Bioenergy and industrial applications of grape pomace from "Vinho Verde"

Abstract

Portugal is the fifth largest wine producer in the EU-28 and eleventh in the world, with a wine production estimated at 5,886 khL in 2014. In this year, the Portuguese Minho region had a production over 530 khl of “Vinho Verde” wine. Grape pomace (GP) is an agro-industrial residue from this process, consists of stalks, skins and seeds, and accounts for about 20-25% weight of the grape crushed for the wine production. Ιn Minho region almost 18x103 tons of GP are generated, which are mainly employed for animal feed, fertilizer or depositing in the οpen fields and can cause environmental problems. The uncontrolled dumping of these by-products causes phytotoxicity phenomena and contributes to the green house gas emissions. The objective of this study was to evaluate the potential application of grape pomace, from Vinhão and Loureiro grape varieties, as bioenergy or as raw material in other industrial processes. Analyses were made in one white and one red GP variety, named Loureiro and Vinhão, respectively, from Adega Cooperativa de Ponte da Barca. The chemical properties studied were moisture, ash, Kjeldahl N, fat, carbohydrates, fiber, minerals, total phenolic content (TPC), antioxidant activity, and identification/quantification of nine polyphenols applying standard methods of analysis. The high heating value (HHV) was determined by the method from Parr instruments. The moisture in GP varies from 42.2% to 72.8%. Results in dry matter show that the contents are 3.3% to 7.9% in ash, 1.0% to 2.1% in Kjeldahl N, 2.0% to 16.4% in fat, 15.4% to 29.2% in carbohydrates, 11.9% to 31.0% in fiber, 23.9 to 120 mg GAE/g for TPC and 12.2 to 83 mg AAE/g for antioxidant activity. Comparing the two varieties of GP for the polyphenols, Vinhão has a higher content than Loureiro in eight identified polyphenols, except for resveratrol, which is higher in the Loureiro stalks (0.244 mg/g DM) and is close to the highest value in literature. The HHV of GP before and after extracting the bioactive products is between 17-21 MJ/Kg, which compares to the best hardwood biomass. Considering the results obtained, GP is a very valuable raw material with potential to be used in industrial processes in a profitable way. The process should start with the bioactive extractions, followed by the production of grape seed oil and grape flour for human nutrition and cosmetology. Finally, the remaining stalks could be used as fertilizer, animal feed or bioenergy, producing pellets.

Portugal é o quinto maior produtor de vinho da UE-28 e o décimo primeiro no mundo, com uma produção estimada de 5,886 khL em 2014. Neste ano, na região Portuguesa do Minho a produção de “Vinho Verde” foi de 530 khL. O bagaço de uva (GP) é um resíduo agro-industrial composto de engaço, películas e grainhas, com peso de 20-25% do total das uvas utilizadas para a produção do vinho. No Minho são geradas por ano quase 18x103 ton de GP, resíduo que é utilizado para a alimentação animal, fertilizante ou depositado em campo aberto para biodegradação, causando problemas ambientais. A deposição não controlada do bagaço provoca fenómenos de fitotoxicidade e contribui para as emissões de GEE. O objetivo deste estudo foi avaliar o potencial de aplicação do bagaço de uva como bioenergia e matéria prima na indústria transformadora para obter produtos com valor acrescentado. Este estudo foi realizado no GP das variedades Loureiro e Vinhão, provenientes da Adega Cooperativa de Ponte da Barca. A composição química foi determinada através da análise do conteúdo de humidade, cinza, N-Kjeldhal, gordura, hidratos de carbono (HC), fibra, minerais, conteúdo fenólico total (TPC), atividade antioxidante, e identificação/quantificação de nove polifenóis, aplicando métodos analíticos de referência. O poder calorífico (HHV) foi determinado pelo método da Parr Instruments. A humidade no bagaço de uva varia de 42.2% a 72.8%. Na matéria seca foram obtidos os seguintes resultados, 3.3% a 7.9% em cinza, de 1.0% a 2.1% em N-Kjeldahl, de 2.0% a 16.4% em gordura, de 15.4% a 29.2% em HC, de 11.9% a 31.0% em fibra, 23.9 a 120 mg GAE/g em TPC e 12.2 a 83 mg AAE/g em DPPH. Comparando as duas variedades de GP, o Vinhão apresenta um teor mais elevado que o Loureiro em oito polifenóis, sendo exceção o resveratrol com 0.244 mg/g MS no Loureiro, valor próximo do mais elevado encontrado na literatura. O HHV do GP antes e após extração dos bioativos varia entre 17 e 21 MJ/kg, valor comparável com o mais elevado de biomassa florestal. Tendo em conta os resultados obtidos, conclui-se que o GP é um sub-produto muito valioso, podendo ser obtidos outros produtos num processo muito rentável. Na transformação do GP, primeiro devem ser isolados os bioactivos, posteriormente óleo de semente de uva e farinha sem glúten de uva para a nutrição humana e cosmetologia. Finalmente, o engaço pode ser usados como fertilizante, alimento para animais ou bioenergia (pelletes).

