全 文 ：红毛丹果皮沼气发酵试验研究及果皮回收利用分析
李映娟，柳 静，杨 红，赵兴玲，尹 芳，张无敌 (云南师范大学，云南昆明 650092)
摘要 ［目的］获得红毛丹(Nephelium lappaceum L．)果皮沼气发酵的相关参数及条件，探讨其沼气发酵潜力。［方法］30 ℃下，采用全混
合批量发酵对红毛丹果皮进行了实验室沼气发酵研究，其中接种物分别为混合接种物及牛粪发酵料液接种物，料液浓度分别为 6． 15%
和6． 34%。［结果］不同接种物对红毛丹果皮的沼气发酵特性影响较大。综合比较日产气量、总固体(TS)降解率、挥发性固体(VS)降解
率、发酵时间等得出，混合接种物对红毛丹果皮的发酵效率更高。就发酵体系中 C、N二大营养物质的转化进行了讨论，并就水果果皮的
回收利用以实现资源最大化、能源可持续化及环境友好化的沼气工程综合开发利用效益模式进行了概述。［结论］该研究可为红毛丹果
皮的沼气能源化利用提供科学依据。
关键词 红毛丹果皮;混合接种沼气发酵;碳素、氮素转化;果皮回收利用
中图分类号 S181． 3 文献标识码 A 文章编号 0517 －6611(2013)33 －12984 －03
Study on the Biogas Fermentation of the Peel of Nephelium lappaceum L． And Its Fruit Peel Ｒecycling Analysis
LI Ying-juan et al (Yunnan Normal University，Kunming，Yunnan 650092)
Abstract ［Objective］The aim was to obtain the relation parameters and conditions of biogas fermentation of the peel of Nephelium lappaceum
L．，to discuss its biogas fermentation potential． ［Method］The CSＲT anaerobic batch fermentation was used to conduct on the laboratory bio-
gas fermentation research with the fresh peel of Nephelium lappaceum L． as the raw material under 30 ℃，thereinto，two kings of inoculums
were mixed inoculum and cow dung fermentation slurry，and the fermentation liquid concentration were 6． 15% and 6． 34% respectively． ［Ｒe-
sult］Different inoculums had a significant influence on the biogas fermentation properties of the fresh peel of Nephelium lappaceum L． ． Com-
prehensively considering the daily biogas production，TS degradation rate，VS degradation rate and fermentation time，the mixed inoculum had
a better fermentation efficient on the fresh peel of Nephelium lappaceum L． rather than the cow dung fermentation sludge． Moreover，the two
