蒸馏残渣的多阶段综合利用：同步生产饲料蛋白与生物甲烷的技术经济评估

《Biomass and Bioenergy》：Integrated multi-stage valorization of distiller's grains for co-production of feed protein and biomethane: A techno-economic assessment

　　

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  本研究实现了对酒糟的分级利用。
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  通过酶法发酵，该研究实现了酒糟作为饲料的利用。
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  纤维素和半纤维素的转化率分别达到了36.21%和22.08%。
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  经过这一处理后，酒糟中的真蛋白含量上升到了25.20%。
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  该技术使得将酒糟转化为饲料的经济效益几乎翻倍。

引言

全球农业和食品加工业每年会产生数十亿吨的有机副产品。这些残留物的不当处理导致了严重的资源浪费和环境恶化，成为可持续发展道路上的重大障碍[1]。在循环生物经济理念下，将这些废弃物转化为高价值产品是提高资源利用效率、减少碳足迹的有效途径。中国的白酒产业就是这一问题的典型体现[2]。作为世界上消费量最大的蒸馏酒，其年产量超过千万吨，2023年产生的酒糟这一固体副产品约有1亿吨[3]。由于含水量高且有机成分丰富，如果采用传统的填埋或随意堆放方式处理，酒糟容易引发水体富营养化、温室气体排放等环境问题。

从资源利用的角度来看，有机废弃物可以通过三种途径实现价值转化：用作饲料、用作肥料以及用作能源[4]。其中，用作肥料的途径较为成熟，且与农业生产紧密结合。但它的资源转化效率仍然较低，难以实现对蛋白质、纤维素等功能性成分的深度利用和高效转化。而用作能源的途径虽然产业链相对完整，但由于技术稳定性不足且投资回报较低，难以大规模推广。相比之下，用作饲料的途径在缓解饲料资源短缺、降低进口依赖方面具有重要的战略意义，因为它可以直接替代豆粕、鱼粉等传统蛋白质来源[5]。

从技术层面来看，发酵可以降低粗纤维含量，提高消化率，并提升真蛋白水平，从而满足动物的生长需求[6]。刘等人（2023年）的研究表明，经过发酵处理后，酒糟中的真蛋白含量从9.89%上升到了15.18%[7]。不过，这一数值仍低于豆粕（45-49%）和鱼粉（55-71%）等传统蛋白质来源[8]。为了解决这一问题，基于物理筛分的级联利用策略展现出了良好的应用前景。通过筛分，酒糟可以被分为酒糟组分和稻壳。作为高粱发酵产物的酒糟组分，其真蛋白含量可高达14.23%，相比原始酒糟有了显著提升。但由于其表面仍附着有残留的木质纤维素，要想进一步提高蛋白含量，还需要通过预处理技术有效分解这些木质纤维素屏障[9]。而被筛分的稻壳约占干酒糟总量的一半，其主要成分是粗纤维。如果通过厌氧消化将其转化为甲烷，不仅可以实现酒糟各组分的充分利用，还能大幅提升资源利用过程的整体附加值。

在发酵之前对酒糟组分进行适当的预处理，可以有效提升后续的蛋白质合成效率。目前，虽然酸处理或碱处理较为常见，但这类方法容易产生抑制性副产品，造成二次污染问题。而酶法预处理因其环保特性而备受关注[10]。纤维素酶是由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶组成的复合酶，能够将木质纤维素水解为葡萄糖、木糖等其他单糖[11]。不过，商业化的纤维素酶成本过高，不太适合用于饲料生产[12]。如果在现场通过木质纤维素废弃物进行固态发酵来生产酶，就能大幅降低酶的成本[13]。以往的研究已经证明了丝状真菌在纤维素酶生产方面的巨大潜力。与单一菌种相比，微生物群落通过协同作用能够实现更高的纤维素降解能力[14]。例如，里氏木霉分泌的纤维素酶缺乏β-葡萄糖苷酶[15]，而黑曲霉产生的内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶含量较低，而青霉菌则具有较高的β-葡萄糖苷酶活性[16]。将这三种微生物结合使用，就可以形成一种“功能互补”的微生物群落，其纤维素酶系统更加均衡高效[7]。目前大多数研究都是将酶的生产、糖化过程以及蛋白质发酵分开进行，流程繁琐，且能耗和原料消耗较高。而三阶段一体化耦合设计则将酶的生产、纤维素降解和蛋白质合成整合到一个封闭的级联系统中，大大简化了操作流程，降低了整体成本。

