白酒具有悠久的酿造历史,其主要以高粱等谷物为原料,采用酒曲、酶制剂或酵母菌制剂等作为糖化发酵剂,经固态发酵后蒸馏而成[1-2]。固态法白酒丢糟是谷物原料经蒸煮、发酵、蒸馏后残留的固体物,是白酒酿造的主要副产物[3]。丢糟含有丰富的纤维素、淀粉、蛋白质、氨基酸和脂肪酸等有机物,还含有钙、铁、锌、锰等矿物质成分[4-5]。丢糟的水分含量较高,质地疏松,堆积存放易出现霉腐等现象,处理不当会对生态环境造成严重污染,还会导致资源浪费[6]。在国家“双碳”战略目标指引下,白酒丢糟的高效资源化与低碳化利用已成为推动白酒产业实现绿色低碳转型与高质量发展的核心抓手[7]。随着合成微生物群落、定向酶工程、基因编辑菌株创制及微生物组学高通量解析等现代微生物技术的快速迭代,白酒丢糟木质纤维素高效降解、营养组分定向转化与高值化产品开发均获得关键技术保障[8-9]。通过宏基因组学挖掘功能菌株、采用CRISPR-Cas9构建高效降解工程菌,并对人工合成菌群进行功能配伍与稳态调控,能够大幅提高丢糟资源化转化效率,逐步突破传统工艺存在的降解不充分、产物得率低、附加值不高等行业瓶颈问题[10-12]。本文系统总结白酒丢糟的来源及主要成分、丢糟预处理方法、合成微生物群落构建及其在丢糟资源化利用中的应用,归纳现代微生物技术在丢糟资源化利用方面的研究进展,以期为丢糟的资源化利用和酿酒行业的可持续发展提供参考。
当前,白酒可分为12种香型,其中浓香型、清香型、酱香型及米香型为基础香型,其他香型由这4种基本香型衍生而来[13]。以基础香型固态法白酒为例,其主要是以高粱、大米等为原料,大曲、小曲或麸曲为糖化发酵剂,泥窖、石窖、地缸等为发酵容器,经固态发酵、蒸馏、储存、勾调等工序而制得,其主要酿造工艺流程如图1所示。高粱等酿酒原料经过粉碎、润料、蒸煮等预处理,随后与酒曲混合后投入窖池(或地缸、石窖等发酵容器)进行固态发酵,发酵完成后的酒醅会被转入蒸馏设备,通过加热蒸馏提取其中的乙醇和风味物质,而经过蒸馏取酒后残余的物料称为丢糟,其本质是原料经微生物发酵、蒸馏后剩余的固体残渣。
图1 4种基础香型白酒的主要酿造工艺流程
Fig.1 Main brewing process flows of four basic aroma types of Baijiu
白酒丢糟的成分比较复杂,其中包含丰富的营养成分,这些成分的含量和特性与固态法白酒的酿造工艺、原料等因素密切相关。按香型分类,固态法白酒丢糟可分为浓香型白酒丢糟、酱香型白酒丢糟和清香型白酒丢糟等;按原料分类,固态法白酒丢糟可分为高粱丢糟、大米丢糟和青稞丢糟等。各类丢糟的成分略有不同,但总体较为接近[14]。如表1所示,丢糟富含蛋白质、粗脂肪、粗纤维等基本成分。除上述主要成分外,白酒丢糟中还含有多种矿物质,如钙、铁、锌、锰等,这些矿物质对维持微生物的生长代谢和动物的生理功能具有重要作用[15]。由于酿造原料中淀粉、蛋白质和脂肪等物质含量存在差异,不同香型、不同原料固态法白酒丢糟成分含量存在差异,同时丢糟成分还受发酵温度与周期、窖池微环境与供氧、微生物群落功能等条件差异的影响。酱香型白酒高温长周期发酵使原料分解更彻底,丢糟粗蛋白与粗灰分含量更高;米香型白酒丢糟粗纤维降解程度较低,可能是由低温短周期发酵或原料差异导致;浓香型白酒丢糟粗纤维、粗灰分含量高;清香型白酒丢糟粗灰分含量较低,但粗蛋白含量较高。大曲类菌群复杂,木质纤维素降解能力更强;小曲类以糖化发酵为主,蛋白与脂肪转化差异显著。这些因素共同影响原料成分在发酵过程中的分解和转化,最终导致丢糟成分差异[16]。
表1 不同香型白酒丢糟的主要成分
