葡萄酒加工废弃物的资源化利用研究进展

张云伟,白天华,王礼,宋琳娜,张瑞,李其其,马雯,4,5*

1(宁夏大学 农学院,宁夏 银川,750021)2(宁夏农垦玉泉国际葡萄酒庄有限公司,宁夏 银川,750021) 3(宁夏大学 食品与葡萄酒学院,宁夏 银川,750021)4(葡萄与葡萄酒教育部工程研究中心,宁夏 银川,750021) 5(宁夏葡萄与葡萄酒工程研究中心,宁夏 银川,750021)

近年来,随着我国葡萄酒产业的飞速发展,葡萄酒产量和销量逐渐增加。据国际葡萄与葡萄酒组织(International Organisation of Vine and Wine, OIV)2021年发布的数据显示:全球葡萄酒产量为261亿L,其中我国达到了5.9亿L[1]。世界上约80%的葡萄用于葡萄酒酿造及其相关饮料加工,随之产生了大量的加工废弃物,我国每年产生约50万t葡萄酒皮渣[2-3]。但现阶段葡萄酒加工废弃物利用率较低,大多被丢弃或低附加值处理,这种不合理的处理方式不仅对自然环境造成污染,而且导致生物资源的浪费。据研究称,0.3%的年度温室气体排放量来自于葡萄酒加工废弃物掩埋及露天燃烧[4]。近些年国内外对葡萄酒加工废弃物中生物质及生物能的利用进行了密集的研究,如将葡萄酒皮渣用于生产生物乙醇、甲烷等可持续清洁能源,以减少CO2的排放量[5]。这些生物活性化合物如何高效提取且合理梯度开发已上升到国家产业发展的战略层面,为实现“碳达峰、碳中和”产生积极的意义。因此,葡萄酒加工废弃物的合理资源化有利于葡萄酒产业发展的可持续性,有助于延长产业链,推动绿色低碳发展。本文主要从葡萄酒产业废弃物的来源、废弃物的物质组成、废弃物的产业化应用和综合分级统筹利用4个方面进行概述,以期为葡萄酒产业废弃物的资源优化和产业化应用提供参考,对推动葡萄酒产业的绿色低碳可持续经济发展具有积极意义。

1 葡萄酒产业废弃物的来源

随着葡萄酒产业的蓬勃发展,葡萄种植面积和葡萄酒产量持续增加,大量的废弃物也随之产生。主要产生于葡萄园管理过程产生的农业废弃物及葡萄酒酿造废弃物,比如葡萄园冬季和夏季修剪产生的枝条、葡萄酒加工产生的青果烂果和叶、除梗产生的果梗、葡萄酒分离压榨产生的皮渣、澄清过程产生的酒泥等(图1)。

图1 葡萄酒生产链废弃物来源Fig.1 Sources of waste in the wine production chain

1.1 冬夏季修剪枝条、新梢

冬季修剪枝条的目的是保持枝条营养生长与果实生产之间的平衡。适当修剪可增加来年通风透光、营养供给,免受病虫害侵害,使树体生长平衡、果实品质优良等,在宁夏产区还为了埋土方便[6]。SUN等[7]对国内外酿酒葡萄的冬季修剪枝条量进行了调查统计,全球每年冬季修剪枝条量4 231万t,而我国达到了604万t,平均每株葡萄产生2.35 kg的冬剪枝条。目前大多数冬剪枝条没有成为增值产品,一般通过掩埋、露天堆放或焚烧处理。研究表明,枝条掩埋会引起病虫害的传播,增加真菌疾病的风险;焚烧可造成环境污染,葡萄园露天燃烧1万t修剪枝条可排放513.1 t的CO和51.3 t总悬浮颗粒。此外,葡萄在营养生长过程中,随着新梢生长,其上不断分生出卷须。数量大、生长势强的卷须,会消耗较多养分,另外叶片的老化导致光合效率降低。因此,为了保证葡萄质量与产量,在夏季需要对新梢进行修剪。而修剪所产生的一年生枝、叶片、卷须就成了葡萄酒产业废弃物来源之一。

