餐厨垃圾微生物发酵生产蛋白质饲料的工艺条件研究

肖云

（武汉职业技术学院生物工程学院，湖北武汉430072）

餐厨垃圾主要是指家庭、餐厅、机关公共食堂的食物下脚料和残余的废弃物，包括水、油脂、蔬菜、米面、果皮、鱼、肉、骨头以及废餐具、塑料、纸巾等多种物质的混合物，来源复杂，含有各种细菌和病原菌。如果不加以处理，餐厨垃圾极易变质、腐烂、发酵，滋生蚊蝇，产生大量毒素及散发恶臭气体，污染水体和大气，直接排入下水道还会引起下水道堵塞。但同时，餐厨垃圾又含有大量的有机物，营养价值丰富，具有很大的回收利用价值[1-3]。

伴随着经济发展和城市化进程的加快，城市生活垃圾的排放量愈来愈大，其中餐厨垃圾的比例日渐上升，占城市生活垃圾的37%～62%。我国餐厨垃圾具有高有机物含量(有机物含量约占干物质的80%以上）、高含水率(80%～90%）、高油、高盐分等特点。据报道，如果将我国一年的餐厨垃圾全部利用，则相当于节约3 000万亩玉米的产出量和600万吨生物柴油，可见其资源化特征十分明显[4-5]。目前对餐厨垃圾的处理有四种主流的工艺路线：生产饲料、好氧堆肥、厌氧消化和制备生物柴油。其中，厌氧消化是在无氧条件下利用微生物自身代谢作用将大分子有机物分解为小分子有机物和无机物的过程，也是目前应用和研究较多的技术，预计也是未来餐厨垃圾处理的主流技术[6]。尽管如此，仍然需要开发新型综合的处理技术来提高餐厨的资源化循环利用程度。

笔者采用微生物发酵技术，选择目前常用的三种微生物菌剂：HM菌剂、EM菌剂、自制复合菌剂(黑曲霉∶啤酒酵母∶枯草芽孢杆菌=1∶1∶1），添加至餐厨垃圾中，比较产品中蛋白质的含量[7]，以筛选出能快速处理餐厨垃圾的微生物菌群，为大规模处理餐厨垃圾提供依据。

1 实验部分

1.1 材料

1.1.1 餐厨垃圾

餐厨垃圾取自武汉职业技术学院西区食堂，经初步分拣去除筷子、叉子、纸巾等不可利用物，主要成分为饭渣、菜叶、肉渣等，离心去除部分水分，置于冰箱中保存备用。

1.1.2 菌种

HM菌剂 (河北智道生物科技有限公司）；EM菌剂(沧州华雨生物科技有限公司）；自制复合菌剂(黑曲霉∶啤酒酵母∶枯草芽孢杆菌=1∶1∶1），自行保存，均为农业部生物安全通过技术规定使用的生产菌种。

1.1.3 培养基

肉汤培养基：蛋白胨1%，牛肉膏0.5%，NaCl 0.5%，pH 7.4±0.2，用于培养种子。

1.2 实验方法

1.2.1 菌种的活化

HM/EM菌种处理方法：接种前先制成HM/EM菌液，按质量比为HM/EM菌∶红糖∶无菌水=10∶1∶10混合均匀，37℃培养，1～2 d 摇动一次，5～7 d 即可[8]。

将冰箱保藏的混合菌种取出，用接种环挑取接到斜面培养基，37℃培养24 h，然后挑取单个菌落接到液体培养基中，35℃摇床培养36 h，制得种子液[9]。

1.2.2 餐厨垃圾的固体发酵实验

取一定量处理后的餐厨垃圾，加入不同含量的氮源作为发酵培养基，分别接入一定量的HM菌剂、EM菌剂、复合菌剂，在一定条件下进行发酵实验。

1.2.3 检测方法

发酵完毕，将发酵产品用蒸馏水漂洗3次，离心收集沉淀物于60℃～65℃烘干并粉碎。水分的测定参照GB/T6436-1992；总糖的测定参照GB/T 3865-1983；粗脂肪的测定参照GB/T 6433-2006；粗蛋白的测定参照GB/T6432-1994；总酸的测定参照 GB/T12456-1990[10]。

2 结果与分析

2.1 含水量对餐厨垃圾发酵的影响

取固体培养基100 g，尿素1.5 g，将含水量调成30%、40%、50%、60%、70%、80%，调节 pH 为 6，121℃灭菌20 min，分别接入HM菌剂、EM菌剂、自制混合菌剂，34℃培养48 h后，测定粗蛋白的含量。结果如图1。

图1 不同含水量对发酵产物中粗蛋白含量的影响Fig.1 The effect of different water content on crude protein content in fermentation products

由图1可以看出，培养基含水量对HM菌剂、EM菌剂、自制复合菌剂三种发酵产物中的粗蛋白含量都有较明显的影响。随着含水量的增加，粗蛋白含量升高；当含水量达到60%，三种菌剂发酵产物中的粗蛋白含量均达到最高，其中自制混合剂为28.12，EM菌剂为27.33，HM菌剂为25.38；含水量超过60%后，随着含水量增加，粗蛋白含量降低。可能的原因是，含水量过低，培养基膨胀度低，黏度大，不利于通风，微生物的生长受到抑制；含水量过高，物料浓度偏低，不利于菌体合成蛋白质。因此，在含水量为60%时，发酵产物中粗蛋白含量达到最高。

