馬鈴薯莖葉青貯時間對厭氧發酵產沼氣性能的影響

付龍云， 李 彥， 趙自超， 王艷芹， 袁長波， 井永蘋

(1.山東省農業科學院農業資源與環境研究所， 濟南 250100； 2.農業農村部山東耕地保育科學觀測實驗站， 濟南 250100)

隨著我國農牧業轉型升級逐漸深入，效率更高的集約化、規模化生產方式日益得到推廣，比例不斷提升。然而，與此相對應的是秸稈、尾菜、禽畜糞便等農牧業廢棄物集中大量產生，極易超出當地自然環境的承載能力，引發一系列生態環境問題。厭氧沼氣發酵是一種有效的廢棄物資源化利用方式，該方式既可產出大量沼氣，又可產生有肥料利用價值的沼渣、沼液，實現對農牧業廢棄物的高效利用[1]。然而由于農牧業生產的季節性、地區性等不確定性因素較多，眾多沼氣工程的原料來源往往不能得到長期穩定保證，易出現開工不足、生產潛力無法發揮等問題，嚴重影響了行業健康發展[2]。

作為沼氣技術領先者，德國沼氣產業發展多有值得我國借鑒之處。德國緯度與我國黑龍江省相當，多數農作物為“一年一熟”，青貯玉米和其它谷物分別約占沼氣發酵原料的70%和8%，青貯是其保存植物有機成分、確保原料來源穩定的主要方式[3]。我國地域更為廣闊、氣候多樣，雖然沼氣工程原料來源與德國存在較大差異，但青貯亦可作為秸稈、尾菜等眾多植物性原料保存有機成分的重要方式。

青貯過程中有機物料的成分、品質等均會隨時間延長而發生不同變化，進而對厭氧發酵產沼氣性能產生重要影響。Herrmann等對玉米、高粱、小麥、黑麥等四種作物進行不同時長的青貯后，分別用于厭氧沼氣發酵，發現青貯時間對不同類型原料單位產甲烷量的影響不盡相同：玉米、高粱隨青貯時間的延長，單位產甲烷量逐漸提高；而小麥、黑麥的單位產甲烷量則隨青貯時間延長，呈先升高、又降低的趨勢[4]；Neureiter[5]等以全株玉米為原料，研究了乳酸菌制劑、淀粉酶、丁酸梭菌等不同添加劑和青貯時間對厭氧發酵產沼氣的影響，發現雖然青貯過程中有機成分有一定損失，但產甲烷效率卻有提高；Pakarinen[6]等對混播草和黑麥分別進行不同時間的青貯后用于厭氧發酵，發現青貯物料組雖然相對于新鮮物料組單位產氣量有所下降，但仍能有效保存大部分有機物質。青貯過程中有機物質總量逐漸減少的同時，可溶性碳水化合物(Water Soluble Carbohydrate，WSC)、粗蛋白(Crude Protein，CP)、粗脂肪(Ether Extract，crude fat，EE)和中性洗滌纖維(Neutral Detergent Fiber，NDF)等不同組分也會發生不同轉變，而由于沼氣微生物對各種組分分解利用的難易程度不同，即表現為不同物料厭氧發酵產沼氣性能的差異。

馬鈴薯是一種重要的糧食和經濟作物，我國馬鈴薯種植范圍和產量均居于世界首位，多年來在內蒙、黑龍江等地形成了集中連片的規模化種植區域[7]。然而，規模化種植在提高生產效率、增加農民收入的同時，也會造成馬鈴薯莖葉等副產品短時間內的大量累積，如果不加處理，任由其堆放在田間地頭腐敗變質，不但污染了環境，而且浪費了寶貴的生物質資源。馬鈴薯莖葉生物量與營養性塊莖相當，干物質中WSC含量為2%～7%，CP含量為11%～26%，EE含量為2.5%～4.8%，NDF含量為28%～47%，青貯可以較大程度的保存馬鈴薯莖葉有機物質，并改善成分、結構特性，進而應用于飼料化、能源化等方向。楊聞文等以米糠、玉米秸等為添加物，徐亞姣等通過添加酶制劑、乳酸菌等及降低物料含水率，均不同程度地提高了馬鈴薯莖葉的青貯品質[8-9]。但需要注意的是，以厭氧沼氣發酵為應用目標進行青貯時，技術側重點與飼料加工并不相同，動物營養、適口度、風味等飼料評定的標準往往并不適用于厭氧沼氣發酵。特別是為保障沼氣工程原料的周年均衡供應，青貯時間對不同原料青貯品質及產氣性能的影響可能需要重新考量[10]。