1.2 皮渣

每年在葡萄酒酿造过程中会产生大量的皮渣,据统计,每生产6 L葡萄酒就会产生约1 kg葡萄酒皮渣[8]。其主要为红葡萄酒酒精发酵后的皮渣和白葡萄酒酒精发酵前分离的皮渣。葡萄酒皮渣主要由葡萄皮、葡萄梗、葡萄籽和少量果肉组成。其中葡萄皮约占皮渣湿重的50%～82%,葡萄籽约占皮渣湿重的24%～26%,它们均含有丰富的有机质,比如葡萄皮含有多酚(12%～32%)和膳食纤维(80%)等,葡萄籽含有油和脂肪酸(13%～20%)、多酚(4%～6%)和矿物质等,具有一定的潜在营养价值[9]。

1.3 酒泥

葡萄酒泥(简称“酒泥”)是葡萄酒发酵结束稳定澄清后、过滤、离心或橡木桶陈酿倒桶后从容器底部收集的沉淀物及残渣,占葡萄酒总产量的2%～6%[10]。根据酿造阶段,酒泥可分为三类:在酒精发酵、苹果酸乳酸发酵以及陈酿阶段形成的酒泥[11]。根据酒泥颗粒大小又可分为:粗酒泥(0.1～2 mm,24 h内沉淀)和细酒泥(1～24 μm,搅拌后至少悬浮24 h)。酒泥的主要特征是酸性(pH 3～6),富含酒石酸盐、乙醇、色素、单宁、蛋白质、多糖、多酚等物质,化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)超过30 000 mg/L,钾含量约为2 500 mg/L,酚类化合物含量高达1 000 mg/L,具有较高的生物降解性,直接排放会污染环境,且浪费生物资源[12]。据OIV统计,近年来我国葡萄酒产业产生废弃酒泥约1.7～2.6万t[13]。

1.4 蒸馏酒残液及废水

蒸馏酒是以葡萄为原料,经发酵、蒸馏、勾兑而成的高酒精含量的饮料。蒸馏酒残液是蒸馏后产生的,含有少量葡萄籽、葡萄皮和死酵母。其与酒精生产直接相关,其带有浓郁的酒香味,富含氨基酸、维生素、乙醇,并具有低pH值、高电导率(全盐率)、高氨氮、高总氮、高总磷、高生化需氧量和COD等特点。但是,这些残液大多数作为废水排放,对环境造成了一定的污染。若用于农业灌溉,必须进行处理达到农业灌溉水标准(GB 5084—2021《农田灌溉水质标准》)。有研究表明可用蒸馏酒残液生产多种副产品,比如生产酒石酸、饮料及料酒等产品[14]。此外,在葡萄酒酿造的除梗破碎、发酵、倒罐等过程中都需要用水对相关大型仪器设备进行清洁,以确保酿酒区域、发酵罐、储罐和装瓶线干净无污染,从而会产生大量的废水。据统计,每生产1 L葡萄酒就会产生0.2～4 L废水,其具有高盐、高有机物(糖、有机酸、酯类、多酚、蛋白质等)、高COD、高总悬浮物、低pH的特点,若不加以处理直接排放会对生态环境造成影响[15]。通常将废水进行生物、物理化学或高级氧化处理[16]。此外,欧洲酿酒厂将未经处理的废水用来提取乙醇、酒石酸钙、生产肥料等[17]。

2 葡萄酒产业废弃物的物质组成

葡萄酒产业废弃物的物质组成包括木质素、膳食纤维、多酚、蛋白、油脂、酒石酸、天然色素等物质[18]。本文对不同葡萄酒产业废弃物的物质组成含量进行汇总(表1)。葡萄修剪枝条中有较高含量的木质素,含量高达27%,仅次于纤维素[25]。它是由3种苯丙烷单元通过碳碳双键和醚键相互连接形成的具有三维网状结构的高分子生物聚合物,具有丰富的芳环结构、芳香族羟基、醚键和含氧官能团,可广泛地应用于水凝胶、催化材料、吸附材料、药物载体、酚醛树脂等领域[26]。如何高效利用葡萄酒产业废弃物中的木质素,并增加其工业附加值,已经成为当今研究的热点。

