Αξιοποίηση αποβλήτων αμπελοοινικού τομέα για παραγωγή οίνων ποιότητας

Abstract

Viticulture and winemaking represent significant agro-industrial sectors globally, with grape production reaching 70,3 million metric tons in 2023 and the global wine market valued at approximately 385 billion USD. However, this intensive production activity generates substantial quantities of waste and by-products, such as grape pomace, wine lees, and vine shoots, raising environmental concerns. Their rational exploitation aligns with the principles of circular economy and sustainable management of secondary streams. This dissertation focuses on the holistic valorization of the main by-products of the wine industry, aiming to produce high value-added products with potential applications in winemaking and the food industry. The study is structured into three parts, each addressing a different by-product. In the first part, wine lees were utilized to develop low-cost nutrient media through autolysis, targeting the replacement of commercial yeast extracts. The effect of key parameters—such as temperature, pH, solid concentration, and pretreatment—was investigated in the production of nitrogen-rich autolysates. Results showed that temperature significantly influenced the amino acid profile. The produced extracts were evaluated as nitrogen sources for the growth of wine-relevant microorganisms (Lactiplantibacillus plantarum and Saccharomyces cerevisiae), demonstrating comparable or even superior effectiveness compared to commercial formulations. The second part investigated the valorization of grape pomace in three axes: (a) the stability of pomace extracts and the enrichment of whey cheese (Manouri P.D.O.) with grape pomace powder, (b) the use of grape pomace as a natural wine fining agent in comparison with commercial products, and (c) the use of grape pomace as a carrier for the immobilization of lactic acid bacteria. Results showed that higher pH during extraction led to increased degradation rates of anthocyanins and phenolics during storage and heating, while the phenolic compounds of grape pomace exhibited thermal stability at 90 °C for up to 30 minutes. Moreover, the use of grape pomace as a fining agent enhanced wine color and effectively removed phenolic compounds without significantly affecting aromatic complexity. Furthermore, the application of grape pomace as an immobilization carrier achieved high bacterial immobilization rates, enabling efficient malolactic fermentation. In the third part, innovative food packaging films were developed through the incorporation of cellulose nanocrystals (CNC), isolated for vine shoots, into a carboxymethyl cellulose (CMC) matrix. Additionally, grape pomace extract was incorporated in the films to provide antioxidant functionality. The study demonstrated that films with a CMC/CNC ratio of 78/22 offered optimal mechanical properties, balancing strength and flexibility. The addition of CNC improved the hydrophilicity and stability of the films without negatively affecting their barrier properties. Overall, this dissertation presents a coherent and practical framework for the valorization of the key by-products of the vitivinicultural sector. The findings open new prospects for enhancing sustainability and integrating circular economy principles into the wine industry.

