《Food Chemistry》：A comprehensive biorefinery process for valorising brewers' spent grains using conventional and deep eutectic solvents
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•整体性啤酒糟生物精炼厂生产了多种高价值产品流。•超声处理提高了氢氧化钠中蛋白质和阿拉伯木聚糖的回收率。•氢氧化钠回收了67%纯度的蛋白质和90%纯度的阿拉伯木聚糖。•果胶解聚脱支了阿拉伯木聚糖，并增加了结合态酚类物质的回收量。•生物精炼实现了啤酒糟的整体转化，支持循环生物经
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整体性啤酒糟生物精炼厂生产了多种高价值产品流。
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超声处理提高了氢氧化钠中蛋白质和阿拉伯木聚糖的回收率。
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氢氧化钠回收了67%纯度的蛋白质和90%纯度的阿拉伯木聚糖。
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果胶解聚脱支了阿拉伯木聚糖，并增加了结合态酚类物质的回收量。
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生物精炼实现了啤酒糟的整体转化，支持循环生物经济。
引言
利用农业食品生物质作为原料生产一系列高价值产品的生物精炼工艺，支持了农业和食品加工行业向循环经济和更可持续的粮食系统转型。通过整合预处理、分离分级以及下游分离纯化技术，生物精炼厂通过回收具有多样化工业应用和经济潜力的有价值成分和生物活性化合物，最大化了生物质的价值。
啤酒糟是啤酒酿造过程中麦汁生产后残留的副产物，约占整个啤酒工业副产物的85%。由于其全年大量且廉价或免费地供应，啤酒糟因可转化为高价值产品而受到关注（Mussatto等，2006）。全球每年约产生3800万吨啤酒糟，其中大部分被用作低价值动物饲料、焚烧用于能源生产或作为废弃物填埋处理（Mussatto，2014）。啤酒糟由非淀粉多糖组成，约占30–50%，包括纤维素（12–25%）和半纤维素（20–25%），蛋白质（19–30%），木质素（12–28%）和脂质（10%）（Lynch等，2016；Steiner等，2015）。基于这一组成，啤酒糟是一种典型的木质纤维素生物质，具有木质化的植物细胞壁，其完整的结构复杂性应在开发有效的啤酒糟生物精炼工艺时予以考虑。
可以开发一种啤酒糟生物精炼工艺，以针对特定高价值产品用于专业化的工业应用。基于啤酒糟中结构大分子的技术功能特性，可以生成高价值生物精炼产品，用于制药、营养保健、食品、生物材料和农业工业。例如，半纤维素结构域由支链阿拉伯木聚糖和无支链（1–3,1–4）-β-D-葡聚糖组成，这些物质与有益健康的特性相关，被用作益生元，因其能够降低与心血管疾病相关的血浆胆固醇水平、调节血糖和血脂，并增强整体代谢健康和免疫系统功能（Steiner等，2015）。阿拉伯木聚糖及其衍生的水解物因其理想的凝胶化、增粘和乳化特性，可用于不同工业中的有价值成分，这些特性对于改善质构、提高油包水乳状液的物理和氧化稳定性至关重要（Li，2024）。啤酒糟蛋白被应用于食品配方中以提高营养价值，并作为植物基蛋白来源和烘焙产品、肉类及零食中的脂肪替代品（Naibaho等，2024；Nyhan等，2023）。纤维素被用作复合聚合物中的结构构建块，用于可生物降解包装应用（Qazanfarzadeh等，2024），以及其他工业应用。啤酒糟中的生物活性化合物以结合态酚类物质为主，这些物质源自阿拉伯木聚糖与木质素的解耦。这些酚类物质（包括阿魏酸和香豆酸）具有抗氧化、抗菌和抗炎特性（Nkurunziza等，2025），可用于化妆品和营养保健配方中。通过生物精炼回收这些高价值成分可以为不同行业创造新的经济机会。
