现代美国啤酒产业规模达1170亿美元，啤酒厂每年生产超过1.7亿桶啤酒。啤酒酿造过程耗时且耗能，每个步骤都会产生大量废料。来自这些废料的固体成分，如用过的谷物和酵母，最终被填埋，其中有害化合物可能渗入土壤。进入水生生态系统的啤酒厂废水会污染溪流和湖泊，降低这些环境中的氧气水平，并威胁生物。
为了防止这些废料进入环境，像我这样的科学家正在探索如何将啤酒酿造废料制造成有用产品。我是一名化学家，我和我的研究团队对如何回收和重新利用啤酒厂废料制造可用于新型处方药的微小颗粒感兴趣。
酿造过程
酿造过程将原始谷物（通常是大麦）及其淀粉和蛋白质通过麦芽化转化为更简单的化学物质。酿酒师通过加水启动这一过程，使种子从休眠中苏醒，然后将种子保持在受控温度下使其发芽。
在此期间，会释放重要的酶，可以将谷物中的淀粉和蛋白质转化为可发酵的糖和氨基酸。然后，他们将称为麦芽的产物加热，使其干燥并停止进一步发芽。经过麦芽化过程后，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。
酿酒师随后分离出称为麦汁的甜麦芽提取物，剩余的固体作为废料被移除，称为"废弃酿酒谷物"。原始谷物重量的约30%最终成为废弃谷物废料。这种废料要么用作动物饲料，要么被丢弃。每年产生约3000万吨废弃谷物。
酿酒师将一种名为啤酒花（Humulus lupulus植物的锥形花）添加到麦汁中，然后煮沸和澄清。啤酒花是赋予啤酒苦味和香气的关键成分。在澄清过程中收集的未溶解啤酒花和蛋白质形成热渣，这是啤酒厂的第二大废料。约85%的啤酒花作为废料被移除。
然后将清澈的麦汁冷却，并通过添加酵母进行发酵。发酵后过滤出的酵母，称为"废弃酿酒酵母"，形成了啤酒厂产生的第三种废料。废弃酵母是酿酒行业的主要副产品之一。这种废料含有大量水分和固体物质：100升啤酒产生2至4公斤（4.4至8.8磅）的废弃酵母。
最后，发酵后的啤酒在进入生产线之前经过过滤，在生产线上装瓶供消费。此最后阶段产生的废水形成了过滤废料。中型啤酒厂每月产生约8吨浓稠污泥和五到七倍（即40至56吨）的废水作为过滤废料。由于经济价值低，啤酒厂产生的几吨废料在很大程度上未被充分利用。
啤酒厂废料问题
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，可能被重新利用。科学家们尝试以创造性的方式重新利用这些废料，通过使用从废料中提取的某些化合物或整个废料来制造生物燃料和素食皮革。
啤酒厂可以将固体废料送到农场，将其重新用作土壤肥料、堆肥或动物饲料，但行业内大部分废料仍作为垃圾填埋。废水被排放到污水管道中，由于其污染物含量比典型居民污水高出30多倍，这对污水处理系统构成挑战。
尽管啤酒厂越来越意识到其废料问题并转向可持续方法，但啤酒需求持续上升，大量废料仍有待处理。
废料在纳米颗粒中的重新利用
在我的研究中，我感兴趣的是确定啤酒厂废料中的化合物是否可以帮助制造与人类细胞相容但对抗细菌的纳米颗粒。纳米颗粒是极其微小的颗粒，尺寸在十亿分之一米的范围内。
在医学中，当反复使用相同的抗生素时，细菌可能会对其产生耐药性。纳米颗粒的一种潜在用途是作为某些抗生素药物中的活性成分。这些纳米颗粒也可以用作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发现的某些化合物包覆的纳米颗粒——这是我们已获得专利但未积极商业化的发明。我们通过将酿造任何阶段的废料添加到金属源来创建这些颗粒。
当我们向废料中添加含银化学物质（例如硝酸银）时，一系列过程将银化合物转化为纳米颗粒。一个过程称为还原反应：在这里，啤酒厂废料中发现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。
另一个过程称为沉淀，类似于当肥皂与硬水中的钙等矿物质反应时，在水槽中形成粉笔状肥皂渣的方式。啤酒厂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颗粒核心的固体化合物。
来自啤酒酿造废料的有机化合物，如蛋白质、碳水化合物、多酚和糖，在纳米颗粒上形成涂层。这种涂层防止这些颗粒表面上发生任何其他反应，这对于使纳米颗粒稳定以用于其应用非常重要。这些由啤酒厂废料制备的纳米颗粒由三种成分组成：银金属、氧化银和磷酸银。
减少危险化学品使用并最小化有害副产品的环保过程被称为绿色化学。由于我们的程序非常简单且未使用任何其他化学品，因此它属于这一绿色化学类别。
纳米颗粒安全性
我的同事尼哈·兰加姆（Neha Rangam）发现，由啤酒厂废料化合物形成的涂层使这些纳米颗粒在实验室中对人类细胞无毒。然而，这些纳米颗粒中的银杀死了大肠杆菌（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类型纳米颗粒对大肠杆菌有效。似乎这种磷酸银纳米颗粒比银金属和氧化物具有更薄的啤酒厂废料有机化合物涂层，这导致与细菌更好的接触。这意味着足够的银可以到达细菌以破坏其细胞结构。银长期以来已知具有抗菌作用。通过从银制造纳米颗粒，我们可以获得大量可用于消除细菌的表面积。
几种纳米颗粒已进入临床试验，一些已获得FDA批准用于疼痛管理、牙科治疗以及癌症和COVID-19等疾病的药物。生物技术中对纳米颗粒的大多数研究涉及碳基纳米颗粒。科学家仍需要了解这些金属纳米颗粒如何与人体相互作用，以及它们是否可能引起其他健康问题。
由于它们非常微小，除非附着在设计用来安全运输纳米颗粒的药物载体上，否则这些颗粒很难从体内清除。在医生可以将这些纳米颗粒用作抗菌药物之前，科学家需要研究这些材料一旦进入体内的命运。
一些工程纳米颗粒可能对生物体有毒，因此研究需要解决这些由啤酒厂废料衍生的纳米颗粒在用作新型抗菌药物成分之前是否对人体安全的问题。
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