酿酒黄水又称黄浆水,是白酒酿造过程中的副产物,其是在酒曲加入高粱等原辅材料后,进行固态发酵过程中产生的。酒醅经微生物分解代谢后,产生大量游离水,这些游离水将酒醅中的酸、可溶性淀粉、酵母溶出物、还原糖、单宁、乙醇和香味前体物质溶出,并与酒醅中未被微生物利用的水共同沉降,最终形成一种棕黄色、微粘稠的浑浊液体[1-3]。黄水主要由酸、醛、醇、酯、糖类物质、含氮化合物和少量色素及单宁等有机物组成,其成分含量受原辅材料的影响而略有不同。黄水产量大,据统计每生产1 t白酒,可产生0.30~0.40 t的黄水。黄水的化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)达25 000~40 000 mg/g、生物需氧量(biological oxygen demand,BOD)达25 000~30 000 mg/g[4-5]。黄水的有机酸含量为3.5%~5.5%,醇类为5.5%~10.0%,酯类1.5%~3.6%,醛类0.2%~2.0%,氨基酸0.1%~0.2%[6-7]。黄水的pH值较低,呈酸性,具有一定的黏度和色度。传统上,酿酒黄水多通过生化处理达标后排放,造成资源浪费。随着科技的发展,酿酒黄水中有机酸的资源化利用逐渐受到重视。本文综述了当前酿酒黄水中有机酸资源化利用的研究进展,包括有机酸提取技术、在白酒酿造中的应用、食品医药领域的拓展以及畜牧与农业方面的应用,并结合国内外研究现状,深入探讨了酿酒黄水中有机酸资源化利用技术的优势、挑战和未来研究方向,旨在总结当前酿酒黄水中有机酸资源化利用的研究进展,并探讨其应用前景。
黄水中的有机酸主要来源于以下几个方面[8-12]:①原料中的有机酸。高粱、玉米等谷物类原料中含有少量苹果酸,这些有机酸在酿造过程中会部分保留在黄水中。②微生物发酵。白酒酿造过程中,窖池内的微生物,如乳酸菌、己酸菌、丁酸菌等,通过复杂的生物反应生成各种有机酸。这些微生物利用原料中的碳水化合物、蛋白质等营养物质产生乳酸、乙酸、丁酸、己酸等有机酸。③酒醅和窖泥中的残留物。在白酒酿造过程中,酒醅和窖泥中会残留一些未完全发酵的原料和微生物代谢物,这些物质在后续的发酵过程中会继续产生有机酸。
酿酒黄水中的有机酸主要包括乳酸、乙酸、己酸、丁酸等,其含量及来源如图1所示,这些有机酸在白酒的风味形成中起着重要作用[13-15]。乳酸是黄水中含量最高的有机酸,约占总酸含量的80.7%,它主要由乳酸菌发酵产生。在白酒酿造过程中,乳酸菌在高温条件下活跃,将糖类物质发酵成乳酸,赋予白酒特殊的酸味和香气。此外,根霉菌和毛霉菌等也可发酵产生乳酸,它是浓香型白酒中一种重要的呈味物质[16]。乙酸是黄水中另一种常见的有机酸,主要由醋酸菌发酵产生。在白酒酿造后期,醋酸菌会利用残留的糖类物质进行发酵,生成乙酸。乙酸会影响白酒的口感和风味,过高的含量会导致酒体出现酸败现象。己酸是黄水中重要的有机酸,主要由窖泥中的微生物发酵生成,是生成己酸乙酯等香味物质的前体。丁酸同样由微生物发酵产生,对白酒的风味有一定影响。柠檬酸在白酒酿造中含量通常较低,主要来源于原料中少量残留的柠檬酸,或由某些微生物代谢产生。柠檬酸能够增强酒体的酸度和风味,同时具有较强的络合能力,可与金属离子结合[17]。
图1 黄水中有机酸含量及其来源
Fig.1 Contents of organic acids in Huangshui and their sources
图2 黄水中的有机酸资源化利用技术
Fig.2 Organic acids resource utilization technology in Huangshui
