白酒酒糟综合利用研究进展

余文彬1,陈佳杰1,龙 兵1,袁官宏1,戴怡凤1,2*

(1.贵州大学 酿酒与食品工程学院 贵州省发酵工程与生物制药重点实验室,贵州 贵阳 550025;2.北京工商大学 北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,北京 102488)

摘要白酒酒糟是中国传统酿酒工艺在固态发酵过程中产生的副产物,广泛存在于浓香型、酱香型及清香型等多种白酒生产体系中,具有产量大、水分高、有机质含量丰富等特征,在资源化利用方面,白酒酒糟在多个领域均展现出广阔的应用前景。该文综述了白酒酒糟近年来在动物饲料、生物能源、复糟酒的生产、生物材料领域的应用,总结了酒糟中功能性物质的提取方法,为酒糟中功能性物质的深入研究提供参考。以期为未来的酒糟资源综合利用与开发提供参考。

关键词酒糟;综合利用;活性物质

酿造技术广泛用于酒类、酱油、醋等食品的生产过程,而这一过程则会伴随副产物的出现,包括废气、废水以及固体副产物等。高粱、玉米、大米、小麦、薯类等粮谷原料,经白酒酿造工艺(包括蒸煮、糖化、发酵、蒸馏等过程),取酒后残留的固态发酵物质,称为白酒酒糟。中国酒业协会发布了《2024中国白酒产业发展年度报告》,报告显示全国规模以上酿酒企业总产量超过3 600万kL,销售收入近7 500亿元[1]。而白酒行业产能扩张导致生产废弃物增多。据国家统计局估算,我国白酒糟年均产量超2 000万t[2]。由于产量巨大、含水率高、酸度大、易腐败变质,处理不当会对生态环境导致严重的污染。因此越来越严格的环境政策和持续深入的国家生态文明建设,酒糟的减量化、无害化、资源化处理势在必行[3]。酒糟作为酿酒过程中的一种副产物,在可持续发展和资源利用等方面具有巨大的潜力。本文除了综述酒糟在动物饲料、生物能源、复糟酒的生产、生物材料等领域的应用外,还总结了酒糟中功能性物质的提取方法。通过不断探索酒糟的价值,为推动循环经济发展,实现可持续发展目标以及环境保护提供思路与解决方案。

1 动物饲料

酒糟具有高蛋白、高能量、营养丰富、成本低廉以及改善饲料口感等多方面的价值。STEFANIA P等[4]研究发现,以20%左右的高粱干酒糟加可溶物代替高粱籽粒和豆粕的饲料将会使肉牛的平均日增质量、最终体质量和肋眼面积达到最大值,从而改善肉牛生长性能。SPOWART P R等[5]研究发现,添加麸皮或可溶性湿酒糟替代部分饲料,不仅增加干物质采食量从而促进肉牛的生长性能,而且能降低饲料成本。HOSCHEID C W等[6]研究发现,用32%的可溶物干酒糟(dried distillers'grains with solubles,DDGS)替代部分玉米饲料不会改变奶牛的产奶量。ZYNDA H M等[7]研究发现,以20%高蛋白玉米酒糟代替部分饲料将会造成奶牛的产奶量以及乳脂产量下降,因此高蛋白玉米酒糟在饲料中的使用需要谨慎控制比例。对于禽类而言,适量的干酒糟替代部分饲料对肉鸡生长性能无影响。DAMASCENO J等[8]研究发现,当DDGS在日粮中含量达到160 g/kg饲喂0~21 d肉鸡时,对21~42 d肉鸡的生长性能、产肉率、肉品种无负面影响。干酒糟可溶物以其高营养含量和低生产成本在饲料工业中得到广泛应用,是一种饲料原料替代品[9],这种综合利用酒糟的方式不仅能节约资源,还能促进畜牧经济的发展,但酒糟的添加量需要适度,如果过度添加可能会产生负面影响。DING X M等[10]研究发现,10%的DDGS替代部分饲料对鸭子生长性能、胴体特性、血清生化指标、肉类理化品质、营养利用率均无不良影响,但当DDGS的含量达到20%时,鸭子的生长性能和肉质降低。

