现代啤酒生产在美国是一个价值1170亿美元的产业，啤酒厂每年生产超过1.7亿桶啤酒。酿造过程耗时且耗能，每个步骤都会产生大量废料。
废料中的固体成分（如废谷物和酵母）最终进入垃圾填埋场，有害化合物可能渗入土壤。进入水生生态系统的酿造废水会污染溪流和湖泊，降低水体含氧量并威胁生物生存。为防止废料污染环境，包括我在内的科学家正探索如何将啤酒酿造废料制造成有用产品。作为一名化学家，我和我的研究团队致力于研究如何回收利用啤酒厂废料，将其转化为微小粒子，用于制造新型处方药物。
酿造过程
酿造过程将原始谷物（通常来自大麦）的淀粉和蛋白质通过麦芽化转化为更简单的化学物质。酿酒师通过加水唤醒种子休眠状态，并在可控温度下使谷物发芽来启动这一过程。
此期间，关键酶被释放，可将谷物中的淀粉和蛋白质转化为可发酵糖和氨基酸。随后，他们将所得产物（称为麦芽）加热干燥以停止进一步发芽。麦芽化过程后，加入热水并捣碎麦芽以释放赋予啤酒标志性风味的化合物。
酿酒师随后分离出甜味麦汁，剩余固体作为废料移除，称为酿酒废谷物。原始谷物重量的约30%最终成为废谷物，这些废料通常用作动物饲料或丢弃。全球每年产生约3000万吨废谷物。
酿酒师向麦汁中添加啤酒花（Humulus lupulus植物的锥形花朵），然后煮沸并澄清。啤酒花是赋予啤酒苦味和香气的关键成分。在澄清过程中，未溶解的啤酒花和蛋白质被收集形成热凝固物，这是啤酒厂的第二大废料。约85%的啤酒花作为废料被移除。
澄清后的麦汁冷却后加入酵母发酵。发酵后过滤出的酵母称为酿酒废酵母，构成啤酒厂产生的第三类废料。废酵母是酿酒业的主要副产品，含有大量水分和固体物质：每100升啤酒产生2至4公斤（4.4至8.8磅）废酵母。
最后，发酵后的啤酒在进入生产线前经过过滤，此阶段产生的废水形成过滤废料。一家中型啤酒厂每月产生约8吨浓稠污泥和40至56吨（5至7倍）废水作为过滤废料。由于经济价值低，啤酒厂产生的数吨废料大多未被充分利用。
啤酒厂废料问题
这些废料含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、矿物质和维生素等化合物，具有潜在再利用价值。科学家已尝试通过提取废料中的部分化合物或直接利用整体废料，以创新方式再利用废料，例如制造生物燃料和植物皮革。
啤酒厂可将固体废料送往农场，用作土壤肥料、堆肥或动物饲料，但行业范围内大部分仍作为垃圾填埋。废水排入污水管道，其污染物浓度比典型居民污水高出30多倍，给污水处理系统带来挑战。
尽管啤酒厂日益关注废料问题并转向可持续方法，但啤酒需求持续上升，大量废料仍需妥善处理。
将废料重新用于纳米粒子
在我的研究中，我致力于确定啤酒厂废料中的化合物是否能帮助制造与人类细胞兼容但对抗细菌的纳米粒子。纳米粒子是尺寸在十亿分之一米范围内的极微小粒子。
在医学领域，当相同抗生素反复使用时，细菌可能进化出耐药性。纳米粒子的一种潜在用途是作为某些抗生素药物的活性成分，它们还可充当消毒剂和清洁化学品。
我和我的团队开发了由啤酒厂废料中某些化合物包覆的纳米粒子——这项发明已获专利，但尚未积极商业化。我们通过向任何酿造阶段的废料中添加金属源来制造这些粒子。
当我们将含银化学物质（例如硝酸银）添加到废料中时，多种过程将银化合物转化为纳米粒子。其中一种过程称为还原反应：啤酒厂废料中的化合物发生化学反应，将硝酸银中的银离子转化为金属纳米粒子。
另一种过程称为沉淀，类似于硬水中矿物质（如钙）与肥皂反应在水槽中形成皂垢。废料中的氧化物和磷酸盐与硝酸银中的银离子结合，导致银形成构成纳米粒子核心的固体化合物。
酿造废料中的有机化合物（如蛋白质、碳水化合物、多酚和糖）在纳米粒子表面形成涂层。此涂层防止粒子表面发生其他反应，对确保纳米粒子应用稳定性至关重要。由啤酒厂废料制备的这些纳米粒子包含三种成分：银金属、氧化银和磷酸银。
减少有害化学品使用并最小化有害副产品的环保工艺被称为绿色化学。由于我们的程序极其简单且未使用其他化学品，因此属于绿色化学范畴。
纳米粒子安全性
我的同事内哈·兰甘发现，由啤酒厂废料化合物形成的涂层使这些纳米粒子在实验室中对人类细胞无毒。然而，纳米粒子中的银杀死了大肠杆菌——一种在全球范围内导致肠道疾病的常见细菌。
我们发现，含有高浓度磷酸银的特殊纳米粒子对大肠杆菌有效。这似乎是因为磷酸银纳米粒子的有机化合物涂层比银金属和氧化物更薄，从而与细菌接触更充分，使足量银能破坏细菌细胞结构。银素以抗菌效果著称；通过制造银纳米粒子，我们获得了大量可用于消除细菌的表面积。
多种纳米粒子已进入临床试验，部分已获美国食品药品监督管理局批准用于疼痛管理、牙科治疗以及癌症和新冠等疾病的药物。生物技术领域的纳米粒子研究主要涉及碳基纳米粒子。科学家仍需研究这些金属纳米粒子如何与人体相互作用，以及是否可能引发其他健康问题。
由于体积微小，除非附着于专为安全运输纳米粒子设计的药物载体，否则这些粒子难以从体内清除。在医生能将其用作抗菌药物前，科学家需研究这些材料进入体内的归宿。
某些工程纳米粒子可能对生物体有毒，因此研究必须解决这些源自啤酒厂废料的纳米粒子在用作新型抗菌药物成分前，是否对人体安全。
阿尔西娜·约翰逊·苏达加尔是圣路易斯华盛顿大学的化学研究科学家。本文经Creative Commons许可转载自The Conversation。原文观点仅代表作者个人。
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