葡萄酒加工废弃物中的多酚类物质因其种类繁多且含量高而备受关注。根据其化学结构分为两类:类黄酮(flavonoids)与非类黄酮(non-flavonoids)。类黄酮又进一步分为黄烷醇(flavanols)、黄酮醇(flavonols)、花色素(anthocyanis)等,而非类黄酮分为木质素(lignans)、酚酸(phenolic acids)、二苯乙烯(stilbenes)[27]。其中酚酸主要包括羟基肉桂酸(hydroxycinnamic acids)与羟基苯甲酸(hydroxybenzoic acids)(图2)。有研究表明,多酚具有诸多生理功能和药理作用,如具有抗衰老、降血脂、降血压、抗炎、抗病毒、抗肿瘤、预防心脏病等作用[28]。在食品、医药、日化等领域具有广阔的应用前景。葡萄是多酚的主要来源之一,其主要存在于葡萄皮、葡萄籽及葡萄梗中,所以葡萄酒皮渣可成为提取多酚的原料。此外,酒泥中也含有大量的酚类化合物,其中含量最高的酚类化合物是黄酮醇和花色素(红葡萄酒泥)[29]。但是,由于多酚存在于植物细胞的液泡和脂蛋白双层等结构中,溶剂无法接触这些结构[28]。因此,多酚类化合物的提取工艺较为繁琐,通常采用固-液溶剂萃取法、微波辅助萃取、超临界流体萃取及酶辅助提取等技术[29]。

表1 不同葡萄酒产业废弃物的物质组成及含量 单位:%

图2 葡萄酒产业废弃物酚类物质种类及分类Fig.2 Category and classification of phenolic substances in the wine industry

葡萄酒加工废弃物中蛋白质含量占干物质的6.2%～13.8%[30]。在功能食品和保健药品等领域有较大的发展潜能。蛋白质常用提取方法有盐溶液法和碱溶液法,这2种提取方法简单,但提取率较低。近年来,采用水酶法和超声波技术提取葡萄籽蛋白,具有成本低、安全、质量高、绿色和提取率高等优点[31]。葡萄籽中含有丰富的油脂,占葡萄籽的14%～17%,其主要成分是亚油酸(70%)、亚麻酸等多种不饱和脂肪酸[19]。不饱和脂肪酸含量远超过常用植物油,具有高温加热无烟等多种优点,使其已经成为高级烹饪油。并且亚油酸具有抗肿瘤、抗氧化、降低人体胆固醇以及甘油三酯、抗动脉粥样硬化、提高免疫力、增加骨骼密度、防治糖尿病等多种重要生理功能,因而备受国内外关注[20]。葡萄籽油的提取方法众多,包括压榨法、溶剂法、微波辅助法、超声波辅助法、膨化浸出法、生物酶法、超临界CO2萃取法等[32]。这些方法各有利弊,应结合实际情况选择。

葡萄酒产业废弃物中含有大量的膳食纤维,主要包括纤维素、少量果胶和半纤维素。其中葡萄皮的膳食纤维含量最高(80%),其次是修剪枝条(68%)。红、白葡萄酒皮渣之间的总膳食纤维(total dietary fiber, TDF)含量接近,但是红、白葡萄酒皮渣中水溶性膳食纤维(soluble dietary fiber, SDF)和非水溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber, IDF)含量不同,IDF分别占红、白葡萄酒皮渣TDF的73.5%和61.26%,而SDF分别占红、白葡萄酒皮渣TDF的3.77%和10.33%[33]。并且它们的性质与对人体的作用也有所差异,SDF能够调节血糖和血浆胆固醇,IDF则可以防止和改善便秘[9]。此外,葡萄梗中的膳食纤维占干物质的70%以上[34]。通常采用热水、有机溶剂、酶和物理法提取膳食纤维,但是耗时耗能且易改变结构。近年使用新兴技术提取不仅耗时短、产量高,而且绿色环保,如超声波、微波和高压辅助提取[35]。