酒糟作为酿造工业中产生的大量副产物,富含粗蛋白、酵母菌体、未发酵淀粉及多种微量营养素,具有良好的饲用价值。其在动物饲料中的应用不仅有助于缓解优质蛋白原料短缺问题,还实现了酿酒副产物的资源化利用,符合绿色循环农业的发展理念。

2 生物能源

在如今备受关注的可持续发展与绿色资源的时代背景下,酒糟作为一种常见的副产品,在生物能源利用领域备受关注,其巨大的潜力与研究价值被视为一种潜在的绿色资源。LUO X等[11]研究发现,酒糟和花生壳以碳氮比为25时,具有提高有机质利用率和放大青贮过程对能量转化效率影响的潜力,甲烷产量增加33.68%。LUO X等[12]研究发现,水稻和酒糟的碳氮比为25共同青贮时甲烷产率最高,其产量提升了8.6%,能源产量增加了7.9%,而且随着青贮过程中酒糟含量越高,乳酸含量也会增加,达到了54.0 g/kg干物质。ZHAO J M等[13]研究发现,将污水污泥与废酒糟水热共碳化中提高酒糟比例将会提高燃烧效率,生物燃料回收率提高了13.0%~22.5%,净能量提高了25.6%~47.7%,这为两种生物质废物结合可转化为更清洁的固体燃料提供一种有效方法。ZHAO A M等[14]研究发现,酒糟和赤泥之间对煤的蒸汽共气化反应产生协同催化作用,可作为一种催化剂从而提高气化活性和制氢效率,协同催化效果,在煤、酒糟、赤泥比为2∶3∶1时达到最优。

酒糟作为一种具有较高能源转化潜力的生物质原料,不仅可有效缓解能源短缺与环境污染问题,也为酿酒行业的绿色转型和农业废弃物综合利用提供了重要契机。

3 复糟酒的生产

复糟酒或丢糟酒是指以白酒酒糟为原料,通过添加强化菌株、曲粉、糖化酶等糖化发酵剂以及黄水酯化液,且再次入窖发酵蒸馏取酒得到的白酒[15]。复糟酒的生产促进了酒企更高的经济效应[16]

白酒酒糟中残留的淀粉质、粗蛋白、粗脂肪和粗纤维含量较高[17],通常直接采用酶制剂促进酒糟成分的分解。杨磊等[18]研究发现,将多菌种酒曲添加到浓香型白酒复糟酒生产中会提高淀粉利用率、出酒率和酒质。宗绪岩等[19]研究发现,将三种糖化酶(液体糖化酶、固体糖化酶、液体复合糖化酶)添加到芝麻香型丢糟酒生产中,复合酶制剂对丢糟酒出酒率和口感存在一定影响,其中液体复合糖化酶效果最好,优于固体糖化酶和液体糖化酶。李站胜[20]研究发现,采用酵母展示法脂肪酶催化处理白酒糟,制备了酯类风味物质含量较高的丢糟基酒,构建了丢糟催化体系和比较完善的蒸酒和检测方法。也有文献报道,将强化菌株用于复糟酒的发酵生产,王松等[21]研究发现,将一株发酵糟醅中分离的产香酵母应用于浓香型复糟酒生产,复糟酒出酒率的产量提高了近25%,当发酵完成后,酒中乙酸乙酯、己酸乙酯等风味物质含量提升,复糟酒感官指数提高。采用酶制剂和强化菌剂多方面促进对酒糟成分的分解也是比较常见的处理方式。杨建梅等[22]研究发现,利用高产纤维素酶诱变菌株制备功能性纤维素酶帘子曲,与糖化酶、安琪酵母共同应用于绵柔型白酒丢糟中进行入池二次发酵产酒,结果表明,功能性纤维素酶帘子曲、糖化酶、安琪酵母用量分别为1.5 kg/100 kg酒糟、250 U/g淀粉、1.5%,可提高3.89%的出酒率以及改善丢糟酒的感官质量。

