冬瓜皮特征成分及厌氧发酵处理可行性研究

李淑兰， 梅自力， 李 江， 孔垂雪

(1.农业部沼气科学研究所， 成都 610041； 2. 农业部农村可再生能源开发利用重点实验室， 成都 610041)

项目来源： 中国农业科学院科技创新工程(1251516100109)

冬瓜皮特征成分及厌氧发酵处理可行性研究

李淑兰1,2， 梅自力1,2， 李 江1,2， 孔垂雪1,2

(1.农业部沼气科学研究所， 成都 610041； 2. 农业部农村可再生能源开发利用重点实验室， 成都 610041)

为考察冬瓜皮厌氧生物处理的可行性试验，试验首先对冬瓜皮的特征成分进行检测分析；其次，在中温条件下，对冬瓜皮进行厌氧发酵产气特性试验研究。理化性质检测结果显示，冬瓜皮中的碳氮比为16.4∶1，挥发性物质(VS)约占干物质(TS)45.05%，理论上讲，冬瓜皮不太适合厌氧生物法处理；厌氧发酵试验结果表明，冬瓜皮的厌氧发酵产沼气潜力比较高，即单位原料质量产气量达0.379 L·kg-1TS，最大产甲烷速率为0.015 L·kg-1TSd-1，但是从产气成分看，甲烷含量明显偏低，最高只有39.7%。从文章研究综合分析，冬瓜皮不适宜厌氧发酵生物处理。

冬瓜皮; 特征成分; 厌氧发酵; 产气潜力

我国是蔬菜生产大国，农业发展中蔬菜生产占据着独特的地位和优势，但在蔬菜加工及流通过程中会有大量副产物的产生，不仅造成资源的极大浪费，而且大大降低了产品的附加值，因此对蔬菜副产物的利用与研究具有重要意义[1-3]。日常生活和食品工业冬瓜制品的加工过程中，冬瓜皮都被当作废料或饲料处理掉了，并且对环境也造成了污染。

现代医学研究表明，冬瓜皮具有降血糖、降血压、护肝肾以及美容减肥和降脂的作用[4]。多数学者对冬瓜皮的研究也主要集中于保健作用和药用价值[5]，用其治疗胃肠道疾病、呼吸道疾病、糖尿病等[6]，对其厌氧生物处理没有报道。笔者从冬瓜皮的特征成分入手，对冬瓜皮的厌氧发酵产甲烷潜力进行深入分析与研究，进一步探索冬瓜皮厌氧生物处理方法的可行性，为冬瓜皮的有效利用提供更广阔的路径。

1 材料与方法

1 .1 供试材料与接种物

试验材料为黑冬瓜皮，来自四川省成都市某菜市场。主要特征成分见表1。接种物为简阳市某沼气工程的厌氧污泥，基本特性见表2。

1.2 试验装置和处理

试验仪器有2000 mL广口瓶6个(用作发酵瓶)，500 mL广口瓶6个(用作集气瓶)，500 mL三角瓶6个(用作集水瓶)、橡胶塞大小各12个，水浴锅，乳胶管以及玻璃管。

表1 冬瓜皮的特征成分

表2 接种物的基本特性 (%)

按照图1连接好厌氧消化实验装置。

图1 厌氧消化装置示意图

利用2000 mL广口瓶做发酵瓶，每个瓶中加入500 mL厌氧污泥，1000 mL水。设3个试验组，每个添加100 g新鲜冬瓜皮；设3个对照组，不添加任何物质。搅拌均匀，连接装置，用橡皮塞封口。试验温度为中温(35℃±2℃)。从试验启动的第2天开始，每天定时记录日产气量。每隔一定时间测量1次甲烷含量。

1.3 分析方法

干物质含量(总固体含量)：烘干法[7]测定；

产沼气量：采用排水法收集沼气；

CH4含量：采用沼气成分分析仪测量。

2 结果与分析

冬瓜皮厌氧发酵试验利用水浴锅加热，稳定运行了约25天，产气结束。

2.1 冬瓜皮厌氧沼气发酵日产气量随时间变化关系

冬瓜皮从市场收取回来，一部分用于理化特性的测试，另一部分经过粉碎处理后进行厌氧消化实验，按图2装置连接。为了寻求冬瓜皮产气量与厌氧消化时间之间的关系，在为期25天的厌氧消化试验中，对每天的产气量,和pH值进行测量、记录。结果如图2所示。

图2 冬瓜皮沼气发酵日产气量的经时变化

由图2可知，冬瓜皮在沼气发酵过程中，日产气量在第2天达到高峰，即765.5 mL。究其原因，可能是因为微生物接种到一个新的底物中，有一个延滞期，在接种的第1天，微生物将主要进行有机物的液化，所以第1天的产气量明显低于第2天的产气量。从发酵第3天开始，沼气产量急剧下降，到第10天产气量只有51 mL。显然这一现象是由反应初期的酸化反应引起。因为从图2的pH值变化显示，从发酵第2天废水的pH值就急速下降，到反应第10天时pH值只有4.95，说明反应初期，酸化细菌比产甲烷细菌活跃，导致酸化反应速度快于产甲烷速度。反应从第11天开始，虽然pH值有所回升，系统趋于稳定，但是产甲烷速度仍旧慢于酸化速度，使得反应后期系统的pH值一直呈现酸性状态。随着消化时间的延长，有机物的含量降低，使得产气量也随着逐渐减少。此外，产气量还与系统中硫酸盐还原菌及反硝化细菌等的活动有关，这些细菌会与产甲烷菌争夺碳源，从而使产气量下降。

