火龙果果皮产沼气发酵实验研究

2014-03-27李映娟何耀莹张无敌

云南民族大学学报（自然科学版） 2014年5期

李映娟，何耀莹，杨斌，柳静，尹芳，张无敌

(1.云南师范大学能源与环境科学学院，云南昆明 650500；2.昆明振华制药厂有限公司，云南昆明 650034)

火龙果，学名量天尺(Hylocereusundatus)，属被子植物门、双子叶植物纲、原始花被亚纲、仙人掌目、仙人掌科、三角柱属植物[1].火龙果果实常作为水果、蔬菜，因其含有丰富的花青苷、植物白蛋白、维生素C和膳食纤维等营养物质，是优良的绿色保健食品[2].火龙果花也因具有大量的活性成分被开发成干菜用作煲汤或饮料.近年来发现火龙果茎中黄酮类化合物含量丰富[3-4]，并含有丰富的矿物质、维生素E、植物甾醇以及火龙果茎多糖等活性物质[5]，现已被开发成保健药品、食品，动物饲料和日用化妆品原料[2].可以说火龙果的果实、茎、花等部分的资源化利用程度很高，但火龙果果皮的加工利用率极低，基本上都是作为废物处理[6].

近年来，很多学者开始对火龙果果皮的资源化利用做了一些相关的研究[7-8]，可作为食品添加、化妆品添加等用途使用，是绿色、安全的天然色素.为充分利用有限资源并产生环保效益的同时开发出清洁能源，采用厌氧发酵技术对火龙果果皮进行产甲烷发酵，火龙果果皮的资源化利用开发一条新的途径和为火龙果果皮的合理利用提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 发酵原料

火龙果果皮样品取自云南永胜县.经测定，新鲜红心红皮火龙果果皮总固体含量(TS)为15.74%，挥发性固体含量(VS)为86.37%，新鲜白心红皮火龙果果皮TS为19.30%，VS为82.60%.

1.2 接种物

接种物为本实验采用猪粪发酵后的活性污泥.经测定其pH为7.0，TS为15.55%，VS为64.02%.

1.3 实验设计

本实验设计2个实验组和1个对照组.2个实验组分别以红心红皮火龙果果皮和白心红皮火龙果果皮为发酵原料，每个实验组设置3个平行实验.设计发酵料液浓度为6%，接种量为30%，发酵瓶总有效容积为500 mL，发酵料液容积为400 mL.因此，2个实验组火龙果果皮的添加量为57.30 g,接种物的添加量为120 mL，最后补水至400 mL.对照组也设置3个平行，分别向3个平行试验中加入120 mL接种物，补水至400 mL.

1.4 实验装置

采用实验室自制的恒温水浴装置，控制水温(30±2)℃，沼气发酵的实验装置见图1.该装置由厌氧发酵系统(厌氧发酵瓶、排水集气瓶及体积计量瓶)和温控系统等组成.在厌氧发酵系统中，厌氧发酵瓶为广口瓶(500 mL)，用带玻璃导管的橡皮塞封口；排水集气瓶为下口三角瓶(500 mL)，用带玻璃三通管的橡皮塞封口；体积计量瓶为自制的500 mL广口瓶；厌氧发酵瓶、排水集气瓶和体积计量瓶通过 8 mm 的乳胶管连接.温控系统由水槽、电热管、循环水泵、交流接触器、热电偶等组成.

1.5 分析项目及测定方法

1.5.1 产气量

利用排水集气法，发酵瓶中每天产生的沼气把集气瓶中的水压入计量瓶中，通过计量瓶上的刻度标记，读取水的体积，即每天的产气量.记录对照组和实验组3个平行每天的产气量，以实验组每天的平均产气量减去对照组每天的平均产气量即可得到实验组每天的净产气量.

1.5.2 甲烷含量

采用GC-6890A气相色谱仪测定所产沼气中的甲烷含量.日产气量超过250 mL进行测量，若不足则累积至250 mL进行测量以保证测量的准确性.

1.5.3 pH值

采用精密pH试纸，测定发酵前后发酵液的pH值.

1.5.4 TS(总固体含量)

将样品在(105±2)℃的烘箱中烘干至恒重，计算样品除水分后干物质占样品总量的质量分数[14].

1.5.5 VS(挥发性固体含量)

将测定过TS的样品在马弗炉中550±20 ℃下烧至恒重，所得固体为灰分，将干物质含量减去灰分，即的挥发分重量，将挥发分重量除以干物质重量即得挥发性固体含量[14].