酿酒黄水富含多种有机酸,对其进行提取和纯化,可以实现资源化利用,减少排放,并创造经济价值。目前,常用的有机酸分离方法包括沉淀法、萃取法、吸附/离子交换法、膜分离、酯化法等[18-22]。
沉淀法是分离有机酸的传统方法。其原理是基于羧酸钙在一定温度和pH值下,在水中溶解度较小的特性。通过加入钙盐或钙碱,与发酵液中的羧酸发生中和反应,生成羧酸钙沉淀,从而从溶液中析出。以乳酸为例,其分离过程如下:发酵结束后,将乳酸发酵液迅速升温至90~100 ℃,加入过量的Ca(OH)2调节pH值至10,再经澄清及过滤除去大部分菌体和蛋白质等胶体杂质。预处理后的过滤清液适当浓缩,使乳酸钙达到饱和状态,在合适条件下冷却结晶,除去母液,并用清水洗涤晶体,去除残余的母液和蛋白质等杂质,即可得到白色的粗品乳酸钙。将乳酸钙重新加热水溶解,加入浓硫酸进行酸解,再加入适量的活性炭脱色,过滤除去CaSO4和活性炭,得到浓度为20%的粗乳酸。最后,利用离子交换法处理粗乳酸溶液,去除Ca2+和SO42-等阴阳离子,浓缩至浓度80%以上,即可得到乳酸[23]。柠檬酸和琥珀酸等也可采用钙盐法分离[24-25]。沉淀法由于原料易得、技术简单、工艺成熟以及产品性质稳定等优点,在发酵法生产有机酸中应用广泛。然而,钙盐沉淀法也存在明显不足,主要是加入的化学试剂硫酸和钙盐量较大,且无法重复使用。副产物硫酸钙品质差,无商业价值,且产生新的环境污染物。此外,该方法所得产品纯度不高,难以满足作为精细化学品的纯度要求,需要通过其他方法进一步精制和提纯,经济效益差。因此,寻找更环保、高效、低成本的有机酸分离方法是未来的发展趋势。
传统吸附剂通常基于具有高比表面积的多孔固体材料,其吸附作用主要依赖于吸附质与吸附剂之间的范德华力。通过利用吸附剂对有机酸的特异性吸附作用,可以实现有机酸从发酵液中的有效分离。ALJUNDI I H等[26]研究了沸石分子筛对发酵液中乳酸的吸附特性,结果显示其吸附量可达37 g/kg,乳酸的回收率为65%。尽管有关使用吸附法提取有机酸的研究报道逐渐增多,但多数研究仅限于模拟黄水,而对实际生产过程产生的黄水,往往发现分离效率和树脂的再生能力显著下降。
离子交换技术是基于树脂上的离子交换位点与溶液中的离子进行可逆交换,实现目标物质的分离与纯化。该技术以其操作简便性、树脂的可重复使用性以及环境友好性而受到青睐,尤其在酿酒副产物黄水中有机酸的提取过程中被广泛采用。胡靖等[27]通过筛选5种不同类型的树脂,发现一种特定的阴离子交换树脂A对黄水中的己酸、乙酸和乳酸显示出较高的吸附效能,其静态吸附量高达178.7 mg/g。梁艳玲等[28]采用大孔弱碱性阴离子交换树脂对黄水中的乳酸进行提取,优化的工艺条件为样品上柱流速1.5 BV/h,5%(V/V)硫酸溶液作为洗脱液,洗脱流速3.5 BV/h,在此条件下乳酸的回收率超过75%。YOUSUF A等[29]则利用弱阴离子交换树脂Amberlite IRA-67和活性炭联合处理发酵液中的乳酸、乙酸和丁酸,实现了有机酸去除率最高达74%。GARRETT B G等[30]用弱阴离子树脂Amberlite IRA-67成功分离发酵液中的乳酸。
与钙盐沉淀法相比,吸附/离子交换技术在生产过程中不产生硫酸钙等固体废渣,有效降低了能耗,同时提升了产品的品质与收率。然而,树脂在操作过程中需频繁再生和定期更换,洗脱步骤中消耗的试剂量大,且会产生一定量的废水和固体废弃物[31]。为防止细胞和其他杂质污染树脂,黄水在分离前需经过预处理。黄水中的糖分、蛋白质等成分对树脂吸附存在干扰,因此对树脂的选择性提出了更高的要求。
