《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Sustainable Valorization of Brewer’s Spent Grain: Extraction of Extracellular Biosurfactants for Potential Motor Oil Removal
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啤酒糟（Brewer's Spent Grain, BSG）作为啤酒工业的主要固体副产物，占啤酒生产总固体废弃物的约85%，通常被丢弃或用作低价值牲畜饲料。本研究评估了直接利用BSG生产胞外生物表面活性剂提取物的潜力，无需外部营养补充，仅依靠其原生微生物群。研
啤酒糟（Brewer's Spent Grain, BSG）作为啤酒工业的主要固体副产物，占啤酒生产总固体废弃物的约85%，通常被丢弃或用作低价值牲畜饲料。本研究评估了直接利用BSG生产胞外生物表面活性剂提取物的潜力，无需外部营养补充，仅依靠其原生微生物群。研究人员采用乙酸乙酯进行液-液萃取，并设置浸麦（steeping）工艺（37°C，15天）与对照处理进行比较。结果表明，经浸麦处理后，BSG提取物得率从3.41 ± 0.65 g/L提高至6.95 ± 0.54 g/L（提高103%），最低表面张力达29.1 mN/m，临界胶束浓度（CMC）为0.32 g/L。经灭菌处理的BSG未显示产率提升，证实浸麦过程中原生微生物群对表面活性化合物产生的贡献。通过元素分析、ATR-FTIR、GC-FID和MALDI-TOF/MS等多种表征手段，研究人员发现该提取物主要由糖脂类和磷脂类化合物组成。功能评估显示，在相同质量浓度（1 g/L）下，该提取物对废机油的乳化活性（约80% EV）、乳液稳定性（15天后约58% ES）和润湿性能（接触角19.77° ± 0.49°）均优于或相当于合成表面活性剂（SDS、CTAB、Tween 20）。油位移试验表明，该提取物在24小时后产生46.38 ± 1.76 cm2的清除面积，约为培养皿总面积的92%。本研究首次证明了未经发酵控制的BSG可直接增值为功能性生物表面活性剂提取物，为循环生物经济框架下 agro-industrial 废弃物的可持续利用提供了新途径。
**1. 研究背景、现存问题与研究目的**
啤酒酿造是全球主要农业工业部门之一，2024年全球啤酒产量约达1830亿升，欧盟产量为347亿升。啤酒糟（Brewer's Spent Grain, BSG）是啤酒生产过程中产生的主要固体副产物，约占酿造行业固体废弃物总量的85%，通常被丢弃或仅用作低价值牲畜饲料。BSG营养成分丰富，一般含15–30%蛋白质、30–50%粗纤维、4–10%脂质、2–4%灰分及10–25%残余碳水化合物，其矿物组分以钙、磷、镁、钾为主，并富含酚类化合物。从生化角度看，BSG中的甘油三酯和磷脂等脂质分子虽浓度较低，但有助于衍生产品的乳化和泡沫稳定等功能特性。凭借均衡的营养组成和生化复杂性，BSG被视为循环生物经济框架下有前景的增值底物。
已有文献报道从农业工业废弃物中分离具有产表面活性剂（Biosurfactants, BS）能力的微生物。BS是微生物产生的次级代谢产物，能够降低水的表面张力，与合成表面活性剂相比具有生物可降解性、低毒性等优势。此前研究已证实玉米浆液（Corn Steep Liquor, CSL）、橄榄油厂废液（Olive Mill Waste, OMW）和乳清等富含营养的农业食品工业残留物可直接作为生物表面活性剂的来源进行自发提取。在不同废弃物中，表面活性化合物的化学组成及胞外/胞内分布决定了最适提取方法及所得提取物的功能表现。此前虽有研究将BSG作为底物，在受控发酵条件下促进特定微生物菌株生产BS，但直接从自发浸麦的BSG中回收富含生物表面活性剂的提取物，依赖其原生微生物群且无需外部营养补充的途径尚未得到充分探索。因此，本研究旨在评估BSG直接生产胞外生物表面活性剂提取物的潜力，并对其表面活性、润湿性、乳化能力及油扩散能力进行系统评价。
