4 推广和推进啤酒企业废酵母利用
4.1 啤酒工业概况
啤酒是以大麦芽、酒花、水为主要原料，经酵母发酵作用酿制而成的富含二氧化碳的低酒精度饮料。其种类繁多，按色泽可划分为淡黄色啤酒、金黄色啤酒、棕黄色啤酒、浓色啤酒、黑色啤酒；按杀菌处理情况可划分为鲜啤酒、熟啤酒；按原麦汁浓度可划分为低浓度啤酒、中浓度啤酒、高浓度啤酒；按发酵性质可划分为上面发酵啤酒、下面发酵啤酒等。因啤酒中含有丰富的维生素和氨基酸，不仅能促进肠胃蠕动，增加食欲，而且对加快人体新陈代谢也有相当多的功用，甚至对心脏病、高血压、肺结核等疾病的康复也有一定裨益，所以啤酒成为世界上继水和茶之后消耗量排名第三的饮品，被人称为“液体面包”，深受大众的喜爱[1]。
4.1.1 我国啤酒工业发展现状
目前，中国已成为全球最大的啤酒市场，表1-4-1为1992～2016年全国啤酒产量。2013年达497.18亿升，创历史最高点。到2016年，啤酒产量450.64亿升，产量略有下滑。近几年，中国啤酒制造业兼并重组不断，华润雪花、青岛啤酒、百威英博和燕京啤酒4家啤酒巨头，共占据了约58%的市场份额，获得约70%的行业利润。
表1-4-1 1992～2016年全国啤酒产量
4.1.2 啤酒生产工艺
4.1.2.1 啤酒酿造的原辅料
酿造啤酒的主要原料为大麦、水和酒花，为降低生产成本，提高出酒率，改善啤酒风味和色泽，增强啤酒的保存性，在糖化操作时常采用大米、玉米等中的一种或多种来替代部分麦芽。在我国一般都用大米作辅料，而欧美国家较普遍使用玉米。此外，还有一些啤酒企业也生产全小麦啤酒。
（1）大麦
啤酒有史以来，都是以大麦作为主要原料。大麦外包谷皮，有利于发芽，酶系统全面，生长遍及全球，适应各种气候，价格低廉，又非主粮，制成的酒更别具风格，故啤酒酿造者一直沿袭使用。
不同的纯种大麦不仅在化学组成、浸出率和酶活力上有差别，而且制麦时的生产工艺和物质变化也不相同。如蛋白质含量高的大麦，制麦损失高，麦芽浸出率低，啤酒的非生物稳定性差；厚皮大麦制造的啤酒色泽较深，风味粗涩，容易混浊；麦胶物质（barley gum）含量高的大麦不易溶解，做不出好麦芽；酶活力低的大麦和麦芽，做出的麦汁降糖不易，发酵度低；水敏感性强的大麦发芽不整齐，发芽率低等。只有掌握了某一品种的特性，才能制订出相应的制麦和酿造工艺。
不同的大麦品种适于酿制不同类型的啤酒。如蛋白质含量高的品种，制出的啤酒口味重，颜色深，适于酿制浓色啤酒；而酿制淡色啤酒则必须选择蛋白质含量低的大麦品种。因此，选择优良的大麦品种，不仅在经济上是合理的，也是酿制优质啤酒的基本条件。
（2）水
啤酒厂生产用水的水源选择有几个原则：水量充沛和稳定；酿造用水除应基本符合我国生活饮用水标准（GB 5749—2006）外，还要符合啤酒专业上的一些要求；冷却用水的水温越低越好。一般说，啤酒厂大多建在城镇附近，地表水容易受到工农业废水及生活污水污染，因此，啤酒厂的水源应优先考虑采用地下水。
啤酒酿造用水是指糖化用水和洗涤麦糟用水。这两部分水直接参与工艺反应，是麦汁和啤酒的组成成分，水质状况对整个酿造过程有重大影响。不同地区的酿造用水，具有不同的总硬度、不同的非碳酸盐硬度和碳酸盐硬度比、不同的钙硬和镁硬，用以酿制的啤酒各具特点，差别较大。传统的著名啤酒品种，大都与其水质的特点有关。
（3）啤酒花
啤酒花，学名蛇麻，又称香蛇麻、蛇麻草和忽布，是桑科、葎草属多年生草质蔓生藤本。啤酒花雌雄异株，花单性，雌性球穗花序简称酒花。啤酒花作为啤酒工业原料开始使用于德国，使用的主要目的是利用其苦味、香味、防腐力和澄清麦汁的能力。啤酒中添加啤酒花的重要作用：赋予啤酒爽口的苦味和愉快的香味；增加啤酒的泡持性；增加麦汁和啤酒的防腐能力；酒花与麦汁共同煮沸，能促进蛋白质凝固，有利于麦汁的澄清，有利于啤酒的非生物稳定性。
