Ανάπτυξη καινοτόμων προϊόντων κοσμετολογίας με χρήση βιοδραστικών συστατικών προερχόμενων από το απορριπτόμενο προϊόν αλιείας Lagocephalus sceleratus

Μέταϊ, Σίλβα; Metai, Silva

dc.contributor.author	Μέταϊ, Σίλβα	el
dc.contributor.author	Metai, Silva	en
dc.date.accessioned	2020-05-12T19:00:34Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/50508
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.18206
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	Λιπαρά οξέα	el
dc.subject	Lagocephalus sceleratus	en
dc.subject	Fatty acids	en
dc.subject	Collagen	en
dc.subject	Tetradotoxin	en
dc.subject	Electrospinning	en
dc.subject	Κολλαγόνο	el
dc.subject	Τετραδοτοξίνη	el
dc.subject	Ηλεκτροστατική ινοποίηση	el
dc.title	Ανάπτυξη καινοτόμων προϊόντων κοσμετολογίας με χρήση βιοδραστικών συστατικών προερχόμενων από το απορριπτόμενο προϊόν αλιείας Lagocephalus sceleratus	el
dc.title	Development of innovative cosmetology products by using bioactive compounds derived by discarded fish Lagocephalus sceleratus	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Κοσμετολογία	el
heal.classification	Μηχανική διεργασιών	el
heal.classification	Cosmetology	en
heal.classification	Unit operations	en
heal.dateAvailable	2021-05-11T21:00:00Z
heal.language	el
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-09-30
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η αξιοποίηση του απορριπτόμενου αλιεύματος Lagocephalus sceleratus (Λαγοκέφαλος) για την ανάπτυξη καινοτόμων προϊόντων κοσμετολογίας. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε απομόνωση των ωμέγα-3 λιπαρών οξέων, του κολλαγόνου και της τετραδοτοξίνης από τη σάρκα, το δέρμα , τα κόκκαλα και τα εσωτερικά όργανα του ψαριού και στη συνέχεια η ενσωμάτωση των βιοδραστικών συστατικών σε καλλυντικές κρέμες. Ο Λαγοκέφαλος αν και είναι ένα συχνά απαντώμενο είδος ψαριού στον Ινδικό και στον Ειρηνικό ωκεανό, στη Μεσόγειο έκανε την εμφάνιση του τα τελευταία χρόνια, λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας των υδάτων, έχοντας τόσο κοινωνικοοικονομικές επιπτώσεις όσο και επιπτώσεις στο θαλάσσιο οικοσύστημα. Το πρόβλημα έγκειται στο γεγονός ότι το είδος αυτό του ψαριού φέρει μια θανατηφόρα τοξίνη, την τετραδοτοξίνη, η οποία το καθιστά απαγορευμένο είδος κατανάλωσης υψηλού κινδύνου. Η ραγδαία αύξηση του πληθυσμού του ψαριού στα παράκτια ύδατα, σε συνδυασμό με την μη ύπαρξη θηρευτών, έχει οδηγήσει στη μείωση των κεφαλόποδων με τα οποία κυρίως θρέφεται το ψάρι αυτό, αλλά και στην μείωση άλλων εμπορικά αξιοποιήσιμων ψαριών τα οποία θρέφονται με την ίδια τροφή, επηρεάζοντας το αλίευμα και το εισόδημα των ψαράδων. Επιπλέον, ο λαγοκέφαλος διαθέτει δύο ισχυρά δόντια σε κάθε γνάθο, με τα οποία συχνά επιτίθεται στα δίχτυα των ψαράδων. Μέχρι στιγμής η κύρια μέθοδος για την αντιμετώπιση του λαγοκέφαλου είναι η μίσθωση ψαράδων για τη συλλογή του ψαριού και η μετέπειτα απόρριψη του ως απόβλητο, ωστόσο η μέθοδος αυτή δεν φαίνεται να είναι αποτελεσματική και επιπλέον δεν συνάδει με τις αρχές της κυκλικής βιοοικονομίας. Μια ενδεχόμενη λύση στο πρόβλημα αυτό θα μπορούσε να αποτελέσει η αξιοποίηση του ψαριού αυτού για την παραγωγή προϊόντων κοσμετολογίας, αξιοποιώντας τόσο τα πολύτιμα βιοδραστικά συστατικά που περιέχει όσο και την τετραδοτοξίνη. Η τετραδοτοξίνη (ΤΤΧ) δρα αναστέλλοντας το μηχανισμό μεταφοράς ιόντων νατρίου, στην αντλία νατρίου-καλίου στα