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作者：圣路易斯华盛顿大学 阿尔西娜·约翰逊·苏达加尔
现代美国啤酒产业年产值达1170亿美元，酿酒商每年生产超过1.7亿桶啤酒。啤酒酿造过程耗时耗能，每一步都会产生大量废料。
废料中的固体成分，如使用过的谷物和酵母，最终会进入垃圾填埋场，有害化合物可能渗入土壤。进入水生生态系统的啤酒废水会污染溪流和湖泊，降低这些环境中的氧气水平，并威胁生物体。
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的产品。我是一名化学家，我的研究团队和我对如何回收和重新利用啤酒厂废料制成可用于制造新型处方药的微小颗粒很感兴趣。
啤酒酿造过程
啤酒酿造过程采用原始谷物——通常来自大麦——并通过麦芽制造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，这会使种子从休眠状态中苏醒，然后在受控温度下保持种子发芽。
在此期间，会释放重要的酶，可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以使其干燥并停止进一步发芽。经过麦芽制造过程后，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。
酿酒商随后分离出甜麦芽提取物，称为麦汁，剩余的固体作为废料去除，称为酿酒废谷物。原始谷物重量的约30%最终成为废谷物废料。这些废料要么用作动物饲料，要么被丢弃。每年产生约3000万吨废谷物。
酿酒商将一种名为蛇麻草（Humulus lupulus）的植物的圆锥形花——称为啤酒花——添加到麦汁中，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酒花渣，这是啤酒厂的第二大废料。大约85%的啤酒花作为废料被去除。
然后，清澈的麦汁被冷却，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，形成了啤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。这种废料含有大量水和固体物质：100升啤酒产生2至4公斤（4.4至8.8磅）的废酵母。
最后，发酵后的啤酒在进入生产线前进行过滤，啤酒在此装瓶供消费。在最后阶段产生的废水形成了过滤废料。中等规模的啤酒厂每月产生约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。啤酒厂产生的几吨废料由于经济价值低而基本上未得到充分利用。
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，这些化合物有可能被重新利用。科学家们尝试以创造性的方式重新利用废料，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纯素皮革。
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，但行业范围内大部分废料仍被作为垃圾填埋处理。废水被排入污水管线，由于其污染物含量比典型居民污水高出30多倍，可能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，但对啤酒的需求持续上升，仍有大量废料需要处理。
废料在纳米粒子中的重新利用
在我的研究中，我有兴趣确定啤酒厂废料中的化合物是否有助于制造与人类细胞相容但对抗细菌的纳米粒子。纳米粒子是极其微小的粒子，尺寸在十亿分之一米的范围内。
在医学中，当相同的抗生素反复使用时，细菌可能会对其产生抗药性。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。这些纳米粒子还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粒子——这项发明我们已经获得专利，但尚未积极商业化。我们通过将酿造任何阶段的废料添加到金属源中来制造这些颗粒。
当我们将含有银的化学物质——例如硝酸银——添加到废料中时，一系列组合过程将银化合物转化为纳米粒子。其中一个过程称为还原：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粒子。
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，水槽中形成粉笔状肥皂浮渣的方式。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粒子核心的固体化合物。
来自啤酒废料的有机化合物，如蛋白质、碳水化合物、多酚和糖，在纳米粒子上形成涂层。这种涂层可防止这些粒子表面发生其他反应，这对于使纳米粒子在应用中保持稳定非常重要。这些由啤酒废料制备的纳米粒子由三部分组成：银金属、银氧化物和银磷酸盐。
减少有害化学品使用并最大限度减少有害副产品的环保工艺被称为绿色化学。由于我们的程序非常简单且不使用任何其他化学物质，因此它属于绿色化学范畴。
纳米粒子安全性
我的同事尼哈·兰甘（Neha Rangam）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，这些纳米粒子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，含有高含量银磷酸盐的特殊类型纳米粒子对大肠杆菌有效。似乎这种银磷酸盐纳米粒子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，从而与细菌有更好的接触。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。通过从银制造纳米粒子，我们可以获得大量可用于消除细菌的表面积。
几种纳米粒子已进入临床试验，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。生物技术中对纳米粒子的大部分研究涉及碳基纳米粒子。科学家们仍需要了解这些金属纳米粒子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，除非附着在设计用于安全运输纳米粒子的药物载体上，否则这些粒子很难从体内去除。在医生可以将这些纳米粒子用作抗菌药物之前，科学家需要研究这些材料进入体内的命运。
一些工程纳米粒子可能对生物体有毒，因此在将这些啤酒废料衍生的纳米粒子用作新型抗菌药物成分之前，研究需要解决它们对人体是否安全的问题。
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