食物垃圾开放式乳酸发酵的实验研究

在发酵过程中通过加入过量的50%CaCO3可维持发酵系统的pH在5.5～6.0。发酵10h后乳酸菌数量逐渐接近细菌总数（见图2），72h则占细菌总数的75%；96h后仍然维持在较高水平（108CFU/mL）。这与Sakai等的研究结果相近。这表明在pH为5.5～6.0条件下发酵，乳酸菌仍能大量增殖，并逐渐成为优势菌群。其原因主要包括：①乳酸菌适宜酸性及厌氧环境，能在pH为5.5～6.0和厌氧条件下大量增殖，对其他微生物起到了竞争排斥作用；②乳酸菌的代谢产物乳酸、细菌素等对其他微生物有抑制作用。
综上所述，由于食物垃圾营养丰富，在未添加外源营养物质的情况下，能满足乳酸菌的复杂营养需求，在厌氧发酵过程中乳酸菌可以大量增殖，这为利用食物垃圾生产乳酸提供了可能。
2.2开放式发酵与封闭式发酵中乳酸浓度的比较
一般常规发酵需要对培养基进行严格灭菌，以
保证产物产量和纯度。灭菌不但消耗电能，而且还要浪费大量水来冷却培养基。因此，在保证目的产物产量和纯度不降低的前提下，采用不灭菌的开放式发酵是一种理想的发酵方式。

图2食物垃圾厌氧发酵时pH为5.5～6.0下微生物数量变化
接种菌株TY50，分别对食物垃圾进行开放式发酵（底物不灭菌）和封闭式发酵（底物灭菌），并比较2种发酵方式的乳酸产量，结果如图3（a）所示。在开放式发酵中，36h后可得到36.29g/L的乳酸，乳酸的收率（相对于总糖，即ρ（乳酸）/ρ（总糖））达到0.69，而封闭式发酵乳酸的收率只有0.21，ρ（乳酸）甚至低于对照组（不接种的自然发酵）。原因可能是灭菌杀死了垃圾中所有的微生物，而大多数乳酸菌包括接种的TY50菌株不具备水解淀粉、纤维素等复杂碳水化合物的能力，只能利用垃圾中可溶性糖生成乳酸，而垃圾中ρ（可溶性糖）较低（12.3g/L），所以造成封闭式发酵的乳酸产量低。而在开放式发酵中，由于垃圾中存在各种代谢类型的微生物，使淀粉、纤维素等大分子得到不同程度的降解，提高了发酵液中乳酸菌可利用的小分子化合物的含量，尤其是使不能发酵的多糖转化为乳酸菌可以发酵的可溶性糖，从而使乳酸产量增加。
通过发酵过程中ρ（总糖）（见图3（b））的变化可以看出，在开放式发酵中ρ（总糖）36h后下降到较低的水平（8.70g/L），而封闭式发酵的ρ（总糖）仍然维持在较高水平（41.05g/L）。从ρ（可溶性糖）的变化（见图3（c））可以看出，在开放式发酵中，ρ（可溶性糖）呈现先增加后降低的趋势，发酵4h达到最大值，比起始值高8％，且发酵过程中ρ（可溶性糖）明显高于封闭式发酵。这是因为开放式发酵中，可溶性糖不断由多糖分解转化产生，而封闭式发酵不存在这种作用，乳酸菌只能利用原始的可溶性糖生成乳酸。

图3开放式发酵与封闭式发酵中ρ（乳酸），ρ（总糖）和ρ（可溶性糖）的变化
由于2种发酵方式唯一的区别在于土著菌是否有活性，所以在开放式发酵中，ρ（总糖）的降低和ρ（可溶性糖）的增加主要是垃圾中土著菌群的作用。由于土著菌对多糖的分解，转化为乳酸菌可发酵的可溶性糖，才能产生大量乳酸。
2.3开放式发酵中水解淀粉细菌的数量变化
通过水解淀粉细菌的数量变化（见图4）可以看出，在开放式发酵初期，水解淀粉细菌的数量最高可达到1.2×105CFU/mL，随后由于受到优势乳酸菌的抑制开始下降。揭示了垃圾中存在的细菌对淀粉、纤维素等乳酸菌不能利用的大分子有机物可起到一定的降解作用，转化为葡萄糖等可发酵性糖，从而强化了食物垃圾的乳酸发酵。

图4开放式发酵中水解淀粉细菌的数量变化
对于有机废物发酵生产乳酸，采用单一菌种直接发酵的方法是最简单的方式，但已经很少被采用。原因是单一菌种难以充分利用底物中的各种营养，导致乳酸产量较低。目前通常的做法是对底物进行酸解或酶解的前处理，这无疑增加了生产成本和能耗。现在又提出采用混合菌种直接发酵生产乳酸，为直接发酵法的发展提供了新模式。笔者采用开放式发酵，从本质上讲，也是一种多菌种联合发酵，以高产菌株TY50作为产生乳酸的主要作用者，土著菌群为高产菌株提供可发酵性底物。
在食物垃圾的开放式发酵中，原料不经过灭菌处理，在实际生产中具有明显的优势。该工艺不但减少了动力消耗，节省大量冷却水，还能提高乳酸产量，不失为一种经济有效的发酵方式。Sakal等利用食物垃圾发酵生成了高光学纯度（97.5%）的L－乳酸，L-乳酸的转化率（0.69）与笔者的研究成果相近。但是在实验过程中需要首先投加丙酸细菌，分解垃圾在贮存过程中由土著乳酸菌产生的D，L-乳酸，然后灭菌垃圾，添加糖化酶和鼠李糖乳杆菌（L. rhamuosus）KY-3，该工艺复杂、能耗大、成本高。其优点是得到的L-乳酸聚合后结晶性能和抗拉伸能力好，可以制成用途广泛的生物降解塑料。笔者未测定乳酸的光学纯度，但从理论上分析，由于采用开放式发酵，得到的应为D，L-乳酸。尽管聚D，L-乳酸在结晶度和抗拉伸等方面不如聚L-乳酸，但由于其在土壤中分解较快，可以用来作为农药、肥料的缓释剂，或者与其他物质如聚乙烯、聚丁二烯等共聚合来改善塑料的性能。
3结论
a.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。
b.相比传统的封闭式发酵，开放式发酵能显著提高食物垃圾的乳酸产量。
c.在开放式发酵中，土著菌群参与多糖分解，转化形成可发酵的小分子可溶性糖，从而对乳酸发酵起到了强化作用。
参考文献：略