由于緩沖能值強、WSC含量較低、含水量較高等原因，馬鈴薯莖葉單獨自然青貯往往品質不佳，易出現pH值過高、乳酸含量過低和腐敗等情況。實踐中常常需要使用不同類型的青貯添加劑或與其它植物原料混合青貯，以調控青貯進程和提高青貯質量，有研究表明，丙酸具有抗真菌、抑制腐敗、促進乳酸菌生長等優良作用[11-12]。綜上所述，本研究以丙酸為青貯添加劑，對新鮮馬鈴薯莖葉進行不同時長的青貯，探究青貯時間對馬鈴薯莖葉厭氧發酵產沼氣性能的影響，以促進這類生物質資源的有效利用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

馬鈴薯莖葉取自山東省滕州市馬鈴薯種植區，采收時間為6月份馬鈴薯收獲季；厭氧沼氣發酵接種物沼渣取自山東省某豬場厭氧沼氣發酵裝置，4℃冷藏，使用前35℃溫箱復蘇2 h；丙酸為分析純產品，購自國藥集團化學試劑有限公司。總固體(Total Solid，TS)、揮發性固體(Volatile Solid，VS)、碳氮比(C/N)等馬鈴薯莖葉及接種物原料特性如表1所示。

表1 厭氧沼氣發酵物料基本特性 (%)

1.2 試驗設計

1.2.1 青貯試驗設計

試驗設置4個青貯組和1個對照組，分別為馬鈴薯莖葉青貯30 d，60 d，120 d，180 d和新鮮莖葉，每組設置3個平行，具體為：將剛采收的馬鈴薯莖葉切割粉碎至1～3 cm的片段，按0.2%(wt/wt)的比例加入丙酸并混合均勻，裝入聚乙烯自封袋，每袋1000 g，共15袋，抽真空后密封，室溫條件下(22.0℃～27.0℃)分別貯存規定時間(30～180 d)后，取樣測定樣品理化性質，其余物料于-20℃統一凍存備用。

1.2.2 厭氧沼氣發酵試驗設計

厭氧沼氣發酵試驗設置5個試驗組，發酵原料分別為青貯30 d，60 d，120 d和180 d的馬鈴薯莖葉及新鮮莖葉(對照組)，分別記為T1，T2，T3，T4和CK，每組設置3個平行，具體為：試驗采用批式發酵，厭氧發酵裝置由發酵瓶、乳膠連接管和集氣袋組成，發酵瓶為容積為2.5 L的具塞玻璃瓶，塞上打孔并以玻璃管、乳膠連接管與集氣袋連接；不同青貯時間的馬鈴薯莖葉解凍恢復至室溫，統一設置各組初始TS為5%(以馬鈴薯莖葉計)，各組厭氧沼氣發酵接種物用量均為500 g，加無菌水補足至2000 mL，物料組成詳見表2所述；充分混勻各組物料、接種物，一次性加入發酵瓶，向頂部空間吹入高純N2持續2 min后迅速塞緊膠塞，盡量排除殘存空氣；將發酵瓶連接集氣袋后放入35℃恒溫培養箱，進行周期為40 d的厭氧沼氣發酵。實驗周期內，每天人工振蕩發酵瓶2次，每天定時收集氣體測定產氣量、甲烷濃度等指標，每隔3天抽取發酵液測定pH值等指標。

表2 厭氧沼氣發酵物料的組成 (g)

1.3 測定指標與方法

TS和VS采用烘干失重法測定；總碳使用德國耶拿multi C/N TOC型總有機碳/有機氮分析儀測定；WSC采用硫酸-蒽酮比色法測定[13]；氨氮(Ammonia Nitrogen, AN)、總氮(Total Nitrogen，TN)、CP使用瑞士布琦Kjel master K-375型凱氏定氮儀測定；EE采用乙醚索氏抽提法測定[14]；NDF采用范式洗滌纖維法測定[15]；沼氣產量使用德國RitterTG1型濕式氣體流量計測定；pH值使用上海雷磁PH-3C型pH計測定，其中青貯物料pH值的測定：取樣品20g，加入180g去離子水，勻漿器打勻、過濾后測定；甲烷含量使用北京普析GC1100型氣相色譜儀測定；乳酸(Lactic Acid, LA)使用日本島津10A型高效液相色譜測定；乙酸(Acetic Acid, AA)、丙酸(PropanoicAcid, PA)、丁酸(Butyric Acid, BA)含量使用日本島津GC2014型氣相色譜儀測定。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2013和Origin 2018軟件進行數據計算和繪圖，采用SPSS 22.0軟件對數據進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯莖葉成分隨青貯時間的變化

