溫度對接種酵母菌和醋酸菌餐廚垃圾微氧發酵產乙酸的影響

李 陽,周 濤,陳善平,張 駿,宋立杰,趙由才*(.同濟大學,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 0009；.上海市環境工程設計科學研究院有限公司,上海 003)

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溫度對接種酵母菌和醋酸菌餐廚垃圾微氧發酵產乙酸的影響

李 陽1,周 濤1,陳善平2,張 駿1,宋立杰2,趙由才1*(1.同濟大學,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092；2.上海市環境工程設計科學研究院有限公司,上海 200232)

摘要：通過間歇實驗,探究了溫度(25,35,45,55℃)對餐廚垃圾接種酵母菌和醋酸菌后產乙酸和揮發性脂肪酸的影響.結果表明,控制溫度在25℃時,發酵液中乙酸濃度遠高于35、45和55℃,發酵8d后,乙酸的產量最大,達到0.59g/L;最大的VFA濃度在25℃下獲得,達34.49g/L.VFA中以乙酸為主,并有少量丙酸和丁酸產生.隨溫度的逐漸升高,TS和VS去除率先上升后下降,在35℃時,發酵底物餐廚垃圾的TS和VS去除率最高,為30%和60%左右.

關鍵詞：餐廚垃圾；酵母菌；醋酸菌；乙酸；溫度

* 責任作者, 教授, zhaoyoucai@tongji.edu.cn

近年來,由于人民生活水平的提高和城市化進程的加快,餐廚垃圾的產生量逐年增長.在亞洲國家,2005～2025年間,城市中產生的餐廚垃圾將從每年的2.78億t增加到4.16億t[1],上海市每天餐廚垃圾的產生量超過1300t[2].餐廚垃圾具有高含水率、高有機質等特點,作為生活垃圾主要組成部分,收集或處理不當不僅會造成二次污染,同時也會影響人類的健康、城市市容和環境衛生.

目前,國內外的研究主要集中于通過將餐廚垃圾或已接種污泥等其他物質的餐廚垃圾進行厭氧發酵,轉化為氫氣[3]、沼氣[4]、乙醇[5-7]、乳酸[8]或有機肥[9]等.另有部分研究集中于將餐廚垃圾進行厭氧發酵生產揮發性脂肪酸[10-13],但關于餐廚垃圾微氧條件下生產乙酸的研究卻鮮有報道.覃莉等[14]通過單因素試驗篩選了酵母菌和醋酸菌混合發酵生產醋酸的最佳工藝條件,得出酵母菌醋酸菌混合發酵在醋酸的生產上是可行的這一結論.

溫度是控制餐廚垃圾發酵產酸重要條件之一,主要原因在于溫度對酶活性具有較大程度的影響,對微生物的生長代謝具有重要作用.因此,本文在之前研究[15]的基礎上系統考察了微氧條件下,不同溫度對接種酵母菌和醋酸菌的餐廚垃圾發酵產乙酸的影響,并對發酵過程機制做了初步探討.

1 材料與方法

1.1 餐廚垃圾來源和特性

實驗餐廚垃圾取自上海市同濟大學某食堂,剔除其中的骨頭等硬物及塑料袋、筷子等雜物后用食物粉碎機將其粉碎后用2mm篩網過篩.餐廚垃圾包含米飯、蔬菜、肉、蛋等,其基本特性如表1所示.餐廚垃圾處理后置于4℃環境下防止預酸化.試驗所用酵母菌為安琪高活性干酵母(固體),其主要成分為釀酒酵母,來自湖北安琪酵母股份有限公司;醋酸菌為滬釀1.01號醋酸菌(固體),其主要成分為釀造醋酸,上海佳民釀造食品有限公司釀造一廠.

表1 餐廚垃圾的測定指標及性能Table 1 Representative composition and parameters of food wastes used for acetic acid fermentation

1.2 實驗條件和操作

實驗稱取300g經過處理的餐廚垃圾放置在500mL血清瓶中,向1、2、3、4號瓶添加10%(質量分數)的高活性干酵母和10%(質量分數)的醋酸菌,分別將1、2、3、4號瓶置于25、35、45、55℃恒溫水浴鍋中,每種溫度設置3個瓶作為平行樣.血清瓶塞連接注射針頭,通過測定ORP值嚴格控制含氧量,將ORP值限制在- 250 ～ l50mV范圍內,形成微氧環境.前2d每8h測定發酵液pH 值, 2d后每24h測定發酵液pH值,并取樣測定發酵液中揮發性有機酸(乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸、異戊酸)的濃度.

