苏 建,张富勇,刘 莉,苟梓希,刘 芳,安明哲,乔宗伟

(宜宾五粮液股份有限公司,四川 宜宾 644000)

酿酒丢糟是传统纯粮固态白酒酿造生产中的主要固体废弃物,通常每酿造1 t白酒约产生3～4 t丢糟,国家统计局发布的2020年全国白酒产量为7.4×109L,按此数据估算约产生丢糟2.2×107～3×107t[1]。丢糟含有丰富的营养成分,文献报道及市场开发中主要将丢糟应用于饲料、肥料、沼气、醋、酱油、食用菌、膳食纤维、香气成分和氨基酸等的生产与制备,其中制作有机肥是其重要的应用形式[2]。丢糟含有的大分子有机物和有机酸分子处于不稳定状态,若直接施用于土壤田地,会二次发酵,产热,带来恶臭气体释放、滤液渗出和病虫害滋生等一系列问题。在已有的研究中,刘林培等[3]利用食用菌菌渣和白酒丢糟进行共堆肥研究,按绝对干质量比1∶4堆肥发酵26 d即能达到腐熟;李哲等[4]以污泥和丢糟为原料进行了为期40 d的发酵,也能达到腐熟效果;刘阳等[5]认为好氧堆肥法处置酿酒丢糟与污泥的最佳原料体积比为2∶1。

在现有丢糟制备有机肥的研究中,一般通过添加秸秆、污泥和禽畜粪便等辅料调节物料结构,或添加腐熟剂、混合菌种以促进物料快速腐熟。然而污泥、禽畜粪便作为辅料易受重金属指标波动影响,不便施用于粮谷种植,而外加菌种容易提高制肥成本。为实现酿酒生产的生态闭环,笔者在已有成果的基础上,以丢糟为单一物料,以成熟有机肥为菌种,跟踪了3个生产批次的丢糟制备有机肥的理化参数,分析发酵过程中的微生物菌群结构变化,并对生产的有机肥肥效指标进行评价。

1 材料与方法

1.1 材 料

丢糟来源于五粮液公司酿酒车间,基本参数指标见表1,其中有机质质量分数以干基质质量计,总养分为总氮、五氧化二磷与氧化钾之和,以干质量计;菌种(成熟丢糟有机肥)来源于五粮液技术研究中心2019YFS0517课题组。

表1 丢糟有机肥制备原料的参数指标

1.2 丢糟有机肥的制备装置及方法

结合课题组研究成果,将成熟有机肥作为菌种与新鲜丢糟按体积比1∶4混合均匀后入仓发酵30 d。发酵制备装置如图1所示,由控制系统、通风系统和发酵仓组成。发酵仓长、宽、高分别约2.0,1.5,1.8 m,总处理体积约5.5 m3,底部铺有通风管道。仓体内设有溶氧和温度检测探头,中控系统是自主开发的自动化通风控制设备,设置溶氧为5%～15%、温度≤65 ℃,通过双重设定控制鼓风量,设备具体的运行方式见发明专利[6]。发酵装置预留取样窗,取样方法为上、中、下3层各均匀选择3个随机点,混匀后待测。按上述方法进行3个批次物料的发酵,分别记为p1,p2,p3。

图1 丢糟有机肥制备装置简图Fig.1 A sketch of the organic fertilizer preparation plant

1.3 测定项目和方法

堆肥发酵过程中的温度、pH均为在线检测;水分质量分数、有机质质量分数和总氮质量分数均参照NY 525—2012测定;丢糟有机肥成品送至四川省产品质量监督检验检测院,按照NY 525—2012测定。

微生物菌群分析:1) 在批次3丢糟堆制有机肥过程中选取1 d(发酵起始),5 d(高温阶段)和30 d(制肥结束)样品作为菌群分析样本;2) 使用MP FastDNA® Spin Kit for Soil DNA 提取试剂盒从样本中提取DNA,使用Qubit® dsDNA HS Assay Kit 检测DNA浓度;3) 以15～30 ng DNA为模板,扩增原核生物16S rDNA V3和V4区及真核微生物ITS1和ITS2区;4) 将文库稀释至4 nmol/L,按Illumina NextSeq仪器使用说明书进行双端测序;5) 对测序结果原始图像数据利用软件Bcl2fastq(V2.17.1.14)进行图像碱基识别(Base calling),使用测序分析软件Qiime(1.9.1)进行分析,双端测序得到的正反向序列(Reads)先进行两两拼接,再通过质量过滤去除嵌合体序列,最终得到的序列用于OTU聚类及物种注释[7-9]。

2 结果与讨论

2.1 丢糟有机肥发酵过程中物料的理化特性变化

2.1.1 温 度

3个批次物料发酵过程中均呈前期快速升温,中期高温维持,后期温度缓慢回落趋势,其温度变化如图2所示。p1,p2,p3分别在第4天、第5天和第3天达到发酵装置控制的最高温度65 ℃。保持发酵温度在60 ℃以上,约7 d进行一次翻堆,3 个批次均是在发酵的第12天进行第一次翻堆,翻堆后温度迅速下降。由于丢糟物料结构相对通透,通过自控鼓风系统可以有效地将发酵温度维持在约60 ℃,因此不会造成物料堆体中心温度过高而出现烧心、碳化现象。丢糟物料不同于污泥、禽畜粪便和厨余垃圾等物料,其因不易通风易造成堆体中心温度过高,需及时、多次翻堆[10]。保持60 ℃高温约7 d再翻堆是为了快速降解有机物,加速丢糟腐熟,同时又防止物料四周水分挥发过快、物料干燥板结而造成发酵不平衡。

