三峡库区废弃芹菜发酵条件优化

邓永芳 罗林森 李雪蓉

[摘 要] 为了充分利用三峡库区废弃芹菜，寻找最适合三峡库区废弃芹菜的发酵条件，本文以三峡库区废弃芹菜作为原料，以含水量与pH值作为影响因素（含水量取38%、89%、95% 3个水平，pH值取3.0、4.5、5.0 3个水平），利用软件设计正交表，根据表格所搭配的含水量与pH值，配以30 g芹菜与18 mL发酵菌液为发酵原料进行发酵。同时，以可溶性糖含量作为发酵结果检验标准，每2 d测量一次数据，并对数据进行记录与计算分析。结果表明，在25 ℃温度条件下，含水量为38%、pH值为4.0时废弃芹菜发酵效果最好。

[关键词] 芹菜;发酵;三峡库区

[中图分类号] TS255.5;TQ920.6 [文献标识码] B [文章编号] 1674-7909（2020）03-103-3

三峡库区农作物种类繁多，资源丰富，但除了少数被用作食用、畜牧饲料、食品与生物肥料和农用燃烧外，大多数被直接焚烧或遗弃[1]。这既浪费了资源，又污染了环境;既不环保，又不高效[2]。因此，对废弃农作物再循环利用的研究迫在眉睫。

目前，我国用于发酵的废弃农作物主要是农作物秸秆，如玉米、小麦、水稻等作物秸秆[3-5]，这对废弃农作物的再循环利用有很大的帮助。同时，相关学者还开展了对其他原材料的发酵研究，如海南椰子废弃物、热带农作物木薯、废弃的果蔬等，研究内容随着特定地区需求而开展。其中，蔬菜多用于食用[6]，然而实际生产过程中却有很多蔬菜被丢弃，既破坏了环境，又浪费了资源。自三峡库区形成以来，学者对三峡库区的研究主要集中于环境、生物、气候、地质等方面，对三峡库区废弃农作物如芹菜再循环利用的研究甚少。基于此，笔者以芹菜作为试验原材料，探寻最适合三峡库区废弃芹菜的发酵条件，以充分利用三峡库区废弃芹菜。芹菜（Apium graveolens L.）是一种草本植物[7]，含有丰富的营养元素，具有一定的药用价值。芹菜中含有丰富的纤维素，纤维素经降解形成葡萄糖，通过对葡萄糖含量的测定来检验纤维素的降解结果，可筛选最适合降解的参数值。

在废弃农作物发酵试验中，多是按照不同固液配比进行发酵，而忽略了发酵原料本身含水量及发酵初始pH值对发酵效率的影响。鉴于此，本试验采取不同条件处理后，具有不同初始含水量的废弃芹菜在不同初始pH值下进行发酵，得出废弃芹菜发酵时的最适初始含水量和pH值，为三峡库区废弃农作物发酵条件的优化奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

芹菜（市购）、红糖（市购）、生物菌肥发酵剂（郑州农富康生物科技有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 芹菜预处理。取3组芹菜若干，第一组芹菜自然放置;第二组芹菜置于烘箱内，75 ℃烘干24 h后取出;第三组芹菜置于烘箱内，75℃烘干48 h取出。将3组芹菜分别取少量进行含水量测定。含水量=（M1-M2）/（M1-3）×100%，其中M1为皿器加样品烘前质量，M2为皿器加样品烘后质量，M3为皿器质量。经计算得第一组含水量为95%，第二组含水量为89%，第三组含水量为38%。

1.2.2 发酵菌激活。取100 mL蒸馏水于烧杯中，将蒸馏水烧开，红糖倒入沸水中煮3～5 min，目的是杀死红糖中的杂菌。将烧杯进行冷却，待水温低于40 ℃时，倒入菌粉搅拌均匀。密封烧杯谨防漏气。通过加入不同量的红糖来调节pH值。经调节获得三组pH配比：第一组为1 g菌粉加100 g红糖，pH值为3.5;第二组为1 g菌粉加50 g红糖，pH值为4.0;第三组为1 g菌粉加10 g红糖，pH值为5.0。

1.2.3 物料混合。记初始含水量为因素A，pH值为因素B，取30 g处理后的原料加入18 mL菌液，按照初始含水量与pH值所生成的正交表进行混合并记录好标签，常温发酵，见表1。

1.2.4 葡萄糖标准曲线的制作。采用蒽酮法测定葡萄糖含量，经测定得葡萄糖标准曲线线性方程式：y=0.007x-0.067 4（R2=0.984 6）。

1.2.5 样品中可溶性糖含量的测定。采用蒽酮法测定发酵芹菜中的可溶性糖含量。需注意的是，当样品读取OD值大于标准曲线所测OD值的最大值时，将提取液稀释20倍并重复糖含量测定步骤。记录稀释编号、OD值与稀释倍数。每隔2 d对数据进行一次测量、记录，查标准曲线计算葡萄糖含量（μg）。

1.3 数据处理与分析

将记录的数据录入Microsoft Excel 2010，对数据进行处理与绘图。样品糖含量计算公式如下：样品含糖量（g/100 g鲜质量）=（查表所得糖含量/稀释倍数）×100%。

