王本明，姜官恒，郎文培，楊紅光，王麗杰，于海濤

（濰坊農(nóng)科院/濰坊市基質(zhì)無土有機栽培重點實驗室，山東濰坊261061）

植物餅渣液體有機肥生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究進展

王本明，姜官恒，郎文培，楊紅光，王麗杰，于海濤

（濰坊農(nóng)科院/濰坊市基質(zhì)無土有機栽培重點實驗室，山東濰坊261061）

以植物餅渣為主要原料，運用生物技術(shù)和物理化學方法相應設(shè)計了生產(chǎn)液體有機肥完整的工藝流程。筆者主要介紹了目標營養(yǎng)元素的確定、水解條件的優(yōu)化、蛋白酶產(chǎn)生菌種的培育以及大量營養(yǎng)元素強化等技術(shù)，針對各種控制方法，闡述了其原理、應用條件及研究進展情況，提出了低成本規(guī)模化制作植物液體有機肥的新思路，為有機肥料的資源化利用提供了參考。

植物餅渣；液體有機肥；水解條件；蛋白酶產(chǎn)生菌

0 引言

液體有機肥是指液態(tài)化的有機肥料。真正意義上的液體有機肥不含任何化學合成成分，養(yǎng)分來源于動植物體或天然礦物，生產(chǎn)加工使用生物技術(shù)和物理方法，主要用于有機農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的中后期追肥[1]。

目前商品液體有機肥種類極少，生產(chǎn)原料主要是深海魚類，少數(shù)是動物加工下腳料，氮素成分主要是蛋白類物質(zhì)或銨態(tài)氮、硝態(tài)氮，成本較高[2]。用化學方法提取有機成分配制或添加化學肥料發(fā)酵加工的有機肥料都不是真正意義上的液體有機肥料，不能用于有機農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)[3]。植物油料餅渣（以下簡稱植物餅渣）作為肥料使用主要用于固態(tài)有機肥料生產(chǎn)，用于液體肥料生產(chǎn)鮮見報道。植物餅渣是優(yōu)質(zhì)的肥料原料，不僅NPK及中微量元素含量豐富，結(jié)構(gòu)更符合作物要求，而且資源豐富、可持續(xù)，原料成本更低[4]。筆者結(jié)合開展的研究就使用植物餅渣生產(chǎn)液體有機肥要重點解決4個方面的技術(shù)問題和一個工藝設(shè)計問題做如下討論。

1 氮素營養(yǎng)目標成分的確定與控制方法

1.1 氮素營養(yǎng)目標成分的確定

植物餅渣是以氮素養(yǎng)分為主的原料，在蛋白質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮之間選擇哪種氮素形態(tài)作為氮素目標營養(yǎng)成分，不僅涉及生產(chǎn)的工藝，而且對作物的吸收利用至關(guān)重要[5]。目前市場魚類液體有機肥產(chǎn)品主要以蛋白質(zhì)態(tài)為主，畜禽加工下腳料類產(chǎn)品則以銨硝態(tài)氮成分為主[6]。比較多肽、氨基酸、銨硝態(tài)氮的成分特性和植物對氮素吸收利用的特點，權(quán)衡對植物餅渣進行生物加工處理的成本因素，以氨基酸為氮素主要目標成分最為合適，其中保留適量的多肽類和銨硝態(tài)氮素成分，形成中、短、速效結(jié)合，以短速效為主的成分結(jié)構(gòu)，既能快速滿足作物的氮素需求，又不會因大量施入肥料對作物造成傷害。

1.2 生物技術(shù)控制法

為滿足有機農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的要求，應用生物技術(shù)的加工方法是最好的途徑。通過對植物餅渣中蛋白質(zhì)進行水解，將蛋白質(zhì)態(tài)有機氮轉(zhuǎn)化為水溶性的有機氮和速效氮。作為肥料產(chǎn)品蛋白質(zhì)水解不宜用酶解，鑒于植物餅渣蛋白質(zhì)、油脂、纖維素含量較高，發(fā)酵菌種宜選用富含地衣芽孢桿菌、酵母菌、枯草芽孢桿菌的混菌[7]。試驗發(fā)現(xiàn)，用禽類、犬類腸胃消化液半?yún)捬醵ㄏ蛘T導培養(yǎng)的發(fā)酵菌效果較好。

1.3 腐熟度的控制法

腐熟度影響著發(fā)酵的進程和底物有效成分的轉(zhuǎn)化比率，同時決定了營養(yǎng)成分的結(jié)構(gòu)。相同條件下影響腐熟度的主要是發(fā)酵時間。判斷腐熟度的標準有外觀法、化學參數(shù)法、生物學參數(shù)法、光譜法等，實踐中應以種子發(fā)芽指數(shù)為標準，比較各種方法的對應關(guān)系，形成時間控制腐熟度的數(shù)量指標。

