蔬菜廢棄物資源化利用—生產乳?；旌巷暳?/h1>
2016-10-25 08:15:22陳靜靜,李建華,TAKAHASHIJUNICHI等
中國科技信息 2016年19期 關鍵詞：利用
蔬菜廢棄物資源化利用—生產乳牛混合飼料
近年來，我國蔬菜產業快速發展。2013年我國蔬菜種植面積2.0899×107 hm2，總產量達7.35×109 t（國家統計局農村社會經濟調查司，2014），分別占世界蔬菜種植面積和產量的41.75%和50.96%，均居世界第一位。由此，隨之產生的蔬菜廢棄物也在不斷增長。我國是世界上農業廢棄物產出量最大的國家，據統計，我國蔬菜廢棄物達到了1.0×109 t。據王亞靜等（2010）統計，我國蔬菜廢棄物可收集利用率為0.80，由此可推算出2013年我國資源化利用的蔬菜廢棄物為2.15×109 t左右。
這些大量的蔬菜廢棄物如果不經過適當處理就將污染排放進入外界環境，將會造成嚴重的環境問題和資源浪費。大量的蔬菜廢棄物積累，與有害微生物相互作用導致腐敗變質。在此過程中生成NH3， H2S， CO2， CH4，乙烯，乙炔等化學物質，導致嚴重的農業生態環境污染，對人類身心健康和正常生活造成影響。根據2008年中國農業大學資源與環境學院的數據統計，2007年北京的蔬菜浪費達到3.333×106 t，其中70%的污染物在不經過任何處理的情況下直接填埋堆肥。這種蔬菜污染可為病原菌傳播提供便利，引起大范圍的蔬菜疾??；并且，此污染也能通過降雨進入地表水和地下水，引起地下污水的滲透和泄漏，這是蔬菜種植區域最嚴重的污染源之一，對當地的環境衛生與農產品安全造成威脅；另外，蔬菜廢棄物富含有大量的從土壤中吸取的有機物，因為其極低的利用率，這些營養物質也被白白浪費。
因此，解決并利用蔬菜垃圾有著極大的需求。目前，國內主要有如下幾種蔬菜廢棄物循環利用方法：熱處理、蒸發、膜處理、厭氧消化、厭氧共消化、生物柴油、直接燃燒、酯交換反應混凝與堆肥。各種方法的優缺點如表1所示。
本實驗利用BIO-PKC微生菌，通過發酵高含水率的農業廢棄物，提高它們的品質，使其易于保存。另外，回收利用蔬菜垃圾可以降低環境污染，通過同步種植蔬菜與飼養動物減少群落的整體能源成本。目前本實驗圍繞利用BIOPKC發酵與保存蔬菜廢棄物的展開初步實驗。
材料與方法
蔬菜垃圾實驗材料
西蘭花廢棄部分：根，莖
微生物材料
BIO-PKC（丸紅，日本）用于發酵蔬菜垃圾。BIO-PKC是一種厭氧菌與好氧菌并存的混合菌種，包括芽孢桿菌、乳酸菌、鏈球菌、白色念珠菌、硝化菌、甲烷氧化菌、硫酸鹽還原菌和光合細菌。
西蘭花廢棄物發酵產物的制作
將西蘭花廢棄物經過切割，并于一定量（0%，1%，2%）BIO-PKC生物菌攪拌均勻，密封并保存在室溫20～35℃的環境中發酵兩個月，每15d進行采樣。
西蘭花廢棄物的發酵產物發酵指標評估：
表1 蔬菜廢棄物循環利用方法
pH， 電導率 NH3-N， 揮發性脂肪酸， 糖類， 乙醇
1） pH 多參數測試儀，梅特勒-托利多，上海
2） 電導率 實驗室電導率儀FE30，梅特勒-托利多，上海
3） NH3-N 納氏試劑分光光度法
4） 揮發性脂肪酸 GC-2010plus氣相色譜儀，島津，日本
5） 乙醇 安捷倫1260高效液相色譜，安捷倫科技，德國
纖維素部分：
1）中性纖維素 NDF 范式洗滌法
2）酸性纖維素 ADF 范式洗滌法
圖1 發酵產品的生產和評價
圖2 用BIO-PKC發酵西蘭花60d中PH值的變化
圖3 用BIO-PKC發酵西蘭花60d中其ORP的變化