Table1 Main components of distiller’s grains from different aroma types of Baijiu
香型干物质粗蛋白粗纤维粗脂质肪量分数粗/灰%分无氮浸出物钙总磷参文考献浓香型87.7014.6919.583.2012.780.250.33[17]清香型94.0520.9614.847.090.86[18]酱香型88.7024.1217.127.9510.1329.370.580.59[19]米香型18.9027.70[20]
白酒丢糟预处理是其资源化利用的关键环节,其核心目标是打破丢糟中木质纤维素的交联结构,去除残留乙醇、单宁等抗营养因子/杂质,释放纤维素、多糖和蛋白质等目标成分,进而提升后续工艺(如饲料化、肥料化、生物能源转化、丢糟酒制备、功能成分提取等)的处理效率与产物品质。目前,丢糟的预处理方法主要包括物理法、化学法、生物法和协同处理法4类,不同预处理方法处理丢糟效果与适用资源化方向如表2所示。
表2 不同预处理方法处理丢糟效果与适用资源化方向
Table2 Effects of different pretreatment methods on distiller’s grains and applicable resource utilization pathways
方法具体技术手段处理效果适用资源化方向参考文献单螺杆挤压改性粗纤膳维食降纤至维26提.0升1%9,.07可%溶性饲料原料改性[21]物理法超临超纳界米声CO过处2萃滤理取+ 基多表-2酚-面三纯疏硝度松基麦大化苯芽于,肼浸9提清5出%高除率,糖率1化,大1-力于二和9苯0%功糖能化成分发提酵取[[2223]]干燥成型预处理提升燃烧能源稳定回性收,利于生物质能源[24]化学法稀氨硫化酸预处处理理葡木聚聚糖获糖转得阿转化单拉化率伯细率提胞木提升寡蛋升6糖白491.和359.6%8%、糖蛋平白饲制台料化备合原物料[[2265]]微生物菌群降解半纤维纤素维转素转化化率率19.1604.8%8、%饲料腐熟[27]生物法木质素处理降解菌酸酸不溶溶木木质质素素降降解解率率3503..8868%%、木质素资源化[28]纤维素酶酶解还原糖产率达17.21%发酵底物制备[29]稀硫酸高温处理单体糖产量达到最高生物发酵[30]纤维素酶及酸处理较还对原照糖组得提率高641.4448%.37,%丢糟酒生产[31]协同法热解-氧化镁球磨生物能炭力对提C升o2+16、、N1i22+倍吸附重金属吸附材料[32]厌氧气消化化耦-化合学链提升合成气品质与产率清洁能源制备[33]氨酶纤解维膨发胀酵+ 乙醇体7积0%分~数8达0%理论值生物乙醇生产[34]
注:文献[23-24]、[26]、[34]数据为其他类乙醇、生物副产物的类比研究。
不同预处理方法各有优劣且优化方向不同,物理法操作简单、无化学残留,适合规模化预处理,但能耗较高且对植酸等抗营养因子去除效果有限,可结合热能回收技术降低干燥、挤压等环节的能耗。化学法处理效率高、反应周期短,能快速破坏木质纤维素结构,但存在化学试剂残留风险和二次污染隐患,建议优先选用稀氨、乙酸等低毒试剂,并配套废液回收处理系统。生物法绿色环保、特异性强,可定向降解目标成分,然而处理周期较长,且受温度、pH值等环境因素影响较大,可通过筛选耐高温、耐酸性功能菌株或与其他预处理手段结合缩短反应时间。协同法整合多种方法的优势,处理效果最优,但往往工艺复杂、成本较高,未来需进一步优化,开发低成本的协同技术。在实际应用中,需结合酒糟特性选择适配的预处理方法,酱香型丢糟粗纤维、粗蛋白与木质素含量高,宜选用物理挤压+生物菌剂/稀氨+纤维素酶协同预处理,高效破除纤维屏障并保留蛋白;浓香型丢糟纤维交联紧密、灰分含量高,适合超声/挤压改性+木质素降解菌处理,提升糖化效率;采用温和干燥+糖化酶酶解即可充分利用残余淀粉;米香型丢糟纤维含量低、脂肪含量高,仅需轻破碎+低温干燥即可。