1.3 分析方法

TS、VS、凱氏氮和COD采用標準方法測定[16].pH值采用pH計測定(PHS-3C,上海雷磁), ORP值采用ORP計測定(PHS-3C,上海雷磁), VFA經過預處理后測定.預處理方法為:取樣后將樣品以5000r/min 離心20min,上清液經0.45μm 微孔濾膜過濾.揮發性脂肪酸采用氣相色譜法測定,選用美國安捷倫公司氣相色譜儀Agilent 6890N(FID氫火焰離子化檢測器).測試條件:進樣口溫度為200℃,檢測器溫度為220℃,不分流進樣,進樣量1μL,色譜柱為DB-WAX-etr極性柱(30.0m×0.53mm×1.00μm),條件為恒溫恒壓,壓力為30.37kPa.

2 結果與討論

2.1 溫度對發酵液中pH值的影響

接種酵母菌和醋酸菌后的餐廚垃圾在微氧發酵過程中,進行水解酸化過程,不斷產生VFA.VFA是餐廚垃圾降解時產生的重要中間產物,當產生的VFA不能及時轉移時,會導致揮發性脂肪酸生成速度大于消耗速度,從而出現酸積累使pH值下降[5].

圖1 溫度對發酵液pH值的影響Fig.1 Effect of different temperatures on pH value over time of fermentation liquid

由圖1可見,在微氧發酵過程中,餐廚垃圾接種酵母菌和醋酸菌后快速完成水解酸化階段.pH值隨著餐廚垃圾微氧發酵過程的進行先快速下降后逐漸放緩,最后趨于穩定在3.50～4.50.控制溫度為25℃時,pH值在微氧發酵的第5d開始趨于穩定;控制溫度為35℃時,pH值在微氧發酵的第3d開始趨于穩定;控制溫度為45℃時,pH值在微氧發酵的第16h開始趨于穩定;控制溫度為55℃時,pH值在微氧發酵的第8h開始趨于穩定.隨著控制溫度的升高,pH值達到穩定的時間逐漸縮短,發酵過程中餐廚垃圾水解酸化速率加快,說明了溫度是影響發酵物水解的一個重要因素,溫度升高會加快發酵底物的水解速率,這與吳云等[17]的研究結果一致.

2.2 溫度對發酵液中乙酸產量的影響

圖2和圖3顯示了不同溫度條件下VFA濃度與乙酸濃度的變化.接種酵母菌和醋酸菌后的餐廚垃圾在微氧發酵過程中,在4個溫度條件下乙酸濃度高低依次為25℃>35℃>45℃>55℃.控制溫度為25℃,發酵時間為8d時乙酸濃度升高,達到最大值64g/L;控制溫度為35℃時,乙酸濃度呈直線上升,發酵32h 后,最大乙酸濃度達到27g/L,之后緩慢下降至趨于穩定;控制溫度為45℃和55℃時,乙酸濃度快速升高,分別發酵16h與24h后,乙酸濃度達到11g/L,之后緩慢下降至趨于穩定.

圖2 溫度對VFA產量的影響Fig.2 Effect of different temperatures on VFA yield over time of fermentation liquid

溫度為35、45、55℃時的乙酸和VFA產量要低于25℃時的產量,這可能是因為微生物中發酵菌群多為中溫菌群[18],溫度過低和過高都會影響發酵菌群正常的生命活動.隨著溫度從25℃逐漸升高至55℃時,乙酸產量、VFA產量逐漸降低.因此確定了接種酵母菌和醋酸菌的餐廚垃圾微氧發酵產乙酸的最佳溫度為25℃.

