獼猴桃皮中溫發酵產沼氣潛力的實驗研究

曾 錦， 徐 銳， 張無敵， 王艷飛， 梁高飛， 欣 娜， 衡圓圓， 賀 俊

(云南師范大學 能源與環境科學學院， 云南 昆明 650500)

獼猴桃，又名奇異果、藤梨、狐貍桃等，是山茶目、獼猴桃科植物獼猴桃樹的成熟果實。獼猴桃擁有多樣性的營養成分，營養價值高，其富含大量人體必須的維生素C、礦物質及纖維等[1-2]，在中國素有“果中之王”的美稱，備受現代人的青睞。

進入21世紀以來，中國獼猴桃展業發展迅速，陜西、四川、浙江等省份的獼猴桃栽培面積和總產量均有明顯提高。據不完全統計，全國獼猴桃栽培面積約為6萬hm2，年產量45萬t左右[3]。獼猴桃皮是在其果實加工成果汁飲料和果片后剩下的副產品，其質量約占全果總質量的10%～16%，經過測定獼猴桃皮中含有粗蛋白6.4%、粗脂肪1.4%及粗纖維16.2%[4]，富含較高有機質，已具備發酵的基礎條件。Hang Y D[4]等利用獼猴桃皮作原料通過固態發酵法產生檸檬酸，吳惠芳[5]等從獼猴桃皮渣中提取果膠，劉娟[6]以獼猴桃皮渣為原料,以傳統發酵理論為基礎,對獼猴桃皮渣白蘭地釀造工藝進行了研究。然而目前尚未見有以廢棄獼猴桃皮作為原料進行厭氧發酵的研究報道。因此，文章以獼猴桃皮作為沼氣發酵的原料進行批量式發酵來研究其產沼氣潛力具有一定的探索和創新意義，目的在于為獼猴桃皮的資源化利用提供新的理論依據，解決其果皮處理措施在經濟和環境等方面產生的諸多問題。同時，也可在一定程度上填補了獼猴桃皮厭氧發酵實驗研究方面的空白。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 發酵原料

發酵原料采用云南省昆明市呈貢區云南師范大學某水果店廢棄的獼猴桃皮，經測定獼猴桃皮的TS(總固體含量)為17.61%，VS(揮發性固體含量)為98.06%。

1.1.2 接種物

接種物為實驗室長期馴化的豬糞厭氧發酵活化污泥，經測定，其TS為16.27%，VS為70.03%，pH值為7.0。

1.1.3 實驗裝置

采用實驗室自制的容積為500 mL的批量式發酵裝置，該實驗裝置由500 mL的發酵瓶，1000 mL的集氣瓶，1000 mL的計量瓶以及溫控系統組成。獼猴桃皮發酵的實驗裝置如圖1所示。

1.溫控儀； 2.交流接觸器； 3.水槽; 4.電熱管； 5.熱電偶； 6.循環水泵； 7.發酵瓶； 8.取樣口； 9.玻璃三通； 10.集氣瓶； 11.計量瓶圖1 實驗裝置

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預處理

利用粉碎機(CS-700)將獼猴桃皮粉碎成泥狀，使其能夠與接種物充分混合均勻。

1.2.2 實驗設計

(1)發酵系統料液的配比。本實驗由1個實驗組和1個對照組構成，兩組均重復設置3個平行實驗，配法料如下:

