啤酒酿造后废弃谷物的价值化：以法国啤酒酿造生物资源为例的案例研究

《Bioresource Technology Reports》：Brewer's spent grain valorisation: A case study of French brewing bioresource

本研究分析了法国647家啤酒厂的大麦麸（BSG）生产与再利用，发现工业啤酒厂BSG产量更高，主要途径为动物饲料（85.9%）、沼气（10%）和堆肥（2.8%）。运输距离平均11公里，价格工业厂55.9欧元/吨，小厂负值。研究探讨了机遇、挑战及环境影响。

　　

Sacha Pérocheau Arnaud

雷恩大学，法国国家科学研究中心（CNRS），ISCR-UMR 6226，雷恩高等国家化学学院，F-35708，雷恩，法国

摘要

本研究调查了法国647家啤酒厂的啤酒酿造副产物（BSG）的生产和利用情况，包括啤酒和BSG的产量、利用方式、运输方式及价格。加权平均BSG产量为每生产1000升啤酒产生0.024吨BSG，不同规模啤酒厂的产量差异较大。主要的BSG利用途径（按重量百分比计算）包括：动物饲料（85.9%）、沼气生产（10%）、堆肥（2.8%）和热能生成（0.9%）。94%的啤酒厂免费提供BSG，其运输距离平均为11公里。BSG的加权平均价格为35.2欧元/吨；大型啤酒厂的售价为55.9欧元/吨，而小型啤酒厂的售价低至-3.4欧元/吨。文中还讨论了BSG利用的相关机会、挑战以及环境和经济影响。

引言

据估计，全球啤酒年产量约为18.2亿升（2021年数据），其中欧洲的产量就超过了5亿升（Zeko-Piva?等人，2022年）。然而，啤酒酿造过程中会产生一些副产物，这些副产物根据其处理方式不同可被视为废物或生物资源：啤酒酿造副产物（BSG）、废弃啤酒花或热固性残渣以及废弃酵母。BSG是主要的副产物，占所有啤酒副产物的85%（Jackowski等人，2020年）。据研究，每生产100升啤酒大约会产生20公斤BSG（Lisci等人，2022年；Onofre等人，2017年；Thomas和Rahman，2006年），因此全球BSG的年产量约为3900万吨，欧洲为340万吨（Lynch等人，2016年）。根据Procentese等人（2019年）的研究，BSG在欧盟所有农业食品废弃物中占比最高（41.64%），这表明高效利用BSG具有重要意义。

尽管BSG的成分会因麦芽类型和酿造工艺的不同而有所波动，但其总体特征是碳水化合物和蛋白质含量较高。Pérocheau Arnaud通过对38篇文献的元分析发现，BSG各成分的比例范围较广：半纤维素平均含量为28.8%，蛋白质为22.3%，纤维素为21.3%，木质素为15.7%，脂类为8.1%，灰分为3.8%（Pérocheau Arnaud，2024年）。

由于其丰富的成分，BSG可作为有价值的生物质资源，可用于动物饲料或人类食品。据Bianco等人（2020年）的研究，BSG的主要利用途径是作为动物饲料（70%），其次是填埋（20%）和沼气生产（10%）。填埋方式的环境影响约为每吨BSG产生513公斤二氧化碳当量（Kavalopoulos等人，2021年），如果BSG进入水体，还可能对动植物造成危害，因此需要开发更有效的利用方法和物流系统。BSG的其他用途还包括热能生成（Arranz等人，2021年）、木炭生产、纸张制造、污染物吸附剂、微生物培养基、复合材料填充剂或土壤肥料（Hejna等人，2021年；Mussatto等人，2006年）。此外，由于其富含木质纤维素的成分，BSG还可能用于单体和聚合物合成，从而实现更高价值的利用（Pérocheau Arnaud，2024年）。不过，要实现经济上的可行性，还需开发高效的合成工艺和生物精炼技术（Agrawal等人，2023年），并且需要制定全面的规模化策略（Labelle，2018年）。通过多种途径利用BSG有助于减少对其他原材料的依赖，保护环境、维护生物多样性，并促进可持续生产和消费（Labelle，2018年）。

然而，BSG的水分含量较高（70%至80%），这不仅导致其易变质，也给物流运输带来挑战。其保质期根据储存条件不同为2至10天（Bianco等人，2020年）。Arnold等人（1991年）指出，受污染的BSG必须进行焚烧处理。虽然可以通过机械压榨将水分含量降至约60%（Terefe，2022年），但还需采取其他方法延缓其降解。常用的干燥方法包括对流干燥（Arranz等人，2018年）、红外干燥（Thai等人，2022年）或太阳能干燥（Arranz等人，2021年），但后者需要较长的干燥时间。对流干燥的干燥效率最高，但会对环境造成较大影响（Pérocheau Arnaud，2024年）。由于水分含量较高，BSG比其他农业废弃物（如橄榄渣）更难干燥（Arranz等人，2018年），因此应通过快速运输和高效利用策略来提高其利用率。其他保存方法包括冷冻、青贮（有时使用Silo-King GPX等防腐剂）或使用木聚糖酶、蛋白酶、碳水化合物酶、甲酸钠、丙酸钙、盐酸、硫酸、氢氧化钠等防腐剂（Terefe，2022年）。

