Młóto browarnicze to produkt uboczny wytwarzany w przemyśle piwowarskim, bogaty w białko i błonnik. Ilość tego odpadu rośnie wraz ze wzrostem produkcji piwa. Ze względu na rosnące koszty transportu oraz magazynowania poszukiwane są nowe sposoby zagospodarowania tego odpadu. Ze względu na swój skład młóto może służyć jako niedrogie i wysoce odżywcze źródło pasz i dodatków do żywności. Wykazuje też potencjał, by być tanim materiałem do ekstrakcji cennych związków oraz składnikiem pożywek hodowlanych wykorzystywanych w procesach biotechnologicznych.
Szacuje się, że światowa produkcja piwa oscyluje na poziomie 200 miliardów litrów, a wiodącymi producentami są Chiny, Stany Zjednoczone i Brazylia (FAO 2017). Przemysł browarniczy generuje ogromne ilości odpadów, których gospodarowanie jest trudne pod względem technologicznym i ekonomicznym. Ich gromadzenie się to również duży problem ekologiczny. Rozwija się więc tendencja, by znaleźć nowe zastosowania, które zmienią tradycyjne podejście do produktów „odpadowych” i uczynią je „surowcami” (Faˇrcaş i in. 2017). Nowoczesna nauka i technologia ma również na celu waloryzację produktów ubocznych do produkcji chemikaliów, surowców i innych związków o wartości dodanej (Helkar i in. 2016).
Słód jęczmienny, jeden z zasadniczych surowców w technologii piwowarskiej, powstaje przez kiełkowanie jęczmienia. Skiełkowane ziarno jest suszone, a następnie pozbawiane kiełków. W procesie prowadzonym na warzelni słód jest rozdrabniany i poddawany działaniu wody o temperaturze około 45 – 78°C. W trakcie tego procesu (etap zacierania) skrobia zbożowa jest hydrolizowana do prostszych sacharydów podlegających fermentacji. W kolejnym etapie zacier jest filtrowany, w wyniku czego uzyskuje się bogatą w rozpuszczalne cukry ciecz zwaną brzeczką, z której w kolejnych etapach wytwarzane jest piwo, a także stałą pozostałość, czyli młóto.
Każde 100 L wyprodukowanego piwa prowadzi do wytworzenia średnio od 20 do 22 kg młóta. Już pobieżna analiza pozwala wnioskować, że młóto, jako produkt uboczny, generowane jest w ogromnych ilościach. Szacuje się, że odpad ten stanowi około 85% wszystkich produktów ubocznych przemysłu browarniczego (Mussatto i in. 2006).
Młóto jako stała pozostałość jest materiałem niejednorodnym, składającym się z biomasy lignocelulozowej i jest bogaty w białka (20-30%), błonnik (30-70%) oraz tłuszcze. Zawiera ok. 12–28% lignin, 12–25% celulozy i 28% niecelulozowych polisacharydów, głównie arabinoksylanów (Mussatto i Roberto 2005; Lynch i in. 2016). Ten produkt uboczny jest również bogaty w oligo- i polisacharydy oraz związki fenolowe (Cooray i in. 2017). Młóto zawiera również witaminy (biotyna, kwas foliowy, niacyna, cholina, ryboflawina, tiamina, kwas pantotenowy i pirydoksyna), a także związki mineralne (wapń, kobalt, miedź, żelazo, magnez, mangan, fosfor, potas, selen, sód i siarka). To również źródło aminokwasów, zarówno egzogennych (lizyna, histydyna, metionina, fenyloalanina i tryptofan) jak i endogennych (alanina, seryna, glicyna i prolina) (Mussatto i in. 2006). Jest bogaty w związki fenolowe, głównie kwas ferulowy (1860–1948 mg/g), i kwas p-kumarowy (565–794 mg/g) oraz kwas sinapowy a także oligo- i polisacharydy.
Udowodniono, że tak bogaty skład związków bioaktywnych obecnych w młócie browarniczym wykazuje aktywność antynowotworową, przeciwzapalną i przeciwutleniającą. Dostępność przez cały rok sprawia, że młóto może stać się nie odpadem, a surowcem o szerokim potencjalnym zastosowaniu. Jednak pomimo takiego bogactwa cennych składników, młóto ciągle traktowane jest jako odpad trudny do zagospodarowania. Jeden z głównych powodów utrudniających wykorzystanie młóta, wynika z odporności ścian komórkowych na procesy ekstrakcji.
Młóto jako produkt uboczny jest bardzo często składowany na wysypiskach, a w najlepszym wypadku wykorzystywany jako pasza dla zwierząt oraz dodatek do żywności (Rysunek 1). Inne, alternatywne zastosowania obejmują produkcję energii poprzez bezpośrednie spalanie lub produkcję biogazu (Čater i in. 2015), bioetanolu (Liguori i in. 2015), węgla drzewnego (Zhang i in. 2015), węgla aktywnego (Mussatto i in. 2010; Vanreppelen i in. 2014), papieru (Russ i in. 2005; Sousa i in. 2007), młóto stosuje się jako składnik materiałów budowlanych (Russ i in. 2005), podłoże do uprawy grzybów lub nawóz do wykorzystania w rolnictwie (Beharry 2015).
