餐厨废弃物的腐败机理及其影响因素

2014-04-05毛文成杨曙明杨丽华张严化

饲料工业 2014年1期

毛文成杨曙明杨丽华张严化

（1.中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，北京 100081;2.农业部农产品质量与安全重点实验室，北京 100081）

1 餐厨废弃物理化性质及利用情况

餐厨废弃物又称为餐厨垃圾，是人们在生活、消费过程中因就餐而产生的有机废弃物的总称，一般俗称泔水、泔脚、潲水。餐厨垃圾内富含大量的有机质，主要成分是淀粉、纤维素、钙质、蛋白质、脂类和盐，主要组成包括米、面粉类食物残余、蔬菜、动植物油、肉蛋、骨头、边角料等，还可能混入一些像筷子、餐具碎片、包装材料等杂质。根据来源不同，餐厨废弃物主要分为餐饮垃圾和厨余垃圾。餐饮垃圾产生自饭店、食堂等餐饮业的残羹剩饭，具有产生量大、来源多、分布广的特点。厨余垃圾是人们日常烹调中废弃的下脚料，和其他的生活垃圾混合在一起，不易区分。

餐厨废弃物的主要化学成分是淀粉、蛋白质、脂类、纤维素和无机盐，水分含量较高，通常高达60%～80%。Westendorf等（1998）的研究结果表明，自助餐厅的餐厨废弃物含有干物质22.4%、粗蛋白21.4%、粗纤维14.1%、粗脂肪27.2%、灰分3.2%[1]。其主要特点是成份复杂、有机质含量丰富、含水分极高，所以极易腐烂变质，散发恶臭，传播细菌和病毒。如不及时处理其性状和气味都会对环境卫生造成恶劣影响，且容易滋长病原微生物、霉菌毒素等有害物质。

各国对餐厨废弃物的利用情况不尽相同。早在20世纪40年代，美国就成功地研制开发出家庭食物垃圾处理机。在美国，餐厨垃圾产生量较大的单位设置垃圾粉碎机和油脂分离装置，餐厨垃圾经粉碎机粉碎后进入油脂分离装置，碎料排入下水道，油脂则送往相关加工厂（如制皂厂）加以利用；餐厨垃圾产生量较小的单位，则将其混入有机垃圾中进行处理。近时期的发展则是倾向于采用堆肥工艺制成肥料或加工成动物饲料进行资源化回收利用。

目前，餐厨垃圾的主要处置方式有焚烧、填埋、饲料化和生物处理技术[3]。由于餐厨垃圾焚烧、填埋处理会导致大量有机物的浪费，因此许多国家和地区（如美国、欧盟、韩国和日本等）已经出台多项法律法规，严禁将餐厨垃圾作为普通生活垃圾进行填埋和焚烧处置。所以许多国家和地区通过饲料化技术将餐厨废弃物用作饲料，但存在一定的安全性问题[4]。根据餐厨垃圾有机质含量高和易生物降解的特点，采用生物处理技术进行堆肥或发酵产气是实现餐厨垃圾减量化、资源化和无害化处理较安全可行的方法。目前国外常用的生物处理技术包括蚯蚓堆肥、好氧堆肥和厌氧发酵产气，其中好氧堆肥和厌氧发酵是迄今为止技术较成熟且研究应用最广泛的2种生物处理技术[5]。

2 餐厨废弃物的腐败变质

2.1 腐败过程（生鲜食品）

2.1.1 生肉

牲畜宰后发生的系列变化，分为肉的僵硬、成熟和深度自溶，此外还伴有肉的发酵、腐败分解过程。肌肉的僵硬达到顶点时开始软化。在肉的加深自溶过程中，蛋白质和脂肪分解。屠宰后牲畜脂肪在脂肪酶的作用下发生水解，使脂肪酸价产生明显的变化。脂肪的腐败一部分是微生物将其分解成游离脂肪酸，另一部分由于油脂发生氧化腐败。