Η αμπελοκαλλιέργεια και η οινοποίηση αποτελούν σημαντικούς αγροβιομηχανικούς κλάδους παγκοσμίως, με την παραγωγή σταφυλιών να ανέρχεται το 2023 σε 70,3 εκατομμύρια τόνους και την παγκόσμια αγορά οίνου να εκτιμάται στα 385 δισεκατομμύρια δολάρια. Ωστόσο, η έντονη παραγωγική δραστηριότητα συνοδεύεται από μεγάλες ποσότητες αποβλήτων και υποπροϊόντων, όπως τα στέμφυλα, οι οινολάσπες και τα κλαδευτικά υπολείμματα, οι οποίες προκαλούν περιβαλλοντικές ανησυχίες. Η ορθολογική αξιοποίησή τους εντάσσεται στο πλαίσιο της κυκλικής οικονομίας και της βιώσιμης διαχείρισης δευτερευουσών ροών. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ολιστική αξιοποίηση των βασικών υποπροϊόντων του αμπελοοινικού τομέα, με σκοπό την παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας και πιθανές εφαρμογές στην οινοποίηση και στην βιομηχανία τροφίμων. Η μελέτη δομείται σε τρία μέρη, καθένα εκ των οποίων αφορά διαφορετικό υποπροϊόν. Στο πρώτο μέρος, οι οινολάσπες χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη θρεπτικών υποστρωμάτων χαμηλού κόστους μέσω αυτόλυσης, με στόχο την αντικατάσταση του εμπορικού εκχυλίσματος ζύμης. Μελετήθηκε η επίδραση παραμέτρων όπως η θερμοκρασία, το pH, η συγκέντρωση στερεών και η προκατεργασία, στην παραγωγή αυτολυμάτων πλούσιων σε άζωτο, ενώ από τα αποτελέσματα φάνηκε ότι η θερμοκρασία επηρέασε σημαντικά το προφίλ αμινοξέων. Τα παραγόμενα εκχυλίσματα εξετάστηκαν ως πηγή αζώτου για την ανάπτυξη οινοποιητικών μικροοργανισμών (Lactiplantibacillus plantarum και Saccharomyces cerevisiae), επιδεικνύοντας συγκρίσιμη ή και βελτιωμένη αποτελεσματικότητα σε σχέση με εμπορικό σκεύασμα. Στο δεύτερο μέρος, διερευνήθηκε η αξιοποίηση των στεμφύλων σε τρεις άξονες: (α) η σταθερότητα των εκχυλισμάτων και ο εμπλουτισμός τυριού τυρογάλακτος (Μανούρι Π.Ο.Π.) με σκόνη στεμφύλων, (β) η χρήση στεμφύλων ως φυσικό διαυγαστικό μέσο σε σύγκριση με εμπορικά σκευάσματα, και (γ) η χρήση τους ως φορέα ακινητοποίησης γαλακτικών βακτηρίων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υψηλότερο pH κατά την εκχύλιση οδήγησε σε υψηλότερους ρυθμούς αποικοδόμησης των ανθοκυανινών και των φαινολικών κατά την αποθήκευση και τη θέρμανση, ενώ οι φαινολικές ενώσεις των στεμφύλων παρουσίασαν ανθεκτικότητα στη θέρμανση στους 90 °C για έως και 30 λεπτά. Παράλληλα, η χρήση στεμφύλων ως διαυγαστικό μέσο σε οίνους ενίσχυσε το χρώμα και αφαίρεσε αποτελεσματικά φαινολικές ενώσεις, χωρίς να μεταβάλλεται σημαντικά η αρωματική πολυπλοκότητα. Επίσης, τα στέμφυλα ως φορέας ακινητοποίησης παρουσίασαν υψηλά ποσοστά ακινητοποίησης γαλακτικών βακτηρίων, τα οποία πραγματοποίησαν αποτελεσματικά μηλογαλακτική ζύμωση. Στο τρίτο μέρος, αναπτύχθηκαν καινοτόμες μεμβράνες τροφίμων μέσω ενσωμάτωσης νανοκρυστάλλων κυτταρίνης (CNC), οι οποίοι απομονώθηκαν από κλαδευτικά υπολείμματα, σε μήτρα καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης (CMC). Παράλληλα, ενσωματώθηκε εκχύλισμα στεμφύλων για την παροχή αντιοξειδωτικών ιδιοτήτων στις μεμβράνες. Η μελέτη κατέδειξε ότι οι μεμβράνες με αναλογία CMC/CNC = 78/22 προσφέρουν τις βέλτιστες μηχανικές ιδιότητες, ισορροπώντας μεταξύ αντοχής και ευκαμψίας, ενώ η ενσωμάτωση CNC βελτίωσε την υδροφιλικότητα και τη σταθερότητα των μεμβρανών χωρίς να επηρεάζει αρνητικά τις ιδιότητες φραγμού. Συνολικά, η διατριβή παρέχει ένα συνεκτικό και εφαρμόσιμο πλαίσιο για την αξιοποίηση των βασικών υποπροϊόντων του αμπελοοινικού τομέα, προσφέροντας νέες προοπτικές για την ενίσχυση της βιωσιμότητας και την ενσωμάτωση αρχών κυκλικής οικονομίας στη βιομηχανία οίνου.