Młóto browarnicze można zastosować do odzysku niektórych związków bioaktywnych, które można następnie wykorzystać jako funkcjonalne składniki żywności (Faˇrcaş i in. 2017). Niektóre składniki młóta, takie jak arabinoksylany i związki fenolowe, są znane ze swoich właściwości i potencjalnych korzyści zdrowotnych (Severini i in. 2015). Kwas ferulowy to kwas fenolowy o wielu potencjalnych zastosowaniach jako naturalny przeciwutleniacz, fotoprotektant, prekursor aromatu spożywczego oraz środek konserwujący / przeciwbakteryjny i przeciwzapalny. Z kolei kwas kumarowy może służyć jako protektant i przeciwutleniacz. Stąd młóto może potencjalnie służyć jako niedrogie źródło do ekstrakcji tych cennych związków. Najczęściej stosowane metody polegają na ekstrakcji ciecz-ciecz lub ciecz-ciało stałe za pomocą rozpuszczalników, takich jak metanol lub octan etylu, hydrolizie kwasowej i zmydlaniu (NaOH). Kwas ferulowy z powodzeniem ekstrahowano z młóta na drodze alkalicznej hydrolizy. Badania wykazały, że ilość kwasu ferulowego można zwiększyć przez zastosowanie enzymów pleśniowych – esterazy z Aspergillus niger lub ksylanazy i esterazy wydzielanej przez Trichoderma viride. Wykazano, że polifenole i flawonoidy można ekstrahować przy użyciu nadkrytycznego CO2. Przetestowano także skuteczność nowych technik ekstrakcji, wspomaganych mikrofalami (Rachwał i in. 2020).
Ostatnio zaproponowano jeszcze jedno zastosowanie młóta browarniczego jako pożywki hodowlanej do hodowli drożdży oraz produkcji metabolitów: lipidów, białek czy barwników naturalnych. Możliwość wprowadzenia młóta jako taniego zamiennika klasycznych peptonów/ekstraktów pozwoliłaby na znaczne obniżenie kosztów związanych z przygotowaniem pożywek hodowlanych (Cooray i in. 2017).
Powszechnie stosowane w pożywkach wzrostowych do hodowli bakterii i grzybów są peptony lub ekstrakty drożdżowe. Są one stosowane jako stymulatory wzrostu i produkcji np. kwasu bursztynowego (Vlysidis i in. 2009), olejów pochodzenia mikrobiologicznego (Saenge i in. 2011) i innych cennych metabolitów (Chatzifragkou i in. 2011). Ekstrakty drożdżowe pozyskiwane są na drodze autolizy (European Association for Specialty Yeast Products 2016) lub lizy indukowanej, gdzie zawiesina drożdży jest ogrzewana do temperatury ok. 50°C lub traktowana induktorem chemicznym (sól, etanol, związki powierzchniowo-czynne). Uzyskane lizaty komórek po oczyszczeniu i skoncentrowaniu mają postać pasty lub gęstej cieczy. Ekstrakty stanowią bogactwo protein, aminokwasów, witamin (B1, B2, B6, niacyna, kwas foliowy, kwas pantotenowy i biotyna) oraz minerałów (potas, sód, wapń, magnez, żelazo i cynk) z oryginalnych drożdży. Peptony również są szeroko stosowanym źródłem azotu w pożywkach mikrobiologicznych. Większość peptonów powstaje w wyniku inkubacji mleka, mięsa lub materiału roślinnego (ziemniaki, soja i pszenica) z mieszaniną enzymów (trypsyna, pepsyna lub inne enzymy proteolityczne). Jednakże produkcja ekstraktów czy peptonów jest technologia dość drogą, zbyt drogą dla zastosowania ich w pożywkach mikrobiologicznych na skalę przemysłową.
Badania prowadzone w ośrodkach naukowych w Chinach oraz Singapurze doprowadziły do opracowania zastosowania młóta browarniczego jako pożywki wzrostowej dla drożdży (Cooray i in. 2017). Surowiec odpadowy był mieszany z wodą i poddawany hydrolizie enzymatycznej, a następnie po filtracji posłużył jako medium hodowlane. Pożywki przygotowane z zastosowaniem młóta były porównywalne pod względem stymulowania wzrostu drożdży z drogą pożywką YPG, złożoną z ekstraktu, peptonu oraz glukozy. Media hodowlane sporządzone w oparciu o młóto były bardzo dobrym źródłem sacharydów, aminokwasów oraz innych stymulatorów wzrostu. Prowadząc hodowle na pożywce z młóta uzyskiwano nie tylko dobry poziom biomasy (21,4 g/L), ale także w przypadku szczepu drożdży Rhodosporidium toruloides, produkującego naturalne barwniki, otrzymywano bardzo wysoki poziom produkcji kwasów tłuszczowych i karotenoidów. Zatem zaproponowany sposób zagospodarowania produktu ubocznego – młóta – w kierunku zastępowania drogich komponentów pożywek można uznać za zrównoważony i opłacalny. Wprowadzenie niedrogich zamienników dla klasycznych pożywek hodowlanych daje możliwość obniżenia kosztów związanych z użytkowaniem drogie podłoży wzrostowych. Taka strategia umożliwi zmniejszenie wykorzystania źródeł żywności i zasobów naturalnych, a jednocześnie stworzy bazę dla zastosowań innych odpadów spożywczych.