major nutrients C，N transformed in fermentation system was discussed，and summed up the synthetical development and utilization efficient
model of environment-friendly biogas engineering that realized the resource maximization and energy sustaining through the recycling of the fruit
peel． ［Conclusion］The study provides a scientific basis for biogas energy use of the peel of Nephelium lappaceum L． ．
Key words The peel of Nephelium lappaceum L．;Mixed inoculum biogas fermentation;C and N transformation;Fruit peel recycling
基金项目 云南省教育厅基金项目(2013Y437) ;国家自然科学基金项
目 (51366015) ;云 南 省 科 技 条 件 平 台 建 设 项 目
(2010DH012)。
作者简介 李映娟(1989 － ) ，女，云南大理人，硕士研究生，研究方向:
农村生物环境与能源工程。
收稿日期 2013-10-20
红毛丹(Nephelium lappaceum L．)是无患子科韶子属水
果［1］，果实甘甜，气味清新，鲜食、制作罐头及加工都可［2］。
红毛丹果皮的抗氧化及抗菌活性成分极高，但常常被弃
用［3］。这不但造成了资源的浪费，还污染了环境。沼气发酵
技术可将资源回收利用、能源与环保有机结合起来，形成显
著的综合效益。因此，笔者就红毛丹果皮的沼气能源化利用
展开相关研究，以期获得红毛丹果皮沼气发酵的相关参数及
条件，为红毛丹果皮的沼气能源化利用提供科学依据。
1 材料与方法
1． 1 发酵原料 新鲜红毛丹果皮，总固体(TS)含量为
18. 96%，挥发性固体(VS)含量为 97． 32%。
1． 2 接种物 采用两种不同的接种物:①牛粪沼气发酵后
的料液，TS含量为 8． 90%，VS含量为 76． 83%，pH为 8． 0;②
多种原料发酵料液混合的混合接种物，TS含量为 7． 83%，VS
含量为 72． 68%，pH为 8． 0。
1． 3 试验设计 设 2 个试验组和 2 个对照组。2 个试验组
分别以牛粪发酵后的料液和混合接种物为接种物启动试验，
每个试验组设置 3 个平行试验。料液浓度为 6%，接种量为
30%，总有效容积为 500 ml。向以牛粪为接种物的 3 个平行
试验组中分别加入 120 ml牛粪发酵料液接种物，向以混合接
种物为接种物的 3个平行试验组中分别加入 120 ml 混合接
种物，再向 2个试验组的 3 个平行试验中加入 71． 27 g 切碎
的红毛丹果皮，最后补水至 400 ml。2 个对照组也分别设置
3个平行试验，分别向 3个平行试验中加入 120 ml牛粪发酵
料液接种物，向另 3个平行试验中加入 120 ml 混合接种物，
并补水至 400 ml。
1． 4 试验装置 采用实验室自制的恒温水浴装置，控制水
温 30 ℃ ±2 ℃，沼气发酵的试验装置见图 1。该装置由厌氧
发酵系统(厌氧发酵瓶、排水集气瓶及体积计量瓶)和温控系
统等组成。在厌氧发酵系统中，厌氧发酵瓶为广口瓶(500
ml) ，用带玻璃导管的橡皮塞封口;排水集气瓶为下口三角瓶
(500 ml) ，用带玻璃三通管的橡皮塞封口;体积计量瓶为自
制的 500 ml广口瓶;厌氧发酵瓶、排水集气瓶和体积计量瓶
通过 Φ =8 mm 的乳胶管连接。温控系统由水槽、电热管、循
环水泵、交流接触器、热电偶等组成。
1． 5 分析项目及方法
1． 5． 1 产气量。利用排水集气法，发酵瓶中每天产生的沼
