CN113493809B - 一种电发酵提高厨余垃圾产乳酸效能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电发酵提高餐厨垃圾产乳酸效能的方法，具体实施步骤如下：(1)餐厨垃圾先经分拣去除不易粉碎的杂质，然后进行粉碎制浆，向浆液中加水，调节含水率为70‑95％，制得发酵底物；(2)按5‑15％的接种量向发酵底物中接种乳酸菌，混匀，得发酵混合物；(3)将发酵混合物放入发酵反应器中，所述发酵反应器使用双室电解槽，阳极槽中放入0.5‑1.0mol/L的NaCl或发酵混合物，阴极槽中放入发酵混合物；向电解槽施加低电流，在35‑45℃温度下厌氧发酵36‑120h，制得含乳酸的发酵液。本发明将电化学引入乳酸发酵系统，促进微生物的生长及代谢活动，影响底物中混合菌群的结构，此外也会影响发酵过程中某些重要的酶的产生，促进丙酮酸向乳酸的代谢过程。可使菌种活性提高，促进发酵过程从而提高乳酸产量。

Description

一种电发酵提高厨余垃圾产乳酸效能的方法
技术领域
本发明涉及微生物发酵领域，具体地涉及一种电发酵提高餐厨垃圾产乳酸效能的方法。
背景技术
餐厨垃圾是指餐馆、饭店、单位食堂等的饮食剩余物以及后厨的果蔬、肉食、油脂、面点等的加工过程废弃物。餐厨垃圾产量巨大，且大量堆积已经成为全球性的问题。餐厨垃圾的有机物含量及含水率都较高，如果不经妥善处理，餐厨垃圾会腐烂变质，从而污染土壤、水体和大气，同时还会散发恶臭气体，影响居民生活环境；也容易传播疾病，危害人们的身体健康。因此必须要对餐厨垃圾进行合理的处理，实现环境友好及资源回收。
乳酸是人们在日常生活中应用较广的一种酸，在食品，化妆品，制药和化学工业等多个行业得到了广泛应用。乳酸可以通过缩聚反应生成聚乳酸，是一种环保绿色的生物可降解材料，其具有良好的生物安全性、可降解性、环境友好性。易于加工，可作为丙烯酸、丙酸、2,3-戊二酮、丙酮酸和丙烯等化学品的生产原料。在纺织工业、包装、农村地膜、医药等领域具有广阔的应用前景。
餐厨垃圾有机物含量高，自身可做碳源也可做氮源。其含有多种水解微生物，可将大分子水解为小分子，此外，还含有丰富的营养，是乳酸菌很好的培养基，适合作为乳酸发酵的底物。现有技术中已有报道使用餐厨垃圾发酵产乳酸，但发酵体系易酸化导致乳酸菌活性降低从而降低乳酸产量。因此需要研究更高效节能的发酵方式。
发明内容
本发明提供了一种电发酵提高餐厨垃圾产乳酸效能的方法，具体实施步骤如下：
(1)餐厨垃圾先经分拣去除不易粉碎的杂质，然后进行粉碎制浆，向浆液中加水，调节含水率为70-95％，制得发酵底物；
(2)按5-15％的接种量向发酵底物中接种乳酸菌，混匀，得发酵混合物；
(3)将发酵混合物放入发酵反应器中，所述发酵反应器使用双室电解槽，阳极槽中放入0.5-1.0mol/L的NaCl或发酵混合物，阴极槽中放入发酵混合物；向电解槽施加低电流，在35-45℃温度下厌氧发酵36-120h，制得含乳酸的发酵液。
本发明优选的技术方案中，所述餐厨垃圾为餐馆、饭店、单位食堂的饮食剩余物以及后厨的果蔬、肉食、油脂、面点的加工过程废弃物，或家庭餐厨垃圾和农贸市场排出的其他厨房垃圾。
本发明优选的技术方案中，所述乳酸菌为蒙氏肠球菌、干酪乳杆菌、植物乳杆菌、屎肠球菌中的任一种或其组合。
本发明优选的技术方案中，所述蒙氏肠球菌为Enterococcus mundtii CGMCC22227，保藏单位为：中国普通微生物菌种保藏管理中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏日期为2021年4月22日。
本发明优选的技术方案中，所述乳酸菌为乳酸菌的富集种子液，制备方法为，将冷藏下的乳酸菌种按1-10％接入乳酸菌培养基，35-45℃下培养12-24h后作为活化种子液，之后再将1-10％的活化种子液接入到乳酸菌培养基中，35-45℃下培养1-10h作为富集种子液。
