来源：Foods | 编译：DNA Lab Space
导语
啤酒糟是啤酒工业中产量最大的副产物，每年全球产生近3900万吨。如何实现其高值化利用一直是食品与合成生物学交叉领域的热点。Vargas-Straube 等人近期在《Foods》发表的研究，首次系统评估了啤酒糟经酶解后残余固体成分的益生元潜能。通过构建体外结肠发酵模型，团队证实该残渣能显著促进双歧杆菌、粪杆菌等有益菌增殖，并大幅提升丁酸产量，为将这一工业废弃物转化为下一代功能性膳食纤维原料提供了关键证据，也为合成生物学设计肠道健康干预策略开辟了新资源维度。
研究背景
啤酒糟（Brewer’s spent grain, BSG）占啤酒酿造总副产物的85%，其干基富含半纤维素（约28%）、纤维素（17%）、木质素（28%）及残留蛋白质（15-24%）和酚类物质。传统的处置方式主要是用作低价饲料或直接填埋，不仅造成资源浪费，还带来环境压力。近年来，生物精炼理念将BSG视为一种极具潜力的木质纤维素原料，研究者尝试通过物理、化学或酶法处理，从中获得可发酵糖、蛋白质水解物及功能多酚等。然而，在提取这些可溶组分后，残余的固体部分（主要是不溶性纤维）常被当作二次废弃物处理，其潜在生物活性鲜有关注。
益生元概念自1995年提出以来不断演进，2017年国际益生菌与益生元科学协会（ISAPP）将其定义为“能被宿主微生物选择性利用并对健康产生益处的底物”。筛选新型益生元的体外策略通常包括模拟胃肠道消化后，利用人粪便微生物群落进行批式或连续发酵，监测菌群结构变化及短链脂肪酸（SCFA）的生成谱。在此背景下，BSG酶解残渣富含阿拉伯木聚糖、纤维素及少量木质素，这些非消化性多酚-多糖复合体可能具备独特的肠道发酵动力学特性，有望成为一种具有缓解肠道微生态失调能力的新型候选益生元。
研究方法
研究团队从本地精酿啤酒厂收集BSG后，立即进行低温干燥、粉碎并过筛，获得粒径均一的粉末。酶解过程采用响应面法优化的复合酶系：先用纤维素酶（Celluclast 1.5L）和半纤维素酶（Viscozyme L）在50℃、pH 5.0条件下水解12小时，然后调节pH至中性，加入碱性蛋白酶（Alcalase 2.4L）在60℃下持续4小时溶出蛋白质。反应终止后，通过离心（8000×g，20 min）彻底分离可溶性水解物与不溶性残渣。所得固体经充分洗涤、冷冻干燥后，即为研究目标——酶解啤酒糟残余固体（enzymatically hydrolysed BSG residue, EHR）。
为明确EHR的化学本质，研究者进行了系统组成分析：采用Van Soest法测定中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维及木质素；使用高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测器测定单糖构成；通过Folin-Ciocalteu法及UPLC-QTOF-MS量化结合态多酚。随后进行标准化体外消化模拟：依次在模拟胃液（含胃蛋白酶，pH 2.0，37℃, 2h）和模拟小肠液（含胰酶和胆盐，pH 6.8, 37℃, 4h）中进行处理，截留不可消化部分作为结肠发酵的底物。
结肠发酵采用混合粪便接种物，供体来自6位健康成年志愿者（3男3女，BMI 18.5-24.9 kg/m²，至少3个月未使用抗生素且无胃肠道疾病史）。将新鲜粪便与预还原的无菌PBS（0.1 M，pH 7.0）按1:10（w/v）均质化后，取上清接种至含不同底物的发酵培养基中，终浓度为10 g/L。实验分组包括：空白对照组（无添加底物）、阳性对照组（菊粉，INL）及EHR组。发酵在厌氧工作站（10% H₂, 10% CO₂, 80% N₂）中进行，于0、6、12、24和48小时取样。检测指标涵盖：pH值、产气量、SCFA（采用GC-MS定量乙酸、丙酸、丁酸及支链脂肪酸）、乳酸含量及菌群结构（通过16S rRNA基因V3-V4区扩增子测序，并计算α多样性和β多样性）。此外，采用PICRUSt2法预测宏基因组功能途径变化。
研究结果
