Forskare rapporterar ett nytt sätt att extrahera proteinet och fibrerna från bryggarens förbrukade spannmål och använda det för att skapa nya typer av proteinkällor, biobränslen och mer.
Både hembryggarentusiaster och stora tillverkare upplever samma resultat av öltillverkningsprocessen:högar av överbliven spannmål. När all smak har extraherats från korn och andra spannmål är det som finns kvar ett protein- och fiberrikt pulver som vanligtvis används i boskapsfoder eller deponeras. Idag rapporterar forskare om ett nytt sätt att extrahera proteinet och fibrerna från bryggarens förbrukade spannmål och använda det för att skapa nya typer av proteinkällor, biobränslen och mer.
Forskarna kommer att presentera sina resultat idag vid American Chemical Societys (ACS) vårmöte. ACS Spring 2021 hålls online 5-30 april. Livesessioner kommer att hållas 5–16 april, och on-demand och nätverksinnehåll kommer att fortsätta till och med den 30 april. Mötet innehåller nästan 9 000 presentationer om ett brett spektrum av vetenskapliga ämnen.
"Det finns ett kritiskt behov i bryggeriindustrin att minska avfallet", säger Haibo Huang, Ph.D., projektets huvudutredare. Hans team samarbetade med lokala bryggerier för att hitta ett sätt att förvandla överbliven spannmål till mervärdesprodukter.
"Använt spannmål har en mycket hög andel protein jämfört med annat jordbruksavfall, så vårt mål var att hitta ett nytt sätt att utvinna och använda det", säger Yanhong He, en doktorand som presenterar arbetet på mötet. Både Huang och He är vid Virginia Polytechnic och State University (Virginia Tech).
Hantverksbryggning har blivit mer populär än någonsin i USA. Denna ökade efterfrågan har lett till en ökning av produktionen, vilket genererar en kraftig ökning av avfallsmaterial från bryggerier, varav 85 % är förbrukad spannmål. Denna biprodukt består av upp till 30 % protein och upp till 70 % fibrer, och även om kor och andra djur kan smälta förbrukat spannmål är det svårt för människor att smälta det på grund av dess höga fiberinnehåll.
För att omvandla detta avfall till något mer funktionellt utvecklade Huang och He en ny våtmalningsfraktioneringsprocess för att separera proteinet från fibern. Jämfört med andra tekniker är den nya processen mer effektiv eftersom forskarna inte behöver torka spannmålen först. De testade tre kommersiellt tillgängliga enzymer - alkalas, neutras och pepsin - i denna process och fann att alkalasbehandling gav den bästa separationen utan att förlora stora mängder av någon av komponenterna. Efter ett siktningssteg blev resultatet ett proteinkoncentrat och en fiberrik produkt.
Upp till 83 % av proteinet i den förbrukade spannmålet återfångades i proteinkoncentratet. Inledningsvis föreslog forskarna att man skulle använda det extraherade proteinet som en billigare och mer hållbar ersättning för fiskmjöl för att mata odlade räkor. Men på senare tid har Huang och He börjat utforska att använda proteinet som en ingrediens i livsmedel, för att tillgodose konsumenternas efterfrågan på alternativa proteinkällor.
Men det lämnade fortfarande den återstående fiberrika produkten utan en specifik användning. Förra året rapporterade Huangs postdoktor Joshua O’Hair, Ph.D., att han hittat en ny art av Bacillus lichenformis i en källa vid Yellowstone National Park. I tidningen noterade de att bakterierna kunde omvandla olika sockerarter till 2,3-butandiol, en förening som används för att göra många produkter, såsom syntetiskt gummi, mjukgörare och 2-butanol, ett bränsle. Så han förbehandlade den extraherade fibern med svavelsyra och bröt sedan ner den till sockerarter från cellulosa och hemicellulosa. Hon matade sedan sockerarterna till mikroben och producerade 2,3-butandiol.
Därefter planerar teamet att arbeta med att skala upp processen att separera protein- och fiberkomponenterna för att hålla jämna steg med volymen förbrukad spannmål som genereras på bryggerier. De arbetar också med kollegor för att fastställa den ekonomiska genomförbarheten av separationsprocessen, eftersom de enzymer som för närvarande används för att separera protein- och fiberkomponenterna är dyra. Huang och He hoppas kunna hitta lämpliga enzymer och gröna kemikalier för att göra denna process ännu mer hållbar, skalbar och prisvärd.
Möte:ACS våren 2021
Titel
Samtidig produktion av proteinkoncentrat och 2,3-butandiol från bryggarens förbrukade spannmål
Abstrakt
Brewer’s used grain (BSG) är den vanligaste (85 %) biprodukten som genereras från ölbryggningsprocessen. För närvarande används BSG främst som nötkreatursfoder eller nedgrävdes i deponier, vilket leder till betydande resursförluster. Den höga fiberhalten (~70 %) och proteinhalten (14 ~ 30 %) gör BSG attraktiv som råvara för produktion av biobränslen och proteinrelaterade produkter. I denna studie undersöktes ett integrerat tillvägagångssätt för att producera både proteinkoncentrat och 2,3-butandiol (2,3-BDO) från BSG.
BSG utsattes först för en våtfraktioneringsprocess för att producera proteinkoncentrat och fiberrik produkt (FP) med användning av tre kommersiella proteaser (Alcalase, Neutrase och Pepsin) vid olika belastningar. Det FP som erhölls från den optimerade processen förbehandlades med svavelsyra (0,5 – 3 %, v/v) under olika tider (15 – 60 min) och hydrolyserades sedan med cellulas (10 – 40 FPU/g biomassa) i 72 timmar för att erhålla reducerande sockerarter. Slutligen fermenterades de reducerande sockerarterna till 2,3-BDO av en nyligen isolerad termofil och alkalifil B. licheniformis YNP5-TSU.
Resultaten visade att det optimala våtfraktioneringsförhållandet för produktion av proteinkoncentrat var 20 μL Alcalase/g torr BSG-enzymladdning, 4 timmars inkubationstid, 50 oC inkubationstemperatur, pH 8,0. Under optimala förhållanden separerades upp till 83 % protein i BSG och koncentrerades till proteinprodukt. Proteinkoncentrationen i proteinkoncentrat var 41 %, vilket ungefär fördubblades jämfört med BSG (22 %). Avlägsnandet av protein från BSG förbättrade avsevärt minska sockerproduktionen. FP förbehandlat med 0,5 % H2SO4 i 60 minuter vid 121 oC kan frigöra 65 % xylos. Den maximala glukoskoncentrationen (51 g/L) och glukosutbytet (80%) uppnåddes när cellulasbelastningen var 10 FPU/g biomassa. B. licheniformis YNP5-TSU kunde fermentera de hydrolyserade sockerarterna till 2,3-BDO. Det högsta 2,3-BDO-utbytet var 0,5 g/g totalt reducerande sockerarter och produktiviteten var 0,3 g/l/h. Sammantaget visade denna studie att BSG kan återanvändas till flera förädlade produkter via en integrerad bioraffinaderiprocess.
