《Food Hydrocolloids》：From residues to resources: Extraction of biopolymeric and bioactive compounds from winery biowaste for food packaging films
编辑推荐：
塑料的大量使用已成为全球性的重大环境问题，尤其在食品包装领域，该领域约占全球塑料废弃物的40%。每年产生的数百万吨塑料废弃物中，仅有一小部分被回收利用，而相当大一部分未被妥善管理（OECD，2022）。塑料污染影响陆地和水生生态系统，导致土壤和淡水污染、生物多
塑料的大量使用已成为全球性的重大环境问题，尤其在食品包装领域，该领域约占全球塑料废弃物的40%。每年产生的数百万吨塑料废弃物中，仅有一小部分被回收利用，而相当大一部分未被妥善管理（OECD，2022）。塑料污染影响陆地和水生生态系统，导致土壤和淡水污染、生物多样性丧失以及微塑料在整个食物链中的积累。据估计，每年有1900万至2300万吨塑料废弃物进入水生生态系统，占所有排放废弃物的85%，其中微塑料是主要组成部分，由于其生态系统中的持久性，对海洋和淡水环境构成更大威胁（联合国环境规划署（UNEP），2021）。这些数据凸显了开发包装替代品的迫切需求。在此背景下，农业废弃物的增值利用是一项重大挑战。这些废弃物在很大程度上仍未得到充分利用，但代表了高价值化合物的来源，如纤维、多糖和生物活性分子，可转化为高附加值材料。葡萄酒产业是一个尤为相关的例子，它是欧洲最重要的农工业部门之一，尤其是在西班牙、法国和意大利等国，葡萄种植和葡萄酒生产每年产生大量废弃物（欧盟统计局（Eurostat），2022）。在葡萄加工和酿酒过程中，会产生不同类型的废弃物，包括葡萄茎（grape stalks）、葡萄渣（pomace）、果皮（skins）、种子（seeds）、压榨残渣（marc）和酒泥（lees）（Arvanitoyannis等，2006；Ratto等，2025；Ruggieri等，2009；Spigno等，2017）。虽然这些废弃物往往未被充分利用或仅用于低价值应用，但它们含有纤维素（cellulose）、半纤维素（hemicellulose）、木质素（lignin）、单宁（tannins）和多酚（polyphenols）等有价值的化合物，可以回收并用于开发可持续材料（Ratto等，2025；Sánchez-Gómez等，2017；Toscano等，2013）。
葡萄酒废弃物的增值利用尤为重要，因为多酚是葡萄酒废弃物中丰富的化合物，由于其多功能特性，在食品包装应用中极具吸引力（Ayala-Zavala等，2010；Zujovic等，2021）。其抗氧化能力有助于延缓氧化降解过程，促进食品保鲜并减少食物浪费（Balasundram等，2006）。此外，多酚是pH敏感化合物，可根据周围环境的酸碱性发生可见的颜色变化，使其成为监测食品腐败的合适天然指示剂（Prietto等，2017）。从这个意义上说，食品包装不再仅仅被视为被动屏障，而是被视为能够延长食品货架期并提供包装产品质量和新鲜度信息的系统。因此，将农工业废弃物中提取的生物活性化合物掺入食品包装材料中代表了一种创新策略，促进了循环经济方法的发展。为了将这些化合物掺入成膜配方中，研究人员已研究了多种材料用于制备食品包装膜。天然生物聚合物因其可生物降解性、丰富性、成膜能力和良好的气体阻隔性能而特别具有吸引力。已有报道含有花青素（anthocyanin）丰富提取物的明胶基膜，尽管其中一些膜的力学性能有限，或依赖于从具有现有商业价值的水果中获得的提取物（Mustafa等，2020；Rawdkuen等，2020）。此外，其他聚合物也被用于开发复合体系以解决这些局限性，并在功能性能、可持续性和原材料可用性之间取得平衡（Abdullah等，2022；Dirpan等，2023；He等，2025；Singh等，2025；Teklemedhin等，2026）。含有植物来源提取物和农工业废弃物的明胶/PVA膜此前已被研究用于食品包装膜。例如，已将富含花青素的提取物掺入明胶/PVA膜中（Kamer等，2022），而含有废咖啡渣衍生碳点和葡萄柚籽提取物的明胶/PVA膜也已被开发（Min等，2023）。
