麥糟的綜合利用研究

成 堃，高 星，王小霞，張紅瑞，井海榮

（齊魯理工學院化學與生物工程學院，山東濟南 250200）

啤酒是一種低酒精度發酵酒，主要原料包括麥芽、水、酵母、酒花[1]；為降低生產成本，還可以使用富含淀粉質的輔料，如大米[2]、玉米[3]、糖漿等[4]。啤酒營養豐富，含有多種氨基酸、維生素、礦物質，是名副其實的“液體面包”。適當飲用啤酒，可以消暑解渴、降溫利尿、開胃促消化，因此受到大眾的普遍喜愛。

麥糟又叫啤酒糟，是啤酒釀造過程中產生的最主要的副產物，占啤酒生產全部副產物的85%。麥糟是麥芽和輔料在糖化過程中未溶解的殘留物，主要由麥芽的種皮、外殼和少量未完全溶解的淀粉胚乳顆粒等組成，從化學組成上看，主要為非淀粉多糖（纖維素、半纖維素；30%～50%）和蛋白質（19%～30%）[5]。據估計，全球麥糟的年均產量為3 900萬t[5]。一般每生產100 L啤酒，大約產生20 kg濕麥糟；在我國，每噸麥芽能產生1.1～1.3 t含水量75%～80%的濕麥糟。目前對麥糟的利用主要是作為動物飼料，隨著全球啤酒產量逐年增長，所產生的麥糟年均產量增加，而飼料市場需求有限，因此多余的麥糟一般作為固體廢物直接排放，既浪費資源又污染環境。隨著人類環保意識的增強，對麥糟的開發利用成為研究熱點。如麥糟富含纖維素、半纖維素、蛋白質，可作為營養增強劑在食品工業中使用，以改善食品的營養價值[6]；麥糟經纖維素酶、半纖維素酶等酶解后，酶解物中含有豐富的糖類，可作為碳源供微生物發酵利用[7]；麥糟還可用于污水處理[8]、燃料生產[9]等。本文就麥糟的組成以及麥糟在飼料、食品、污水處理、培養基等領域的應用進行了綜述，以期為麥糟的深度開發提供一定的參考。

1 麥糟組成

麥糟是一種混合物，其化學組成受諸多因素影響，如谷物種類、收獲時間、制麥工藝、糖化工藝、是否使用輔料、輔料的質量與類型等[5]。麥糟的化學組成如表1所示。

麥糟中的半纖維素、纖維素組分約占麥糟干物質量的50%。半纖維素的主要成分是阿拉伯木聚糖，由木糖殘基通過β-1,4-糖苷鍵連接構成糖鏈主鏈，阿拉伯糖殘基通過O-2和O-3鍵與主鏈相連，阿魏酸與阿拉伯糖殘基通過酯化作用連接。根據溶解性差異，阿拉伯木聚糖可分為可溶性阿拉伯木聚糖和不溶性阿拉伯木聚糖，這取決于其分子質量、阿拉伯糖殘基與木糖殘基的比例等[15]。纖維素是麥糟中另一種含量豐富的多糖，是葡萄糖殘基通過β-1,4-葡萄糖苷鍵連接的線型大分子。木質素結構復雜，是香豆醇、松柏醇、芥子醇三種單體連接成的多酚類大分子。人體腸道中缺少分解纖維素、半纖維素、木質素等的酶，因此，麥糟是膳食纖維的良好來源。麥糟中還含有少量的β-D-葡聚糖、淀粉、單糖（如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖）等。JOSE C R等[12]研究發現，麥糟中的蛋白質含量為14.5%；ALICIA P等[18]報道，麥糟中的蛋白質含量達到31.81%。麥糟中的蛋白質主要是大麥醇溶蛋白、谷蛋白、球蛋白、白蛋白。四種蛋白質的溶解性差異較大，如谷蛋白不溶于水、乙醇、中性鹽溶液，溶于稀酸或稀堿；大麥醇溶蛋白溶于乙醇溶液；球蛋白易溶于中性鹽溶液，不溶于水；白蛋白溶于水。麥糟中還含有多種礦物質元素（見表2），是灰分的主要成分。含量較高的礦物質元素有Ca、Mg、Na、K、Si、P等。SOLANGE I M等[21]報道，麥糟中Si、P的含量分別為10 740.0 mg/kg、5 186.0 mg/kg；NUNOGTM等[13]分析發現，麥糟中P的含量達到6000mg/kg。麥糟中的礦物質種類、含量與種植大麥的土壤類型以及所使用的輔料有關[18]。

