食物垃圾开放式乳酸发酵的实验研究

摘要：利用食物垃圾发酵生产乳酸，是实现其资源化的有效途径之一。底物不灭菌的开放式发酵，是一种简单、有效的利用食物垃圾生产乳酸的方式。通过对发酵过程中ρ（乳酸），ρ（总糖），ρ（可溶性糖）以及细菌数量变化的研究，对开放式发酵的机理进行了分析。结果表明：食物垃圾适于作为乳酸发酵的底物，在不投加任何营养物质的条件下，能促进乳酸菌的大量增殖。采用开放式发酵，可从食物垃圾产生36.29g/L的乳酸，远高于封闭式发酵（底物灭菌）。垃圾中土著菌群在开放式发酵中起到了分解复杂多糖和为乳酸菌提供可发酵性底物的作用，从而提高ρ（乳酸）。
关键词：食物垃圾；乳酸菌；乳酸；开放式发酵
乳酸发酵作用的实质是乳酸菌利用糖类物质生成乳酸的过程。在以获得乳酸（Lactic Acid，LA）为目标的发酵工业中，大多以糖类物质（葡萄糖、淀粉等）作为底物，但乳酸菌营养要求复杂。为提高乳酸产量，必须保证有足够的菌体生物量，这就需要额外添加酵母提取物来提供氮素营养和生长因子。这种传统的乳酸生产方法尽管发酵过程相对容易控制，但能耗和成本较高。而利用有机废物作为原料有利于实现废物的资源化，如果开发出简单的生产工艺，会使乳酸的生产成本大大降低，因此具有广阔的前景。
食物垃圾在城市生活垃圾中占有较大比重，由于含水率和易降解有机质含量高，不适于焚烧和填埋处理。食物垃圾营养丰富，而且东方人的饮食习惯致使垃圾中碳水化合物的含量高，因此是发酵生产乳酸的理想原料，也是实现其资源化的有效途径，但传统的发酵工艺需对底物进行高温灭菌，消耗大量电能和冷却水。Sakai等在研究食物垃圾的乳酸发酵中，提出了一种底物不灭菌的开放式发酵，简化了生产工艺，但只对开放式发酵提高乳酸产量的机制进行了简单推测，尚缺少足够的实验证据。笔者针对这种简单的开放式发酵，通过研究发酵过程中微生物数量、糖浓度等的动态变化，探讨发酵机理。
1材料与方法
1.1实验材料
1.1.1食物垃圾
食物垃圾取自某大学学生食堂，多次取样后混合，-20℃冷冻保存，其理化性质如表1所示。
表1食物垃圾的理化特征

1）以干物质计
注：TS，DS和SS分别为总固体，可溶性固体和悬浮固体
1.1.2微生物
选择Lactobacillus sp.TY50作为发酵菌种，该菌株分离自厌氧发酵的食物垃圾，同型乳酸发酵，最高生长温度为52℃。
1.2实验方法
1.2.1食物垃圾的乳酸发酵
100g垃圾加入适量自来水，使固液比（质量比为1：12，装入500mL具塞玻璃瓶中，通入高纯氮气生成厌氧环境。接种量为10%（V（菌液）：m（垃圾）＝10mL：100g）。以50%（质量分数）CaCO3调节pH为5.5～6.0，45℃发酵。
1.2.2检测项目及方法
乳酸浓度测定。发酵液在4000r/min条件下离心15min，上清液经0.45μm微孔滤膜过滤后，采用高效液相色谱（HPLC）法测定。色谱仪为岛津（SHIMADZU）LC-1OAT；流动相为0.5%H3PO40.1mL/min，CH3OH0.9mL/min；自动进样器为SIL-LOAD（SHIMADZU）；HPICE-ASI型柱子（DIONEX），柱温25℃；SPD-1OA（SHIMADZU）型紫外检测器；进样量10μL。
微生物计数采用稀释倒平板法。细菌总数用牛肉膏蛋白胨培养基；乳酸菌用MRS培养基；水解淀粉菌用淀粉培养基（1%（质量分数，下同）蛋白胨，1％可溶性淀粉，0.5%NaCl，1.5%琼脂粉），形成菌落后，在平板上滴加稀碘液，菌落周围有透明圈的为水解淀粉菌。
ρ（可溶性糖）采用3，5-二硝基水杨酸（DNS）比色法测定；ρ（总糖）采用硫酸-酚法测定。
2结果与讨论
2.1食物垃圾的自然乳酸发酵
由于乳酸菌的营养要求条件苛刻，所以利用食物垃圾生产乳酸，应该保证乳酸菌能以食物垃圾为底物大量增殖。
图1表示食物垃圾在厌氧条件下发酵时细菌总数、乳酸菌数及pH的变化。由图1可知，尽管未投加任何营养物质，垃圾中土著乳酸菌在发酵过程中大量增殖，逐渐成为优势菌群。厌氧发酵10h，发酵液中乳酸菌的活菌数达到最大值2.75×109CFU/mL。随后由于产酸使环境pH逐渐降低，细菌总数和乳酸菌数开始减少。随着发酵时间延长，乳酸菌所占比例也逐渐增加。在发酵初期，乳酸菌占细菌总数的4%左右，在第10小时和第72小时分别提高到40％和90％。

图1食物垃圾厌氧发酵时微生物数量与pH的变化