由表3可見，青貯30 d，60 d，120 d和180 d馬鈴薯莖葉總固體含量分別為13.42%±0.02%，13.25%±0.06%，12.94%±0.05%和12.74%±0.04%，分別比新鮮馬鈴薯莖葉降低1.61%，2.86%，5.13%和6.60%，揮發性固體含量分別為88.50%±0.23%，87.92%±0.19%，85.38%±0.15%和83.10%±0.24%，分別比新鮮馬鈴薯莖葉降低0.80%，1.45%，4.29%和6.85%，說明隨青貯時間延長，單位質量馬鈴薯莖葉的總固體和揮發性固體損失逐漸增多；WSC是植株中較易被微生物分解利用的物質，青貯過程中WSC含量下降顯著(p<0.05)，青貯30 d,60 d,120 d和180 d時WSC含量分別降低21.62%,37.84%,46.33%和50.77%；本研究的青貯過程中CP,EE含量存在先降低又升高的現象，該現象可能與物料分解、青貯微生物生長積累等因素有關，相比新鮮馬鈴薯莖葉，青貯30 d,60 d,120 d,180 d時CP和EE變化幅度分別為-6.00%,3.38%,4.42%,5.24%和-6.82%,-3.06%,-0.71%,1.14%；NDF為包含半纖維素、纖維素、木質素等的植株結構部分，青貯30 d, 60 d,120 d和180 d時NDF分別降低11.82%,12.69%,13.38%和13.47%，含量逐漸降低。

表3 青貯時間對馬鈴薯莖葉成分的影響 (%)

2.2 青貯過程中pH值、有機酸和氨氮/總氮比值變化

如表4所示，隨青貯時間延長，青貯體系pH值由6.25±0.00迅速降低至4.18±0.03后逐漸穩定且存在一定波動，至青貯180 d試驗結束時pH值為4.32±0.03；乳酸是缺氧條件下乳酸菌等青貯微生物的主要代謝產物，本試驗中，青貯0 d～120 d內乳酸含量變化均不顯著(p>0.05)，180 d時有顯著下降(p<0.05)；試驗周期內，乙酸含量隨時間延長逐漸增加，特別是在試驗后期(180 d)時增長最為顯著(p<0.05)；丙酸為本試驗主要添加的化學物質，隨試驗進行含量逐漸降低，60 d,120 d和180 d時分別比30 d時降低14.18%,19.45%和37.25%；丁酸是青貯中需要盡量避免生成的物質，本研究共180 d的試驗周期內未檢測到丁酸的生成；青貯中氨氮主要由物料中蛋白質、多肽、氨基酸等含氮物質分解產生，氨氮與總氮的比值(AN/TN)可反映這些含氮物質的分解情況，本試驗中AN/TN呈逐漸升高的趨勢，其中30 d～60 d時AN/TN變化不顯著(p>0.05)，其它時間段AN/TN變化較明顯(p<0.05)。

表4 青貯過程中pH值、有機酸和氨氮/總氮比值變化

2.3 厭氧發酵沼液pH值變化

厭氧發酵過程中沼液pH值的變化見圖1，各處理組pH值均在試驗開始后迅速下降，第6天時達到最低點，CK對照組最低pH值為5.91，而以青貯馬鈴薯莖葉為原料的T1，T2，T3和T4試驗組最低pH值分別為5.66，5.45，5.73，5.70，均顯著低于CK組，其中T2試驗組降幅最大；此后在發酵系統中氨氮等緩沖因素作用下，各處理組pH值逐漸上升至7.5以上，并存在一定波動，試驗開始的21d后T1，T2，T3和T4試驗組pH值均高于CK對照組。說明青貯在降低馬鈴薯莖葉厭氧發酵最低pH值后，也能夠提高發酵后期pH值。

