《Green Analytical Chemistry》：From vineyard waste to high-value products: Educational laboratory experiences integrating green analytical chemistry and biorefinery concepts
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葡萄酒工业产生大量废弃物，包括葡萄渣（grape pomace, GP）和枝剪残余物（vine pruning residue），这些未充分利用的原料其增值为可持续工艺开发和循环过程提供了战略机遇。在此框架下，在维戈大学（奥伦塞校区）的一门大学拓展课程中设计了
葡萄酒工业产生大量废弃物，包括葡萄渣（grape pomace, GP）和枝剪残余物（vine pruning residue），这些未充分利用的原料其增值为可持续工艺开发和循环过程提供了战略机遇。在此框架下，在维戈大学（奥伦塞校区）的一门大学拓展课程中设计了两项有吸引力的实验室实践，旨在通过有效利用葡萄酒工业残留物，向参与者介绍生物精炼（biorefinery）概念和绿色分析化学（green analytical chemistry）。第一项实践探索了从果糖酸催化转化为5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural, HMF），使用商业果糖溶液和含有果糖的白葡萄渣（white grape pomace）水提物，在150°C下进行微波辅助处理，采用不同反应时间。第二项活动评估了从碱木质素（alkali lignin）基水凝胶中控制释放对乙酰氨基酚（paracetamol，作为模型药物），作为枝剪木质素增值的代表性系统。两种情况下均使用紫外-可见分光光度法（UV–Vis spectrophotometry）进行分析测定。由8名参与者完成的满意度调查显示，所有评估标准均获得高分，包括理论内容、教学清晰度和质量、互动性以及实验室实验设计。总体而言，所提议的活动提供了一种有效的教学策略，用于在不同教育水平培养可持续性和循环生物经济的能力，同时促进化学、技术和数学知识的获取以及未来专业实践关键技能的发展。
论文解读文章
研究背景、问题与意义
欧洲是全球葡萄酒主要产区，意大利、法国、西班牙位居前列，葡萄酒工业从种植、收获到酿造产生大量废弃物，如葡萄渣（grape pomace, GP）和枝剪残余物（vine pruning residue）。这些废弃物富含有机化合物（糖类和多酚），具有作为高价值产品原料的巨大潜力。然而，目前葡萄渣多未经充分利用，枝剪残余物常被焚烧或作为肥料，引发环境问题。同时，生物精炼（biorefinery）和绿色化学原则在教育活动中的整合尚未充分探索，多数研究集中于科研规模，缺乏将生物精炼与绿色分析化学（green analytical chemistry）通过真实农业工业残留物进行实践教学的案例。为此，研究人员设计并实施了两项实验室实践，旨在：通过有效利用葡萄酒工业残留物，向参与者引入生物精炼概念和绿色分析化学原则；同时促进可持续性和循环生物经济能力的培养。论文发表在《Green Analytical Chemistry》。
关键技术方法
研究主要采用以下关键技术方法：（1）微波辅助酸催化转化，使用实验室微波反应器（Anton Paar GmbH, Austria）在150°C下处理果糖溶液或葡萄渣水解液，以生产5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural, HMF）。（2）紫外-可见分光光度法（UV–Vis spectrophotometry）定量分析HMF（284 nm）和对乙酰氨基酚（245 nm），并构建校准曲线。（3）木质素基水凝胶合成，以商品碱木质素（alkali lignin）为原料，聚乙二醇二缩水甘油醚（poly(ethylene glycol) diglycidyl ether, PEGDGE）为交联剂，制备水凝胶用于药物控释实验。样本来源：白葡萄渣由葡萄牙Mon??o地区一家酒厂在酒精发酵前压榨葡萄获得；枝剪木质素使用商品碱木质素替代。此外，葡萄渣水解液经活性炭脱毒处理，果糖含量由高效液相色谱（HPLC）确定。
