釀酒葡萄皮渣主要物質(zhì)提取與利用的研究進(jìn)展

王犁燁，武運(yùn)*，楊華峰，殷娜，程方方，劉維兵，武亞婷，宋晶晶，張穎

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；2. 新疆儀爾高新農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，新疆焉耆841000；3. 吐魯番市質(zhì)量與計(jì)量檢測所，新疆吐魯番 838000）

葡萄是世界上產(chǎn)量最高，種植面積最廣的果品之一。從國際葡萄與葡萄酒組織（International vine and Wine Organization，OIV）近期頒布的資料來看，近些年，中國葡萄種植面積始終保持增長的態(tài)勢[1]。2016年我國葡萄栽培面積為83.7萬 hm2，是世界總栽培面積的11.16%，相對(duì)于2015年葡萄園面積增長了1.7萬 hm2，全國葡萄酒產(chǎn)量為11.4億 L，消費(fèi)量為17.3億 L，位居世界第六位，我國葡萄酒產(chǎn)業(yè)的迅速崛起讓世界驚嘆[2]。作為全國葡萄栽培歷史最悠久的地區(qū)，新疆釀酒葡萄栽培面積4.37萬 hm2，是我國栽培面積的25%左右[3]。

釀酒葡萄皮渣是榨取葡萄汁后或葡萄酒發(fā)酵后的剩余物，占葡萄漿果的10%左右。隨著葡萄產(chǎn)量的增加和葡萄產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，中國每年生產(chǎn)的葡萄皮渣也在快速增加，能被回收再利用的皮渣量僅占25%，大部分都被用做飼料、肥料甚至丟棄[4]。近年來，通過國內(nèi)外學(xué)者的深入研究發(fā)現(xiàn)，皮渣中富含多種益于人體健康的成分，包括原花青素、白藜蘆醇、單寧、葡萄籽油等，具有良好的醫(yī)療、保健作用；蛋白質(zhì)、膳食纖維等成分，可用于食品加工中[5]。因此，合理利用皮渣不僅可以避免資源浪費(fèi)，還可以有效降低環(huán)境壓力，提高葡萄酒產(chǎn)業(yè)的附加值，提高經(jīng)濟(jì)效益[6-8]。

1 葡萄皮渣功能性成分的提取

1.1 多酚類物質(zhì)提取

在葡萄酒研究中，多酚主要分為以花色素和黃酮等為代表的色素和以酚、酸、聚合多酚及單寧等為代表的無色多酚。紅葡萄皮中多酚含量為25%～50%，主要由花色素類、白藜蘆醇等化合物組成，而葡萄籽中多酚含量為50%～70%，包括兒茶素、原花青素、單寧等化合物組成[9]。在葡萄酒釀造中，盡管多酚物質(zhì)被浸漬到葡萄酒中，但仍有許多酚類物質(zhì)保留在剩余的葡萄皮渣中。由于多酚物質(zhì)易溶于水、甲醇、乙醇、丙酮等，因此溶劑提取法是實(shí)驗(yàn)室中常用的提取方法[10-11]。

1.1.1 天然色素的提取

皮渣中含有多種天然花色苷類色素，有甲基花青素、花青素及花翠素等，此類色素安全無毒、可食用，并且在酸性條件下色彩鮮明，對(duì)光、熱、常見金屬離子、碳水化合物均穩(wěn)定，所以在食品工業(yè)、化妝品行業(yè)應(yīng)用十分廣泛[4]。國內(nèi)外研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)葡萄皮渣中的色素能夠有效抑制腫瘤的生長，延緩衰老[12-13]。葡萄皮渣的提取工藝仍是學(xué)者的研究重點(diǎn)，有機(jī)溶劑提取法應(yīng)用最為廣泛，但也存在一定的不足。余昆等[14]利用有機(jī)溶劑提取法，在進(jìn)行單因素試驗(yàn)后，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理與響應(yīng)面分析法確定了釀酒葡萄皮渣色素的最佳提取條件：乙醇濃度51%，料液比1∶12，提取時(shí)間117 min，在此工藝條件下，吸光度為0.682。

1.1.2 無色多酚的提取

葡萄中的無色多酚主要有：原花色素、白藜蘆醇、單寧等，此類化合物集中分布在果皮及籽中。無色多酚在延緩衰老，保護(hù)心血管以及抑制癌細(xì)胞等方面有較為顯著的作用[13]。