Η Πορτογαλία είναι η πέμπτη μεγαλύτερη χώρα παραγωγής κρασιού στην ΕΕ-28 και ενδέκατη στον κόσμο, με παραγωγή που εκτιμάται σε 5,886 khL το 2014. Την ίδια χρονιά στο νομό Minho η παραγωγή κρασιού «Vinho Verde» ήταν πάνω από 530 khL. Τα στέμφυλα, είναι αγροβιομηχανικά υπολείμματα που αποτελούνται από μίσχους, φλοιούς και σπόρους και αντιπροσωπεύουν περίπου το 20-25% του βάρους του σταφυλιού έπειτα από τη συμπίεση του κατά την οινοποίηση. Στον νομό Minho παράγονται ετησίως σχεδόν 18x103 τόνοι στέμφυλων, τα οποία χρησιμοποιούνται κυρίως για ζωοτροφές, λιπάσματα ή εναποτίθενται σε ανοιχτούς χώρους για βιοαποικοδόμηση, η οποία μπορεί να προκαλέσει σημαντικά περιβαλλοντικά προβλήματα. Η ανεξέλεγκτη απόρριψη αυτών των υποπροϊόντων προκαλεί φαινόμενα φυτοτοξικότητας και συμβάλλει στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Ο στόχος της παρούσας μελέτης ήταν να αξιολογήσει τις δυνητικές εφαρμογές των στέμφυλων, σε βιοενέργεια και ως πρώτη ύλη για βιομηχανικές διεργασίες. Τα στέμφυλα που χρησιμοποιήθηκαν για τις αναλύσεις ήταν μια λευκή και μια ερυθρή ποικιλία ονόματι Loureiro και Vinhão, αντίστοιχα, που προήρθαν από τον οινοποιητικό συνεταιρισμό της Ponte da Barca. Ο χημικός χαρακτηρισμός έγινε πραγματοποιώντας αναλύσεις για υγρασία, τέφρα, Kjeldahl άζωτο, λίπος, υδατάνθρακες, ιχνοστοιχεία, ολικό φαινολικό περιεχόμενο (TPC), αντιοξειδωτική δράση, καθώς και ταυτοποίηση και ποσοτικοποίηση ορισμένων πολυφαινολών, εφαρμόζοντας πρότυπες μεθόδους ανάλυσης. Η υψηλή θερμογόνο δύναμη (HHV) προσδιορίστηκε με την μέθοδο που συνιστάτε από την εταιρία Parr. Η υγρασία των στέμφυλων κυμάνθηκε από 42.2% έως 72.8%. Τα αποτελέσματα επί ξηρού έδειξαν ότι το περιεχόμενο σε τέφρα κυμαίνεται μεταξύ 3.3% έως 7.9%, σε άζωτο 1.0% έως 2.1%, σε λίπος 2.0% έως 16.4%, σε υδατάνθρακες 15.4% έως 29.2%, σε φυτικές ίνες 11.9% σε 31.0%, σε ολικό φαινολικό περιεχόμενο (TPC) 23.9 έως 120 mg GAE / g και σε αντιοξειδωτική δράση 12.2 έως 83 mg AAE/ g. Συγκρίνοντας τις δύο ποικιλίες των στέμφυλων για το περιεχόμενο τους σε πολυφαινόλες, συμπεραίνεται ότι η ποικιλία Vinhão είχε υψηλότερη περιεκτικότητα στις οκτώ από τις εννέα ταυτοποιημένες πολυφαινόλες σε σχέση με την ποικιλία Loureiro. Η ρεσβερατρόλη, παρουσίασε υψηλότερη τιμή στους μίσχους της Loureiro, 0.244 mg / g επί ξηρού, που συνάδει με τις υψηλότερες τιμές στην βιβλιογραφία. Η υψηλή θερμιδογόνο δύναμη των στέμφυλων πριν και μετά την εκχύλιση των βιοενεργών προϊόντων (πολυφαινόλες) κυμάνθηκε μεταξύ 17 και 21 MJ/Kg, τιμές οι οποίες συγκρίνονται με βιομάζα προερχόμενη από το καλύτερο σκληρό ξύλο.