水果废弃物产挥发性脂肪酸的研究进展

◎ 陈广生，赵继红，刘永德，宋 雪，张仁果

（1.河南工业大学，河南 郑州 450001；2.河南开放大学，河南 郑州 450061）

1 研究背景

近年来，我国水果产业发展较为迅速，在全球水果生产情况中排名前列。根据国家统计局的数据，从2009年至2019年，我国水果产量的增长率高达43.5%，2019年水果产量达到了2.74×108t[1]。水果产量的迅速增加，导致大量的水果废弃物亟需处理，这些废弃物主要来自水果的生产、运输、储存、分销和消费过程[2]。

据报道，一些受欢迎的水果，如香蕉、橙子和西瓜等，每年在全球范围内会产生2 500万t至5 700万t的废弃物[3]。水果废弃物一般含水率高，pH值较低，有机物含量较高，纤维素、半纤维素较多，总挥发性固体的含量在80%以上，容易被生物降解。由于其高水分和高有机物以及低pH值，水果废弃物给传统的城市固体废物处理系统带来了不利影响。水果废弃物处置不当会对人体健康和环境造成危害，也同时是对资源的一种浪费。因此，探索水果废弃物资源化的有效技术具有重要意义。

2 水果废弃物的处理技术

目前，在水果废弃物处理方面，主要采用的技术方法包括卫生填埋、焚烧、好氧堆肥、厌氧发酵和饲料化等。

2.1 卫生填埋

卫生填埋法具有处理量大、管理简单、处理成本低且适应性强等特点。水果废弃物含水率高，有机物含量高，易腐烂，在填埋过程中会产生大量渗滤液和填埋气。同时，填埋还面临着填埋土地面积严重不足、填埋场选址困难等问题。渗滤液会严重污染地下水和土壤，填埋会对大气造成污染。因此，填埋不适用于处理水果废弃物，一般仅作为水果废弃物剩余物的终端处置方式。

2.2 焚烧

焚烧技术是将水果废弃物放入燃烧炉中，通过高温燃烧达到其减量化的目的。水果废弃物中含有较多的有机物，高温可以将其氧化分解，利用焚烧的方法能够减容80%~95%，同时会产生大量的热量，可回收用于发电和供暖等[4]。但由于水果废弃物的高含水率，焚烧过程中水分蒸发会消耗大量热量，难以自持燃烧，需要添加额外的助燃剂，运行成本较高。在焚烧过程中，还会产生许多危害人体健康的致癌物[5]。

2.3 好氧堆肥

好氧堆肥指在有氧的条件下，利用好氧微生物高温降解水果废弃物，使其稳定化、资源化、减量化的过程。堆肥稳定后的产品中富含营养物质，可以用作肥料或土壤改良剂。水果废弃物含水率高，堆肥过程中会产生大量渗滤液，影响堆肥正常进行，还存在渗滤液的后续处理问题。因此，通常需要添加秸秆、花生壳、木屑等调理剂，以降低其含水率，同时调节C/N、孔隙率等，使堆肥正常进行。调理剂的大量添加以及通风供氧带来的能耗，增加了处理成本。

2.4 饲料化

水果废弃物中含有较多的纤维素、半纤维素、糖类等营养物质，可以当作饲料原料。水果废弃物经微生物发酵技术处理后可以形成营养丰富的饲料，得到充分利用。如利用香蕉皮生产饲料添加剂——微生物菌体蛋白；柑橘皮可以通过多种方式发酵生产蛋白饲料[6]。但饲料化也有较大的局限，可能会造成疾病的传播，不同季节的废弃物制备饲料的条件也有所不同，需要不断改进配方和技术工艺。

2.5 厌氧发酵

厌氧发酵是指在无氧或缺氧环境下，厌氧微生物会把废弃物中的有机物分解、转化，最终生成甲烷与CO2等气体。由于水果废弃物含水率高、易生物降解，厌氧发酵被认为是处理水果废弃物的有效技术[7]。相对于其他处理方式，厌氧发酵技术不需要通风，减少了能源的消耗，投入较少，但存在发酵周期较长，沼气的回收利用较为复杂，沼渣和沼液难以处理等问题。而在厌氧发酵前端会产生VFAs、醇类等高附加值产物，有资源化利用的潜力[8]。

