《Waste Management》：Valorization of brewer’s spent grains through cascaded protein recovery and fast pyrolysis of its residues
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brewer's spent grains (BSG)通过蛋白质去除和热解联产实现价值创造，水洗联合碱法提取预处理使热解生物油产率提升至53.45%，并通过萃取分馏保留高价值酚类及2-呋喃甲醇等成分。
魏英媛|卡娅·古森斯|迪德里克·P.L. 卢梭|凯特琳·雷斯|玛塞拉·费尔南德斯·德索萨|陈建强|高鹏|吴迪|弗雷德里克·龙塞|斯特凡·吉塞尔斯
比利时根特大学绿色化学与技术系生物质热化学转化研究小组，Coupure Links 653，9000 根特
摘要
本研究通过级联蛋白质去除和热解过程，探讨了啤酒糟（BSG）的价值转化途径。具体而言，研究了BSG的快速热解及其产生的热解液体作为生物精炼中间体的潜力，并将其与经过水浸提和蛋白质提取处理后的BSG（PWBSG）进行了比较。从BSG中提取蛋白质后（蛋白质含量为4.42 wt%），获得了一份氮含量为9.17 wt%的粗蛋白组分，氮的回收率为28.72%。热重分析表明，使用氢氧化钠（NaOH）进行蛋白质去除改变了PWBSG的物理化学性质，导致左旋葡聚糖的相对峰面积减小，同时蛋白质衍生含氮化合物的峰面积也有所降低。在250 g·h?1的连续快速热解装置中进行快速热解后，BSG和PWBSG的生物油产量分别为47.27 ± 0.55 wt%和53.45 ± 1.97 wt%。通过将生物油分离为水相和有机相（EtOAc），观察到生物油的理想脱复合物效果，保留了酚类和2-呋喃甲醇等有价值的生物精炼化学品。这使得这些生物油组分成为进一步下游处理的良好原料。
引言
啤酒糟（BSG）是啤酒酿造行业最重要的副产品，占啤酒废料的85%（Nyhan等人，2023年）。其年产量超过3000万吨，其中欧洲生产了约1000万吨（Aradwad等人，2025年）。BSG主要由大麦麦芽残渣组成，富含纤维素（12–30 wt%，干基）、半纤维素（20–40 wt%，干基）、木质素（10–28 wt%，干基）和蛋白质（15–30 wt%，干基）（Plata等人，2025年）。
目前，BSG主要用作动物饲料，这种用途的价值较低，有时会被填埋处理（García等人，2025年；Sobek等人，2022年）。近年来，由于BSG含有丰富的碳水化合物和蛋白质，它逐渐被视为一种具有巨大潜力的可再生生物质原料。然而，针对其级联转化策略的研究较少。在这种方法中，蛋白质可以被回收用于高价值的应用，同时利用其他（热化学）转化技术处理脱蛋白后的残渣，从而实现资源的最大化利用（Borel等人，2020年；Maiti等人，2017年）。现有研究表明，从废弃生物质中分离出的蛋白质成分具有很高的应用和市场潜力，可用于动物饲料、生物基材料（Miserez等人，2023年），甚至人类食品系统（Saleem等人，2025年）。
在脱蛋白BSG的转化技术中，热解是一种有吸引力的方法，它可以在450至650°C的无氧条件下将任何木质纤维素材料转化为生物油，其中含有多种工业上重要的平台化学品，如左旋葡聚糖、羧酸、其他轻质氧化合物（乙二醇醛、乙酰醇）和酚类。热解还产生能量密集型的固体碳（炭）和不可凝气体（H2、CH4、CO、CO2），这些物质可用于发电并提高资源回收率（Borel等人，2018年；Brebu等人，2025年）。
研究表明，从整个BSG通过热解获得的生物油非常复杂，含有酚类、羧酸和许多蛋白质衍生的杂环化合物（Nishu等人，2024年；Sarkar等人，2024年）。此外，BSG中的矿物质和金属（包括碱金属和碱土金属（AAEMs）会显著降低碳水化合物衍生热解产物的产量，产生更多的不可凝气体。AAEMs的存在也可能作为催化剂，降低生物油的产量并影响其组成，促进低分子量有机酸的形成（Cen等人，2016年）。BSG中的高蛋白质含量是产生含氮化合物的原因，这些化合物会影响生物油的稳定性和复杂性（Chin等人，2024年）。因此，我们假设去除AAEMs和蛋白质有助于获得成分更简单的生物油，使其更容易回收。
