不同种类泔脚废油脂厌氧发酵产酸的性能研究

曾蕴仪，方茜，黄周玥，黄定武

(广州大学 土木工程学院 市政工程系，广东 广州 510000)

我国年均产生约500万t的泔脚废油脂[1]，近年来，泔脚废油脂在生产甲烷、制备生物柴油等方面应用广泛[2-4]，但将泔脚废油脂用于厌氧发酵产奇数碳挥发性脂肪酸(OCFA)的研究还鲜有报道。

油脂能通过β-氧化形成乙酰辅酶A降解生成挥发性脂肪酸(VFAs)[5-7]。VFAs分为OCFA和偶数碳挥发性脂肪酸(ECFA)两类。其中，OCFA可以合成可生物降解塑料产品的原材料羟基戊酸酯(PHV)[8-10]，具有极大的研究前景。

本实验选取泔脚废油脂为研究对象，将其种类进行区分，研究厌氧发酵过程中产VFAs及OCFA的变化规律，选出产OCFA效果最佳的油脂种类，为接下来研究PHV的合成奠定基础。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

泔脚废油脂分废弃肥肉、泔水浮油、煎炸废油3种，均取自广州大学菊苑食堂。

厌氧发酵装置，自制；pHS-3C型pH计；GC7900气相色谱仪；CNW CD-WAX毛细管色谱柱。

1.2 材料预处理

将泔脚垃圾静置后进行固液分离，收集上层浮油作泔水浮油使用。煎炸废油为经过高温烹饪的动植物混合油，取自菊苑食堂煎炸间。采用人工分拣的方式筛选出泔脚垃圾中的废弃肥肉，用自来水反复冲洗后，再次煮沸、淘洗以去除烹饪过程中的添加物。 将洗净的肥肉加入搅拌机搅碎后置于4 ℃冰箱中保存备用。经检测，泔水浮油、废弃肥肉、煎炸废油的总固体含量(TS)分别为88.69%，93.18%，99.59%，挥发性固体含量(VS)92.90%，99.37%，99.98%，脂肪含量21.59%，86.3%，57.21%。实验时取3种泔脚废油脂，再次测定TS和VS后，用去离子水稀释至特定含固率后使用。

1.3 实验方法

厌氧发酵装置采用由石英玻璃制成的锥形瓶，有效容积为500 mL，用木塞加以密封，见图1。 锥形瓶外部用遮光布包裹，通过回旋式水浴恒温振荡器将温度控制在(35±0.5) ℃，并将振荡速率调至160 r/min使发酵液充分混合均匀。发酵反应开始前对反应器进行氮气吹脱10 min，以去除反应器中的空气。

图1 底物发酵装置图

本实验将废弃肥肉、煎炸废油、泔水浮油发酵液稀释至TS=3%后，分别装入锥形瓶中进行发酵。3种泔脚废油脂的实验投加量见表1。

表1 实验设计表

1.4 分析方法

分别采用pH计测定pH[11]；灼烧减重法测定TS和VS、重铬酸钾法测定SCOD、纳氏试剂分光光度法测定氨氮[12]；苯酚-浓硫酸法测定可溶性多糖[13]；考马斯亮蓝法测定蛋白质[14]；索式提取法测定脂肪含量[15]。样品经过10 000 r/min离心10 min，上清液用0.45 μm孔径滤膜中过滤，采用气相色谱法测定VFAs(乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸、正戊酸)[16]，进样前滴入2～3滴甲酸酸化15 min，每次进样1 μL。每个样品测定2～3次取平均值。色谱条件为：进样口温度220 ℃，FID检测器温度250 ℃，采用毛细管色谱柱，升温程序由初始温度80 ℃ 保持2 min，以20 ℃/min的升温速率升至110 ℃保持1 min，再以10 ℃/min的升温速率升至180 ℃保持1 min。

