Παραγωγή συστατικών υψηλής προστιθέμενης αξίας από τα απόβλητα της βιομηχανίας γιαουρτιού

Γαλάνη, Ισμήνη-Ειρήνη; Galani, Ismini-Eirini

dc.contributor.author	Γαλάνη, Ισμήνη-Ειρήνη	el
dc.contributor.author	Galani, Ismini-Eirini	en
dc.date.accessioned	2017-03-02T08:57:22Z
dc.date.available	2017-03-02T08:57:22Z
dc.date.issued	2017-03-02
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44485
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.13412
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Όξινος ορός	el
dc.subject	Λακτόζη	el
dc.subject	Γαλακτοολιγοσακχαρίτες	el
dc.subject	β-γαλακτοζιδάση	el
dc.subject	Λακτουλόζη	el
dc.title	Παραγωγή συστατικών υψηλής προστιθέμενης αξίας από τα απόβλητα της βιομηχανίας γιαουρτιού	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Βιοτεχνολογία τροφίμων	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/7ca946d5a040ec08f2fe2dbc577f138bcd9cdf51
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-10-03
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο τη μελέτη της αξιοποίησης του όξινου ορού, και συγκεκριμένα τη μετατροπή της περιεχόμενης σε αυτόν λακτόζης σε γαλακτοολιγοσακχαρίτες (Galacto-oligo-saccharides-GOS), μέσω ενζυμικής αντίδρασης με το ένζυμο β-γαλακτοζιδάση. Ο όξινος ορός αποτελεί απόβλητο της βιομηχανίας γιαουρτιού και η διαχείρισή του αποτελεί επιτακτική ανάγκη καθώς σχετίζεται με ποικίλα περιβαλλοντικά προβλήματα, λόγω της χαμηλής τιμής pH του που τον καθιστά ιδιαίτερα προβληματικό, και τον διαφοροποιεί από τον γλυκό ορό, του οποίου η αξιοποίηση πραγματοποιείται ήδη, κυρίως προς παραγωγή πρωτεϊνών ορού. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η εκμετάλλευση του όξινου ορού προς συστατικά υψηλής προστιθέμενης αξίας, όπως είναι οι GOS, οι οποίοι προσομοιάζουν τους ολιγοσακχαρίτες του ανθρώπινου γάλακτος και ανήκουν στην κατηγορία των προβιοτικών (prebiotics). Η παραγωγή GOS μπορεί να γίνει ενζυμικά μέσω του ενζύμου β-γαλακτοζιδάση, το οποίο διασπά την περιεχόμενη στον ορό λακτόζη μεσώ αντίδρασης γλυκοζιλίωσης, και στη συνέχεια χρησιμοποιεί τα μονομερή, δημιουργώντας δεσμούς μεταξύ τους μέσω της αντίδρασης τρανσγλυκοζιλίωσης. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε το ένζυμο β-γαλακτοζιδάση από το μικροοργανισμό Aspergillus oryzae, το οποίο έχει την ιδιότητα να διασπά τον β-(1→4) γλυκοζιτικό δεσμό και να συνθέτει β-(1→6), β-(1→4) και β-(1→3) γλυκοζιτικούς δεσμούς. Για την ενζυμική αντίδραση απαραίτητη ήταν η συμπύκνωση του ορού σε επίπεδα τέτοια ώστε η περιεκτικότητά του σε λακτόζη να τον καθιστά κατάλληλο υπόστρωμα για την ενζυμική αντίδραση. Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκε υπόστρωμα με περιεκτικότητα 15% w/v σε λακτόζη. Αρχικά κατασκευάστηκαν οι καμπύλες αναφοράς της λακτόζης, της γαλακτόζης, της παρα-νιτροφαινόλης και της αλβουμίνης του ορού, οι οποίες και χρησιμοποιήθηκαν στην περαιτέρω ανάλυση των αποτελεσμάτων. Επίσης, μετρήθηκε και η δραστικότητα του ενζύμου, η οποία βρέθηκε ίση προς 28,6 (±1,25) U/mg ενζύμου. Κατόπιν πραγματοποιήθηκε έλεγχος ως προς την επίδραση της προέλευσης του υποστρώματος στην ενζυμική μετατροπή της λακτόζης σε GOS, χρησιμοποιώντας υπόστρωμα πρότυπου διαλύματος λακτόζης και υπόστρωμα όξινου ορού, σε συγκέντρωση λακτόζης 15% w/v, τιμή pH 4,2, θερμοκρασία 55°C και ενζυμική δραστικότητα 0,24 U/mL αντίδρασης. Στην περίπτωση χρήσης διαλύματος πρότυπης λακτόζης παρατηρήθηκε παραγωγή προϊόντος, άγνωστης σύνθεσης, του οποίου ο βαθμός πολυμερισμού εικάζεται ότι είναι 3, αφού φάνηκε να εκλούεται σε ενδιάμεσους χρόνους σε σχέση με αυτούς που αντιστοιχούν σε πρότυπα σάκχαρα με βαθμό πολυμερισμού 3 και 4. Αντίθετα, δεν παρατηρήθηκε παραγωγή προϊόντος στην περίπτωση που χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα όξινος ορός. Έτσι, μελετήθηκε η επίδραση της σύστασης του όξινου ορού σε πρωτεΐνες, άλατα και λακτόζη στην ενζυμική αντίδραση. Χρησιμοποιήθηκε όξινος ορός ελεύθερος πρωτεϊνών (μέσω υπερδιήθησης με όριο 10 kDa) και όξινος ορός με απομακρυσμένα τα κύρια άλατά του (άλατα του φωσφόρου και του ασβεστίου, μέσω θερμικής καταβύθισης των αλάτων και φυγοκέντρησης