环保酵素的发酵过程研究
作者：蔡毅飞 唐敏
来源：《科技资讯》2017年第14期
        摘 要：将大量蔬果垃圾制作成环保酵素是固体废弃物资源化的有效途径。通过对环保酵素发酵过程中的pH值、电导率和还原糖含量的监测，发现三者在发酵结束时几乎数据同时趋于稳定，因此这3个参数都可作为判断发酵进程结束的重要参考依据。pH值和电导率具有测量方便的优点，且最终pH值是判断发酵是否成功的标准之一。通过不同温度条件下制作环保酵素试验，得出中温条件更加有利于蔬果垃圾的水解酸化，环保酵素的溶解固体含量最低，电导率最大。
        关键词：蔬果垃圾 环保酵素 pH 电导率 还原糖
        中图分类号：N34 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）05（b）-0230-02
        蔬果垃圾在城市垃圾中占有较大的比重，如果将其简单按照一般生活垃圾的处理方式进行处置，不仅成本高昂，从某种程度上也是一种资源的浪费。如何利用蔬果垃圾是当前研究的热
点之一。泰国有机农业协会的创始人乐素昆·普潘翁博士提出采用发酵技术，将蔬果垃圾制作成环保酵素。研究表明，酵素具有对超氧阴离子自由基、羟基自由基和DPPH自由基等的清洁能力，除了可部分替代家庭清洁剂外，还可用于农业肥料和土壤改良、环境污染治理等方面。研究环保酵素的发酵过程，对实现蔬果垃圾资源化具有重要的意义。
        1 环保酵素制作方法
        制作环保酵素的主要原料是红糖、蔬果垃圾和水。将蔬果垃圾切成小块，红糖∶蔬果垃圾∶水按照1∶3∶10的比例混合。将制作容器密封，早期每天放气1～2次，待1个月后无气体放出，置于阴凉处保存发酵3个月即可。
        2 发酵过程监测
        2.1 pH值
        酸化过程是蔬果垃圾厌氧发酵的重要步骤，一般认为，pH直接通过影响酸化细菌细胞膜电荷的变化，进而影响细菌对营养物质的吸收代谢过程中的相关酶的活性，改变生长环境中营养物质的吸收[1]。实验在室内环境中进行，采用雷磁pHS-3C型电导率仪对发酵过程中p
H值的变化进行监测。
        在发酵过程刚开始的一段时间内，大分子有机底物水解酸化，产生挥发性脂肪酸，造成pH值迅速降低。通过滴定法测定，第6天的挥发性有机酸达到7.54 g/L。随着发酵的进行，pH不断变化，发酵类型也在不断发生变化。pH=4.0～4.5为主要乙醇型发酵区域，pH=4.5～5.0和pH=5.5～6.5为丁酸型发酵区域，pH=5.5～6.5为丁酸型发酵区域，当pH为4～5时，乙酸占总酸累积浓度的一半以上[2]，可以在发酵初期通过调节pH使有益酸化产物增加。在发酵约18 d时，pH达到最低值，随后pH开始逐步增加，可能是由于氨的浓度逐渐增加。发酵78 d后，pH趋于稳定。植物酵素具有较大的pH值活性范围，一般发酵成功pH值范围在3.0～4.0[3]。
        2.2 还原糖
        发酵原料中的红糖为发酵提供了所需的营养物质，通过监测发酵体系中总糖或还原糖的含量，及时准确的了解发酵过程中其消耗情况对掌握发酵进程至关重要，也是目前广泛采用的方法。测定发酵液糖含量一般有高锰酸钾滴定、费林试剂和3，5-二硝基水杨酸比法等，但都比较繁琐，数据准确性不高。考虑发酵液底深不易观察颜变化的问题，采用费
林试剂返滴定法[4]测定发酵液中还原糖含量。初始还原糖含量为14.8 g/L，发酵第6 d还原糖含量达到15.9 g/L，随后还原糖含量呈下降趋势，直至约72 d后趋于稳定。分析原因，发酵初始阶段为厌氧水解酸化阶段，底物中多糖类物质经水解生成单糖及其它小分子化合物，发酵系统含糖量达到最大值。随着发酵的继续进行，还原糖作为营养物质逐渐被微生物菌消耗，直至发酵基本完成。
