火龍果果皮產沼氣發酵實驗研究

李映娟，何耀瑩，楊 斌，柳 靜，尹 芳，張無敵

(1.云南師范大學 能源與環境科學學院，云南 昆明 650500；2.昆明振華制藥廠有限公司，云南 昆明 650034)

火龍果，學名量天尺(Hylocereusundatus)，屬被子植物門、雙子葉植物綱、原始花被亞綱、仙人掌目、仙人掌科、三角柱屬植物[1].火龍果果實常作為水果、蔬菜，因其含有豐富的花青苷、植物白蛋白、維生素C和膳食纖維等營養物質，是優良的綠色保健食品[2].火龍果花也因具有大量的活性成分被開發成干菜用作煲湯或飲料.近年來發現火龍果莖中黃酮類化合物含量豐富[3-4]，并含有豐富的礦物質、維生素E、植物甾醇以及火龍果莖多糖等活性物質[5]，現已被開發成保健藥品、食品，動物飼料和日用化妝品原料[2].可以說火龍果的果實、莖、花等部分的資源化利用程度很高，但火龍果果皮的加工利用率極低，基本上都是作為廢物處理[6].

近年來，很多學者開始對火龍果果皮的資源化利用做了一些相關的研究[7-8]，可作為食品添加、化妝品添加等用途使用，是綠色、安全的天然色素.為充分利用有限資源并產生環保效益的同時開發出清潔能源，采用厭氧發酵技術對火龍果果皮進行產甲烷發酵，火龍果果皮的資源化利用開發一條新的途徑和為火龍果果皮的合理利用提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 發酵原料

火龍果果皮樣品取自云南永勝縣.經測定，新鮮紅心紅皮火龍果果皮總固體含量(TS)為15.74%，揮發性固體含量(VS)為86.37%，新鮮白心紅皮火龍果果皮TS為19.30%，VS為82.60%.

1.2 接種物

接種物為本實驗采用豬糞發酵后的活性污泥.經測定其pH為7.0，TS為15.55%，VS為64.02%.

1.3 實驗設計

本實驗設計2個實驗組和1個對照組.2個實驗組分別以紅心紅皮火龍果果皮和白心紅皮火龍果果皮為發酵原料，每個實驗組設置3個平行實驗.設計發酵料液濃度為6%，接種量為30%，發酵瓶總有效容積為500 mL，發酵料液容積為400 mL.因此，2個實驗組火龍果果皮的添加量為57.30 g,接種物的添加量為120 mL，最后補水至400 mL.對照組也設置3個平行，分別向3個平行試驗中加入120 mL接種物，補水至400 mL.

1.4 實驗裝置

采用實驗室自制的恒溫水浴裝置，控制水溫(30±2)℃，沼氣發酵的實驗裝置見圖1.該裝置由厭氧發酵系統(厭氧發酵瓶、排水集氣瓶及體積計量瓶)和溫控系統等組成.在厭氧發酵系統中，厭氧發酵瓶為廣口瓶(500 mL)，用帶玻璃導管的橡皮塞封口；排水集氣瓶為下口三角瓶(500 mL)，用帶玻璃三通管的橡皮塞封口；體積計量瓶為自制的500 mL廣口瓶；厭氧發酵瓶、排水集氣瓶和體積計量瓶通過 8 mm 的乳膠管連接.溫控系統由水槽、電熱管、循環水泵、交流接觸器、熱電偶等組成.

1.5 分析項目及測定方法

1.5.1 產氣量

利用排水集氣法，發酵瓶中每天產生的沼氣把集氣瓶中的水壓入計量瓶中，通過計量瓶上的刻度標記，讀取水的體積，即每天的產氣量.記錄對照組和實驗組3個平行每天的產氣量，以實驗組每天的平均產氣量減去對照組每天的平均產氣量即可得到實驗組每天的凈產氣量.

1.5.2 甲烷含量

采用GC-6890A氣相色譜儀測定所產沼氣中的甲烷含量.日產氣量超過250 mL進行測量，若不足則累積至250 mL進行測量以保證測量的準確性.

1.5.3 pH值

采用精密pH試紙，測定發酵前后發酵液的pH值.

1.5.4 TS(總固體含量)

將樣品在(105±2)℃的烘箱中烘干至恒重，計算樣品除水分后干物質占樣品總量的質量分數[14].

