【Food Hydrocoll.(IF 13.8)】变废为宝：从葡萄酒厂生物废料中提取生物材料用于食品包装膜

发布时间：

2026-10-31

来源：

食品科研汇

论文题目：From residues to resources: Extraction of biopolymeric and bioactive compounds from winery biowaste for food packaging films

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2026.113471

01.文章导读

一、研究背景

塑料污染已成为全球环境问题，食品包装约占全球塑料废物的 40%；每年约 1900–2300 万吨塑料废物进入水生生态系统，占全部排放废物的 85%，微塑料是主要成分。农业残留物仍大量未充分利用，但富含纤维素、半纤维素、木质素、单宁和多酚等高价值化合物。葡萄酒产业是欧洲重要农业工业部门，葡萄加工和酿酒产生葡萄茎、果渣、皮、籽、酒泥等废弃物。

多酚具有抗氧化能力，可延缓氧化降解，并且是 pH 敏感化合物，颜色随酸碱环境变化，适合作为食品腐败监测的天然指示剂。食品包装正从被动屏障转向可延长货架期并提供品质信息的系统。已有明胶/PVA 膜研究多关注单一提取物或显色响应，较少同时增值不同残余物馏分并评估提取过程的环境影响。本研究将葡萄茎纤维素富集组分和葡萄渣多酚富集组分同时加入同一明胶/PVA 膜体系，并开展环境评估，支持 SDG 12、9、13 和 One Health 视角。

二、研究方法

1. 原料
葡萄茎（GS）和葡萄渣（GP）来自西班牙巴斯克地区酒厂，冻干、研磨后密封保存。

2. 葡萄茎纤维素富集组分（CEL）提取
采用氯化胆碱-柠檬酸低共熔溶剂（DES），摩尔比 1:1，80°C、200 rpm、30 min 制得均一液体。GS 粉与 DES 质量比 1.5:10，80°C、200 rpm、15 h。用乙醇/水（50:50, v/v）沉淀，过滤，水洗三次去除 DES。用 30% H₂O₂ 稀释（50:50, v/v）脱色，80°C、3 h，固液比 1:20。过滤、水洗、50°C 干燥，得 CEL，回收率 0.39 g/g。成分按改良 NREL/TP-510-42618 分析，TGA 在 N₂ 下 50–750°C、10°C/min。

3. 葡萄渣多酚（PP）提取
GP 与水按 10 mL/g 混合，50°C、24 h、300 rpm。过滤液加入 Amberlite FPX66 树脂（20 mL 液体/g 树脂），25°C、300 rpm、24 h。树脂水洗后用 96% 乙醇（5 mL/g 树脂） 解吸，25°C、24 h、300 rpm。蒸发得 PP，回收率 6.86±0.58 mg/g。

4. 环境分析
用 SimaPro Craft、ISO 14040、Ecoinvent 3.8 和 ReCiPe Midpoint (H) v1.12。功能单位为 1 g CEL 和 1 g PP，考虑材料、电力和运输。

5. 膜制备
PVA 100 g/L 水溶液 100°C、500 rpm、30 min；5 g 明胶溶于 90 mL 水，80°C、200 rpm、20 min；加入 10 mL PVA、2 g PEG400，以及 CEL 2、4、6 wt%（以明胶质量计）和 PP 2、4 wt%。用 NaOH 调 pH 8，80°C、200 rpm、20 min；5000 rpm 高速剪切 3 min；200 rpm 脱泡 30 min；倒皿干燥。膜命名为 G-CTRL、G-CEL2、G-CEL4、G-CEL6、G-CEL2-PP2、G-CEL2-PP4。

6. 表征
SEM 截面；XRD 2.5–50°；DSC -30–300°C、10°C/min、N₂；FTIR 4000–500 cm⁻¹、4 cm⁻¹、32 次扫描；UV-Vis 200–800 nm；WCA 3 μL 水、5 张图像；WU 重量法；WVTR 38°C、90% RH；拉伸 ASTM D1708-02a，骨形样，1 mm/s，5 个样；PP 释放 277 nm 校准曲线，1 cm² 膜浸 10 mL 水，6 h、1–4 d；DPPH 75 μM 甲醇溶液，517 nm；pH 响应 2 M 氨水蒸气 24 h，测 CIELAB 和 ΔE*；ANOVA + Tukey，p<0.05。