（4）大米
大米是被普遍使用的一种麦芽辅助原料，适合酿造高质量的啤酒，越来越被广泛利用。大米淀粉含量高于其他谷类，蛋白质含量低。用大米代替部分麦芽，不仅麦汁的浸出率高，而且可以改善啤酒风味、降低啤酒的色泽。我国啤酒厂用大米的数量一般在1/5～1/3，若采用外加酶糖化的工厂，大米的用量可达50%左右。啤酒酿造使用大米的特点是价格较麦芽低廉，而淀粉含量远高于麦芽；蛋白质、多酚物质和脂肪含量则较麦芽低。添加大米的啤酒，色泽浅，口味清爽，泡沫细腻，酒花香味突出，非生物稳定性较好，特别适宜制造下面发酵的淡色啤酒。
（5）玉米
欧美国家较普遍用玉米作为辅助原料。玉米价廉，并能赋予啤酒以醇厚的味感。使用玉米必须去胚，因胚部的脂肪含量高，不去胚，脂肪在储存中氧化和败坏，将直接影响啤酒的泡沫、口味和风味稳定性。脱胚玉米的脂肪含量应不超过1%。在脱胚过程中，同时除掉了玉米外皮，从而减轻了玉米的苦味物质。啤酒厂也有使用玉米淀粉者，其无水浸出率显著较玉米高，而蛋白质含量则接近于0。使用玉米淀粉，必须先考虑麦芽可同化氮的含量。如果麦芽的可同化氮含量偏低，制出的啤酒，口味会过于淡薄。玉米淀粉调浆时容易结块是这种方法的缺点。
（6）小麦
小麦是主粮，国内尚少采用小麦作为啤酒辅助原料。国际上，有些国家早已采用小麦为某些特制啤酒的原料或辅助原料，如德国的小麦啤酒是以小麦芽作为主原料的；比利时的兰比克啤酒（Lambic beer）则以小麦作为麦芽辅助原料。如若用小麦作辅助原料，宜采用含蛋白质低的白小麦品种。但总体来说，啤酒酿造所用的小麦应具有如下特点。
①小麦的可溶性高分子蛋白质含量高，泡沫好，但因其不易被进一步分解，也容易造成非生物稳定性的问题。
②花色苷含量低，有利于啤酒非生物稳定性，风味也较好，但麦汁色泽则较使用大米和玉米为辅料者略深。
③麦汁中含有较多的可溶性氮（与大米和玉米为辅料者比较），发酵较快，啤酒的最终pH值较低。
④小麦和大米、玉米不同，富含α-淀粉酶和β-淀粉酶，有利于采用快速糖化法。
4.1.2.2 啤酒生产工艺
啤酒生产工艺分为制麦、麦汁制备、发酵、过滤和包装5大工序。
（1）制麦
制麦是啤酒生产的开始。大麦是酿制啤酒的主要原料，先将其制成麦芽，再用于酿酒。大麦在人工控制的外界条件下发芽和干燥的过程，即为麦芽制造，简称“制麦”。发芽后的新鲜麦芽称绿麦芽。绿麦芽经焙燥后称干麦芽。
传统的制麦过程分为3个阶段。
①精选后的大麦，浸渍水中，使之达发芽所需要的水分，此阶段为大麦浸渍。
②浸渍后的大麦，在人工控制的条件下进行发芽，利用发芽过程形成的酶系，使大麦的内容物质进行分解，变为麦芽，此阶段为人工发芽。
③发芽完毕的绿麦芽，利用热空气进行干燥和焙焦，此阶段为麦芽焙燥。
新型的制麦方法，常运用浸麦时充分供氧的理论，使大麦在浸麦吸水过程中即开始萌发。边浸渍边发芽，使浸渍与发芽合为一个生产阶段，大大缩短了生产时间。
大麦发芽的目的是使麦粒内部产生一定数量的水解酶，并利用这些水解酶分解胚乳的储藏物质。麦芽焙燥的作用是使绿麦芽的水分降低，发芽停止，便于去根和储藏。但麦芽焙燥并不只是一个简单的水分蒸发过程，它还同时进行了复杂的生化变化，使焙燥后的麦芽具有独特的香味和色泽。根据制造麦芽类型的不同，采取不同的焙燥工艺，以适应酿制不同类型的啤酒。
（2）麦汁制备
麦汁制备包括原料糖化、麦醪过滤和麦汁煮沸等几个过程。传统的麦汁制备设备有复式、单式之分。复式设备（又称三锅一槽组合式），包括糊化锅、糖化锅、麦汁过滤槽（或麦汁压滤机）和麦汁煮沸锅4项主要设备。单式设备（又称两锅组合式）包括两项主要设备：糖化锅和麦汁过滤槽兼用；糊化锅和麦汁煮沸锅兼用。
