水熱或臭（chòu）氧預處理有效降解油脂研究

為了緩解餐廚垃圾中大量未降解油（yóu）脂包（bāo）覆微生物，對厭氧（yǎng）發酵產生嚴重（chóng）抑製的問題，本文采用水熱或（huò）臭氧預（yù）處理有效降（jiàng）解油脂，預處理進行（háng）厭氧發酵.掃（sǎo）描電子顯微鏡和傅裏葉變換-紅外（wài）光譜分析表明，經過水熱或臭氧預（yù）處理後，厭（yàn）氧發酵（jiào）過（guò）程油脂降解程度提高.經（jīng）過臭（chòu）氧預處理的火鍋廢油厭氧發酵甲烷產（chǎn）率提升至（854.20±10.28）mL·g-1（每克有機質幹重所產生的甲烷量，以（yǐ）毫升計，下同（tóng）），在第20 d達到產甲烷速率峰值（122.06±3.46）mL·g-1·d-1，較之未處理組達到甲（jiǎ）烷峰（fēng）值（zhí）速率的（de）時間縮短4 d，甲烷產率提升17.4%.總體能量轉化效率由未（wèi）經預處理的（de）64.88%提升到臭（chòu）氧預處理後的76.18%，說明臭氧或水熱預處理可以促進油脂的降解，並且提高產甲烷菌（jun1）對底物的利用（yòng）從（cóng）而提高發酵產甲烷的（de）效率，從而（ér）在一定程度上緩解目前工業生產中存在的油脂難以（yǐ）降解以及包（bāo）裹厭氧（yǎng）微生物（wù）的問（wèn）題.

 1.實（shí）驗材（cái）料與方法(Materials and methods)

1.1.發酵原料和特（tè）性

厭氧發酵使用（yòng）的油脂（zhī）有3種, 分別為中國餐廚（chú）垃（lā）圾中的典型油脂：火鍋油、燒烤油和川菜油.實驗所用的油脂分別來（lái）源於浙江省杭（háng）州市的某（mǒu）火鍋店、燒烤店以及川菜館.油脂經（jīng）過過濾、除雜後存儲於4 ℃條件下.油脂的成分如表 1所示（shì）.3種油脂的成分各不相同（tóng）, 用於研究預處理方式對於不同成分油（yóu）脂降解（jiě）以及厭氧（yǎng）發酵的影響.水分含量通過在105 ℃烘箱（xiāng）內烘烤至質量不變來測定, 有機質及灰分含量通過在450 ℃馬弗爐（lú）內灼燒2 h來測（cè）定(Lin et al., 2017).餐廚垃圾中的還原糖含量（liàng）通過DNS法進行測試, 蛋白質和油脂（zhī）成分分別采用Lowry以及萃取方法(Cheng et al., 2019b)進行測試（shì）.工業分析, 元素分析以及熱值通過之前的測試（shì）方法進行測試(Cheng et al., 2019a).預處理後油脂（zhī）固體底物的微觀結構的測試方法（fǎ）包括SEM(台式顯微鏡TM-1000, HITACHI)及FTIR (氣相色譜儀——傅裏葉紅外光譜儀（yí）SGE/Agilent 6890/Nicolet 5700).

1.2  預（yù）處理（lǐ）方（fāng）式及預處理油脂降解

3種廢棄油脂生物質在發酵（jiào）前, 采用的是水熱或臭氧預（yù）處理方式.5 g底物油脂和100 mL的稀（xī）氫氧化鈉（nà）溶液(2%V/V)加入水熱反應釜(Parr 4500, 美國)中, 密閉容器加熱至（zhì）220 ℃恒溫並保持30 min.在臭氧（yǎng）預（yù）處理過程中, 使用的是純氧源臭氧發生器5 g的底物油（yóu）脂加入發酵瓶中, 加入去離子水（shuǐ）使總體（tǐ）積為100 mL.使用1 mol·L-1的NaOH溶（róng）液調節pH為8.0.產生的臭氧通過長（zhǎng）鋼管道(180 mm × Φ 3 mm)導入417 mL的發酵瓶, 恒定流速為1 L·min-1.該實驗的（de）臭氧濃度設置為（wéi）0.2 g-O3/g-TVS.此臭氧投加量源於已有研究中（zhōng）甘油三油酸酯臭氧投加量的合（hé）適量(Yue et al., 2020), 並且預實驗也體現（xiàn）了相類（lèi）似的規律.

廢棄火鍋油脂、燒烤油脂（zhī）和（hé）川（chuān）菜油脂的主要油脂成分為（wéi）甘油三酯, 包括甘油三油酸酯、甘油三硬脂酸酯、甘油三十六酸酯等.理論上1 mol甘油三酯大分子可以（yǐ）水解為1 mol甘油和3 mol大（dà）分子羧酸, 而水解（jiě）出的甘油和羧酸（suān）部分可以用於發酵產生甲烷(Xia et al., 2014).以甘油三油酸酯為例, 相關的水解和反應的原理式如式(1)所示(Dong et al., 2009).

長鏈（liàn）脂（zhī）肪酸(如油酸、硬（yìng）脂酸等)通過β-氧化途徑被逐（zhú）步降解利用(Adeva-Andany et al., 2019), 利用的（de）方式見式(2).

