全国酒厂每年生产的黄水量十分巨大，由于黄水具有髙酸、高BOD、高COD值的特性，如果直接排放，黄水带来的污染将是很严重的。此外，黄水中含有多种有效成分，是一种可利用的资源，因此，积极寻找黄水的利用途径显得尤为重要。黄水中丰富的营养物质为微生物的生长与繁殖提供了充足的条件，作为微生物的培养基也成为了提高黄水利用率的一种方法。枯草芽孢杆菌作为芽孢杆菌属的模式种具有很多优点包括耐酸、耐盐、耐高温及耐挤压等特性，因而，将枯草芽孢杆菌应用于发酵酒精工业黄水中，提供了黄水利用的新途径，为酒精厂黄水的合理利用，节能减排提供依据，在生产实际中具有十分重要的意义与价值。
1酒精黄水
1.1黄水的形成
黄水为酿酒过程中窖内发酵产物。在浓香型白酒生产中，含水量在52%～55%的入窖酒醅经厌氧发酵，其中的淀粉在各种酶、酵母作用下由糖变酒，并生成二氧化碳，单位酒醅的重量相对减少。随着发酵的进行，微生物代谢生成的水与酒醅中未被微生物所利用的水分逐渐沉降，将酒醅中的酸、可溶性淀粉、酵母溶出物、还原糖、单宁及香味前体物质等溶于其中并沉积于窖池底部而形成黄水[1]。
发酵正常的黄水为“老蟑螂色”的胶状混浊液体。外观粘稠，并有特殊的臭气味。品评其味，酸中带涩。黄水中富含多种有效成份，是一种可利用的资源，黄水中含丰富的有机酸(尤其是乳酸、丁酸、己酸、乙酸等羧酸含量最多)、醇、醛、酯等呈香味物质，同时还含有氨基酸、糖类、酒精、腐殖质、酵母菌体自溶物、微生物菌体以及活细胞等[2]。
一般情况下每生产 1000kg大曲酒，产生黄水300～400kg，年产万吨规模的大曲酒厂要产生黄水3000～4000t，日产量10t 左右[3]。虽然黄水中含有众多可利用物质，但实际生产中，有不少厂家认为黄水是发酵的副产物，无利用价值，未能很好利用甚至作为废物直接排放。黄水的pH 约为3.0～3.5，其BOD：25000～30000mg／L，COD：25000～40000mg／L[3]，若黄水未经处理就直接排放掉,对环境污染很大。
目前我国大部分酒厂对黄水的处理都是将其用于拌糟回窖发酵或养窖、培养人工窖泥等方面，不仅不能有效利用资源，而且无法从根本上解决发酵黄水的最终去路问题。因此如何综合利用黄水资源，如何能够变废为宝，彻底解决黄水的去路问题显得尤为重要。
1.2黄水成分的分析
由于白酒生产企业使用的酿酒原料、原料配比及原料的质量、窖龄和窖池质量等因素存在差异。导致各厂家产出的黄水的主要成分及各成分的含量(尤其是各成分的含量)差异较大。资料表明，黄水的成分及其含量较丰富，见表1。不同窖池中的黄水都含有一定数量的微生物，见表2。
黄水中其他组分[6]，黄水中羰基化合物的生成途径很多，比如酮酸脱羧、氨基酸脱氨脱羧、醇氧化等反应，可生成相应的醛、酮。挥发性含硫化合物，多来自于蛋氨酸和半胱氨酸等含硫氨基酸。芳香族化合物多是酚类化合物，主要由小麦或者制麦曲过程中微生物发酵产生，或者是在制麦曲过程中形成的中间产物，再由细菌或者酵母菌发酵而来。
1.3黄水的营养价值及其利用基础
乳酸是世界公认的三大有机酸之一，其在食品、医药、化学等行业都有较大的需求量，且其需求量还有逐年扩大的趋势。据中国食品产业网的最新报价表明，食品级乳酸钙的最新市场价高达7800～9000元／t。黄水中含有丰富的有机酸(尤其是乳酸、乙酸、己酸、丁酸等羧酸含量最多，一般为白酒酸含量的5- 10倍)，酸度可高达7度左右。黄水中的乳酸含量高达97.5～7800mg／100mL，且黄水中还含有高达5.32～5.4g／100mL的糖[7]，可以通过对黄水进行乳酸发酵，进一步提高乳酸的含量。提取黄水中的乳酸或利用黄水中的乳酸制成乳酸钙，是将黄水变费为宝的一个好方法。
黄水中含有大量的游离氨基酸。研究结果表明，其中所含游离氨基酸多达19种，并且含有四分之三以上的动物体必需氨基酸，黄水中丙氨酸、丝氨酸、谷氨酸、亮氨酸、门冬氨酸含量相对较高[8]，如果将黄水中的氨基酸有效利用，将其加工生产成液体蛋白饲料，不仅能以其价廉质优的品质服务于养殖业，还能够解决黄水的去路，实现资源的综合利用。