2 结果分析

2.1 产气情况分析

每天定时记录实验组和对照组的产气量，并以3个平行实验的平均值为当天的产气量, 以实验组每天的平均产气量减去对照组每天的平均产气量即可得到实验组每天的净产气量.作实验组日产气量与发酵时间的相关性曲线，结果见图2.

从图2中可以看出，红心红皮火龙果果皮实验组发酵进行了29 d，其中出现4个产气高峰和3个产气低谷，第12天产气达到最高峰，第8天产气达到最低谷，由此可以看出，产气高峰滞后于产气低谷.整个曲线的走势并未呈现出沼气发酵的一般规律，发酵过程中产气较不稳定.

白心红皮火龙果果皮实验组发酵历程29 d，过程中共出现5个产气高峰和4个产气低谷，发酵第2天即达到产气最高峰，第8天即出现产气最低谷，很明显产气高峰前于产气低谷.从整个曲线来看，发酵过程中产气不稳定，日产气量并未呈现出沼气发酵明显的规律.

从图2中可以直观地看出，2个实验组的发酵规律存在一定的相似点和不同点.首先，2条曲线的起点都较高，即发酵开始的第1天产气都很高，分别达到200 mL(白心红皮火龙果果皮实验组)和 280 mL(红心红皮火龙果果皮实验组).其次，2条曲线都有几个很突出的峰和谷，即发酵过程中产气不稳定，产气时高时低.再次，虽产气量不稳定，但2条曲线都出现了很明显的产气高峰和产气低谷.最后，发酵进行到一定程度时，产气趋于稳定并表现出产气量的一致性，产气主要集中在前20天.

2个实验组产气规律的不同点也很明显.第1，产气起点不同，即发酵开始的第1天，红心红皮火龙果果皮的产气量大于白心红皮火龙果果皮的产气量.第2，白心红皮火龙果果皮的产气高峰前于红心红皮火龙果果皮，产气低谷在时间上却保持一致，只是产气量有所不同.

2.2 甲烷含量分析

用气相色谱对所产沼气进行成分测定，沼气中主要成分为甲烷、二氧化碳、氢气等，对其中的甲烷含量与发酵时间做关系曲线，结果见图3.

从图3可以看出，2个实验组所产沼气中甲烷含量的变化趋势是一致的，都是从低逐步升高至趋于平缓.所不同的是：白心红皮火龙果果皮实验组甲烷含量前期总体高于红心红皮实验组.白心红皮火龙果果皮实验组甲烷含量在第7天突然升高至70.40%，随后趋于平缓，但总体还是高于红心红皮实验组的甲烷含量，甲烷含量最高可达77.30%.而红心红皮火龙果果皮实验组甲烷含量则从开始到最后一致平稳上升最后趋于平缓，甲烷含量最高达到80.21%，高于白心红皮实验组.结合图2中的日产气量来分析，虽然2个实验组的产气不稳定，但气体中的甲烷含量上升趋势却很稳定.

2.3 累积产气量及产气速率分析

将图2的数据进行整理，按每5 d进行一次产气量累计，并将累计产气量除以总产气量得到混合接种物实验组和牛粪发酵液接种物实验组的累计产气量和产气速率，见表1.

表1 不同实验组累积产气量和产气速率

从表1可以看出，从总产气量来看，在29 d的发酵时间内，红心红皮火龙果果皮实验组的总产气量为 4 420 mL，白心红皮火龙果果皮实验组的总产气量为 4 240 mL，总体上低于红心红皮火龙果果皮实验组.从产气速率来看，第1～10天白心红皮火龙果果皮实验组的产气速率高于红心红皮火龙果果皮实验组，第10天以后红心红皮火龙果果皮实验组的产气速率逐渐超过白心红皮火龙果果皮实验组，最后2个实验组的产气速率趋于平缓.从表中可以很明显的看出，在第15天2个实验组的产气速率均高于80%，红心红皮火龙果果皮实验组的略高于白心红皮火龙果果皮实验组.而在第20天以后2个实验组的产气速率都超过90%，因此可以看出第20～29天这几天的产气效率极低，这主要是由于有机质在前20 d左右被发酵微生物消耗，发酵体系中可利用的有机质剩余量较少，发酵微生物缺乏基质，故产气较少.

