Αξιοποίηση παραπροϊόντων εκχύλισης καφέ για την ανάκτηση συστατικών υψηλής διατροφικής αξίας και βιοδραστικότητας

Παπαγεωργίου, Χρήστος; Papageorgiou, Christos

dc.contributor.author	Παπαγεωργίου, Χρήστος	el
dc.contributor.author	Papageorgiou, Christos	en
dc.date.accessioned	2019-07-01T08:45:48Z
dc.date.available	2019-07-01T08:45:48Z
dc.date.issued	2019-07-01
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48938
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16484
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	Χημεία τροφίμων	el
dc.subject	Καφές	el
dc.subject	Βιοδραστικά συστατικά	el
dc.subject	Food chemistry	en
dc.subject	Coffee	el
dc.title	Αξιοποίηση παραπροϊόντων εκχύλισης καφέ για την ανάκτηση συστατικών υψηλής διατροφικής αξίας και βιοδραστικότητας	el
dc.title	Valorization of coffee brew by-products via recovery of high nutritional value bioactive ingredients	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Τεχνολογία τροφίμων	el
heal.classification	Χημεία τροφίμων	el
heal.classification	Food technology	en
heal.classification	Food chemistry	en
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-02-22
heal.abstract	Ο καφές είναι ένα από τα δημοφιλέστερα ροφήματα που καταναλώνονται ημερησίως ανά τον κόσμο. Το παραπροϊόν εκχύλισης καφέ (Spent Coffee Ground, SCG) είναι το κύριο παραπροϊόν (45%) που προέρχεται τόσο από το στάδιο της προετοιμασίας του ροφήματος καφέ όσο και από την βιομηχανική παραγωγή στιγμιαίου καφέ. Χαρακτηρίζεται από μεγάλη περιεκτικότητα σε οργανικές ενώσεις, όπως πολυφαινόλες και διαιτητικές ίνες, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάκτηση των φαινολικών συστατικών και των διαιτητικών ινών του SCG και η ενσωμάτωση τους σε μπισκότα. Ως πρώτη ύλη χρησιμοποιήθηκε SCG το οποίο προέρχεται από καφέ τύπου espresso ποικιλίας Coffea Arabica που καλλιεργήθηκε στη Γουατεμάλα. Στο πρώτο μέρος της διπλωματικής εργασίας, το SCG πέρασε από το στάδιο της λυοφιλίωσης και εκχυλίστηκε διαδοχικά με διαλύτες φθίνουσας πολικότητας (Νερό, Μεθανόλη:Νερό - 1:1, Ακετόνη:Νερό – 1:1, Ακετόνη) με σκοπό τον προσδιορισμό των ολικών φαινολικών συστατικών (21566±627 ppm επί ξηρού SCG). Έγινε ανάλυση των εκχυλισμάτων με την μέθοδο υγρής χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης (HPLC) και προσδιορίστηκε η συγκέντρωση των χλωρογενικών οξέων στο παραπροϊόν (3476±202 ppm). Στη συνέχεια προσδιορίστηκαν οι διαλυτές και αδιάλυτες διαιτητικές ίνες που περιέχει το SCG. Οι ολικές διαιτητικές ίνες στο παραπροϊόν της εκχύλισης καφέ ανέρχονται στο 66.69±4.54 % w/w επί ξηρού SCG. Επίσης, αναλύθηκε ποιοτικά και ημιποσοτικά η σύσταση της υπολειμματικής τέφρας του SCG, που προέκυψε από την μέθοδο προσδιορισμού των διαιτητικών ινών, (1.67±0.45 % w/w) με την χρήση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM). Προέκυψε πως το παραπροϊόν αποτελείται κατά φθίνουσα σειρά από τα εξής στοιχεία: Ο, Na, P, Ca, Mg, K, Cu και Fe σε ποσοστά 35.3%, 23.13%, 12.8%, 6.3%, 3.72%, 1.54%, 1.13% και 0.76%. Τέλος, ακολούθησαν διαδοχικές ακετονικές εκχυλίσεις του παραπροϊόντος με σκοπό τον προσδιορισμό του λιπιδικού κλάσματος (12.20±0.46 % w/w επί ξηρού SCG) και κατ’ επέκταση την παρασκευή απελαιωμένου παραπροϊόντος εκχύλισης καφέ, το οποίο είναι πλούσιο σε βιοδραστικά συστατικά. Στο δεύτερο μέρος της διπλωματικής εργασίας χρησιμοποιήθηκε η απελαιωμένη σκόνη καφέ ως συστατικό στη παρασκευή μπισκότων (αλεύρι, baking powder, αλάτι, ζάχαρη, βούτυρο, αυγό, SCG). Παρασκευάστηκαν μπισκότα με 0% (Control), 4% και 7% SCG / g μπισκότου. Στα μπισκότα με SCG έγινε υποκατάσταση αλεύρου κατά 7% και 13% αντίστοιχα. Συσκευάστηκαν σε περιέκτες πολυαιθυλενίου-πολυπροπυλενίου (PE-PP) και αποθηκεύτηκαν σε σκοτεινούς θαλάμους σταθερής θερμοκρασίας 25°C, 35°C και 45°C. Μελετήθηκαν τα ποιοτικά χαρακτηριστικά (αριθμός υπεροξειδίων, ολικό φαινολικό φορτίο, υφή, χρώμα) και οργανοληπτικά χαρακτηριστικά (εμφάνιση, χρώμα, οσμή, υφή, γεύση, μετάγευση, γεύση καφέ και γενική εντύπωση) των μπισκότων λαμβάνοντας υπόψη το χρόνο και τη θερμοκρασία αποθήκευσης. Εξετάστηκε η επίδραση της προσθήκης του SCG στα ποιοτικά και οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των μπισκότων που παράχθηκαν. Ο αριθμός υπεροξειδίων (Peroxide Value, PV) των μπισκότων αρχικά μειώθηκε σημαντικά και παρέμεινε σταθερός για τα περισσότερα μπισκότα σε όλες τις θερμοκρασίες αποθήκευσης. Διαφοροποίηση από το σύνολο των δειγμάτων και αύξηση του PV έδειξαν τα μπισκότα με συγκέντρωση 7% SCG σε θερμοκρασία αποθήκευσης 35°C και 45°C και τα μπισκότα με συγκέντρωση 4% SCG σε θερμοκρασία 45°C. Ως αποδεκτή τιμή του αριθμού υπεροξειδίων ενός τρόφιμου, που αντιστοιχεί σε αποδεκτό οξειδωτικό ταγγισμό, είναι 20 meq O2/kg oil. Μετρήθηκε πως τα μπισκότα με συγκέντρωση 7% & 4% SCG σε θερμοκρασία 45°C, για χρόνο αποθήκευσης 143 ημέρες έχουν τιμή PV 182.4 και 35 meq O2/kg oil αντίστοιχα, υπερβαίνοντας την τιμή αυτή. Το ολικό φαινολικό φορτίο των μπισκότων με 4% και 7% SCG (588±24 ppm και 1017±5 ppm επί μπισκότου) παρατηρήθηκε πως σε μικρούς χρόνους αποθήκευσης μειώνεται και μετά παραμένει σταθερό. Μελετήθηκε η επίδραση του χρόνου αποθήκευσης στα χαρακτηριστικά υφής των προϊόντων. Ιδιαίτερα αναγνωρίστηκε ότι η σκληρότητα των δειγμάτων ήταν η πιο σημαντική παράμετρος υφής. Παρατηρήθηκε πως τόσο η αύξηση του χρόνου αποθήκευσης όσο και η αύξηση της συγκέντρωσης του SCG οδηγούν σε μεγαλύτερες τιμές σκληρότητας. Τα αποτελέσματα για όλα τα μπισκότα (Control, 4%, 7% SCG) και σε όλες τις θερμοκρασίες (25°C, 35°C και 45°C) έδειξαν ότι η σκληρότητα αυξάνει εκθετικά μέχρι ενός ασυμτωτικού άνω ορίου με το χρόνο αποθήκευσης (R2= 0.89 -0.99). Το χρώμα των μπισκότων μελετήθηκε με χρωματόμετρο χρησιμοποιώντας το σύστημα CIELAB. Παρατηρήθηκε πως η συνολική μεταβολή του χρώματος (δείκτης ΔΕ) ακολουθεί σιγμοειδή καμπύλη με το χρόνο αποθήκευσης για τα μπισκότα με συγκέντρωση 4% και 7% SCG. Το control μπισκότο δεν παρουσίασε σημαντική μεταβολή του χρώματος για καμία θερμοκρασία καθ’ όλη τη διάρκεια του χρόνου αποθήκευσης (143 ημέρες). Κατά τον οργανοληπτικό έλεγχο τα μπισκότα βαθμολογήθηκαν ως προς την γενική εντύπωση και χαρακτηρίστηκαν αποδεκτά. Βρέθηκε ότι ο ρυθμός υποβάθμισης της ποιότητας του μπισκότου με βάση τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά του προϊόντος (βαθμολογία για τη γενική εντύπωση, σε κλίμακα 1-9) ακολουθεί γραμμική εξίσωση. Θεωρώντας ότι όριο λήξης της διατηρησιμότητας είναι η βαθμολογία 5 υπολογίστηκε ο χρόνος ζωής. Παρατηρήθηκε πως τα μπισκότα Control, 4% SCG και 7% SCG σε θερμοκρασία 25οC έχουν χρόνο ζωής 359, 541 και 409 ημέρες αντίστοιχα. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στη γενική εντύπωση των μπισκότων με την χρήση της εξίσωσης του Arrhenius. Η ενέργεια ενεργοποίησης, Εα, για τα μπισκότα 4% και 7% υπολογίστηκε 19.67 και 43.79 kJ αντίστοιχα. Συνοψίζοντας, για το σχεδιασμό ενός καινοτόμου προϊόντος όπως μπισκότο εμπλουτισμένο με SCG πρέπει να ληφθούν υπόψη όλες οι παράμετροι που μελετήθηκαν κατά την διάρκεια της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Η αύξηση του ποσοστού SCG στο τρόφιμο αυξάνει το ποσοστό διαιτητικών ινών και βελτιώνει το διατροφικό περιεχόμενο του. Πρέπει όμως να ληφθεί υπ’ ‘οψη ότι οι υψηλές συγκεντρώσεις SCG μπορούν να οδηγήσουν σε υψηλότερους ρυθμούς αύξησης των υπεροξειδίων. Σημαντικός παράγοντας είναι η οργανοληπτική αποδοχή του τελικού προϊόντος. Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω, το προϊόν μπισκότου με συγκέντρωση 7% SCG θεωρείται ως βέλτιστο αφού παρουσιάζει υψηλή περιεκτικότητα σε διαιτητικές ίνες και σύμφωνα με τον κανονισμό των διατροφικών ισχυρισμών της Ευρωπαϊκής Ένωσης χαρακτηρίζεται ως «πηγή διαιτητικών ινών». Επίσης έχει αποδεκτά οργανοληπτικά χαρακτηριστικά. Ωστόσο, θα ήταν σκόπιμη η μελέτη του αριθμού υπεροξειδίων, και των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών για χρόνους αποθήκευσης μεγαλύτερους των 143 ημερών σε τυπικές θερμοκρασίες αποθήκευσης για την επιβεβαίωση του εκτιμηθέντος χρόνου ζωής του προϊόντος.	el
heal.abstract	Coffee is one of the world’s most popular beverages daily consumed. Spent Coffee Ground (SCG) is the main byproduct (45%) of coffee beverage preparation and instant coffee manufacturing. It contains large amount of organic compounds, polyphenols and fibers that can be exploited as a source of value-added products. The aim of the present diploma thesis was the recovery of polyphenols and fibers, from SCG, and their incorporation in cookies. Freeze-dried SGC (Coffea Arabica, Guatemala) was successively extracted with solvents of decreasing polarity (Water, Methanol: Water - 1: 1, Acetone: Water - 1: 1, Acetone). The total phenolic components were determined as 21566±627 ppm on dry SCG (Follin-Ciocalteu Method). The concentration of chlorogenic acids were determined as 3476±202 ppm (HPLC method). Total dietary fibers were also determined to 66.69±4.54% w / w on dry SCG (Megazyme Total Dietary Fiber Assay Procedure, K-TDFR-100A / K-TDFR-200A 04/17). The SCG residual ash, which resulted from the total dietary fiber determination, (1.67±0.45% w / w) was characterized (qualitative and semi quantitative analysis) by Scanning Electron Microscope (SEM). It was shown that the by-product contains the following elements: O, Na, P, Ca, Mg, K, Cu and Fe at 35.3%, 23.13%, 12.8%, 6.3%, 3.72%, 1.54%, 1.13% and 0.76%. Finally, successive acetone extracts of the by-product were carried out in order to determine the lipid fraction (12.20±0.46% w / w on dry SCG). The remaining solvent was removed from the solid residue by vacuum evaporation and further nitrogen purge, yielding a defatted, almost odorless powder with high concentration in polyphenols and fibers. Then, this powder was incorporated into a biscuit formula: 0% (Control), 4% and 7% SCG / g biscuit (Flour, Baking Powder, Salt, Sugar, Butter, Egg, SCG). The biscuits were packaged in polyethylene / polypropylene (PE-PP) containers and stored in dark at constant temperatures of 25 °C, 35 °C and 45 °C. The quality characteristics (peroxide value, total phenolic content, texture, color) and sensory characteristics (appearance, color, odor, texture, taste, aftertaste, coffee flavor and general impression) of biscuits were evaluated during. The effect of storage time and temperature on quality and sensory characteristics was studied. The effect of adding SCG was also examined. The Peroxide Value (PV) of biscuits initially decreased significantly and remained constant for most biscuits at all storage temperatures. Biscuits with 7% SCG at storage