2黄水开发利用的研究进展
近几年有关黄水开发利用的研究报告主要集中在对黄水进行不同程度的处理后用于勾调各种档次的白酒和将黄水用于养窖、培养人工窖泥以及拌糟醅回窖发酵等方面。此外，也出现了其他一些黄水应用方法的研究。也都有其各自的应用前景。
2.1黄水与白酒生产
黄水经简单的脱色、除臭后，用于勾兑低档白酒，这样可以增加原酒中的香味成分，赋予酒体自然协调的感觉。由于黄水中杂味较重，一般需要经过脱色、过滤等处理后才能作为勾兑白酒的酸性调味品。它对提高酒体风味,赋予酒体浓厚感、醇和感、净爽感、绵长感，增加酒体的固态风味都有较大的贡献。
黄水中含有大量的酸类、醇类物质，经过酯化反应可以生成白酒中所需要的酯类物质，亦可以酯化后用于勾兑各种档次的白酒。引人酯化酶可以催化黄水中有机酸与醇的酯化，如：罗惠波等人[9]在引人酯化酶的基础上还应用了TH—AADY(耐高温活性干酵母)，黄水经酯化后，总酯含量上升率可达120％～150％，特别是作为浓香型大曲主体香成分的己酸乙酯上升幅度更为明显，达9倍。伍显兵等[10]利用自制的酯化酶对黄水进行酯化，取得了很好的效果(将己酸乙酯的含量提高了6倍左右)；张培芳等人[11]通过引入酯化酶的方法，有效地提高了黄水中香味成分的含量(其中黄水中己酸乙酯的含量由70.0mg／L提高到2.49g／L，提高了35.57倍)。
2.2 用于养窖、培养人工窖泥和拌糟醅回窖发酵
黄水中不仅含有大量的有益微生物菌群，而这些微生物菌群又是白酒生产所用到的酒窖和窖泥中所必需包含的生物体；并且，黄水中含有大量的糖类、蛋白质及氨基酸态氮等微生物生长、繁殖所必需的营养物质。因此，白酒厂常常将黄水用于养窖、培养人工窖泥和拌糟醅回窖发酵。2003年，张建华等人[12]将黄水加大曲粉、酒糟、酒尾、窖泥等发酵制备的酯化液，然后将酯化液用以拌糟醅回窖发酵，使糟酒的质量得到了明显提高。黄水也可用于促进窖泥酯化老熟、用于修补老窖、进行人工培窖，促进窖内发酵正常进行。
2.3 利用黄水酿造食醋并用作食品防腐剂
黄水中含有大量的乳酸以及醋酸，而且其他的香气成分含量也与醋十分相近，因此可将黄水进行适当处理后，直接调配或再发酵，加工成具有良好风味的食醋。张志刚等人[13]于2005年将黄水粗滤后，添加中高温大曲，进行再次发酵制取香醋，所得产品不仅符合国家食醋标准，酸度适口、香味醇厚，还具有独特的风味。
黄水中含有丰富的有机酸，较高的酸度使其具有良好的防腐效果。同时，黄水作为粮食发酵产物具有较高的安全性，因而经简单处理后用作食品防腐剂。杨新力等人对黄水进行除杂、脱臭脱色以及浓缩等处理后，将其加工成酸度为8％的黄水处理液添加入酱油，用于其防腐，得到了良好的效果。
2.4提取黄水中的乳酸或者制备乳酸钙、复合有机酸钙
罗惠波等人[14]针对黄水特性，直接从黄水中选育出优良的乳酸菌，并利用黄水中的还原糖和淀粉进行发酵生产乳酸，进而提高黄水中乳酸的含量，并取得了良好的成效。王国春等人[15]将黄水中的乳酸提取出来并将其制成乳酸钙，亦获得良好得率。但是，黄水中除乳酸外，还有诸多与其性质相似的有机酸，因而在生产纯度较高的乳酸或者乳酸钙时，存在一定的困难。但是可以考虑利用黄水生产复合有机酸钙而非纯粹的乳酸钙。
2.5利用黄水发酵制备丙酸
乳酸是黄水有机酸中含量最高的。同时黄水中还原糖的含量也特别高，它们都可以作为丙酸发酵的底物，而且黄水中含有丙酸菌生长所需的氮源。所以，可以利用黄水发酵生产出产品附加值较高的丙酸。梁慧珍等(2005) [16]利用固定化丙酸菌对黄水中的乳酸和葡萄糖进行发酵以制取丙酸，其产酸量高达17.7g／L。
近年来，国内外众多专家对酒精废水的处理进行了大量研究，针对黄水的研究利用主要集中在风味组分、氨基酸等氮源以及乳酸这三方面，方法各有千秋，但没有任何一种能够完全有效的利用黄水。在资源匮乏的今天，如何能够变废为宝，珍惜利用每一种资源，成为亟需解决的问题。
3 枯草芽孢杆菌发酵探讨
枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)，芽孢杆菌属的一种。该菌是一种嗜温、好氧、产芽孢的杆状细菌，其生理特征丰富多样，分布广泛，极易分离培养。因其广泛分布于土壤及腐败的有机物中，且易在枯草浸汁中繁殖，故而得名。
3.1枯草芽孢杆菌的生物学特点[17]
杆菌：单个细胞通常(0.7～0.8)×(2～3)um，电子显微镜测量为(0.54～0.6)×(1.1～3.5)um。革兰氏阳性菌(G+)，无荚膜，周生有长而丰富的鞭毛，能运动。
芽孢：通常(0.6～0.9)×(1.0～1.5)um。椭圆或柱状，位于菌体中央或稍偏离中央，芽孢形成后菌体膨大不明显。
菌落：呈圆形，浅褐色，表面粗糙不透明，污白色或微黄色，在液体培养基中生长时，常形成皱醭。
生长温度：最高为45～55℃，最低为5～20℃。
阳性反应：接触酶；V-P反应；在7％的氯化钠中生长；pH5.7生长；分解葡萄糖、阿拉伯糖、木糖和甘露醇产酸；水解淀粉；利用柠檬酸作为碳源；还原硝酸盐为亚硝酸盐；分解酪素；石蕊牛奶产碱胨化。
阴性反应：厌氧生长。
卵黄反应：在葡萄糖洋菜上或酪氨酸洋菜上形成可溶性黑色素；28℃ 4星期水解马尿酸盐；利用丙酸盐并分解酪氨酸。在55℃生长的菌株被0.02％的叠氮化合物抑制。
变化的性质：在V-P液中产酸(pH5.0～8.0)；对溶菌酶的抗性；在10％的氯化钠中生长。
芽孢(endospore 、spore) 是一种休眠体，是产芽孢菌在生长发育后期在细胞内形成的圆形或椭圆形、厚壁含水量低、抗逆性强的休眠构造。由于芽孢不进行新陈代谢活动，能经受多种环境伤害，包括高盐、高渗、热、紫外线、多种溶剂、酸、碱等试剂的处理。
3.2 芽孢杆菌的作用
芽孢杆菌能产生多种抗菌物质，其中大部分是多肽，主要抑制革兰氏阳性菌；有些多肽还能抑制革兰氏阴性菌、霉菌和酵母。其中有一些抗菌肽已被应用于治疗人类、动物和植物的疾病，同时也可作为生物表面活性剂、食品防腐剂、饲料添加剂和分子生物学的研究工具。枯草芽孢杆菌能产生多种抑制植物病原真菌的抗菌物质，且对人畜无害，不污染环境，因而在生物防治植物病害中起着重要的作用[18]。枯草芽孢杆菌是我国农业部允许作为饲料添加剂的两种芽孢杆菌之一，已被越来越多的研制成微生物制剂。其制剂是无毒、无残留、无污染的“绿色”添加剂，具有广阔的发展前景，现已在畜牧业、饲料行业中广泛应用，显示出了巨大的社会效益和生态效益。
研究表明芽孢杆菌能够分泌大量的胞外酶，如蛋白酶、α-淀粉酶、纤维素酶、β-葡聚糖酶、植酸酶、果胶酶、木聚糖酶等十几种酶[19]，有助动物对饲料的降解、消化，提高饲料利用率。饲料中未被消化的蛋白质和一些含氮物质在肠道中被大肠杆菌和其他细菌脱梭生成具有潜在的毒性的腐胺、吲哚、酚类等物质。一些芽孢杆菌可产生氨基氧化、SOD酶、分解硫化氢的酶以及其他抗菌物质如过氧化氢，起到杀菌作用，从而减少动物体内有害物质的产生。研究表明一些芽孢杆菌产生SOD酶，SOD可以清除生物体内活性氧自由基，减少其对细胞的毒害作用，使生物体免受伤害。
芽孢杆菌在生长繁殖过程中可以产生挥发性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，一些脂肪酸可降低动物肠道的pH，从而为乳酸菌的生长创造条件，并且抑制病菌的生长。其中丙酸还可以参与三梭酸循环，为动物的新陈代谢提供能量。同时，能够产生很高的维生素B和维生素C，为动物提供维生素营养。1996年Ozols对106株肠道菌进行研究发现芽孢杆菌是维生素B1和维生素B6的主要生产者；1998年倪学勤等研究表明芽孢杆菌产生有机酸为机体提供能量营养的同时，还促进动物对钙、磷、铁的吸收利用。1992年Jonsson等报道，芽孢杆菌分泌胞外酶系的同时还产生抗生素，有助于提高机体免疫力。
枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)可利用的养料十分丰富，这就决定了其培养发酵可以产生种类和数量都极为可观的酶。芽孢杆菌(Bacilus)不仅能分泌淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶等多种酶类。还能在不利的环境中以芽孢的形式存在，具有耐高温、耐强酸碱，可经受加工过程中众多工艺的要求，易于储藏及运输。
3.3枯草芽孢杆菌的应用与进展
枯草芽孢杆菌可以产生多种酶类，在食品、农业及饲料养殖等多个领域都有广泛应用。
在食品行业，枯草芽孢杆菌酶在动物蛋白水解中的骨素加工、植物蛋白水解中的大豆蛋白和大豆肽、乳制品、婴儿食品等方面己得到广泛的应用；在面包生产工艺中，α-淀粉酶、蛋白酶能有效提高面团工艺性能和面包质量，并延长面包保鲜期；在玉米深加工领域，采用耐高温淀粉酶和糖化酶的“淀粉喷射液化”技术以及“双酶法"糖化技术全面带动了我国淀粉糖、味精、柠檬酸等生产工艺的改革；蛋白酶还可用于食品废渣的处理，使原来被废弃的动植物残渣得以利用，如鱼虾等海产品加工剩余的内脏、皮壳等下脚料，用蛋白酶处理后经提纯、浓缩制成调味剂，添加于食品中，不但提高了食品营养质量，增加了经济效益，而且变废为宝，减轻了环境污染[20]。
在农业生防领域，枯草芽孢杆菌生长快、营养简单、能产生耐热抗逆芽孢等突出的特征，有利于生防菌剂的生产、剂型加工及在环境中的存活、定殖与繁殖，且批量生产工艺简单，成本较低，使用方便，储存期长，是一种比较理想的生防微生物。有学者将微生物和化肥结合制备成一种复合生物肥料，将其应用于农业生产。迄今为止微生物肥料已在70多个国家得到推广应用。
枯草芽孢杆菌在饲料行业也有应用。芽孢杆菌制剂是一种常用高效益生菌添加剂。枯草芽孢杆菌以内生孢子形式存于在微生态制剂中添加进入饲料，在进入动物消化道后，孢子很快复活，并分泌活性很强的胞外酶，包括蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶、淀粉酶等，可以直接提高饲料中营养成分的消化率，降解饲料中的某些抗营养因子，减少饲料用量而降低成本，还可以间接刺激机体本身酶的活性，从而提高动物的生产性能；另外，芽孢杆菌为好氧菌，能通过生物夺氧，扶持瘤胃内厌氧菌生长，维持瘤胃内微生态平衡，减少腹泻和预防疾病。目前在实际生产过程中常常根据有益菌的生物学作用及微生态特性，将芽孢杆菌与其他有益菌进行合理搭配，优化组合进行混合发酵制成复合菌种制剂并对不同种类的反刍动物、不同的生长阶段、不同的日粮水平应用不同的微生态制剂，以达到更好的效果[21]。
3.4影响芽孢杆菌发酵的因素
枯草芽孢杆菌作为芽孢杆菌属的模式种具有很多优点，包括耐酸、耐盐、耐高温(100℃)及耐挤压等特性，因而在饲料的加工、贮藏以及通过动物胃肠道酸性环境等的过程中具有较高的稳定性能。芽孢杆菌产生的对热、紫外线、电磁辐射和某些化学药品有强抗性的芽孢，可忍受各种不良环境，因此，有必要对芽孢杆菌的产孢特性进行研究，以期获得最佳产孢条件，最终获得商品化芽孢制剂。
微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要提供合适的发酵条件，才能使它的生产能力充分发挥出来。优化发酵工艺可以充分发挥菌种的潜在能力，提高发酵过程的生产效率，降低生产成本。发酵工艺的研究可从以下两方面入手。培养基组分的影响：包括碳源、氮源、维生素和辅酶、无机盐及微量元素等。发酵条件的影响：包括温度、初始pH、初始接种量、装液量、转速等。
枯草芽孢杆菌的发酵过程中，上述的每一个因素都至关重要。其中，培养基除具备微生物必要的营养要素外，还应具有合适的比例，所以应对发酵培养基进行优化。培养基优化方法多是在单因素水平试验的基础上进行正交实验设计或是在正交试验基础上应用均匀设计理论，能对培养基优化取得较好的效果。枯草杆菌所具有的发酵周期短、可利用养料广泛、产物丰富等众多显著优点，使其具有重大的研究意义和广泛的应用前景。
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