此前，已提出利用不同预处理技术释放细胞壁成分的生物精炼工艺，将啤酒糟转化为有价值的产品。一种序贯生物精炼工艺利用不同浓度的碱（氢氧化钾或氢氧化钠）将啤酒糟转化为蛋白质和阿拉伯木聚糖，分别获得了82–85%和66–73%的啤酒糟蛋白质和阿拉伯木聚糖回收率，并以富含纤维素的残渣作为副产品（Vieira等，2014）。一种利用热稀酸预处理后进行酶解的级联工艺，在分别富集的组分中获得了31.5%（w/w）的蛋白质含量和超过80%的总纤维含量（Castilla-Archilla等，2024）。微波辅助预处理已被提出用于啤酒糟生物精炼，首先靶向阿拉伯木聚糖，然后利用纤维素酶和Clostridium beijerinckii发酵生产丁醇（López-Linares等，2020）。此外，针对增值食品原料（Castilla-Archilla等，2024）、生物能源和肥料（Sganzerla等，2021）的啤酒糟生物精炼工艺也已被研究。
然而，在开发能在温和加工条件下最大化高价值成分回收的生物精炼工艺方面仍存在差距。"绿色"溶剂（如深共晶溶剂（DES））的使用以及温和的传统工艺带来了新的机遇。先前的研究表明，某些深共晶溶剂在细胞壁解构方面具有选择性（Hou等，2018），可以释放使用传统溶剂工艺无法获得的独特化合物（Nkurunziza等，2025）。这种选择性可以在生物精炼中被利用以回收独特产品。
因此，本研究的目标是设计一种整体性生物精炼工艺，将啤酒糟生物质广泛转化为高价值富集组分。为此，本研究采用了使用氢氧化钠的传统碱提取方法、超声辅助深共晶溶剂预处理以及下游分离纯化技术，以提高蛋白质、阿拉伯木聚糖和富含生物活性酚类的组分回收率。利用尺寸排阻色谱法和质谱法对阿拉伯木聚糖和释放的结合态酚类进行结构表征，以了解细胞壁解构的机理，为进一步的工艺改进提供依据。本工作在生物质增值方面具有重要意义，将研究重点从靶向提取单一高价值产品转向整体性增值。
章节摘要
化学试剂与原料
本研究所用水首先使用Milli-Q系统（Millipore，Bedford，MA，USA）进行纯化。氯化胆碱（C5H14NO·Cl，139.62 g.mol?1，≥ 98%）、马来酸（C4H4O4，116.07 g.mol?1，≥ 99%）、氢氧化钠（NaOH）、己烷（95%）、丙酮、甲酸和乙腈购自Sigma-Aldrich（St. Louis，MO，USA），盐酸（HCl）购自Merck（Darmstadt，德国）。
啤酒糟样品
新鲜啤酒糟样品于酿造当天采集（100%大麦，无辅料），
结果与讨论
本研究开发了一种概念性生物精炼工艺，利用啤酒糟预处理、分离分级和下游分离工艺，如图1和图2所示。这些图展示了两种方案，变量分别使用碱性或深共晶溶剂，同时考虑使用超声预处理。氢氧化钠浓度的选择基于蛋白质从啤酒糟中最佳提取的pH依赖性研究（da Silva等，2023），以及其对细胞壁酯键的有效断裂作用
结论与未来展望
本研究展示了一种整体性生物精炼概念，将啤酒糟转化为一系列高价值生物产品。生物精炼回收了五个组分：油脂、蛋白质、阿拉伯木聚糖、酚类物质和纤维素不溶性物质。在传统的（氢氧化钠）生物精炼中，主要目标富集组分的产率——包括蛋白质和阿拉伯木聚糖——通过超声预处理得到了显著提高，分别增加了21%和27%（w/w）。然而，蛋白质回收率的改善
CRediT作者贡献声明
David Nkurunziza： 撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、方法学、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。Tara Pukala： 撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、项目管理、方法学、形式化分析。Vincent Bulone： 撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、项目管理、方法学、经费获取、形式化分析、概念构思。Bryan R. Coad： 撰写——审阅与编辑、监督，
未引用参考文献
Li, Chen, Zeng and Li, 2024
利益冲突声明
作者声明以下可能存在潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Vincent Bulone报告了通过南澳大利亚产业、创新与科学部农业产品开发研究联盟提供的资金支持。Tara Pukala报告了通过南澳大利亚产业、创新与科学部农业产品开发
致谢
本研究由南澳大利亚产业、创新与科学部通过农业产品开发研究联盟向V.B.和T.L.P.提供的资助支持。作者感谢Coopers啤酒厂（南澳大利亚）的Doug Stewart博士提供本研究中使用的新鲜啤酒糟样品以及富有成效的讨论。D.N.是阿德莱德大学研究奖学金获得者。
David Nkurunziza|Tara Pukala|Vincent Bulone|Bryan R. Coad