从消化液的pH值变化规律来看，呈现出先小幅降低而后缓慢升高的趋势。究其原因，厌氧消化过程可分为两个阶段，水解、产酸阶段和产甲烷阶段。在消化前期(0～4天)，废水中有机物在微生物作用下分解，主要进行水解和酸化反应，产生了一定量的有机酸，导致系统的pH值降低(从开始6.88降到5.42)，到反应第10天达到最低4.95，可能是因为反应系统中产甲烷和CO2等气量较低导致。从厌氧消化第11天开始，pH值缓慢增长，但仍没有达到原水平，最后仅升高到5.91。因为随着厌氧消化时间的延长，废水的有机物的浓度在不断降低，使得产甲烷菌的活力下降，产气速度减慢，pH值增长就随之减慢。

2.2 冬瓜皮沼气发酵累积产沼气量随时间变化关系

为了进一步明确冬瓜皮厌氧发酵处理的可行性。笔者研究分析了冬瓜皮在发酵过程中的累积产气量与发酵时间的关系。如图3所示。

图3 冬瓜皮沼气发酵过程累积产气量的经时变化

从图3可以看出，在中温条件下，经过25天的厌氧发酵，冬瓜皮总产沼气量为3133.5 mL。从图3看，在发酵的前10天，总产气量已经占整个过程总产气量的90.41%左右，说明冬瓜皮的大量降解主要发生在发酵过程前10 天时间段内。图3还显示，在试验初期，累计产气量增长很快，主要是由于反应开始时发酵底物浓度较高，微生物活性较强引起。随着厌氧消化时间的延长，有机物浓度下降，微生物活性减弱，累积产气量增长就区域平缓。

2.3 冬瓜皮厌氧发酵产沼气潜力及沼气中甲烷含量测定

中温条件下，冬瓜皮经过沼气发酵，产沼气潜力为0.379 m3·kg-1TS，平均值25.88(见表3)。从表3还可以看出，在发酵整个过程由于发酵体系的酸化，导致在发酵过程中所产沼气中甲烷含量最高仅39.7%，不足40%；说明中温条件下冬瓜皮利用沼气化方式处理是不可行的。

表3 冬瓜皮产气潜力及甲烷含量

3 小结和讨论

(1)笔者研究中的冬瓜皮的VS仅占TS的45.05%，可见该物质可生化性较差。

(2)中温条件下，对冬瓜皮进行厌氧消化试验，可以得出1 kgTS大约能产0.379方的沼气，单从理论上讲，冬瓜皮利用沼气化处理的方法是可行的。

(3)从沼气中甲烷含量来看，冬瓜皮厌氧发酵产生的沼气中甲烷含量平均大约25.88%。而且沼气中硫化氢含量较高，脱硫成本会相应提高。试验结果表明，冬瓜皮不适宜用厌氧发酵生物法进行处理。

(4)从整个发酵过程看，发酵液一直处于酸性状态，pH值始终在6.88以下，这也是导致发酵过程产甲烷低的一个重要原因。虽然可以在反应初期添加一定的微生物菌剂，势必导致试验成本的增加。

(5)建议冬瓜皮较适宜的处理方式为制肥或入药。

[1] 姚增玉，李科友，赵 忠，等．山杏种皮黑色素的抗氧化活性[J].林业科学，2007，43(10) : 59-63．

[2] 苏东林，李高阳，刘伟，等．橘皮类黄酮的分离、纯化及结构鉴定研究[J].中国食品学报，2012，12(5) : 174-181．

[3] 艾志录，郭 娟，王育红，等．微波辅助提取苹果渣中苹果多酚的工艺研究[J].农业工程学报，2006，22(6) : 188-191．

[4] 梁迎春．有益于健康的冬瓜皮[J]．农产品加工，2012，20(8) : 27．

[5] 童军茂，周 红，杨艳彬，等．冬瓜复合汁加工技术的研究[J].食品与发酵工业，2001，27(12) : 77-79．

[6] Sharma J，Chatterjee S，Kumar V，et al．Analysis of free and glycosidically bound compounds of ash gourd (Benincasa hispida) : Identification of key odorants[J].Food Chemistry，2010，122 (4) :1327-1332．

[7] 张无敌, 宋洪川, 尹 芳, 等．沼气发酵与综合利用[M].昆明：云南科技出版社，2004: 24- 26.

CharacteristicComponentofWaxGourdPeelandItsFeasibilityofAnaerobicFermentation

/LIShu-lan1,2,MEIZi-li1,2,LIJiang1,2,KONGChui-xue1,2

/ (1.BiogasInstituteofMinistryofAgriculture,Chengdu610041,China; 2.LaboratoryofDevelopmentandApplicationofRuralRenewableEnergy,MinistryofAgriculture,Chengdu610041,China)

The characteristic components of wax gourd peel were analyzed and its anaerobic fermentation fesibility was experimented under mesophilic temperature. The physicochemical property tests showed that carbon/nitrogen ratio of wax gourd peel was 16.4∶1; the ratio of VS/TS was 45.05∶100. Theoretically wax gourd peel was not suitable for anaerobic fermentation. However, the anaerobic fermentation results showed that biogas production potential of wax gourd peel was quite high (reaching 0.379 L·kg-1TS), but the maximum methane-production rate was only 0.015 L·kg-1TSd-..Obviously methane content in biogas was low (39.7%). Comprehensive analysis showed that the anaerobic fermentation was not suitable for wax gourd peel.

wax gourd peel； characteristic component; anaerobic fermentation； methane production potential

2017-06-23

李淑兰(1975-)，女，博士，山西临汾人，主要从事生物质能源技术与废水处理研究等工作，E-mail:57265630@qq.com

梅自力，E-mail： 13880233242@163.com

S216.4

A

1000-1166(2017)05-0030-03