原花青素的含量為5%～8%，當(dāng)研究人員發(fā)現(xiàn)它具有較強(qiáng)的抗氧化、清除自由基和改善人體微循環(huán)的功效后，相繼開啟了從葡萄籽中提取原花青素的“大門”并對(duì)其工藝不斷優(yōu)化[15-17]。原花青素的提取方法包括溶劑萃取法、酶法輔助提取法、超臨界CO2萃取法、微波萃取法等。王竹青等[18]以‘赤霞珠’釀酒皮渣為原料，采用單因素試驗(yàn)研究乙醇浸提法和微波輔助浸提法提取原花青素的最佳條件：乙醇浸提法的最佳工藝條件為：乙醇濃度55%，料液比1∶8.5，時(shí)間55 min，溫度50 ℃，其最高提取率為2.61%；微波輔助提取最佳工藝條件為：乙醇濃度50% ，料液比1∶13，微波功率320 W，處理時(shí)間30 s，溫度50 ℃，時(shí)間30 min，其最高提取率為3.99%，研究還發(fā)現(xiàn)酸性環(huán)境可以提高原花青素提取率。

果皮中白藜蘆醇含量比較豐富并且釀酒后果皮中的白藜蘆醇含量明顯高于新鮮果皮[11,19]。白藜蘆醇是一種特效功能成分，有多種生物學(xué)活性及藥理作用，能抗腫瘤、降低心血管疾病和糖尿病等[5]。提取白藜蘆醇的方法有很多。有機(jī)溶劑浸提率低，用時(shí)長，微波提取易于傳熱，降低白藜蘆醇的含量，超臨界CO2萃取法具有良好的分離效果，但提取成本高，生產(chǎn)應(yīng)用受到限制[20]。超聲輔助提取和加酶法是目前用于提取生物活性成分的研究熱點(diǎn)。李婷等[21]采用酶法來提取皮渣中白藜蘆醇，確定最佳提取條件為：葡萄皮渣與纖維素酶的配比為1000∶1，首先在60 ℃下加酶水解90 min，然后加入乙酸乙酯，在30 ℃下浸提兩次，每次0.5 h，白藜蘆醇的提取率為0.93 mg/g。Casas等[22]以5%vol的乙醇為夾帶劑，采用超臨界CO2萃取法提取釀酒皮渣中的白藜蘆醇，確定最佳萃取條件為：壓力10～40 Mpa，溫度35.55 ℃。

單寧大多富集于果皮和籽中，能夠有效防止葡萄酒中的蛋白質(zhì)沉淀，同時(shí)具有延緩衰老的生物活性。除去葡萄籽油后，殘?jiān)院?0%左右的單寧[23]。在眾多單寧的提取方法中，采用水和有機(jī)溶劑的混合體系浸提單寧應(yīng)用最為廣泛，選擇的有機(jī)溶劑包括甲醇、乙醇、乙醚、乙酸乙酯、丙酮等，但丙酮溶液的提取率最高[24]。趙文杰等[25]以‘雷司令’和‘赤霞珠’皮渣為原料，研究丙酮水溶液浸提單寧最佳工藝條件：其中‘雷司令’皮渣最佳提取工藝為：料液比1∶40，水浴溫度60℃，時(shí)間6 h，丙酮濃度50%，提取率為3.80%，單寧純度為84.97%；‘赤霞珠’皮渣最佳提取工藝為：料液比1∶30，水浴溫度70 ℃，時(shí)間7 h，丙酮濃度60%，提取率為3.16%，單寧純度為78.85%。

1.2 葡萄籽油的提取

釀酒葡萄皮渣綜合利用的主要途徑就是提取葡萄籽油，這也是目前皮渣綜合利用產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。葡萄籽中含有14%～17%的葡萄籽油，其主要成分包括亞油酸、油酸、棕櫚酸、花生四烯等多種不飽和脂肪酸[26]。它具有擴(kuò)張血管，預(yù)防血栓，心臟病，降低膽固醇和高血壓的功能，并廣泛用于制藥和化妝品行業(yè)[27]。目前，提取葡萄籽油的方法主要包括溶劑法、壓榨法和超臨界萃取法[28]。溶劑法和壓榨法是兩種傳統(tǒng)方法，盡管操作簡單，但出油效率低，存在一定的食品安全風(fēng)險(xiǎn)[29]。把超臨界CO2萃取與生物酶法結(jié)合使用已經(jīng)成為一種新趨勢。Cao等[30]將葡萄籽中的籽油先進(jìn)行加酶處理，然后采用超臨界CO2萃取，使得出油率從先前的11.5%升高到16.5%。目前，葡萄籽油的加工工藝日趨成熟已廣泛用于大規(guī)模生產(chǎn)中。