3 厌氧发酵产VFAs

目前，厌氧发酵作为一种有效的资源回收策略，可以用来生产沼气或高附加值产品[9]。因为水果废弃物易于酸化，导致发酵过程中pH降低，抑制产甲烷，所以厌氧发酵产沼气并不能带来显著的经济效益。为了提高水果废弃物的发酵效率和资源化价值，可以将厌氧发酵控制在产VFAs阶段。

3.1 厌氧发酵产VFAs机理

厌氧发酵包含水解发酵段、产氢产乙酸段和产甲烷段三个阶段。其中，水解发酵段是产VFAs的主要阶段，在此过程中，水解发酵菌将大分子有机物质（如纤维素、半纤维素、糖、蛋白质、脂肪等）分解转化为单糖、氨基酸、脂肪酸等，而后进一步发酵，通过多种代谢途径被转化为VFAs、醇类等物质。水解发酵阶段往往受到多种因素的影响。

VFAs主要由乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸、己酸组成。与最终产物甲烷相比，VFAs可以成为一些高级产品的原料[10]。VFAs是线性短链脂肪族单羧酸化合物，可以用来合成还原化学品和衍生物(例如酯、酮、醛和烷烃)[11]。此外，VFAs可用于合成聚羟基烷烃(PHA)[12]，也可用于生产不同形式的能源(氢和生物柴油)和微生物燃料电池，以及作为污水处理厂的碳源，以达到更好的出水水质[13]。这一切都表明VFAs是一个具有高价值的目标产品。

3.2 厌氧发酵产VFAs研究现状

大量研究表明，利用水果废弃物生产VFAs是一条可行的、有意义的途径。Eryildiz等[14]研究了氧气、接种物与底物的比例、甲烷抑制剂和pH值对柑橘废弃物厌氧发酵产VFAs的影响，得出少量氧气的存在或者打开反应器进行维护不会影响发酵过程，最高产率为0.793 g VFAs/VS。Njokweni等[15]比较了苹果、葡萄和柑橘废弃物通过瘤胃外发酵产生VFAs的潜力，发现柑橘和苹果废弃物产量更高，可以作为VFAs转化为烃的底物。Li等[1]以混合水果废弃物为底物研究了有机负荷（OLR）对发酵产VFAs的影响，结果表明，OLR的增加可获得更高的VFAs产量，并影响VFAs的分布。

还有许多研究将水果废弃物与其他废弃物混合发酵产VFAs。刘等[16]利用水果和蔬菜废弃物厌氧发酵产VFAs，发现VFAs最高为5.8 g/L，其中丁酸占比45%，属于丁酸型发酵。Shi等[17]在35 ℃下利用水果和蔬菜废弃物产VFAs，发现高浓度的游离氨对产甲烷有抑制作用，同时造成VFAs积累，达9 900 mg/L，其中乙酸约占90%，丙酸、异丁酸和戊酸对氨抑制较为敏感。Khardenavis等[18]将水果废弃物与食品垃圾进行共发酵，水力停留时间为1~3 d时，水解和产酸较为迅速，VFAs中乙酸占比为50%~75%。杨等[19]利用果蔬废弃物厌氧发酵产VFAs，发现在温度45 ℃、pH值6时，VFAs浓度在第11 d达到最大值12.94 g/L，是未调节pH值的3.37倍，发酵类型从乙醇型发酵转化为丁酸型发酵。Zheng等[20]采用间歇和半连续实验，以果蔬废弃物为发酵底物产VFAs，发现pH值变化会影响发酵类型，pH值为5和6时，会发酵产生丙酸和丁酸。