由于啤酒生产规模日益增大，不仅要求设备容量加大，对设备的日产批次要求也不断增加。因此，设备的组合已不受上述单式、复式所限，而是根据糖化方法的选择，组合更多的锅、槽穿插使用，并进行生产。这样会给予生产以更大的灵活性，各项设备得以充分利用，使日糖化批次增加。单式设备则已被淘汰。
（3）发酵
传统的啤酒发酵工艺分下面发酵和上面发酵两大类型。由于所采用的酵母菌种不同，发酵工艺和设备条件也不相同，制出的啤酒风味也不同，下面发酵啤酒的发酵过程分为主发酵和后发酵（包括储酒和成熟）两个阶段，生产时间比较长；上面发酵啤酒的发酵过程大都只有主发酵，不采用后发酵，只是进行一些后处理，便于过滤和包装，生产时间相对较短。
近年来，由于啤酒制造理论和发酵技术的不断发展，上面发酵和下面发酵各取对方的优点，传统工艺已经有了很多改革，发生了很大的变化。例如：采用密闭发酵罐的新型上面发酵啤酒技术也采用了从沉淀酵母中回收酵母，或用离心机回收酵母；下面发酵为了缩短生产时间，也适当提高了主发酵温度，缩短或免除了后发酵的储酒成熟阶段。当然，这些改革都是在一定的理论基础上进行的，既要达到提高生产能力的目的，又不失去各自啤酒原有的风格。
（4）过滤
啤酒酿制成熟后，通过过滤介质，除去悬浮物、酵母细胞、蛋白质凝固物及酒花树脂等微粒，使啤酒清亮透明，富有光泽，口味纯正，而且大大改善了啤酒的生物稳定性和非生物稳定性。过滤时应使二氧化碳饱和，防止氧的吸收和微生物污染。
啤酒过滤方法可分为离心机法、硅藻土过滤法、纸板精滤法、膜过滤法，其中硅藻土过滤法是啤酒过滤的主要手段。但不管采用哪种方法，对机械澄清总的要求是：产量大，质量好，酒和二氧化碳的损失少；不吸氧，不污染，不影响酒的风味。
（5）包装
啤酒包装是啤酒生产的最后一道工序，对啤酒质量和外观有直接影响。啤酒的包装流程如下：上瓶→洗瓶→验瓶→装酒→压盖→杀菌→验酒→贴标→喷码→验标→塑包（装箱）→入库。啤酒包装是根据市场需要而选择包装形式的，一般当地产销啤酒以瓶装、罐装或桶装的鲜啤酒（不经巴氏灭菌）为主；而外销或出口啤酒则多采用瓶装或罐装的杀菌熟啤酒。
4.1.3 啤酒工业副产物综合利用现状
在啤酒生产中产生大量含有淀粉、蛋白质成分的废水和酵母，是造成污染的主要原因，如不加利用直接排放，不但造成浪费，还污染环境。因此，啤酒生产副产物的综合处理成为节能降耗的重要手段。
4.1.3.1 啤酒工业副产物来源和分类
啤酒生产有浮麦、麦根、废麦糟、废酵母、废酒花糟、二氧化碳等副产物，其来源见表1-4-2。
表1-4-2 啤酒生产副产物的含量及来源
啤酒工业的污染物主要分为3类。
（1）废水
啤酒生产废水主要由高浓度有机废水、低浓度有机废水、清洁废水3部分构成。高浓度有机废水主要来自洗槽废水、糖化锅和糊化锅冲洗水；低浓度有机废水主要来自酿造车间和包装车间的地面清洗水、洗瓶机和灭菌机废水，这部分废水量较大；清洁废水主要来自锅炉蒸汽冷凝水和少量制冷循环用外排水。
（2）废气
废气来自麦芽、大米输送和粉碎过程中产生的一定量的谷物粉尘，以及污水处理站产生的臭气。
（3）固体废物
主要为废麦糟、废酵母、热冷蛋白凝固物、废硅藻土等固液混合物。
4.1.3.2 啤酒工业排污状况
据第一次全国污染源系数调查统计，目前我国每生产1kL啤酒约产生4～12m3废水、COD 6000～25000g、BOD 3600～12000g、氨氮500～1500g，具体与企业规模和生产工艺相关。由于废水中含有大量的有机物，排入天然水体后将消耗水中的溶解氧，既造成水体缺氧，还能促使水底沉积化合物的厌氧分解，产生臭气，恶化水质。