2 结果与讨论

2.1 VFAs浓度变化规律

不同种泔脚废油脂产VFAs总量见图2，营养物质溶出量见图3。

图2 不同种泔脚废油脂产VFAs总量变化

图3 不同种泔脚废油脂营养物质溶出量

由图2和图3可知，在发酵过程中，3种泔脚废油脂的VFAs浓度皆以先上升后下降的趋势进行。从VFAs浓度上看，在14 d的发酵期间，泔水浮油、煎炸废油、废弃肥肉分别于第5，10，10 d达到VFAs的浓度高峰6 430.22，3 553.93，5 551.00 mg/L。在VFAs浓度增长期间，泔水浮油VFAs浓度的增长速率为1 152 mg/(L·d)，相比煎炸废油和废弃肥肉分别加快了53%，70%。从营养物质溶出量上看，泔水浮油、煎炸废油、废弃肥肉的溶出量分别为2 835.87，242.14，406.29 mg/L。

这是因为，油脂由一分子甘油与三分子长链脂肪酸(LCFA)组成，在厌氧环境中，LCFA在微生物细胞内通过β-氧化形成乙酰辅酶A，再降解生成甘油和乙酸、丙酸、丁酸等VFAs[17]，故3种泔脚废油脂中的VFAs浓度逐渐增大。但与煎炸废油和废弃肥肉不同，泔水浮油中溶有大量蛋白质、碳水化合物类物质，这类营养物质较油脂易降解[18]，能迅速将大分子量有机物水解为小分子量有机物，因此在发酵初期，泔水浮油的VFAs浓度及其增长速率明显高于煎炸废油和废弃肥肉。废弃肥肉中的饱和LCFA占脂肪酸(FA)总量的49.6%[19]，但由于其较低的脂肪聚合体比表面积使得微生物水解速率降低，不能快速积聚高浓度的VFAs[20]，故在发酵初期废弃肥肉的VFAs浓度较低。经高温加工后的煎炸废油易发生油脂氧化生成大量FA聚合物，且煎炸废油中含有较少的营养物质溶出量及较高的油脂量，使得产酸受到抑制从而导致VFAs浓度较低。在反应达到最大浓度VFAs时，反应器中的营养物质降幅趋于稳定、底物消耗，VFAs浓度开始下降。

3种泔脚废油脂皆能产生较高浓度的VFAs，但由于泔水浮油中的营养物质溶出量较高，因此能在单位时间内获得最大VFAs浓度，而废弃肥肉和煎炸废油基于自身特性及油脂的抑制作用使其在发酵初期VFAs浓度较低。

2.2 OCFA浓度变化规律

3种泔脚废油脂中OCFA浓度处于峰值时所占VFAs浓度比例见图4。

由图4可知，各类废油脂OCFA浓度的变化趋势与其VFAs相同。在泔水浮油、煎炸废油、废弃肥肉达到最大浓度VFAs时，OCFA浓度分别为2 366.79，2 249.22，3 356.47 mg/L，OCFA/VFAs比例分别为37%，63%，66%。

图4 不同种类泔脚废油脂产奇偶数碳VFAs含量变化

这是因为在水解过程中，油脂通过酶和微生物的作用溶出大量甘油和脂肪酸(FA)。甘油在细胞内转化为丙酮酸，之后丙酮酸分解出大量丙酸及少量丁酸和乳酸，丙酸产量增加[21]。同时，未被氧化的FA储存在脂肪中，不随VFAs的变化而波动，能稳定地分解为乙酸、丙酸、丁酸等VFAs。从另一方面而言，由图5可知，发酵初期，3种泔脚废油脂的pH值均由6.0以上迅速下降至5.0以下，反应器中出现冲击负荷使得发酵类型向丙酸型发酵转变，导致丙酸的产生和积累，由于丙酸型发酵具有较强的稳定性，OCFA浓度持续增加[22]。综上可知，油脂发酵能产生较高浓度的OCFA。