實驗組：接種率為30%的接種物120 g，獼猴桃皮25.42 g，加水至400 mL，總的發酵濃度控制在6%。

對照組：接種率為30%的接種物120 g，加水至400 mL。

(2)實驗過程中，通過運用智能數顯溫控儀(C3W-221)確保中溫厭氧發酵環境的正常運行，使發酵溫度維持在30℃±0.2℃。

(3)實驗啟動后，每日定點記錄各套裝置的產氣量，每隔2～4 d利用氣相色譜儀(GC9790II)測一次甲烷的含量。

1.2.3 測試項目及方法

(1)pH值測定：采用5.7～8.5精密pH試紙測定。

(2)TS(總固體含量) 測定：將樣品放置在105℃±2℃下的烘箱內烘干至恒重，利用電子天平稱量。計算樣品去除水分后剩余干物質的質量分數[7]。

式中：W0取為樣品重量，g；W1為樣品烘干至恒重后的重量，g。

(3)VS(揮發性固體含量) 測定：將TS測定后恒重的總固體在550℃±20℃下燒至恒重后，利用電子天平稱量。計算揮發性物質的質量分數[7]。

式中：W2為灰分重量，g。

(4)產氣量測定：采用排水集氣法收集氣體并測定產氣量，實驗啟動以后，每天同一時間(20:00)記錄各組的產氣量，通過計算各組平行實驗的平均產氣量來最終確定發酵過程中每天的產氣量。

(5)甲烷含量測定：采用實驗室GC9790II氣象色譜儀測定其甲烷、氫氣、二氧化碳的含量。

2 實驗結果與分析

2.1 發酵前后發酵液的TS，VS及pH值變化

實驗前后發酵料液的TS，VS及pH值等結果變化詳見表1。

表1 發酵前后料液的TS，VS和pH 值

由表1可知：實驗驗組和對照組的TS和VS在發酵之后均有不同程度的降低，說明在厭氧發酵過程中，原料被不同程度的分解利用。通過計算可知，實驗組的TS和VS降解率分別為19.85%，21.63%，對照組的TS和VS降解率分別為0.67%，1.41%。其中，原料的TS，VS降解率明顯高于接種物的TS和VS降解率，對照組的TS和VS降解率都很低，可見對照組幾乎不產氣，這些均符合發酵過程中產氣的規律。因此實驗組的產氣量受接種物的影響是極小的，同時說明實驗組的微生物活性良好、發酵完全。發酵料液前后的pH值有所變化，但依然維持在沼氣發酵較佳的pH值范圍內。

2.2 產氣情況分析

2.2.1 日產氣量

試驗啟動后，每天定時記錄產氣情況，通過計算分析得到獼猴桃皮厭氧發酵時間和產氣量的規律。實驗組的日產氣量變化曲線如圖2所示。

圖2 實驗組日產氣量曲線圖

由圖2可知，獼猴桃皮發酵實驗啟動較快，第1～5天產氣較多，第1天就達到了日產氣的高峰，產氣量達547 mL，對氣體成分進行測定，結果顯示甲烷含量為13.56%，點燃氣體，完全沒有火焰，這可能是因為獼猴桃皮自身含有大量的水解蛋白酶，剛開始獼猴桃皮被水解產生大量的CO2；第2天產氣量有所下降，第4天達到日產氣量另一高峰，從第6天開始，沼氣產量總體呈下降趨勢，中間略有波動，但起伏不大；16 d之后日產氣量低于50 mL；在第27天，發酵體系停止產氣，產氣量小于5 mL，所以實驗組的發酵周期為27 d。

圖3 日產氣體含量曲線圖

由圖3可知，發酵初期甲烷的含量較低，但隨著發酵時間的增長，在產甲烷菌的作用下，甲烷的含量逐漸增加；在第13天，甲烷含量幾乎達到整個發酵過程中的峰值，為50.05%；在發酵過程中，氫氣、二氧化碳的含量幾乎保持穩定，中間略有波動，但總體起伏不大；在發酵末期，由于發酵底物即將消耗殆盡，甲烷的含量逐漸降低直至反應終止。