1.5.5 VS(揮發性固體含量)

將測定過TS的樣品在馬弗爐中550±20 ℃下燒至恒重，所得固體為灰分，將干物質含量減去灰分，即的揮發分重量，將揮發分重量除以干物質重量即得揮發性固體含量[14].

2 結果分析

2.1 產氣情況分析

每天定時記錄實驗組和對照組的產氣量，并以3個平行實驗的平均值為當天的產氣量, 以實驗組每天的平均產氣量減去對照組每天的平均產氣量即可得到實驗組每天的凈產氣量.作實驗組日產氣量與發酵時間的相關性曲線，結果見圖2.

從圖2中可以看出，紅心紅皮火龍果果皮實驗組發酵進行了29 d，其中出現4個產氣高峰和3個產氣低谷，第12天產氣達到最高峰，第8天產氣達到最低谷，由此可以看出，產氣高峰滯后于產氣低谷.整個曲線的走勢并未呈現出沼氣發酵的一般規律，發酵過程中產氣較不穩定.

白心紅皮火龍果果皮實驗組發酵歷程29 d，過程中共出現5個產氣高峰和4個產氣低谷，發酵第2天即達到產氣最高峰，第8天即出現產氣最低谷，很明顯產氣高峰前于產氣低谷.從整個曲線來看，發酵過程中產氣不穩定，日產氣量并未呈現出沼氣發酵明顯的規律.

從圖2中可以直觀地看出，2個實驗組的發酵規律存在一定的相似點和不同點.首先，2條曲線的起點都較高，即發酵開始的第1天產氣都很高，分別達到200 mL(白心紅皮火龍果果皮實驗組)和 280 mL(紅心紅皮火龍果果皮實驗組).其次，2條曲線都有幾個很突出的峰和谷，即發酵過程中產氣不穩定，產氣時高時低.再次，雖產氣量不穩定，但2條曲線都出現了很明顯的產氣高峰和產氣低谷.最后，發酵進行到一定程度時，產氣趨于穩定并表現出產氣量的一致性，產氣主要集中在前20天.

2個實驗組產氣規律的不同點也很明顯.第1，產氣起點不同，即發酵開始的第1天，紅心紅皮火龍果果皮的產氣量大于白心紅皮火龍果果皮的產氣量.第2，白心紅皮火龍果果皮的產氣高峰前于紅心紅皮火龍果果皮，產氣低谷在時間上卻保持一致，只是產氣量有所不同.

2.2 甲烷含量分析

用氣相色譜對所產沼氣進行成分測定，沼氣中主要成分為甲烷、二氧化碳、氫氣等，對其中的甲烷含量與發酵時間做關系曲線，結果見圖3.

從圖3可以看出，2個實驗組所產沼氣中甲烷含量的變化趨勢是一致的，都是從低逐步升高至趨于平緩.所不同的是：白心紅皮火龍果果皮實驗組甲烷含量前期總體高于紅心紅皮實驗組.白心紅皮火龍果果皮實驗組甲烷含量在第7天突然升高至70.40%，隨后趨于平緩，但總體還是高于紅心紅皮實驗組的甲烷含量，甲烷含量最高可達77.30%.而紅心紅皮火龍果果皮實驗組甲烷含量則從開始到最后一致平穩上升最后趨于平緩，甲烷含量最高達到80.21%，高于白心紅皮實驗組.結合圖2中的日產氣量來分析，雖然2個實驗組的產氣不穩定，但氣體中的甲烷含量上升趨勢卻很穩定.

2.3 累積產氣量及產氣速率分析

將圖2的數據進行整理，按每5 d進行一次產氣量累計，并將累計產氣量除以總產氣量得到混合接種物實驗組和牛糞發酵液接種物實驗組的累計產氣量和產氣速率，見表1.