表1 麥糟的化學組成Table 1 Chemical composition of brewer's spent grain

表2 麥糟中的礦物質元素Table 2 Mineral composition of brewer's spent grain

2 麥糟的應用

2.1 飼料工業

啤酒廠產生的濕麥糟含水量高，營養豐富，易于被微生物分解利用、腐敗變質，造成運輸、儲存的不便，因此，對麥糟的處理主要是出售給當地養殖戶作為動物飼料。但是，麥糟中的纖維素、半纖維素、木質素等不易被豬、家禽等消化利用，將麥糟進行深加工，既能提高麥糟飼料的營養價值，改善牲畜對麥糟中營養物質的吸收與利用，又能增加經濟效益，可謂一舉兩得。

蔡國林等[23]將麥糟粉碎、用60目篩篩分后，實現了蛋白-纖維的初步富集分離。對篩下的麥糟粉碎物進行球磨處理、固態酶解和發酵后，制成高品質蛋白飼料，其粗蛋白、多肽、水解氨基酸總量、必需氨基酸總量、水溶性總糖分別達到45.17%、5.21%、42.18%、17.32%、112 mg/g，比原麥糟均有不同程度的提高。最明顯的是，多肽含量、水溶性總糖含量比原麥糟分別提高了6.6倍、5.4倍，而粗纖維含量較原麥糟降低了89%，顯著改善了麥糟的營養價值；高娜等[24]以麥糟為原料開發出富含β-胡蘿卜素的飼料，麥糟經毛柄金錢菌（Flammulina velutipes）或枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）預發酵后，進行滅菌處理，接入粘紅酵母（Rhodotorula glutinis）31229發酵，β-胡蘿卜素含量分別達到62.64 μg/（g干菌體）、61.44 μg/（g干菌體），提高了麥糟的營養價值；郝繼浦[25]研究了用麥糟制備刺參餌料。以海帶渣、麥糟為原料，以貝殼粉、藻類等為輔料，經過優化發酵體系，制備出餌料。當海帶渣與麥糟等比例進行混合時，發酵產物的粗蛋白含量由發酵前17.09%提高至發酵后23.45%，粗纖維含量由發酵前13.97%降至發酵后7.81%。對刺參進行特定階段的喂養實驗，刺參日增質量達到0.57 g，日采食量達到3.93 g，而且養殖水體的微生態環境明顯改善，微生物數量最大值達到1.63×107CFU/mL。

2.2 食品工業

麥糟富含膳食纖維和蛋白質，是廉價的天然食品營養強化劑，將麥糟用于食品加工中可以提高食品中的膳食纖維、蛋白質含量，同時降低脂肪含量，有益人體健康。但是，如果麥糟添加量過高，可能導致食物體積減小、顏色變深，硬度增加，結構致密，從而影響產品的感官特性和最終的消費者接受度。因此，在食品中添加麥糟時，添加量應合理，以避免食品的風味、結構、色澤改變。

提取麥糟中蛋白質、膳食纖維的方法有物理法、化學法、酶法等。如提取蛋白質時，將麥糟在堿性條件下保溫處理，以促進纖維質分解、蛋白質釋放，然后調溶液pH至蛋白質等電點進行沉淀。ELSA V M等[26]利用不同濃度的堿液從麥糟中連續提取蛋白質和阿拉伯木聚糖。將麥糟在0.1 mol/L KOH溶液中處理24 h后，濾渣用0.5 mol/L KOH處理，所得濾渣用4 mol/L KOH繼續處理。每次過濾所得濾液用2 mol/L檸檬酸溶液調pH至4，使蛋白質沉淀；濾液用HCl溶液調pH小于2，用體積分數為70%乙醇溶液沉淀溶液中的阿拉伯木聚糖。該方法處理成本低，實現了檸檬酸、乙醇的循環使用，環境污染小，對麥糟中蛋白質、阿拉伯木聚糖的提取率分別達到79%～83%、62%～86%。但是，提取過程中使用的強堿性條件可能造成蛋白質變性、分解等，酶法操作條件溫和，應用更廣泛。PIRITTA N等[27]先用糖酶處理麥糟，使麥糟中的纖維素、半纖維素等分解，離心收集固形物。然后用堿性蛋白酶處理固形物，能夠提取出麥糟中76%的蛋白質。CARLA S等[15]用木聚糖酶和肽酶共同處理麥糟來提取半纖維素，可溶性阿拉伯木聚糖的含量達到33.4%，是木聚糖酶提取率的1.6倍。

