徐忠[1]在濕熱處理對不同淀粉顆粒結構及性質的影響中，對不同淀粉顆粒形貌、結晶結構、Brabender黏度曲線、膨脹率、溶解率、透明度以及凍融穩定性等理化指標進行了細致的對比研究，研究發現，不同的淀粉經濕熱處理之后，其顆粒結構及理化性質均發生不同程度改變，在經過濕熱處理改性之后，所有理化指標均出現不同程度的降低，但降低幅度不同種類淀粉之間存在較大差異，其原因是由于淀粉顆粒的內部結構變化，由支鏈淀粉降解產生更多的直鏈淀粉，同時在無定形區產生雙螺旋結構。

由于淀粉濕熱處理方法較為簡單，在處理過程中影響因素僅涉及到水分含量、處理時間以及處理溫度。許麗娜等[2]在研究玉米淀粉濕熱處理過程中對酶敏感性影響時發現，初始水分含量可顯著影響玉米淀粉對酶的敏感性；趙凱等[3]在研究濕熱處理對玉米淀粉緩慢消化成分形成機理時發現，初始水分含量的差異會導致緩慢消化淀粉成分含量的變化。由于水的存在有利于淀粉結晶結構的破壞，促進淀粉分子鏈的移動以及無定形區淀粉分子的重排以形成更多的結晶。楊光、張二娟等[4,5]的研究發現，溫度對濕熱處理淀粉性質影響機制為熱能對淀粉分子中的α－1，4和α－1，6糖苷鍵產生破壞作用；可使無定形區與結晶區的雙螺旋結構發生改變，從而影響淀粉的性質。

2 濕熱處理工藝在厭氧發酵前處理方面的應用

由于我國飲食習慣的原因，餐廚廢棄物中油脂含量較高。適量油脂可提高產氣潛力，但如果油脂含量過高，在厭氧發酵過程中可造成抑制效應。Alves[6]與Hwu[7]認為油脂濃度過高，產甲烷菌容易受到油脂及長鏈脂肪酸（Long Chain Fatty Acids，LCFAs）的抑制。在厭氧發酵過程中，脂肪通過胞外脂肪酶迅速水解為甘油和LCFAs，長鏈脂肪酸通過β－氧化進一步降解為乙酸和氫。LCFAs容易吸附在微生物膜上，阻礙物質的傳輸并導致污泥沉降性能下降，從而抑制餐廚廢棄物降解。Neyens[8]和S·Luostarinen等[9]人認為濕熱處理可以改變垃圾中的水分及脂類的存在形式，從而影響垃圾的脫水、脫油性能。針對我國餐廚廢棄物中高油脂、高鹽分含量的特征，王宇卓等[17]的研究表明，濕熱處理可以有效提高餐廚廢棄物的生物可降解性，同時可降低餐廚廢棄物中油脂與鹽分的含量，調節營養成分，實現了物化性狀的均質化。不同的濕熱處理工藝條件對餐廚廢棄物營養物質組成影響較大，Lai等[10－12]發現，濕熱處理技術可以顯著地影響蛋白質、碳水化合物及油脂的物理化學性質。

國內外對餐廚廢棄物及其中油脂的資源化回收利用研究主要有兩種方式，一是將油脂從餐廚廢棄物中分離，經提煉后作為生物柴油或化工原料，而剩余的有機物采用其他方式進一步處理；另一資源化利用途徑則是餐廚廢棄物的生物氣轉化，考慮到油脂比其他有機物具有更高的產甲烷能力，將油脂同餐廚廢棄物一起進行生物氣轉化，回收清潔能源。但是工程化餐廚廢棄物厭氧發酵處理工藝中普遍采用中溫厭氧發酵，而此溫度下植物油脂全部以液態存在，而動物油脂熔點一般在 40～55℃，很難熔化并漂浮在水面，濕熱處理過的餐廚廢棄物可以將這部分動物油脂釋放出來，形成可浮油，增加了產氣量，同時也可以將可浮油提取后進行生物柴油制備。

3 濕熱處理工藝在餐廚廢棄物飼料化方面的應用

目前我國生活垃圾產量已經超過1.5億t/a，其中餐廚廢棄物占比高達50%以上，餐廚廢棄物所占比重較發達國家高出近10個百分點。研究發現，餐廚廢棄物（以干基質量計）中有機質含量最高可達到95%左右，如果沒有恰當的處理方式，極易酸腐，招惹蚊蠅，影響環境衛生，而且這些物質被環境中有害微生物利用后易產生致癌物質，危害人類的身體健康與生存環境。同時鑒于同源性等相關問題的研究，目前國家嚴令禁止將未經過有效處理的餐廚廢棄物直接應用于禽畜養殖飼料，但餐廚廢棄物經過有效的處理，如濕熱處理之后，在確定其安全性后，可以應用于產皮毛類養殖動物與寵物等的喂養飼料。因此，餐廚廢棄物飼料化的關鍵在于確保餐廚廢棄物的源頭品質與安全性，由此可以看出，餐廚廢棄物的預先分類與合適的處理方式是餐廚廢棄物飼料化的工作重點。