刘国庆等[6]的研究表明，冰鲜猪肉在4℃贮藏条件下，前1～7 d猪肉中菌落总数均小于1.0×106cfu/g，符合冰鲜肉的卫生标准，但从第9 d开始菌落总数超过1.0×106cfu/g，肉开始变质；在冰鲜猪肉变质过程中，各主要致腐微生物生长繁殖的状况不同，主要表现为：假单胞菌数量不多，并不是优势菌；葡萄球菌数目在前期和中期低速稳定增长，在后期迅速增长；在整个过程中乳酸菌属于厌氧菌，增长有限；酵母菌和霉菌数量持续增长；在9～11 d,肠杆菌数上升了1个数量级，进一步说明肉已进入变质期。

2.1.2 水产品

水产品的腐败主要表现在某些细菌降解游离氨基酸生成胺、硫化物、醛、酮、酯、有机酸等，产生不良味道。水产品腐败时微生物产生的代谢产物与畜肉和禽肉中产生的代谢产物差别不大，但是水产品腐败产生的三甲胺具有鲜鱼腐败时典型的氨臭味，这也是水产品腐败时其味道区别于其他肉类的原因。

Miller等[7]将荧光假单胞菌和腐败假单胞菌接种到无菌美洲平鲉鱼块中，利用GC-MS研究其产生的腐败物质，定量研究其腐败能力。Gram等[8]将细菌接种到杀菌过的鲈鱼肉汤中，通过其腐败气味，以确定其腐败能力，用氧化三甲胺培养基来测试产生三甲胺和硫化氢的能力。郭全友等[9]从菌落和细胞形态、生理生化特征、细胞脂肪酸组成等方面，结合使用细菌鉴定系统，以及接种腐败希瓦氏菌到无菌大黄鱼身体，研究其腐败能力。

2.1.3 果蔬

水果和蔬菜的表皮和表皮外覆盖着一层蜡质状物质，这种物质有防止微生物侵入的作用。但是当果蔬表皮受到昆虫的刺伤或其它机械损伤时，微生物就会从此侵入并进行繁殖，从而促进果蔬的腐烂变质，尤其是成熟度高的果蔬更易损伤。引起水果变质的微生物，开始只能是酵母菌、霉菌；引起蔬菜变质的微生物是霉菌、酵母菌和少数细菌。由于微生物繁殖，果蔬外观上就表现出深色的斑点，果实变得松软、发绵、凹陷、变形，并逐渐变成浆液状甚至是水液状，并产生了各种不同的味道，如酸味、芳香味、酒味等。

2.2 腐败过程（热加工后食品）

食品腐败变质的过程实质上是食品中蛋白质、糖类、脂肪等被污染微生物的分解代谢作用或自身组织酶进行的某些生化过程。但是热加工后的食品自身的组织酶已经失活，所以热加工后食品的腐败变质主要是由于污染的微生物的分解代谢作用引起的。

2.2.1 蛋白质的腐败

肉、鱼、禽蛋和豆制品等富含蛋白质的食品，主要是以蛋白质分解为其腐败变质特征。由微生物引起蛋白质食品发生的变质，通常称为腐败。蛋白质在微生物分泌的蛋白酶（protease）和肽链内切酶（endopetidase）等的作用下，首先水解成多肽，进而裂解形成氨基酸。氨基酸通过脱羧基、脱氨基、脱硫等作用进一步分解成相应的氨、胺类、有机酸类和各种碳氢化合物，食品即表现出腐败特征。