萃取法作为一种高效的分离技术,因其简便的操作、大规模处理能力、低能耗以及适合于连续和自动化操作的特性而受到青睐。然而,有机酸的高亲水性导致传统有机溶剂(如醇、酮、酯等)对其萃取效率不佳。目前,络合萃取和双水相萃取技术因能有效提升羧酸的萃取效率而受到关注[32-36]。络合萃取体系通常包含萃取剂、改性剂和稀释剂,其中萃取剂如伯胺、仲胺、叔胺、季铵盐和咪唑盐等能促使羧酸或其盐转移到有机相中。CHEN L J等[37]研究发现,采用正丁醇预萃取乳酸,随后通过短程分子精馏实现乳酸的回收,其单程收率达到61.7%。
在生物基化学品的分离领域,开发了新型双水相萃取技术如盐析萃取和离子液体萃取。盐析萃取(salting-out extraction,SOE)利用有机溶剂作为萃取剂,无机盐作为盐析剂,从水相中萃取亲水性目标产物[38]。该体系主要由亲水性有机溶剂(例如甲醇、乙醇、丙醇、丙酮等)和无机盐(如磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐等)构成,其低成本、成相物质的易回收性、低粘度、快速分相和易于放大等特点预示着其在工业化应用中的巨大潜力。WEI B C等[39]研究了乳酸在乙醇/磷酸氢二钾和甲醇/磷酸氢二钾盐析体系中的萃取行为,并优化了操作条件,获得了分配系数和回收率分别达到3.2%和90.6%以及4.0%和86.0%的优异结果。鉴于发酵液中目标产物浓度较低且亲水性强,盐析萃取技术相较于传统盐析或溶剂萃取展现出更高的分离效率。然而,盐析萃取最大的问题是盐的回收问题。
膜分离技术,根据目标物质的分子大小,利用其在膜两侧的浓度差或压力差实现分离与纯化。该技术以其低能耗、环境友好及操作简便的特点,在化工、医药、食品及环保等多个领域得到广泛应用。在有机酸的提取与纯化过程中,膜分离技术具有一定的优势,可用于处理亲水性强、成分复杂的发酵液。由于有机酸分子间物理化学性质相似,传统的分离技术难以达到高效纯化,而膜分离技术则通过其选择性透过性,基于物质的溶解度、扩散系数和分子质量差异,实现有效分离。针对有机酸的分离,可采用多种膜分离技术,如微滤、超滤、纳滤和反渗透等。这些技术通过不同孔径大小的膜材料,实现对不同分子质量有机酸的选择性分离。例如,纳滤技术能有效截留二价及高价离子和相对分子质量高于200 Da的有机小分子,而使大部分一价无机盐透过,适用于有机酸与无机盐的分离[40]。反渗透技术则通过高脱盐率,适用于有机酸的进一步浓缩和纯化过程。
然而,膜分离技术在实际应用中也面临挑战,如膜污染、通量衰减以及成本问题[41]。此外,为了提高分离效率,研究者们也在探索新型膜材料,如有机分子笼膜,这种材料能够实现多级分离,提高分离精度。综上所述,膜分离技术在有机酸的提取与纯化中具有重要应用前景,通过不断优化和创新,有望在未来实现更高效、低成本的工业应用。
酯化法是通过酯化反应将有机酸转化为酯类化合物,并通过蒸馏等手段实现分离,随后经过水解得到高纯度的有机酸。如SUN X H等[42]研究发现,通过将乳酸与正丁醇进行酯化反应,再经过减压蒸馏得到乳酸丁酯,最终通过水解得到高纯度的乳酸。该过程的酯化和水解收率分别为87.7%和89.7%,乳酸的纯度可达90%,丁醇的回收率为85.6%。由于酯类化合物的沸点通常低于相应的有机酸,因此相比于直接通过精馏和结晶方法,酯化法提取有机酸相对容易一些。
然而,酯化反应中常用的催化剂如浓硫酸,可能会引发副反应,导致环境污染,并且发酵液中存在的杂酸也可能导致副产品的生成,影响产品的纯度。因此,尽管酯化法在有机酸的分离和纯化中具有一定优势,但在实际应用中仍需解决催化剂选择性、副反应控制以及环境污染等问题。各有机酸提取纯化技术的优缺点见表1。
表1 有机酸提取和纯化技术优缺点
