一种紫外处理提升蓝藻可利用性及黑水虻转化率的方法 |
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| 申请号 | CN202311738575.9 | 申请日 | 2023-12-15 | 公开(公告)号 | CN117859832A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 江南大学; | 发明人 | 缪恒锋; 顾蓬; 陈丽奇; 张可念; 刘成; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于有机固体废弃物资源化处理技术领域，具体涉及一种紫外处理提升蓝藻可利用性及 黑 水 虻转化率的方法。本发明用65℃持续30mins的巴氏消毒工艺处理蓝藻，能够有效杀灭细菌孢子、大肠杆菌并灭活变质酶，有助理提升蓝藻可利用性。使用紫外装置处理蓝藻，在持续30分钟高强度紫外线的照射下，藻毒素被有效分解，使得蓝藻中 抗营养因子 得到有效降低。对比直接利用蓝藻，将麦麸与蓝藻复配改善 饲料 碳 氮比及孔隙结构提升了黑水虻存活率、产出虫重以及蓝藻减量率。本发明具有低碳、无能耗、环境友好的特点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种紫外处理提升蓝藻可利用性及黑水虻转化率的方法，具体步骤如下： |
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| 说明书全文 | 一种紫外处理提升蓝藻可利用性及黑水虻转化率的方法技术领域[0001] 本发明属于有机固体废弃物资源化处理技术领域，具体涉及一种紫外处理提升蓝藻可利用性及黑水虻转化率的方法。 背景技术[0002] 蓝藻水华为富营养化水体中以蓝藻为主的藻类大量繁殖，在较短时间内聚集于水面形成一层密度高、面积大的蓝藻层，引起的明显可见的水变色现象。蓝藻水华暴发会导致水体浊度上升、溶解氧下降，藻类的死亡会分解释放大量营养物质和藻毒素等有毒代谢物，对水生态环境和生产生活造成严重影响。机械打捞法是目前减轻蓝藻生态灾害，保护水体生态环境的一种直接、安全、有效的应急与治理措施。然而，打捞上来的蓝藻容易腐烂，并含有多种污染物，若不能及时有效处置，随意堆放，会对环境造成二次污染。目前藻泥处置的主要手段为焚烧法(处理量1000吨/天)，不仅消耗了大量燃料，还会排放废气。为了实现节能减排的目的，亟需研发低成本、高效率的蓝藻资源化技术。 [0003] 与传统食品相比，蓝藻含有更高质量的蛋白质、必需氨基酸、不饱和脂肪酸、糖类等多种营养物及多种维生素，干物质中含约30‑55％的蛋白质，将藻类作为潜在的原料产品，以及食品的补充剂应用前景广阔。然而，由于藻类含有大量的诸如藻毒素和胰蛋白酶等抗营养因子，直接作为饲料添加可能对动物的生长产生抑制效果，因此需要对蓝藻进行进一步的处理，目前来讲，如何将蓝藻处置成适宜生物转化的饲料仍需要进一步探索。 [0004] 与其他养殖类昆虫相比，黑水虻采食面更广，这使得利用黑水虻处理有机废物受到越来越多的关注，研究发现黑水虻可以以动物粪便、餐厨垃圾、豆腐渣、发酵秸秆、沼渣等有机废物为食，在黑水虻在生物转化有机废物过程中，能把废物转化为黑水虻自身的生物量并产出高附加值的脂质和蛋白质。根据研究，有机废物的营养成分对幼虫生长发育有巨大影响，其中蛋白质含量是最重要的。黑水虻幼虫发育需要足量蛋白质，而蓝藻蛋白质含量较高，这使得利用蓝藻作为饲料蛋白添加饲育黑水虻成为可能。 [0005] 针对蓝藻蛋白含量高且获取容易的特点，本发明提出了一种基于黑水虻生物转化的蓝藻资源化利用新工艺，并通过紫外处理蓝藻来提升蓝藻可利用性及黑水虻的转化效率。