餐厨垃圾是家庭、宾馆、饭店及机关、企事业单位等的食堂抛弃的剩余饭菜的统称，在城市生活垃圾总量中占37%~62%^[1]。餐厨垃圾以淀粉类、食物纤维类、动物脂肪类等有机物质为主要成分，具有高水分、高油脂、高盐分以及易生物降解等特点，是城市环境一个重要污染源，已经引起了政府的高度重视和人们的广泛关注。餐厨垃圾厌氧发酵工艺源于工业污水、污泥的厌氧处理技术，是一种较成熟的应用技术，国内外已有大量研究报道，主要集中于工艺选择和改进、预处理技术、添加物使用、混合材料发酵等方面^{[2, 3, 4, 5]}。在使用添加物方面，研究包括使用某些植物的叶和豆类植物等天然植物添加物，细菌真菌等微生物添加物，Ni⁺、Ca⁺、Mg⁺等金属阳离子添加物，以及果胶、木炭、沸石等无机吸附材料添加物，但对添加生物表面活性剂少有报道。生物表面活性剂是一类由微生物、植物或动物代谢产生的具有一定表面活性的两性物质，能够降低溶剂表面张力，其具有的两亲性可以降低两相界面的表面张力，改善微生物生长的微环境^{[6, 7]}。已有研究表明，添加适量的表面活性剂能够促进发酵中微生物的生长代谢及产酶能力^{[8, 9]}。国内外研究较多的生物表面活性剂是由假单胞菌产生的鼠李糖脂，它不仅具有乳化、增溶、降低表／界面张力等功能，而且毒性小、易于生物降解，因而在石油开采、医药、食品、日化及环境保护等许多领域具有极大的应用潜力。对其在环境保护中的研究主要集中在含油废水治理、重金属和有机污染土壤的生物修复以及有机固废的堆肥化处理，在有机固废厌氧发酵中的研究鲜见报道^{[10, 11, 12, 13]}。在有机物厌氧发酵过程中，水解是整个发酵过程的开始，其快慢决定着整个发酵过程的速度，而纤维素酶、脂肪酶、淀粉酶等水解酶的活性高低又决定着水解的速度，因此水解酶活与沼气产量有直接的关系^[14]。

本研究以餐厨垃圾为原料，通过添加不同浓度的鼠李糖脂，考察在餐厨垃圾厌氧发酵过程中几种主要水解酶活性和部分发酵参数的变化情况，以期为进一步提高餐厨垃圾厌氧发酵效率、缩短原料滞留时间提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 实验材料

餐厨垃圾取自郑州航空工业管理学院东校区食堂，经人工筛选剔除其中的大块骨头和筷子等杂物，垃圾中主要包括米饭、面条、蔬菜、肉、豆腐和盐等，其主要成分见表 1。餐厨垃圾经小型搅碎机粉碎至粒径为2~5 mm后置于4 ℃冰箱保存待用。接种物为郑州王新庄污水处理厂的消化污泥，密封静置1 d，分层后取下层污泥作为接种物。餐厨垃圾与接种污泥的特性见表 2。

表 1 餐厨垃圾的主要成分 （%） Table 1 Major components of kitchen residues （%）

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表 2 餐厨垃圾与接种污泥的基本特性 Table 2 Basic characteristics of kitchen residues and sludge

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实验中使用的生物表面活性剂鼠李糖脂为本实验室自行萃取制得的棕黄色粗品，产生菌为铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa，具体的培养、分离和提纯方法参考相关文献资料^[13]。 1.2 试验装置与方法 1.2.1 试验装置

实验采用1000 mL广口瓶作为发酵容器，填料至2/3处，并放置在（35±1）℃的恒温培养箱中，每12 h反复倒置发酵瓶数次。 1.2.2 实验设计

本实验按照餐厨垃圾∶接种污泥湿重比为3∶1的比例配置装料，实验设六组处理，其中五组分别添加质量分数为0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%的鼠李糖脂溶液，另设一空白组对照，然后加水至发酵器2/3处，总固体（TS）含量范围在7%~8%之间。将其混合均匀后放入发酵容器中，发酵周期为25 d。分别在实验第0、3、5、10、15、20、25 d取样测定蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶的活力变化。 1.2.3 分析方法

TS采用鲜样105 ℃烘干24 h 差重法测定；挥发性固体（VS）含量采用（560±20）℃马弗炉中灼烧至恒重差重法测定；酶活测定方法及酶活力单位定义参见张无敌等^[14]和刘士清等^[15]的方法； COD采用重铬酸钾滴定法测定^[16]；有机碳含量采用K₂CrO₇-H₂SO₄氧化法；全氮采用凯氏定氮法^[17]；沼气产量采用排水集气法测量。所有测定项目均设3次重复。应用SPSS 11.5统计软件进行分析，应用Excel 2003作图。 2 结果与分析 2.1 鼠李糖脂对餐厨垃圾发酵累积产气量的影响