Table 1 Advantages and disadvantages of organic acids extraction and purification technology
提取和纯化技术 优点 缺点沉淀法[24-25]原料易得、技术简单、收率高且产品性质稳定吸附/离子交换法[31]萃取法[33-36]膜分离技术[41]酯化法[42]操作简便、降低能耗、可重复使用,环境友好;产品品质与收率较高操作简便、低能耗高效率且适于连续和自动化操作,分离精度高操作简单、低能耗、环境友好及适用范围广操作简便、原料易得、可适应性强化学试剂量大且无法重复使用,副产物污染环境;产品纯度不高,经济效益差对树脂选择性有较高要求、试剂消耗量大且会产生废水和固体废弃物蛋白质变性、溶剂使用量大、使用范围有限,环境影响成本较高、稳定性差、膜面污染及膜通量衰减,功能有限能耗较高、副产品较多、产品纯度不高且污染环境
黄水中存在的有机酸(如乳酸和乙酸),可直接作为酿酒工业中酸味调节剂。这些有机酸能够为酒类产品提供独特的口感和风味特性,如增加浓厚感、醇和感、净爽感和绵长感,从而提升酒体的整体品质。在酱香型白酒中,高含量的有机酸是一个显著特点,尤其是乙酸和乳酸的含量较高[43]。因此,富含这些有机酸的黄水可以作为酸味调味剂加入到酱香型白酒中,以增强其风味和口感。为了获得更高质量的黄水调味液,对黄水进行预处理是必要的,如使用活性炭过滤去除杂质和异味,然后通过加热回流、蒸馏等步骤进行提纯。提纯后的黄水调味液可以择优用于新型白酒的勾调,可以调整白酒的酸度平衡,以改善白酒的口感和风味。云敏等[44]研究了有机酸在酱香型白酒酿造过程中的调控作用,结果表明,适当调控有机酸含量有利于不同酿造阶段微生物的生长代谢,从而有助于获得更优质、高产的酱香型白酒。因此,有机酸不仅可以作为微生物生长的调控剂,促进发酵微生物的生长和代谢活动,提高发酵效率,还能调节发酵液的pH值,有利于风味物质的形成。
黄水中的乳酸和乙酸等,可通过酯化反应转化为酯类化合物。这一过程涉及将黄水中的有机酸与醇类物质反应,形成酯化液,该液体富含多种酯类,如己酸乙酯,这是构成浓香型白酒关键香味成分之一。通过将黄水与大曲粉、酒糟、酒尾和窑泥混合发酵,制成酯化液,并用于糟醅的二次发酵,可以提高酒中乙酸乙酯、丁酸乙酯、己酸乙酯和乳酸乙酯的含量[45]。酯化液在提升原酒质量和风味方面具有重要作用,可以用于调酒、串蒸、灌窖和养窖等过程。此外,作为高酯调味酒,酯化液也能改善新型白酒的口味和品质。然而,鉴于黄水中乳酸含量较高,其在酯化液生产中的使用量应控制在50%以内,以避免不利影响[46]。酯化液的生产不仅限于单一有机酸,而是需要与不同的酒尾、酒糟等原料混合,以科学合理的配方促进酸醇酯化,从而最大化酯化效率。研究表明,不同的黄水与酒尾体积比对酯化液产己酸乙酯的影响显著。当黄水∶酒尾为40∶60(V/V)时,酯化液中己酸乙酯的产量最高[47]。此外,通过添加适量的曲粉和酒醅,可以进一步优化酯化效果,获得更高含量的乙酸乙酯。唐新[48]研究发现,当黄水和酒尾以3∶7(V/V)的比例混合,并加入2%的曲粉和1.5%的酒醅时,酯化效果最佳,产生的乙酸乙酯含量最高。酯化酶催化的酯化反应在特定条件下,如乙醇含量、己酸添加量、酯化酶用量和温度,可以高效地进行,产生香味物质含量高、比例适宜、风味协调的酯化液。刘宾等[49]使用浓香型白酒的黄水和酒尾,通过酶法酯化制备酯化液。在乙醇10 mL/100 mL、己酸1.5%、酯化酶7%以及30 ℃条件下反应7 d,得到的酯化液具有高香味物质含量、适宜的比例和协调的风味。
