麦糟的综合利用研究

成 堃，高 星，王小霞，张红瑞，井海荣

（齐鲁理工学院化学与生物工程学院，山东济南 250200）

啤酒是一种低酒精度发酵酒，主要原料包括麦芽、水、酵母、酒花[1]；为降低生产成本，还可以使用富含淀粉质的辅料，如大米[2]、玉米[3]、糖浆等[4]。啤酒营养丰富，含有多种氨基酸、维生素、矿物质，是名副其实的“液体面包”。适当饮用啤酒，可以消暑解渴、降温利尿、开胃促消化，因此受到大众的普遍喜爱。

麦糟又叫啤酒糟，是啤酒酿造过程中产生的最主要的副产物，占啤酒生产全部副产物的85%。麦糟是麦芽和辅料在糖化过程中未溶解的残留物，主要由麦芽的种皮、外壳和少量未完全溶解的淀粉胚乳颗粒等组成，从化学组成上看，主要为非淀粉多糖（纤维素、半纤维素；30%～50%）和蛋白质（19%～30%）[5]。据估计，全球麦糟的年均产量为3 900万t[5]。一般每生产100 L啤酒，大约产生20 kg湿麦糟；在我国，每吨麦芽能产生1.1～1.3 t含水量75%～80%的湿麦糟。目前对麦糟的利用主要是作为动物饲料，随着全球啤酒产量逐年增长，所产生的麦糟年均产量增加，而饲料市场需求有限，因此多余的麦糟一般作为固体废物直接排放，既浪费资源又污染环境。随着人类环保意识的增强，对麦糟的开发利用成为研究热点。如麦糟富含纤维素、半纤维素、蛋白质，可作为营养增强剂在食品工业中使用，以改善食品的营养价值[6]；麦糟经纤维素酶、半纤维素酶等酶解后，酶解物中含有丰富的糖类，可作为碳源供微生物发酵利用[7]；麦糟还可用于污水处理[8]、燃料生产[9]等。本文就麦糟的组成以及麦糟在饲料、食品、污水处理、培养基等领域的应用进行了综述，以期为麦糟的深度开发提供一定的参考。

1 麦糟组成

麦糟是一种混合物，其化学组成受诸多因素影响，如谷物种类、收获时间、制麦工艺、糖化工艺、是否使用辅料、辅料的质量与类型等[5]。麦糟的化学组成如表1所示。

麦糟中的半纤维素、纤维素组分约占麦糟干物质量的50%。半纤维素的主要成分是阿拉伯木聚糖，由木糖残基通过β-1,4-糖苷键连接构成糖链主链，阿拉伯糖残基通过O-2和O-3键与主链相连，阿魏酸与阿拉伯糖残基通过酯化作用连接。根据溶解性差异，阿拉伯木聚糖可分为可溶性阿拉伯木聚糖和不溶性阿拉伯木聚糖，这取决于其分子质量、阿拉伯糖残基与木糖残基的比例等[15]。纤维素是麦糟中另一种含量丰富的多糖，是葡萄糖残基通过β-1,4-葡萄糖苷键连接的线型大分子。木质素结构复杂，是香豆醇、松柏醇、芥子醇三种单体连接成的多酚类大分子。人体肠道中缺少分解纤维素、半纤维素、木质素等的酶，因此，麦糟是膳食纤维的良好来源。麦糟中还含有少量的β-D-葡聚糖、淀粉、单糖（如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖）等。JOSE C R等[12]研究发现，麦糟中的蛋白质含量为14.5%；ALICIA P等[18]报道，麦糟中的蛋白质含量达到31.81%。麦糟中的蛋白质主要是大麦醇溶蛋白、谷蛋白、球蛋白、白蛋白。四种蛋白质的溶解性差异较大，如谷蛋白不溶于水、乙醇、中性盐溶液，溶于稀酸或稀碱；大麦醇溶蛋白溶于乙醇溶液；球蛋白易溶于中性盐溶液，不溶于水；白蛋白溶于水。麦糟中还含有多种矿物质元素（见表2），是灰分的主要成分。含量较高的矿物质元素有Ca、Mg、Na、K、Si、P等。SOLANGE I M等[21]报道，麦糟中Si、P的含量分别为10 740.0 mg/kg、5 186.0 mg/kg；NUNOGTM等[13]分析发现，麦糟中P的含量达到6000mg/kg。麦糟中的矿物质种类、含量与种植大麦的土壤类型以及所使用的辅料有关[18]。