气把集气瓶中的水压入计量瓶中，通过计量瓶上的刻度标记
读取水的体积，即每天的产气量。记录对照组和试验组 3个
平行每天的产气量，以试验组每天的平均产气量减去对照组
每天的平均产气量即可得到试验组每天的净产气量。
1． 5． 2 pH。采用精密 pH试纸，测定发酵前后发酵液的 pH。
1． 5． 3 TS含量。将样品在 105 ℃ ±2 ℃的烘箱中烘干至恒
重，计算样品除水分后干物质重量占样品总重量的质量
分数［4］。
1． 5． 4 VS含量。将测定过 TS的样品在马弗炉中 550 ℃ ±20
℃下烧至恒重，所得固体为灰分，将干物质含量减去灰分，即得
责任编辑 姜丽 责任校对 卢瑶安徽农业科学，Journal of Anhui Agri． Sci． 2013，41(33):12984 － 12986，13041
DOI:10.13989/j.cnki.0517-6611.2013.33.026
注:1．温控仪;2．传感器;3．电热丝;4．恒温水槽;5．取样口;6．导气
管;7．取气口;8．导水管;9．发酵料液;10．发酵瓶;11．集气瓶;
12．集水瓶;13．水。
图 1 红毛丹果皮沼气发酵装置
挥发分重量，将挥发分重量除以干物质重量即得 VS含量［4］。
2 结果与分析
2． 1 产气情况分析 每天定时记录试验组和对照组的产气
量，并以 3个平行试验的平均值为当天的产气量，作日产气
量与发酵时间的相关性曲线，结果见图 2。从图 2可以看出，
牛粪接种物对照组和混合接种物对照组在整个试验过程中
均未产气，故不作相关产气分析。以混合接种物启动的试验
组发酵第 1天产气 150 ml，但不能点燃，这是因为刚启动时
发酵瓶内有残存的空气不利于厌氧微生物的快速繁殖，所产
甲烷较少而 CO2 偏多所致。从第 2 天开始所产沼气便能点
燃，焰色呈淡蓝色。发酵第 5 天出现一个产气次高峰，随后
产气量稍降低后又逐渐升高，沼气微生物逐渐适应原料基
质。随着发酵的进行发酵细菌创造了严格的厌氧环境，厌氧
微生物逐渐增加，酶活力渐渐增强，到第 14 天出现产气高
峰，产气 220 ml。随后产量气逐渐下降，随着发酵的进行，发
酵原料的消耗，酶活力下降，同时发酵产生的物质也会抑制
厌氧微生物的活性等，从而引起日产气量的下降。从发酵开
始到第 21 天，日产气量均 ＞ 100 ml，占总发酵时间的 57%。
第 22 ～29天日产气量均 ＞50 ml，占总发酵时间的22%左右，
从发酵开始到第 29天，日产气量 ＞ 50 ml的时间占总发酵时
间的 78%。
图 2 日产气量与发酵时间的相关性曲线
以牛粪发酵液为接种物的试验组发酵第 1 天产气 60
ml，但不能点燃。随着发酵的进行，厌氧发酵微生物逐渐适
应原料基质，产气量逐渐增加，到第 7 天出现次高峰，产气
150 ml。随后产气量下降后又逐渐上升，这时沼气发酵微生
物活性逐渐增强，各种酶活力较高，到第 19天产气达到最大
值 200 ml。随着原料的消耗及酶活力的下降等，产气量逐渐
降低。发酵 42 d中，产气量≥100 ml 的有 13 d，占总发酵时
间的 31%左右;产气量≥50 ml且≤100 ml的有 16 d，占总发
酵时间的 38%左右。
从图 2还可以看出，混合接种物试验组的日产气量总体
高于牛粪发酵液接种物试验组，发酵时间短于牛粪发酵液接
种物试验组 5 d，产气次高峰和产气高峰明显早于牛粪发酵
液接种物试验组。这主要是由于 2 个试验组采用不同的接
种物造成的。混合接种物的接种物来源较广，其中富集了多
种不同原料发酵后的料液，微生物种类、微生物活性、酶种类
和酶活性都高于牛粪发酵液中的接种物，因此处理原料时混
合接种物试验组中的微生物能快速适应原料基质并发挥出
降解活性。而牛粪发酵液接种物微生物种类、酶种类相较于
混合接种物较为单一，处理原料时微生物对原料的适应期及
酶活性的提高期相对于混合接种物较长。从日产气量来看，
混合接种物处理红毛丹果皮的发酵效率高于牛粪发酵液接
