温度对接种酵母菌和醋酸菌餐厨垃圾微氧发酵产乙酸的影响

李 阳,周 涛,陈善平,张 骏,宋立杰,赵由才*(.同济大学,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 0009；.上海市环境工程设计科学研究院有限公司,上海 003)



温度对接种酵母菌和醋酸菌餐厨垃圾微氧发酵产乙酸的影响

李 阳1,周 涛1,陈善平2,张 骏1,宋立杰2,赵由才1*(1.同济大学,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 200092；2.上海市环境工程设计科学研究院有限公司,上海 200232)

摘要：通过间歇实验,探究了温度(25,35,45,55℃)对餐厨垃圾接种酵母菌和醋酸菌后产乙酸和挥发性脂肪酸的影响.结果表明,控制温度在25℃时,发酵液中乙酸浓度远高于35、45和55℃,发酵8d后,乙酸的产量最大,达到0.59g/L;最大的VFA浓度在25℃下获得,达34.49g/L.VFA中以乙酸为主,并有少量丙酸和丁酸产生.随温度的逐渐升高,TS和VS去除率先上升后下降,在35℃时,发酵底物餐厨垃圾的TS和VS去除率最高,为30%和60%左右.

关键词：餐厨垃圾；酵母菌；醋酸菌；乙酸；温度

* 责任作者, 教授, zhaoyoucai@tongji.edu.cn

近年来,由于人民生活水平的提高和城市化进程的加快,餐厨垃圾的产生量逐年增长.在亚洲国家,2005～2025年间,城市中产生的餐厨垃圾将从每年的2.78亿t增加到4.16亿t[1],上海市每天餐厨垃圾的产生量超过1300t[2].餐厨垃圾具有高含水率、高有机质等特点,作为生活垃圾主要组成部分,收集或处理不当不仅会造成二次污染,同时也会影响人类的健康、城市市容和环境卫生.

目前,国内外的研究主要集中于通过将餐厨垃圾或已接种污泥等其他物质的餐厨垃圾进行厌氧发酵,转化为氢气[3]、沼气[4]、乙醇[5-7]、乳酸[8]或有机肥[9]等.另有部分研究集中于将餐厨垃圾进行厌氧发酵生产挥发性脂肪酸[10-13],但关于餐厨垃圾微氧条件下生产乙酸的研究却鲜有报道.覃莉等[14]通过单因素试验筛选了酵母菌和醋酸菌混合发酵生产醋酸的最佳工艺条件,得出酵母菌醋酸菌混合发酵在醋酸的生产上是可行的这一结论.

温度是控制餐厨垃圾发酵产酸重要条件之一,主要原因在于温度对酶活性具有较大程度的影响,对微生物的生长代谢具有重要作用.因此,本文在之前研究[15]的基础上系统考察了微氧条件下,不同温度对接种酵母菌和醋酸菌的餐厨垃圾发酵产乙酸的影响,并对发酵过程机制做了初步探讨.

1 材料与方法

1.1 餐厨垃圾来源和特性

实验餐厨垃圾取自上海市同济大学某食堂,剔除其中的骨头等硬物及塑料袋、筷子等杂物后用食物粉碎机将其粉碎后用2mm筛网过筛.餐厨垃圾包含米饭、蔬菜、肉、蛋等,其基本特性如表1所示.餐厨垃圾处理后置于4℃环境下防止预酸化.试验所用酵母菌为安琪高活性干酵母(固体),其主要成分为酿酒酵母,来自湖北安琪酵母股份有限公司;醋酸菌为沪酿1.01号醋酸菌(固体),其主要成分为酿造醋酸,上海佳民酿造食品有限公司酿造一厂.

表1 餐厨垃圾的测定指标及性能Table 1 Representative composition and parameters of food wastes used for acetic acid fermentation

1.2 实验条件和操作

实验称取300g经过处理的餐厨垃圾放置在500mL血清瓶中,向1、2、3、4号瓶添加10%(质量分数)的高活性干酵母和10%(质量分数)的醋酸菌,分别将1、2、3、4号瓶置于25、35、45、55℃恒温水浴锅中,每种温度设置3个瓶作为平行样.血清瓶塞连接注射针头,通过测定ORP值严格控制含氧量,将ORP值限制在- 250 ～ l50mV范围内,形成微氧环境.前2d每8h测定发酵液pH 值, 2d后每24h测定发酵液pH值,并取样测定发酵液中挥发性有机酸(乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、正戊酸、异戊酸)的浓度.

