李淑蘭， 梅自力， 李 江， 孔垂雪

(1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041； 2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041)

項(xiàng)目來源： 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程(1251516100109)

冬瓜皮特征成分及厭氧發(fā)酵處理可行性研究

李淑蘭1,2， 梅自力1,2， 李 江1,2， 孔垂雪1,2

(1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041； 2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041)

為考察冬瓜皮厭氧生物處理的可行性試驗(yàn)，試驗(yàn)首先對冬瓜皮的特征成分進(jìn)行檢測分析；其次，在中溫條件下，對冬瓜皮進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性試驗(yàn)研究。理化性質(zhì)檢測結(jié)果顯示，冬瓜皮中的碳氮比為16.4∶1，揮發(fā)性物質(zhì)(VS)約占干物質(zhì)(TS)45.05%，理論上講，冬瓜皮不太適合厭氧生物法處理；厭氧發(fā)酵試驗(yàn)結(jié)果表明，冬瓜皮的厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力比較高，即單位原料質(zhì)量產(chǎn)氣量達(dá)0.379 L·kg-1TS，最大產(chǎn)甲烷速率為0.015 L·kg-1TSd-1，但是從產(chǎn)氣成分看，甲烷含量明顯偏低，最高只有39.7%。從文章研究綜合分析，冬瓜皮不適宜厭氧發(fā)酵生物處理。

冬瓜皮; 特征成分; 厭氧發(fā)酵; 產(chǎn)氣潛力

我國是蔬菜生產(chǎn)大國，農(nóng)業(yè)發(fā)展中蔬菜生產(chǎn)占據(jù)著獨(dú)特的地位和優(yōu)勢，但在蔬菜加工及流通過程中會有大量副產(chǎn)物的產(chǎn)生，不僅造成資源的極大浪費(fèi)，而且大大降低了產(chǎn)品的附加值，因此對蔬菜副產(chǎn)物的利用與研究具有重要意義[1-3]。日常生活和食品工業(yè)冬瓜制品的加工過程中，冬瓜皮都被當(dāng)作廢料或飼料處理掉了，并且對環(huán)境也造成了污染。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，冬瓜皮具有降血糖、降血壓、護(hù)肝腎以及美容減肥和降脂的作用[4]。多數(shù)學(xué)者對冬瓜皮的研究也主要集中于保健作用和藥用價(jià)值[5]，用其治療胃腸道疾病、呼吸道疾病、糖尿病等[6]，對其厭氧生物處理沒有報(bào)道。筆者從冬瓜皮的特征成分入手，對冬瓜皮的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷潛力進(jìn)行深入分析與研究，進(jìn)一步探索冬瓜皮厭氧生物處理方法的可行性，為冬瓜皮的有效利用提供更廣闊的路徑。

1 材料與方法

1 .1 供試材料與接種物

試驗(yàn)材料為黑冬瓜皮，來自四川省成都市某菜市場。主要特征成分見表1。接種物為簡陽市某沼氣工程的厭氧污泥，基本特性見表2。

1.2 試驗(yàn)裝置和處理

試驗(yàn)儀器有2000 mL廣口瓶6個(gè)(用作發(fā)酵瓶)，500 mL廣口瓶6個(gè)(用作集氣瓶)，500 mL三角瓶6個(gè)(用作集水瓶)、橡膠塞大小各12個(gè)，水浴鍋，乳膠管以及玻璃管。

表1 冬瓜皮的特征成分

表2 接種物的基本特性 (%)

按照圖1連接好厭氧消化實(shí)驗(yàn)裝置。

圖1 厭氧消化裝置示意圖

利用2000 mL廣口瓶做發(fā)酵瓶，每個(gè)瓶中加入500 mL厭氧污泥，1000 mL水。設(shè)3個(gè)試驗(yàn)組，每個(gè)添加100 g新鮮冬瓜皮；設(shè)3個(gè)對照組，不添加任何物質(zhì)。攪拌均勻，連接裝置，用橡皮塞封口。試驗(yàn)溫度為中溫(35℃±2℃)。從試驗(yàn)啟動的第2天開始，每天定時(shí)記錄日產(chǎn)氣量。每隔一定時(shí)間測量1次甲烷含量。

