В процессе брожения пива образуются три типа твердых отходов: дробина, горячий осадок, который также называют горячий труб, и остаточные дрожжи. В то время как первый используется в качестве корма для скота, другие пока не нашли реального повторного применения в сфере экономики замкнутого цикла, но имеют хорошие перспективы в качестве органических удобрений для выращивания пивоваренного ячменя.
Портал AgroXXI.ru ознакомился со статьей международного коллектива исследователей из Университет Камерино, Италия, и Химико-технологического университета, Чешская Республика, о перспективах переработки пивных отходов в удобрения для ячменя для замыкания производственной цепочки.
Неиспользуемые остатки пивоварения могут получить новое прочтение
Пиво - алкогольный напиток, изготавливаемый из четырех основных ингредиентов: воды, солода, хмеля и дрожжей. В процессе пивоварения образуется большое количество трех твердых отходов: дробина, горячий осадок и остаточные дрожжи.
Пивная дробина - это остаточное солодовое зерно, которое остается после процесса затирания, и уже изучалась для различных целей, таких как корм для животных, производство биогаза и даже производство продуктов питания.
Однако на последующих этапах производства пива образуются два других типа твердых отходов, а именно горячий осадок (hot trub, HT) и остаточные пивные дрожжи (residual yeast, RY), которые пока не нашли значительных областей повторного применения.
Первый, HT, состоит из твердых частиц, образующихся во время кипячения сусла и впоследствии отделяемых в процессе вихревой ванны. Он содержит смесь частиц хмеля, унесенного сусла и высокомолекулярных коллоидных белков, которые имеют тенденцию коагулировать во время кипячения сусла.
Состав HT зависит от многочисленных факторов, включая сорта ячменя и хмеля, концентрацию, степень растворимости веществ из хмеля и солода, а также настройки процесса пивоварения, такие как контроль pH, концентрация ионов, время гомогенизации и окисление во время варки, которые играют центральную роль в составе остатка. Большая часть соединений хмеля (примерно 85%) нерастворима в сусле и выбрасывается как HT. HT состоит из 50–60% белка, 15–20% смол, 2–3% золы и 1–2% жирных кислот. Несмотря на эти полезные питательные вещества, он непригоден для употребления людьми или животными из-за его неприятного горького вкуса.
Вторым побочным продуктом процесса пивоварения является RY, который образуется, когда дрожжи достигают конца своей ферментативной активности. Количество микробной биомассы зависит от нескольких факторов, включая условия ферментации, такие как аэрация, температура, pH, концентрация инокулята, а также жизнеспособность и жизнеспособность клеток. Тип микроорганизма и состав пивного сусла также оказывают влияние на состав RY.
Дрожжи, используемые в пивоварении, можно разделить на две основные категории: дрожжи верхового брожения «элевые» (Saccharomyces cerevisiae) и дрожжи низового брожения «лагерные» (Saccharomyces pastorianus и Saccharomyces carlsbergensis). Выбор штаммов дрожжей существенно влияет на органолептические характеристики пива. В конце ферментации дрожжи отделяются от основной жидкости с помощью процесса флокуляции. Дрожжевые клетки собираются, образуя хлопья, которые поднимаются наверх (при верховом брожении) или оседают на дне сосуда (при низовом брожении). Недавние исследования начали изучать потенциальное повторное использование отходов пивоварения в различных секторах, включая пищевые и нутрицевтические приложения, а также использование в устойчивых сельскохозяйственных практиках.
В 2022 году государства-члены Европейского союза произвели в общей сложности 34,3 млрд литров алкогольного пива и почти 1,6 млрд литров слабоалкогольного или безалкогольного пива, что в среднем составляет почти 80 литров на душу населения.