1.4 發(fā)酵條件控制

植物餅渣的發(fā)酵主要是蛋白質(zhì)的發(fā)酵，脂肪類、纖維木質(zhì)素類自然進行。控制發(fā)酵條件主要是激發(fā)蛋白酶產(chǎn)生菌和蛋白酶的活性，促進蛋白質(zhì)的水解進程。影響蛋白質(zhì)水解的因素主要是溫度、氧飽和度、酸堿度、固含量。研究表明，動物菌源半?yún)捬醢l(fā)酵，溫度以40～50℃，攪拌后底物氧飽和度10%～20%，初始酸堿度pH 7～8，固含率20%～40%轉(zhuǎn)化效率最高[8]。

1.5 輔料使用控制

試驗表明，在粘性較大的餅渣中添加稻殼、珍珠巖等可有效提高底物氧含量，減少臭氣的產(chǎn)生。適量添加淀粉等碳水化合物可有效加快蛋白質(zhì)水解進程。及時進行固液分離，補充新的發(fā)酵材料和水分，可減少游離銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量。調(diào)整發(fā)酵產(chǎn)物的成分可通過調(diào)整發(fā)酵底物的構(gòu)成實現(xiàn)。

2 蛋白酶產(chǎn)生菌種的選育使用

2.1 菌源的選擇

產(chǎn)生蛋白酶的菌種較多，但主要的是地衣芽孢桿菌和酵母菌。試驗發(fā)現(xiàn)，動物胃腸中此類菌種含量較多且種類豐富，尤其是生長期較長的動物更佳[9]?？紤]其他成分發(fā)酵菌的要求、每種動物的消化能力以及肥料對溫度的要求，以動物體溫40℃以上的禽類和犬類腸胃消化液作為菌源更為合適。

2.2 菌種的馴化

菌種都有專一性的特點，不同的發(fā)酵底物和發(fā)酵條件要求不同的混菌結(jié)構(gòu)。為提高菌種的適應性和優(yōu)勢必須對菌種進行馴化培養(yǎng)。馴化的目標因素主要是底物，其次是發(fā)酵條件[10]。馴化過程可分階段逐步完成，在此基礎(chǔ)上逐漸擴大接種菌量。

2.3 菌種的比較

不同的菌源具有不同的菌種組成及數(shù)量結(jié)構(gòu)，對不同的發(fā)酵底物具有明顯的嗜好差異[11]。對于生產(chǎn)使用的具體原料要進行菌種適應性比較和良種篩選。菌種優(yōu)劣通過其在一定條件下的蛋白質(zhì)水解轉(zhuǎn)化效率來判斷，設(shè)定時間的蛋白質(zhì)水解度是衡量指標。

2.4 菌種的培育使用

優(yōu)勢菌種和發(fā)酵條件確定后，還要對菌種材料進行進一步的培育擴繁，以進一步提高菌種的適應性和優(yōu)勢菌種數(shù)量上的優(yōu)勢。培育方法采取馴化培養(yǎng)的方式，從發(fā)酵底物和發(fā)酵條件兩個方面開展誘導馴化[12]。在此基礎(chǔ)上逐步對菌種擴大繁殖，直至達到生產(chǎn)需要的用菌量。

2.5 菌種的保持利用

生產(chǎn)加工的過程也是強化優(yōu)勢菌種的過程。液體肥的生產(chǎn)過程不需對底物菌種滅活，保持利用菌種非常重要。可利用每次加工分離的固體物作為菌種保持材料，按照消化效率每次只添加等量的新的原料材料，保證每次發(fā)酵過程都有較高的優(yōu)勢菌種基數(shù)。

3 發(fā)酵條件的優(yōu)化與調(diào)整

3.1 pH值

不同菌源的菌種對pH值的要求略有差異，需要開展實驗室檢驗。試驗發(fā)現(xiàn)，整個發(fā)酵過程呈現(xiàn)酸化趨勢，起始pH值偏堿性更有利于發(fā)酵效率的提高[13]。研究證明，起始在pH 8～9之間，終點在pH 7左右時，對發(fā)酵最有利。植物原料起始pH值整體呈酸性，pH值的調(diào)整是調(diào)堿?？膳c添加材料的使用結(jié)合起來，尤其是堿性高鉀材料的使用，如草木灰、窯灰的利用。

