《Food and Bioproducts Processing》：Upcycling of Brewing Byproducts into the Brewing Process: a Sustainable Beer Brewing Approach
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摘要：啤酒作为全球消费量最大的饮品之一，其大规模生产需消耗大量能源与原料。当前酿酒行业面临的可持续发展挑战主要包括能耗、运输、包装及副产物资源化(valorization)。本研究探讨将酿造副产物重新引入生产循环以酿制新啤酒的可行性——糖化(mashing)阶
摘要：啤酒作为全球消费量最大的饮品之一，其大规模生产需消耗大量能源与原料。当前酿酒行业面临的可持续发展挑战主要包括能耗、运输、包装及副产物资源化(valorization)。本研究探讨将酿造副产物重新引入生产循环以酿制新啤酒的可行性——糖化(mashing)阶段重新投加经干燥的啤酒麦芽糟(Brewers' Spent Grains, BSG)，麦汁煮沸(wort boiling)阶段使用其他批次的啤酒花糟(Spent Hops, SH)进行酒花添加(hopping)，发酵(fermentation)阶段采用前批次回收的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。研究人员所得饮品各项理化参数与经典啤酒相当，消费者测试表明最终产品具有较高接受度。
论文解读：《Upcycling of Brewing Byproducts into the Brewing Process: a Sustainable Beer Brewing Approach》发表于《Food and Bioproducts Processing》
一、研究背景与意义
啤酒工业每生产1 hL啤酒约产生14～20 kg湿啤酒麦芽糟(Brewers' Spent Grains, BSG，占酿造废弃物的85%)、相应比例的酒花糟(Spent Hops, SH)及可多次回用的酿酒酵母(spent yeast)。传统上BSG多用于低值饲料、堆肥或能源回收，SH常作废弃物处理，而酵母通常在3～10代后丢弃。这些副产物仍含可利用的残留异构α-酸(iso-α-acids)、多酚(polyphenols)、纤维素半纤维素及蛋白质等。在循环经济(circular economy)背景下，将其直接回掺入酿造流程实现升级回收(upcycling/valorization)兼具减废、降耗与潜在风味增益意义，但目前缺乏同时整合三类副产物于同批次酿造的系统性研究，此即本工作开展的动因。
二、主要关键技术方法
研究人员采集波兰Wroc?aw理工大学中试酿造线产出的干燥BSG及本地酒厂Hazy IPA产SH、市售Simcoe鲜酒花(fresh hops)，以常规麦芽为对照。①酒花表征：水煮/酸/碱提取结合傅里叶变换红外光谱(FTIR-ATR)与高效液相色谱(HPLC-UV, 314 nm, C18柱, ICE-3标曲)测定α/β-酸及苦味值(IBU, MEBAK 2.17.1, A275×50)。②糖化(Mashing)优化：筛分BSG粒度；分别做国会糖化法(Congress Mashing, EBC 4.5.1)单用BSG、BSG与麦芽1:1混用、纯麦芽对照，及不同浓度无机/有机酸水解；采用Box-Behnken响应面法(RSM)优化45℃/62.5℃/72.5℃三段保温时长，以麦汁溶解糖浓度(°Brix, 折射仪换算比重SG)为响应值，ANOVA验证模型。③快速发酵试验测可发酵糖。④70 L中试酿造：麦芽与BSG各7 kg(1:1 w/w)按优化糖化工况(62.5℃ 60 min→72℃ 22 min→78℃ 10 min, pH 5.5 H3PO4调酸)，煮沸初加280 g SH续加鲜酒花，下发酵回收酵母12℃主酵+2℃后熟。⑤成品酒理化：原浓/终浓(°Brix, DMA 38密度计)、色度(EBC, A430×25)、苦味(IBU)、乙醇(GC-FID, ZB-WAXplus柱, FID检测)、总酚(Folin-Ciocalteu法, mg GAE/L)、挥发性有机物(VOCs, GC-FID定性)。⑥消费者感官评价(QDA定量描述分析与可接受性是/否, n=39, 与商品拉格盲测对照, χ2与Mann-Whitney U检验)。
三、研究结果
3.1. BSG Characterization（BSG表征）
BSG经粉碎后62%颗粒＜0.5 mm，与大田报道一致；未粉碎大颗粒在中试过滤(lautering)时可充当助滤层，无堵塞问题。