2.2 接种量对餐厨垃圾发酵的影响

取固体培养基100 g，尿素1.5 g，将含水量调成60%，pH为6，121℃灭菌20 min，按接种量为0.5%、1%、1.5%、2%，2.5%分别无菌接入HM菌剂、EM菌剂、自制混合菌剂，34℃培养48 h后测定粗蛋白的含量。结果如图2。

图2 不同接种量对发酵产物中粗蛋白含量的影响Fig.2 The effect of different inoculation amount on crude protein content in fermentation products

接种量不同对三种菌剂发酵产物中的粗蛋白含量均有一定的影响。从图2可以看出，对三种不同发酵菌剂而言，接种量为1.5%时，发酵产物中粗蛋白含量较高，其中自制复合菌剂产物中粗蛋白含量达到27.98%；但是当接种量超过1.5%后，三种菌剂发酵产物中粗蛋白含量均无明显增加。从生产实践和经济角度考虑，接种量为1.5%较为合适。

2.3 温度对餐厨垃圾发酵的影响

取固体培养基100 g，尿素1.5 g，将含水量调成60%，pH为6，121℃灭菌20 min，按接种量1.5%，分别无菌接入HM菌剂、EM菌剂、自制混合菌剂，分别在25℃、28℃、31℃、34℃、37℃、40℃培养 48 h，测定粗蛋白的含量。结果如图3。

图3 发酵温度对发酵产物中粗蛋白含量的影响Fig.3 The effect of different temperatureon crude protein content in fermentation products

温度是微生物发酵的一个重要因素，影响微生物细胞内的酶的生成和酶的活力。本次实验采用的是混合菌群发酵，涉及多种微生物的共同生长，因此选择合适的发酵温度，协调各个微生物的生长繁殖，对发酵有明显的影响。由图3可以看出，对于HM菌剂和EM菌剂，随着温度的升高，在温度达到37℃前发酵产物中的粗蛋白呈升高趋势，温度超过37℃后，粗蛋白含量基本保持不变；对于自制复合菌剂，在温度达到34℃前，随着温度升高，发酵产物中粗蛋白含量逐渐升高，在34℃时粗蛋白含量达到最大值28.22%，当温度超过34℃，继续升高温度，反而抑制了部分微生物的生长，发酵产物中的粗蛋白有所下降。故对于HM菌剂和EM菌剂，最适发酵温度为37℃；对于自制复合菌剂而言，最适发酵温度为34℃。

2.4 pH对餐厨垃圾发酵的影响

取固体培养基100 g，尿素1.5 g，将含水量调成60%，分别调节 pH 为 4、5、6、7、8，121℃灭菌 20 min，按接种量1.5%，分别无菌接入HM菌剂、EM菌剂、自制混合菌剂，34℃分别培养48 h，测定粗蛋白的含量。结果如图4。

图4 不同pH值对发酵产物中粗蛋白含量的影响Fig.4 The effect of different pH on crude protein content in fermentation products

pH也是影响微生物发酵的一个重要因素。由图4可以看出，当pH低于6时，随着pH值上升，三种菌剂发酵产物中粗蛋白含量明显上升，当pH达到6时，自制复合菌剂中粗蛋白含量达到最大28.35%，当pH继续上升，反而抑制了微生物的生长，发酵产物的粗蛋白反而下降。故最适发酵的pH为6。

2.5 发酵时间对餐厨垃圾发酵的影响

取固体培养基100 g，尿素1.5 g，将含水量调成60%，pH为6，121℃灭菌20 min，按接种量1.5%，分别无菌接入HM菌剂、EM菌剂、自制混合菌剂，34℃分别培养 24 h、36 h、48 h、60 h，测定粗蛋白的含量。结果如图5。

图5 发酵时间对发酵产物中粗蛋白含量的影响Fig.5 The effect of different time on crude protein content in fermentation products

由图5可知，当发酵时间低于48 h时，三种菌剂产物中的粗蛋白均随着发酵时间增加而增加，当发酵时间达到48 h，自制复合菌剂中的粗蛋白达到最大28.34%，当发酵时间超过48 h，随着发酵时间增加，粗蛋白含量逐渐下降。故最适发酵时间为48 h。

3 结论

本次实验对HM菌剂、EM菌剂、自制混合菌剂三种菌剂利用餐厨垃圾发酵生产粗蛋白的发酵条件进行优化，对比三种菌剂转化蛋白质的效率，其中自制复合菌剂蛋白质转化率最高为28.35%，故确定可降解餐厨垃圾的菌群为1∶1∶1的黑曲霉∶啤酒酵母∶枯草芽孢杆菌，最佳发酵工艺条件为：以添加1.5%的尿素为氮源，含水量为60%，pH为6的餐厨垃圾为基质进行发酵，混合菌种接种量为1.5%，34℃发酵48 h后，所得生物饲料中粗蛋白的含量为28.35%，发酵产物有酒香味。本研究的实验结果为餐厨垃圾发酵生产蛋白质饲料提供一定的思路。