复糟酒或丢糟酒的生产,再一次充分利用了酒糟中丰富的残余淀粉质、粗脂肪、粗蛋白、粗淀粉和多种风味化合物等,为酒企增加了经济效应,节约了生产成本。在此基础上,“二次发酵”使得酒糟内多种成分得到分解,为后续在饲料、肥料、化工、材料等行业充分利用酒糟起到了一定促进作用。

4 生物材料

4.1 吸附材料

生物炭是一种由生物质在限氧条件下热解所产生的富含碳的固体残留物,其具有较大的表面积、内部空隙和多样化的表面位点等优点,因此具有高离子交换能力和吸附能力,是一种很有发展潜力的吸附材料。酒糟富含丰富的碳素是理想的碳源,是制备生物炭的良好原料。制备生物炭的方法主要以热解法、水热炭化及活化为主。

热解法:是将原料置于300~900 ℃的惰性气体环境中进行炭化而制备生物炭的一种方法。WEI M等[23]研究发现,以酒糟和电解锰渣为原料,采用一步热解法制备生物炭复合材料,作为潜在的吸附剂来处理砷和锑污染的水,结果表明,复合材料的最佳热解温度和电解锰渣与酒糟质量比分别为750 ℃和3∶1。LIAN G Q等[24]研究发现,以酒糟和硫酸钙型磷石膏制备的新型复合材料,对铬的最大吸附量是157.9 mg/g,在pH=3时,该复合材料对铬具有理想的吸附潜力。LUO L等[25]研究发现,以废酒糟为原料,采用不同的活化剂,通过炭化和活化制备了一系列超微孔活性炭,在0 ℃和100 kPa时,二氧化碳(CO2)吸附量达6.34 mmol/g。

水热炭化是将生物质原料和水的混合物在密闭容器中加热转化为固体生物炭的热化学过程[26]。KAZAK O等[27]研究发现,酒糟与赤泥共水热处理制备了一种高性价比、磁吸附效率高的原位磁性水炭。在溶液pH值>5.0时,对铅的吸附更有利,并在120 min内达到平衡。ROCHA D O F C等[28]研究发现,磷酸活化的水热炭材料的合成工艺所制备的水炭,在150 ℃保温14 h,具有最佳性能,对亚甲基蓝的最大吸附容量为134.78 mg/g。

活化是引入多孔网络和增加炭材料比表面积最常用的方法,主要可分为化学活化和物理活化。化学活化是指利用化学活化剂处理生物炭原料制备生物炭的一种方法,常用到的活化剂有氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾等[29]。ZHANG Y D等[30]研究发现,氢氧化钠改性和酒糟处理制备了生物炭吸附剂,氢氧化钠改性吸附剂对铅、铬的最大吸附容量分别为44.13 mg/g、19.80 mg/g,酒糟吸附剂对铅、铬的最大吸附容量分别为11.69 mg/g、6.38 mg/g,结果表明,氢氧化钠改性的酒糟是一种有前景的吸附剂。SU K等[31]研究发现,酒糟采用碳化和氢氧化钾活化技术制备生物炭吸附剂,对铬吸附能力最佳,可达426.0 mg/g。物理活化是在高温惰性气氛中处理生物炭原料后,碳化制得生物炭的一种方法[32]。杨春亮等[33]研究发现,以酱香酒糟为原料,磷酸氢二铵为氮-磷源和活化剂,采用直接物混-高温工艺一步碳化活化制备,当磷酸二氢铵与酒糟质量比为1,活化温度为800 ℃时为适宜条件,制备出的炭材料在废水模拟条件下对铬的吸附量为9.2 mg/g,效果较好。LI L D等[34]研究发现,以酒糟为原料在管式炉中活化制得活性炭,其对阳离子亚甲蓝最大吸附量为2 251 mg/g,在处理工业聚丙烯腈废水时,60 min内去除率达99%。ZHENG X B等[35]研究发现,采用高温热解法制备的酒糟厌氧消化残渣生物炭,在700 ℃条件下具有高效去除铵离子(NH4+)的能力,NH4+吸附量可达(5.86 mg N/g)。LI R等[36]研究发现,以酒糟为原料,通过热解-凝胶包埋法制备生物炭复合材料,在温度为600 ℃、pH=3条件下,生物炭对硫酸根离子(SO42-)和铁离子(Fe3+)表现出良好的吸附效果,对其最大吸附量分别为10.16 mg/g和36.54 mg/g。