1.3 分析方法

干物質(zhì)含量(總固體含量)：烘干法[7]測定；

產(chǎn)沼氣量：采用排水法收集沼氣；

CH4含量：采用沼氣成分分析儀測量。

2 結(jié)果與分析

冬瓜皮厭氧發(fā)酵試驗(yàn)利用水浴鍋加熱，穩(wěn)定運(yùn)行了約25天，產(chǎn)氣結(jié)束。

2.1 冬瓜皮厭氧沼氣發(fā)酵日產(chǎn)氣量隨時(shí)間變化關(guān)系

冬瓜皮從市場收取回來，一部分用于理化特性的測試，另一部分經(jīng)過粉碎處理后進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn)，按圖2裝置連接。為了尋求冬瓜皮產(chǎn)氣量與厭氧消化時(shí)間之間的關(guān)系，在為期25天的厭氧消化試驗(yàn)中，對每天的產(chǎn)氣量,和pH值進(jìn)行測量、記錄。結(jié)果如圖2所示。

圖2 冬瓜皮沼氣發(fā)酵日產(chǎn)氣量的經(jīng)時(shí)變化

由圖2可知，冬瓜皮在沼氣發(fā)酵過程中，日產(chǎn)氣量在第2天達(dá)到高峰，即765.5 mL。究其原因，可能是因?yàn)槲⑸锝臃N到一個(gè)新的底物中，有一個(gè)延滯期，在接種的第1天，微生物將主要進(jìn)行有機(jī)物的液化，所以第1天的產(chǎn)氣量明顯低于第2天的產(chǎn)氣量。從發(fā)酵第3天開始，沼氣產(chǎn)量急劇下降，到第10天產(chǎn)氣量只有51 mL。顯然這一現(xiàn)象是由反應(yīng)初期的酸化反應(yīng)引起。因?yàn)閺膱D2的pH值變化顯示，從發(fā)酵第2天廢水的pH值就急速下降，到反應(yīng)第10天時(shí)pH值只有4.95，說明反應(yīng)初期，酸化細(xì)菌比產(chǎn)甲烷細(xì)菌活躍，導(dǎo)致酸化反應(yīng)速度快于產(chǎn)甲烷速度。反應(yīng)從第11天開始，雖然pH值有所回升，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，但是產(chǎn)甲烷速度仍舊慢于酸化速度，使得反應(yīng)后期系統(tǒng)的pH值一直呈現(xiàn)酸性狀態(tài)。隨著消化時(shí)間的延長，有機(jī)物的含量降低，使得產(chǎn)氣量也隨著逐漸減少。此外，產(chǎn)氣量還與系統(tǒng)中硫酸鹽還原菌及反硝化細(xì)菌等的活動有關(guān)，這些細(xì)菌會與產(chǎn)甲烷菌爭奪碳源，從而使產(chǎn)氣量下降。

從消化液的pH值變化規(guī)律來看，呈現(xiàn)出先小幅降低而后緩慢升高的趨勢。究其原因，厭氧消化過程可分為兩個(gè)階段，水解、產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段。在消化前期(0～4天)，廢水中有機(jī)物在微生物作用下分解，主要進(jìn)行水解和酸化反應(yīng)，產(chǎn)生了一定量的有機(jī)酸，導(dǎo)致系統(tǒng)的pH值降低(從開始6.88降到5.42)，到反應(yīng)第10天達(dá)到最低4.95，可能是因?yàn)榉磻?yīng)系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷和CO2等氣量較低導(dǎo)致。從厭氧消化第11天開始，pH值緩慢增長，但仍沒有達(dá)到原水平，最后僅升高到5.91。因?yàn)殡S著厭氧消化時(shí)間的延長，廢水的有機(jī)物的濃度在不斷降低，使得產(chǎn)甲烷菌的活力下降，產(chǎn)氣速度減慢，pH值增長就隨之減慢。