圖3 溫度對乙酸產量的影響Fig.3 Effect of different temperatures on acetic acid production over time of fermentation liquid

2.3 溫度對發酵液中VFA組分及其產量的影響

對發酵液中的VFA組分進行了分析.不同溫度條件下VFA組分與產量對比如圖4所示,結果表明,發酵液中存在乙酸、丙酸、正丁酸等.在4個溫度條件下,VFA中主要組分都是乙酸,乙酸比例均≥79%(質量分數),而丙酸和正丁酸的產量都較低.其中,控制溫度為25℃時,VFA中主要組分為乙酸、丙酸、正丁酸,且隨著發酵的進行,乙酸產量逐漸升高,約占VFA總量的80%(質量分數),丙酸產量下降至0,正丁酸產量保持穩定低量,約占20%(質量分數);控制溫度為35℃時,VFA中主要組分為乙酸、丙酸,隨著發酵的進行,乙酸產量先逐漸增加,后趨于穩定;控制溫度為45℃時,VFA中主要組分為乙酸、丙酸,隨著發酵的進行,乙酸產量升高,約占93%(質量分數);控制溫度為55℃時,VFA中主要組分為乙酸、丙酸,隨著發酵的進行,乙酸和丙酸產量變化不大,分別約占79%(質量分數)和 21%(質量分數).與35℃中溫條件下的試驗結果相比較,25℃條件下丙酸比例有所上升,乙酸比例有所下降;45℃與55℃條件下乙酸比例略微下降,丁酸的比例有所上升,這與趙杰紅等[18]的研究結果相一致.

圖4 不同溫度條件下VFA組分與產量對比Fig.4 Comparison of VFA components and yield under different temperature conditions

由本研究結果可以看出,控制溫度為25℃時,乙酸的產生量大,達到31.8g/L,VFA的產生量大,達到39.2g/L;控制溫度為35℃時,乙酸在VFA中的比例最大,48h后比例可達100%;控制溫度為45℃和55℃時,乙酸與VFA產量下降.控制不同的溫度條件可以分別獲得高的乙酸產量、VFA產量或較高乙酸比例的VFA.因此,可以根據不同的需求,控制溫度在25℃或35℃以獲得高的乙酸產量、VFA產量或較高乙酸比例的VFA.

2.4 溫度對發酵液中VS去除率的影響

揮發性固體(VS)去除率是衡量發酵底物降解程度的關鍵性指標,目前它被廣泛應用于評價產酸過程中體系發酵底物的降解程度.圖5表示不同溫度下發酵液中TS及VS去除率,可以看出隨著溫度的逐漸升高,TS和VS去除率經歷先上升后下降的過程.在35℃時,發酵底物餐廚垃圾的TS和VS去除率最高,為30%和60%左右.而在溫度為55℃時最低,TS去除率為10.37%,僅為35℃時TS去除率的1/3;VS 去除率為38.09%,僅為35℃時VS去除率的1/2.溫度逐漸升高至30℃附近時,發酵液中水解酸化菌的數量增多,活性增強,對外界條件變化的適應能力相對增強[19],且恰在外加菌種(酵母菌和醋酸菌)最適生長溫度范圍內,因此在25℃和35℃時TS和VS去除率要高于45℃和55℃.

2.5 餐廚垃圾接種酵母菌和醋酸菌微氧發酵產酸機制研究

在水解發酵階段,餐廚垃圾中不溶性的大分子有機物首先被轉化為能被細菌所利用的小分子有機物.之后在微生物的作用下,轉化為長鏈脂肪酸、糖類、氨基酸等物質,最終形成以短鏈揮發性有機酸(乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等)和乙醇為主的末端發酵產物[20].餐廚垃圾進行發酵會產生大量短鏈脂肪酸,而其中乙酸占主導地位.

圖5 不同溫度條件下發酵液中TS去除率與VS去除率Fig.5 The removal rate of TS and VS in fermentation liquids under different temperature conditions

水解是限制有機物降解的主要因素[21].提高溫度可以加快有機物質的水解,溫度越高,有機質分子活動越強烈,且能夠增加某些有機物質的溶解性,使有機質更易降解,且在其他條件不變的情況下,碳水化合物更易被水解[22].接種酵母菌后,餐廚垃圾在微氧或兼性環境下更容易被水解,如淀粉、蛋白質.酵母菌將餐廚垃圾中小分子物質轉化成乙醇和水,醋酸菌能將乙醇氧化成乙酸,已經成為工業制醋的主要方式.