圖1 厭氧發酵過程pH值變化

2.4 原料青貯時間對沼氣日產量的影響

如圖2所示，40 d的試驗周期內，隨發酵時間推移，各處理組產氣均呈波動降低的趨勢，有多個產氣高峰出現。各處理組均在試驗開始的第1天均出現一個“產氣高峰”，但結合甲烷含量(圖4)可見，此時產生的氣體中甲烷含量很低，可能主要由發酵體系中蛋白質、多糖等大分子有機物的微生物分解作用產生[16]；之后經不同時間，各處理組逐漸進入產生甲烷的主產氣階段，其中以新鮮馬鈴薯莖葉為原料的CK組在第6天出現高甲烷濃度的第2個產氣高峰，產氣量為1.37 L·d-1；而分別以青貯30 d，60 d，120 d，180 d馬鈴薯莖葉為原料的T1，T2，T3和T4組則均在第5天出現第2個產氣高峰，產氣量分別為1.54 L·d-1，1.68 L·d-1，1.79 L·d-1和1.83 L·d-1，比CK組提前1 d，產氣啟動更快；由于發酵原料成分組成的復雜性，各處理組此后均又出現多個產氣高峰，但日產氣量在波動中逐漸降低，至試驗結束的40 d時沼氣產生已趨于停止，各組日產氣量變化趨勢較為接近。

圖2 厭氧發酵沼氣日產量變化

2.5 原料青貯時間對累積產沼氣量的影響

如圖3所示，40 d的厭氧發酵試驗周期內，CK及T1，T2，T3，T4試驗組累積產沼氣量分別為19.90 L和21.36 L，23.37 L，24.86 L，24.97 L。相對于新鮮馬鈴薯莖葉，以青貯30 d，60 d，120 d，180 d馬鈴薯莖葉為原料時，厭氧發酵累積產氣量分別提高7.88%，18.03%，25.56%和26.11%，說明試驗周期內，隨馬鈴薯莖葉青貯時間延長，厭氧發酵累積產沼氣量逐漸提高。

圖3 厭氧發酵累積產沼氣量

2.6 原料青貯時間對甲烷含量的影響

馬鈴薯莖葉青貯時間對厭氧發酵產氣甲烷含量的影響如圖4所示，40 d試驗周期內各處理組甲烷含量均呈“升高-穩定-降低”的變化趨勢。各處理組甲烷含量均在第6天時超過50%，T1，T2，T3和T4試驗組厭氧發酵所能達到的最高甲烷濃度分別為58.36%，60.17%，60.32%和60.15%，均顯著高于CK對照組(55.39%)；發酵末期，隨著產氣量的減少，CK對照組甲烷濃度在第36天低于50%，而T1，T2，T3和T4試驗組甲烷濃度則均在第39天低于50%，說明對馬鈴薯莖葉進行青貯處理能夠提高厭氧發酵產甲烷含量，提高沼氣品質。同時可以發現，青貯時間從30 d延長到60 d時甲烷濃度有一定提高，而繼續延長青貯時間至180 d則對甲烷濃度影響不大。

圖4 厭氧發酵甲烷含量變化

3 討論

馬鈴薯莖葉作為一種營養豐富、存量巨大的農業廢棄物，近年來已成為沼氣工程的重要原料來源，然而由于馬鈴薯收獲的地域性、季節性因素，其產生相對“集中”，須通過一定方式進行長期保存才能滿足沼氣產業穩定發展的需要。青貯作為一種傳統的飼草保藏方式，同樣適用于作物秸稈、尾菜等的保質貯存，對于解決沼氣產業發展中“原料不足”的瓶頸問題有很大幫助。然而青貯過程中，物料成分可能隨時間推移發生各種變化，進而對產沼氣特性也將產生不同影響，物料種類、青貯條件等因素差異可能導致完全相反的結論[4-6]。

為探明不同青貯時間對馬鈴薯莖葉厭氧發酵產沼氣性能的影響，本研究首先對青貯30 d，60 d，120 d和180 d馬鈴薯莖葉成分與新鮮馬鈴薯莖葉進行了比較。青貯過程中，TS，VS均有一定降低，如180 d時TS，VS分別降低6.60%，6.85%，說明有機物質在青貯過程中有所損失，這部分損失可能來自WSC等易降解成分和NDF等難降解組分，180 d時WSC和NDF含量分別減少50.77%13.47%。WSC和NDF均是厭氧沼氣發酵的重要能量來源，WSC可為發酵微生物直接利用，其減少不利于沼氣產生，而NDF的適度分解則能夠起到“預處理”的效果，提高產沼氣性能，因此青貯過程中WSC和NDF減少對厭氧沼氣發酵的影響需要綜合考慮[17]。

“pH值迅速降低、乳酸大量產生及乙酸、氨氮/總氮比值控制在一定范圍內”等是青貯成功的重要標志[18-19]。本研究0～180 d的試驗周期內，pH值迅速降至4.18±0.03后始終維持在較低水平，乳酸含量始終在30 g·kg-1以上，乙酸含量和氨氮/總氮比值始終在10 g·kg-1和6%以下，說明青貯品質控制良好。丁酸主要由酪酸菌、霉菌等腐敗微生物分解蛋白質、乳酸等產生，無論對于青貯本身，還是對于后續厭氧發酵都是有害因素，本青貯過程中丁酸含量始終為0，進一步說明青貯中0.2%丙酸的加入對促進酸化、雜菌控制起到了良好的效果。