合成微生物群落是将多种野生型细菌和工程菌株共培养,人工构建具备特定功能的微生物系统。群落内各微生物既保持自身特性,又通过人工选择与其他生物体的功能特性相辅相成,因而兼具自然微生物群落的诸多优势[35-37]。与自然群落相比,合成微生物群落可实现自然群落不具备的功能与复杂代谢机制,能够构建可调控、可定义的微生物系统,精准赋予菌群特定功能,同时还能保持系统良好的稳定性[38]。与单个微生物相比,合成微生物群落具有更优的稳定性、适应性、效率和代谢灵活性,凭借多样菌株的工程化相互作用与协同效应,能缓冲干扰、耐受环境波动,通过分解分配复杂代谢过程减轻单一菌株负荷,提升生产效率[39]。成熟的合成微生物群落具备低复杂性、高可控性及优良稳定性等,可实现与天然微生物群落复杂性特征之间的平衡[40]。已有研究证实,合成微生物群落在处理白酒丢糟时,纤维素降解效率较自然微生物群落提升22.31%[41],粗蛋白含量提高23.61%[42],在高温与高单宁胁迫下的环境耐受性提升40%以上,同时发酵周期缩短30%~50%[43],综合性能显著优于自然微生物群落。
合成微生物群落的构建以明确功能目标为核心,需结合发酵体系特性、微生物功能适配性及群落稳定性要求,通常采用“功能菌株筛选-配伍优化-效能验证”的阶梯式流程[44]。核心功能菌株筛选与鉴定核心包括功能靶向性筛选、多维度适配性评估与互作兼容性验证。功能靶向性筛选针对转化需求,筛选具备对应代谢功能的菌株,多维度适配性评估除验证功能活性外,重点考察菌株对环境的耐受性,并结合高通量测序与培养依赖法明确菌株分类地位与纯度,互作兼容性验证通过共培养实验评估菌株间相互作用[45]。
如图2所示,群落结构优化设计基于筛选获得的功能菌株,通过多手段实现功能互补与稳定性提升[46]。在功能分工与比例适配层面,明确各菌株功能定位并划分功能层,优化各功能层的接种比例,借助网络分析工具构建菌株相互作用网络,以识别核心功能菌株与关键互作关系,进而保留基础菌株并剔除冗余菌株以简化群落结构。参考自然发酵体系的特征,结合实验室模拟实验调控各菌株的初始接种量,避免因接种量失衡导致群落功能失效。另外,群落功能的验证与迭代优化是保障应用效能的关键,需通过多维度验证并形成优化闭环[47]。以纤维素、半纤维素、木质素降解率以及还原糖得率、粗蛋白提升率、粗纤维降解率、发酵周期、腐殖质转化率、产物得率为核心定量指标,同时分析微生物群落结构相似度与抗逆稳定性。通过连续批次发酵试验验证群落功能稳定性,监测群落结构动态变化,同时模拟实际应用中的环境波动以评估抗干扰能力,模型预测与优化则利用结构方程模型分析菌株与代谢产物间的因果关系,以明确功能关键驱动因子[48]。
图2 合成微生物群落的构建及其应用
Fig.2 Construction and application of synthetic microbial communities
合成微生物群落作为现代微生物技术的核心应用方向,在丢糟资源化利用中发挥着重要作用。通过“功能菌株筛选-配伍优化-效能验证”的阶梯式构建流程,针对丢糟中木质纤维素、蛋白质、淀粉等复杂成分,匹配纤维素降解菌、蛋白降解菌、糖化菌等菌株,形成具有协同代谢能力的人工微生物系统。合成微生物群落作为白酒丢糟高效资源化利用的核心技术支撑,近年来在功能菌株筛选、群落结构调控及微生物协同转化机制等研究方向上已取得一系列突破性进展[49-50]。