白艳红、赵电波等[10]研究发现：在7℃贮藏条件下，真空包装低温灌肠在感官上都先后出现“空皮”、“出水、出油”和“胀袋”等腐败现象，同时伴有酸味、臭味等异味产生。胡长利等[11]研究发现，在牛肉气调保藏的整个过程中，细菌总数呈现了由慢到快的增长趋势。低氧环境下，A组细菌总数增加最快，到16 d 达到最大，此后逐步降低。所有包装中，乳酸菌的数量都呈现了先增后减，再增加的趋势。随着保藏时间的延长，氧气在保藏期间也发生部分溶解，乳酸菌逐步成为优势菌群。孟建彤[12]通过对肉干现场采样和实验检测，对132份市售肉干、肉脯制品进行了霉菌污染调查，结果表明肉干、肉脯的霉菌检出率为43.2%，曲霉、青霉、镰刀菌为优势菌种。2007年泉州市熟肉制品微生物污染现状调查[13]发现，泉州地区市售熟肉制品存在不同程度的微生物污染。大肠菌群超标率42.5%（17/40），9份样品中检出溶血性肠球菌，分别为屎肠球菌和粪肠球菌。市售熟肉制品中大肠菌群超标率与溶血性肠球菌检出率相关。未检出沙门菌、志贺菌、金黄色葡萄球菌。

2.2.2 糖类的发酵

食品中的糖类包括纤维素、半纤维素、淀粉、糖元以及双糖和单糖等。含这些成份较多的食品主要是粮食、蔬菜、水果和糖类及其制品。在微生物及动植物组织中的各种酶及其它因素作用下，这些食品组成成分被分解成单糖、醇、醛、酮、羧酸、二氧化碳和水等低级产物。

Lu Zhanhui等[14]通过研究自然发酵对大米淀粉结构的影响后发现，发酵主要改变淀粉颗粒的无定形区，对淀粉的结晶结构几乎没有影响。但闵伟红[15]研究发现，乳酸菌发酵使大米淀粉非结晶区增加。Suphatta P等[16]认为糊黏度明显下降是由于发酵后淀粉在热水中有更大的可溶性或发酵过程中更短淀粉链产生引起的。Han Xianzhong等[17]报道，支链淀粉的长链部分与其糊化时的衰减值呈负相关，而短链部分与其糊化时的衰减值呈正相关。Klingspohn等[18]将马铃薯淀粉渣经稀硫酸处理后得到果胶、淀粉、纤维素和半纤维素，利用甲醇或丙酮将果胶和淀粉析出，经酶水解纤维素和半纤维素组成的残渣生成葡萄糖和木糖，或经菅囊酵母（Pachysolen tannophilus）发酵产生乙醇。

2.2.3 脂肪的酸败

虽然脂肪发生变质主要是由于化学作用所引起，但是许多研究表明，它与微生物也有着密切的关系。食品中油脂酸败的化学反应，主要是油脂自身氧化过程，其次是加水水解。油脂的自身氧化是一种自由基的氧化反应；而水解则是在微生物解脂酶作用下，使食物中的中性脂肪分解成甘油和脂肪酸等。

Farkas等[19]研究证实，脂质过氧化反应是自由基连锁攻击不饱和脂肪酸的过程，可分为引发、传递、终止和二次产物的形成4个阶段。此外，光、热和可变价金属（Fe、Cu、Cr、Mn）等作用可加快脂质过氧化反应速度。由于油脂氧化酸败受多种因素的影响（如油脂种类、温度、时间、氧气等），使形成的产物和结构异常复杂。研究发现油脂氧化产生的产物达220多种，但主要是由氢过氧化物等初级产物和由初级产物分解出来的次级产物组成，次级产物含量甚至高达46.7%[20]。

3 餐厨废弃物腐败变质的影响因素

3.1 环境条件的影响

3.1.1 温度

温度是影响餐厨废弃物腐败变质的重要因素。在自然界中各类微生物都有它一定的适宜生长温度。根据微生物对温度的适应性，可将其分成嗜冷微生物、嗜温微生物和嗜热微生物三个生理类群，其中与腐败有密切关系的是嗜温微生物。蒋立凤等[21]测试了猪肉冻藏工艺对TVBN含量的影响，结果表明，贮藏在低温冻藏库内的在结冻状态下的肉品，化学变化和微生物的生长繁殖受到了良好的抑制，但时间延长品质也会发生变化。李飞燕等[22]利用培养基实验系统建立的数学模型并结合食品本身成分组织的复杂性、不同微生物间的相互作用以及各环节温度的动态变化，建立了预测微生物模型，预测了食品中微生物的生长状况。