3 葡萄酒废弃物的产业化应用

随着葡萄与葡萄酒产业的不断发展,每年都会产生大量的废弃物。早期这些废弃物利用存在填埋、堆积和焚烧的现象,如夏季与冬季修剪的葡萄新梢(枝叶)、秋冬的落叶和皮渣等被弃置于垃圾堆、就地焚烧或作为燃料使用。不但造成生物资源浪费,而且引起地表和地下水污染、散发恶臭气味、消耗土壤及地下水中的O2、占据大量空间等环境问题。因此,利用科学技术,通过精加工、深加工来提高废弃物的利用率和经济价值,根据葡萄酒加工废弃物的不同特点与产品生产成本及价值进行农业、工业、能源、食品等领域的产业化应用,可高效优化葡萄酒废弃物的生物资源。

3.1 农业

3.1.1 饲料

葡萄酒加工废弃物富含蛋白质、脂肪、氨基酸、维生素、矿物质等营养物质。可加工成葡萄酒皮渣饲料、核渣饲料和酵母蛋白饲料。TARANU等[36]发现葡萄籽饲料可通过抑制调节NF-κB和Nrf2蛋白分子的表达,从而减少猪肝脏炎症细胞因子(IL-1β、IL-8、TNF-α、IFN-γ)的产生。此外,给猪喂养葡萄酒皮渣可增加皮下脂肪中的总多不饱和脂肪酸含量,减少脂质过氧化,提高肉的颜色稳定性。给肉鸡饲料中添加葡萄酒皮渣可提高鸡的免疫力和肉质,并且降低了饲料的成本[37]。由于皮渣中单宁与纤维素含量较高,若直接作为反刍动物的饲料会降低其消化率,并对营养成分产生不良影响。因此,针对反刍动物可通过微生物发酵技术或与其他饲料混合使用以改善其饲用价值。将葡萄园废弃的枝条进行精细加工后作为饲料,可一定程度上缓解饲料短缺,减少养殖成本。另外,酒泥富含蛋白质,经压滤烘干后可制成酵母蛋白,易于动物消化吸收,是一种优质的精饲料。

3.1.2 肥料

人们通常将葡萄酒废弃物直接当作肥料处理,随着我国农业可持续发展,葡萄酒加工废弃物在提取生物活性成分后进行堆肥化处理,可充分利用并且发挥其残余价值。比如葡萄酒皮渣提取多酚后的残渣,富含氮、磷、钾等微量元素,经过堆肥化处理可成为一种优渥的肥料。同时,葡萄枝条堆肥化处理后,也可转化为营养丰富的有机质肥料,并且能消除葡萄枝条上的病菌,以防病菌传播。该处理方式不仅可以提高土壤有机质、养分及微生物含量,而且废弃物处理成本低。但是,堆肥过程较长,需投入研究以加快堆肥过程。有研究表明,葡萄酒皮渣中加入10%～20%的酒糟有利于加快堆肥过程[38]。SNCHEZ-GMEZ等[39]将烘烤与未烘烤葡萄枝条的水提取物分别在葡萄果实开始着色成熟期进行叶面施肥,这2种水提取物均可改善果实的pH、总酸、挥发酸及颜色,并且提高了葡萄产量,降低了葡萄酒的酒精度,对葡萄酒的酚类和挥发性成分产生了积极影响。

3.2 工业

3.2.1 酿酒辅料

由于葡萄种植条件、成熟状况、酿酒工艺等因素的影响,往往会使酒品中的天然单宁含量不足或不稳定,极易造成酒品口感乏味淡薄、颜色稳定性差、耐贮性不强等缺陷。因此,为了确保葡萄酒中单宁的品质和含量,酿酒师们会在酿造过程中人为适当地补充商业酿酒单宁。因此,纯天然、高品质、葡萄源和专业性强的商业酿酒单宁是全世界酿酒师们钟爱且被多国允许使用的产品。商业酿酒单宁的主要作用体现在“牺牲效应”、抗氧化作用、护色、澄清及增加口感等。由于葡萄皮和籽中单宁含量极高,酿酒后的葡萄酒皮渣中仍含有大量的单宁,如何绿色、高效、低成本提取单宁的技术国内还鲜有报道。法国、西班牙和意大利等都是酿酒单宁的主要生产国。SO2是葡萄酒酿造重要的辅料之一,但是其过度使用会引起人荨麻疹、皮炎及支气管收缩等过敏反应;并且会使葡萄酒变浑浊和产生臭鸡蛋味等令人不悦的气味[40]。因此,近年来通过研究葡萄酒产业废弃物来代替SO2,如葡萄梗和葡萄枝条等提取物(酚酸、类黄酮及二苯乙烯类化合物),作为葡萄酒的天然抗氧化剂和稳定剂[41]。RAPOSO等[42]使用从葡萄枝条中提取的商业二苯乙烯提取物代替SO2酿酒,感官分数很高,增加了葡萄酒颜色的强度和稳定,并且改善了葡萄酒的香气及保存了挥发性化合物,散发出更多成熟水果的味道。此外,研究表明用葡萄梗提取物代替SO2处理葡萄酒并没有差异,而且会增加葡萄酒的果味和花香味[43]。

