餐厨垃圾生物法预处理强化黑水虻蛋白合成的应用效果研究

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餐厨垃圾是我国城镇有机固体废弃物的主要组成部分,具有产生量大、有机质含量丰富、可生物利用性高等特点。随着我国餐厨垃圾收运体系的逐步完善,高值化的资源化处理是当前主要发展方向。近年来,以黑水虻等资源型昆虫为媒介将有机废弃物转化为高附加值的蛋白质资源受到广泛关注。由于餐厨垃圾富含淀粉、蛋白质和纤维素等大分子有机质,如何有效提升黑水虻的吸收和转化能力值得进一步研究。有鉴于此,本论文提出采用生物酶和益生菌对餐厨垃圾进行预处理,以促进黑水虻虫体的生长代谢,进而提高虫体蛋白产率和品质。通过在有机质降解、虫体生长发育、肠道菌群演变等层面的比较研究,阐析两种生物法预处理技术对黑水虻处理效能和虫体蛋白合成的作用效果,以期为我国餐厨垃圾的减量化、无害化和高值化处理提供有益思路。论文的主要研究结果如下:(1)蛋白酶和淀粉酶预处理增加了餐厨垃圾有机质的生物可利用度,提高了黑水虻肠道菌群的代谢活性,进而促进了虫体的生长发育和蛋白合成。其中,淀粉酶预处理组效果最佳。在对照组中,平均单只虫重、产虫率和虫体蛋白产率分别为111.78 mg、0.16 g/g-TSconsumed和0.08 g/g-TSconsumed,餐厨垃圾干物质、淀粉和粗蛋白减量率为54.0%、62.8%、53.0%。在淀粉酶预处理组中,平均单只虫重、产虫率和虫体蛋白产率分别达到208.42 mg、0.25 g/g-TSconsumed和0.14 g/g-TSconsumed,增加了0.86、0.56和0.75倍。餐厨垃圾干物质、淀粉和粗蛋白减量率达到71.70%、77.86%和65.90%,分别提高了0.32、0.24和0.24倍。淀粉酶预处理改变了黑水虻转化餐厨垃圾的肠道菌群结构,Enterococcus和Sporosarcina成为优势菌属,菌群代谢功能得到了显著提升。肠道内化淀粉酶和蛋白酶活性最高达到948和355 U/m L,分别较对照组增加了33.5%和26.8%。(2)益生菌预发酵同样可以有效强化黑水虻蛋白合成。乳酸菌、枯草芽孢杆菌和酵母菌三菌联用显著提高了餐厨垃圾可溶性蛋白含量。经过40 h预发酵,可溶性蛋白含量达到224.02 mg/g,较初始原料提高了5.06倍。三种益生菌协同预发酵组对黑水虻代谢的作用效果稍优于淀粉酶预处理组。黑水虻平均单只虫重、产虫率和虫体蛋白产率分别达到221.15 mg、0.28 g/g-TSconsumed和0.16 g/g-TSconsumed。餐厨垃圾干物质、淀粉、粗蛋白减量率分别达到74.10%、78.92%、68.33%。在幼虫代谢旺盛期,肠道菌群中Sporosarcina和Corynebacterium的相对丰度分别达到32.74%和15.36%,肠道内淀粉酶和蛋白酶活性最高达到983和401 U/m L。(3)两种餐厨垃圾生物预处理法均提高了黑水虻虫体蛋白的体外抗氧化活性。通过碱溶酸沉法对黑水虻蛋白进行提取,蛋白质提取率可以达到79.90%-84.76%。淀粉酶预处理组和益生菌预发酵组虫体蛋白的总还原力分别是对照组的1.07倍、1.14倍,且超氧阴离子自由基清除活性均介于Vc和OVA之间,显著高于对照组。淀粉酶预处理组虫体蛋白DPPH、羟基、ABTS自由基清除活性及亚铁离子螯合能力的IC50值分别为3.87mg/m L、2.65 mg/m L、0.28 mg/m L和0.97 mg/m L,分别是对照组的1.18倍、1.16倍、1.11倍和1.11倍。益生菌预发酵组DPPH、羟基、ABTS自由基清除活性及亚铁离子螯合能力的IC50值分别为3.03 mg/m L、2.65 mg/m L、0.25 mg/m L、0.89 mg/m L,分别是对照组的1.51倍、1.16倍、1.24倍和1.21倍。
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