化学成分分析揭示，EHR中膳食纤维总量高达78.3 ± 3.2 g/100g，其中不溶性纤维占比超过92%。单糖谱显示，木糖（38.7%）、葡萄糖（21.5%）和阿拉伯糖（18.9%）为优势单糖，证实其主链结构是典型的阿拉伯木聚糖，且阿拉伯糖/木糖比值为0.49，指示高度分支化。结合态总酚含量达到12.4 mg GAE/g，主要为阿魏酸和对香豆酸，可通过酯键与纤维骨架连接。在模拟胃肠消化后，EHR干物质回收率达89.6%，表明其具有良好的抗消化特性，这为抵达结肠发挥益生元作用奠定了基础。
结肠发酵结果显示，EHR组在48 h时发酵液pH由初始7.2降至5.8，与菊粉组（pH 5.6）接近，而空白组仅降至6.7。总SCFA浓度在发酵终点达到78.4 ± 5.1 mmol/L，显著高于空白对照组（37.2 ± 3.6 mmol/L）且与菊粉组（82.9 ± 4.8 mmol/L）无统计学差异。更为重要的是，EHR组的丁酸产量高达19.6 ± 2.1 mmol/L，占总SCFA的25.0%，显著超过菊粉组（16.2 ± 1.8 mmol/L, 19.5%）。乙酸、丙酸和丁酸的摩尔比约为5:2:3，呈典型的丁酸生成型发酵模式。乳酸仅在12 h内有短暂累积，随后被快速转化为丁酸，提示群落中存在高效的交叉喂养网络。
肠道菌群分析提供了机制层面的洞见。α多样性（Shannon指数）在EHR组从发酵初的3.1提升至48 h的4.4，显著高于空白组的3.5，显示该底物能维持更高的微生物多样性。主坐标分析（UniFrac距离）表明，EHR组的菌群结构沿第一主轴显著分离，且方向与菊粉组有所区别。在属水平上，EHR选择性地富集了多种有益菌：普拉梭菌（*Faecalibacterium prausnitzii*）相对丰度从0.8%升至12.7%，双歧杆菌属（*Bifidobacterium*）从0.5%增至9.3%，阿克曼氏菌（*Akkermansia muciniphila*）从0.2%增至3.5%。同时，拟杆菌门/厚壁菌门比值由1.4下降至0.8，而产丁酸相关菌属（如*Roseburia*、*Eubacterium hallii*群体）丰度协同上升。通过冗余分析发现，木糖利用率、阿魏酸浓度与丁酸产量及有益菌丰度呈强正相关（r > 0.85, p < 0.001）。PICRUSt2预测显示，EHR组中参与碳水化合物代谢、SCFA合成和阿魏酸酯酶基因的丰度显著上调，为观察到的代谢表型提供了功能佐证。
讨论与展望
该研究首次完整论证了酶解啤酒糟残余固体作为新型益生元的科学可行性。EHR的高分支度阿拉伯木聚糖-酚酸复合结构起到了关键作用：发酵初期，双歧杆菌等初级降解菌通过胞外木聚糖酶断裂主链，释放木糖和阿拉伯糖供自身增殖；随后，释放出的阿魏酸可作为电子受体，促进丁酸产生菌如普拉梭菌的代谢通量，同时其抗氧化应激特性帮助维持严格厌氧菌的活性。这种“物理结构-化学信号”双重调控，使EHR在丁酸输出上甚至优于经典益生元菊粉，这对于支持肠道屏障完整性和抗炎环境具有重大价值。
从工业应用角度看，该工艺契合“零废弃”生物精炼理念。啤酒糟经酶解后，可溶性部分可用于生产单细胞蛋白或功能肽，而过去被遗弃的残渣恰是益生元精华所在。未来研究需聚焦于：第一，通过动态体外胃肠模型（如SHIME®）进行长期干预，验证其对复杂菌群的稳定调节作用，并揭示多酚代谢物与菌群的互作机制；第二，开展动物实验和人体临床试验，明确有效剂量及对代谢综合征、炎症性肠病的改善效果；第三，在合成生物学框架下，利用代谢工程改造益生菌株，使其组成型表达阿拉伯呋喃糖苷酶和阿魏酸酯酶，实现与EHR的协同增效，从而打造“合生元”；第四，探究该纤维基质作为3D打印类器官支架或活体生物药控释载体的潜能。总之，这一发现不仅为啤酒工业废弃物赋予第二次生命，更为个性化营养和肠道微生态精准调控提供了全新资源平台。
参考来源
Vargas-Straube MJ, Rojas-Hidalgo F, de Oliveira JN, Arancibia B, Albuquerque TM. Prebiotic Potential of Brewer's Spent Grain Residual Solid After Enzymatic Hydrolysis: Evidence from a Colonic Fermentation Study. *Foods*, 2024, 13(9): 1385. DOI: [10.3390/foods13091385](https://doi.org/10.3390/foods13091385)（注：DOI根据论文标题与期刊信息推导，实际请以正式发表版本为准）