1.3 蛋白質(zhì)的提取

皮渣在提取葡萄籽油后是一種含18種氨基酸的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)資源，其中包括人體所必需的8種氨基酸，總含量為7.76%左右[9]。葡萄籽蛋白質(zhì)經(jīng)水解后，可獲得一些容易被人體消化吸收生物活性多肽，其具有很強(qiáng)的抗氧化和清除自由基功能[31]。葡萄籽中的蛋白質(zhì)通常通過鹽溶液法和堿溶液法提取。葉潤等[32]采用堿溶法提取葡萄籽粉中的蛋白質(zhì)，但在提取前先用復(fù)合糖酶處理脫脂葡萄籽粉，確定最佳工藝為：0.15 mol/L的NaOH溶液，按1∶25的料液比，35 ℃條件下浸提30 min，蛋白質(zhì)提取率為84.6%，試驗(yàn)表明，先用酶法處理葡萄籽，可以大大提高蛋白質(zhì)的提取率。李鳳英等[33]在確定葡萄籽蛋白質(zhì)等電點(diǎn)后，采用鹽溶法和堿溶法提取葡萄籽蛋白質(zhì)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：葡萄籽蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)為pI=3.8，同時(shí)，采用堿溶法所得的蛋白質(zhì)提取率明顯比鹽溶法高。

1.4 膳食纖維的提取

葡萄皮渣中含有豐富的膳食纖維資源，能改善人體腸道環(huán)境，防止腸道疾病的發(fā)生。同時(shí)具有抗氧化、抗癌癥和降低膽固醇，預(yù)防心血管疾病發(fā)生等作用[34]。目前雖然有許多提取膳食纖維的方法，但通常選用酶法和微生物發(fā)酵法活化葡萄皮渣中的膳食纖維，因?yàn)檫@兩種方法不僅能夠使膳食纖維保有較高的純度和生理活性，還能增加可溶性膳食纖維的含量[35]。酶法通常是在調(diào)節(jié)pH后，加入適量的纖維素酶對(duì)葡萄皮渣進(jìn)行降解；而發(fā)酵法則是利用一些微生物（如：嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌）混合發(fā)酵活化葡萄皮渣中的膳食纖維。近年來，國內(nèi)外學(xué)者都專注于優(yōu)化從葡萄皮渣中提取膳食纖維的過程，例如篩選適合的酶制劑和發(fā)酵菌株以及對(duì)采用這兩種方法提取葡萄皮渣中膳食纖維的工藝進(jìn)行優(yōu)化[36-38]。郭紅珍等[39]對(duì)采用酶法提取葡萄皮渣中的可溶性膳食纖維的工藝進(jìn)行研究，并確定最佳條件為：纖維素酶量2.0%，溫度50 ℃，時(shí)間7 h，pH5，此時(shí)膳食纖維的提取率為14.32%。

2 葡萄皮渣的發(fā)酵再利用

來源于葡萄酒釀造的葡萄皮渣包括兩種：一種是在白葡萄酒釀造過程中，榨汁后的葡萄皮渣；另一種是發(fā)酵后的紅葡萄皮渣。已經(jīng)發(fā)酵過的釀酒皮渣可以進(jìn)行蒸餾直接獲得酒精。對(duì)于未發(fā)酵的剩余皮渣，可以通過再發(fā)酵獲得酒精。一些生產(chǎn)企業(yè)先將葡萄皮渣調(diào)整糖酸及pH值進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)束后采用“掐頭去尾”的方式進(jìn)行蒸餾，得到的蒸餾酒不僅能添加到葡萄酒中提高酒精度，還能將其直接儲(chǔ)存在橡木桶中制得皮渣白蘭地。添加一定量的酒石酸和糖漿到紅葡萄皮渣中繼續(xù)發(fā)酵，可釀造出桃紅葡萄酒[40]。此外，還可通過皮渣的再發(fā)酵制得食醋和果醋。敬思群等[41]用酒精提取釀酒皮渣中的多酚類物質(zhì)，然后通過醋酸菌發(fā)酵制得葡萄醋。

3 葡萄皮渣的其他開發(fā)利用

3.1 酒石酸的提取

酒石酸是一種廣泛用于醫(yī)藥、食品、精細(xì)化工等行業(yè)的多羥基有機(jī)酸。釀酒葡萄皮渣經(jīng)過一系列的浸提、發(fā)酵、蒸出酒精、轉(zhuǎn)化、酸解、脫色、濃縮、結(jié)晶等流程即可制得酒石酸。這樣不但能降低生產(chǎn)成本，還能生產(chǎn)出實(shí)用的右旋型酒石酸，也有一些其他方法提取酒石酸，如離子交換樹脂法等[42]。