2.4 发酵前后料液的TS、VS及pH分析

表2 实验组发酵前后料液的TS、VS及pH变化

从表2可以看出，2个实验组的TS、VS和pH在发酵前后发生了很大的变化，红心红皮火龙果果皮实验组TS降解率为29.51%，VS降解率为32.93%，白心红皮火龙果果皮实验组TS降解率为30.72%，VS降解率为34.07%.从数据来看，白心红皮火龙果果皮实验组的降解率要高于红心红皮火龙果果皮实验组.从果皮本身的有机质含量来说红心红皮火龙果果皮的VS(86.37%)含量大于白心红皮火龙果果皮的VS(82.60%)，但在发酵体系中出现降解率小于白心红皮火龙果果皮的现象，这就充分说明红心红皮火龙果果皮中可被发酵微生物降解的有机质多子红心红皮火龙果果皮.单从这点来看，白心红皮火龙果果皮更适合用来沼气发酵.从pH的变化来看，2个实验组的初始pH均略微偏酸性，但发酵结束时都呈中性.这种情况在发酵过程中很普遍.沼气发酵微生物最适宜的pH值为6.5～7.5.超出这一范围，沼气微生物的代谢将减慢或产甲烷菌受抑制或是被杀死.因此，维持沼气发酵适宜的pH值是保证正常产气的又一关键性指标.本次实验中，发酵起始和结束时的pH均在沼气发酵适宜的pH值范围内.至于pH值的微小变化，主要是由于在沼气发酵过程中，大量有机酸产生，沼气发酵微生物为了维持适宜的pH值，氨化细菌的氨化作用产生缓冲剂氨，形成沼气发酵体系内的能自动调节pH值的缓冲体系.

2.5 产气潜力分析

实验组的TS产气率、VS产气率和原料产气率如表3所示.

表3 实验组的产气潜力 mL/g

从表3的数据可以看出，2个实验组的产气潜力都很高，红心红皮火龙果果皮实验组的TS、VS和原料产气率都高于白心红皮火龙果果皮实验组的.从产气潜力来比较，红心红皮火龙果果皮的产气潜力大于白心红皮火龙果果皮，因此其更适合用来沼气发酵.

2.6 各种水果果皮的产沼气潜力的比较

为了进一步评价火龙果果皮的产气潜力，对发酵温度30 ℃左右的各类水果果皮的发酵原料的发酵时间及TS产气率进行了统计，结果见表4所示.

表4 不同水果果皮发酵原料的产气潜力

从表4可以看出，各种水果果皮的产气潜力均较高.其中，西番莲果皮、香蕉皮、菠萝皮甚至是葡萄皮，这几种水果果皮的发酵时间都在30 d左右，但他们的TS产气率均高于本文2个火龙果果皮实验组，TS产气率是火龙果果皮的0.25～0.86倍，因此这些水果果皮的产气效率远远高于2个火龙果果皮实验组.而西瓜皮在92 d的发酵时间内，TS产气率仅达 669 mL/g TS，这相比于2个火龙果果皮实验组的29 d内的TS产气来说，虽然其数值大于火龙谷果皮，但其产气效率远远低于2个火龙果果皮实验组.与菠萝蜜果皮相比，2个火龙果果皮实验组无论在发酵时间上还是在TS产气率上来说都优于菠萝蜜果皮.

3 能源转化率

本实验中，红心红皮火龙果果皮实验组共产气 4 420 mL，平均甲烷含量为63.26%.白心红皮火龙果果皮实验组共产气 4 240 mL，平均甲烷含量为65.42%.甲烷热值为 35 965 kJ/m3,则实验过程中，红心红皮火龙果果皮所产生的甲烷的热值为：35 965×63.26%×4 420÷106= 100.56 kJ；白心红皮火龙果果皮所产甲烷的热值为 35 965×65.42%×4 240÷106=99.76 kJ.而火龙果的热值为 249.46 kJ/100 g，试验中，火龙果果皮的用量为57.30 g，则实验所用果皮所产的理论热值为：249.46×57.30%=142.94 kJ.所以，红心红皮火龙果果皮沼气发酵的能源转化率为：100.56÷142.94×100%=70.38%，而白心红皮火龙果果皮沼气发酵的能源转化率为：99.76÷142.94×100%=69.80%.因此，从能源开发利用来看，红心和白心红皮龙果果皮的能源转化效率接近70%，具有可开发利用的潜力.

4 结论

在30 ℃下，采用猪粪发酵料液为接种物，对红心红皮和白心红皮2种火龙果果皮进行批量式厌氧发酵产沼气.发酵历时29天，红心红皮火龙果果皮共产沼气 4 420mL，TS产气率达 490 mL/g TS，VS产气率达 667 mL/g VS，原料产气率达 77 mL/g.而白心红皮火龙果果皮共产沼气 4 240 mL，TS产气率达 383 mL/g TS，VS产气率达 464 mL/g VS，原料产气率达 73 mL/g.由此可以看出，红心和白心差别不大.而从能源转化率的角度来看，红心和白心红皮龙果果皮的能源转化效率接近70%，具有沼气能源可开发利用的潜力.

参考文献:

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