Такой уровень производства приводит к образованию значительного количества побочных продуктов и отходов. Фактически, на каждый гектолитр пива образуется около 14–19 кг пивной дробины, 0,2–0,4 кг HT и 2–4 кг RY. Из этого следует, что в ЕС в 2022 году пивоваренная промышленность произвела приблизительно 5–7 миллионов тонн пивной дробины, 72–140 миллионов тонн HT и 700–1400 миллионов тонн RY. В настоящее время, согласно политике устойчивости и круговой экономики, внимание сосредоточено на возможностях повторного использования отходов и побочных продуктов.
По этой причине основной целью данного исследования было поддержать европейские принципы путем продвижения методов управления отходами для предотвращения нанесения вреда окружающей среде или здоровью человека. Выявляя новые приложения, которые повышают их ценность и сокращают отходы, данное исследование поддерживает более круговую и ресурсоэффективную модель производства продуктов питания и предлагает использовать эти отходы пивоварения в качестве органических удобрений за счет возвращения ценных макро- и микроэлементов в почву.
Насколько известно авторам, существует мало научных доказательств повторного использования этих отходов, и никто не сообщал об их применении для улучшения качества почвы.
Цель этой работы была определить, может ли прямое внесение этих побочных продуктов в почву функционировать как обогатитель почвы или удобрение для выращивания ячменя, тем самым поддерживая полную замкнутость цепочки производства пива.
Проверка на пригодность и результаты
Безопасность HT и RY из двух по-разному ферментированных сортов пива оценивалась путем мониторинга 57 микотоксинов с помощью UHPLC-MS/MS, и они были химически охарактеризованы с помощью ICP-MS, микроанализа, HPLC и спектрофотометрических определений.
Образцы были предоставлены итальянской пивоварней Blink Brewery, специализирующейся на производстве крафтового пива. Два образца HT и два образца RY были отобраны в процессе производства двух видов пива, одного низового и одного верхового брожения. Всего было проанализировано четыре группы образцов: горячий осадок низового брожения (HTBF), остаточные дрожжи низового брожения (RYBF), горячий осадок верхового брожения (HTTF) и остаточные дрожжи верхового брожения (RYTF). Пиво отбиралось с учетом двух критериев: во-первых, стиля брожения и, во-вторых, количества использованного хмеля.
Первоначально безопасность оценивалась с помощью многофакторного анализа 57 микотоксинов, и все образцы были признаны безопасными.
Затем химический и элементный состав исследовался с помощью ICP-MS и микроанализа, а также фенольных соединений и антиоксидантной активности с помощью ВЭЖХ и спектрофотометрических определений для достижения тщательной характеристики этих образцов отходов.
Соотношение C/N остаточных дрожжей пива верхового брожения и горячего осадка пива низового брожения было близко к оптимальному (10:1).
В этом исследовании изучение присутствия полифенолов было необходимо для понимания того, можно ли использовать горячий труб и остаточные дрожжи в сельском хозяйстве в качестве удобрений или почвоулучшителей.
Представленные результаты частично соответствуют результатам спектрофотометрических анализов, что позволяет предположить наличие других фенольных производных, которые не отслеживались с помощью применяемого метода.
В настоящее время некоторые исследования влияния фенольных соединений, присутствующих в растениях или растительных экстрактах, показывают прямые эффекты, такие как биопротекторный потенциал, биостимулирующая активность, защитные механизмы путем модуляции ферментов и регуляция активности фитогормонов. Хотя маловероятно, что фенольные соединения и экстракты оказывают прямое влияние на пролиферацию или действуют как прямые биопротекторы против вредителей и патогенов. Вместо этого их эффекты могут быть косвенными, например, на микробиомы растений и почвы или для стимуляции индуцированной устойчивости к болезням, что может способствовать функциям биопротектора или биостимулятора. В настоящее время существует ограниченное количество исследований побочных эффектов внешних фенольных химикатов и растительных экстрактов.