本研究旨在实现酒糟各组分的全面价值转化。首先通过筛分将材料分为酒糟组分和稻壳。接着对酒糟组分进行多次接种处理，在同一个反应体系中同时完成酶的生产和酶解反应，从而最大程度地释放还原糖。随后通过两步温度切换工艺将糖类转化为饲料级蛋白质，并借助蛋白质组学技术揭示了高蛋白产量的分子机制。而被分离出的稻壳则被用作厌氧消化的原料来生成甲烷，从而实现蛋白质和能源的双重回收。经济性分析也证实了该方法的可行性，为酒糟的高价值利用提供了可行的路径。

章节要点

材料与微生物来源

本研究所使用的风味浓郁的酒糟由四川省泸州老窖公司提供。这些酒糟的初始含水量为65%，随后被放入烤箱（DHG-9140A，上海正宏公司）中，在105℃下干燥24小时，最终使总固体含量达到97%。之后使用10目筛将酒糟组分与稻壳分离。分离得到的酒糟组分和稻壳再通过高速研磨机（CLF-102，中国温岭市）研磨，然后过30目筛。其中的纤维素含量，

微生物接种策略对酶活性及还原糖含量的影响

最新研究表明，里氏木霉、黑曲霉和青霉菌在纤维素酶合成过程中存在协同作用：这三种真菌会分泌互补的酶类，共同构成高效的纤维素降解系统[7]。里氏木霉是纤维二糖水解酶和内切葡聚糖酶的主要生产者，但野生型菌株分泌的β-葡萄糖苷酶含量较低，因此会导致纤维二糖积累，进而抑制进一步的降解反应[27]。而黑曲霉

结论

本研究开发出了一种能够实现酒糟各组分全面价值转化的技术。通过“酶生产-酶解反应”与温度切换固态发酵相结合的集成工艺，该技术的还原糖含量可达到210毫克/克底物（干基），纤维素和半纤维素的转化率分别为36.21%和22.08%。真蛋白含量则提升到了25.2%，远高于直接发酵所得的19.97%。而被分离出的稻壳则能产生63.4毫升/克的甲烷

CRediT作者贡献说明

白雪科：可视化处理，撰写初稿。 王世磊：撰写工作，参与审阅与编辑。 张悦：概念设计，撰写工作，参与审阅与编辑。 王希：概念设计，撰写工作，参与审阅与编辑。 嘎丽艾买提：概念设计，撰写工作，参与审阅与编辑。 孙若雅：概念设计，撰写工作，参与审阅与编辑。 杨艳妮：概念设计，撰写工作，参与审阅与编辑。 陈金萌：可视化处理。 王志：可视化处理。 刘东：概念设计，方法设计，撰写工作，参与

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

6. 致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：52200178、22308338）、河南省科技重大专项（编号：252102110055、262102111181）、国家绿色生物制造重点实验室开放项目（编号：SKLGBMOPM20250005）以及中国河南省南阳市协同创新重点计划（编号：21XTCX21001）的支持。

Xueke Bai|Shilei Wang|Yue Zhang|Xi Wang|Aimaiti Gali|Ruoya Sun|Yanni Yang|Jinmeng Chen|Zhi Wang|Dong Liu|Yafan Cai|Jingliang Xu|Hanjie Ying