李爽等[6]將麥糟用于膳食纖維餅干的生產，研究了麥糟添加量對餅干質構特性的影響。結果表明，添加25%的麥糟既可以增加餅干的營養價值，又可以適當延長餅干的保質期；曹銀[28]將大麥糟中提取的膳食纖維添加在面粉中制作饅頭。結果表明，向中筋粉中添加大麥糟膳食纖維，在改善面團部分品質的同時，還提高了饅頭的健康性。為了生產出富含膳食纖維的意大利面，CAROLA C等[29]研究了麥糟在意大利面生產中的應用，添加麥糟后，意大利面的平均斷裂系數顯著降低，但是添加一定量的蛋清粉能改善熟面條的機械特性，這主要是由于蛋清粉中的雞卵白蛋白具有很好的膠凝特性，能使意大利面更有彈性。因此，根據消費者的喜好，通過優化麥糟和蛋清粉的添加量，開發更健康的意大利面是可行的。TALITA A N等[30]研究了膨化溫度（100～160 ℃）和麥糟添加量（0～30%）對大米膨化物物理特性的影響。實驗結果表明，麥糟在膨化食品的生產中具有良好的應用潛力。麥糟提高了膨化產品的表觀密度，提高溫度（如高于130 ℃）能顯著影響膨化物的結構破裂頻率，增加產品的酥脆。另外，麥糟還被用來生產面包[31]。

麥糟可以作為脂肪替代品，用來生產低脂、高膳食纖維肉制品，如法蘭克福牛肉熏腸[32]。隨著麥糟添加量的增加，熏腸的總膳食纖維含量提高；雖然不同的麥糟添加量對熏腸的外觀、色澤、組織狀態、氣味等有不同影響，但綜合可接受得分依然較高。

利用麥糟生產調味品，既能充分利用麥糟中的蛋白質，增加麥糟的附加值，又能節約糧食，降低生產成本。楊燕紅等[33]用麥糟、玉米粉、麩皮、稻殼為主要原料生產食醋，麥糟中的蛋白質提高了食醋中的氨基酸態氮含量，麥皮是稻殼的優良替代品，減少了稻殼的用量；陳健旋[34-35]以麥糟為原料生產醬油，取得了較好的效果。但是，以麥糟為原料生產的調味品在感官特性上也存在某些不足，如趙新海等[36]用麥糟、豆粕、麩皮為原料生產出合格的醬油，降低了醬油的生產成本，但與對照（原料中不含麥糟）相比，醬香與酯香不夠強烈，需要通過優化工藝解決。

2.3 污水處理

重金屬是最危險的環境污染物之一，冶金、電鍍、化工、電子等工業領域產生了大量含重金屬離子的污水，若直接排放，會造成嚴重的環境污染。傳統的污水處理方法（如電化學法、化學沉淀法、離子交換法、反滲透法、膜法等）處理成本高，且對污水中低濃度的重金屬離子處理效率低。麥糟中的纖維素、半纖維素、木質素等的結構上，具有能結合金屬離子的功能基團（如羧基、羥基），因此，可以吸附污水中的重金屬離子，通過改性處理引入特殊功能基團，能進一步提高麥糟的吸附性能。陳勇貞等[8]將麥糟進行氨基化改性后，處理含Cr6+模擬電鍍污水，當改性麥糟用量為1.40 g/L時，于pH 3.48吸附2 h，最大吸附率達到99.86%；林海等[37]將麥糟用檸檬酸改性后，改性麥糟的微介孔分布比例和比表面積增大，羧基基團增加。經測定，用改性麥糟固定床吸附鉛鋅混合污水，當床層高度為12 cm、污水pH值為4.5，流速為6 mL/min時，污水中鉛、鋅離子分離效果較好，吸附后出水中鉛離子濃度低于國標規定；董穎博等[38]也將麥糟用檸檬酸改性后，提高了麥糟對含鎘污水中鎘離子的吸附性能；李青竹等[39]將麥糟采用巰基化改性，在pH 6～9的范圍內，可以有效吸附污水中的Zn2+。麥糟還被用來吸附污水中的其他重金屬離子，如砷離子[40]、銅離子[41]等。