啤酒废酵母是生产啤酒过程中最主要的副产物，是指啤酒酿造后沉降在发酵罐底部的酵母泥，主要是仍具有活性的酵母细胞、酒花碎片及少量死细胞、弱细胞。据估算，每生产100t啤酒大约得到湿啤酒酵母（含水率75%～80%）1.5～2.0t，折合干酵母（含水率8%～10%）约为0.35～0.4t，如此推算，目前全国一年可回收干酵母1×105t左右。若能对此加以开发利用，其经济效益非常可观。同时，酵母泥生物耗氧量和化学耗氧量在100000mg/L以上，约占啤酒厂总污染的1/3。因此，回收利用排放的废酵母，可以减轻环境污染，保护生态平衡，使啤酒工业成为绿色工业，具有广泛而长远的社会效益[2]。
啤酒糟是啤酒工业的主要副产物，其蛋白质质量分数为23%～30%（干计），是一种很好的蛋白质资源。但若直接倾倒在环境中，会造成大量纤维素皮壳降解缓慢，杂菌重生，臭气熏天，污染环境。
二氧化碳是啤酒发酵的一项重要副产物。每千升啤酒可产生约20kg的二氧化碳，直接排放不仅会对环境造成影响，也是资源的一种极大浪费。
4.1.3.3 啤酒工业的循环经济
循环经济主要有“3R”原则，即“减量化、再利用、资源化”[3，4]。
（1）啤酒厂废水可用于农业生产
利用啤酒废水对普通丝瓜、多花黑麦草、水雍菜、金针菜等植物进行水培试验，发现这些植物长势良好并能完成其生活史。既可显著降低废水中多种污染物（COD 除外）的浓度，又可发展“菜篮子”工程，增加经济效益。
（2）啤酒厂废水可供给电厂使用作冷却用水
啤酒厂产生废水经处理后可供电厂作冷却用水，提高水的循环利用率。
（3）啤酒厂产生的废硅藻土用于水泥厂、电厂做原料
废硅藻土经沉降后可掺入电厂、水泥厂的燃料煤中燃烧，还可用于水泥厂作原料配料。
（4）啤酒厂厌氧处理废水过程产生的沼气可作再生能源使用
啤酒厂厌氧处理废水过程产生的沼气可作再生能源使用的主要利用途径有：供电厂作为能源燃烧、用于啤酒厂制冷、用于啤酒厂酒糟和废酵母药的烘干工段。
（5）深度开发啤酒废酵母
利用啤酒厂产生的废酵母可考虑发展以下产业。
1）食品产业 啤酒酵母含较丰富的氨基酸、维生素和矿物质等营养成分，可考虑用于生产酵母浸膏、天然调味品、胞壁多糖、营养果醋、发酵酸奶饮料、营养蛋白粉等营养食品，在食品行业中有广泛的应用前景。
2）生物制药产业 啤酒酵母含多种氨基酸、核酸、维生素、酶类和其他生物活性物质，在生物制药行业中具有广阔的开发前景。可考虑用于药用酵母、核酸及其衍生物、果糖二磷酸钠、谷胱甘肽、辅酶A、B 族维生素等产品的生产和开发。
3）饲料产业 啤酒废酵母可直接作为鱼虾饲料，生产发酵饲料、酵母精、饲料添加剂和颗粒混合饲料，在饲料工业中具有非常广阔的应用前景，具有较好的社会效益和经济效益。
4）其他产业 可用于化妆品、洗发剂等产业，能起到保护皮肤、防止衰老的作用。
（6）综合利用啤酒酒糟
可考虑发展以下产业。
1）食品产业 利用啤酒麦糟可同时生产食用油、蛋白粉、膳食纤维等食品。如麦糟采用先进的酶解技术，可生产高质量的膳食纤维食品；采用先进的膜技术，从麦糟酶解液中可提取蛋白质；采用正乙烷溶剂，可从麦糟浸提饲料。
2）饲料产业 将啤酒厂产生的麦糟（粗蛋白25.3%、总膳食纤维5%～6.8%）、饲料酵母（蛋白50%、粗纤维0.29%）、废酒花、冷热凝固物作为主要原料，以玉米、棉籽粕、菜籽粕、大豆粕等为辅料，可发展下游畜禽养殖饲料厂，饲料供应给养殖业，养殖业产生的废渣、废水进行沼气处理，沼气池又为规模种植水果、蔬菜等农产品提供有机肥，农产品和活畜、活禽进行再加工等，促进了循环产业链的发展。
3）制药产业 利用废酒花糟可提取酒花浸膏，进一步制取酒花素片和酒花油剂。酒花素是一种疗效高、副作用小、疗程短的广谱抗菌类药物。酒花素中的斧草酮、蛇麻酮具有脂溶性，容易穿透结核杆菌的薄膜而发生复合作用，破坏菌体的生长而使之死亡。故酒花素作抗结核病药效果好。