本发明优选的技术方案中，所述的乳酸菌培养基的配方为：每升去离子水中加入蛋白胨10.0g，牛肉膏8.0g，酵母膏4.0g，葡萄糖20.0g，单油酸山梨酯1.0mL，磷酸氢二钾2.0g，三水合乙酸钠5.0g，柠檬酸三铵2.0g，七水合硫酸镁0.2g，四水合硫酸锰0.05g，pH6.2±0.2。
本发明优选的技术方案中，所述步骤(1)得到的发酵用底物不灭菌，按8-10％的接种量直接接种乳酸菌进行开放式发酵。
本发明优选的技术方案中，所述发酵反应器的阳极电极采用(1-5)×(1-5)cm的碳毡，阴极采用(2-5)×(2-5)cm的碳毡，电解槽中间使用阳离子交换膜隔开。
本发明优选的技术方案中，所述施加低电流的方式为持续施加低电流，或者间隔一定时间施加低电流。
本发明优选的技术方案中，所述间歇加电的时间间隔为6-12h。
本发明优选的技术方案中，所述施加的电流值为0.001-0.005A。
本发明优选的技术方案中，所述发酵过程间歇调节pH，优选为使用NaOH溶液每12～24h调节pH至6.0-7.0。
本发明的优点和特点在于：
(1)本发明将电化学引入乳酸发酵系统，在阴极发生的还原反应同时用NaOH溶液对pH进行间歇调节的方法，使pH能够在一定时间内降低到较低的水平，从而抑制某些杂菌的活性，又要满足乳酸菌增殖的最适条件，可大大提高乳酸产量。
(2)发酵底物仅为餐厨垃圾，无需进行底物灭菌，也不需和其他物质混合，前操作及发酵操作简单，易于实施。且发酵中副产物的浓度低，发酵产物更纯，乳酸占比更高。
(3)本发明将外加弱电场与微生物发酵过程结合，可促进微生物的生长及代谢活动，影响底物中混合菌群的结构，从而影响发酵过程中某些重要的酶的产生，促进丙酮酸向乳酸的代谢过程，提高乳酸产量。同时本发明所外加电流为低电流，特别是间隔一段时间施加低电流(间歇电发酵)方式，在提高乳酸产量的同时可显著节省能耗。
附图说明
图1为本发明实施例1、对比例1发酵过程中乳酸浓度变化图
图2为本发明实施例1、对比例1发酵过程中pH值变化图
图3为本发明实施例2、对比例2发酵过程中乳酸浓度变化图
图4为本发明实施例3、对比例3发酵过程中乳酸浓度变化图
具体实施方式
下面结合实例对本发明的实施方式进行详细说明。但此实例仅用作说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
餐厨垃圾720g取自学校食堂，先经简单分拣去除塑料、金属及大块固体，使用破碎机进行制浆，调节含水率至90％，制得发酵底物。发酵底物不进行灭菌，按接种量10％(v/v)接入乳酸菌富集种子液后，制得发酵混合液1600ml。
所用的乳酸菌菌株为Enterococcus mundtii(CGMCC 22227)。所述的乳酸菌富集种子液培养步骤为：-80℃条件保藏下的乳酸菌菌种，按接种量10％接入乳酸菌培养基，43℃下培养12h后作为活化种子液，之后再将10％的乳酸菌活化种子液接入到乳酸菌培养基中，43℃下培养9h作为富集种子液。此为接入发酵底物中的种子液。
所述的乳酸菌培养基的配方为：每升去离子水中加入蛋白胨10.0g，牛肉膏8.0g，酵母膏4.0g，葡萄糖20.0g，单油酸山梨酯1.0mL，磷酸氢二钾2.0g，三水合乙酸钠5.0g，柠檬酸三铵2.0g，七水合硫酸镁0.2g，四水合硫酸锰0.05g，pH 6.2±0.2。
实施例1
取150ml发酵混合液加入双室电解池的阴极池，阴极采用4×4cm的碳毡作为电极，密封。阳极加入150ml的0.5mol/L的NaCl溶液，采用2×1cm的碳毡作为电极。施加0.001A的恒电流，在43℃下进行发酵。检测实施例1的发酵结果见图1、图2。
实施例2
在双室电解槽的阳极室和阴极室各加入150ml发酵混合物。阴极和阳极均采用4×4cm的碳毡作为电极，密封。施加0.001A的恒电流，在43℃下进行发酵，每24h加入0.5ml的10mol/L的NaOH溶液来调节pH。检测实施例2的发酵结果见图3。
实施例3
在双室电解槽的阳极室和阴极室各加入150ml发酵混合物。阴极和阳极均采用4×4cm的碳毡作为电极，密封。按12h进行间歇加电，施加0.001A的电流。在43℃下进行发酵。每24h用碱调pH至6.9-7.0。检测实施例3的发酵结果见图4。
对比例1