4.2 阻燃材料

目前的阻燃材料一般是在高分子材料中添加阻燃剂从而实现阻燃效果[37]。一般情况下,以垂直燃烧和氧指数试验来评价阻燃剂阻燃性能,垂直燃烧试验分为V0V1V2三个等级,根据试样点燃、燃烧时间和液滴滴落的情况进行评价,V0为最佳,V1次之,V2最差。氧指数试验通过测定试样在氧气和氮气混合气流中燃烧所需的最低含氧量[极限氧指数(limiting oxygen index,LOI)]来评估阻燃剂的性能,LOI值越高表明阻燃效果越好[38]。酒糟基填料可以提高助燃材料的阻燃性能,石小卫等[39]研究发现,以白酒糟为填料,通过熔融共混制备的聚乳酸/聚磷酸铵/白酒糟复合阻燃材料具有良好阻燃性能,当质量比为80∶10∶10时,复合材料的LOI值可达到33.0%,阻燃级别可以达到V0

4.3 薄膜材料

薄膜材料是一种厚度通常在纳米至几微米范围内的材料。这些材料可以是单层或多层膜,在各种科学和工程领域中都有广泛的应用。其中,植物蛋白制成的聚合物薄膜具有良好的可降解性,其可作为生物填料制作复合材料,从而具有取代传统塑料制品的一定潜力。如LIU Y等[40]研究发现,通过对酒糟的酒糟蛋白挤出加工处理制备生物聚合物薄膜,结果表明,在110 ℃挤出的酒糟蛋白有助于形成具有优异机械性能、耐水性和热稳定性的生物聚合物薄膜。张雯等[41]研究发现,采用酸解法提取酒糟中的纤维素纳米晶须(cellulose nanocrystals,CNCs)与胶原蛋白(collagen,COL),并与黄原胶共混制备了CNCs-COL复合膜,当CNCs与COL质量比1∶10,黄原胶质量分数0.5%,复合温度40 ℃,复合时间2 h时,其具有良好的溶胀性、较规则的孔隙结构及优良的热稳定性。

综上,酒糟在生物材料领域的利用尚处于起步阶段,但其丰富的有机组成和广泛的改性潜力为其高值化转化提供了坚实基础。随着材料科学、生物工程与绿色化工等多学科的融合发展,酒糟有望成为新一代可持续生物材料的重要来源,助力实现“变废为宝”和绿色循环产业的发展目标。

5 活性成分提取

酒糟是白酒生产的主要副产品,年产量高达2 000万t,除了含有蛋白质、淀粉和膳食纤维外,还富含多酚、多肽等成分,提取的生物活性物质可以生产生物质膜[42]、包装材料[43]、土壤改良剂[44]和化妆品生产等[45-46]。某些提取方法(如化学、物理、生物方法和组合方法)包括预处理可有效提高其提取率和纯度[47]。白酒酒糟高价值成分提取的常见过程主要包括提取、纯化和定性[48]