种物处理，因此在红毛丹果皮发酵试验中，混合接种物更适
合来启动并降解红毛丹果皮中的有机质，以便实现红毛丹果
皮的资源化、能源化利用。
2． 2 累计产气量及产气速率分析 将图 2 的数据进行整
理，按每 10 d进行一次产气量累计，并将累计产气量除以总
产气量得到混合接种物试验组和牛粪发酵液接种物试验组
产气速率，结果见表 1。
从表 1 可以看出，混合接种物试验组总产气量为 3 490
ml;前 20 d产气速率增加较快，第 20 ～30天产气速率增长缓
慢;第 30天以后产气速率趋于平缓;到第 20 天，产气达到总
产气量的 77． 65%，第 21天，产气达到总产气量的 80%以上，
到第 25天产气量达到总产气量的 90%以上。牛粪发酵液接
种物试验组总产气量为 3 090 ml;前 25 d 产气速率增长较
快，第25 ～30天产气速率增长缓慢，第30天以后产气速率趋
于平缓;第 25天产气量达到总产气量的 80%以上。
从表 1还可以看出，混合接种物试验组的总产气量高于
牛粪发酵液接种物试验组，产气量达到总产气量一定百分数
的发酵时间早于牛粪发酵液接种物试验组，整个发酵进程早
于牛粪发酵液接种物试验组。因此，混合接种物处理红毛丹
果皮的发酵效率高于牛粪发酵液接种物处理。
表 1 试验组累计产气量与产气速率
发酵时间
d
混合接种物试验组
累计产气量
ml
产气速率
%
牛粪发酵液接种物试验组
累计产气量
ml
产气速率
%
5 650 18． 62 430 13． 92
10 1 190 34． 10 1 000 32． 36
15 2 020 57． 88 1 440 46． 60
20 2 710 77． 65 2 050 66． 34
25 3 120 89． 40 2 610 84． 47
30 3 400 97． 42 2 910 94． 17
35 3 470 99． 43 3 010 97． 41
40 3 490 100． 00 3 070 99． 35
45 3 090 100． 00
5892141 卷 33 期 李映娟等 红毛丹果皮沼气发酵试验研究及果皮回收利用分析
2． 3 发酵前及发酵后料液的 TS、VS分析 从表 2 可以看
出，试验组的 TS、VS含量在发酵前后均发生较大改变。混合
接种物试验组的 TS降解率为 28． 23%，VS降解率为 6． 61%。
牛粪发酵液接种物试验组的 TS降解率为 21． 14%，VS 降解
率为 4． 13%。这说明在发酵过程中原料被消耗并产生了沼
气。2组的 pH在发酵前后变化不大。相比于牛粪发酵液接
种物试验组来说，混合接种物试验组的 TS、VS利用率更高，
这与日产气量、累计产气量和产气速率的分析结果一致。
表 2 试验组发酵前后料液的 TS、VS含量及 pH变化
组别
发酵前
TS∥% VS∥% pH
发酵后
TS∥% VS∥% pH
混合接种物 6． 15 89． 11 8． 0 4． 41 83． 22 8． 0
试验组
牛粪发酵液接 6． 34 88． 96 7． 5 5． 00 85． 29 7． 5
种物试验组
2． 4 产气潜力分析 从表3可以看出，2试验组的 TS、VS产
气潜力都较高，都大于 200 ml /g，表明以这 2 种接种物与红
毛丹果皮全混合发酵都很好。相比于牛粪发酵液接种物，混
合接种物与红毛丹果皮试验组的 TS、VS和原料产气量都较
高，因此红毛丹果皮的发酵选择微生物种类较为丰富的混合
接种物更合适，产气潜力更好。
表 3 试验组产沼气潜力 ml /g
组别 TS产气率 VS产气率 原料产气率
混合接种物试验组 258 265 49
牛粪发酵液接种物试验组 228 234 43
2． 5 各种水果果皮的产沼气潜力比较 为了进一步评价红
毛丹果皮的产气潜力，对发酵温度 30 ℃左右的各类水果果
皮的发酵原料的发酵时间及 TS、VS产气率进行了统计，结果
见表 4。从表 4可以看出，几种水果果皮的产气效率都较高。