1988年法国仅有32家啤酒厂被纳入研究（Arnold等人，1991年），到2024年这一数字激增至2589家，主要得益于精酿啤酒厂和微型啤酒厂的兴起（年产量在100至999升之间）。全球范围内，精酿啤酒市场2002至2027年的年均增长率约为8.62%（Mainardis等人，2024年）。2019年的数据显示，前15家大型啤酒厂占据了95%的啤酒总产量，显示出少数大型企业的主导地位（Gillard，2024年）。法国小型啤酒厂众多：2013年，产量低于10升/批次的啤酒厂占啤酒厂总数的43.7%，微型啤酒厂占30.4%，手工啤酒厂（年产量1000至9999升）占19.71%，分别仅占总产量的0.12%、0.45%和0.84%。2013年至2023年间，农场啤酒厂数量显著增加，促进了麦芽的现场生产和BSG的循环利用（Gillard，2024年）。根据法规，2016年规定生物废物的强制利用门槛为每年10吨，2020年这一门槛降至5吨。自2024年起，法国所有产生的生物废物都必须得到有效利用。

全球范围内有许多关于BSG生产和利用的案例研究，结果总结在表1中。本文将讨论这些研究的主要发现，并与本研究的结果进行比较。Bolwig等人（2019年）研究了丹麦和挪威的32家啤酒厂（共17家和15家），这些啤酒厂的年啤酒总产量为50万升，研究了BSG的利用情况。访谈显示，经济因素是所有啤酒厂最关心的问题，其次是风险管理（如储存和快速降解带来的健康风险），这表明建立可靠的合作伙伴关系对于BSG的充分利用至关重要。作者指出，许多啤酒厂尚未充分挖掘BSG的潜力，正在努力改进利用方式。部分啤酒厂对改进BSG处理方式持犹豫态度，因为这并非其优先事项。BSG的价格差异较大，从0欧元/吨到134欧元/吨不等；小型啤酒厂的售价通常较低。大多数BSG被用于动物饲料，其他用途还包括沼气生产、人类食品和作为废物处理。作者认为，提高BSG的价值也有助于提升啤酒厂的品牌形象（Bolwig等人，2019年）。Kerby等人（2017年）研究了英国200家精酿啤酒厂的BSG、废弃啤酒花和废弃酵母的利用情况，发现大多数啤酒厂免费处理BSG，只有少数啤酒厂需支付部分处理费用。由于靠近农户，农村地区的啤酒厂主要将BSG用于动物饲料；城市啤酒厂则采用多种利用方式，部分通过污水或填埋处理。由于BSG易变质，小型啤酒厂通常每周处理一次，中型和大型啤酒厂则需每周或每天处理多次。一些啤酒厂添加四甲酸铵以防止微生物生长（Henderson，1993年）。Labelle等人（2018年）研究了魁北克176家微型啤酒厂的BSG利用情况，年产量为13,376吨，评估了各地区的潜在利用途径和可行性。研究发现，在该地区的最佳利用顺序为：动物饲料和蘑菇培养基、人类食品、热能生成、生物乙醇生产、厌氧消化、堆肥和木炭生产。在法国，1988年登记的32家啤酒厂每年产生30万至38万吨BSG，平均产量为每生产1000升啤酒产生0.015至0.019吨BSG。这一较低产量主要源于多数啤酒厂属于大型企业。小型和中型啤酒厂通常将BSG出售给周边半径20至50公里内的农户（Arnold等人，1991年）。

本研究旨在评估法国BSG的利用情况，探讨相关机会和挑战。此前尚未有如此大规模的啤酒厂研究，自1991年以来法国也未开展类似研究。

方法

为收集数据，我们使用了E. Gillard开发的“Amertume项目”数据库，并向每家啤酒厂发送了法语在线调查问卷，必要时进行了面对面访谈。收集了啤酒厂名称、填写问卷人员的职位等信息，所有数据在研究中均进行了匿名处理。同时记录了每年的啤酒产量（单位：百升/年）和BSG产量（单位：吨/年），以及BSG的形态（湿润或干燥）。

啤酒厂样本

感谢各啤酒厂通过问卷或访谈自愿提供信息，本研究共调查了647家法国啤酒厂。虽然这些啤酒厂仅占2024年登记的2598家啤酒厂的24.9%（Gillard，2024年），但实际上自上次统计以来许多啤酒厂已经关闭。据作者所知，此前尚未有过针对如此大规模啤酒厂（647家）的研究。

挑战与未来方向

BSG的利用面临诸多挑战和限制。首先，本研究仅关注法国啤酒厂的BSG利用情况，未涉及其他副产物（如废弃啤酒花、酵母或废水）。尽管BSG占啤酒副产物的85%，但还需进一步利用其他生物废物以减少啤酒酿造过程对环境的影响并改善啤酒厂的经济效益（Kerby和Vriesekoop，2017年）。

结论

本研究调查了647家法国啤酒厂的年啤酒和BSG产量（包括干燥后的BSG和湿润状态的BSG）、BSG价格、利用策略以及生产地与利用地之间的距离。这些啤酒厂按规模分为：大型工业啤酒厂（IB）、中型啤酒厂（BB）、手工啤酒厂（AB）和微型啤酒厂（MB）。尽管大型啤酒厂数量较少，但它们的BSG产量仍占较大比例。

作者贡献声明

Sacha Pérocheau Arnaud：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、资源整理、方法设计、调查实施、数据分析、概念构建。

资助

不适用。

利益冲突声明

无。

致谢

作者感谢Emmanuel Gillard分享了他“Amertume项目”中的法国啤酒厂数据库。