3.2 溫度

溫度對菌種的活性和菌種的選擇影響最大，因而也是影響發(fā)酵效率和產(chǎn)物成分的主要因素[14]。蛋白酶產(chǎn)生菌的最適溫度大多在50℃左右；脂肪、淀粉、糖類分解酶產(chǎn)生菌的適宜溫度偏低，在35～40℃；纖維、木質(zhì)素類則偏高，在55～60℃。兼顧各菌種活性，馴化及發(fā)酵加工的溫度控制在40～50℃之間為宜[15]。液體有機肥生產(chǎn)加工溫度的保持主要靠外來能源。

3.3 含水率

底物含水率同時反映著底物固含量，是影響發(fā)酵效率和產(chǎn)物濃度水平的重要指標。植物餅渣類原料膠類物質(zhì)含量較高，含水率過高會阻礙氧在底物中的傳導。不同原料適應的含水率水平不盡相同，細粉、粘稠類餅渣適宜含水率偏低，顆粒、散狀類適宜含水率偏高，具體指標可通過試驗確定。但為保持產(chǎn)物較高的養(yǎng)分含量水平，生產(chǎn)中一般控制在60%～80%。

3.4 供氧量

供氧水平?jīng)Q定了發(fā)酵的方式和原料的降解過程，作為以肥料為產(chǎn)物的發(fā)酵，采取轉(zhuǎn)化率更高的半?yún)捬醢l(fā)酵更為合適，間歇式的供氧方式，保持底物氧含量8%～15%的水平[16]。粘稠度大的餅渣要在底物中添加適量分散性材料，并通過攪拌以提高底物各部分氧含量的均衡性。

3.5 C/N、C/P

碳是微生物的唯一能源，適當?shù)腃/N、C/P有利于保持菌種的活性。一般認為：有機物C/N在10左右，有機物被微生物分解速度最大。植物餅渣C/N、C/P一般都較低，為提高發(fā)酵效率可補充適量的高碳物質(zhì)[17]。補碳可與改進透氣性結(jié)合實施，如添加適量的稻殼、谷糠、麩皮等[18]。

4 養(yǎng)分含量的提升與營養(yǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整

4.1 營養(yǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

液體有機肥一般作為追肥使用（含根際追肥和根外追肥），對應作物中后期生理特點和營養(yǎng)規(guī)律，理想的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)是高鉀中氮或高鉀高氮，因作物補充一定量的中微量元素。同時提供一定數(shù)量具有促根護根、增強抗性的腐殖酸等功能性營養(yǎng)物質(zhì)。

4.2 原料結(jié)構(gòu)調(diào)整法

提高和改善有機液體肥的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，主要是靠調(diào)整原料的構(gòu)成實現(xiàn)。一般情況下，高氮餅渣加工的液體有機肥含氮量較高，磷鉀亦然。因此，生產(chǎn)高氮液體有機肥宜使用大豆餅、花生餅等，生產(chǎn)高磷液體有機肥宜使用菜籽餅、蓖麻餅、芝麻餅等。

4.3 重復、疊加法

重復發(fā)酵法是將發(fā)酵提取液再次進入發(fā)酵過程以強化液體養(yǎng)分濃度的方法。如將上輪發(fā)酵分離液體代替部分水分再次進入發(fā)酵過程，或?qū)⒄右旱绕渌l(fā)酵液代替水分進入發(fā)酵過程。疊加法是將不同肥料加工工藝重復使用的方法。如將浸提的草木灰上清液替代水分進入發(fā)酵過程的方法。

4.4 添加法

受餅渣天然特點的影響，鉀素成分含量整體偏低，大幅提高液體有機肥鉀的含量只能通過添加的方法。草木灰是最好的鉀素添加原料。酸堿度等功能性調(diào)整也主要是通過添加的辦法解決。為降低成本和質(zhì)量安全風險，添加材料不宜過多，提倡一料多用。如鈣鎂磷肥、石灰氮、草木灰等，既是堿性調(diào)理劑，又是肥料提升劑，石灰氮還兼具菌種滅活的功能[19]。

5 生產(chǎn)工藝流程的設(shè)計

5.1 發(fā)酵設(shè)備的選用

液體有機肥的加工發(fā)酵設(shè)備是核心。目前有液體發(fā)酵和固體發(fā)酵兩種設(shè)備?？紤]餅渣的特點和商品肥料較高養(yǎng)分含量的要求，選用固體發(fā)酵設(shè)備采取固體發(fā)酵工藝較為合適。設(shè)備要具備自動攪拌和溫控能力，一般應兼具在位滅菌、酸堿調(diào)節(jié)、水分調(diào)節(jié)、供氧（氣）等功能[20]。