通過β-氧化的過程, 長鏈脂肪酸每次脫下2個碳原子（zǐ）, 參與到（dào）產甲（jiǎ）烷古菌的代謝過（guò）程中, 形成各種代謝產物.具有（yǒu）偶數碳鏈的長鏈（liàn）脂肪酸可以完全降解, 而具有奇數碳（tàn）鏈的長鏈脂肪酸然後剩餘3個碳原子形（xíng）成丙酸.在產甲烷過程乙酸（suān）和丁酸均可以作為底物被（bèi）產甲（jiǎ）烷菌利用產甲烷.

1.3 產甲烷接（jiē）種物

發酵實驗（yàn）所用的產甲烷（wán）菌分離自中國浙江省杭州市杭州環境集團（tuán）甲烷發酵罐, 取分離後的500 mL活性汙泥於1 L錐形瓶中, 在厭氧工作站(Whitley DG250, 美國)中放（fàng）置30 d消耗完原（yuán）有有機質.之後將pH調整為8.0±0.1以抑製產氫細菌等雜菌.瓶中加入1.25 g纖維素, 置於厭氧工（gōng）作站中富集培養.14 d後即得到富集（jí）完成的產甲烷菌.經過16S rRNA測定, 產甲烷菌的主要菌種為Methanosarcina和Methanothrix (Cheng et al., 2011).

1.4 發酵產甲烷方法

批次（cì）發酵產甲烷的（de）實驗在（zài）417 mL規格的發酵瓶中進行.3組實驗分別采用三重樣.取100 mL預處（chù）理之後的濁液(對應5 g原始（shǐ）底物), 利用6 mol·L-1的鹽酸溶液和6 mol·L-1的氫氧化鈉溶液將發酵係（xì）統的pH調節為（wéi）8.0±0.1, 之後按（àn）照底物TVS：產甲烷菌活（huó）性汙泥TVS=1∶2(體（tǐ）積比)接種產（chǎn）甲烷菌（jun1）汙泥, 加入滅菌（jun1）後的去離子水（shuǐ）混合使總體積（jī）為300 mL, 隨後重（chóng）新調節pH值為8.0±0.1.發酵瓶使（shǐ）用橡（xiàng）膠塞密封並以40 mL·min-1的流量通氮氣10 min, 隨後置於恒溫水浴鍋中進行厭氧發酵, 與1000 mL有機（jī）玻璃集氣槽連接用於收集（jí）產（chǎn）生的氣體（tǐ）.恒溫水浴溫度保持為(37.0±1.0) ℃.

1.5  分析測試方法

厭（yàn）氧（yǎng）發（fā）酵（jiào）產甲烷過程產生的氣體主要為CO2和CH4兩種, 還混雜（zá）了N2、O2以及水蒸氣、H2S等雜質氣（qì）體.生物氣成分（fèn）利用帶有熱導檢（jiǎn）測器（qì）(TCD)的Agilent 7820A氣相色譜儀進行測定.產氣（qì）的（de）總體積通（tōng）過集氣槽讀數與發酵瓶頂部空間氣體相加得到.甲烷發酵液中所含有的液相代謝產物(SMPs)的測（cè）定同樣（yàng）采用氣相色譜法, 實驗室所用的是同樣是帶有（yǒu）氫離子火焰檢測器(FID)的氣相色譜儀(型（xíng）號：Agilent 7820A).

實驗過程中得到的甲烷和二氧（yǎng）化碳的產量是（shì）根據實際發酵生物氣的（de）產量以及甲烷和二氧化碳的濃度分別計算, 並且根據標準溫度和壓力校正得到.甲（jiǎ）烷產率是甲烷產量(mL)和底物的有機質幹重(g)的比值(Ding et al., 2017a).能量（liàng）轉化效率定義（yì）為產生甲烷的能量與底物的能量之（zhī）比(Ding et al., 2017a).

3種油脂臭氧/水熱預處理後厭氧發（fā）酵產（chǎn）甲烷過程總能量轉化效（xiào）率

2.結論（lùn）(Conclusions)

本文以餐廚垃圾中典型油脂火（huǒ）鍋油脂、燒烤油脂、川菜油脂作為發酵底物, 分別將臭氧預（yù）處理以及水熱預（yù）處理（lǐ）的油脂用於厭氧發酵產（chǎn）甲烷以提高能量轉化效率的實驗研（yán）究.經過臭氧或水熱預處理後, 火鍋油（yóu）脂厭氧發酵的甲烷產率分別達到了854.20 mL·g-1及779.72 mL·g-1, 整體能量轉化效率分別由64.88%提升至76.18%和69.53%.3種油脂發（fā）酵產甲烷呈現了相似的規律（lǜ）, 且臭氧（yǎng）優於水熱預處理.這說明油脂的臭（chòu）氧（yǎng）及水熱預處理（lǐ）是一個能夠同時提高甲烷產率和能量轉化效率的很（hěn）有效的方法, 能夠促進底物降解, 緩解油脂對於菌群的包埋.更多（duō）的研究應當著（zhe）眼於降低水熱及臭氧預處理（lǐ）能耗（hào）.