研究结果
**Practice 1. 可持续生产平台化合物：微波辅助酸处理从葡萄渣制备HMF**
通过微波辅助酸催化（0.5%硫酸，150°C）处理合成果糖水解液（5 g/L果糖），不同反应时间（2.5–45 min）下测定HMF浓度。各组建模校准曲线斜率相似（平均0.1481），R2>0.99。结果显示，最高HMF浓度出现在15 min，平均为1.62±0.11 g/L，对应HMF产率45%。30 min和45 min时浓度下降，归因于副反应生成乙酰丙酸和甲酸。基于此，参与者选择15 min处理实际葡萄渣水解液（初始果糖6.81 g/L），获得HMF浓度0.97 g/L（产率20.4%），低于合成介质，表明水解液中其他组分（如葡萄糖、有机酸）可能干扰反应。
**Practice 2. 枝剪残余物增值研究：对乙酰氨基酚在木质素基水凝胶中的控释**
各组构建对乙酰氨基酚校准曲线，R2>0.998，吸光度值相似。将负载对乙酰氨基酚的木质素基水凝胶（初始浓度10,000 mg/L）置于DPBS溶液中（37°C, 50 rpm），测定0.5、1、2、3 h的累积释放率。结果显示，1 h内释放10–18%，3 h达到最大（14–24%）。释放曲线呈现初期快速释放（表面扩散）后缓慢释放（内部基质扩散）的特征。组1释放率较高（24%），可能源于水凝胶尺寸略大或测量误差，为实验变异提供了学习机会。结果与文献报道（Culebras等人使用有机溶剂木质素水凝胶在3 h释放25–30%）一致。
**学生感知分析与反馈**
8名参与者（50%博士，50%学士；38%教师，63%研究人员）完成满意度调查。课程理论内容（Q2.1）获38%“优秀”、63%“非常好”；教学清晰度（Q2.2）75%“优秀”；教育质量（Q2.3）63%“优秀”；互动性（Q2.5）全部评为“优秀”；课程时长（Q2.6）反馈积极。实验室实践方面，HMF实践（Q3.1–Q3.3）75%“优秀”，水凝胶实践（Q3.4–Q3.6）各项均获高分。开放性建议包括：将两项实践分开至不同时段进行以减少理解困难；减少每组人数以增加个人参与度；增加理论引入时间。
**教育实验室体验的展望**
所提议的活动为可持续教育提供了动手实践框架，使学生积极参与到真实环境与社会挑战中。该教育实验室体验展示了在科学教学中整合绿色分析化学与生物精炼概念的巨大潜力，高满意度表明对学习成果和参与度有积极影响。这些实验室实践的结构和内容具有转移到其他教育环境（如本科、研究生课程及跨学科课程）的潜力，支持可持续和创新教学方法的广泛实施。
讨论总结与结论翻译
讨论部分指出，将生物精炼与绿色化学概念嵌入实验室教学，为学生提供了动手参与农业工业残留物增值的切入点，并促进了对循环经济原则的理解。高满意度反映了与学习者期望的强一致性。未来版本应考虑将实践分配至不同时段、减少组别规模，以最大化动手参与。
研究结论部分翻译：本研究设计、实施并评估了两项以白葡萄渣和枝剪木木质素增值为中心的实验室实践，作为引入生物精炼概念与绿色分析化学原则的有效教学方法。第一项实践通过微波辅助HMF生产提供了反应动力学与分光光度校准的动手经验；第二项实践提供了利用木质素基水凝胶进行生物材料合成与药物控释的实践见解。实验结果在所有工作组中可重复，验证了设计用于课堂的稳健性，高满意度分数确认了该方法在培养农业食品废弃物增值相关能力方面的有效性。据研究人员所知，这代表了首个在正式课程环境中将真实葡萄藤衍生废弃物与绿色分光光度分析结合的教育体验。关于未来版本，应考虑将实践分配至不同时段并减小组别规模，以最大化动手参与。总体而言，所提议的活动显示出适应不同教育水平的强大潜力，支持将循环经济原则融入科学课程。