图5 pH值的变化规律

结合表2，泔水浮油中营养物质溶出量较脂肪含量高，丙酸含量低于乙酸含量，属于丁酸型发酵[23]，故泔脚浮油的OCFA浓度较低。而煎炸废油和废弃肥肉脂肪含量分别为57.21%，86.3%，属于动物油脂，动物油脂中的OCFA与脂肪酸之比会保持在较高水平[24]，因此脂肪含量高的动物油脂能产生较高浓度的OCFA。结合表2中可知，OCFA浓度达到峰值时，泔水浮油、煎炸废油和废弃肥肉中的丙酸所占比例分别为27.94%，54.73%，52.07%。泔水浮油发酵液中含大量乙酸，随着时间的推移，OCFA 浓度逐渐降低。煎炸废油和废弃肥肉属于丙酸型发酵，但由于反应器内部丙酸浓度的不断增加导致系统腐败，且反应停留在产氢产乙酸阶段的时间过长使丙酸和丁酸等4个碳分子以下的VFAs转化为乙酸，使得OCFA浓度降低。

表2 不同种泔脚废油脂在最大VFAs浓度时各组分比例

在3种泔脚废油脂中，废弃肥肉中的脂肪含量最高，故其OCFA浓度最高。煎炸废油虽然脂肪含量较高，但其VFAs浓度较低，所以OCFA也较低。而泔水浮油中由于营养物质溶出量高产乙酸，因此OCFA浓度也相对较低。

2.3 SCOD随发酵时间的变化规律

SCOD反映不溶性大分子有机物质随着反应的进行逐渐溶解成小分子有机物质的含量，包括VFAs、乙醇以及碳水化合物、脂质、蛋白质等溶解性物质[25]。由图6可知，3种泔脚废油脂中SCOD与VFAs呈现相似的变化规律。在发酵的第5，10，10 d，泔脚浮油、煎炸废油和废弃肥肉的最大SCOD浓度分别为15 333，9 041，10 440 mg/L。VFAs/SCOD指发酵液中有机质转化为VFAs的比率，3种泔脚废油脂中最高VFAs/SCOD分别为42%，39%，53%，表明了废弃肥肉的产酸效果最好。

图6 不同泔脚废油脂SCOD溶出量与VFAs的量化关系

值得注意的是，油脂会对厌氧发酵产酸造成抑制，β-氧化阶段是LCFA降解过程中的限速步骤，LCFA吸附在产甲烷菌细胞膜上，干扰微生物对有机质的吸收，小分子有机物未能被产酸菌吸收利用，从而使得VFAs浓度较低[26]。泔水浮油SCOD的发酵前期迅速增长，表明其在发酵过程中所受到的抑制作用较低，而废弃肥肉和煎炸废油中的SCOD和VFAs浓度的缓慢增长、产酸滞后等现象表明其受到明显的抑制作用。为了深入探讨3种泔脚废油脂的抑制机理，需要进一步的检测发酵过程中脂肪、FA及LCFA的变化，用来明确油脂及其降解产物对反应的抑制效果，分析油脂水解对VFAs浓度变化的规律。

3 结论

(1)在厌氧发酵产酸过程中，泔水浮油、废弃肥肉、煎炸废油于第5，10，10 d达到最大VFAs浓度，分别为6 430.22，3 553.92，5 551 mg/L。泔水浮油能在单位时间内获得最大的产酸量。

(2)3种泔脚废油脂均能产生较高浓度的OCFA。其中，废弃肥肉的OCFA浓度和OCFA/VFAs的比例为3 356.47 mg/L、66%，相比于泔水浮油和煎炸废油OCFA浓度分别增长了29%，33%；OCFA/VFAs的比例分别增长了29%，3%。而且废弃肥肉的VFAs/SCOD高达53%，产酸效果最佳。因此，废弃肥肉可作为探讨提高OCFA产率的优质发酵原料。

(3)各组发酵液SCOD的变化规律表明，油脂的抑制效果对泔水浮油作用较小，而对煎炸废油和废弃肥肉造成了VFAs浓度的缓慢增长、产酸滞后等作用。