表1 麦糟的化学组成Table 1 Chemical composition of brewer's spent grain

表2 麦糟中的矿物质元素Table 2 Mineral composition of brewer's spent grain

2 麦糟的应用

2.1 饲料工业

啤酒厂产生的湿麦糟含水量高，营养丰富，易于被微生物分解利用、腐败变质，造成运输、储存的不便，因此，对麦糟的处理主要是出售给当地养殖户作为动物饲料。但是，麦糟中的纤维素、半纤维素、木质素等不易被猪、家禽等消化利用，将麦糟进行深加工，既能提高麦糟饲料的营养价值，改善牲畜对麦糟中营养物质的吸收与利用，又能增加经济效益，可谓一举两得。

蔡国林等[23]将麦糟粉碎、用60目筛筛分后，实现了蛋白-纤维的初步富集分离。对筛下的麦糟粉碎物进行球磨处理、固态酶解和发酵后，制成高品质蛋白饲料，其粗蛋白、多肽、水解氨基酸总量、必需氨基酸总量、水溶性总糖分别达到45.17%、5.21%、42.18%、17.32%、112 mg/g，比原麦糟均有不同程度的提高。最明显的是，多肽含量、水溶性总糖含量比原麦糟分别提高了6.6倍、5.4倍，而粗纤维含量较原麦糟降低了89%，显著改善了麦糟的营养价值；高娜等[24]以麦糟为原料开发出富含β-胡萝卜素的饲料，麦糟经毛柄金钱菌（Flammulina velutipes）或枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）预发酵后，进行灭菌处理，接入粘红酵母（Rhodotorula glutinis）31229发酵，β-胡萝卜素含量分别达到62.64 μg/（g干菌体）、61.44 μg/（g干菌体），提高了麦糟的营养价值；郝继浦[25]研究了用麦糟制备刺参饵料。以海带渣、麦糟为原料，以贝壳粉、藻类等为辅料，经过优化发酵体系，制备出饵料。当海带渣与麦糟等比例进行混合时，发酵产物的粗蛋白含量由发酵前17.09%提高至发酵后23.45%，粗纤维含量由发酵前13.97%降至发酵后7.81%。对刺参进行特定阶段的喂养实验，刺参日增质量达到0.57 g，日采食量达到3.93 g，而且养殖水体的微生态环境明显改善，微生物数量最大值达到1.63×107CFU/mL。

2.2 食品工业

麦糟富含膳食纤维和蛋白质，是廉价的天然食品营养强化剂，将麦糟用于食品加工中可以提高食品中的膳食纤维、蛋白质含量，同时降低脂肪含量，有益人体健康。但是，如果麦糟添加量过高，可能导致食物体积减小、颜色变深，硬度增加，结构致密，从而影响产品的感官特性和最终的消费者接受度。因此，在食品中添加麦糟时，添加量应合理，以避免食品的风味、结构、色泽改变。

提取麦糟中蛋白质、膳食纤维的方法有物理法、化学法、酶法等。如提取蛋白质时，将麦糟在碱性条件下保温处理，以促进纤维质分解、蛋白质释放，然后调溶液pH至蛋白质等电点进行沉淀。ELSA V M等[26]利用不同浓度的碱液从麦糟中连续提取蛋白质和阿拉伯木聚糖。将麦糟在0.1 mol/L KOH溶液中处理24 h后，滤渣用0.5 mol/L KOH处理，所得滤渣用4 mol/L KOH继续处理。每次过滤所得滤液用2 mol/L柠檬酸溶液调pH至4，使蛋白质沉淀；滤液用HCl溶液调pH小于2，用体积分数为70%乙醇溶液沉淀溶液中的阿拉伯木聚糖。该方法处理成本低，实现了柠檬酸、乙醇的循环使用，环境污染小，对麦糟中蛋白质、阿拉伯木聚糖的提取率分别达到79%～83%、62%～86%。但是，提取过程中使用的强碱性条件可能造成蛋白质变性、分解等，酶法操作条件温和，应用更广泛。PIRITTA N等[27]先用糖酶处理麦糟，使麦糟中的纤维素、半纤维素等分解，离心收集固形物。然后用碱性蛋白酶处理固形物，能够提取出麦糟中76%的蛋白质。CARLA S等[15]用木聚糖酶和肽酶共同处理麦糟来提取半纤维素，可溶性阿拉伯木聚糖的含量达到33.4%，是木聚糖酶提取率的1.6倍。