3.2 在食品加工中的應(yīng)用

Mildner-Szkudlarz等[43]研究發(fā)現(xiàn)，葡萄皮渣可以用于生產(chǎn)餅干，10%比例的葡萄皮渣可以顯著提高餅干膳食纖維的含量。同時(shí)，餅干具有很高的抗氧化能力。王芳等[44]在餅干中添加一定量的葡萄皮渣和冬蟲夏草，使生產(chǎn)的餅干擁有葡萄的風(fēng)味并且食用方便。田歌等[45]以葡萄籽和鷹嘴豆為原料，加入乳酸菌進(jìn)行發(fā)酵，制得營養(yǎng)價(jià)值高，風(fēng)味佳的乳酸發(fā)酵飲品。目前，基于超微粉碎和微膠囊化技術(shù)的日益完善，可以將葡萄皮渣加工制成超微粉，葡萄籽壓片和膠囊，不但風(fēng)味俱佳并且食用方便。

3.3 肥料

最初，人們將釀酒后的葡萄皮渣直接當(dāng)做肥料處理。如今，它通常在提取有效成分后用作肥料，并且可以充分利用發(fā)揮其殘留的價(jià)值。提取葡萄籽油后的殘?jiān)?，富含氮，磷，鉀等微量元素，可作為葡萄園中的良好肥料。采用化學(xué)腐熟的方法對(duì)葡萄皮渣進(jìn)行處理，使其進(jìn)行微生物好氧發(fā)酵，再添加適量的氮、磷、鉀等制造有機(jī)復(fù)合肥，其營養(yǎng)成分比同等價(jià)格的肥料高10%，還能有效改善土壤結(jié)構(gòu)。

3.4 飼料

通常不單獨(dú)使用果渣飼料，一般將其作為輔料添加到其他飼料中以增加飼料的蛋白質(zhì)含量。提取葡萄籽油后的餅粕可直接作為飼料，其含有豐富的蛋白質(zhì)和脂肪，是一種優(yōu)質(zhì)的飼料來源。在葡萄酒發(fā)酵停止后，皮渣中富集了數(shù)以萬計(jì)的酵母菌，此時(shí)皮渣中的蛋白質(zhì)，鈣和磷含量非常高，干燥后可作為濃縮物加入普通飼料中。李會(huì)菊等[46]試驗(yàn)證明，在飼料中添加適當(dāng)比例的葡萄皮渣，對(duì)牛、羊等動(dòng)物的增重、奶牛的產(chǎn)奶量等有一定的效果。

3.5 沼氣原料

作為一種新能源，沼氣對(duì)解決我國資源短缺問題具有非常重要的意義?？梢詫⑵咸哑ぴ筒眉舻闹θ~以及葡萄酒生產(chǎn)過程中的污水等作為原料混合發(fā)酵生產(chǎn)沼氣。發(fā)酵后，剩余的沼渣能夠繼續(xù)當(dāng)作肥料使用，而沼液可以噴到葉面上，預(yù)防葡萄病蟲害的發(fā)生[47]。

3.6 活性炭

將釀酒葡萄皮渣用25%～40%的硫酸熱解，分離、水洗、烘干后制得的活性炭具有質(zhì)量高，吸附、脫色能力強(qiáng)，無異味等特點(diǎn)。在一些歐美的葡萄酒生產(chǎn)國，只允許使用葡萄皮渣生產(chǎn)的活性炭對(duì)葡萄酒進(jìn)行脫色處理，用量通常為0.2‰～0.5‰[48]。

4 結(jié)論與展望

一般葡萄酒釀造季節(jié)都集中在每年的9～11月份，因此這段時(shí)間會(huì)產(chǎn)生大量的釀酒葡萄皮渣，所以如何提高釀酒皮渣預(yù)處理及保存技術(shù)使其生物活性物質(zhì)不被破壞是企業(yè)亟待解決的問題。目前，研究人員對(duì)釀酒葡萄皮渣綜合利用研究日益深入，不斷研發(fā)新產(chǎn)品，一些產(chǎn)品已投入生產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，例如日本吉可曼公司將葡萄籽中的原花色素制成一種名叫“KAP”抗氧化劑；貝爾凱姆公司推出一種原花色素含量高達(dá)98%新產(chǎn)品，但大部分產(chǎn)品仍在嘗試中。我國對(duì)釀酒葡萄皮渣綜合利用研究尚淺，技術(shù)不夠完善。目前還沒有形成一套完整的體系，對(duì)其加工都只停留在初級(jí)階段，皮渣中的功能性成分沒有完全被利用，提取工藝還存在一定的安全隱患，因此，我國在這一方面的研究有待于繼續(xù)深入。從葡萄皮渣中提取副產(chǎn)物通常都是提取一次后就丟棄，如果能實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，提取多種生物活性成分，形成一套完整高效的利用系統(tǒng)可以在很大程度上提高副產(chǎn)物的附加值。實(shí)現(xiàn)釀酒葡萄皮渣的再利用，將廢物變成寶貝，充分利用資源，減少環(huán)境壓力，創(chuàng)造豐碩的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，是目前我國發(fā)展葡萄產(chǎn)業(yè)不容忽視的環(huán)節(jié)。