1.3 分析方法

TS、VS、凯氏氮和COD采用标准方法测定[16].pH值采用pH计测定(PHS-3C,上海雷磁), ORP值采用ORP计测定(PHS-3C,上海雷磁), VFA经过预处理后测定.预处理方法为:取样后将样品以5000r/min 离心20min,上清液经0.45µm 微孔滤膜过滤.挥发性脂肪酸采用气相色谱法测定,选用美国安捷伦公司气相色谱仪Agilent 6890N(FID氢火焰离子化检测器).测试条件:进样口温度为200℃,检测器温度为220℃,不分流进样,进样量1µL,色谱柱为DB-WAX-etr极性柱(30.0m×0.53mm×1.00µm),条件为恒温恒压,压力为30.37kPa.

2 结果与讨论

2.1 温度对发酵液中pH值的影响

接种酵母菌和醋酸菌后的餐厨垃圾在微氧发酵过程中,进行水解酸化过程,不断产生VFA.VFA是餐厨垃圾降解时产生的重要中间产物,当产生的VFA不能及时转移时,会导致挥发性脂肪酸生成速度大于消耗速度,从而出现酸积累使pH值下降[5].

图1 温度对发酵液pH值的影响Fig.1 Effect of different temperatures on pH value over time of fermentation liquid

由图1可见,在微氧发酵过程中,餐厨垃圾接种酵母菌和醋酸菌后快速完成水解酸化阶段.pH值随着餐厨垃圾微氧发酵过程的进行先快速下降后逐渐放缓,最后趋于稳定在3.50～4.50.控制温度为25℃时,pH值在微氧发酵的第5d开始趋于稳定;控制温度为35℃时,pH值在微氧发酵的第3d开始趋于稳定;控制温度为45℃时,pH值在微氧发酵的第16h开始趋于稳定;控制温度为55℃时,pH值在微氧发酵的第8h开始趋于稳定.随着控制温度的升高,pH值达到稳定的时间逐渐缩短,发酵过程中餐厨垃圾水解酸化速率加快,说明了温度是影响发酵物水解的一个重要因素,温度升高会加快发酵底物的水解速率,这与吴云等[17]的研究结果一致.

2.2 温度对发酵液中乙酸产量的影响

图2和图3显示了不同温度条件下VFA浓度与乙酸浓度的变化.接种酵母菌和醋酸菌后的餐厨垃圾在微氧发酵过程中,在4个温度条件下乙酸浓度高低依次为25℃>35℃>45℃>55℃.控制温度为25℃,发酵时间为8d时乙酸浓度升高,达到最大值64g/L;控制温度为35℃时,乙酸浓度呈直线上升,发酵32h 后,最大乙酸浓度达到27g/L,之后缓慢下降至趋于稳定;控制温度为45℃和55℃时,乙酸浓度快速升高,分别发酵16h与24h后,乙酸浓度达到11g/L,之后缓慢下降至趋于稳定.

图2 温度对VFA产量的影响Fig.2 Effect of different temperatures on VFA yield over time of fermentation liquid

温度为35、45、55℃时的乙酸和VFA产量要低于25℃时的产量,这可能是因为微生物中发酵菌群多为中温菌群[18],温度过低和过高都会影响发酵菌群正常的生命活动.随着温度从25℃逐渐升高至55℃时,乙酸产量、VFA产量逐渐降低.因此确定了接种酵母菌和醋酸菌的餐厨垃圾微氧发酵产乙酸的最佳温度为25℃.