表 4 不同水果果皮发酵原料的产气潜力
发酵原料
发酵时间
d
TS产气率
ml /g
TS产气率的倍
数(红毛丹果皮 /
其他水果果皮)
文献
红毛丹果皮
(混合接种
物试验组)
37 258 － －
西番莲果皮 28 867 0． 30 ［5］
香蕉皮 31 752 0． 34 ［6］
西瓜皮 92 669 0． 38 ［7］
菠萝皮 23 568 0． 45 ［8］
葡萄皮 35 1 510 0． 17 ［9］
菠萝蜜果皮 53 239 1． 08 ［10］
除了菠萝蜜果皮和西瓜皮外几种果皮的发酵产气时间都较
短，红毛丹果皮的 TS产气率小于西番莲果皮、香蕉皮、西瓜
皮、菠萝皮和葡萄皮，甚至还不到这些果皮 TS 产气率的
50%，却大于菠萝蜜果皮的 TS产气率。这可能是因为西番
莲果皮、香蕉皮、西瓜皮、菠萝皮和葡萄皮中的单糖、多糖等
易于水解的有机物较多，大部分有机物在水解性细菌的作用
下水解成产甲烷菌的底物，故产气较多，TS产气率大。而红
毛丹果皮和菠萝蜜果皮中难于水解的有机物较多，因此水解
有机物并产沼气所需时间相对较长，产气相对较少。但总地
来说，红毛丹果皮的 TS产气率还是不错的，是一种好的沼气
发酵原料。
3 结论与讨论
3． 1 讨论
3． 1． 1 原料转化利用分析。红毛丹果皮的厌氧消化过程
中，果皮中的碳、氮等营养物质会被释放出来，转移到沼气和
沼液中，成为可再被利用的营养物质，特别是氮素和磷素大
部分转化成速效氮和速效磷，对沼气发酵上清液的再利用产
生了极大的影响。
(1)碳素转化。红毛丹果皮中富含糖类、纤维素、木质
素、色素、果胶质等碳水化合物。根据沼气发酵的 3 阶段理
论，这些化合物在水解性细菌的水解作用下成为水溶性小分
子化合物。这一过程实际上是将营养物质从红毛丹果皮中
转移到了发酵液中。当然，并不是所有的营养物质都能转移
到沼液中，一些难降解的物质留在了沼渣中，这部分物质很
难再被利用。沼气发酵的酸化阶段进一步将这些水溶性有
机物降解成一些短链的脂肪酸、醇、氢气和二氧化碳等。可
以看出，红毛丹果皮中一部分的碳水化合物通过水解和产酸
阶段转化成气态形式(CO2) ，其余的则以水溶性形态存在沼
气发酵液中。随后，产甲烷菌利用这些小分子底物产生甲烷
和二氧化碳。这样，水溶性的碳素大部分转移到了沼气当
中，其余的留在了发酵液中。红毛丹果壳中酚类、苷类和甾
醇含量较多，这些化合物在发酵过程中能被水解菌破环并被
产甲烷菌利用生成沼气，但是红毛丹果皮的 VS 产气率不是
很高，这就说明，在碳素流向过程中，很大一部分的碳素还是
留在了沼渣中。在红毛丹果皮的沼气发酵试验中，料液的
pH在发酵前后没有明显的变化，这主要取决于料液系统中
缓冲体系碳酸盐和 NH +4 的调节。
(2)氮素的转化。沼气发酵系统中的氮来源于脂肪类化
合物和蛋白质，它在沼气发酵原料中占一定的比例，但是在
红毛丹果皮中的含量一般不高。首先，这些大分子的化合物
经水解、酸化和产甲烷阶段的发酵作用形成沼气，并释放出
氮营养物质，特别是在氨基酸的发酵过程中，氨基酸在厌氧
微生物的作用下能脱氨。因此在发酵过程中，料液的 NH+4 -N
的含量逐渐增加。但在正常运行的沼气发酵系统中氨浓度
不会累积上升，这主要是由于料液系统中存在着碳酸盐 －
NH +4 的缓冲体系，而且在一定条件下，大部分的硝酸态氮可
以形成氮气释放出来，所以在沼气中也含有一部分的 N2，这
就说明在沼气发酵过程中可能存在厌氧氨氧化的过程。而
其余未被转化的氮则留在了沼液中，可被进一步利用。
3． 1． 2 水果果皮资源化利用。沼气发酵液中含有丰富的营
养物质，沼气发酵不仅要实现环境污染的预防和治理，还要
实现资源能源的最大化利用，这就涉及到水果果皮的沼气发
酵综合利用的问题。表 5是全国历年水果生产情况。2000 ～
(下转第 13041页)
68921 安徽农业科学 2013年
3． 5 t /h。整机设计采用 2 个电动机分别驱动，其中电机Ⅰ用
于驱动去叶装置、输送辊和卷压机构，选用 Y180L － 8 型电