3.2.2 化妆品

葡萄中的多酚类物质具有抗衰老、抗氧化、抗紫外线等功能,被用于草药化妆品配方。其中类黄酮和类胡萝卜素有抗氧化和紫外线的能力,通过减少氧化应激、炎症和免疫抑制,对皮肤有较好的保护作用,从而成为防晒以及晒后皮肤护理化妆品配方的重要组成成分[44]。1990年,法国MASQUELIE’S®已经就原花色素制剂在抗炎、抗辐射等方面进行了研究。法国已开发出用原花色素低聚体制成的脂质体微囊晚霜、发乳和漱口水等。由于葡萄废弃物中所含有的原花色素、白藜芦醇等成分对人体皮肤具有抗衰老、抗氧化、美白保湿等功能[45],法国CAUDALE通过提取葡萄籽低聚体、葡萄藤白藜芦醇以及葡萄枝条白藜芦醇二聚体,开发天然植物肌肤护理型产品。其已得到消费者的广泛认可,成长为法国一线护肤品牌,并出口多国。原花色素被日本公司研制成油性化妆品,被意大利公司相继研制成消炎护肤化妆品。

3.3 能源

3.3.1 沼气

随着全球气候变化和化石能源的匮乏,沼气的利用日益受到人们的关注。沼气的主要成分是甲烷、CO2及少量其他气体(H2S、NH3、O2、CO、N2)。葡萄酒产业废弃物比如冬夏剪枝叶、葡萄酒皮渣、酒泥及废水等均可投入沼气池中,在厌氧条件下,经过微生物的发酵作用均可产生沼气。本文将不同葡萄酒废弃物置于沼气池中的甲烷产量进行了汇总(表2)。废弃的酒泥在沼气池中甲烷产量高达0.416 m3/kg,并且红、白葡萄酒皮渣,葡萄梗,葡萄枝条等都有可观的甲烷产量[46-47]。若将固体废弃物粉碎可有效提高甲烷生产效率,而液体废弃物(蒸馏酒残液、废水)可使用共基质增加水力停留时间来提高甲烷生产效率[48]。有研究表明,将16 t葡萄酒皮渣通过厌氧反应每年产生的沼气相当于电能3 720～3 802 kW·h,每年可减少CO2排放量为2 887～2 951 kg[46]。

表2 不同葡萄酒产业废弃物的甲烷产量Table 2 Methane production from different wine industry wastes

3.3.2 生物乙醇、柴油

近年由于石油基燃料引起的环境和能源问题,生物能作为石油基燃料的替代品引起人们的关注。根据葡萄酒废弃物的不同来源提取的生物燃料分为第一代生物燃料(食品原料)和第二代生物燃料(非食品原料)。生物乙醇被认为是石油燃料的替代品,可将葡萄酒废弃物中的残糖作为第二代生物乙醇(从非食品原料中提取的生物乙醇)的生产原料[49]。与第一代生物乙醇相比,第二代生物乙醇不会引起粮食需求增加。有研究表明,将白葡萄酒皮渣中分离出来的1 t白葡萄皮与酿酒酵母联合发酵可生产310 L生物乙醇[49]。此外,RAMOS等[50]将葡萄籽从葡萄酒皮渣中分离后粉碎生产生物柴油,可直接用于内燃机。