尽管人们对智能食品包装的兴趣日益增长，但大多数研究侧重于证明膜对与食品腐败相关变化的比色响应，而对通过农工业废弃物增值利用提取生物活性化合物的关注较少。很少有研究在同一膜基质内同时增值利用生物质残留物的不同组分，以及所使用的提取过程的环境影响。这凸显了对一种综合方法的需求，该方法不仅涉及膜开发，还考虑原材料的来源。在这方面，本研究揭示了从单一活动中增值利用不同废弃物的重要性，促进了食品部门综合增值策略的发展。在这方面，葡萄酒废弃物代表了一种特别有吸引力的替代方案，因为它们大规模产生，便于收集、加工和增值利用。尽管如此，以往的研究侧重于掺入单一生物活性提取物或功能组分。在本研究中，通过从葡萄茎中回收富含纤维素的组分和从葡萄渣中回收富含多酚的组分，对两种葡萄酒废弃物进行了增值利用，随后将它们掺入同一明胶/PVA膜体系中。这种方法使得在同一材料中结合了改进的保护性能与抗氧化和pH响应功能。此外，还评估了与提取过程相关的环境影响，因此，这一综合策略凸显了葡萄废弃物作为可持续食品包装应用中互补功能组分可规模化来源的潜力。
在此背景下，本研究为多项可持续发展目标（SDGs）做出了贡献。通过将葡萄酒废弃物转化为有价值的官能团组分，所提出的方法通过减少废弃物和提高资源效率直接支持SDG 12（负责任消费和生产）。开发结合保护、抗氧化和pH响应功能的膜促进了SDG 9（产业、创新和基础设施），通过推广创新和可持续的材料解决方案。最后，环境评估的整合通过为可持续材料提供改进替代方案，为SDG 13（气候行动）做出贡献。总的来说，本研究说明了如何通过从单一活动中综合增值利用农业资源，为解决相互关联的环境、工业和食品相关挑战产生创新解决方案。此外，这种方法也与"同一健康"（One Health）理念相一致，通过同时促进环境可持续性、食品质量和安全以及生物资源的负责任使用，强调了人类健康、环境健康和可持续食品系统之间的联系。
论文解读
一、研究背景与问题
塑料的大量使用已成为全球重大环境问题，食品包装领域约占全球塑料废弃物的40%。每年有1900万至2300万吨塑料废弃物进入水生生态系统，微塑料的持久性对生态环境构成严重威胁。在此背景下，农业废弃物的增值利用成为重要挑战。葡萄酒产业是欧洲最重要的农工业部门之一，西班牙、法国和意大利等国每年产生大量葡萄茎、葡萄渣、果皮、种子等废弃物。这些废弃物虽富含纤维素、多酚等高价值化合物，但往往未被充分利用或仅用于低价值应用。多酚因其抗氧化能力和pH敏感变色特性，在食品包装领域具有广阔应用前景。然而，以往研究多集中于单一生物活性提取物的掺入，鲜有研究在同一膜基质内同时增值利用生物质残留物的不同组分，也较少关注提取过程的环境影响。本研究旨在通过从葡萄茎中提取富含纤维素组分、从葡萄渣中提取富含多酚组分，并将二者同时掺入明胶/PVA膜体系，实现葡萄酒废弃物的综合增值利用，开发兼具保护性能、抗氧化和pH响应功能于一体的食品包装材料。该研究同时贡献于多项可持续发展目标（SDGs），包括SDG 12（负责任消费和生产）、SDG 9（产业、创新和基础设施）和SDG 13（气候行动），并符合"同一健康"（One Health）理念。论文发表在《Food Hydrocolloids》。
二、主要关键技术方法