图3 温度对乙酸产量的影响Fig.3 Effect of different temperatures on acetic acid production over time of fermentation liquid

2.3 温度对发酵液中VFA组分及其产量的影响

对发酵液中的VFA组分进行了分析.不同温度条件下VFA组分与产量对比如图4所示,结果表明,发酵液中存在乙酸、丙酸、正丁酸等.在4个温度条件下,VFA中主要组分都是乙酸,乙酸比例均≥79%(质量分数),而丙酸和正丁酸的产量都较低.其中,控制温度为25℃时,VFA中主要组分为乙酸、丙酸、正丁酸,且随着发酵的进行,乙酸产量逐渐升高,约占VFA总量的80%(质量分数),丙酸产量下降至0,正丁酸产量保持稳定低量,约占20%(质量分数);控制温度为35℃时,VFA中主要组分为乙酸、丙酸,随着发酵的进行,乙酸产量先逐渐增加,后趋于稳定;控制温度为45℃时,VFA中主要组分为乙酸、丙酸,随着发酵的进行,乙酸产量升高,约占93%(质量分数);控制温度为55℃时,VFA中主要组分为乙酸、丙酸,随着发酵的进行,乙酸和丙酸产量变化不大,分别约占79%(质量分数)和 21%(质量分数).与35℃中温条件下的试验结果相比较,25℃条件下丙酸比例有所上升,乙酸比例有所下降;45℃与55℃条件下乙酸比例略微下降,丁酸的比例有所上升,这与赵杰红等[18]的研究结果相一致.

图4 不同温度条件下VFA组分与产量对比Fig.4 Comparison of VFA components and yield under different temperature conditions

由本研究结果可以看出,控制温度为25℃时,乙酸的产生量大,达到31.8g/L,VFA的产生量大,达到39.2g/L;控制温度为35℃时,乙酸在VFA中的比例最大,48h后比例可达100%;控制温度为45℃和55℃时,乙酸与VFA产量下降.控制不同的温度条件可以分别获得高的乙酸产量、VFA产量或较高乙酸比例的VFA.因此,可以根据不同的需求,控制温度在25℃或35℃以获得高的乙酸产量、VFA产量或较高乙酸比例的VFA.

2.4 温度对发酵液中VS去除率的影响

挥发性固体(VS)去除率是衡量发酵底物降解程度的关键性指标,目前它被广泛应用于评价产酸过程中体系发酵底物的降解程度.图5表示不同温度下发酵液中TS及VS去除率,可以看出随着温度的逐渐升高,TS和VS去除率经历先上升后下降的过程.在35℃时,发酵底物餐厨垃圾的TS和VS去除率最高,为30%和60%左右.而在温度为55℃时最低,TS去除率为10.37%,仅为35℃时TS去除率的1/3;VS 去除率为38.09%,仅为35℃时VS去除率的1/2.温度逐渐升高至30℃附近时,发酵液中水解酸化菌的数量增多,活性增强,对外界条件变化的适应能力相对增强[19],且恰在外加菌种(酵母菌和醋酸菌)最适生长温度范围内,因此在25℃和35℃时TS和VS去除率要高于45℃和55℃.

2.5 餐厨垃圾接种酵母菌和醋酸菌微氧发酵产酸机制研究

在水解发酵阶段,餐厨垃圾中不溶性的大分子有机物首先被转化为能被细菌所利用的小分子有机物.之后在微生物的作用下,转化为长链脂肪酸、糖类、氨基酸等物质,最终形成以短链挥发性有机酸(乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等)和乙醇为主的末端发酵产物[20].餐厨垃圾进行发酵会产生大量短链脂肪酸,而其中乙酸占主导地位.

图5 不同温度条件下发酵液中TS去除率与VS去除率Fig.5 The removal rate of TS and VS in fermentation liquids under different temperature conditions

水解是限制有机物降解的主要因素[21].提高温度可以加快有机物质的水解,温度越高,有机质分子活动越强烈,且能够增加某些有机物质的溶解性,使有机质更易降解,且在其他条件不变的情况下,碳水化合物更易被水解[22].接种酵母菌后,餐厨垃圾在微氧或兼性环境下更容易被水解,如淀粉、蛋白质.酵母菌将餐厨垃圾中小分子物质转化成乙醇和水,醋酸菌能将乙醇氧化成乙酸,已经成为工业制醋的主要方式.