用麥糟吸附污水中的染料，如剛果紅、孔雀綠[42]、酸性湖藍、堿性湖藍BB[43]等，進行污水脫色也取得了較好的效果。研究發現，麥糟對剛果紅、孔雀綠、酸性湖藍、堿性湖藍BB的吸附動力學均符合準二級動力學模型。

制藥行業產生的污水對地表水、地下水的污染影響水體中的生物以及人類的健康。由于傳統的污水處理方式對藥物的去除有限，因此需要利用吸附劑吸附污水中的藥物，以提高處理效率。對乙酰氨基酚是水體中檢測到的高濃度藥物之一。THIAGO P A等[44]以麥糟為原料，利用水熱碳化技術結合化學活化制備活性焦炭。麥糟中加入去離子水，以10 ℃/min升溫至220 ℃反應16 h，所得焦炭干燥后再用KOH溶液活化。此法制備的活性焦炭表面積大，達到1512.83m2/g，對乙酰氨基酚的最大吸附容量達到318.00 mg/g，平衡時間短，吸附性能優于廢茶樹葉、咖啡渣制備的活性炭。

2.4 培養基

麥糟中的半纖維素、纖維素，經降解處理后可轉化為各種糖，如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等，因此，麥糟是用于微生物發酵的良好培養基，可作為微生物生長、產生各種代謝產物的碳源。

乳酸在食品、制藥等工業中有廣泛的應用。已有報道利用德氏乳桿菌（Lactobacillus delbrueckii）UFV H2B20發酵麥糟水解物生產乳酸[7]。將麥糟分別用稀硫酸、NaOH溶液處理除去半纖維素和木質素，然后用纖維素酶水解預處理后的麥糟漿，離心后的上清液用于乳酸發酵。通過補料、控制發酵全程的pH，乳酸質量濃度最高達35.54 g/L，發酵12 h時，乳酸的比體積生產率最大，為0.82 g/（L·h）；MILOS R等[45]利用鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus）ATCC 7469發酵麥糟水解物生產乳酸。乳酸菌由于營養要求復雜，將造成工業生產發酵培養基的成本偏高。利用菌種組成未知的微生物菌群發酵生產有機酸比純種發酵優勢多，如混合菌種由于代謝途徑的多樣性能更好的適應不同底物；不需要無菌培養條件；厭氧條件下即可進行發酵等。LIANG S B等[46]用活性污泥發酵麥糟生產羧酸，發酵pH和乙醇的存在能顯著影響發酵產物類型。如在酸性和堿性條件下，活性污泥發酵麥糟的主要產物是乳酸，中性條件下主要發酵產物是揮發性脂肪酸；中性條件下，當乙醇作為電子供體時，能顯著促進羧酸的鏈延伸，戊酸和己酸的產量分別提高了44%和167%。

麥糟還被用來生產酶制劑。RAJEEV R等[47]利用麥糟生產α-淀粉酶。將麥糟去脂、于0.5%NaOH溶液中進行微波處理，調pH至5.4，再用纖維素酶、半纖維素酶酶解。酶解物經離心、過濾，濾液中含有豐富的可發酵性糖，作為培養基用于嗜熱脂肪芽孢桿菌（Bacillus stearothermophilus）LZT020的發酵。經優化后，α-淀粉酶的產量提高了1.3倍。漆酶是一種重要的工業用酶，用途廣泛；多酚具有抗衰老、保護心血管、抗炎等生理功能。MARINA T等[48]利用白腐真菌（Trametes versicolor）TV-6固態發酵麥糟生產多酚和漆酶。麥糟發酵7 d后，漆酶活力最高，為560 U/L；發酵14 d后，多酚化合物總量提高了3.4倍。