研究人员采用了以下主要技术方法：利用氯化胆碱-柠檬酸低共熔溶剂（deep eutectic solvent, DES）从葡萄茎中提取富含纤维素的组分（CEL）；利用Amberlite? FPX66树脂吸附-解吸法从葡萄渣中提取富含多酚的组分（PP）；采用SimaPro Craft软件结合Ecoinvent 3.8数据库和ReCiPe Midpoint (H) v1.12方法进行生命周期环境影响评估；通过溶液浇铸法制备明胶（gelatin, G）/聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）/聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）复合膜；采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、水接触角（WCA）测量、水吸收（WU）测试、水蒸气透过率（WVTR）测定及拉伸测试等手段对膜进行系统表征。原料葡萄茎和葡萄渣来自西班牙巴斯克地区当地酒庄。
三、研究结果
3.1 纤维素富集组分的提取与表征
研究人员采用氯化胆碱-柠檬酸DES在80°C条件下处理葡萄茎粉末15小时，经乙醇/水沉淀、水洗脱除DES、过氧化氢脱色后获得纤维素富集组分（CEL）。通过改良NREL/TP-510-42618方法进行组分分析，利用热重分析（TGA）评估热稳定性。水分含量（MC）按公式计算确定。
3.2 多酚组分的提取
葡萄渣与水混合（10 mL/g）在50°C搅拌24小时后过滤，液体组分加入Amberlite FPX66树脂吸附24小时，随后用96%乙醇解吸，蒸发溶剂后获得多酚组分（PP）。
3.3 环境分析
采用SimaPro Craft软件遵循ISO 14040指南，以1 g纤维素富集组分和1 g多酚富集组分为功能单位，利用Ecoinvent 3.8数据库进行数据清单编制，采用ReCiPe Midpoint (H) v1.12方法计算各提取步骤的相对环境影响，并据此提出改进方案。
3.4 膜制备
研究人员制备了不同CEL含量（2、4、6 wt%）和PP含量（2、4 wt%）的明胶/PVA复合膜，分别标记为G-CTRL、G-CEL2、G-CEL4、G-CEL6、G-CEL2-PP2和G-CEL2-PP4。膜厚度采用数字千分尺测量。
3.5 膜表征
SEM分析显示膜断面形貌特征；XRD分析揭示了膜的结晶结构；DSC分析测定了膜的热转变行为；FTIR光谱确认了膜中各组分间的相互作用；UV-Vis光谱评估了膜的紫外光阻隔性能，结果表明纤维素的掺入改善了膜对紫外光的防护能力；水接触角测量评估了膜的表面疏水性/亲水性；水吸收测试测定了膜的吸水能力；水蒸气透过率测试在38°C、90%相对湿度条件下进行；拉伸测试按照ASTM D 1708-02a方法测定杨氏模量（YM）、拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EB）。
3.6 抗氧化释放与pH响应
研究人员在277 nm波长处建立校准曲线（y = 0.1746x，R2 = 0.999），依据比尔-朗伯定律计算多酚释放浓度。将膜片（1 cm × 1 cm）浸入10 mL水中，在6小时及1、2、3、4天时间点测定多酚释放量。结果表明含有PP的膜具有抗氧化活性，且含PP膜表现出pH敏感的比色响应。
四、讨论与结论
本研究通过综合增值利用葡萄酒产业的两种废弃物——葡萄茎和葡萄渣，分别提取纤维素富集组分和多酚富集组分，并将二者同时掺入明胶/PVA膜体系中，成功开发了一种兼具紫外光保护、抗氧化和pH响应功能于一体的食品包装膜材料。纤维素组分有效改善了膜对紫外光的阻隔性能，多酚组分赋予了膜抗氧化活性，同时使膜具有pH敏感的颜色变化响应能力，可用于监测食品新鲜度和腐败状态。环境评估揭示了提取过程中各步骤的相对环境影响，为工艺优化提供了方向。该研究展示了一种从单一农业活动中综合增值利用多种废弃物的集成策略，促进了循环经济理念在食品包装领域的实践，同时为可持续食品包装材料的开发提供了新途径，对减少塑料污染、提高资源利用效率具有重要的科学意义和应用价值。