在添加不同质量浓度的生物表面活性剂鼠李糖脂条件下，餐厨垃圾在厌氧发酵25 d后的累积产气量如图 1所示。可以看出，随着鼠李糖脂添加量的增加，累积产气量随之增加。鼠李糖脂添加量为0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%时，累积产气量较对照分别增加9.21%、28.33%、43.78%、52.23%、51.85%。当鼠李糖脂添加量在0.01%~0.03%时，累积产气量增加幅度较大；当鼠李糖脂添加量超过0.03%后，累积产气量增加幅度放缓甚至略有降低。

图 1 各处理累积产气量的结果 Figure 1 Cumulative biogas production in different treatments

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表 3是发酵前后料液部分化学参数的变化情况。可以看出，各处理的COD去除率均比对照有所提高，对照的COD去除率为41.96%，而添加量达到0.03%以上时，COD去除率接近70%，可见添加鼠李糖脂可以在很大程度上降低发酵底物的COD，从而减轻发酵完成后沼液的处理负荷。鼠李糖脂的加入对TS和VS的降解也有明显的促进作用：对照的TS降解率为25.79%，添加0.03%以上浓度的鼠李糖脂降解率增加到30%以上；对照的VS降解率为35.96%，添加0.03%以上浓度的鼠李糖脂降解率增加到50%左右。不同处理的餐厨垃圾在25 d发酵后的终pH 值差异较小，均稳定在7.2 左右。

表 3 餐厨垃圾发酵后参数的变化 Table 3 Changes of main properties of kitchen residues after digestion

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由图 2可以看出，在餐厨垃圾厌氧发酵过程中，各处理淀粉酶的酶活力在起始阶段都迅速升高，以水解较多的大分子碳水化合来满足料液中微生物的生命活动需求，在第5 d达到最大值，之后缓慢下降。与对照相比，添加鼠李糖脂0.01%浓度时，酶活性增加不明显，当鼠李糖脂添加量增加到0.02%时，酶活性有所提高，添加量增加到0.03%时，淀粉酶活性在发酵前半程增幅明显，峰值也比对照增加36.16%，此后随着鼠李糖脂添加量的增加，淀粉酶活性增加较少且有波动。

图 2 各处理发酵过程中淀粉酶活性的变化 Figure 2 Changes of amylase activity during digestion of kitchen residues

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本研究所用的餐厨垃圾是经过油水分离处理的，处理后油脂的去除率可达到80%左右。尽管如此，与其他用于厌氧发酵的有机废物相比，餐厨垃圾中的油脂含量仍比较高，因此脂肪酶活性的变化会影响餐厨垃圾发酵的产气效率。从图 3可以看出，脂肪酶的酶活性在发酵初期迅速升高，5~10 d后开始降低。添加鼠李糖脂的处理在发酵前期酶活性明显高于对照，鼠李糖脂添加量>0.03%时，随着鼠李糖脂添加量增加，酶活性增幅并不明显；但在添加量0.01%~0.03%之间时，酶活性随鼠李糖脂添加量的增加而提高，添加量在0.03%时的脂肪酶活性的峰值比对照增加40.45%。各处理的脂肪酶活性在发酵后期均趋于平稳。

图 3 各处理发酵过程中脂肪酶活性的变化 Figure 3 Changes of lipase activity during digestion of kitchen residues

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各处理发酵过程中蛋白酶活性的变化见图 4。可以看出，各处理蛋白酶活性在整个发酵过程中的变化趋势相似，均在发酵初期迅速升高，实验第10 d达到峰值，之后逐渐降低。添加0.02%的鼠李糖脂后，蛋白酶活性在发酵前期明显高于对照，发酵结束时二者相差不大；当鼠李糖脂添加量大于0.02%后，蛋白酶活性随着鼠李糖脂添加量的增加而提高的幅度较小。蛋白酶活性的高峰值出现在发酵第10 d，与淀粉酶和脂肪酶相比，峰值出现滞后。

图 4 各处理发酵过程中蛋白酶活性的变化 Figure 4 Changes of protease activity during digestion of kitchen residues

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纤维素是植物性发酵原料的主要成分，在厌氧发酵过程中，可在纤维素酶作用下水解为纤维二糖，进而水解为葡萄糖，因此纤维素酶活性的变化可以反映发酵过程中碳素物质的降解情况。从图 5可以看出，不同处理条件下的纤维素酶活均在发酵10 d左右达到最大值，此后有所降低，但降低程度不大，直到25 d发酵结束时，仍保持较高水平。添加0.01%的鼠李糖脂时，纤维酶活性与对照相比变化不大，添加量超过0.02%时，酶活性有了明显提高，添加量为0.03%、0.04%、0.05%时，纤维素酶活性差异不大，峰值分别比对照提高了60.23%、57.35%、63.40%。

图 5 各处理发酵过程中纤维素酶活性的变化 Figure 5 Changes of cellulase activity during digestion of kitchen residues