发酵液可以在微氧条件下水解酸化阶段去除部分易降解有机物质,主要强化了兼性水解酸化菌的生理代谢功能,且促进了难生物降解物质的水解酸化效果.同时可使VFA浓度大幅上升,能够改善生物降解性能[23].因此,相较于传统的厌氧条件进行发酵,餐厨垃圾发酵液在微氧条件下能够更好地进行降解,同时满足酵母菌和醋酸菌的生长环境条件.

此外,微生物的生命活动、物质代谢与温度有密切的关系,不同微生物生长对温度的要求不同,过高或过低的温度对微生物的生长不利.酵母菌的最适生长温度一般在20～30℃,醋酸菌的最适生长温度30～35℃,氧化酒精生成醋酸的能力强.接种酵母菌和醋酸菌后餐厨垃圾中的有机物经历了水解阶段以后,在酵母菌的作用下进行小分子转化为乙醇;在醋酸菌的作用下将乙醇转化为乙酸,从而进行发酵产酸.在微氧发酵中,维持相对较低的发酵温度可以增强接种酵母菌和醋酸菌的餐厨垃圾产乙酸容量,促进菌体生长,进而为发酵后期提供稳定的产乙酸能力.

3 结论

3.1 接种酵母菌和醋酸菌的餐厨垃圾微氧发酵产乙酸,温度对乙酸的产生量影响显著.

3.2 控制温度为25℃时,乙酸的产生量达到31.8g/L, VFA的产生量达到39.2g/L;控制温度为35℃ 时,乙酸在VFA中的比例最大, 48h后比例可达100%;控制温度为45℃和55℃ 时, 乙酸与VFA产量下降.可以根据不同的需求, 控制温度在25℃或35℃以获得高的乙酸产量、VFA产量或较高乙酸比例的VFA.

3.3 接种酵母菌和醋酸菌的餐厨垃圾微氧发酵产乙酸的最佳温度为25 ℃.

3.4 控制温度为25℃时,发酵液中产生乙酸、正丁酸;控制温度为35℃时,只产生乙酸;控制温度为45℃和55℃时,同时产生乙酸和正丁酸.

3.5 随温度的逐渐升高,TS和VS去除率先上升后下降,在35℃时,发酵底物餐厨垃圾的TS和VS去除率最高,为30%和60%左右.微氧条件强化了兼性水解酸化菌的生理代谢功能,改善了生物降解性能,促进了难生物降解物质的水解酸化效果.

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Effects of temperature on the production of acetic acid from food wastes by yeast and acetic acid bacteria during micro-aerobic fermentation.

LI Yang1, ZHOU Tao1, CHEN Shan-ping2, ZHANG Jun1, SONG Li-jie2, ZHAO You-cai1*(1.The State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Shanghai Institute for Design and Research on Environmental Engineering Co., Ltd, Shanghai 200232, China).China Environmental Science, 2016,36(1)：175～180

Abstract：This study carried out batch experiments to explore the effects of temperature at 25, 35, 45, 55℃ on acetic acid and volatile fatty acids production from food wastes with yeast and acetic acid bacteria as inoculums during micro-aerobic fermentation.The results showed that the concentration of acetic acid fermentation is the maximum of 0.59g/L at 25℃after eight days’ fermentation, much higher than those at 35, 45 and 55℃, with the highest concentration of VFA up to 34.49g/L at 25℃.VFA thus produced contains acetic acid mostly, with a few amount of propionate and butyrate.The optimum temperature on acetic acid production of food wastes inoculated yeast and acetic acid bacteria during micro-aerobic fermentation is 25℃.With the temperature gradually increased, TS and VS removal rate increased at first and then decreased.At 35℃, TS and VS removal rate of fermentation substrates is the highest, about 30% and 60%, respectively.

Key words：food wastes；yeast；acetic acid bacteria；acetic acid；temperature

中图分类号：X705

文献标识码：A

文章编号：1000-6923(2016)01-0175-06

收稿日期：2015-05-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51278350)

作者简介：李 阳(1991-),女,黑龙江哈尔滨人,同济大学硕士研究生,主要从事餐厨垃圾处理处置与资源化研究.