李爽等[6]将麦糟用于膳食纤维饼干的生产，研究了麦糟添加量对饼干质构特性的影响。结果表明，添加25%的麦糟既可以增加饼干的营养价值，又可以适当延长饼干的保质期；曹银[28]将大麦糟中提取的膳食纤维添加在面粉中制作馒头。结果表明，向中筋粉中添加大麦糟膳食纤维，在改善面团部分品质的同时，还提高了馒头的健康性。为了生产出富含膳食纤维的意大利面，CAROLA C等[29]研究了麦糟在意大利面生产中的应用，添加麦糟后，意大利面的平均断裂系数显著降低，但是添加一定量的蛋清粉能改善熟面条的机械特性，这主要是由于蛋清粉中的鸡卵白蛋白具有很好的胶凝特性，能使意大利面更有弹性。因此，根据消费者的喜好，通过优化麦糟和蛋清粉的添加量，开发更健康的意大利面是可行的。TALITA A N等[30]研究了膨化温度（100～160 ℃）和麦糟添加量（0～30%）对大米膨化物物理特性的影响。实验结果表明，麦糟在膨化食品的生产中具有良好的应用潜力。麦糟提高了膨化产品的表观密度，提高温度（如高于130 ℃）能显著影响膨化物的结构破裂频率，增加产品的酥脆。另外，麦糟还被用来生产面包[31]。

麦糟可以作为脂肪替代品，用来生产低脂、高膳食纤维肉制品，如法兰克福牛肉熏肠[32]。随着麦糟添加量的增加，熏肠的总膳食纤维含量提高；虽然不同的麦糟添加量对熏肠的外观、色泽、组织状态、气味等有不同影响，但综合可接受得分依然较高。

利用麦糟生产调味品，既能充分利用麦糟中的蛋白质，增加麦糟的附加值，又能节约粮食，降低生产成本。杨燕红等[33]用麦糟、玉米粉、麸皮、稻壳为主要原料生产食醋，麦糟中的蛋白质提高了食醋中的氨基酸态氮含量，麦皮是稻壳的优良替代品，减少了稻壳的用量；陈健旋[34-35]以麦糟为原料生产酱油，取得了较好的效果。但是，以麦糟为原料生产的调味品在感官特性上也存在某些不足，如赵新海等[36]用麦糟、豆粕、麸皮为原料生产出合格的酱油，降低了酱油的生产成本，但与对照（原料中不含麦糟）相比，酱香与酯香不够强烈，需要通过优化工艺解决。

2.3 污水处理

重金属是最危险的环境污染物之一，冶金、电镀、化工、电子等工业领域产生了大量含重金属离子的污水，若直接排放，会造成严重的环境污染。传统的污水处理方法（如电化学法、化学沉淀法、离子交换法、反渗透法、膜法等）处理成本高，且对污水中低浓度的重金属离子处理效率低。麦糟中的纤维素、半纤维素、木质素等的结构上，具有能结合金属离子的功能基团（如羧基、羟基），因此，可以吸附污水中的重金属离子，通过改性处理引入特殊功能基团，能进一步提高麦糟的吸附性能。陈勇贞等[8]将麦糟进行氨基化改性后，处理含Cr6+模拟电镀污水，当改性麦糟用量为1.40 g/L时，于pH 3.48吸附2 h，最大吸附率达到99.86%；林海等[37]将麦糟用柠檬酸改性后，改性麦糟的微介孔分布比例和比表面积增大，羧基基团增加。经测定，用改性麦糟固定床吸附铅锌混合污水，当床层高度为12 cm、污水pH值为4.5，流速为6 mL/min时，污水中铅、锌离子分离效果较好，吸附后出水中铅离子浓度低于国标规定；董颖博等[38]也将麦糟用柠檬酸改性后，提高了麦糟对含镉污水中镉离子的吸附性能；李青竹等[39]将麦糟采用巯基化改性，在pH 6～9的范围内，可以有效吸附污水中的Zn2+。麦糟还被用来吸附污水中的其他重金属离子，如砷离子[40]、铜离子[41]等。