以不同青貯時間的馬鈴薯莖葉應用于厭氧沼氣發酵時，相對于新鮮莖葉原料，發酵前期沼液pH值降幅更大，說明揮發性脂肪酸產生量更高，體系酸化程度更深，也更加有利于甲烷微生物利用揮發性脂肪酸產生甲烷；此后各青貯原料組pH值能夠恢復到更高的水平，也反映了以青貯馬鈴薯莖葉為發酵原料時，系統緩沖能力更強，有機酸消耗更快，更有利于沼氣微生物菌群的生存。由圖2可見，以不同青貯時間馬鈴薯莖葉為原料時，日產氣曲線與新鮮馬鈴薯莖葉相似，均存在多個產氣高峰，該現象可能是由物料中可溶性糖、半纖維素、纖維素等不同組分逐次降解、有機酸波段產生等因素造成，青貯能夠起到“預處理”的效果，降低物料復雜程度，可在一定程度上加速發酵的啟動，與付廣青等的研究結果接近[20]。

累積產氣量、甲烷含量是衡量物料厭氧發酵產沼氣性能的關鍵指標。如圖3和圖4所示，以青貯30 d，60 d，120 d，180 d馬鈴薯莖葉為發酵原料時，累積產氣量分別比新鮮馬鈴薯莖葉組提高7.88%，18.03%，25.56%和26.11%，最高甲烷含量分別提高5.36%，8.63%，8.90%和8.59%，說明在固定各實驗組發酵原料TS比例的前提下，180 d內隨馬鈴薯莖葉青貯時間延長，厭氧發酵累積產氣量逐漸提高，同時最高甲烷含量比新鮮馬鈴薯莖葉對照組有顯著提高，即適當延長青貯時間可提高單位TS青貯物料的累積產氣量和甲烷含量。

4 結論

試驗結果表明，添加0.2%丙酸的條件下對馬鈴薯莖葉進行青貯操作，180 d內能較好的保存其有機物質，確保厭氧沼氣發酵潛力：

(1)青貯過程中，馬鈴薯莖葉CP，EE在減少后有一定升高，而TS，VS，WSC，NDF等均有所降低，主要有機成分隨青貯時間損失逐漸增加；30～180 d青貯周期內，pH值下降后逐漸穩定在4.10～4.40區間，乳酸、丙酸含量雖有下降但仍維持在30 g·kg-1和5 g·kg-1水平以上，乙酸含量、氨氮/總氮比值雖逐漸上升但仍然較低，丁酸含量始終為0，青貯品質良好。

(2)厭氧發酵過程中，各處理組pH值均呈“下降-升高-穩定”的變化趨勢，其中以青貯馬鈴薯莖葉為原料的各試驗組最低pH值分別為5.66，5.45，5.73，5.70，均顯著低于新鮮馬鈴薯莖葉對照組(5.91)，而發酵后期各試驗組pH值則顯著高于對照組，說明發酵前期青貯原料酸化更迅速，發酵后期體系酸堿更平衡。

(3)厭氧發酵過程中，各處理組均出現多個“產氣高峰”，原料青貯可提高最高日產氣量，縮短產甲烷啟動時間；以青貯30 d，60 d，120 d，180 d馬鈴薯莖葉為原料時，相比新鮮馬鈴薯莖葉，累積產氣量可分別提高7.88%，18.03%，25.56%和26.11%；同時，青貯可顯著提高馬鈴薯莖葉厭氧發酵所產沼氣的甲烷含量。

利用馬鈴薯莖葉等農業有機廢棄物進行厭氧沼氣發酵，對解決農村地區能源短缺和環境污染問題具有雙重意義。本研究嘗試利用青貯手段保存馬鈴薯莖葉的有機物質，一定程度上提高了其厭氧發酵性能，可有效緩解新鮮馬鈴薯莖葉不易保存和沼氣工程原料缺乏的突出矛盾，對其它產量巨大、季節性明顯的蔬菜廢棄物、作物秸稈等生物質資源的沼氣化利用有一定借鑒意義。同時，應該注意到青貯過程受青貯時間、物料種類、添加劑類型等因素影響較大，仍需要根據不同類型的生物質資源分別開展針對性研究。