圖4 用BIO-PKC 發酵西蘭花60d中乙醇（在干物質中）含量的變化
圖5 用BIO-PKC 對西蘭花發酵60天中乙酸（在干物質中）含量的變化
結果與分析
前15d的發酵中，pH值都從7.1下降到4.0，在后15d中，pH都比較的穩定，用1%的PH值最低。
ORP的變化情況基本呈現V字形，從0到15d，或者30d，ORP從-140下降到了-280，后15d中又有所上升。發酵15d時，2%的BIO-PKC 處理的西蘭花的OPR值最低。
從發酵開始到30d，乙醇含量都在上升，30d后，乙醇的含量基本保持平穩。不用BIO-PKC處理發酵，乙醇的含量最高。
從發酵開始到15d or 30 ，其乙酸的含量會一直上升，經BIO-PKC處理的經60天后其乙酸的含量比不處理的低，根據數據顯示，用1%和2%沒有多大的影響。
盡管在發酵過程中，氨氮的含量呈現出上升的趨勢，但是總體來說，用1%處理的最后的氨基酸含量偏低。
用1%處理和不處理發酵到30d，其ADF含量在增加，但是30d之后，又有所降低，而且1%處理的降的最低
用1%處理和不處理方法，NDF含量在前30d在持續的升高，而后30d又有所下降，并且%1下降到最低。用2%處理的在15d時達到高峰，但以后又陡降
新鮮的西蘭花含有大量的可溶性糖，經過60d的發酵，糖明顯的減少，且最后這三者無顯著差別。但也可以看出：2%＞1%＞0
圖6 用BIO-PKC 對西蘭花發酵60d中氨氮（在干物質中）含量的變化
圖7 用BIO-PKC 對西蘭花發酵60d中ADF（在干物質中）含量的變化
圖8 用BIO-PKC 對西蘭花發酵60d中NDF（在干物質中）含量的變化
圖9 用BIO-PKC 對西蘭花發酵60d中可溶性糖（在干物質中）含量的變化
討論與結論
一般來說， 高水分青貯飼料的厭氧發酵中，對于儲存的反芻家畜飼料合適的pH值是小于4.2，這是因為有機酸比如乳酸和醋酸的生成等。在目前的研究中， 在第15d發酵時，每組西蘭花廢棄物（自然發酵組和BIO-PKC發酵組）中的pH值下降到4左右，乙酸含量也有所增加。通常在早期發酵階段階段，乳酸和醋酸發酵細菌利用可發酵的碳水化合物，如淀粉、糖類等底物，該細菌將在有機酸產生而導致酸性的條件下停止活動， 隨后該細菌的生態系統將被纖維素降解細菌和和半纖維素降解酶取代。
ORP值反映了飼料的氧化還原電位性質。在發酵30d時， ORP通常有所改變（圖3）。即在第一階段的發酵0-30d， ORP大幅下降同時伴隨著乙酸的生成（圖4）。在第二階段30 ～ 60d， ORP由于氨氮的增加ORP值有所上升（圖6）。
對照組中的乙醇含量高于BIO-PKC組，這意味著對于高水分西蘭花廢物自然發酵生成乙醇多于添加了BIOPKC發酵產物中的乙醇 （圖4）。這或許能夠解釋為BIO-PKC優化了微生物代謝，改變微生物生態系統。通常，在新鮮蔬菜廢棄物表面有足夠數量的天然酵母、釀酒酵母，使得厭氧發酵過程中能夠很快產生乙醇。另一方面， BIOPKC包含一個替代酒精發酵酵母，白色念珠菌，這種菌可能與天然釀酒酵母爭奪輕易可發酵碳水化合物基質，生產乙醇和乙酸。此外，對照組的西蘭花廢物中含有天然乳酸細菌，雜發酵乳酸菌， 除了乳酸，這種菌還可以生產乙醇和醋酸。BIO-PKC還包含人類發酵的乳酸菌，這種菌只會產生乳酸。因此，相比于對照組的西蘭花廢物，BIO-PKC生產相對較低的乙醇和乙酸含量，因此推斷出BIO-PKC可促進乳酸的生產。