在木质纤维素降解领域,通过组合纤维素降解菌、木质素分解菌及糖化菌构建的合成微生物菌群,可将丢糟中纤维素的降解率提升至33.6%~42.3%,较自然微生物群落的降解效率提高18%~25%,为丢糟后续的饲料化、肥料化利用及生物转化进程提供了坚实的技术基础[41]。在蛋白饲料制备方面,采用米曲霉、酿酒酵母、枯草芽孢杆菌与乳酸菌组成复合微生物菌群,对丢糟进行固态发酵处理后,可使丢糟中的粗蛋白含量提升31.25%~60.43%、粗纤维含量降低34.24%,同时显著改善丢糟饲料的消化利用率与适口性,为其在畜禽养殖中的应用提供了可行性[42]。在有机肥生产过程中,高温功能微生物菌群的应用可有效缩短堆肥腐熟周期30%~50%,使腐殖质转化率提高25%以上,进一步增强有机肥的肥效稳定性及与不同类型土壤的适配性[43]。
目前,基因工程改造与微生物组学解析已成为该领域前沿研究热点。研究者利用CRISPR-Cas9基因编辑技术对里氏木霉、枯草芽孢杆菌等菌株进行定向改造,强化其纤维素酶分泌与逆境耐受能力,使改造菌株在丢糟高固含量、高单宁环境下的纤维素降解效率较野生型提升25%~38%[51]。基于宏基因组与代谢组联合解析技术,可精准挖掘丢糟体系中新型糖苷水解酶基因与核心功能菌群,阐明菌群间代谢协同与物质交换机制,为合成微生物群落理性构建提供靶点[52]。此外,将机器学习与人工智能算法应用于合成菌群配比优化,可通过对多菌株接种比例、发酵参数与降解效能的关联建模,显著提升合成菌群在工业化连续发酵中的结构稳定性与抗干扰能力,推动丢糟资源化技术由实验室小试向规模化产业应用转化[48,53]。随着合成生物学和微生物组学的发展,合成微生物群落的结构优化、功能强化及规模化应用将成为研究重点,为丢糟的全链条、高值化和绿色化利用提供技术支撑。
利用微生物群落固态发酵丢糟生产有机饲料,是目前技术较成熟、应用较广泛的丢糟资源化利用路径[54]。采用酿酒酵母、产朊假丝酵母、植物乳植杆菌及枯草芽孢杆菌进行协同发酵处理后,丢糟饲料的营养指标与消化性能均得到显著改善[55]。杨丽华等[56]通过先后接种0.6%枯草芽孢杆菌与0.3%酵母菌对丢糟蛋白饲料进行混菌发酵,发酵后粗蛋白含量提升60.43%。Chen Kai等[57]利用米曲霉、酿酒酵母、干酪乳杆菌、枯草芽孢杆菌及复合酶制剂发酵丢糟,发酵后粗蛋白、三氯乙酸可溶性蛋白和脂肪含量分别增加31.25%、36.68%和49.11%,而粗纤维、酸性纤维和中性纤维含量分别降低34.24%、26.91%和33.20%,饲料原料的性能得到极大改善。范方勇 等[58]选取干酪乳杆菌、产朊假丝酵母、绿色木霉、白地霉、黑曲霉和根霉等,采用缺失组合法分别发酵浓香型和酱香型丢糟,结果表明微生物组合菌剂用于丢糟发酵全价饲料具有可行性。综上,经丢糟经微生物发酵处理,蛋白饲料保质期可有效延长,但当前针对丢糟发酵饲料尚缺乏统一的质量安全标准,因此,提升丢糟微生物发酵体系的稳定性、高效性和安全性,仍是未来研究的重点方向。
白酒丢糟富含有机组分及氮、磷、钾等营养元素,可通过堆肥或混菌固态发酵制备有机肥,以实现减量化、无害化与资源化利用。堆肥是借助微生物高温好氧发酵,将丢糟有机质分解转化为稳定腐殖质的过程,而混合菌株的协同作用能够加快营养元素的分解速率、提升土壤腐殖质占比[59-60]。马倩等[61]将筛选得到的贝莱斯芽孢杆菌诱变育种菌株UN-5和里氏木霉进行复配,制备的复合菌剂纤维素酶活性达125.24 U,可直接用于丢糟腐熟以生产有机肥。王璐[62]利用地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、乳酸菌、蛋白酶、纤维素酶等组成的复合菌剂对汾酒丢糟进行发酵制备有机肥料,并利用得到的有机肥料对高粱幼苗进行肥效实验,结果表明,该有机肥对促进高粱作物生长、改善品质具有显著效果。杨新等[63]基于从丢糟中筛选的7株菌株进行高温菌剂复配方案优化,丢糟经高温复合菌剂堆积发酵后,肥效可得到提升。赵佳等[64]以清香型丢糟为原料添加复合菌剂生产有机肥,盆栽实验表明制备的有机肥可改善根际土壤微环境并提高黄瓜育苗的抗氧化保护酶活性。综上表明,丢糟作为有机肥原料具有一定的优势,但需与其他原料协同使用,才能更好地发挥肥效。