黄水含有较高浓度的乳酸和乙酸,其化学成分与醋相近,这为其在食醋生产中的应用提供了可能性。黄水可以经过直接调配或经过预处理及再发酵的步骤,转化为风味独特的食醋。张志刚等[50]利用酿酒过程中产生的黄水,配合中高温大曲进行二次发酵,制备香醋。该方法绕过了酒精发酵阶段,直接进入醋酸发酵,得到的成品富含有机酸、氨基酸及低级酯类,具有适宜的酸度和浓郁的香气,呈现出一种特有的风味特性。张超等[51]通过将小曲清香型白酒的酒糟、酒尾和黄水作为原料,接种醋酸菌进行发酵,生产食醋。他们通过分析不同生产参数对混合酿醋品质和产率的影响,对生产工艺进行了优化。混合酿醋的醋酸含量和营养价值上均显著提升。这些研究表明,通过精细调控发酵条件,可以显著提高黄水在食醋生产中的转化效率和最终产品的品质。
黄水有机酸中含量较高的乳酸、乙酸等可作为食品添加剂使用,具有调节酸度、增强风味、延长保质期等功能。在食品工业中,这些有机酸被广泛应用于乳制品、饮料、调味品等多种食品中,为食品带来了独特的风味和口感[52]。此外,黄水含有的乙酸、丙酸和乳酸等有机酸,也使其在防腐和抑菌方面具有独特的作用。研究发现,黄水对4种细菌(金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和沙门氏菌)以及2种真菌(青霉、曲霉)具有很好的抑菌效果,但是对于毛霉、根霉的抑制效果不明显[53-56]。杨新力[57]研究表明,使用混合酸作为食品防腐剂比单一有机酸更有效,因此,经过除杂、脱臭、脱色和浓缩处理的黄水混合有机酸,被添加到酱油中进行防腐实验,发现添加8%黄水提取物的防腐效果最佳。
乳酸和醋酸等有机酸不仅在食品工业中发挥作用,还在医药领域展现出其独特的价值。乳酸可用于治疗骨质疏松症,促进钙吸收,而醋酸则具有抗菌和消炎作用[58-59]。此外,黄水中的有机酸是制备有机酸钙补充剂的潜在原料,乳酸钙作为一种钙补充剂,具有高溶解度、温和吸收、易吸收和无残留的特点[60]。与市场上其他钙盐相比,乳酸钙的优势明显,且通过粮食发酵产生的乳酸安全性高,具有良好的市场潜力,但由于黄水中有机酸成分复杂,在乳酸提纯中存在一定困难,目前在黄水制取乳酸钙补剂的研究中主要以复合乳酸钙为主。乳酸因其保湿性和渗透性,在化妆品工业中也有广泛应用[61]。通过将乳酸等有机酸用于化妆品生产,可以开发出具有保湿、美白和抗衰老功效的产品。这些应用不仅拓宽了黄水的利用途径,还为相关产业提供了新的发展方向。
随着抗生素在饲料中的禁用,开发新型的饲用抗生素替代品成为了行业的研究热点。目前的替代品涵盖了植物提取物(如五倍子、迷迭香、杜仲叶、桑叶)、植物精油(包括萜烯类、芳香族、脂肪族化合物以及含氮和含硫化合物)、微生态制剂(如益生菌、益生元和合生元)、酸化剂(有机和无机酸)以及传统兽用药物的现代化应用[62-66]。在这些替抗产品中,酸化剂作为功能性饲料添加剂因其改善适口性、提高消化率、降低肠道pH值、增强消化酶活性、抑制病原菌生长、改善胃肠道菌群结构、提高家畜抗应激能力以及促进矿物质等营养物质吸收等多方面的优势而备受青睐。
酸化剂分为无机酸化剂(如磷酸)和有机酸化剂(如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸、柠檬酸、富马酸、苹果酸、苯甲酸等),其中有机酸因其功能强大且刺激性较小,成为饲用酸化剂的主流选择。黄水中的有机酸含量丰富、种类多,这些有机酸不仅可作为酸化剂的成分,还具有抑菌和杀菌作用。此外,黄水中的还原糖、氨基酸可作为饲料的营养物质;其中的醇和酯可改善动物的适口性。黄水中还含有多种有益微生物,如酵母、乳酸菌、梭状芽孢杆菌等,这些微生物可作为益生菌添加到饲料中,进一步提升饲料的营养价值和动物的消化能力。因此,黄水在生产饲料酸化剂方面具有较好的应用前景。