盡管早期發酵階段，ADF和NDF相對含量明顯增加，但絕對值在這個階段并不一定改變，這個由于發酵過程中，干物質逐步轉變為CO2和水而質量減少所引起的。然而， 30d發酵后，BIO-PKC組中ADF和NDF的含量比對照組中的低，這一變化表明BIO-PKC明顯促進結構性碳水化合物的水解，抑制無用的可溶性碳水化合物發酵 （圖7、8、9）。
通過以上實驗結果分析，我們得出利用纖維素生物質廢物創建高品質的飼料資源，1%含量的BIO-PKC發酵飼料對于2個月的發酵期更為合適的菌種濃度。
10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.035
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這些大量的蔬菜廢棄物如果不經過適當處理就將污染排放進入外界環境，將會造成嚴重的環境問題和資源浪費。大量的蔬菜廢棄物積累，與有害微生物相互作用導致腐敗變質。在此過程中生成NH3， H2S， CO2， CH4，乙烯，乙炔等化學物質，導致嚴重的農業生態環境污染，對人類身心健康和正常生活造成影響。根據2008年中國農業大學資源與環境學院的數據統計，2007年北京的蔬菜浪費達到3.333×106 t，其中70%的污染物在不經過任何處理的情況下直接填埋堆肥。這種蔬菜污染可為病原菌傳播提供便利，引起大范圍的蔬菜疾??；并且，此污染也能通過降雨進入地表水和地下水，引起地下污水的滲透和泄漏，這是蔬菜種植區域最嚴重的污染源之一，對當地的環境衛生與農產品安全造成威脅；另外，蔬菜廢棄物富含有大量的從土壤中吸取的有機物，因為其極低的利用率，這些營養物質也被白白浪費。
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本實驗利用BIO-PKC微生菌，通過發酵高含水率的農業廢棄物，提高它們的品質，使其易于保存。另外，回收利用蔬菜垃圾可以降低環境污染，通過同步種植蔬菜與飼養動物減少群落的整體能源成本。目前本實驗圍繞利用BIOPKC發酵與保存蔬菜廢棄物的展開初步實驗。
材料與方法
蔬菜垃圾實驗材料
西蘭花廢棄部分：根，莖
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西蘭花廢棄物發酵產物的制作
將西蘭花廢棄物經過切割，并于一定量（0%，1%，2%）BIO-PKC生物菌攪拌均勻，密封并保存在室溫20～35℃的環境中發酵兩個月，每15d進行采樣。
西蘭花廢棄物的發酵產物發酵指標評估：
表1 蔬菜廢棄物循環利用方法
pH， 電導率 NH3-N， 揮發性脂肪酸， 糖類， 乙醇
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2） 電導率 實驗室電導率儀FE30，梅特勒-托利多，上海
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4） 揮發性脂肪酸 GC-2010plus氣相色譜儀，島津，日本
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1）中性纖維素 NDF 范式洗滌法
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結果與分析
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從發酵開始到30d，乙醇含量都在上升，30d后，乙醇的含量基本保持平穩。不用BIO-PKC處理發酵，乙醇的含量最高。