取150ml发酵混合液加入双室电解池的阴极池，阴极采用4×4cm的碳毡作为电极，密封。阳极加入150ml的0.5mol/L的NaCl溶液，采用2×1cm的碳毡作为电极。在43℃下不通电条件下进行发酵。检测对比例1的发酵结果见图1、图2。
对比例2
在双室电解槽的阳极室和阴极室各加入150ml发酵混合物。阴极和阳极均采用4×4cm的碳毡作为电极，密封。施加0.001A的恒电流，在43℃下进行发酵，发酵过程不调节pH。检测对比例2的发酵结果见图3。
对比例3
在双室电解槽的阳极室和阴极室各加入150ml发酵混合物。阴极和阳极均采用4×4cm的碳毡作为电极，密封。施加0.001A的恒电流。在43℃下进行发酵。每24h用碱调pH至6.9-7.0。检测对比例3的发酵结果见图4。
由图1可知，在发酵的前48h，两组反应器的乳酸浓度均在稳步增加，而发酵48h至72h，对照组的乳酸浓度增长缓慢。这是由于对照组的pH值已减低至3以下，发酵体系过酸，导致乳酸菌活性受到抑制。而实施例1依旧保持着较高的增长速率，其乳酸浓度在72h时比对比例1高31.8％，体现了外加电流对乳酸发酵的促进作用。图2中实施例1的pH值比对照组下降较慢，这也验证了电发酵可在一定程度上缓解体系的酸化。
由图3可知，实施例2在发酵120h的乳酸浓度可以达到33.9g/L，是对比例2的2.25倍。可以看出调节pH可以明显改善体系酸化的影响，大大提高乳酸产量。从副产物含量来看，实施例2的副产物主要有乙酸和丙酸，乳酸含量所占比例达到了95.7％，产物纯度较高。
由图4可知，实施例3在发酵120h乳酸达到最大浓度，为44.7g/L。与对比例3的乳酸浓度基本相当，但是节省了约1000J的电量，在提高乳酸产量的同时可节省能耗。
以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种电发酵提高餐厨垃圾产乳酸效能的方法，其特征在于，具体实施步骤如下：
（1）餐厨垃圾先经分拣去除不易粉碎的杂质，然后进行粉碎制浆，向浆液中加水，调节含水率为70-95%，制得发酵底物；
（2）所述步骤（1）得到的发酵底物不灭菌，按8-10%的接种量直接接种乳酸菌，混匀，得发酵混合物，进行开放式发酵；
（3）将发酵混合物放入发酵反应器中，所述发酵反应器使用双室电解槽，阳极槽中放入发酵混合物，阴极槽中放入发酵混合物；向电解槽施加低电流，在35-45℃温度下厌氧发酵36-120h，制得含乳酸的发酵液；
所述发酵反应器的阳极电极采用(1-5)×(1-5)cm的碳毡，阴极采用(2-5)×(2-5)cm的碳毡，电解槽中间使用阳离子交换膜隔开；
所述施加低电流的方式为间隔一定时间施加低电流，加电的时间间隔为6-12h，施加的电流值为0.001-0.005A；
发酵过程使用NaOH溶液每12～24h调节pH至6.0-7.0；
所述乳酸菌为蒙氏肠球菌Enterococcus mundtii CGMCC 22227，保藏单位为：中国普通微生物菌种保藏管理中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏日期为2021年4月22日。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述乳酸菌为乳酸菌的富集种子液，制备方法为，将冷藏下的乳酸菌种按1-10%接入乳酸菌培养基，35-45℃下培养12-24h后作为活化种子液，之后再将1-10%的活化种子液接入到乳酸菌培养基中，35-45℃下培养1-10h作为富集种子液。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的乳酸菌培养基的配方为：每升去离子水中加入蛋白胨10.0g，牛肉膏8.0g，酵母膏4.0g，葡萄糖20.0g，单油酸山梨酯1.0mL，磷酸氢二钾2.0g，三水合乙酸钠5.0g，柠檬酸三铵2.0g，七水合硫酸镁0.2g，四水合硫酸锰0.05g，pH 6.2±0.2。
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