С другой стороны, было обнаружено, что многочисленные флавоноидные соединения обладают биологической активностью. Эта активность включает в себя стимулирование или подавление роста растений и поглощения питательных веществ в зависимости от концентрации, выступая в качестве сигналов в коммуникации между растениями и микробами, а также взаимодействуя с гормонами растений. Растительные фенолы, включая полифенолы и флавоноиды, могут контролировать цикл C посредством своего воздействия на сообщества редуцентов и возможных изменений в скорости их разложения, следовательно, на цикл C. Органическое вещество почвы представляет собой крупнейшее хранилище почвенного C, N, P, S, Ca, Mg и микроэлементов. В результате любые изменения в минерализации или иммобилизации C могут оказывать влияние на доступность других необходимых питательных веществ.
Наиболее существенным отличием стало статистически более высокое содержание золы в остаточных дрожжах по сравнению с горячим трубом. С другой стороны, горячий труб показывает значительное количество различных соединений, таких как олеаноловая кислота, флоретин, флоризин и другие компоненты, например, Cu и Mn. Калия немного больше в остаточных дрожжах, но разница не очень важна.
Подводя итог, можно сказать, что существует четкое различие в составе между горячим трубом и остаточными дрожжами. Остаточные дрожжи содержат значительно большее количество золы, тогда как горячий труб обогащен олеаноловой кислотой, медью, флоретином, флоризином и марганцем. Эти различия подчеркивают уникальные химические профили двух пивоваренных остатков, что предполагает различные роли и потенциальные области применения в пивоваренной промышленности и за ее пределами. Помимо химического состава, исследованного в данной работе, горячий труб и остаточные пивные дрожжи обладают высокой биоразлагаемостью благодаря своему богатому органическому составу, включающему белки, липиды и полисахариды, которые легко усваиваются микробными сообществами почвы.
Наконец, хотя настоящее исследование предлагает ценные сведения о химическом составе горячего осадка и остаточных дрожжей из двух по-разному ферментированных сортов пива, ограниченный размер выборки представляет собой неотъемлемое ограничение. Эти результаты следует рассматривать как предварительные, служащие основой для дальнейших исследований, включающих более широкий спектр образцов и производственных контекстов. Будущие исследования должны быть нацелены на включение нескольких партий и источников пивоварен, чтобы подтвердить последовательность и более широкую применимость наблюдаемых тенденций.
Однако, данное исследование является пионером в анализе отходов производства пива и сообщает о первых и очень обнадеживающих результатах сельскохозяйственного повторного использования горячего труба и остаточных дрожжей.
Привнося основные выводы этого исследования в сельскохозяйственную практику, горячий труб и остаточные дрожжи демонстрируют обнадеживающие возможности для включения в сельскохозяйственные системы, особенно в качестве органических усилителей почвы, благодаря их химическому составу и соотношению C/N. Их сравнительно повышенные уровни азота, калия и фосфора указывают на то, что они могут функционировать как постепенные поставщики питательных веществ.
Более того, из-за их органической природы ожидается, что эти побочные продукты будут легко разлагаться почвенными микроорганизмами, вероятно, повышая микробную активность и способствуя плодородию почвы. Однако нормы их внесения должны быть оптимизированы, чтобы избежать потенциальной фитотоксичности или дисбаланса питательных веществ.
Значение этих результатов весьма существенно, поскольку они дают ценную информацию заинтересованным сторонам, стремящимся содействовать развитию более устойчивой пивоваренной отрасли, в которой приоритет отдается как экологической целостности, так и экономической устойчивости.
Это исследование знаменует собой первый шаг к повторному использованию отходов пивоваренного производства в качестве удобрений. Последующие шаги будут включать в себя разработку рецептуры и полевые испытания.
По статье группы авторов (Лаура Алессандрони, Риккардо Маркони, Марко Дзаннотти, Стефано Ферраро, Тереза Долезалова, Дилетта Пиатти, Газаль Намаззаде, Симоне Анджелони, Джанни Сагратини), опубликованной в журнале Foods 2025 на портале www.mdpi.com.