**2. 研究内容与结论**
研究人员以西班牙巴塞罗那La Pirata Brewing提供的BSG（总固体含量79% w/w）为原料，采用乙酸乙酯萃取法回收胞外生物表面活性剂提取物。设置了浸麦处理（25% w/w固含量，37°C，15天）与对照处理（1小时，22°C）比较，同时设置了高压灭菌（121°C，15分钟）的对照实验以评估原生微生物的贡献。萃取采用BSG与乙酸乙酯1:3（w/v）比例，在22°C、210 rpm条件下振荡1小时，随后经旋转蒸发去除溶剂。对所得提取物进行了系统表征：采用元素分析仪测定C、N、H、S含量，以杜波伊斯法测定总糖含量，利用衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析官能团并与商业生物表面活性剂进行Pearson相关性比较，通过气相色谱-火焰离子化检测（GC-FID）分析脂肪酸组成，并利用基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）及MS/MS分析分子质量分布和结构信息。功能评价包括表面张力与临界胶束浓度（CMC）测定、油位移试验、接触角润湿性评估和乳化活性及稳定性测试。
研究得出以下结论：浸麦工艺使BS提取物得率提高103%（从3.41 ± 0.65 g/L升至6.95 ± 0.54 g/L），而灭菌处理未显示产率提升，证实原生微生物群在BS产生中的关键作用。提取物最低表面张力达29.1 mN/m，CMC为0.32 g/L。元素分析显示提取物含碳量高（64.66 ± 0.15%）、氮含量极低（0.20 ± 0.01%），总蛋白约1.25%，总糖为2.27 ± 0.03%，表明以脂质类化合物为主。ATR-FTIR分析显示与商业槐糖脂相似度最高（相关系数r
p = 0.83），其次为磷脂酰胆碱（r
p = 0.78）。GC-FID脂肪酸分析表明亚油酸（C18:2）占50.91%，棕榈酸（C16:0）占28.69%。MALDI-MS/MS分析中，前体离子m/z 522.585和758.544产生m/z 184的特征碎片离子，与磷酸胆碱头基一致，支持磷脂酰胆碱类化合物的存在。功能评估显示，BS提取物在1 g/L浓度下对废机油表现出优异的乳化活性（约80%EV）和长期稳定性（15天后约58%ES），优于SDS和Tween 20。在润湿性测试中，BS提取物使水接触角达48.4° ± 1.2°，对机油接触角降至19.77° ± 0.49°，表现出良好的表面改性能力。油位移试验中，24小时后BS提取物清除面积达46.38 ± 1.76 cm2（占培养皿总面积约92%），与CTAB相当并优于SDS和Tween 20。
**3. 结论**
本研究证明啤酒糟可直接增值利用，无需添加营养补充剂即可从原生微生物群中获得具有显著表面活性的胞外生物表面活性剂提取物。浸麦预处理显著提高了生物表面活性剂产量，归因于原生微生物生长的刺激。提取物经元素分析、糖含量测定、ATR-FTIR和MALDI-MS/MS联合表征，证明含有磷脂类和糖脂类多种两亲性生物化合物。在相同质量浓度下（高于各自CMC），该提取物对废机油展现出良好的乳化、润湿和油驱替性能，其中乳化活性优于所评价的商业表面活性剂，机油润湿性优于SDS和CTAB。研究结果证明了BSG粗提物的功能潜力，但需注意其相对性能取决于具体测试方法和参考表面活性剂，结果应视为在相同质量剂量下的功能性基准比较而非固有优越性的证据。未来研究应评估不同来源的独立BSG批次以确认工艺可重复性，并对微生物群落进行深入表征以理解参与产物的微生物及化合物性质，为工艺放大提供支撑。
