《Bioresource Technology》：Techno-economic analysis of protein concentrates production from brewer’s spent grains
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•啤酒糟蛋白的最低销售价格范围在 2.4–8.8 美元/千克之间。•碱提蛋白在成本上与商业植物蛋白具有竞争力。•产品得率、处理能力和原料成本是主要的成本驱动因素。•理论上，蛋白的最低销售价格可降低至 1.0 美元/千克。引言啤酒糟（BSG）是使用大麦生产啤酒的主要副产品，约占
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啤酒糟蛋白的最低销售价格范围在 2.4–8.8 美元/千克之间。
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碱提蛋白在成本上与商业植物蛋白具有竞争力。
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产品得率、处理能力和原料成本是主要的成本驱动因素。
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理论上，蛋白的最低销售价格可降低至 1.0 美元/千克。
引言
啤酒糟（BSG）是使用大麦生产啤酒的主要副产品，约占酿酒行业产生的所有固体残留物的 85%（Mitri 等人，2022）。通常，每百升（100 升）啤酒生产产生约 20 千克 BSG，导致全球每年生产的 BSG 估计为 3580 万吨（Beltrán-Borbor 等人，2025，Naibaho 等人，2024）。尽管含有多种高价值成分，包括 20–30 重量%蛋白质，70 重量%膳食纤维，以及 2 重量%酚类化合物（Santos 等人，2003），BSG 仍然被严重未充分利用。约 70% 的 BSG 用作低价值动物饲料，10% 用于沼气生产，其余 20% 被处置到垃圾填埋场，在那里它产生温室气体并给啤酒厂带来额外的处置成本（Xiros & Christakopoulos，2012）。因此，开发技术对这一有价值副产品进行升级利用至关重要。
BSG 的蛋白部分特别具有吸引力。BSG 蛋白质含量（20–30 重量%）几乎是未处理大麦的两倍，且比其他谷物高达 70%（Santos 等人，2003，Virdi 等人，2025）。这种富集激发了对 BSG 作为蓬勃发展的植物蛋白市场的可持续蛋白来源的研究兴趣。然而，由于其木质纤维素基质，从 BSG 中有效回收高纯度蛋白变得复杂。纠结的纤维结构物理性地包裹了蛋白质，阻碍了其在提取过程中的释放。因此，确定能够同时提供高得率和高纯度的经济有效方法仍然是一个核心挑战。
最常见的研究台式方法是碱提、酶提和酸提（Devnani 等人，2023，He 等人，2021，Jaeger 等人，2021）。其中，结合等电点沉淀的碱提是最广泛采用的，因为其程序简单且快速（Devnani 等人，2023）。据报道，在此方法下，BSG 的蛋白提取得率（15–82%）和纯度（37–69%）范围很宽，取决于工艺条件（Devnani 等人，2023，Gómez-Camacho 等人，2022）。酶提已被探索作为一种更温和的替代方案，避免了苛刻的化学品。该方法采用蛋白酶特异性地分解蛋白质，为从复杂生物质基质中释放蛋白质提供了高特异性（Connolly 等人，2019）。酸提提供了第三条途径，其性能因酸类型而异。硫酸等强酸针对半纤维素水解和细胞壁破坏，而醋酸对 BSG 显示出特别的有效性，因为其低介电常数 6.1 有助于疏水性储存蛋白（如 BSG 中的大麦醇溶蛋白和谷蛋白）的溶解（Taylor 等人，2005）。