        2.3 电导率
        在发酵过程中，还原糖残余量一直被作为发酵过程是否结束的重要参考指标，但其检测过程较为繁琐。通过对发酵液电导率的监测，建立发酵液电导率与还原糖含量关系模型。发酵系统初始电导率为6.34 ms/cm，伴随着发酵进行，电导率不断下降，发酵48天后电导率又逐渐上升直至平稳。发酵初期，产生的乙醇在发酵体系中所占体积分数不断增加，而乙醇属于非电解质，造成电导率下降的趋势[5]。到达发酵中后期，发酵原料蔬果垃圾中的矿物质释放到系统中，导致电导率回升。
        在发酵72 d时，电导率和还原糖含量的变化速度都趋缓，84 d左右同时达到基本稳定。可以看出，发酵系统pH值、还原糖含量和电导率随着发酵过程的进行，几乎在同时趋于稳定，
可以作为判断环保酵素发酵过程结束的评判参考依据。
        3 温度对发酵过程的影响研究
        温度是发酵工艺最重要的参数之一，能够影响酶的活性，进而对微生物的生长和基质的代谢产生影响。目前针对温度与环保酵素发酵过程关系的研究少有报道，对于蔬果垃圾制作环保酵素的工业化发展，选择合适的温度是非常必要的。
        一般根据温度的不同，可将发酵工艺分为常温发酵、中温发酵和高温发酵三大类。该实验按照配比制作三份环保酵素，分别置于20℃、30℃和50℃的恒温培养箱中。发酵过程中对三份样品的pH值、电导率和还原糖含量进行连续监测。从pH值变化可以看出，20℃和30℃时的水解酸化率最大。30℃条件下生成的环保酵素电导率稍高。进一步对三种环保酵素的总固体含量（TS）进行测定，20℃环保酵素TS含量为46%，30℃环保酵素TS含量为21%，50℃环保酵素TS含量为33%。因此，中温30℃条件更有利于蔬果垃圾的转化和环保酵素的生成。
        4 结论
        （1）环保酵素制作发酵过程中，发酵系统pH值、电导率和还原糖含量三个数值在发酵结束时同时开始趋于稳定，因此pH值和电导率的变化也作为判断发酵进程是否结束的参考依据。pH值和电导率相对还原糖含量测定具有准确度高，快速便捷的特点，同时可通过测定环保酵素最终pH值判断发酵是否成功。
        （2）pH值在水解酸化阶段急剧下降，不同pH值范围对应不同产物发酵区域，可通过调节系统pH控制酸化进程，使产生具有针对性用途的环保酵素。
        （3）温度对环保酵素的发酵过程有一定影响。中温条件更加适合水解酸化的进行，酵素液中总固体含量也较少，更加有利于环保酵素的使用。
        参考文献
        [1] Horiuchii J I， Shimizu T， Tada K， et al. Selective production of organic acids in anaerobic acid reactor by pH control[J].Bio resource Technology，2002，82（3）：209-213.
        [2] 郑明月，郑明霞，王凯军，等.温度、pH和负荷对果蔬垃圾厌氧酸化途径的影响[J].
可再生能源，2012，30（4）：75-79.
        [3] 周新萍，付小全，陈桂兰.利用餐厨垃圾制作植物酵素及其活性成分分析[J].东莞理工学院学报，2014，21（5）：93-96.
        [4] 黄彬红.返滴定法测定赤砂糖还原糖[J].福建轻纺，reactor technology2014（5）：46-50.
        [5] 李冲伟，宋福强，宋永，等.酒精发酵过程中电导率变化趋势解析[J].食品科学，2015，36（21）：105-110.

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