用麦糟吸附污水中的染料，如刚果红、孔雀绿[42]、酸性湖蓝、碱性湖蓝BB[43]等，进行污水脱色也取得了较好的效果。研究发现，麦糟对刚果红、孔雀绿、酸性湖蓝、碱性湖蓝BB的吸附动力学均符合准二级动力学模型。

制药行业产生的污水对地表水、地下水的污染影响水体中的生物以及人类的健康。由于传统的污水处理方式对药物的去除有限，因此需要利用吸附剂吸附污水中的药物，以提高处理效率。对乙酰氨基酚是水体中检测到的高浓度药物之一。THIAGO P A等[44]以麦糟为原料，利用水热碳化技术结合化学活化制备活性焦炭。麦糟中加入去离子水，以10 ℃/min升温至220 ℃反应16 h，所得焦炭干燥后再用KOH溶液活化。此法制备的活性焦炭表面积大，达到1512.83m2/g，对乙酰氨基酚的最大吸附容量达到318.00 mg/g，平衡时间短，吸附性能优于废茶树叶、咖啡渣制备的活性炭。

2.4 培养基

麦糟中的半纤维素、纤维素，经降解处理后可转化为各种糖，如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等，因此，麦糟是用于微生物发酵的良好培养基，可作为微生物生长、产生各种代谢产物的碳源。

乳酸在食品、制药等工业中有广泛的应用。已有报道利用德氏乳杆菌（Lactobacillus delbrueckii）UFV H2B20发酵麦糟水解物生产乳酸[7]。将麦糟分别用稀硫酸、NaOH溶液处理除去半纤维素和木质素，然后用纤维素酶水解预处理后的麦糟浆，离心后的上清液用于乳酸发酵。通过补料、控制发酵全程的pH，乳酸质量浓度最高达35.54 g/L，发酵12 h时，乳酸的比体积生产率最大，为0.82 g/（L·h）；MILOS R等[45]利用鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）ATCC 7469发酵麦糟水解物生产乳酸。乳酸菌由于营养要求复杂，将造成工业生产发酵培养基的成本偏高。利用菌种组成未知的微生物菌群发酵生产有机酸比纯种发酵优势多，如混合菌种由于代谢途径的多样性能更好的适应不同底物；不需要无菌培养条件；厌氧条件下即可进行发酵等。LIANG S B等[46]用活性污泥发酵麦糟生产羧酸，发酵pH和乙醇的存在能显著影响发酵产物类型。如在酸性和碱性条件下，活性污泥发酵麦糟的主要产物是乳酸，中性条件下主要发酵产物是挥发性脂肪酸；中性条件下，当乙醇作为电子供体时，能显著促进羧酸的链延伸，戊酸和己酸的产量分别提高了44%和167%。

麦糟还被用来生产酶制剂。RAJEEV R等[47]利用麦糟生产α-淀粉酶。将麦糟去脂、于0.5%NaOH溶液中进行微波处理，调pH至5.4，再用纤维素酶、半纤维素酶酶解。酶解物经离心、过滤，滤液中含有丰富的可发酵性糖，作为培养基用于嗜热脂肪芽孢杆菌（Bacillus stearothermophilus）LZT020的发酵。经优化后，α-淀粉酶的产量提高了1.3倍。漆酶是一种重要的工业用酶，用途广泛；多酚具有抗衰老、保护心血管、抗炎等生理功能。MARINA T等[48]利用白腐真菌（Trametes versicolor）TV-6固态发酵麦糟生产多酚和漆酶。麦糟发酵7 d后，漆酶活力最高，为560 U/L；发酵14 d后，多酚化合物总量提高了3.4倍。

实践证明，混菌固态发酵麦糟比单一菌种对纤维素的降解效果好[49]。黑曲霉、康氏木霉在最适条件下发酵麦糟，粗纤维素质量分数由11.90%分别下降至5.90%、6.10%；利用黑曲霉、康氏木霉进行混菌固态发酵麦糟，当料水比为1∶2（g∶mL），混菌接种量为20%（黑曲霉与康氏木霉的比例为6∶4），于30 ℃培养3 d后，培养基中粗纤维素质量分数降至4.40%。经混菌固态发酵后，麦糟中的纤维素被进一步分解，有利于麦糟的利用。

