基于超滤技术的葡萄酒酒渣生物活性多酚分级分离与浓缩工艺的可持续性评估

《Journal of Environmental Management》：Ultrafiltration-based fractionation of bioactive polyphenols from wine lees for posterior concentration: A sustainable process assessment

本研究针对葡萄酒酿造行业产生的大量酒渣废弃物，开发了一种基于超滤膜技术的绿色分离工艺。研究人员通过系统评估不同截留分子量（10 kDa、5 kDa、1 kDa）的陶瓷膜和聚合物膜对酒渣中多酚类化合物的分级分离效能、膜污染行为及清洗恢复性能。结果表明，5 kDa膜对酪醇（48%）、没食子酸（66%）和Trolox（44%）表现出最高截留率；陶瓷膜经化学清洗后渗透性恢复率达94%以上，显著优于聚合物膜（26%）。该工艺成功实现了酒渣中生物活性多酚的按分子量分级富集，为食品、化妆品和制药行业提供了可持续的高附加值原料提取方案。

　　

在全球葡萄酒产业蓬勃发展的背后，每年产生的大量酿酒废弃物正成为严峻的环境挑战。其中，葡萄酒酒渣（wine lees）作为发酵沉淀物，虽然富含生物活性多酚类物质，却长期被低估其价值。这些多酚化合物具有卓越的抗氧化、抗炎和抗癌特性，在食品、化妆品和制药领域展现出巨大应用潜力。然而，传统溶剂提取方法存在有机溶剂残留、高温降解活性成分等缺陷，难以满足绿色可持续生产的要求。

为此，研究团队在《Journal of Environmental Management》发表论文，创新性地将超滤（UF）膜技术应用于葡萄酒酒渣的价值化处理。该研究通过构建多级膜分离系统，实现了生物活性多酚的高效分级与浓缩，为农业废弃物的资源化利用提供了新技术路径。

研究采用三级超滤膜串联工艺：首先使用15 kDa陶瓷膜进行预处理，随后分别采用10 kDa陶瓷膜、5 kDa聚合物膜和1 kDa陶瓷膜进行精细分级。关键技术方法包括：跨膜压力2 bar、温度20°C的恒流过滤；采用赫米亚（Hermia）模型分析膜污染机制；通过接触角测量和Owens-Wendt方法表征膜表面张力变化；使用福林酚（Folin-Ciocalteu）法和ABTS⁺自由基清除法分别测定总酚含量（TPC）和总抗氧化活性（TAA）。实验样品来源于西班牙瓦伦西亚社区酒庄提供的2023年度葡萄酒酒渣。

3.1. 葡萄酒酒渣残留物特性分析

初始酒渣溶液呈现高浊度（25,300 NTU）和化学需氧量（176,200 mg/L），总酚含量以酪醇当量（TyE）计达2,320 mg/L，以没食子酸当量（GAE）计为1,827 mg/L，总抗氧化活性为16.6 mM Trolox当量（TrE）。这些指标显著高于文献报道的希腊酒渣数据（315.27 mg GAE/L），证实了研究样本的高生物活性价值。

3.2. 超滤工艺研究

3.2.1. 膜特性表征

5 kDa聚合物膜表现出最高水渗透性（48.65 L/m²·h·bar），分别为10 kDa和1 kDa陶瓷膜的3.2倍和3.8倍。这种差异主要源于膜材料特性和横流速度（CFV）的设置，聚合物膜更高的孔隙率使其初始通量优势明显。

3.2.2. 葡萄酒酒渣过滤实验

在4小时过滤过程中，所有膜均呈现通量衰减现象。1 kDa陶瓷膜首小时通量下降达30%，表明小孔径膜更易受污染。5 kDa聚合物膜虽初始通量较高，但持续过滤后通量保持率仅70%，反映出其抗污染能力较弱。

3.2.3. 酚类含量和抗氧化活性评估

膜分离效果呈现明显规律：15 kDa膜截留了约50%的大分子多酚（如缩合单宁和木质素）；5 kDa膜对中等分子量多酚截留效果最佳（酪醇48.05%，没食子酸65.63%）；1 kDa膜最终渗透液富含小分子多酚（分子量<1 kDa），占总酚含量的20.8%。特别值得注意的是，虽然1 kDa膜渗透液的TPC较低，但其抗氧化活性保持率高达88.7%，证明小分子多酚具有更高的单位质量生物活性。

3.2.4. 膜水通量恢复实验

化学清洗后，10 kDa和1 kDa陶瓷膜渗透性恢复率均超过93%，而5 kDa聚合物膜仅恢复26%。这种显著差异揭示了陶瓷膜在复杂基质处理中的耐久性优势，其稳定的化学耐受性更适合工业级连续操作。

3.2.5. 接触角和表面张力

5 kDa聚合物膜经过酒渣过滤后，水接触角从50°降至5°，表面张力从50 mJ/m²升至75 mJ/m²，极性组分显著增加。清洗后虽部分恢复，但膜表面化学特性发生不可逆改变，说明多酚类物质与膜材料间存在特异性吸附作用。

3.2.6. 膜污染机制识别

赫米亚模型拟合表明，完全阻塞和中间阻塞是主导污染机制（R²>0.96），而标准阻塞和滤饼层形成模型适用性较差。这说明多酚分子主要通过孔口阻塞和孔内吸附导致通量下降，而非表面沉积为主。

研究结论明确指出，采用15 kDa→5 kDa的陶瓷膜组合方案，既能实现多酚的高效分级，又可最大限度保持膜的使用寿命。该工艺不仅成功将酒渣中的多酚按分子量分为三个价值梯度（高分子量工业原料、中分子量功能成分、小分子量高活性制剂），更重要的是建立了无需有机溶剂的绿色分离路径。相较于传统提取技术，膜技术能在常温条件下保持多酚活性，避免热降解损失，且模块化设计易于放大生产。这项研究为葡萄酒产业链的闭环管理提供了关键技术支撑，使酿酒废弃物从环境负担转变为高值化资源的设想成为现实，对推动食品工业的可持续发展具有示范意义。