νευρικά και μυϊκά κύτταρα. Μέχρι στιγμής η τοξίνη αυτή έχει βρει εφαρμογή σαν φάρμακο σε ασθενείς που πάσχουν από ημικρανίες, σε ασθενείς εθισμένους σε ηρωίνη και σε ασθενείς που πάσχουν από καρκίνο. Στο χώρο της κοσμετολογίας μια πιθανή χρήση της ΤΤΧ θα μπορούσε να είναι η ανάπτυξη ενέσιμων προϊόντων όπως είναι το Botox, για την αντιμετώπιση της χαλάρωσης του δέρματος. Τα ψάρια αποτελούν πηγή πολυακόρεστων λιπαρών οξέων (PUFAs), δηλαδή, λιπαρών οξέων που έχουν δύο οι περισσότερους διπλούς δεσμούς, που καλούνται ως ω-3 και ω-6 λιπαρά οξέα. Τα ιχθυέλαια που είναι πλούσια σε PUFAs φαίνεται να έχουν σημαντικά οφέλη για την υγεία, με κυρίαρχα τα DHA και EPA. Ιδιαίτερα τα ω-3 λιπαρά οξέα έχουν ευεργετικές ιδιότητες για την επιδερμίδα, προστατεύοντας την από τη φωτογήρανση, τη δερματική καρκινογένεση, τη δερματίτιδα και επίσης δρουν θετικά στην επούλωση πληγών του δέρματος. Το κολλαγόνο είναι η κύρια πρωτεΐνη του συνδετικού ιστού στα ζώα και η πλέον άφθονη πρωτεΐνη στα θηλαστικά. Αν και κύρια πηγή κολλαγόνου αποτελούσαν συνήθως δέρματα βοοειδών και χοίρων, τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον στρέφεται στα θαλάσσια είδη, λόγω της εμφάνισης ορισμένων μεταδοτικών ασθενειών και θρησκευτικών ζητημάτων. Το κολλαγόνο έχει την ικανότητα να επιβραδύνει τη δημιουργία των ελεύθερων ριζών προστατεύοντας από τη γήρανση του δέρματος, καθώς και να ενισχύει την επιδιόρθωση και την αναγέννηση του δέρματος. Προκειμένου, να καλυφθεί η δυσάρεστη οσμή των χρησιμοποιούμενων από ψάρια λιπαρών οξέων και του κολλαγόνου, καθώς και για να προστατευθούν από τις περιβαλλοντικές συνθήκες, κρίνεται σκόπιμος ο εγκλεισμός των ουσιών αυτών σε πολυμερικές μήτρες. Αυτό επιτυγχάνεται με τη τεχνική της ηλεκτροστατικής ινοποίησης (electrospinning). Η μέθοδος αυτή στηρίζεται στην επίδραση ηλεκτρικού πεδίου υψηλής τάσης, η οποία δημιουργεί ένα ηλεκτρικά φορτισμένο πίδακα (jet) από πολυμερές διάλυμα, σχηματίζοντας τον κώνο Taylor στον πίδακα, με αποτέλεσμα την ξήρανση του διαλύτη και την παραγωγή ινών. Στη συγκεκριμένη εργασία πραγματοποιήθηκε αρχικά, παραλαβή της ΤΤΧ τόσο από τη σάρκα του L.sceleratus όσο και από τα εσωτερικά του όργανα με σκοπό αρχικά την διερεύνηση της περιεκτικότητας του εν λόγω ψαριού σε αυτήν καθώς και την αποτοξίνωσή του για την μετέπειτα αξιοποίησή του και την παραλαβή των βιοδραστικών συστατικών (ΒΣ) του. Η παραλαβή της τοξίνης πραγματοποιήθηκε με χρήση δύο διαλυτών, (α) υδατικού διαλύματος οξικού οξέος 0.1% και (β) διαλύματος οξικού οξέος 1% σε μεθανόλη. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι αποτελεσματικότερος διαλύτης για την απομόνωση της ΤΤΧ είναι το διάλυμα οξικού οξέος 1% σε μεθανόλη, ενώ μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε ΤΤΧ βρέθηκε, και με τους δύο διαλύτες, στα εσωτερικά όργανα του λαγοκέφαλου, 14.1 μg TTX/g ιστού (εκχύλιση με τον αποτελεσματικότερο διαλύτη) έναντι της σάρκας 1.77μg TTX/g ιστού (εκχύλιση με τον αποτελεσματικότερο διαλύτη). Έπειτα πραγματοποιήθηκε παραλαβή των ω-3 λιπαρών οξέων από τον L. Sceleratus, τόσο από τη σάρκα όσο και από το δέρμα με χρήση διαλυτών χλωροφορμίου-μεθανόλης μέσω της μεθόδου Bligh and dyer αλλά και μέσω των εναλλακτικών διαλυτών εξανίου- ισοπροπανόλης. Οι εναλλακτικοί διαλύτες χρησιμοποιήθηκαν και για την εκχύλιση λιπαρών οξέων από το σολομό προκειμένου να είναι εφικτή η σύγκριση της παραγόμενης ποσότητας ω-3 