图2 丢糟有机肥制备过程中温度变化Fig.2 Changes in temperature during fermentation of organic fertilizer

2.1.2 pH

图3 丢糟有机肥制备过程中pH变化Fig.3 Changes in pH during fermentation of organic fertilizer

2.1.3 水的质量分数

采用成熟有机肥为菌种与新鲜丢糟混合,发酵物料起始水的质量分数约保持在55%。3个批次物料的水的质量分数变化如图4所示,均呈总体下降趋势。高温后期的水分下降速度较快,这是由于高温前期有机物快速分解产生了一定量的水,翻堆后水的质量分数快速下降至约40%,由于丢糟物料通透且高温期又降解了大部分黏性有机物,翻堆后水分更易挥发,最终水的质量分数为25%～28%。作为定性判断堆肥腐熟度的指标之一,腐熟堆肥水的质量分数通常在45%以下[18],3个批次的有机肥水的质量分数最终都达到了此要求。

图4 丢糟有机肥制备过程中水的质量分数变化Fig.4 Changes in moisture content during fermentation of organic fertilizer

2.1.4 有机质质量分数

丢糟自身营养丰富,有机质质量分数约90%[19],添加菌种后,丢糟发酵起始物料的有机质质量分数为85%～90%。3个批次物料发酵过程中有机质质量分数的变化如图5所示,随着发酵的进行,微生物生长繁殖代谢愈发活跃,有机酸、残糖类小分子物质充分降解,淀粉、蛋白质类大分子有机物转化为微生物菌体,而纤维素、半纤维素和木质素等不易降解,有机质质量分数降低至70%～75%。

图5 丢糟有机肥制备过程中有机质质量分数变化Fig.5 Changes in volatile solids during fermentation of organic fertilizer

2.1.5 总氮质量分数

图6 丢糟有机肥制备过程中总氮质量分数变化Fig.6 Total nitrogen during fermentation of organic fertilizer

2.2 丢糟有机肥制备过程中微生物菌群的变化

在丢糟有机肥制备过程中,微生物菌群随发酵温度的变化而变化,发酵起始时细菌和真菌的种群丰度都较高。丢糟制备有机肥为开放式固态发酵,由于丢糟自身营养丰富,因此,尽管添加启动菌种,微生物菌群主要还是来源于丢糟物料自身富集的空气微生物。发酵第1 d时物料的细菌菌群占比超过1%的有28种,其中醋杆菌(Acetobacter)、乳酸杆菌(Lactobacillus)和杆状细菌(Bacillus)等超过5%;随着发酵温度的升高,细菌菌群逐渐转变为以杆状细菌(Bacillus)、芽孢短杆菌(Brevibacillus)、醋杆菌(Acetobacter)和乳酸杆菌(Lactobacillus)为主;发酵结束,温度降低至约30 ℃时,细菌种类又转变为以短杆细菌(Brevibacterium)、芽孢梭菌(Clostridium)和纤维化纤维微细菌属(Cellulosimicrobium)为主。真菌菌群在发酵起始以曲霉属(Aspergillus)、毕赤醇母属(Pichia)和小囊菌科(Microascaceae)为主,高温期以嗜热真菌属(Thermomyces)、毕赤醇母属(Pichia)和伊萨酵母属(Issatchenkia)为主,发酵结束以曲霉属(Aspergillus)、丝孢酵母属(Trichosporon)和节担菌属(Wallemia)为主,其分布柱状图如图7,8所示。该结果与相关文献报道相似而又有所不同,主要原因是:丢糟物料的结构特性使得细菌菌群丰度呈发酵初始较高、高温期聚集、后期又升高的特点,而真菌菌群随发酵的进行呈整体聚集趋势[20-22]。

图7 丢糟有机肥制备过程中优势细菌属水平分布柱状图Fig.7 Histogram of the horizontal distribution of dominant bacterial genera during the preparation of organic fertilizer

图8 丢糟有机肥制备过程中优势真菌属水品分布柱状图Fig.8 Histogram of the horizontal distribution of dominant fungi during the preparation process of organic fertilizer

2.3 丢糟有机肥产品的指标评价

经四川省产品质量监督检验检测院检测,3个批次丢糟有机肥的检验结果如表2所示。有机质质量分数为71%～75%,干基总养分(总氮、五氧化二磷与氧化钾之和,以干质量计)质量分数为7.9%～8.5%,水的质量分数为19.5%～23.0%,pH为7.1～7.5,重金属均不超标,各项指标均符合国家标准NY 525—2012《有机肥料》的要求。

表2 多批次丢糟有机肥的检测指标

3 结 论

在已有研究成果的基础上,基于自主开发的自动反馈通风式丢糟发酵装置,以制备成熟的丢糟有机肥为菌种,加速丢糟制备有机肥的腐熟速度,发酵30 d即可制得成熟丢糟有机肥,进行了3个批次的稳定生产。3个批次有机肥的pH维持在7.0～7.5,水的质量分数降低至25%～28%,有机质质量分数保持在70%以上,总氮质量分数在3%以上。随着发酵的进行,微生物菌群丰度略有下降,杆状细菌(Bacillus)和曲霉属(Aspergillus)在整个发酵过程中一直是优势菌属,各项指标达到或高于国家有机肥标准NY 525—2012。总之,丢糟物料特点决定了其发酵时能够快速升温,温度的升高有助于提升pH,增强优势微生物代谢,缩短丢糟腐熟制肥周期。后续可以通过分析高温期微生物的代谢机理和丢糟物料结构变化来深入研究它们对丢糟快速制肥和肥效的影响,以期为白酒酿造企业生态种酿循环发展提供一条切实可行的技术路径。