2 结果与分析

将所记录的值录入表格。根据标准曲线所导出的函数进行计算，记录计算结果如表2所示。

根据表2所計算的数据进行绘图，结果见图1～3。分析图1～3和表1～2可以得出：①随着时间的增加，糖含量先降低后增加;②编号3、6、8所对应的含水量与pH值下的糖含量累积较高，其他编号所对应的含水量与pH值下的含糖量累积较少;③在含水量为38%时，所测得糖含量普遍高于另外2个含水量;④pH值对糖含量影响不明显，在同一pH值下，含水量较少的糖含量较高。

随着时间的增加，发酵过程中糖含量先降低后增加。其原因在于在发酵初始阶段，添加的菌液由红糖液所激活，故一开始测量的值较高。此阶段菌体处于生长期，需要进行有氧呼吸，而消耗大量的糖才能满足其能量需求，同时菌体发酵效率低，糖生成量小于消耗量，故而糖含量积聚下降。随后菌体生长达到饱和，对糖的需求波动不大，发酵后期进行无氧呼吸产生乙醇，菌的发酵能力逐渐展现，对糖的生产量大于消耗量，故而糖含量增加。

编号3、6、8的糖含量累积量相对较高，其所对应的含水量均为38%。由于称取的原料统一为30 g，故而含水量越小的组分，其原料数量越多;含水量越大，其原料数量越少。在同等量的菌液下，含水量大、数量少的组分将很快被降解为糖供给菌生长消耗，从而导致发酵后期糖含量较小;而含水量小的组分，其数量较多，发酵时产生的糖含量高于其他组分，部分用于菌代谢，留有剩余，故而测量时含量较高，糖累积值明显高于其他含水量的组分。

pH值对糖含量的影响不明显，因所购买的菌肥最适pH值为3.0～5.0，发酵条件满足此区间，故而差异不明显。相比而言，含水量对糖含量影响较大，含水量少，糖含量高。但在同一含水量情況下，当pH值为4.0时，发酵效果相对较好。

综上分析可知，含水量为38%时进行发酵所测出的糖含量均高于其他含水量基础上的测量值。可见含水量为38%时发酵效果较好。而且pH值为4.0时，发酵累积效果最好。故而，当含水量为38%、pH值为4.0时，发酵效果最好。

3 讨论

纤维素在自然界含量丰富，是十分廉价的再生资源[8]。芹菜中含有丰富的高分子物质如纤维素，这些物质降解缓慢，使得发酵初期糖含量大于生成量[9]。对此，可以对芹菜进行预处理，如膨化处理、超声波处理、酸碱处理、氧化或酶处理等，提高纤维素降解速率，提升发酵效果[4]。温度是微生物活动的标志，温度高低反映了发酵效率，发酵过程中可以通过测量温度的变化来估测微生物的营养期与发酵效率。研究表明，发酵速率随着微生物接种量的增加而增加[10]，但实际发酵池中很难达到接种量在70%以上，一般30%～70%即可，可通过测量发酵过程的产气量检测发酵效率。

本试验丰富了三峡库区废弃芹菜发酵的研究，对废弃芹菜提出了一个相对较好的发酵条件，但仍有很多不足之处。试验重复度不高，且因素水平设置不够丰富，应增加因素与水平，多次重复开展试验，以丰富数据库，有利于正确判定最优发酵条件。而且试验原料单一，可采用其他原料进行试验分析，从而丰富三峡库区废弃农作物的发酵研究。检测标准也可以丰富化，如C/N、产气量等均可作为发酵检验的标准。

参考文献

[1]周良.对国内秸秆利用现状的思考[J].安徽农业科学，2012（32）：15853-15855.

[2]胡雪竹，高宛莉，李玉英，等.秸秆厌氧发酵条件优化的研究[J].天津农业科学，2011（4）：108-112.

[3]高丽娟，王小芬，崔宗均，等.玉米、小麦、水稻秸秆自然发酵的生化变化[J].草地学报，2005（1）：47-52.

[4]刘发来，范建平，苏士，等.纤维素生物转化研究进展[J].安徽农业科学，2008（17）：7059-7060，7140.

[5]常冬冬，余志晟，张洪勋.纤维素热解及其产物转化乙醇的研究进展[J].中国农学通报，2012（26）：183-189.

[6]郝月，杨翔华，洪新.纤维素酶的应用研究[J].青海科技，2005（3）：33-38.

[7]牛文娟，肖卫华，刘贤，等.秸秆可溶性糖测定时样品前处理条件的优化[J].中国农业大学学报，2012（5）：99-104.

[8]武冬梅，李冀新，孙新纪.纤维素类物质发酵生产燃料乙醇的研究进展[J].酿酒科技，2007（4）：116-120.

[9]李勇，乌莉娅·沙依提，陈妍，等.芹菜的最新研究进展[J].中国野生植物资源，2010（1）：15-17.

[10]孙清，易维明，谷士艳，等.纤维素分解菌产酶性能优化试验[J].农业机械学报，2010（s1）：141-144.