Εφαρμογή της υπερκρίσιμης εκχύλισης για την παραγωγή εκχυλισμάτων από το φυτό Sideritis syriaca

Κάτσης, Νικόλαος; Katsis, Nikolaos

dc.contributor.author	Κάτσης, Νικόλαος	el
dc.contributor.author	Katsis, Nikolaos	en
dc.date.accessioned	2019-07-01T08:03:11Z
dc.date.available	2019-07-01T08:03:11Z
dc.date.issued	2019-07-01
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48934
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16667
dc.rights	Default License
dc.subject	Υπερκρίσιμη εκχύλιση	el
dc.subject	Υδροαπόσταξη	el
dc.subject	Μαθηματική μοντελοποίηση	el
dc.subject	Αντιοξειδωτική δράση	el
dc.subject	Sideritis	en
dc.subject	Syriaca	en
dc.subject	GC-MS	en
dc.subject	Soxhlet	en
dc.subject	Supercritical Extraction	en
dc.title	Εφαρμογή της υπερκρίσιμης εκχύλισης για την παραγωγή εκχυλισμάτων από το φυτό Sideritis syriaca	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Χημική τεχνολογία και μηχανική	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/26ef8a85171bd6096109bf5b78a055756bca69b8
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-10-02
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στην πειραματική μελέτη της Υπερκρίσιμης Εκχύλισης ως μέθοδο παραλαβής εκχυλισμάτων από το φυτό Sideritis syriaca. Σκοπός είναι η διερεύνηση της επίδρασης των κύριων λειτουργικών παραμέτρων στην απόδοση της διεργασίας αλλά και στα ποιοτικά χαρακτηριστικά των εκχυλισμάτων, η σύγκριση της μεθόδου με άλλες συμβατικές τεχνικές και η μαθηματική μοντελοποίησή της. Το φυτό Sideritis syriaca (κοινώς Τσάι του Βουνού) είναι ενδημικό φυτό της Κρήτης και χρησιμοποιείται διαχρονικά για την παρασκευή ενός εύγευστου, αρωματικού και πολύ ευεργετικού αφεψήματος. Από τη σκοπιά της βιομηχανίας, το ενδιαφέρον προσελκύουν τα εκχυλίσματα του φυτού καθώς δρουν ευεργετικά στην ανθρώπινη υγεία λόγω της αντιμικροβιακής, αντιφλεγμονώδους, και αντιοξειδωτικής τους δράσης ενώ συνιστούν σταθερά ένα σύμμαχο στην καταπολέμηση παθήσεων του αναπνευστικού, του πεπτικού και του ουροποιητικού συστήματος. Έτσι, τα εκχυλίσματά του συχνά εμπεριέχονται σε τρόφιμα, φάρμακα και καλλυντικά προσδίδοντας σε αυτά ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Μέχρι τώρα τα αιθέρια έλαια και τα εκχυλίσματα του είδους παραλαμβάνονταν με συμβατικές μεθόδους, όπως η υδροαπόσταξη και η υγρή εκχύλιση Soxhlet. Η υπερκρίσιμη εκχύλιση δεν έχει εφαρμοστεί μέχρι σήμερα στο Τσάι του Βουνού της Κρήτης κάτι που γίνεται στην παρούσα εργασία με χρήση υπερκρίσιμου διοξειδίου του άνθρακα. Πρόκειται ουσιαστικά για μία «πράσινη» μέθοδο η οποία αξιοποιεί τις ιδιότητες που αποκτά το διοξείδιο του άνθρακα σε υπερκρίσιμες συνθήκες. Εκτός του ότι τα εκχυλίσματα της μεθόδου είναι απαλλαγμένα από ίχνη διαλυτών, η διεργασία δεν απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες και άρα προστατεύονται τα θερμοευαίσθητα συστατικά του ελαίου Τα εκχυλίσματα της υπερκρίσιμης εκχύλισης, για την πληρέστερη και πιο τεκμηριωμένη παρουσίαση του θέματος, συγκρίθηκαν με εκείνα των δύο συμβατικών τεχνικών εκχύλισης που προαναφέρθηκαν. Στην υδροαπόσταξη διαλύτης ήταν, προφανώς, το νερό ενώ στην υγρή εκχύλιση Soxhlet δοκιμάστηκαν η αιθανόλη και το εξάνιο. Στην υπερκρίσιμη εκχύλιση, οι παράμετροι που εξετάστηκαν ως προς την επίδρασή τους στην απόδοση της διεργασίας ήταν τρεις: η θερμοκρασία, η πίεση και η μαζική ροή του διαλύτη. Ακολουθήθηκε σχεδιασμός πειραμάτων δύο επιπέδων με τρεις παραμέτρους (23) κι ένα κεντρικό σημείο (4 επαναλήψεις). Συγκεκριμένα, οι τιμές της θερμοκρασίας ήταν 40 και 60 oC, της πίεσης 110 και 250 bar και της ροής 1 και 3 kg/h. Επίσης πραγματοποιήθηκε και ένα πείραμα με συνδιαλύτη αιθανόλη με στόχο την εκχύλιση πιο πολικών συστατικών και τη διερεύνηση των δυνατοτήτων της ΥΕ με χρήση συνδιαλύτη. Επιλεγμένα εκχυλίσματα από τα πειράματα υπερκρίσιμης εκχύλισης, το έλαιο από την υδροαπόσταξη και τα εκχυλίσματα της Soxhlet υποβλήθηκαν σε ποιοτικές αναλύσεις. Οι ποιοτικές αναλύσεις περιλάμβαναν την ταυτοποίηση των πτητικών συστατικών τους μέσω αέριας χρωματογραφίας – φασματομετρίας μάζας (GC-MS) και τη διερεύνηση της αντιοξειδωτικής δράσης μέσω του προσδιορισμού των ολικών φαινολικών (μέθοδος Folin-Ciocalteau) και της μεθόδου της ελεύθερης ρίζας DPPH. v Εκτός από την πειραματική μελέτη της υπερκρίσιμης εκχύλισης, η εργασία στόχευε στην μοντελοποίηση της διεργασίας. Ειδικότερα, έγινε προσαρμογή του μοντέλου Sovová στα πειραματικά δεδομένα (καμπύλη εκχύλισης) με επιτυχία και αναγνωρίστηκαν τα στάδια της εκχύλισης με βάση τη θεωρία των κατεστραμμένων και μη κυτταρικών δομών. Τέλος, επιχειρήθηκε η μαθηματική περιγραφή της απόδοσης σαν συνάρτηση των λειτουργικών παραμέτρων που μελετήθηκαν με τη βοήθεια της στατιστικής ανάλυσης διακύμανσης ANOVA και προσδιορίστηκαν εκείνοι οι παράγοντες με την μεγαλύτερη επίδραση στην τελική απόδοση. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι τη σημαντικότερη επίδραση στην απόδοση της υπερκρίσιμης εκχύλισης έχει η πίεση και στη συνέχεια η θερμοκρασία. Αύξηση της πίεσης οδηγεί σε αύξηση της απόδοσης ενώ το ίδιο συμβαίνει και με αύξηση της θερμοκρασίας. Η μέγιστη απόδοση παρατηρήθηκε στις υψηλές συνθήκες όλων των παραμέτρων ενώ αντίθετα η ελάχιστη απόδοση παρατηρήθηκε στις χαμηλές συνθήκες. Επιπλέον, αύξηση στην απόδοση επέφερε η προσθήκη συνδιαλύτη στην τροφοδοσία της υπερκρίσιμης εκχύλισης, γεγονός που οφείλεται στην πολικότητα του συνδιαλύτη και τη δυνατότητά του να εκχυλίσει διαφορετικές ουσίες από το διοξείδιο του άνθρακα. Από τις μεθόδους εκχύλισης που εξετάστηκαν, τη μεγαλύτερη απόδοση είχε η υγρή εκχύλιση Soxhlet με διαλύτη την αιθανόλη ενώ πολύ κοντά ήταν και η απόδοση της υπερκρίσιμης εκχύλισης με συνδιαλύτη αιθανόλη σε μέσες συνθήκες. Ακολουθεί το πείραμα υπερκρίσιμης εκχύλισης σε υψηλές συνθήκες που εμφάνισε απόδοση συγκρίσιμη με εκείνες των παραπάνω πειραμάτων. Χαμηλότερες αποδόσεις προέκυψαν στις χαμηλές συνθήκες και στην υγρή εκχύλιση με το εξάνιο ενώ συνολικά την μικρότερη απόδοση είχε η υδροαπόσταξη, γεγονός αναμενόμενο καθώς παραλαμβάνεται μόνο το αιθέριο έλαιο του φυτού. Όσον αφορά στην αντιοξειδωτική δράση, το πιο δραστικό εκχύλισμα ήταν αυτό από την υπερκρίσιμη εκχύλιση με συνδιαλύτη την αιθανόλη ενώ ως προς τα φαινολικά συστατικά, αυτά είχαν μέγιστη τιμή στο δείγμα της Soxhlet με αιθανόλη. Γενικά η χρήση ενός πολικού διαλύτη είχε ως αποτέλεσμα την ενίσχυση της αντιοξειδωτικής δράσης των εκχυλισμάτων, λόγω και του γεγονότος ότι τα πιο πολικά φαινολικά συστατικά συμβάλλουν σημαντικά στην αντιοξειδωτική δράση. Τα συστατικά του αιθέριου ελαίου που ήταν σε αφθονία διέφεραν από μέθοδο σε μέθοδο. Έτσι, κύρια συστατικά του ελαίου της υδροαπόσταξης ήταν τα Benzeneacetaldehyde και α-terpinolene ενώ στην περίπτωση της υπερκρίσιμης εκχύλισης ήταν τα Oleyl Alcohol, Hexadecanoic Acid, Linolenic Acid. Δεν εντοπίστηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των εκχυλισμάτων υπερκρίσιμης εκχύλισης σε διαφορετικές συνθήκες. Συνολικά, η μελέτη της εφαρμογή της υπερκρίσιμης εκχύλισης για την παραλαβή εκχυλισμάτων από το φυτό Sideritis syriaca έδειξε ότι η μέθοδος αυτή μπορεί αποτελέσει μια καλή εναλλακτική στις υπάρχουσες συμβατικές μεθόδους και να προσδώσει στα εκχυλίσματα ποιοτικά πλεονεκτήματα όπως καλύτερο και πιο φυσικό άρωμα, μικρότερη θερμική καταπόνηση και απουσία υπολειμμάτων διαλύτη.	el
heal.abstract	This Diploma Thesis focuses on the experimental study of Supercritical Fluid Extraction (SFE) of oil from Sideritis syriaca plant. The purpose is to investigate the effect of the main operating parameters on the extraction yield and also on the quality characteristics of the extracts, the comparison of this method with other conventional techniques and its mathematical modelling. Sideritis syriaca (well known as Mountain Tea) is a native species of Crete and it is used over time to prepare a delicious, aromatic and very beneficial decoction. From the industry point of view, the plant extracts are the ones that attract the interest as they have a positive effect on human health due to their antimicrobial, anti-inflammatory, and antioxidant activity, and they are constantly an ally to the fight against respiratory, digestive and urinary diseases. Thus, extracts are often included in food, medicine and cosmetics, giving them special characteristics. Until now, the essential oils and extracts of Sideritis syriaca have been obtained by conventional methods such as hydrodistillation and liquid extraction (Soxhlet). Supercritical Fluid Extraction had not previously been applied to the Mountain Tea of Crete, which is done in the present work with supercritical carbon dioxide. It is a method that takes advantage of carbon dioxide properties when it is in supercritical conditions. Apart