表1 不同實驗組累積產氣量和產氣速率

從表1可以看出，從總產氣量來看，在29 d的發酵時間內，紅心紅皮火龍果果皮實驗組的總產氣量為 4 420 mL，白心紅皮火龍果果皮實驗組的總產氣量為 4 240 mL，總體上低于紅心紅皮火龍果果皮實驗組.從產氣速率來看，第1～10天白心紅皮火龍果果皮實驗組的產氣速率高于紅心紅皮火龍果果皮實驗組，第10天以后紅心紅皮火龍果果皮實驗組的產氣速率逐漸超過白心紅皮火龍果果皮實驗組，最后2個實驗組的產氣速率趨于平緩.從表中可以很明顯的看出，在第15天2個實驗組的產氣速率均高于80%，紅心紅皮火龍果果皮實驗組的略高于白心紅皮火龍果果皮實驗組.而在第20天以后2個實驗組的產氣速率都超過90%，因此可以看出第20～29天這幾天的產氣效率極低，這主要是由于有機質在前20 d左右被發酵微生物消耗，發酵體系中可利用的有機質剩余量較少，發酵微生物缺乏基質，故產氣較少.

2.4 發酵前后料液的TS、VS及pH分析

表2 實驗組發酵前后料液的TS、VS及pH變化

從表2可以看出，2個實驗組的TS、VS和pH在發酵前后發生了很大的變化，紅心紅皮火龍果果皮實驗組TS降解率為29.51%，VS降解率為32.93%，白心紅皮火龍果果皮實驗組TS降解率為30.72%，VS降解率為34.07%.從數據來看，白心紅皮火龍果果皮實驗組的降解率要高于紅心紅皮火龍果果皮實驗組.從果皮本身的有機質含量來說紅心紅皮火龍果果皮的VS(86.37%)含量大于白心紅皮火龍果果皮的VS(82.60%)，但在發酵體系中出現降解率小于白心紅皮火龍果果皮的現象，這就充分說明紅心紅皮火龍果果皮中可被發酵微生物降解的有機質多子紅心紅皮火龍果果皮.單從這點來看，白心紅皮火龍果果皮更適合用來沼氣發酵.從pH的變化來看，2個實驗組的初始pH均略微偏酸性，但發酵結束時都呈中性.這種情況在發酵過程中很普遍.沼氣發酵微生物最適宜的pH值為6.5～7.5.超出這一范圍，沼氣微生物的代謝將減慢或產甲烷菌受抑制或是被殺死.因此，維持沼氣發酵適宜的pH值是保證正常產氣的又一關鍵性指標.本次實驗中，發酵起始和結束時的pH均在沼氣發酵適宜的pH值范圍內.至于pH值的微小變化，主要是由于在沼氣發酵過程中，大量有機酸產生，沼氣發酵微生物為了維持適宜的pH值，氨化細菌的氨化作用產生緩沖劑氨，形成沼氣發酵體系內的能自動調節pH值的緩沖體系.

2.5 產氣潛力分析

實驗組的TS產氣率、VS產氣率和原料產氣率如表3所示.

表3 實驗組的產氣潛力 mL/g

從表3的數據可以看出，2個實驗組的產氣潛力都很高，紅心紅皮火龍果果皮實驗組的TS、VS和原料產氣率都高于白心紅皮火龍果果皮實驗組的.從產氣潛力來比較，紅心紅皮火龍果果皮的產氣潛力大于白心紅皮火龍果果皮，因此其更適合用來沼氣發酵.

2.6 各種水果果皮的產沼氣潛力的比較

為了進一步評價火龍果果皮的產氣潛力，對發酵溫度30 ℃左右的各類水果果皮的發酵原料的發酵時間及TS產氣率進行了統計，結果見表4所示.

表4 不同水果果皮發酵原料的產氣潛力

從表4可以看出，各種水果果皮的產氣潛力均較高.其中，西番蓮果皮、香蕉皮、菠蘿皮甚至是葡萄皮，這幾種水果果皮的發酵時間都在30 d左右，但他們的TS產氣率均高于本文2個火龍果果皮實驗組，TS產氣率是火龍果果皮的0.25～0.86倍，因此這些水果果皮的產氣效率遠遠高于2個火龍果果皮實驗組.而西瓜皮在92 d的發酵時間內，TS產氣率僅達 669 mL/g TS，這相比于2個火龍果果皮實驗組的29 d內的TS產氣來說，雖然其數值大于火龍谷果皮，但其產氣效率遠遠低于2個火龍果果皮實驗組.與菠蘿蜜果皮相比，2個火龍果果皮實驗組無論在發酵時間上還是在TS產氣率上來說都優于菠蘿蜜果皮.