相比将堆积蓝藻焚烧处理，生物转化的方法既能生产昆虫蛋白又能减少蓝藻焚烧带来的环境损害，更节能环保，具有节能减排的实质性技术特点。 发明内容[0006] 打捞上岸的蓝藻一方面含有藻毒素等抗营养因子，另一方面含水率较高，使得直接将它作为饲料不利于生物的生长，若要资源化利用则需要进行进一步的处理。为解决蓝藻饲料化的难题，本发明提供了一种紫外处理提升蓝藻可利用性及黑水虻转化率的方法，一方面可以解决蓝藻堆积问题，另一方面培养出的幼虫具有较高经济价值，可作为动物饲料的蛋白来源或生产生物柴油的脂质来源。 [0007] 本发明的技术方案为：一种紫外处理提升蓝藻可利用性及黑水虻转化率的方法，具体步骤如下： [0008] (1)将打捞的新鲜蓝藻放置在紫外加热装置中接受高温灭菌的同时被紫外灯照射处理； [0009] (2)将照射过后蓝藻干燥并放入破壁机打碎，蓝藻粉末过筛网后备用； [0011] (4)将调配好的饲料控制在适宜的含水率； [0012] (5)将黑水虻虫卵放入控温控湿的培养箱中孵化； [0013] (6)将孵化的黑水虻按照比例接种进入饲料中进行生物转化； [0014] (7)当组别中有50％的黑水虻进入预蛹阶段之后，将虫体与虫沙分离。 [0016] 在本发明一种实施方式中，紫外处理装置中使用253.7nm的紫外灯对待处理藻泥进行照射，能够有效降低藻毒素含量。 [0017] 在本发明一种实施方式中，紫外线强度不低于70μW/cm2。 [0018] 在本发明一种实施方式中，所述的紫外紫外高温装置包括：外壳支架、紫外高温装置外壳、紫外线灯支架、紫外线灯组件、紫外强度检测器、温度控制器、加热板、载物托盘、托盘固定支架；所述紫外灯组件依靠紫外线灯支架安装在装置侧壁上，紫外灯组件由5～6个2 紫外线强度不低于70μW/cm 的紫外灯组成，灯管垂直地面安装；所述装置加热组件由一个温度控制器和一个加热板组成。 [0019] 在本发明一种实施方式中，所述载物托盘为不影响紫外线透过的网装材料。 [0020] 在本发明一种实施方式中，所述载物托盘的个数为5～10个，优选的为8个。 [0021] 在本发明一种实施方式中，使用紫外高温装置处理蓝藻提升蓝藻可利用性及黑水虻转化率。所述的紫外紫外高温装置包括：外壳支架1、紫外高温装置外壳2、紫外线灯支架3、紫外线灯组件4、紫外强度检测器5、温度控制器6、加热板7、载物托盘8、托盘固定支架9。 装置侧壁上的两排紫外灯组件正视图如图5所示，每个紫外灯组件由6个紫外线强度不低于 2 70μW/cm 的紫外灯组成，灯管垂直地面安装以更好照射每层托盘上的蓝藻。装置加热组件正视图见图6，加热组件由一个温度控制器和一个加热板组成，温度设定为65℃。实验开始线打开装置正面门体，将蓝藻均匀平铺在装置中间的托盘架上，每层托盘平铺厚度约为2‑ 3cm，调整温度控制器，将温度设定为65℃，加热和紫外照射时间均设定为30mins，关闭舱门，等待加热和紫外处理，紫外强度检测器可实时检测紫外强度。处理完毕打开舱门，将蓝藻略微放凉后进行后续处理。其中持续30mins的高温处理能够控制部分水分并将大部分致病微生物灭活，持续的紫外线照射能够达到降解藻毒素的效果。 [0022] 在本发明一种实施方式中，将处理过后蓝藻干燥并磨碎供后续使用。 [0023] 在本发明一种实施方式中，麦麸与蓝藻复配一方面调节饲料至合适的碳氮比，另一方面增强了饲料的孔隙结构。 [0024] 在本发明一种实施方式中，调整后饲料碳氮比应在6‑7之间。 [0025] 在本发明一种实施方式中，将麦麸与蓝藻干物质比为40‑70：30‑60进行复配。 [0026] 在本发明一种实施方式中，配制好的饲料含水率为60％‑80％，与黑水虻适宜的生长环境相符。 [0027] 在本发明一种实施方式中，孵化黑水虻虫卵的饲料为含水率50％的麦麸，孵化温度控制在25℃‑32℃，湿度控制在60％‑70％。 [0028] 在本发明一种实施方式中，步骤(6)中选取的黑水虻为8日龄黑水虻幼虫。 [0030] 本发明利用上述方法处理蓝藻后会使得其可利用性得到提升，黑水虻生物转化率更高。 [0031] 本发明的第二个目的是将上述收获的黑水虻用于生产动物饲料和生物柴油。 [0032] 本发明的第三个目的是通过黑水虻的生物转化效果处理堆积蓝藻问题，同时产出具有高附加价值的预蛹。 [0033] 本发明的第四个目的是使用紫外装置处理藻泥具有简单有效的技术特点。 [0034] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： [0035] (1)使用65℃持续30mins的巴氏消毒工艺处理蓝藻，能够有效杀灭细菌孢子、大肠杆菌并灭活变质酶，有助理提升蓝藻可利用性。 [0036] (2)使用紫外装置处理蓝藻，在持续30分钟高强度紫外线的照射下，藻毒素被有效分解，使得蓝藻中抗营养因子得到有效降低。 [0037] (3)对比直接利用蓝藻，将麦麸与蓝藻复配改善饲料碳氮比及孔隙结构提升了黑水虻存活率、产出虫重以及蓝藻减量率。 [0038] (4)将紫外装置处理的蓝藻与麦麸配置成的饲料对虫体生长发育的干扰更低，虫体对蛋白、脂肪和淀粉的利效率更高，生长情况更好。 [0039] (5)本发明操作简单，对于蓝藻处理效率高且处理周期短。 [0040] (6)本发明具有低碳、无能耗、环境友好的特点。 [0041] (7)运用黑水虻生物转化蓝藻，在降解蓝藻的同时可以收获蛋白质和脂肪含量较高的黑水虻预蛹，具有一定的经济性。 [0043] 图1各处理组饲料中藻毒素浓度； [0044] 图2各处理组虫体抗氧化酶活性，左为SOD和CAT活性，右为GSH和MAD活性； [0045] 图3各处理组虫体消化酶活性； [0046] 图4紫外处理装置图，包括外壳支架1、紫外高温装置外壳2、紫外线灯支架3、紫外线灯组件4、紫外强度检测器5、温度控制器6、加热板7、载物托盘8、托盘固定支架9； [0047] 图5紫外灯组件正视图； [0048] 图6加热组件正视图。 具体实施方式[0050] 实验在8.4cm×14cm×4.5cm的容器中进行。 [0051] 含水率测定方法：称量坩埚重量，将待测物品放入坩埚中之后再称量坩埚和待测物品总重，将坩埚放入烘箱中烘至恒重后取出坩埚称量总重。 [0052] 藻毒素测定方法：待测样品制备：称取1g干燥样品研磨成粉末，加入10ml 75％甲醇溶液室温下磁力搅拌2h后再进行超声处理。提取液在4℃条件下8000×g离心10min，吸取上清液并将其pH调节至3.0后离心以去除杂质蛋白。上清液经0.45μm微孔滤膜过滤后将其pH值调至7.0。经过旋转蒸发去除甲醇后收集剩余液体溶于5mL超纯水中待用。采用高效液相色谱法(Ultimate 3000，Dionex Corporation，美国)测定MC‑LR的浓度，紫外可见光检测器波长：238nm，色谱柱温度：40℃，流动相：甲醇和pH＝3的磷酸盐缓冲液(57:43，v:v)，柱流速：1mL·min‑1。 [0053] 计算公式为： [0054] 含水率＝1‑(初始坩埚与物料总重‑坩埚重量)/(恒重后坩埚与物料总重‑坩埚重量)×100％存活率＝存活幼虫数量/加入幼虫总数量×100％ [0055] 生物转化率＝收获黑水虻干物质总质量/初始饲料干物质重量×100％[0056] 饲料转化率＝(初始饲料干物质重量‑剩余虫沙干物质重量)/(收获黑水虻干重‑加入黑水虻干重)×100％ [0057] 干物质减量率＝1‑虫沙干物质重量/初始饲料干物质重量×100％ [0058] 实施例1：蓝藻中添加麦麸的优化 [0059] (1)将打捞上岸的蓝藻藻泥调节其含水率至70％作为饲料待用，命名为T0。 [0060] (2)按照干物质比为1:1的比例向蓝藻中添加麦麸并调节含水率至70％制作成混合饲料待用，命名为T1。 [0061] (3)向饲料餐盒中加入100g(干物质)饲料，之后接种200只8日龄黑水虻。 [0062] (4)观察各组黑水虻生长状况，当组别中有50％的黑水虻进入预蛹阶段后，将虫体与虫沙分离，记录剩余黑水虻数量和质量及剩余饲料重量，用于计算干物质减量率、生物转化率、饲料转化率，幼虫存活率和收获预蛹总重。 [0063] 表1纯蓝藻饲料与蓝藻麦麸复配饲料中黑水虻生长发育状况对比 [0064] [0065] 注：同一列数据中相同字母表示没有显著差异(P＞0.05)，数值以平均值±标准差表示。 [0066] 以往研究发现过量的富氮物质会导致幼虫死亡率升高、生物转化效率下降，添加适量富含氮的水产养殖废弃物有利于幼虫的发育，而过量使用富氮物质可能产生幼虫死亡和生物量损失这种负面影响。 [0067] 从表1的数据可以看出，黑水虻在纯蓝藻泥上的生长发育状况较差，接入幼虫后总增重1.88g，存活黑水虻虫数未达到总数的一半，生物转化率和干物质减量率处在较低水平。总的来说，只用纯蓝藻作为饲料饲养黑水虻效果并不理想。而添加适量麦麸后黑水虻幼虫在收获幼虫总重量、存活率、生物转化率等各个方面都有显著提升，其中产出虫重提升14.08倍、生物转化率提升6.44倍。添加麦麸一方面提高了饲料中碳氮比，更适宜幼虫对饲料的摄取，另一方面麦麸蓬松的结构提升了饲料透气性更有利于幼虫生存。 [0068] 实施例2 [0069] 一种紫外处理提升蓝藻可利用性及黑水虻转化率的方法，包括如下步骤： [0070] (1)打捞上岸蓝藻的紫外处理： [0071] 蓝藻的紫外装置处理：打开装置正面门体，将蓝藻均匀平铺在装置中间的托盘架上，每层托盘平铺厚度约为2‑3cm，调整温度控制器，将温度设定为65℃，加热和紫外照射时间均设定为30mins，关闭舱门，等待加热和紫外处理，紫外强度检测器可实时检测紫外强度。处理完毕打开舱门，将处理后的蓝藻经过干燥后将其放入破壁机打碎，蓝藻粉末过20目筛网后备用。 [0072] (2)蓝藻与麦麸复配： [0073] 选取适量麦麸，以蓝藻麦麸干物质比例为1:1的方式将蓝藻与麦麸进行搅拌混合配置饲料，通过加蒸馏水的方式将基质含水率调节至70％，收集部分饲料用于检测其物质含量和物理状态。 [0074] (3)选取适量麦麸，将其含水率调节至50％，取2g左右虫卵放在配置好的麦麸表面，再整体置于生化培养箱中进行孵化。生化培养箱温度调节为30℃，湿度调节为70％。 [0075] (4)观察虫卵孵化情况，当大部分已经孵化时开始计算日龄。 [0076] (5)将8日龄的黑水虻接种在各组中，每百克饲料(干物质)接种200只幼虫，将其放入温度为30℃、湿度为70％的生化培养箱中培养。 [0077] (6)观察各组黑水虻生长状况，当组别中有50％的黑水虻进入预蛹阶段之后，将虫体与虫沙分离。 [0078] (7)收获的幼虫与物料残渣用于计算干物质减量率、生物转化率、饲料转化率，幼虫存活率和收获预蛹总重。 [0079] 对比实施例1 [0080] 未经紫外装置处理蓝藻与麦麸配置饲料饲养黑虻对照试验： [0081] 取未适量未经紫外装置处理直接干燥的蓝藻藻泥，以蓝藻麦麸干物质比例为1:1的方式将蓝藻与麦麸进行搅拌混合配置饲料，通过加蒸馏水的方式将基质含水率调节至70％，收集部分饲料用于检测其物质含量。黑水虻孵化养殖条件及分离操作同实施例1。 [0082] 结果如下： [0083] 通过对不同组别的基质中藻毒素进行测定，得到的结果如图1所示。 [0084] 从图1可以看出：蓝藻泥在紫外装置处理的过程中，微囊藻毒素受紫外线照射被降解导致紫外组中藻毒素含量(445.24μg/g)要显著的低于高温组(586.67μg/g)。