魯曉菊等[13]研究了濕熱處理對餐廚廢棄物中不飽和脂肪酸的影響；任連海等[14－16]研究了濕熱處理對餐廚廢棄物中脫出液的影響及餐廚廢棄物濕熱處理的影響因素；得出濕熱處理之后餐廚廢棄物固相中油酸與亞油酸含量達到30%左右，加熱時間的延長會使煙油酸含量降低，當溫度高于140℃時，濕熱產物不穩定，營養成分破壞明顯。結合經濟效益分析，濕熱反應溫度100～120℃，加熱時間30～60 min作為適宜的濕熱處理條件，此時餐廚廢棄物固相中各類營養成分均處于最佳狀態，處理后的餐廚廢棄物營養合理，結構穩定，飼料價值高，易于儲存運輸，適合做飼料原料。濕熱處理對餐廚廢棄物脫水脫油性能影響顯著，餐廚廢棄物脫油性能隨溫度的上升和加熱時間的延長呈上升趨勢，在160℃加熱80 min后，其脫油性能達到最佳，繼續升高溫度或延長加熱時間，均會促成脂質的化學變化而導致油脂回收率下降，魏自民[17]、夏天明[18]在不同條件濕熱預處理對餐廚垃圾厭氧發酵產氫的影響的研究中也有類似的論述，在濕熱處理溫度150℃，加熱90 min之后，可浮油脫出量不再增加。隨著溫度的升高與加熱時間的延長，餐廚廢棄物中的蛋白質、脂類水解使可溶性有機物含量增多，產物中還原糖含量有所提高，有機質、總能等營養指標變化不顯著；持水率呈下降趨勢，說明濕熱處理一定程度上可增強產物脫水脫油性能，在改善餐廚廢棄物均質化性能的同時，兼有高溫滅菌的作用，是餐廚廢棄物制備有機飼料的適宜處理方式；濕熱處理增大了餐廚廢棄物脫出液制備液態有機肥的可能性，濕熱處理提高了餐廚廢棄物脫出液中可浮油含量，更有利于廢油脂的分離回收再利用。

4 濕熱處理工藝發展不足與展望

自Sair等[19]開始研究淀粉濕熱處理以來，國外研究者們一直致力于如何利用濕熱處理進行淀粉的物理改性，目前已經取得了較好的成果。研究者不僅從淀粉糊化溫度、糊化物理特性等宏觀角度了解濕熱處理對淀粉性質的影響，而且從淀粉顆粒形貌與分子內部結構等的變化，探討微觀方面濕熱處理淀粉改性機理。

通過國內外對淀粉的濕熱處理研究發現，采用水和熱這兩種簡單的物理條件就能對淀粉的結構和性能產生明顯的影響，這種純粹的物理變性手段在處理過程中完全沒有化學試劑和有機溶劑的加入，符合現代對產品加工的綠色環保要求。淀粉濕熱處理必定會成為一種普遍關注的物理變性手段，但當前所要做的工作還很多。另外，濕熱處理普遍存在能耗較高，濕熱處理設備無法長期穩定運行等問題，需要對濕熱處理設備進行針對性的開發與技術集成，使其能夠形成一整套適合不同處理底物與工藝條件的普適性較強的濕熱處理設備。濕熱處理更廣泛的用途還需要研究工作者做更進一步的探索和研究，使濕熱處理技術能夠應用于實際生產。

[1]徐忠，繆銘，王鵬，等.濕熱處理對不同淀粉顆粒結構及性質的影響[J].哈爾濱商業大學學報(自然科學版)，2005，21(5):649-653.

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[4] 楊波，楊光，劉燦召，等.濕熱處理玉米淀粉對酸敏感性的研究[J].食品科學，2007，28(8):198-201.

[5] 張二娟，何小維.濕熱處理法制備慢消化淀粉及其性質研究[J].食品工業科技，2010(5):121-123.

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[14] 任連海，聶永豐，劉建國.濕熱處理參數對餐廚垃圾脫水和脫油性能的影響[J].環境科學，2006，27(9):1 906-1 911.

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[16]任連海，聶永豐，劉建國，等.濕熱處理參數對餐廚垃圾脫水和脫油性能的影響[J].環境科學，2006，27(9):1 906-1 911.

[17] 魏自民，夏天明，李鳴曉，等.不同濕熱預處理條件對餐廚垃圾厭氧發酵產氫的影響[J].環境科學研究，2013，26(11): 1 239-1 245.

[18] 夏天明，黃凱鋒，李鳴曉，等.濕熱預處理對餐廚廢棄物厭氧產氫發酵類型的影響[J].環境工程技術學報，2014(4):150-157.