3 能源轉化率

本實驗中，紅心紅皮火龍果果皮實驗組共產氣 4 420 mL，平均甲烷含量為63.26%.白心紅皮火龍果果皮實驗組共產氣 4 240 mL，平均甲烷含量為65.42%.甲烷熱值為 35 965 kJ/m3,則實驗過程中，紅心紅皮火龍果果皮所產生的甲烷的熱值為：35 965×63.26%×4 420÷106= 100.56 kJ；白心紅皮火龍果果皮所產甲烷的熱值為 35 965×65.42%×4 240÷106=99.76 kJ.而火龍果的熱值為 249.46 kJ/100 g，試驗中，火龍果果皮的用量為57.30 g，則實驗所用果皮所產的理論熱值為：249.46×57.30%=142.94 kJ.所以，紅心紅皮火龍果果皮沼氣發酵的能源轉化率為：100.56÷142.94×100%=70.38%，而白心紅皮火龍果果皮沼氣發酵的能源轉化率為：99.76÷142.94×100%=69.80%.因此，從能源開發利用來看，紅心和白心紅皮龍果果皮的能源轉化效率接近70%，具有可開發利用的潛力.

4 結論

在30 ℃下，采用豬糞發酵料液為接種物，對紅心紅皮和白心紅皮2種火龍果果皮進行批量式厭氧發酵產沼氣.發酵歷時29天，紅心紅皮火龍果果皮共產沼氣 4 420mL，TS產氣率達 490 mL/g TS，VS產氣率達 667 mL/g VS，原料產氣率達 77 mL/g.而白心紅皮火龍果果皮共產沼氣 4 240 mL，TS產氣率達 383 mL/g TS，VS產氣率達 464 mL/g VS，原料產氣率達 73 mL/g.由此可以看出，紅心和白心差別不大.而從能源轉化率的角度來看，紅心和白心紅皮龍果果皮的能源轉化效率接近70%，具有沼氣能源可開發利用的潛力.

參考文獻:

[1] 曾建飛.中國植物志(52卷)[M].北京：科學出版社，1999.

[2] 周麗屏，郭璇華.火龍果莖的生物活性成分及其開發應用前景[J].食品研究與開發，2007，28(7)：169-172

[3] 戴文娟，郭璇華.大孔樹脂吸附純化火龍果莖黃銅類化合物的研究[J].科學研究，2009，30(11)：65-69

[4] 郭璇華，戴文娟，梁博，等.分光光度法測定火龍果莖中黃銅類化合物的含量[J].中國食品添加劑分析測試，2010(6)：210-228

[5] 李海勝，張興無.火龍果果實和花及莖的應用研究現狀[J].安徽農業科學，2009，37(9)：4007-4009

[6] 梁彬霞，趙文紅，白衛東，等.火龍果果皮色素提取工藝研究[J].中國食品添加劑，2011(3)：103-108.

[7] 王寶森，白紅麗，郭俊明，等.火龍果礦物元素含量分析[J].江蘇農業科學，2009(3)：313-314.

[8] 鄭公銘，李向陽，葉武基.火龍果皮紅色素研究[J].茂名學院學報，2005，15(3)：5-7.

[9] 張無敵，宋洪川，尹芳，等.沼氣發酵與綜合利用[M].昆明：云南科技出版社，2004：104-106.

[10] 李永波，郭德芳，張建鴻，等.西番蓮果皮發酵產沼氣潛力的實驗研究[J].云南師范大學學報：自然科學版，2013，33(3)：12-16.

[11] 朱海春，劉世清，尹芳，等.香蕉皮沼氣發酵的實驗研究[J].農業與技術，2007，27(4):74-79.

[12] 陳麗瓊，尹芳，官會林，等.西瓜皮發酵產沼氣潛力的研究[J].農業與技術，2005，25(4)：75-78.

[13] 查國君，張無敵，尹芳，等.菠蘿皮厭氧發酵產沼氣的研究[J].能源工程，2007，(1)： 41-43.

[14] 柳靜，張無敵，尹芳，等．葡萄皮渣的沼氣發酵潛力研究[J]．安徽農業科學，20l0，38(22)：11939-11940．

[15] 阮越強，劉麗春，郭德芳，等.菠蘿蜜廢棄物沼氣發酵的實驗研究[J].云南師范大學學報：自然科學版，2013，33(3)：22-25.