temperature of 35 °C and 45 °C and biscuits with 4% SCG at 45 °C showed significant PV increase. An acceptable value for the number of peroxides in a food is 20 meq O2 / kg oil. It was observed that biscuits with 7% and 4% SCG at 45 °C for 143 days had PV value 182.4 and 35 meq O2 / kg oil, respectively. They are therefore not suitable for consumption. The total phenolic content of biscuits with 4% and 7% SCG (588±24 ppm and 1017±5 ppm per biscuit) decreased as the storage time increased The effect of storage time on the texture characteristics of the produced biscuits was studied. The hardness of the samples, which is the maximum forced that was exerted to the biscuit, was the most important texture parameter. Both increase in storage time and increase in the concentration of SCG led to higher hardness values. The results for all biscuits (Control, 4%, 7% SCG) and at all temperatures (25 °C, 35 °C and 45 °C) showed that the hardness increases exponentially (with an upper limit) as the storage time increases (R2 = 0.89 -0.99). The color of the biscuits was studied with a colorimeter using the CIELAB system. It was observed that the total color change (index ΔE) followed a sigmoidal curve with the storage time for biscuits with a concentration of 4% and 7% SCG. The control biscuit did not change for all studied temperature throughout the storage time (143 days). During sensory analysis, the biscuits were scored for the individual sensory characteristics (such as texture, color) and the overall quality (general impression). All samples were accepted from all testers. It was found that the quality deterioration rate of the biscuit based on the sensory characteristics (score for the general impression, on scale 1-9) follows a linear equation. Considering that the acceptance limit is 5, the shelf life was calculated. It was observed that cookies with 0%, 4% SCG and 7% SCG at 25 ° C had a shelf life of 359, 541 and 409 days, respectively. It was also studied the effect of temperature on the overall impression of biscuits using the Arrhenius equation. The activation energy, Ea, for biscuits 4% and 7% was calculated 19.67 and 43.79 kJ respectively. To sum up, the design of such an innovative product as a SCG-enriched cookie, demands the study and examination of all the aforementioned parameters. The increase of SCG content in biscuit formula increases the amount of dietary fibers and therefore the nutritional value of the product. However, high SCG concentrations may lead to higher peroxide increase rates. Also, another important factor that has to be taken into account is the sensory acceptance of the final product. Considering all of the above, the biscuit product with a 7% SCG concentration is considered to be optimal since it is high in dietary fiber and is classified as a "source of dietary fiber" according to the European Union Nutrition Regulation. It also has acceptable organoleptic characteristics. However, it would be advisable to study the peroxide value and organoleptic characteristics for storage times greater than 143 days at typical storage temperatures to confirm the estimated shelf life of the product.	en
heal.advisorName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Ωραιοπούλου, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Μπεάζη-Κατσιώτη, Μαργαρίτα	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογίας Τροφίμων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	98 σ.
heal.fullTextAvailability	true