尽管在台式规模改进 BSG 蛋白得率和纯度方面投入了大量努力，但这些提取技术向工业实施的过渡仍然因技术经济可行性不明确而受阻。只有少数研究应用技术经济分析（TEA）来评估从农业材料中提取蛋白的各种工艺（Barrios 等人，2022，He 等人，2021）。例如，Barrios 等人（2022）调查了使用微波辅助碱提从 BSG、用过的咖啡渣和羽衣甘蓝茎中回收蛋白的经济可行性，而 He 等人（2021）展示了一种简单且经济有效的湿法分级工艺从 BSG 中提取蛋白（Barrios 等人，2022，He 等人，2021）。尽管这些研究提供了对植物蛋白加工主要技术挑战和策略的宝贵见解，但先前的研究优先考虑蛋白得率和产品成本降低，而未考虑蛋白纯度和功能性。例如，尽管 He 等人研究中报告蛋白产品的最低销售价格低至 1.0 美元/千克，但最终产品中的蛋白质浓度仅为 47%，这将限制其在许多食品应用中的使用。此外，大多数现有研究孤立地检查单一提取方法，在一致假设下缺乏跨方法比较限制了其在工业决策中的效用。
据我们所知，没有先前的研究使用一致的蛋白质质量规格比较过多种提取方法的经济性能。为了解决这一差距，本研究进行了深入的 TEA，以系统评估三种工业相关的提取途径（即碱提、酶提和酸提），用于从 BSG 生产蛋白浓缩物。本研究旨在确定将 BSG 增值为适合食品应用的蛋白产品的最具经济可行性的路线。此外，进行敏感性和情景分析，以提供可操作的指导，优化生产经济并降低最低蛋白销售价格（MPSP）。这些结果共同为放大决策提供信息并推进源自酿酒废物的功能性蛋白原料的商业化。本研究通过将台式优化转向具有特定标准的工业规模评估，推动可持续植物蛋白生产和食品副产品增值。通过比较具有相同产品质量规格的不同提取路线，本研究的关键发现为工业实施提供了更实用的指导，而不是基于粗蛋白回收或低成本但低纯度蛋白产品的比较。除了 BSG，此 TEA 框架也可应用于其他农业副产品的蛋白生产。
章节摘要
工艺设计与模拟
由于含水量高，BSG 易受微生物腐败影响且运输成本高。因此，湿 BSG 最好在啤酒厂附近使用。在本研究中，假设工厂与马萨诸塞州的一家大型啤酒厂共址，年产啤酒约 750 万桶。进一步假设收集啤酒厂产生的 80% BSG，相当于年处理能力为 140,760 吨湿啤酒糟
质量平衡
整体质量平衡已量化，以基于 Aspen Plus 模拟（图 2）评估整个工艺中的物质流。在情景 1（碱提）中，140,760 吨/年的磨碎 BSG 与 52,280 吨工艺水和 665 吨 NaOH 混合，形成 pH 11 的 17% 固体浆料。经过提取和下游加工，工艺产出 4,411 吨/年的蛋白浓缩物（蛋白纯度为 60%），相当于干基产品得率为 15%
结论
本研究评估了通过碱提、酶提和酸提方法生产啤酒糟蛋白的经济可行性，分别产生最低销售价格 2.4 美元/千克、4.2 美元/千克和 8.8 美元/千克。碱提被证明是最具成本竞争力的方法；尽管实现了中等生产得率（15%）和纯度（60%），但它最小化原料和能源成本，以产生与当前植物蛋白市场高度竞争的最低销售价格
CRediT 作者贡献声明
李一林：写作 – 审核与编辑，写作 – 初稿，验证，方法论，调查，形式分析，数据管理。肖若实：形式分析，数据管理。扎克·麦卡弗里：数据管理。罗纳德·哈夫：写作 – 审核与编辑。纳西卜·库里希：写作 – 审核与编辑。许一鸣：写作 – 审核与编辑，资源，概念化。黄海波：写作 – 审核与编辑，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，资金
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。
致谢
该项目由美国农业部（USDA）农业研究服务局（ARS）非援助合作协议（NACA）58-2030-4-081 资助。作者还感谢弗吉尼亚农业实验站的支持。作者感谢帕特里夏·威廉姆斯对本研究中分析氮含量的支持。
李一林 | 肖若实 | 扎克·麦卡弗里 | 罗纳德·哈夫 | 纳西卜·库里希 | 许一鸣 | 黄海波