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生物表面活性剂的应用主要依赖于其具有乳化、破乳、湿润、发泡及抗静电等方面的性质，关于其在好氧堆肥过程中的作用机理研究较多^[18]。研究分析表明^[19]，生物表面活性剂的脱附作用促进了有机物从堆肥颗粒上脱除进入堆肥间隙液相中，使得有机物与微生物能够充分接触，从而促进降解。在本实验中，餐厨垃圾经粉碎后与水溶液充分混合，厌氧发酵系统中液体含量很高，鼠李糖脂的脱附作用对餐厨垃圾发酵产气量的影响不明显。生物表面活性剂可以减小堆肥颗粒间隙液相的表面张力，有利于有机物和菌体的传输，其乳化或增溶作用有利于有机物的溶解和分散，增大有机物与降解菌细胞的接触面积及可利用性，提高堆肥效率。在本研究中，餐厨垃圾虽然经过初步的油水分离预处理，但相对于畜禽粪便、污水污泥等有机固体废物而言，其中的油脂含量仍比较高，不利于有机固体颗粒在发酵液中的溶解和扩散，阻碍有机物与发酵液中的菌体及其产生的水解酶的充分接触。鼠李糖脂的加入，可以降低表面张力，通过乳化和增溶作用，促进有机物的降解，提高产气效率。

餐厨垃圾中含有大量有机物质，且富含氮、磷、钾、钙及各种微量元素，特别适合各种微生物生长^[20]。由于蛋白质、纤维素、淀粉、脂肪这四类有机物是餐厨垃圾的主要成分，本研究选择这四种有机物的水解酶作为研究对象，考察鼠李糖脂对其活性的影响程度。虽然餐厨垃圾中盐分含量较高，且含有辣椒等抑制发酵的因素，但在本研究中，发酵料液中的水分含量达到90%左右，稀释强度较大，因此没有考虑这些因素对发酵的不利影响。

相关研究表明，在有机物的厌氧消化过程中，各种水解酶的酶活性与沼气产量成正比关系，适量添加水解酶能加快发酵原料中纤维素等物质的降解速度，明显提高沼气产量^{[21, 22]}。本研究中在鼠李糖脂添加量为0.01%~0.03%时，酶活性的升高与添加量的增加基本成正比，添加量超过0.03%后，酶活性增加量不再明显。这种现象与鼠李糖脂添加量对累积产气量的影响基本一致，可以说明正是由于生物表面活性剂的乳化、增溶和降低表面张力的特点，使得微生物与有机物颗粒充分接触，分泌较多的水解酶，在表面活性剂的作用下扩大了与底物的作用面，使有机物水解加速。此后水解酶活性降低的主要原因应该是随着发酵进行底物减少，因为在本试验中发酵料液中水分含量很高，又有鼠李糖脂的乳化增溶作用，不太可能在系统中出现水解产物积累较多形成产物反馈抑制的现象。在本研究中，淀粉酶和脂肪酶的酶活性在发酵初期迅速增加，在第5 d达到最高值，而蛋白酶和纤维素酶的酶活性峰值要滞后些，在第10 d到达高峰。尽管如此，餐厨垃圾中的植物性材料木质素含量较低，所以与其他发酵原料相比，纤维素的降解要容易很多。餐厨垃圾中的蛋白有动物蛋白也有植物蛋白，成分较为复杂，降解也较为不易，可能是造成酶活性峰值滞后的原因。已有研究^[18] 表明，表面活性剂的促进作用对原来产酶量较小的微生物的作用较为显著，而对原本产酶量较高的微生物的作用不明显。在本试验中分泌四种水解酶的微生物产酶量虽不同，但在鼠李糖脂添加量较高时对微生物的产酶均有明显促进作用，具体反应机理还需进一步研究。

研究结果说明添加鼠李糖脂能够明显促进餐厨垃圾厌氧发酵过程中的水解酶活性，加速反应进程，提高产气量，但对鼠李糖脂在厌氧发酵过程中的代谢途径与作用机理还需进一步的研究。 4 结论

（1）在鼠李糖脂添加量为0.01%~0.03%时，餐厨垃圾发酵累积产气量提高幅度较大，添加量超过0.03%后，产气量与对照相比增加到40%以上，但累积产气量增加幅度放缓甚至略有降低。

（2）添加鼠李糖脂的各处理COD去除率均高于对照，对照的COD去除率为41.96%，而添加量达到0.03%以上时，COD去除率接近70%，可见添加鼠李糖脂有利于减轻发酵完成后沼液的处理负荷。

（3）鼠李糖脂的加入对TS和VS的降解有明显的促进作用，添加0.03%以上浓度的鼠李糖脂后TS降解率比对照增加5%以上，VS降解率比对照增加15%左右。

（4）鼠李糖脂添加量在0.01%~0.03%范围内时，四种水解酶的活性与添加量的增加基本成正比，添加量达到0.03%时，纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的活性峰值分别比对照提高60.23%、30.47%、38.51%和36.16%，此后酶活性增幅不明显。鼠李糖脂在餐厨垃圾厌氧发酵中的适宜添加量为0.03%左右。