水洗是一种简单的预处理方法，可以去除部分矿物质，包括生物质中的碱金属和碱土金属（AAEMs）（Wei等人，2022年）。Rodríguez-Machín等人（2018年）发现，水洗能有效去除AAEMs，且有机损失最小，改善了生物质的热分解性能。对于BSG而言，水洗还可以去除麦芽糖水解过程中产生的可溶性糖类。这些洗液可通过厌氧发酵用于生产沼气等其他用途（Lima Moraes dos Santos等人，2023年）。
另一方面，蛋白质提取除了能回收蛋白质外，还会改变（半）纤维素和木质素的相对浓度和结构，从而影响提取后原料的热转化性能（Junttila，2022年）。除了本研究中采用的碱性提取-酸沉淀方法外，其他蛋白质回收方法（如溶剂辅助提取或酶辅助提取）通常成本较高，难以工业化放大，且蛋白质回收率有限（Chin等人，2024年）。碱性预处理有许多优点，包括使用廉价化学品、反应条件温和以及能有效去除木质素。Arauzo等人（2019年）证明，在BSG进行水热碳化之前进行蛋白质提取会显著影响其分解行为。
目前，一些研究关注了预处理（如洗涤、烘焙和水热处理）对BSG热解行为或产物产量的影响。然而，对于经过提取处理的生物质所产生生物油的组成和加工性仍缺乏系统的比较。此外，美拉德产物在BSG中的作用及其与蛋白质去除的相互作用对生物油中含氮化合物的影响，在现有文献中仍是一个空白（Olszewski等人，2019年；Sanna等人，2011年）。从方法论的角度来看，不同的分析技术用于测定氮和蛋白质浓度时，往往没有对其适用性进行比较或评估，例如本研究中的BSG及其衍生组分。
因此，本研究以未经处理的BSG为起点，采用水洗（去除可溶性成分）结合碱性蛋白质提取（NaOH溶解后酸沉淀）的预处理方法，得到了处理后的残渣，并将其与未经处理的BSG在热解产物方面进行了比较。此外，本研究还对这种特定残渣的蛋白质分析获得了新的见解，因为并非所有氮都结合在蛋白质中。因此，这项工作为这种大量工业废料的级联转化提供了有意义的理论和实践指导。
材料
本研究使用了两批BSG，分别由Huyghe Brewery（比利时梅勒）于2024年4月4日和9月11日提供（批次1和批次2）。这两批BSG来自不同的酿造工艺，因此具有良好的比较基础。BSG颗粒的直径为6–7毫米。部分新鲜BSG（湿基）在55°C下干燥3天，得到干物质含量为18.24 ± 0.02 wt%。其余BSG按接收状态保存。
洗涤和蛋白质提取后的物质回收
所用BSG的主要成分包括纤维素（22.87 ± 0.98 wt%，干基）、半纤维素（25.35 ± 0.40 wt%，干基）、木质素（18.13 ± 0.49 wt%，干基）和蛋白质（23.30 ± 0.79 wt%，干基）。表S1总结了文献中报道的BSG典型生化组成以及本研究获得的结果（Mussatto等人，2006年；Santos, G.E.D.S.d.等人，2024年；Duarte, C.R.等人；Hori, C.E.等人；Barrozo, M.A.D.S.等人，2024年；Virdi等人，2025年）。BSG的生化组成存在差异。
结论
本研究评估了通过水洗和蛋白质提取预处理对啤酒糟（BSG）结构组成的影响。水洗部分去除了碱金属和碱土金属（AAEMs），而碱性处理进一步去除了部分半纤维素，使得PWBSG中的纤维素和木质素相对富集。在相同的实验条件下，PWBSG快速热解得到的生物油和生物炭
作者贡献声明
魏英媛：撰写——原始草稿、资源获取、方法论、研究设计、资金申请、数据分析、概念化。卡娅·古森斯：方法论、研究设计。迪德里克·P.L. 卢梭：撰写——审稿与编辑、研究设计。凯特琳·雷斯：撰写——审稿与编辑、研究设计。玛塞拉·费尔南德斯·德索萨：撰写——审稿与编辑、方法论、研究设计。陈建强：撰写——审稿与编辑、研究设计。高鹏：方法论、研究设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
魏英媛感谢根特大学（BOF NO. 01SC0523）和中国 Scholarship Council（CSC NO. 202308320048）的财政支持。吴迪感谢香港研究委员会（T21-604/19-R）和香港创新与技术委员会（ITC-CNERC14EG03）的资助。陈建强感谢江苏省高等教育机构优先学术计划开发项目（PAPD）的支持，该项目由江苏省青兰项目资助。