4 厌氧发酵产VFAs的影响因素

厌氧发酵产VFAs是一个复杂的生物过程，会受到许多因素的影响。比如温度、pH值、接种物和底物特性等。

4.1 温度

温度能够通过影响厌氧发酵中底物的溶解、不同微生物和相关酶的活性，从而影响VFAs产量和分布。He等[21]发现在初始pH值为酸性的条件下，发酵温度从嗜温(35 ℃)上升至嗜热(55 ℃)，会导致VFAs的生成量从最大浓度17 g/L下降至11 g/L。Jiang等[22]研究表明，温度35 ℃条件下，污泥厌氧发酵产VFAs的产量最大。其中水解产酸菌对温度的适应性较强，高温（50~60 ℃）对污泥发酵过程中有机物溶解和VFAs形成更有利，但过高的温度（200 ℃）会抑制产酸过程。Cavinato等[23]也证实了高温条件可促进增溶，但37 ℃条件下VFAs产率更高，达183.2 g COD/kg VS。

4.2 pH值

pH值对微生物群落的选择作用，会使VFAs的产率和组成发生变化。大多数微生物对环境pH值都有一个承受范围，因此适宜的pH值较为重要。Pervez等[24]利用食物垃圾产VFAs，探究pH值对其影响，发现在有机负荷率为4 g VS/（L·d），当初始pH值为6.0时，发酵获得最大VFAs产量（13.81 g/L）。Lu等[25]在pH值为中性的条件下，以马铃薯皮为底物发酵获得最高VFAs产率632.2 mg COD/g VSfed，pH值为5和11时，主要产物分别为丁酸和乙酸，乙酸激酶和丁酸激酶的活性受到轻微抑制，导致VFAs产率较低。Xing等[26]研究发现，以狼尾草为底物时，初始pH值对发酵产VFAs影响显著，当初始pH值为11时，水解效率较高，能够促进乙酸的产生，VFAs产率为518±29 mg/g VS，其中乙酸占比92%。

4.3 接种物

接种物主要为厌氧发酵提供适宜的微生物数量和种类，这对发酵产VFAs过程具有重要作用。Khatami等[27]采用三种不同类型的接种物对食物垃圾厌氧发酵产VFAs进行了探究，发现从食物垃圾消化反应器中收集的接种物具有更高的VFAs产率。Magrini等[28]对接种物进行三种方式的预处理，发现温度121 ℃处理20 min的接种物更有利于VFAs的产生。郭等[29]利用不同接种物进行发酵产VFAs，接种颗粒污泥有较强的产己酸能力，接种酒曲和酒糟发酵丁酸是主要产物，说明接种物类型可影响VFAs分布。

4.4 底物特性

底物特性也是影响VFAs产率和分布的重要因素。Wang等[30]探讨了碳水化合物和蛋白质的不同比例对发酵产VFAs的影响，结果显示，比例为1∶1时VFAs产量最大，碳水化合物含量增加会提高乙酸的占比。Strazzera等[31]研究了不同餐厨垃圾组分对发酵产VFAs的影响，发现在中性条件下，富含蛋白质和淀粉的底物达到更高的VFAs产量，同时VFAs的种类更加丰富，而富含纤维素和糖的底物显示出较低的VFAs产量。Zhang等[32]利用不同的蔬菜废弃物作为发酵底物，发现马铃薯废弃物发酵VFAs产量最高，丙酸占比30%，胡萝卜废弃物发酵中丁酸占比54%，芹菜废弃物发酵产生的VFAs种类较多，大白菜废弃物发酵VFAs产量最低，说明不同的底物会影响VFAs产量和分布。

5 结语

随着水果废弃物的不断增加，稳定、高效的处理方式变得尤为迫切。基于水果废弃物自身的特点，填埋及焚烧等方式存在一定的弊端。目前，厌氧发酵产VFAs作为一种环境友好、技术可行的处理方法，可实现水果废弃物的高值化利用，已引起学者的广泛关注。同时，水果废弃物发酵产VFAs的过程受到多种因素的影响，需要进一步探索其机理，找到最佳条件，实现水果废弃物向VFAs的快速转化。