黄水中的有机酸,尤其是乳酸和醋酸,它们的含量丰富,为生物肥料提供了重要的酸性成分。这些有机酸不仅能够改善土壤结构、提高土壤肥力,还能促进作物的生长和发育[67]。此外,黄水中的氨基酸、糖类等物质,同样可作为生物肥料的原料,进一步增强其肥效。使用黄水制成的生物肥料,具有环保、安全、高效等优点,能够促进农业生产的可持续发展。在制备生物肥料的过程中,黄水中的有机酸可以起到调节土壤酸碱度、促进植物对营养元素的吸收等作用[68]。同时,黄水中的还原糖和氨基酸等营养成分,能够为植物提供必需的能量和生长因子,增强植物的生长潜力。
酿酒黄水中的有机酸还可以作为化工原料使用[69-71]。通过化学反应和合成工艺,可以将这些有机酸转化为其他具有更高价值的化学品或材料。作为化工原料使用的有机酸在化工领域具有广泛的应用前景。它们可以用于生产各种化学品和材料(如塑料、涂料、染料等),为相关产业的发展提供有力支持。
有效利用酿酒黄水中的有机酸,不仅能够降低废水处理负荷、减少环境污染,还能促进酿酒行业的可持续发展。此外,这种资源的再利用有助于减少对化石燃料的依赖,推动循环经济的发展。尽管如此,由于黄水的成分复杂性和有机酸含量相对较低,有机酸的分离提取过程面临挑战,且许多相关技术仍处于实验室研究阶段,缺乏大规模应用的实践经验。因此,这些技术的商业化转化需要政府和企业的支持。
未来,黄水有机酸资源化利用技术的研究方向可能包括以下几个关键点:①开发新型生物催化剂,以提高有机酸的转化效率和产物产量,同时降低生产成本。通过蛋白质工程和代谢工程策略,可以显著提高生物催化剂的催化活性[72]。②研究耦合技术,结合生物法、化学法和物理法,以提高有机酸的提取和转化效率,实现生产过程的高效、低成本和绿色化。③探索多级利用策略,对黄水中的不同有机酸进行分级分质利用,以提高资源的利用率,以产品为导向,开发系列基于黄水有机酸产品。④实现技术集成与产业化应用,将有机酸提取和转化技术与酿酒生产工艺相集成,推动酿酒行业的循环经济发展。
黄水的资源化利用,不仅能够减少环境污染,还能为企业带来经济效益,具有重要的实际意义和应用前景。
酿酒黄水中的有机酸主要源自原料、微生物发酵及酒醅、窖泥残留,以乳酸、乙酸、己酸、丁酸等为核心,对白酒风味的塑造至关重要。其提取与纯化技术包括沉淀法、吸附/离子交换法、萃取法、膜分离技术和酯化法,各具特色。如沉淀法工艺简便但副产物污染严重,而膜分离技术环保却成本较高。黄水有机酸在白酒酿造(酸味调节剂、酯化液)、食品(食醋、防腐剂)、医药(钙补充剂、化妆品)、农业(生物肥料)及化工(原料)等领域展现出广泛应用潜力。然而,黄水成分复杂、提取成本高及产业化不足等问题仍制约其发展。
黄水有机酸的资源化利用前景广阔,经济与环境效益显著。通过优化提取纯化技术,可实现高效资源转化。未来应聚焦新型生物催化剂、耦合技术、多级利用策略及技术集成,推进绿色、低成本的产业化进程。这不仅能有效减缓环境污染,还将助推循环经济发展,为酿酒行业注入显著经济与社会价值。随着科技进步与环保意识提升,跨学科协作和技术创新将进一步深化黄水有机酸的开发与应用,驱动相关技术持续完善,推进可持续发展的实现路径。
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Research progress on the extraction and resource utilization of organic acids in Huangshui from Baijiu brewing