3.1.2 气体

不同种类的微生物具有各自的呼吸酶，因此他们在氧化过程中对氧的要求也不同。餐厨废弃物处于有氧的情况下，各种霉菌、酵母菌和细菌都可生长而引起食品腐败变质；而在缺氧情况下引起餐厨废弃物变质就只有那些厌氧生长的细菌和酵母菌。马丽珍等[23]研究了不同气调包装方式的冷却猪肉在冷藏过程中的微生物变化，结果表明，CO-MAP（CO+CO2+N2）包装抑制腐败菌的效果最好。

3.2 基质的影响

餐厨废弃物中除了含有一定的水分外，还含有丰富的蛋白质、脂肪、碳水化合物和无机盐等营养成分，而这些成分又都是微生物生长的良好培养基，所以微生物很容易在其上生长，从而导致腐败变质。而且不同的基质决定微生物所具有的酶的种类不同，腐败类型也不同。不同的氢离子浓度对微生物的生命活动也有很大影响。不同种类的微生物都有自己最适生长的pH值范围。餐厨废弃物的酸度不同，引起餐厨废弃物腐败变质的微生物的类群就不同。史宏伟等[24]以餐厨垃圾、果蔬垃圾、麦秸3种不同原料分别进行厌氧消化，研究了各反应器在最佳运行条件下的消化特性和微生物群落组成。结果表明，不同样品组中细菌和古菌的群落存在相同的优势微生物，但其数量和群落结构存在明显的差异。许晓晖、范晓蕾等[25]研究了餐厨垃圾分批厌氧消解过程中不同起始固含率和稀释率对水解酸化过程的影响，研究表明，不同起始固含率和稀释率能明显影响餐厨垃圾的水解酸化。

3.3 微生物的作用

微生物的污染是导致餐厨废弃物发生腐效变质的根源。能引起餐厨废弃物发生腐败变质的微生物种类很多，主要有细菌、酵母和霉菌。一般情况下细菌比酵母菌占优势。可以分别通过分解蛋白质、糖类和脂肪的微生物种类进行分析。

分解蛋白质的微生物，主要是细菌、霉菌和酵母菌，它们多数是通过分泌胞外蛋白酶来完成的。细菌中，芽孢杆菌属、梭状芽孢杆菌属、假单孢菌属等分解蛋白质能力较强。许多霉菌也具有分解蛋白质的能力，霉菌比细菌更能利用天然蛋白质。而多数酵母菌对蛋白质的分解能力极弱。细菌中能高效分解淀粉的为数不多，主要是芽孢杆菌属和梭状芽孢杆菌属的某些种；能分解纤维素和半纤维素只有芽孢杆菌属、梭状芽孢杆菌属和八叠球菌属的一些种；但绝大多数细菌都具有分解单糖的能力；能分解果胶的细菌主要有芽孢杆菌属、欧氏植病杆菌属、梭状芽孢杆菌属中的部分菌株，它们参与果蔬的腐败。多数霉菌都有分解简单糖类的能力。分解果胶质的霉菌活力强的有曲霉属、毛霉属等。大多数酵母有利用有机酸的能力。分解脂肪的微生物能生成脂肪酶，使脂肪水解为甘油和脂肪酸。细菌中的假单孢菌属、无色杆菌属、黄色杆菌属、产碱杆菌属和芽孢杆菌属中的许多种都具有分解脂肪的特性。能分解脂肪的霉菌比细菌多，常见的有曲霉属、白地霉等。酵母菌分解脂肪的菌种不多，主要是解脂假丝酵母，其分解蛋白质的能力也非常强[26-28]。