2.2.2 累積產氣量和產氣速率

統計本次實驗組累計產氣量，詳見表2。

表2 獼猴桃皮累計產氣量

由表2可知，在整個獼猴桃皮發酵過程中，累計產氣量達2290 mL；第1～5天產氣量增速較快，達1232 mL；第5～10天和10～15天產氣量的增加幅度相差不大，而第15d～20天、第20～27天產氣量增加的幅度不明顯，這主要是因為到了發酵的后期，可被降解的有機質含量逐漸減少，無法提供甲烷菌生長繁殖所需的營養，因此菌種的活性有所降低，進而導致其發酵后期的產氣量比前期少[8,10]。由上述規律可知，獼猴桃皮發酵產沼氣主要集中在前15 d，產氣較快階段主要集中在第1～5天。

關于累計產氣量的變化規律，依據發酵時間和累計產氣量，通過使用計算機軟件Origin擬合出了獼猴桃皮整個發酵階段的方程，詳見圖4。

圖4 累計產氣量擬合曲線方程

由圖4可知：獼猴桃皮在厭氧發酵過程中，累計產氣量隨時間變化的曲線基本符合一元三次方程：Y=191.87X-6.77X2+0.08X3+385.72，其相關系數為0.9980，該擬合方程與實驗所得數據具有較好的相關性，可信度相對較高。

由累計產氣量占總產氣量的比例，得到獼猴桃皮厭氧發酵的累計產氣速率，詳見圖5。

圖5 產氣速率變化曲線

由圖5分析可知：在獼猴桃皮整個發酵過程中，產氣速率是先增加后趨于平緩的。在第1～15天累計產氣速率總體體呈上升趨勢，特別是第1～5天曲線最為陡峭。在獼猴桃皮發酵的第16天時超過總產氣量的90%，可以得出獼猴桃皮在厭氧發酵產沼氣的過程中主要集中在前16 d產氣。因此，在以獼猴桃皮為發酵原料的實際工藝中，可以將沼氣工程的水力滯留時間(HRT)設計為16 d，這在一定程度上可以減少資金投入，縮短投資回收期。

2.3 產氣潛力分析

結合獼猴皮的TS和VS 等值對其厭氧發酵產沼氣潛力進行計算，結果見表3。

表3 獼猴桃皮厭氧發酵的產氣潛力

為更加客觀地評價獼猴桃皮的產氣潛力，與以其他水果皮為發酵原料的產氣潛力進行對比，結果如表4所示。

表4 不同水果皮的產氣潛力

由表4可知，獼猴桃皮的發酵周期相比于其他果皮原料相對較短，僅次于菠蘿皮的發酵周期，與西番蓮果皮發酵時間相接近，說明其產氣速率較快。各種水果皮含有豐富的糖和淀粉物質，所以其TS的產氣率普遍較高。通過精密pH試紙的測量，獼猴桃皮的發酵體系pH值始終維持在沼氣發酵微生物最適宜的pH值范圍內，在整個發酵過程中未出現酸化現象，無需其他物質來調節，可見其有很強的自我調節能力。因此利用獼猴桃皮進行厭氧發酵產沼氣是一種可行的方式，利用率較高。

3 結論

(1)以獼猴桃皮為發酵原料，在中溫(30℃±0.2℃)進行批量式的厭氧發酵試驗，發酵周期為27 d，實驗啟動較快。

(2)獼猴桃皮發酵產沼氣主要集中在前16 d，到16 d時累計的產氣量已總產氣量的90%以上，因此可初步設計實際沼氣工程的水力滯留時間(HRT)為16 d。

(3)獼猴桃皮是一種可行的發酵原料，其產氣潛力為512 mL·g-1TS，522 mL·g-1VS。

本實驗為獼猴皮的后續利用提供了一定的理論依據，并為廢棄獼猴桃皮的資源化利用提供了新的途徑。

(4)利用計算機軟件ORigin 擬合出累積產氣量隨發酵時間的變化趨勢曲線所遵循的方程：Y=191.87X-6.77X2+0.08X3+385.72，其相關系數為0.9980，該方程為獼猴桃皮厭氧發酵的最佳利用提供了一定的理論研究基礎。