白酒丢糟作为白酒酿造副产物,其残留的淀粉能有效提高乙醇产量、风味物质可增强白酒香气,其中的谷壳还能维持发酵混合物的松散度与氧气含量,助力发酵和蒸馏的进行[65]。因此,丢糟可进行二次发酵以酿造丢糟酒,但因丢糟中的部分残留物质会影响二次发酵,可通过合成微生物群落及酶制剂进行辅助发酵。黄亮等[66]将麸曲和酒母按比例混合后加入浓香型丢糟中进行丢糟酒酿造,其产酒率得到提高且丢糟酒具有浓香型白酒风格。韩雨辰等[67]为降低白酒粮耗并改善丢糟酒品质,对糖化剂与酵母发酵条件进行优化,确定以麸曲UV-11为糖化剂,选用高产酯、低产高级醇酿酒酵母PY-1,该方案可显著提高丢糟利用率,所得丢糟酒乙醇体积分数达3.4%,残留淀粉质量分数降至6.4%。张海英等[68]将分离自浓香型白酒酿造环境的酵母菌Z8Y-15和S633Y-28制备成复合菌剂,其在丢糟酒生产中展现出良好的应用潜力。宗绪岩等[69]分别采用液体糖化酶、固体糖化酶及液体复合糖化酶进行芝麻香型白酒丢糟处理,结果表明,这3种酶制剂均能有效推动丢糟中残余淀粉的转化与利用。
白酒丢糟除有机饲料、生物肥料、丢糟酒制备等资源化利用途径之外,还可依托其丰富的营养基质,结合现代微生物发酵、酶解等技术开展其他高值化利用,主要包括生物能源制备、功能成分提取、新型材料合成等方向。王苑苑[70]对菌株JZ2和酿酒酵母复合发酵产乙醇的接种条件进行优化,确定复合菌的接种方式为先接入处于最佳产酶条件下的菌株JZ2,培养24 h后再按接种比例2∶1接入酿酒酵母,该条件下发酵体系乙醇体积分数达2.3%。Tan Yongxing等[71]利用Bacillus subtilis WX-17开展丢糟固态发酵,发酵后体系内氨基酸、不饱和脂肪酸和抗氧化类物质含量得到有效提升,表明B. subtilis WX-17具有将丢糟中营养物质分解转化为其他有用成分的能力。
丢糟经微生物固态发酵,除可生成酶和多酚类等产物外,还能够合成其他有用化合物或材料。舒林等[72]以丢糟、菌糠、麸皮等为原料,添加以芽孢杆菌、酿酒酵母、屎肠球菌等混合制备的高生物活性发酵剂进行固态发酵,发酵后粗蛋白、酸溶蛋白含量、酸溶蛋白/粗蛋白比例和蛋白溶解度分别提高11.06%、95.77%、76.23%和14.84%。张小利等[73]采用复合酶制备丢糟微晶纤维素并进行结构表征发现,微晶纤维素聚合度为118,其结构呈棒状,粒径约为20 μm。Zhang Yao等[74]从大曲中筛选得到可发酵白酒丢糟释放阿魏酸的微生物菌群FA12。16S rRNA基因测序结果显示,该菌群中泰百菌属、丛毛单胞菌科、苍白杆菌属丰度较高。以丢糟为培养基长期驯化过程中,FA12的生物量、发酵液pH值及分泌的纤维素酶、木聚糖酶、阿魏酸酯酶活性均保持稳定,阿魏酸释放量可达133.77 μg/g,表明该菌群遗传稳定性良好。冯奕开[75]采用纤维素酶对丢糟进行预处理后添加米根霉进行发酵,最优发酵条件为接种量8.72%、温度39 ℃、转速230 r/min、时间60 h、硫酸铵质量分数1.41%。目前,相关技术多处于实验室优化或小试阶段,还需突破工艺规模化放大、产物分离提纯效率及成本控制等问题,以推动丢糟高值化利用技术的转化。