Warto zapamiętać
Podczas produkcji piwa powstaje ogromna ilość odpadów, w tym młóto browarnicze. Ten produkty uboczny wykazuje potencjał do wykorzystania w jako suplement paszy i żywności oraz do ekstrakcji związków bioaktywnych. Inna alternatywa to zastosowanie brzeczek z młota browarniczego do hodowli mikroorganizmów w bioprocesach przemysłowych. Wykorzystanie tego produktu ubocznego może w pełni wykorzystać jego wartość odżywczą, obniżyć koszty produkcji a także poprawić stan środowiska naturalnego.
autorki:
Dorota Kręgiel, Monika Szymańska
Katedra Biotechnologii Środowiskowej
Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności
Politechnika Łódzka
Piśmiennictwo
Beharry LMW (2015) MCS-APB tiger brewery–brewery spent grain questions.
Čater M, Fanedl L, Malovrh Š, Logar RM (2015) Biogas production from,brewery spent grain enhanced by bioaugmentation with hydrolytic anaerobic bacteria. Bioresour Technol 186:261–269.
Chatzifragkou A, Makri A, Belka A, Bellou S, Mavrou M, Mastoridou M (2011) Biotechnological conversions of biodiesel derived waste glicerol by yeast and fungal species. Energy 36(2):1097–2108.
Cooray ST, Lee JJL, Chen WN (2017) Evaluation of brewers’ spent grain as a novel media for yeast growth. AMB Express 7(1):117
European Association for Specialty Yeast Products (2016) Yeast extract.
Faˇrcas˛ A, Socaci S, Mudura E, Dulf F, Vodnar D, Tofana M, Salanta LC (2017) Brewing technology. Makoto Kanauchi, IntechOpen; Budapest: 2017. Exploitation of brewing industry wastes to produce functional ingredients.
FAO (2017) Crop processed.
Helkar PB, Sahoo AK, Patil NJ (2016) Review: food industry by-products used as a functional food ingredients. International Journal of Waste Resources 6:248–253.
Liguori R, Soccol CR, Vandenberghe LPS, Woiciechowski AL, Faraco V (2015) Second generation ethanol production from brewers’ spent grain. Energies 8:2575–25886.
Mussatto SI, Dragone G, Roberto IC (2006) Brewers’ spent grain: generation, characteristics and potential applications. J Cereal Sci 43(1):1–14.
Mussatto SI, Fernandes M, Rocha GJM, Órfão JJM, Teixeira JA, Roberto IC (2010) Production, characterization and application of activated carbon from brewer’s spent grain lignin. Bioresour Technol 101(7):2450–2457.
Rachwał K, Waśko A, Gustaw K, Polak-Berecka M (2020) Utilization of brewery wastes in food industry. PeerJ 14;8:e9427.
Russ W, Mörtel H, Meyer-Pittroff R (2005) Application of spent grains to increase porosity in bricks. Constr Build Mater 19(2):117–12
Saenge C, Cheirsilp B, Suksaroge TT, Bourtoom T (2011) Potential use of oleaginous red yeast Rhodotorula glutinis for the bioconversion of crude glycerol from biodiesel plant to lipids and carotenoids. Process Biochem 46(1):210–218
Severini C, Ricci I, Marone M, Derossi A, De Pilli T (2015) Changes in the aromatic profile of espresso coffee as a function of the grinding grade and extraction time: a study by the electronic nose system. Journal of Agricultural and Food Chemistry 63:2321–2327
Sousa SCL, Silva JP, Ramos A, Simoes R (2007) Pulping and papermaking potential of brewery spent grain. Cellul Chem Technol 41(2):183–191
Vanreppelen K, Vanderheyden S, Kuppens T, Schreurs S, Yperman J, Carleer R (2014) Activated carbon from pyrolysis of brewer’s spent grain: production and adsorption properties. Waste Manag Res 32(7):634–645
Vlysidis A, Binns M, Webb C, Theodoropoulos C (2009) Utilisation of glycerol to platform chemicals within the biorefinery concept: a case for succinate production. In: Paper presented at the 12th international conference on process integration, modelling and optimisation for energy saving and pollution reduction, Parts 1 and 2
Zhang Y, Zhang J, Ma Y (2015) Preparation and application of biochar from brewery`s spent grain and sewage sludge. Open Chem Eng J 9:14–19