藻毒素对动物具有一定毒理作用，藻毒素含量的差异可能是是导致黑水虻幼虫在紫外组中生长状况更好的原因之一。 [0085] 不同组别的基质对黑水虻的干扰存在差异，使得黑水虻对饲料利用率也各不相同。抗氧化酶活性能够表征紫外装置处理后蓝藻对黑水虻生长发育干扰程度，虫体消化酶活性能够反应黑水虻对饲料利用率，检测结果如图2和图3。 [0086] 图2为不同基质中幼虫虫体抗氧化酶活性图。SOD和CAT为广泛存在于生物体中的抗氧化酶，它的活性可以反映出外界环境对虫体的干扰程度，GSH是细胞中一种关键的抗氧化剂和自由基清除剂，在面对较强干扰时越需要消耗更多的GSH。MDA是反映虫体抗氧化潜能的重要参数。从图可知紫外装置组蓝藻基质中虫体SOD和CAT酶活要低于对照组。对照处理组中SOD和CAT活性为58.49U/mg prot和9.94U/mg prot而紫外装置组仅为45.29U/mg prot和3.61U/mg prot。同样，紫外装置处理下MDA酶活性显著低于对照组，而GSH的活性与其余三个酶活性变化相反。说明与对照组相比，蓝藻的紫外装置处理对黑水虻虫体干扰更小。 [0087] 图3展示了不同处理组中虫体蛋白酶，脂肪酶和淀粉酶的活性。以紫外装置处理后蓝藻为食的虫体消化酶活性显著高于对照组，紫外装置组中虫体脂肪酶、淀粉酶和蛋白酶活性分别达到13.41μmol/min/g、2.19mg/min/g及69.12nmol/min/g，而对照组虫体各消化酶最高只占紫外组的64.36％、55.71％和55.43％。黑水虻利用的营养物质以蛋白、脂肪和碳水化合物为主，由此可知黑水虻对紫外处理后的蓝藻中营养物质的吸收能力更强。 [0088] 不同组别幼虫生长发育状况如表2所示： [0089] 表2各组幼虫生长发育情况 [0090] [0091] 注：同一列数据中相同字母表示没有显著差异(P＞0.05)，数值以平均值±标准差表示。 [0092] 从表4可知，以紫外装置处理的蓝藻为基质饲喂黑水虻，获得的预蛹虫重显著高于对照组。在存活率方面紫外装置组较对照组也有所提高。饲料转化比和生物转化率能够反映出幼虫对饲料的利用情况，紫外装置组黑水虻生物转化率(6.65％)较对照组(4.65％)高出43.01％，同样的，紫外装置组饲料转化比(7.87)也显著低于对照组(10.55)。 [0093] 通过持续观察黑水虻生物转化处理蓝藻的过程发现，仅将蓝藻作为底物饲养黑水虻由于底物透气性低、碳氮比结构不适宜等原因，黑水虻转化效果并不理想，向蓝藻中添加适宜比例的麦麸一方面能够改善孔隙率另一方面能够改善饲料营养结构从而显著提升黑水虻的生物转化效果。与对照组相比，紫外装置组中黑水虻会持续不断地摄入基质且较快地转化为自身的生物量,在约14‑16天的转化过程中，黑水虻增重40‑55倍。紫外处理具有如下优点：(1)从物料组成上在紫外装置处理后基质中藻毒素含量更低，黑水虻对基质的可利用性更高；(2)从对虫体干扰来看，紫外装置处理后饲料对虫体干扰更低，基质中抗营养因子减少使得虫体消化酶活性更高更有利对蓝藻的取食。(3)紫外装置处理蓝藻后能够显著提高黑水虻对蓝藻的转化效率，使得幼虫产出增多，蓝藻减量提升。能实现蓝藻泥“无害化、减量化、低碳化和资源化”的处理原则。 [0094] 本发明为蓝藻的无害化利用提供了新思路，对黑水虻生物转化蓝藻应用具有实际的指导意义。处理后蓝藻经过黑水虻转化后一方面可产生高附加价值的黑水虻预蛹，另一方面剩余虫沙也可作为好氧堆肥物料，解决蓝藻堆积问题的同时，实现了蓝藻的资源化、无废化利用，具有节能减排的实质性技术特点。 |
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