蛋白质成分提取:挤压能有效减小白酒酒糟分离蛋白的粒径[从(275.07±3.60)nm降低到(120.30±1.13)nm],挤压蛋白具有良好的溶解度[pH=7时从(59.26±5.64)%增加到(102.26±3.21)%]、发泡和乳化稳定性,且相应酶解物表现出最有效的抗氧化活性[49]。LI W等[50]采用尿素-半胱氨酸基体系来替代使用最广泛的乙醇基体系,该体系提取的高粱蛋白比乙醇基系统的纯度高14%,产量高42%,且高粱蛋白膜的性能更佳。啤酒酒糟具有高蛋白质含量(19%~30%)[51]。从啤酒酒糟中提取蛋白质的方法主要有碱提取、超声波辅助提取、有机溶剂提取、酶辅助提取等[52-53],提取效率因蛋白质种类、酶种类、理化条件、预处理方式而不同。碱性提取是使用最广泛和最知名的蛋白质提取方法,有研究表明最佳提取pH值为8.3~12.4,当提取液的pH值低于12.4时,蛋白质溶解度低;提取pH值高于12.4可能会降低啤酒酒糟蛋白的营养质量[54-55]

活性肽成分提取:生物活性肽是保护人体免受活性氧损害的有效方法,具有降血压,低血糖,抗炎和抗氧化剂的功能[56]。白酒酒糟可以通过碱法提取、酸沉淀,在中性pH下蛋白酶水解能有效提高其溶解度至94.4%,并得到小分子肽,黄酒酒糟则是使用碱性蛋白酶水解能有效提高其蛋白溶解度,制备黄酒糟蛋白的抗氧化肽[57-58]。ISABEL F B等[59]研究发现,使用风味酶处理酒糟,通过超滤和半制备反相液相色谱分馏肽,最后鉴定出5个生物活性肽。

酚类成分提取:酒糟可用作酚类物质的丰富来源,酚类物质具有公认的抗氧化、抗菌、抗炎作用[60]。常用的提取方法包括:微波辅助萃取[61]、超声辅助萃取[62]和固液萃取[63]等,收集方法一般是膜过滤[64]。DIMITRA T等[65]研究发现,对微波辅助萃取工艺进行优化,最佳提取条件为乙醇与水体积比1∶1,萃取温度85 ℃,提取时间35 min,微波功率54 W,溶剂与材料比60 mL/g。

糖类成分提取:除了酿酒功能外,低聚糖具有潜在的益生元活性、抗炎特性、抗癌作用和心脏保护作用[66],多糖还可以有效调节饮料酒的香气及其风味化合物的含量[67]。SUN W等[68]研究发现,从蒸馏酒的酒糟中分离纯化一种平均分子质量为8 554 Da的新型多糖,称为CRWP1。其中,预处理能有效提高糖类物质的提取效率,包括物理、化学、生物因素。LIU Y Z等[69]研究发现,利用螺杆挤压来改变白酒酒糟的形态和结晶特性,通过挤压处理能使白酒酒糟多糖产率增加,最高达到5.18%,与未经过挤压处理的白酒酒糟相比,多糖产量提高了3.16倍。YANG L等[70]研究发现,预处理能改变酒糟的致密结构与性质,改善了对酶解的适应性以提高酶解效率,稀硫酸预处理使得葡聚糖和木聚糖转化率分别提高了69.59%和413.68%,微波处理使葡聚糖转化率提高了14.22%,漆酶预处理能使木聚糖转化率提高34.19%。

风味化合物的提取:酒糟中的风味成分更多地是用于添加到食品中[71]或者用于腌制食品[72]。美拉德反应的产物是风味化合物中的重要组成部分[73]。FENG Y Q等[74]研究发现,使用碱性酶和风味酶制备酒糟肽,再制备美拉德肽,该肽可用于改善糖蒜的口感,而在110 ℃条件下制备的酒糟水解产物对非热加工食品表现出理想的口感和适宜的香气。超临界二氧化碳萃取是回收酒糟中的风味物质的最佳方法。XU H G等[75]研究发现,通过超临界二氧化碳萃取法从酒糟中鉴定出50多种化合物,酯和酸为主要化合物。MUNOZ G R等[76]研究发现,经过超声波和微波处理的酒和酒糟混合物,其挥发性风味成分(如脂肪酸酯、萜烯)有所下降;而经过添加无活性干酵母和微波处理的葡萄酒因其花香和红色浆果风味以及较少的涩味而风味最佳。综合考虑,微波和无活性干酵母的结合是最有效的处理方法,可有效加快酒糟陈酿过程。