麦糟作为培养基在其他领域中的应用见表3。

表3 麦糟作为培养基在其他领域中的应用Table 3 Application of brewer's spent grain as medium in other aspects

2.5 其他

麦糟可用来生产生物燃料，如丁醇、乙醇、生物燃油、生物炭、沼气等。其基本原理是对麦糟预处理，以破坏木质素的结构、增加麦糟结构的孔隙，有利于酶的水解。然后用纤维素酶、半纤维素酶等水解获得可发酵性糖，利用水解液进行生物燃料的发酵生产。PEDRO E P等[17]用1 mol/L H2SO4调麦糟浆（15%）至pH 1，于121 ℃保温30 min；真空过滤，滤渣酶解，酶解物的滤液与真空过滤的滤液用于拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii）DSM6422发酵生产丁醇，每1 kg干麦糟共生产出75 g丁醇。麦糟经NaOH或H2O2溶液保温处理，真空过滤，滤渣经酶解后，滤液由C.beijerinckiiDSM6422发酵生产丁醇也取得了较好的效果[55]。实验结果表明，当15%麦糟与1%NaOH于121 ℃保温30 min作为预处理方式，每1 kg麦糟的丁醇总产量为44.4 g；当5%麦糟与5%H2O2于50 ℃保温60 min作为预处理方式，每1 kg麦糟的丁醇总产量为45.1 g。利用混合糖化发酵法生产乙醇[56]。将麦糟（25%）于150～170 ℃保温5 min，调麦糟浆pH至4.8，高温灭菌。加入酶制剂于50 ℃糖化120 h；然后直接接入啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），于30 ℃发酵生产乙醇，乙醇浓度、产量分别达到42.27 g/L、94.0%。ALMUDENA L等[9]利用微波辅助水热液化技术处理麦糟生产生物原油、生物炭。麦糟于250 ℃、125 bar处理2 h，生产出生物原油（8%）、生物炭（35%），并额外产生了糖液（31%），生物原油、生物炭的高热值高于干麦糟的高热值，所产生的价值远高于干麦糟。于政道等[57]将秸秆、牛粪、麦糟混合进行厌氧发酵制备沼气，为麦糟的能源化利用提供了新途径。

科研人员还用麦糟与啤酒废酵母为原料生产活性炭和生物油[58]，将麦糟和废酵母按照不同比例混合压制成块，经过高温裂解后，木炭平均产量为19%；木炭经CO2活化6 h，制得的活性炭比表面积为617.4 m2/g，总孔容为0.231 6 cm3/g，对碘和甲基蓝具有良好的吸附性能。

在刨花板工业中，生产刨花板的原料应质量稳定，价格低廉、没有任何的化学添加剂或其他潜在的污染物。PETR K等[16]尝试将麦糟应用于刨花板的生产中，结果表明，当10%的生产木料用麦糟替代时，生产出的刨花板其机械性能，如断裂模数、弹性模量、内部粘合等，均符合干燥条件下的一般要求。

石灰性土壤中碳酸钙含量高，持水量低，下渗率高，有机质含量低，不适宜农作物的生长。将麦糟与石灰性土壤混合、进行堆肥处理，可以有效降低土壤pH，提高土壤持水量、有机物、大量元素、微量元素含量，提高南瓜的产量。将麦糟与堆肥混合使用，对提高土壤持水量、土壤肥力、降低土壤pH效果更佳[59]。

3 展望

麦糟年产量大，价格低廉，但目前对麦糟的利用，依然存在很大的局限性。一方面，麦糟富含膳食纤维和蛋白质，适合作为开发食品与保健品的原材料。但由于麦糟中残留的糖、蛋白质等物质容易被微生物发酵利用，因此，对湿麦糟的管理方法、麦糟及其衍生产品在食品加工中使用的安全性问题等，依然需要做大量研究工作。另一方面，麦糟作为生物质，是否具有更广阔的使用领域，也值得进一步探讨。