實踐證明，混菌固態發酵麥糟比單一菌種對纖維素的降解效果好[49]。黑曲霉、康氏木霉在最適條件下發酵麥糟，粗纖維素質量分數由11.90%分別下降至5.90%、6.10%；利用黑曲霉、康氏木霉進行混菌固態發酵麥糟，當料水比為1∶2（g∶mL），混菌接種量為20%（黑曲霉與康氏木霉的比例為6∶4），于30 ℃培養3 d后，培養基中粗纖維素質量分數降至4.40%。經混菌固態發酵后，麥糟中的纖維素被進一步分解，有利于麥糟的利用。

麥糟作為培養基在其他領域中的應用見表3。

表3 麥糟作為培養基在其他領域中的應用Table 3 Application of brewer's spent grain as medium in other aspects

2.5 其他

麥糟可用來生產生物燃料，如丁醇、乙醇、生物燃油、生物炭、沼氣等。其基本原理是對麥糟預處理，以破壞木質素的結構、增加麥糟結構的孔隙，有利于酶的水解。然后用纖維素酶、半纖維素酶等水解獲得可發酵性糖，利用水解液進行生物燃料的發酵生產。PEDRO E P等[17]用1 mol/L H2SO4調麥糟漿（15%）至pH 1，于121 ℃保溫30 min；真空過濾，濾渣酶解，酶解物的濾液與真空過濾的濾液用于拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii）DSM6422發酵生產丁醇，每1 kg干麥糟共生產出75 g丁醇。麥糟經NaOH或H2O2溶液保溫處理，真空過濾，濾渣經酶解后，濾液由C.beijerinckiiDSM6422發酵生產丁醇也取得了較好的效果[55]。實驗結果表明，當15%麥糟與1%NaOH于121 ℃保溫30 min作為預處理方式，每1 kg麥糟的丁醇總產量為44.4 g；當5%麥糟與5%H2O2于50 ℃保溫60 min作為預處理方式，每1 kg麥糟的丁醇總產量為45.1 g。利用混合糖化發酵法生產乙醇[56]。將麥糟（25%）于150～170 ℃保溫5 min，調麥糟漿pH至4.8，高溫滅菌。加入酶制劑于50 ℃糖化120 h；然后直接接入啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），于30 ℃發酵生產乙醇，乙醇濃度、產量分別達到42.27 g/L、94.0%。ALMUDENA L等[9]利用微波輔助水熱液化技術處理麥糟生產生物原油、生物炭。麥糟于250 ℃、125 bar處理2 h，生產出生物原油（8%）、生物炭（35%），并額外產生了糖液（31%），生物原油、生物炭的高熱值高于干麥糟的高熱值，所產生的價值遠高于干麥糟。于政道等[57]將秸稈、牛糞、麥糟混合進行厭氧發酵制備沼氣，為麥糟的能源化利用提供了新途徑。

科研人員還用麥糟與啤酒廢酵母為原料生產活性炭和生物油[58]，將麥糟和廢酵母按照不同比例混合壓制成塊，經過高溫裂解后，木炭平均產量為19%；木炭經CO2活化6 h，制得的活性炭比表面積為617.4 m2/g，總孔容為0.231 6 cm3/g，對碘和甲基藍具有良好的吸附性能。

在刨花板工業中，生產刨花板的原料應質量穩定，價格低廉、沒有任何的化學添加劑或其他潛在的污染物。PETR K等[16]嘗試將麥糟應用于刨花板的生產中，結果表明，當10%的生產木料用麥糟替代時，生產出的刨花板其機械性能，如斷裂模數、彈性模量、內部粘合等，均符合干燥條件下的一般要求。

石灰性土壤中碳酸鈣含量高，持水量低，下滲率高，有機質含量低，不適宜農作物的生長。將麥糟與石灰性土壤混合、進行堆肥處理，可以有效降低土壤pH，提高土壤持水量、有機物、大量元素、微量元素含量，提高南瓜的產量。將麥糟與堆肥混合使用，對提高土壤持水量、土壤肥力、降低土壤pH效果更佳[59]。

3 展望

麥糟年產量大，價格低廉，但目前對麥糟的利用，依然存在很大的局限性。一方面，麥糟富含膳食纖維和蛋白質，適合作為開發食品與保健品的原材料。但由于麥糟中殘留的糖、蛋白質等物質容易被微生物發酵利用，因此，對濕麥糟的管理方法、麥糟及其衍生產品在食品加工中使用的安全性問題等，依然需要做大量研究工作。另一方面，麥糟作為生物質，是否具有更廣闊的使用領域，也值得進一步探討。