3.4 食品

3.4.1 保健品

葡萄籽提取物是从酿酒葡萄籽中提取的一种多酚物质混合物,主要生物活性成分是具有黄酮类结构的葡萄籽原花色素,其具有抗氧化、降血脂、抗炎和免疫调节等多种功能,是一种极强的体内活性功能因子。研究表明,葡萄籽提取物对肺癌、结肠癌、乳腺癌、前列腺癌及白血病有显著的抗肿瘤活性,已被我国卫生部批准为保健品原料[51]。葡萄多酚(grape polyphenols)具有抗氧化、清除自由基、预防癌症、降低患糖尿病和心血管等疾病的功效[52],其抗氧化能力强于维生素C、维生素E,具有较高的药用价值。原花色素是葡萄籽中主要的酚类物质,低聚原花色素有强抗氧化作用,易溶于水,人体吸收度高,可以清除体内自由基。有抗氧化、预防直肠癌、缓解抑郁症、抗肿瘤及增强心血管活性等功效,因此广泛用于保健品行业[29]。白藜芦醇(resveratrol)是一类由1,2-二苯乙烯基本骨架构成的非黄酮类多酚物质,在葡萄皮中的含量最高,其具有抗癌、抗氧化、抗自由基及预防心脏病等药理作用,并具有多种活性保健作用[30]。

3.4.2 饮料

为了增加饮料的颜色、口感和保健等功能,通常在饮料加工过程中加入色素、葡萄多酚等。随着人们追求绿色、健康的消费理念,西方发达国家使用天然色素的比例很高,未来很有可能取代合成色素。有的国家已经开始禁止使用所有合成色素,比如挪威。植物色素是天然色素应用最普遍的一类,其具有特殊的香味,很多植物色素具有生理活性。葡萄皮渣中天然色素含量丰富,在果酒和酸性饮料中广泛使用,比合成色素着色力强、色泽艳丽,有抗氧化和清除自由基的作用,具有一定的药用与保健价值,并且成本低。花色素被用于果汁和碳酸饮料中进行调色,也是一种安全、无毒副作用的天然色素和抗氧化剂[45]。在葡萄皮籽的多酚提取液中加入适当比例的糖和香精,可调配成一种风味独特的功能性饮料[53]。李建慧等[54]以葡萄多酚、山楂等为主要原料研制出具有减肥降脂功能的复合固体饮料,市场潜力巨大。

3.4.3 葡萄皮渣果醋

葡萄皮渣果醋的生产利用葡萄酒皮渣中残留的糖,在酵母的作用下,将糖分转化为乙醇,再被醋酸菌氧化形成醋酸,使之挥发酸增加并具有醋味。酒精发酵在葡萄皮渣果醋的生产中起着至关重要的作用,葡萄酒皮渣中的糖分含量将决定酒精发酵阶段所产生的乙醇含量,而白葡萄酒皮渣的含糖量(67.3 g/kg干重)远高于红葡萄酒皮渣(12.6 g/kg干重)[53]。因此,白葡萄酒皮渣更适合作为生产葡萄皮渣果醋的原料。由于葡萄酒皮渣含有单宁、花色素、白藜芦醇等多酚生物活性成分,使葡萄皮渣果醋具有抗疲劳、降血脂、降胆固醇、提高免疫力、抗衰老、美容护肤等保健作用,所以欧美发达国家已经大规模商业化生产[55]。此外,葡萄皮渣果醋不仅具有营养价值,而且具备葡萄酒的风味和特色,深受消费者的青睐,销量逐年增长[56]。葡萄皮渣果醋发酵工艺以液态发酵法为例,酿制过程主要有酒精发酵和醋酸发酵2个阶段。工艺流程为:

葡萄酒皮渣预处理→装罐→加水定容→添加蔗糖→添加酵母菌→酒精发酵→皮渣分离→添加醋酸菌→醋酸发酵→过滤→灭菌→密封装瓶

3.4.4 葡萄皮渣白兰地

葡萄皮渣白兰地亦称葡萄皮渣蒸馏酒,由于白葡萄酒皮渣中含有大量可溶性和不溶性糖,可溶性糖可用于酒精发酵。因此,主要以白葡萄酒皮渣发酵蒸馏制作葡萄皮渣白兰地。其在不同的国家有不同的名称,如Marc(法国)、Grappa(意大利)、Tsipouro(希腊)、Aguardiente(西班牙)及Aguardente(葡萄牙)等[57]。其风味和葡萄酒很相似,为了口感甘甜、柔软,许多酿酒厂会加入水果糖进行调配。近年我国每年可消耗2万t白兰地,市场需求量大[58]。因此葡萄酒皮渣可用于生产白兰地,且现阶段国外已有成熟的技术可供参考,通过葡萄皮渣接种酵母进行发酵蒸馏,即可得葡萄皮渣白兰地。工艺流程如下:

收集一定量的葡萄皮渣→加水搅拌均匀→在一定条件下再发酵→澄清过滤→蒸馏→葡萄皮渣白兰地

4 葡萄酒产业废弃物的分级利用

将葡萄酒产业废弃物进行分级利用可更好地管理、分配,提高葡萄酒产业废弃物的利用率,以生产出更高价值的产品,从而达到延长葡萄与葡萄酒的产业链,降低生产成本,减少环境污染等目的。根据使用目的的不同,制备所需的产品纯度。从葡萄皮籽提取物、葡萄籽提取物、葡萄多酚、原花色素到白藜芦醇,产量逐渐变低,提纯难度逐渐变大,纯化和萃取成本也逐渐增大。以饮料添加剂为例,葡萄皮籽提取物不需要很高的纯度,就能进行饮料的调配,这样不仅制备成本低,还能提升经济效益。鉴于葡萄酒产业废弃物中含有丰富的有益物质,采用绿色、无污染、高效、低成本的提取技术对其进行梯度开发。使无用变有用,一用变多用。例如冬季修剪枝条,选择无病虫危害的枝条作为插材,筛选后剩余冬剪枝条可用来提取高纯度白藜芦醇,残渣再依次进行单宁、膳食纤维的提取;酒泥可进行乙醇的提取,残渣再依次进行花色素、单宁、酒石酸的提取;葡萄酒皮渣中的葡萄皮可进行酒石酸、多酚的提取(根据所需纯度依次从高到低提取),部分葡萄皮再发酵生产果醋或蒸馏制备葡萄皮渣白兰地,残渣用来提取膳食纤维;葡萄籽压榨生产葡萄籽油,压榨后的葡萄籽饼粕依次进行原花青素、单宁的提取,残渣再提取蛋白等;提取生物活性后的所有残渣再作为生物炭、沼气、肥料、植物栽培基质等的原料[59](图3)。分级利用可实现葡萄酒产业废弃物的最大价值化和环境可持续性的目标。

a-冬季修剪枝条分别利用;b-夏季修剪新梢分别利用;c-酒泥分级利用;d-蒸馏酒残液、废水分级利用;e-葡萄酒皮渣分级利用图3 葡萄酒加工废弃物分级利用Fig.3 Graded utilization of wine processing waste

5 结论与展望

葡萄酒加工废弃物含有诸多有益的生物活性物质,近些年国内已经有企业生产白藜芦醇、原花青素、葡萄果醋、化妆品等产品,但大多是以葡萄果实作为生产原料,并且葡萄酒加工废弃物资源化利用体系不够成熟,提取技术单一,未能在企业大批量生产。这样不仅使产品生产成本增加,而且也是一种资源的浪费。若能将葡萄酒加工废弃物作为生产原料进行再利用,并合理安排梯度提取有益成分的先后顺序,从中更高效更充分地提取出多酚、膳食纤维、木质素、蛋白质、葡萄籽油、酒石酸、天然色素等物质,使其资源最大化。这样可显著降低产品生产成本、减少环境污染、以及相关原料的消耗,有助于葡萄与葡萄酒产业的可持续发展。其次,企业可根据自身的能力进行葡萄酒加工业废弃物的一产农业、二产工业及三产服务业的分类产业化应用。通过文献综述,结合当前葡萄酒加工废弃物的资源化利用现状提出以下几点建议:1)提高葡萄酒废弃物预处理及分类分组储存技术,使其生物活性成分得到最大保存;2)加大研发力度,开发能规模生产且梯度提取不同生物活性成分的提取技术和设备,并结合现有的提取方法,扬长避短,达到降低生产成本、提高提取率和纯度的目的;3)积极研制富含这些生物活性成分的功能性产品,拓宽其应用领域。