3.2. Spent Hops Characterization（酒花糟表征）
FTIR-ATR显示SH与鲜酒花谱图相似但吸收略降低，表明部分苦味物质与精油已在首轮煮沸中转入麦汁。HPLC证实SH中无未异构化α-酸(≤3%残留)及β-酸(≤2%残留)，但含已异构化的iso-α-acids，实测IBU达205(鲜酒花285)，说明SH仍可提供显著苦味，适合回用于煮沸阶段赋予基础苦感，香气则需补加少量鲜酒花。
3.3. Mashing Optimization（糖化工艺优化）
国会糖化表明纯BSG溶出糖仅3.22 °Brix，BSG+麦芽(1:1)升至5.90 °Brix，证明麦芽中α/β-淀粉酶(amylases)可水解BSG残留糊精/非淀粉多糖释放可发酵糖；稀酸(0.1 M H3PO4/H2SO4)替代水反而抑制密度法测糖且还原糖不高，浓酸水解虽提产还原糖但有抑制物与腐蚀性问题，故弃用酸预处理。RSM模型R2=0.713, plack-of-fit=0.066拟合良好，预测最优为45℃ 60 min + 62.5℃ 60 min + 72.5℃ 22.5 min可得7.08 °Brix(95% CI 6.78–7.37)；验证实验得6.91 °Brix落于区间内。因45℃段影响最小，省去该段实测溶出糖7.04 °Brix，为节能在大生产中省略45℃段。不同批次BSG验证糖化溶出在6.20–7.33 °Brix间波动，工艺具鲁棒性。快速发酵证实麦汁含平均5.31 °Brix可发酵糖，可被酵母代谢。
3.4. Large-scale Brewing（中试规模酿造）
70 L批次糖化终麦汁原浓9.0 °Brix，过滤速率0.84 dm3/min(接近小麦啤酒)，无异常。发酵进程正常，终乙醇5.01% (v/v)，发酵度(degree of fermentation)达78%(高于对照比尔森69%、淡艾尔68%)，归因于较充分糖化及BSG提供额外可发酵底物。
3.5. Beer Characterization（啤酒理化与风味特征）
测试酒：色度27±1 EBC，苦味68±1 IBU，pH 5.047±0.26，乙醇5.01±0.10% (v/v)，残糖2.00±0.20 °Brix，总酚472±31 mgGAE/L。对照商业拉格：11±1 EBC，19±1 IBU，pH 4.366±0.21，乙醇5.20±0.10% (v/v)，残糖1.72±0.20 °Brix，总酚303±29 mgGAE/L。测试酒色深、苦度高、总酚显著升高(来自BSG木质素相关多酚与SH黄腐酚xanthohumol等)，属美式IPA(American IPA)典型范围。GC-FID检出共有VOCs含乙醇、双乙酰(diacetyl)、活性戊醇(active amyl alcohol)、异戊醇(isoamyl alcohol)、乙偶姻(acetoin)、乙酸(acetic acid)及苯乙醇(2-phenylethanol)，未见超出阈值异味物质。
3.6. Consumer Testing（消费者感官测试）
82%受试者接受测试酒(商业拉格92%)，χ2检验(p=0.310)表明接受率无显著差异。整体风味评分测试酒均值6/10低于商业酒7/10(Mann-Whitney U, p=0.003)。QDA雷达图显示测试酒苦味(p<0.001)与草本香气(p=0.0027)显著高于对照，甜感显著低(p<0.001)，其余属性无差异。感官轮廓近似美式IPA，说明升级回收配方产生可辨识craft风格且主体受众可接受。
四、讨论与结论（译自Conclusions）
本研究评估了将啤酒麦芽糟(BSG)与酒花糟(SH)回掺至酿造流程的可行性，目标为确认副产物作酿造原料潜力、优化非常规糖化/酒花工艺并表征成品酒。SH保留足量异构α-酸(iso-α-acids)可在煮沸阶段贡献苦味与酒花特征；BSG在新鲜麦芽酶作用下于糖化中释放可发酵糖，呈协同增效。酸预处理或酶辅助糖化未优于常规糖化。最优糖化为62.5℃保温60 min继以72.5℃ 22.5 min，可使麦汁可发酵糖最大化。基于上述条件并采用回收酵母完成70 L中试，产出啤酒理化性质可比肩部分精酿风格(68 IBU, 27 EBC, 472 mg GAE/L总酚)。消费者测试中升级回收啤酒接受率达82%，与商业拉格无统计学差异(χ2检验, p=0.310)，感官具高苦味、草本香及清爽口感，契合酒花导向精酿消费群。研究表明BSG与SH可有效回用于酿造以生产感官可接受之啤酒，践行循环经济原则，在不减损品质前提下实现酿造副产物增值，为商业化可扩展之闭环酿造工艺奠定基础。
