酿酒过程中产生的废料中含有一些化合物，可被重新用于制造抗菌药物。
现代啤酒生产在美国是一个价值1170亿美元的产业，酿酒商每年生产超过1.7亿桶啤酒。酿酒过程耗时且耗能，每一步都会产生大量废料。废料中的固体成分（如废弃谷物和酵母）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酒废水会污染溪流和湖泊，降低水体氧含量并威胁生物。
为防止废料进入环境，像我这样的科学家正探索如何将啤酒酿造废料转化为有用产品。我是一名化学家，我的研究团队致力于研究如何回收和重新利用酿酒废料，制成可用于生产新型处方药的微小颗粒。
酿酒过程
酿酒过程以谷物原料（通常来自大麦）为基础，通过麦芽化将其淀粉和蛋白质转化为更简单的化学物质。酿酒商通过加水启动这一过程，使种子从休眠中苏醒，随后在受控温度下保持种子发芽。在此期间，会释放重要酶类，将谷物中的淀粉和蛋白质转化为可发酵糖和氨基酸。然后，他们加热所得产物（称为麦芽）使其干燥并停止进一步发芽。完成麦芽化后，他们加入热水并捣碎麦芽，释放赋予啤酒标志性风味的化合物。
酿酒过程在四个主要阶段产生废料。酿酒商随后分离出甜麦芽提取物（称为麦汁），剩余固体作为废料被移除，称为酿酒废谷物。约30%的原始谷物重量最终成为废谷物。这种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。
酿酒商将啤酒花（Humulus lupulus植物的锥形花朵）加入麦汁，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。未溶解的啤酒花和蛋白质在澄清过程中被收集，形成热酒花糟，这是酿酒厂的第二大主要废料。约85%的啤酒花作为废料被移除。
澄清的麦汁随后冷却，并通过添加酵母进行发酵。发酵后过滤出的酵母，称为酿酒废酵母，形成酿酒厂产生的第三种废料。废酵母是酿酒业的主要副产品之一，含有大量水分和固体物质：每100升啤酒产生2至4千克（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，此时产生的废水形成过滤废料。中型酿酒厂每月产生约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，酿酒厂的数吨废料仍基本未被充分利用。
酿酒废料问题
这些废料含有多种化合物，如碳水化合物、蛋白质、氨基酸、矿物质和维生素，具有潜在再利用价值。科学家已尝试以创新方式再利用废料，例如利用废料中提取的部分化合物或整料制造生物燃料和纯素皮革。
酿酒厂可将固体废料送至农场，作为土壤肥料、堆肥或动物饲料重新利用，但行业范围内大部分废料仍被填埋处理。废水被排入污水管道，其污染物含量超过典型生活污水30倍以上，给污水处理系统带来挑战。
尽管酿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，大量废料仍需处理。
废料在纳米颗粒中的再利用
在我的研究中，我致力于确定酿酒废料中的化合物是否能帮助制造与人体细胞相容但能对抗细菌的纳米颗粒。纳米颗粒是尺寸在十亿分之一米范围内的极微小粒子。
纳米颗粒比细菌更小——其大小可与病毒甚至人类DNA相当。在医学中，当同种抗生素反复使用时，细菌可能对其产生耐药性。纳米颗粒的一种潜在用途是作为某些抗生素药物的活性成分。这些纳米颗粒还可作为消毒剂和清洁化学品。
我和我的团队开发了由酿酒废料中某些化合物包覆的纳米颗粒——这项发明已获专利，但尚未积极商业化。我们通过将任何阶段的酿酒废料添加到金属源中来制备这些颗粒。
当我们将含银化学物质（例如硝酸银）添加到废料中时，一系列过程将银化合物转化为纳米颗粒。其中一个过程称为还原：此处，酿酒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颗粒。
另一过程称为沉淀，类似于硬水中肥皂与钙等矿物质反应时在水槽中形成粉笔状皂垢的方式。来自酿酒废料的氧化物和磷酸盐与硝酸银中的银离子结合，导致银形成固体化合物，构成纳米颗粒的核心。
来自酿酒废料的有机化合物（如蛋白质、碳水化合物、多酚和糖）在纳米颗粒表面形成涂层。该涂层防止颗粒表面发生其他反应，对纳米颗粒在应用中的稳定性至关重要。这些由酿酒废料制备的纳米颗粒由三部分组成：银金属、氧化银和磷酸银。
环境友好型工艺通过减少有害化学品使用并最小化有害副产品，被称为绿色化学。由于我们的工艺极为简单且未使用其他化学品，因此属于绿色化学范畴。
纳米颗粒安全性
我的同事尼哈·兰甘发现，由酿酒废料化合物形成的涂层使这些纳米颗粒在实验室中对人体细胞无毒。然而，这些纳米颗粒中的银能杀死大肠杆菌（Escherichia coli），这是一种在全球范围内导致肠道疾病的常见细菌。
我们发现，含有高量磷酸银的特殊纳米颗粒对大肠杆菌有效。似乎这种磷酸银纳米颗粒的有机化合物涂层比银金属和氧化物更薄，从而与细菌实现更好接触。这意味着足量银能到达细菌并破坏其细胞结构。银长期以来已知具有抗菌效果。通过制造银纳米颗粒，我们获得大量表面积以消除细菌。
多种纳米颗粒已进入临床试验，部分已获美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于止痛、牙科治疗以及癌症和新冠肺炎等疾病的药物。生物技术中对纳米颗粒的大部分研究涉及碳基纳米颗粒。科学家仍需研究这些金属纳米颗粒如何与人体相互作用，以及是否可能引发其他健康问题。
由于纳米颗粒极其微小，除非附着于设计用于安全运输纳米颗粒的药物载体，否则难以从体内清除。在医生能将这些纳米颗粒用作抗菌药物之前，科学家需研究这些材料进入人体后的命运。
某些工程纳米颗粒可能对生物体有毒，因此研究需解决这些源自酿酒废料的纳米颗粒在用作新型抗菌药物成分前是否对人体安全。
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