当前,固态法白酒丢糟的资源化利用已形成饲料化、肥料化、丢糟酒酿造、生物能源转化及高值化功能成分/新材料提取等多元技术路径。各路径在技术成熟度、经济可行性与产业应用前景方面存在显著差异,具体对比如表3所示。
表3 丢糟不同利用路径综合分析
Table3 Comprehensive analysis of different utilization pathways of distiller’s grains
利用途径技术成熟度经济可行性产业应用前景核心限制因素饲料化技到术最成高熟水度平达较高可稳实现定应大规用模标限准、存不在统抗一营、适养用因子范围问题受肥料化技术较成高熟度中等受政规模策稳驱动步增,产长业利用大周、期运长输、半产径品受体限积极丢糟酒酿造技术较成高熟度最高循主环要用,可于推酒广厂性内部强风味出调酒控率难偏度低大、生物能源技术较成高熟度中等在双发碳展政潜策力较背大景下预转处化理效成率本偏高低、功材能料成提分取/新技术较成高熟度中等偏高白展酒丢的糟重高点值方化向发提高取、工尚未艺实复杂现规、模提化纯应成本用
综合分析可知,饲料化与丢糟酒酿造是目前产业落地性最强、应用最广泛的成熟路径。肥料化契合绿色农业与“双碳”政策导向,市场规模持续稳步扩张。生物能源与高值化材料提取则是未来行业技术升级的核心突破方向,可有效提升丢糟资源化附加值,助力白酒行业实现深度碳减排与绿色转型。
在国家“双碳”战略、循环经济发展及固废污染防治要求下,白酒丢糟已从传统工业固废转为高价值生物质资源,相关政策为其资源化利用提供了刚性约束与技术导向。国家将白酒丢糟按一般工业固体废物实施规范化管理,禁止无序堆存,倡导资源化与能源化利用,优先发展多路径协同利用技术,推广绿色低碳生物处理手段,严控高污染处置途径。此外,进一步提升副产物资源化水平,推进零碳工厂及零碳园区的试点与建设。在四川、贵州、安徽等白酒主产区,地方政府已将酿酒丢糟资源化利用率纳入生态环境保护考核指标体系,并出台专项技术规范对其资源化利用全过程实施规范化管控,部分地区已将相关利用项目纳入碳减排核算范畴。在政策驱动与制度约束的双重作用下,酿酒丢糟资源化利用正逐步向低碳化、高值化、标准化与规模化方向稳步推进。以合成微生物群落、酶工程、基因工程菌株等为代表的现代微生物技术成为核心支撑,闭环产业链逐步形成,有力推动白酒行业绿色低碳转型。
白酒丢糟作为白酒酿造行业的固体副产物,年产量巨大且富含纤维素、淀粉、蛋白质、矿物质及多种生物活性物质,具备极高的资源化利用价值。传统的丢弃或焚烧处理方式既造成环境污染,又导致资源浪费,其高效利用已成为白酒行业践行绿色低碳循环发展理念的关键课题。当前,已形成多元化的丢糟利用体系,现代微生物技术在丢糟资源化利用过程中的有效应用,实现了资源回收与经济效益的双赢。同时,丢糟在其他领域的高值化利用研究也取得了显著进展,进一步拓展了丢糟的利用领域。此外,合成微生物群落的构建及其应用作为现代微生物技术的重要方向,在白酒丢糟资源化利用中也发挥重要作用,可有效提升丢糟的资源化利用效率。然而,行业仍面临定量评价标准缺失、工业化稳定性不足、高固含体系代谢机制不清、预处理-发酵协同性弱、标准体系不健全等瓶颈问题。未来结合合成生物学、微生物组学、人工智能与双碳政策导向,白酒丢糟资源化将重点围绕高效合成微生物群落理性构建与稳态调控、工程菌株定向改造、低碳高效预处理-发酵协同工艺、高值化产品深度开发及标准体系完善展开,整体向低碳化、高值化、标准化、智能化方向发展,全面助力白酒行业实现绿色低碳、高质量可持续发展。
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