2.2 冬瓜皮沼氣發(fā)酵累積產(chǎn)沼氣量隨時(shí)間變化關(guān)系

為了進(jìn)一步明確冬瓜皮厭氧發(fā)酵處理的可行性。筆者研究分析了冬瓜皮在發(fā)酵過程中的累積產(chǎn)氣量與發(fā)酵時(shí)間的關(guān)系。如圖3所示。

圖3 冬瓜皮沼氣發(fā)酵過程累積產(chǎn)氣量的經(jīng)時(shí)變化

從圖3可以看出，在中溫條件下，經(jīng)過25天的厭氧發(fā)酵，冬瓜皮總產(chǎn)沼氣量為3133.5 mL。從圖3看，在發(fā)酵的前10天，總產(chǎn)氣量已經(jīng)占整個(gè)過程總產(chǎn)氣量的90.41%左右，說明冬瓜皮的大量降解主要發(fā)生在發(fā)酵過程前10 天時(shí)間段內(nèi)。圖3還顯示，在試驗(yàn)初期，累計(jì)產(chǎn)氣量增長很快，主要是由于反應(yīng)開始時(shí)發(fā)酵底物濃度較高，微生物活性較強(qiáng)引起。隨著厭氧消化時(shí)間的延長，有機(jī)物濃度下降，微生物活性減弱，累積產(chǎn)氣量增長就區(qū)域平緩。

2.3 冬瓜皮厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力及沼氣中甲烷含量測定

中溫條件下，冬瓜皮經(jīng)過沼氣發(fā)酵，產(chǎn)沼氣潛力為0.379 m3·kg-1TS，平均值25.88(見表3)。從表3還可以看出，在發(fā)酵整個(gè)過程由于發(fā)酵體系的酸化，導(dǎo)致在發(fā)酵過程中所產(chǎn)沼氣中甲烷含量最高僅39.7%，不足40%；說明中溫條件下冬瓜皮利用沼氣化方式處理是不可行的。

表3 冬瓜皮產(chǎn)氣潛力及甲烷含量

3 小結(jié)和討論

(1)筆者研究中的冬瓜皮的VS僅占TS的45.05%，可見該物質(zhì)可生化性較差。

(2)中溫條件下，對冬瓜皮進(jìn)行厭氧消化試驗(yàn)，可以得出1 kgTS大約能產(chǎn)0.379方的沼氣，單從理論上講，冬瓜皮利用沼氣化處理的方法是可行的。

(3)從沼氣中甲烷含量來看，冬瓜皮厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣中甲烷含量平均大約25.88%。而且沼氣中硫化氫含量較高，脫硫成本會相應(yīng)提高。試驗(yàn)結(jié)果表明，冬瓜皮不適宜用厭氧發(fā)酵生物法進(jìn)行處理。

(4)從整個(gè)發(fā)酵過程看，發(fā)酵液一直處于酸性狀態(tài)，pH值始終在6.88以下，這也是導(dǎo)致發(fā)酵過程產(chǎn)甲烷低的一個(gè)重要原因。雖然可以在反應(yīng)初期添加一定的微生物菌劑，勢必導(dǎo)致試驗(yàn)成本的增加。

(5)建議冬瓜皮較適宜的處理方式為制肥或入藥。

[1] 姚增玉，李科友，趙 忠，等．山杏種皮黑色素的抗氧化活性[J].林業(yè)科學(xué)，2007，43(10) : 59-63．

[2] 蘇東林，李高陽，劉偉，等．橘皮類黃酮的分離、純化及結(jié)構(gòu)鑒定研究[J].中國食品學(xué)報(bào)，2012，12(5) : 174-181．

[3] 艾志錄，郭 娟，王育紅，等．微波輔助提取蘋果渣中蘋果多酚的工藝研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(6) : 188-191．

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

[5] 童軍茂，周 紅，楊艷彬，等．冬瓜復(fù)合汁加工技術(shù)的研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，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] 張無敵, 宋洪川, 尹 芳, 等．沼氣發(fā)酵與綜合利用[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

李淑蘭(1975-)，女，博士，山西臨汾人，主要從事生物質(zhì)能源技術(shù)與廢水處理研究等工作，E-mail:57265630@qq.com

梅自力，E-mail： 13880233242@163.com

S216.4

A

1000-1166(2017)05-0030-03