from the fact that the extracts are solvent-free, the process does not require high temperatures and as a result, the thermolabile components are protected. In addition, for more complete and substantiated approach and for comparison purposes as well, both of the aforementioned conventional techniques have been examined. In liquid extraction, the use of a polar (ethanol) and a non polar (hexane) solvent has been studied. In Supercritical Fluid Extraction, three parameters were tested for their effect on extraction yield: temperature, pressure and mass flow of the solvent. Thus, a two-level factorial experimental design with three parameters (23) and one central point (4 iterations) was selected. More specifically, temperature values were 40 and 60 oC, pressure values were 110 and 250 bar and mass flow values were 1 and 3 kg/h. Also, a SFE experiment with ethanol as a co-solvent was conducted in order to extract more polar components and explore the potential of SFE with co-solvent. Selected extracts from the SFE experiments, the oil from the hydrodistillation and the Soxhlet extracts were subjected to qualitative analyses. Qualitative analyses included the identification of volatile components by Gas Chromatography – Mass Spectrometry (GC – MS), and investigation of antioxidant activity through the determination of total phenolic content (Folin-Ciocalteau method) and the free radical DPPH method. In addition to the experimental study of SFE, this work was aimed to process modelling. In particular, Sovová’s model was fitted successfully to the experimental data and the extraction stages were identified based on broken and intact cell theory. Finally, the mathematical description of the yield as a function of the operating parameters was attempted using ANOVA statistical analysis and the factors with the greatest impact on the final response were determined. viii The results of the study showed that pressure has the greatest effect on the yield of SFE, followed by temperature. Increasing the pressure leads to an increase in yield and this happens as well with an increase in temperature. Maximum yield was observed in the high levels of all parameters contrary to minimum yield which was observed in the low conditions. Moreover, an increase in yield was achieved by adding co-solvent to SFE feed, due to the polarity of the co-solvent and its capability of extracting different components compared to carbon dioxide. Among the extraction methods applied, the highest yield was achieved by liquid Soxhlet extraction with ethanol while the yield of SFE with ethanol as a co-solvent in intermediate conditions was very close. SFE experiment in high conditions follows as it exhibited a yield comparable to those of the above experiments. Lower yields performed in lower conditions and also in liquid extraction with hexane while overall the lowest yield came from Hydrodistillation which was expected as only the essential oil of the plant is obtained. Regarding the antioxidant activity, the most active extract was the one from SFE with ethanol as a co-solvent, while total phenolic content acquired a maximum value for the ethanol extract of Soxhlet. In general, the addition of co-solvent resulted in the enhancement of the antioxidant activity of the extracts due to the fact that the antioxidant activity is mainly attributed to more polar phenolic compounds. The essential oil components that were in abundance differed from method to method. Thus, the main components detected in Hydrodistillation extract were benzeneacetaldehyde and α-terpinolene, while in the case of supercritical extraction were Oleyl Alcohol, Hexadecanoic Acid and Linolenic Acid. No significant differences were found between supercritical extraction extracts under different conditions. Overall, the study of the application of supercritical extraction to Sideritis syriaca plant has shown that this method can be a good alternative to existing conventional methods leading to extracts qualitatively superior (better and more natural aroma) due to less thermal stress and absence of solvent residues.	en
heal.advisorName	Μαγουλάς, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Δημοτίκαλη, Δήμητρα	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	97 σ.
heal.fullTextAvailability	true