發酵液可以在微氧條件下水解酸化階段去除部分易降解有機物質,主要強化了兼性水解酸化菌的生理代謝功能,且促進了難生物降解物質的水解酸化效果.同時可使VFA濃度大幅上升,能夠改善生物降解性能[23].因此,相較于傳統的厭氧條件進行發酵,餐廚垃圾發酵液在微氧條件下能夠更好地進行降解,同時滿足酵母菌和醋酸菌的生長環境條件.

此外,微生物的生命活動、物質代謝與溫度有密切的關系,不同微生物生長對溫度的要求不同,過高或過低的溫度對微生物的生長不利.酵母菌的最適生長溫度一般在20～30℃,醋酸菌的最適生長溫度30～35℃,氧化酒精生成醋酸的能力強.接種酵母菌和醋酸菌后餐廚垃圾中的有機物經歷了水解階段以后,在酵母菌的作用下進行小分子轉化為乙醇;在醋酸菌的作用下將乙醇轉化為乙酸,從而進行發酵產酸.在微氧發酵中,維持相對較低的發酵溫度可以增強接種酵母菌和醋酸菌的餐廚垃圾產乙酸容量,促進菌體生長,進而為發酵后期提供穩定的產乙酸能力.

3 結論

3.1 接種酵母菌和醋酸菌的餐廚垃圾微氧發酵產乙酸,溫度對乙酸的產生量影響顯著.

3.2 控制溫度為25℃時,乙酸的產生量達到31.8g/L, VFA的產生量達到39.2g/L;控制溫度為35℃ 時,乙酸在VFA中的比例最大, 48h后比例可達100%;控制溫度為45℃和55℃ 時, 乙酸與VFA產量下降.可以根據不同的需求, 控制溫度在25℃或35℃以獲得高的乙酸產量、VFA產量或較高乙酸比例的VFA.

3.3 接種酵母菌和醋酸菌的餐廚垃圾微氧發酵產乙酸的最佳溫度為25 ℃.

3.4 控制溫度為25℃時,發酵液中產生乙酸、正丁酸;控制溫度為35℃時,只產生乙酸;控制溫度為45℃和55℃時,同時產生乙酸和正丁酸.

3.5 隨溫度的逐漸升高,TS和VS去除率先上升后下降,在35℃時,發酵底物餐廚垃圾的TS和VS去除率最高,為30%和60%左右.微氧條件強化了兼性水解酸化菌的生理代謝功能,改善了生物降解性能,促進了難生物降解物質的水解酸化效果.

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Effects of temperature on the production of acetic acid from food wastes by yeast and acetic acid bacteria during micro-aerobic fermentation.

LI Yang1, ZHOU Tao1, CHEN Shan-ping2, ZHANG Jun1, SONG Li-jie2, ZHAO You-cai1*(1.The State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Shanghai Institute for Design and Research on Environmental Engineering Co., Ltd, Shanghai 200232, China).China Environmental Science, 2016,36(1)：175～180

Abstract：This study carried out batch experiments to explore the effects of temperature at 25, 35, 45, 55℃ on acetic acid and volatile fatty acids production from food wastes with yeast and acetic acid bacteria as inoculums during micro-aerobic fermentation.The results showed that the concentration of acetic acid fermentation is the maximum of 0.59g/L at 25℃after eight days’ fermentation, much higher than those at 35, 45 and 55℃, with the highest concentration of VFA up to 34.49g/L at 25℃.VFA thus produced contains acetic acid mostly, with a few amount of propionate and butyrate.The optimum temperature on acetic acid production of food wastes inoculated yeast and acetic acid bacteria during micro-aerobic fermentation is 25℃.With the temperature gradually increased, TS and VS removal rate increased at first and then decreased.At 35℃, TS and VS removal rate of fermentation substrates is the highest, about 30% and 60%, respectively.

Key words：food wastes；yeast；acetic acid bacteria；acetic acid；temperature

中圖分類號：X705

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)01-0175-06

收稿日期：2015-05-25

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51278350)

作者簡介：李 陽(1991-),女,黑龍江哈爾濱人,同濟大學碩士研究生,主要從事餐廚垃圾處理處置與資源化研究.