5.2 原料的預處理

包括原材料的搜集篩選、物理去雜、干料浸泡、組配填裝、滅菌消毒等。原料選擇以當?shù)胤嫌袡C液體肥生產(chǎn)要求的大宗餅渣資源為主，根據(jù)目標產(chǎn)品定位進行原料結(jié)構(gòu)的搭配。除一般性去雜、浸泡、組配外，對生料餅渣還要結(jié)合滅菌進行蒸煮處理。對細粘餅渣還要添加一定比例的粗料，以提高底物的透氣性。

5.3 餅渣發(fā)酵

包括添加菌種、啟動發(fā)酵、條件控制、適時出料等。將足量的菌種加入降溫后的發(fā)酵底物，啟動攪拌、溫度控制等程序發(fā)酵即開始。受發(fā)酵底物C/N的限制，溫度需要借助外能。發(fā)酵過程在自動控制下進行，各項指標按照試驗結(jié)果設(shè)置，酸堿度等調(diào)整材料要符合有機農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的要求，達到腐熟指標后及時出料轉(zhuǎn)入下一流程。

5.4 后續(xù)加工

包括固液分離、指標調(diào)整、研磨攪拌、精細加工等。固液分離要兼顧填充物的再利用和菌種的保護利用，應采取離心分離的方式。養(yǎng)分、理化指標的調(diào)整以底物、發(fā)酵過程調(diào)整為主，后續(xù)只根據(jù)目標肥料指標、功能、性能要求做微調(diào)矯正。研磨攪拌是將各種添加物通過膠體磨作均質(zhì)處理，同時將固形物粒徑研磨至一定粒徑之下。精細加工可進一步改善肥料性能，形成諸如葉面肥、特定植物專用肥等。

6 結(jié)論與討論

以植物油料餅渣為主要原料，運用生物技術(shù)與物理化學方法相結(jié)合的方式設(shè)計制作了液體有機肥生產(chǎn)的完整工藝流程。生產(chǎn)制作的核心技術(shù)是蛋白質(zhì)水解技術(shù)，涉及了一系列氮素營養(yǎng)目標成分的確定與控制方法、水解條件的優(yōu)化，蛋白酶產(chǎn)生菌種的培育以及大量營養(yǎng)元素強化等技術(shù)，研究了液體有機肥發(fā)酵參數(shù)（如溫度、酸堿度）的交互效應及最佳組合，優(yōu)化了液體有機肥生產(chǎn)工藝，提高肥料質(zhì)量，減少生產(chǎn)成本。

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Key Production Technology of Liquid Organic Fertilizer from Vegetable Oil Residue:Research Progress

Wang Benming,Jiang Guanheng,Lang Wenpei,Yang Hongguang,Wang Lijie,Yu Haitao
(Weifang Academy of Agricultural Sciences/Weifang laboratory of Soilless Cultivation Substrates,Weifang 261061,Shandong,China)

Based on vegetable oil residue,the whole process of producing liquid organic fertilizer was designed by using biotechnology and physical-chemistry method.The research mainly introduced some technologies,including the determination of the target nutrient elements,the optimization of the hydrolysis conditions,the cultivation of the protease strains and the enhancement of the nutrient elements etc.The paper also expounded the principles,application conditions and research progress of the control methods,and proposed a new way which was low-cost for large-scale production of liquid organic fertilizer.The results can provide references for the resource utilization of organic manure.

Vegetable Oil Residue;Liquid Organic Fertilizer;Hydrolysis Condition;Proteinase Strain

S-1

A論文編號：casb17070016

濰坊市2016年科學技術(shù)發(fā)展計劃項目“蕓豆無土有機高效栽培技術(shù)研究與應用”(2016ZJ1114)，“餅渣氨肽液體有機肥加工技術(shù)研究與應用”(2016ZJ1112)；山東省2017年度農(nóng)業(yè)重大應用技術(shù)創(chuàng)新項目“菇渣爐渣基質(zhì)化利用研究與工廠化加工應用”（山東省財政支持）。

王本明，男，1962年出生，山東日照人，研究員，碩士，主要從事基質(zhì)無土有機栽培研究。通信地址：261061山東省濰坊市勝利東街1921號 濰坊市農(nóng)業(yè)科學院，Tel：0536-2118578，E-mail：wfnkwbm@qq.com。

王麗杰，女，1991年出生，山東濱州人，實習研究員，碩士，主要從事土壤生態(tài)研究。通信地址：261061山東省濰坊市勝利東街1921號濰坊市農(nóng)業(yè)科學院，Tel：0536-2118570，E-mail：270960753@qq.com。

2017-07-14，

2017-10-12。