[19]Sair L，Fetzen W R.Water sorption by starches，water sorption by maize starch and commercial modifledstarches [J].Industrial andEngineeringChemistry，1944，36(3)：205-208.

全國農業循環經濟現場會在安徽省阜陽市召開

2014年11月20—21日，國家發展改革委、農業部在安徽省阜陽市共同召開“全國農業循環經濟現場會”，主要任務是貫徹落實《循環經濟發展戰略及近期行動計劃》，總結、交流、推廣農業循環經濟典型經驗，研究探討發展農業循環經濟的措施，加快轉變農業發展方式，提高農業生態文明水平。國家發展改革委解振華副主任出席會議并講話，安徽省副省長楊振超，阜陽市委副書記、市長李平到會并致辭。農業部和國家林業局的相關司局同志參加會議。

解振華副主任指出，農業是國民經濟的基礎，近年來，我國農業取得長足發展，滿足了國民經濟發展對農業的需求。但也要看到，我國農業基礎十分薄弱，隨著城鎮化和工業化加快推進，我國農業面臨的資源和環境問題更加凸顯，農業可持續發展面臨挑戰。發展農業循環經濟，是破解農業資源約束、轉變農業發展方式、提高農業現代化水平的根本途徑，有助于解決農村面源污染，改善農村環境，有助于增加農民收入，繁榮農村經濟，意義十分重大。

解振華副主任總結了幾年來農業循環經濟工作的有效模式，提出要進一步強化問題導向，總結經驗，抓住重點環節全面推進，著力源頭減量，推動節水、節地、減肥、減藥，提高農業資源利用率;著力推動農業廢棄物的資源化利用，加強畜禽糞污、林木廢棄物、廢舊農膜的回收利用，減少資源浪費和環境污染;著力強化產業系統集成，構建農業內部、農業與林業間、農業、工業、服務業間和區域的循環產業鏈，形成多功能大循環農業體系。

解振華副主任指出，發展農業循環經濟是一項系統工程，不僅要發揮市場對資源配置的決定性作用，也要求政府加強規劃指導，完善政策機制。下一步，國家將加大對農業循環經濟的支持力度，研究支持農業循環經濟發展的措施。重點從強化規劃指導、完善政策機制、開展示范工程、創新組織形式、強化技術標準、健全服務體系和加強培訓推廣等方面開展工作。解振華副主任還專門強調了秸稈綜合利用問題，對2015年秸稈綜合利用工作進行了部署，要求確保實現“十二五”秸稈綜合利用規劃制定的秸稈綜合利用目標任務。

農業部代表介紹了農業部門推動循環經濟發展的進展情況和存在的突出問題。農業部門按照生態文明建設的總體要求，從農村沼氣建設、農作物秸稈和農田殘膜綜合利用、農業清潔生產、農村清潔工程、生態循環農業發展等方面開展工作，取得了積極進展。發展農業循環經濟，必須重視健全政策法規、科學規劃、強化投入、完善機制等環節，下一步將重點抓好節約型農業、農業產業鏈條延伸、廢棄物資源化利用和農業資源保護與利用等工作，把農業循環經濟抓實、抓好。

與會代表現場參觀了阜陽市農業循環經濟發展的典型企業。參會代表還就《關于加快發展農業循環經濟的意見(討論稿)》和推進秸稈綜合利用的政策措施進行了深入交流和探討，結合各自工作實際提出了意見建議，建議國家加大對地方的指導和支持力度。各省、自治區、直轄市及計劃單列市、新疆生產建設兵團循環經濟綜合管理部門、農業部門、典型企業代表等130余人參加了會議。

Development and prospects of hydrothermal treatment process technology

PAN Wei1,LI Mingxiao2,ZHU Chaowei2,XIA Tianming2,LV Ningqing2,ZHU Jinlong2
（1.Environmental Protection Department of Jiangsu Province,Nanjing 210036,China; 2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China）

Recent years，hydrothermal treatment process has attracted much attention at home and abroad.This crafts mainly used in starch hydrolysis of food waste homogenization heat treatment.In this regard，researchers have done a lot of work and research involving hydrothermal treatment process influencing factors of conditions for optimization analysis and the impact of hydrothermal treatment on the structure and properties of the substrate.This paper summarized the results of previous studies，made a conclusion of current hydrothermal precipitation process application of achievements transformation，and made a preliminary outlook on the hydrothermal treatment process to deal with potential application areas.

Hydrothermal treatment process;kitchen waste;starch;construction;factors

X799

A

1674-0912（2014）12-0016-04

2014－10－31）

國家科技支撐“村鎮有機廢棄物高值化分質利用技術集成、裝備研發”項目（2012BAJ21B02）

潘煒（1976-），女，江蘇蘇州人，碩士，主要從事環境監察及驗收工作；通訊作者：夏天明（1989-），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，主要從事有機固體廢棄物資源化利用工作。