του ορού), με όλες τις υπόλοιπες παραμέτρους ίδιες με αυτές των αρχικών αντιδράσεων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η παρουσία των κύριων αλάτων ή των πρωτεϊνών του ορού δεν επηρεάζει την πορεία της αντίδρασης, αφού και πάλι δεν παρατηρήθηκε παραγωγή προϊόντος. Στη συνέχεια ακολούθησε μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης του όξινου ορού σε λακτόζη, πραγματοποιώντας μία επιπλέον αντίδραση με υπόστρωμα όξινο ορό με περιεκτικότητα 32% w/v σε λακτόζη, του οποίου απομακρύνθηκαν τόσο οι πρωτεΐνες όσο και τα κύρια άλατα. Οι συνθήκες της θερμοκρασίας, του pH και της χρησιμοποιούμενης ενζυμικής δραστικότητας παρέμειναν σταθερές, αλλά και πάλι δεν παρατηρήθηκε παραγωγή προϊόντος. Έτσι, οι μελέτες επικεντρώθηκαν στην επίδραση της χρησιμοποιούμενης δραστικότητας του ενζύμου (2,4-9,6 U/mL) και στη θερμοκρασία της αντίδρασης (40-55°C). Η επιλογή των ενζυμικών δραστικοτήτων έγινε πειραματικά ξεκινώντας από μία συγκέντρωση δεκαπλάσια της αρχικής, ενώ η επιλογή του θερμοκρασιακού εύρους της αντίδρασης επιλέχθηκε με βάση βιβλιογραφικά δεδομένα. Η αύξηση της ενζυμικής δραστικότητας σε δεκαπλάσια επίπεδα από αυτά που χρησιμοποιήθηκαν στα αρχικά πειράματα (2,4 U/mL έναντι 0,24 U/mL), οδήγησε στην παραγωγή προϊόντος. Λόγω αδυναμίας της στήλης να διαχωρίσει σάκχαρα με τον ίδιο βαθμό πολυμερισμού και ίδιο τύπο μονομερών αλλά διαφορετικούς γλυκοζιτικούς δεσμούς, η ποσοτικοποίηση των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε για το σύνολο των δισακχαριτών με μονομερή τη γλυκόζη και τη γαλακτόζη, μέσω της πρότυπης καμπύλης της λακτόζης. Παρόμοια, η ποσοτικοποίηση των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε για το σύνολο των παραγόμενων GOS και εκφράστηκε ως εμβαδόν απόκρισης, καθώς δεν ήταν δυνατή η ταυτοποίησή τους με κάποια από τις διαθέσιμες πρότυπες ουσίες. Από τα αποτελέσματα φάνηκε ότι η θερμοκρασία της αντίδρασης και η ενζυμική δραστικότητα έχουν σημαντική (p<0,001) επίδραση στη μετατροπή της λακτόζης σε GOS, για το μελετώμενο εύρος θερμοκρασιών και ενζυμικών συγκεντρώσεων. Ως βέλτιστες συνθήκες για την ενζυμική αντίδραση επιλέχτηκε ο συνδυασμός θερμοκρασίας 40°C και ενζυμικής δραστικότητας 9,6 U/mL αντίδρασης. Τόσο η μετατροπή των δισακχαριτών όσο και η παραγωγή των συνολικών GOS ως συνάρτηση του χρόνου της αντίδρασης εκφράστηκαν μαθηματικά μέσω των εξισώσεων C/C_o =1+a∙(1-e^(-b∙t)) και Συνολικοί GOS=a∙(1-e^(-b∙t)) αντίστοιχα. Το μαθηματικό μοντέλο της παραγωγής των GOS είναι αυτό που ακολουθείται σε αντιδράσεις πρώτης τάξης. Η παράμετρος b της εξίσωσης που περιγράφει την μετατροπή των δισακχαριτών φάνηκε να εξαρτάται σημαντικά τόσο από τη θερμοκρασία όσο και από τη χρησιμοποιούμενη ενζυμική δραστικότητα. Αντίθετα, η παράμετρος b της εξίσωσης που περιγράφει την παραγωγή των GOS φάνηκε να επηρεάζεται μόνο από τη θερμοκρασία και όχι από τη δραστικότητα του ενζύμου, υποδηλώνοντας ότι πρόκειται για τη σταθερά του ρυθμού παραγωγής τους. Η εξάρτηση της σταθεράς αυτής από τη θερμοκρασία ακολούθησε κινητική Arrhenius, και υπολογίστηκε η ενέργεια ενεργοποίησης της ενζυμικής αντίδρασης ίση προς 95,2±12,3 kJ·mol-1. Συμπερασματικά, η αξιοποίηση των αποβλήτων της βιομηχανίας γιαουρτιού για την παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας φάνηκε να είναι εφικτή μέσω της ενζυμικής υδρόλυσης της λακτόζης του ορού και της ταυτόχρονης σύνθεσης GOS με το ένζυμο της β-γαλακτοζιδάσης. Οι μελέτες αυτές φαίνεται να βρίσκονται ακόμα σε αρκετά πρώιμο στάδιο και είναι απαραίτητη η περαιτέρω διερεύνησή τους, ωστόσο μπορούν να οδηγήσουν στην αντιμετώπιση των περιβαλλοντικών προβλημάτων που δημιουργούνται από την απόρριψη του όξινου ορού όσο και στην αύξηση του κέρδους της βιομηχανίας γιαουρτιού, αφού οι παραγόμενοι GOS μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε ως προβιοτικές ουσίες από την ίδια τη βιομηχανία ή να διοχετευθούν στην αγορά προς όφελός της.	el
heal.advisorName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Τσιβιλής, Σωτήριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	136 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true