6 总结与展望

目前,酒糟的研究已涉及动物饲料、生物能源、生物材料、活性成分等领域,也被应用于食品中复糟酒的生产。随着研究的深入,酒糟在各领域的综合利用方式展现出其特有的优势被人熟知:低廉的价格、丰富的营养、生物活性成分多样、开发途径多元化等。但在实际应用中也会存在局限性,如作为动物饲料,酒糟的高含水率、易腐败特点导致运输与保存成本高,同时酒糟中某些抗营养因子或有害物质也会限制饲喂的对象;在生物能源中,前处理成本高,转化率不稳定,效率低;作为生物材料性能不稳定,并且有一部分材料需通过高温制备,缺乏绿色方法;酒糟应用于复糟酒生产过程易积累有害成分,生产出的产品质量不够稳定,缺少了标准化工艺;酒糟活性成分的提取一直是值得关注的课题,但目前提取方法的分散使得提取率较低,提取物质的纯度与稳定性差,应优化提取方法和升级仪器设备来提高物质提取量及纯度。未来,应通过跨学科融合,整合微生物发酵技术、合成生物学、材料学等手段来推动酒糟由废弃副产物到可持续生物资源的战略转型。实现经济、生态与社会效益的多赢发展,为我国绿色食品加工与循环经济体系建设提供重要支撑。

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Research progress on the comprehensive utilization of distillers'grains from Baijiu

YU Wenbin1,CHEN Jiajie1,LONG Bing1,YUAN Guanhong1,DAI Yifeng1,2*
(1.Key Laboratory of Fermentation Engineering and Biopharmaceuticals,School of Brewing and Food Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.Beijing Food Nutrition and Human Health Advanced Innovation Center,Beijing Technology and Business University,Beijing 102488,China)

Abstract:Baijiu distillers' grains are major by-product generated during the solid-state fermentation process of traditional liquor-brewing production,which widely exist in many Baijiu production systems such as strong-flavor,sauce-flavor,and light-flavor styles.Baijiu distillers'grains are characterized by high yield, high moisture, rich organic matter, etc.In terms of resource utilization, distillers' grains exhibited broad application potential in many fields.In this paper, the applications of Baijiu distillers' grains in animal feed, bioenergy, production of re-fermented liquor, and biomaterials were mainly reviewed.In addition,the extraction methods of functional compounds from distillers'grains were also discussed,providing a reference for further research on their bioactive components, aiming to provide references for the future development and comprehensive utilization of Baijiu distillers'grains.

Key words:distillers'grains;comprehensive utilization;functional compound

中图分类号TS261

文章编号:0254-5071(2025)10-0023-06

doi: 10.11882/j.issn.0254-5071.2025.10.004

引文格式余文彬,陈佳杰,龙兵,等.白酒酒糟综合利用研究进展[J].中国酿造,2025,44(10):23-28.

收稿日期2024-11-15

修回日期:2025-07-26

基金项目国家自然科学基金地区基金项目(32260640);贵州省酱香型白酒技术创新中心(黔科合平台JSZX(2025)002);蓝莓酒技术研发(黔科合支撑[2022]重点006 号);国家自然科学基金青年科学基金项目(31801509);北京食品营养与人类健康高精尖创新中心开放基金项目(20182010);贵州省发酵工程与白酒酿造人才基地(黔人领发[2018]3号);科技平台及人才团队计划项目(黔科合平台人才(2018)5251);2022年贵州省高等学校教学内容和课程体系改革项目-酒类风味化学;贵州省高层次创新型人才项目(黔科合平台人才-GCC[2022]026-2)

作者简介余文彬(2000-),男,硕士研究生,研究方向为酒类风味化学,香料化学,手性香料。

*通讯作者戴怡凤(1986-),女,教授,博士,研究方向为酒类风味化学,香料化学,手性香料。