從發酵開始到15d or 30 ，其乙酸的含量會一直上升，經BIO-PKC處理的經60天后其乙酸的含量比不處理的低，根據數據顯示，用1%和2%沒有多大的影響。
盡管在發酵過程中，氨氮的含量呈現出上升的趨勢，但是總體來說，用1%處理的最后的氨基酸含量偏低。
用1%處理和不處理發酵到30d，其ADF含量在增加，但是30d之后，又有所降低，而且1%處理的降的最低
用1%處理和不處理方法，NDF含量在前30d在持續的升高，而后30d又有所下降，并且%1下降到最低。用2%處理的在15d時達到高峰，但以后又陡降
新鮮的西蘭花含有大量的可溶性糖，經過60d的發酵，糖明顯的減少，且最后這三者無顯著差別。但也可以看出：2%＞1%＞0
圖6 用BIO-PKC 對西蘭花發酵60d中氨氮（在干物質中）含量的變化
圖7 用BIO-PKC 對西蘭花發酵60d中ADF（在干物質中）含量的變化
圖8 用BIO-PKC 對西蘭花發酵60d中NDF（在干物質中）含量的變化
圖9 用BIO-PKC 對西蘭花發酵60d中可溶性糖（在干物質中）含量的變化
討論與結論
一般來說， 高水分青貯飼料的厭氧發酵中，對于儲存的反芻家畜飼料合適的pH值是小于4.2，這是因為有機酸比如乳酸和醋酸的生成等。在目前的研究中， 在第15d發酵時，每組西蘭花廢棄物（自然發酵組和BIO-PKC發酵組）中的pH值下降到4左右，乙酸含量也有所增加。通常在早期發酵階段階段，乳酸和醋酸發酵細菌利用可發酵的碳水化合物，如淀粉、糖類等底物，該細菌將在有機酸產生而導致酸性的條件下停止活動， 隨后該細菌的生態系統將被纖維素降解細菌和和半纖維素降解酶取代。
ORP值反映了飼料的氧化還原電位性質。在發酵30d時， ORP通常有所改變（圖3）。即在第一階段的發酵0-30d， ORP大幅下降同時伴隨著乙酸的生成（圖4）。在第二階段30 ～ 60d， ORP由于氨氮的增加ORP值有所上升（圖6）。
對照組中的乙醇含量高于BIO-PKC組，這意味著對于高水分西蘭花廢物自然發酵生成乙醇多于添加了BIOPKC發酵產物中的乙醇 （圖4）。這或許能夠解釋為BIO-PKC優化了微生物代謝，改變微生物生態系統。通常，在新鮮蔬菜廢棄物表面有足夠數量的天然酵母、釀酒酵母，使得厭氧發酵過程中能夠很快產生乙醇。另一方面， BIOPKC包含一個替代酒精發酵酵母，白色念珠菌，這種菌可能與天然釀酒酵母爭奪輕易可發酵碳水化合物基質，生產乙醇和乙酸。此外，對照組的西蘭花廢物中含有天然乳酸細菌，雜發酵乳酸菌， 除了乳酸，這種菌還可以生產乙醇和醋酸。BIO-PKC還包含人類發酵的乳酸菌，這種菌只會產生乳酸。因此，相比于對照組的西蘭花廢物，BIO-PKC生產相對較低的乙醇和乙酸含量，因此推斷出BIO-PKC可促進乳酸的生產。
盡管早期發酵階段，ADF和NDF相對含量明顯增加，但絕對值在這個階段并不一定改變，這個由于發酵過程中，干物質逐步轉變為CO2和水而質量減少所引起的。然而， 30d發酵后，BIO-PKC組中ADF和NDF的含量比對照組中的低，這一變化表明BIO-PKC明顯促進結構性碳水化合物的水解，抑制無用的可溶性碳水化合物發酵 （圖7、8、9）。
通過以上實驗結果分析，我們得出利用纖維素生物質廢物創建高品質的飼料資源，1%含量的BIO-PKC發酵飼料對于2個月的發酵期更為合適的菌種濃度。
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