三、研究结果

1. CEL 表征
GS 水分 7.1±0.9%，CEL 水分 8.5%。纤维素从 23.4% 增至 45.4%，木质素从 19.5% 降至 3.4%，半纤维素从 20.1% 降至 15.2%。FTIR 中约 1600 cm⁻¹ 木质素芳香振动减弱、820 cm⁻¹ 愈创木基峰消失；XRD 出现 16° 和 22° 纤维素特征峰，GS 的 24.0、27.6、36.2° 结晶峰消失，说明酒石酸氢钾等被去除；DSC 约 270°C 事件消失；DTGA 中 CEL 在 341°C 出现尖锐纤维素分解峰。、、

2. PP 表征
GP 水分 7.8±2.4%。FTIR 中 PP 在 1600、1520、1440 cm⁻¹ 芳香 C=C 增强，1740→1700 cm⁻¹ 变化提示酚类/单宁富集。XRD 中液体组分（LF）出现 14、24、27.6、36.2、45.7° 结晶峰，PP 主要为无定形，说明纯化去除结晶盐。DSC 中 LF 约 270°C 事件在 PP 中消失。

3. 环境分析
CEL 提取的环境影响几乎在所有类别中由 DES 处理阶段主导；GS 贡献较低，主要涉及淡水生态毒性、陆地生态毒性和土地利用。PP 提取的环境负担 >95% 来自 Amberlite 树脂清洗阶段；电、乙醇、去离子水和 GP 贡献较低。改进方向：DES 回收/重复使用、优化溶剂-生物质比；优化树脂清洗、减少溶剂和水、树脂重复使用、溶剂回收。

4. CEL 膜性能
SEM 显示层状结构，CEL 不明显改变微观结构。XRD 以无定形为主，20–22° 宽晕，7–8° 与明胶三螺旋有关；高 CEL 出现纤维素峰及 29.4° 方解石、31.9° 球霰石峰。DSC 中 223°C 为 PVA 熔融；明胶熔融峰随 CEL 从 81.94°C 升至 92.28°C。FTIR 表明主要为氢键等物理相互作用。UV 阻挡增强；WCA 从对照 53.93° 提高到 G-CEL2 69.02°、G-CEL4 74.98°、G-CEL6 68.26°；WU 从 700% 降至 550–600%；WVTR 约 1310–1410 g·m⁻²·day⁻¹，无显著差异。机械性能：G-CTRL TS 31.8 MPa，G-CEL2 24.5 MPa，G-CEL4 28.1 MPa，G-CEL6 22.1 MPa；高 CEL 可能团聚。选择 G-CEL2 进一步加 PP。

5. PP 膜性能
FTIR 出现 3306、1594、1398、1060、788 cm⁻¹ 等酚类特征，无新共价键，主要为物理氢键。WCA：G-CEL2-PP2 78.12°，PP4 65.57°；WVTR 约 1310–1313 g·m⁻²·day⁻¹；YM 从 520.0 降至 358.7/322.2 MPa；TS 从 24.5 降至 20.0/17.6 MPa；EB 约 31.5–35.0%。PP 增强 UV 保护，WU 降至约 500%。4 天 PP 释放为 3.7%（2% PP）和 2.4%（4% PP）；DPPH 清除率为 36.5±0.8% 和 43.2±3.8%；氨蒸气暴露后 ΔE* 为 5.46±0.61 和 6.15±1.57，>5，肉眼可见。

四、结论

本研究将酒厂残余物中功能化合物的回收、环境影响评估和膜性能联系起来。成功从葡萄茎获得纤维素富集组分，从葡萄渣获得多酚富集组分；CEL 提取中 DES 阶段是主要环境热点，PP 提取中 树脂清洗阶段是主要环境热点。所得膜柔韧、易处理，机械强度高于 17 MPa；CEL 提高 UV 阻挡，PP 提供自由基清除能力（约 43.12±7.52%）和pH 响应比色行为（ΔE*>5）。该策略将食品相关废弃物增值、环境评估和食品包装膜开发结合，体现生物经济原则。局限包括老化、规模化、食品储存条件验证和生物降解性。