机，额定功率为 11 kW，满载转速为 730 r /min;电机Ⅱ用于驱
动刮瓤机构，选用 Y132S1 － 2 型电机，额定功率为 5． 5 kW，
满载转速为 2 900 r /min。
(3)对该机关键部件的技术参数进行了选择，为主要零
部件的设计提供参考依据。
(4)对该机的压辊机构、搓叶机构、刮瓤刀轴等重要部件
进行了设计，其中压辊机构的橡胶层表面开有直线型沟槽，
能够增大抓取力;为了使搓叶机构具有搓叶功能，搓叶机构
的上下搓叶带之间有一定的线速差，线速比为 1． 1;刮瓤刀轴
的刀轴本体采用圆缺状型式，便于安装刀具。
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19．
(上接第 12986页)
2011年我国水果总产从 6 225． 10万 t到 22 768． 20万 t逐年
增加，特别是 2003年我国水果总产及单产增加迅猛，水果产
业结构稳定。我国生产的水果，除部分用于鲜食外，还有部
分用于产品加工生产罐头、果酱、果脯、饮料等，所产生的果
皮、果渣及果核等废弃物的回收利用长期受到政府及企业的
忽视，不仅造成资源浪费还污染环境，而且与现代社会和谐
发展、可持续发展的理念格格不入。因此，加大水果废弃物
的资源化应用既可以增加水果的附加价值，又可以对环境保
护及其产生的污染的治理产生一定的生态效益。
表 5 全国历年水果生产情况
年度 总产∥万 t 单产∥t /hm2
2011 22 768． 20 19． 24
2010 21 401． 40 18． 54
2009 20 395． 50 18． 31
2008 19 220． 20 17． 91
2007 18 136． 30 17． 32
2006 17 102． 00 16． 89
2005 16 120． 10 16． 06
2004 15 340． 90 15． 71
2003 14 517． 40 15． 38
2002 6 952． 00 7． 64
2001 6 658． 00 7． 36
2000 6 225． 10 6． 97
研究中，红毛丹、西番莲、香蕉、西瓜、菠萝、葡萄、菠萝蜜
几种水果果皮的产沼气潜力较高，发酵后料液中的碳、氮等
营养物质较为丰富，所以水果果皮的沼气发酵综合利用具有
巨大潜力，其工程应用能形成可行的循环经济产业链。水果
运入加工厂后果肉分离，果肉进行深加工，果皮、果渣、果核
等废弃物在工厂内或工厂附近的沼气发酵罐内进行沼气发
酵，产生的沼气进行电能或热能转化以供给果肉深加工用
能，而所产生的沼液沼渣可用于农业种植或是畜牧业的饲料
加工等。以沼气工程为纽带，整个循环产业链实现了资源最
大化、能源最大化、环境友好型的综合效益。
3． 2 结论 以红毛丹果皮为发酵原料，在 30 ℃下进行批量
式厌氧发酵试验，混合接种物发酵时间为 37 d，共产气 3 490
ml，到第 21天时，产气累积量达到了总产气量的 80%以上，
产气主要集中在前 30 d，TS产气率为 258 ml /g，TS降解率为
28． 23%，VS降解率为 6． 61%。以牛粪发酵液为接种物来进
行红毛丹果皮的沼气发酵历时43 d，共产气3 090 ml，到第25
天产气累积量达到了总产气量的 80%以上，产气主要集中在
前 30 d，TS产气率为 228 ml /g，TS降解率为 21． 14%，VS 降
解率为 4． 13%。总地来说，2种接种物对红毛丹果皮的沼气
发酵特性都较好，但相比于牛粪发酵液接种物来说，混合接
种物使红毛丹果皮的沼气发酵效率更好。
基于红毛丹果皮的沼气发酵潜力研究，比较了几种不同
的水果果皮的沼气发酵潜力，一些富含糖分等易于水解的有
机物的水果果皮的发酵效率很高，这在一定程度上为水果果
皮的资源化回收利用提供了可行性，且能实现能源与环境的
可持续生态和谐发展模式。
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