λιπαρών οξέων του λαγοκέφαλου με ένα γνωστό λιπαρό ψάρι. Τα αποτελέσματα της εκχύλισης έδειξαν ότι αποτελεσματικότερος διαλύτης εκχύλισης για τον L. Sceleratus είναι το μίγμα χλωροφορμίου-μεθανόλης, καθώς έγινε εφικτή η παραλαβή ποσότητας 7.6 mg ελαίου/g ιστού, έναντι 6.2 mg ελαίου/g ιστού με τους εναλλακτικούς διαλύτες. Επιπλέον, αν και από το σολομό εκχυλίστηκε μεγαλύτερη ποσότητα ελαίου ο λαγοκέφαλος εμφάνιζε μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε DHA 39.92% έναντι 17.22% του σολομού, που είναι το κύριο χρησιμοποιούμενο λιπαρό οξύ στην κοσμετολογία. Έγινε επίσης σύγκριση της ποσότητας λιπαρών οξέων του λαγοκέφαλου στη σάρκα και στο δέρμα, και βρέθηκε ότι από το δέρμα απομονώνεται μεγαλύτερη ποσότητα ιχθυελαίου. Το κολλαγόνο παραλήφθηκε, τόσο από το δέρμα και τα κόκαλα του λαγοκέφαλου, όσο και του σολομού, με τη χρήση δύο μεθόδων Acid Soluble Collagen (ASC) και Pepsin Soluble Collagen (PSC). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η μέθοδος PSC είναι πιο αποτελεσματική για την εκχύλιση του κολλαγόνου συγκριτικά με τη μέθοδο ASC, καθώς απομονώθηκε 45% μεγαλύτερη ποσότητα κολλαγόνου σε σχέση με τη μέθοδο ASC. Ενώ επιπλέον, ο λαγοκέφαλος εμφανίζεται να έχει μεγαλύτερη ποσότητα κολλαγόνου συγκριτικά με το σολομό. Τέλος, μεγαλύτερη ποσότητα κολλαγόνου εμφανίζεται να έχει το δέρμα (83.37mg κολλαγόνου/g ιστού) του L.sceleratus σε σχέση με τα κόκαλα (57.48 mg κολλαγόνου/g ιστού). Την παραλαβή των ΒΣ ακολούθησε η ενθυλάκωση κολλαγόνου και ωμέγα-3 λιπαρών οξέων ψαριών σε μήτρα κυκλοδεξτρίνης, με τη τεχνική της ηλεκτροστατικής ινοποίησης (electrospinning). Για το σκοπό αυτό εξετάστηκαν οι συνθήκες λειτουργίας του electrospinning καθώς και της συγκέντρωσης της κάθε βιοδραστικής ουσίας στη κυκλοδεξτρίνη. Οι συνθήκες που τελικά χρησιμοποιήθηκαν ήταν: Ροή= 1000 μL/h, Τάση=27 kV και Απόσταση= 13 cm ενώ η συγκέντρωση του διαλύματος ήταν 7% σε ω-3 λιπαρά οξέα και 3% σε κολλαγόνο. Ύστερα από την συλλογή επαρκούς ποσότητας νανοϊνών προσδιορίστηκε η απόδοση εγκλεισμού σε 91% και 89% για τα λιπαρά οξέα ίση και το κολλαγόνο αντίστοιχα. Επιπρόσθετα, η αξιολόγηση με χρήση SEM και FTIR, επιβεβαίωσαν την επιθυμητή δομή των νανοϊνών καθώς και τον εγκλεισμό των ουσιών. Οι νανοΐνες με το εγκλεισμένο προϊόν ενσωματώθηκαν στην κρέμα βάση σε περιεκτικότητα 1% (σε ΒΣ), και έγινε η σύγκριση του προϊόντος αυτού, τόσο με τη κρέμα βάση όσο και με κρέμα που περιείχε σε περιεκτικότητα 1% τις μη εγκλεισμένα ΒΣ. Στη συνέχεια, τα δείγματα αποθηκεύτηκαν σε διαφορετικές θερμοκρασίες (5οC, 25οC και 45οC) για συνολικό διάστημα 50 ημερών και πραγματοποιούνταν έλεγχοι σε διαφορετικούς χρόνους (t=0, t=30days και t=50days). Τα δείγματα σε όλες τις θερμοκρασίες και τους χρόνους εξέτασης, αναλύθηκαν μικροβιολογικά ως προς το ολικό μικροβιακό φορτίο, τις ζύμες/μούχλες και το E.coli και βρέθηκαν μικροβιακά σταθερές. Επιπλέον, μετρήθηκε το pH σε κάθε εξεταζόμενο δείγμα, που κυμαίνονταν από 5.75-6.51, τιμές αποδεκτές δεδομένου ότι το pH του δέρματος παρουσιάζει εύρος 5.4-5.9. Όσον αφορά στο χρώμα, η εξέταση των δειγμάτων έδειξε ότι σε θερμοκρασίες 5οC και 25οC η συνολική μεταβολή του χρώματος του δείγματος για το εγκλεισμένο προϊόν δεν έχει μεγάλη απόκλιση από αυτήν της κρέμας βάσης, γεγονός που δεν παρατηρείται για τη κρέμα με τα μη εγκλεισμένα προϊόντα. Τέλος, η ανάλυση με τη Δυναμική Μηχανική Ανάλυση (DMA) έδειξε ότι τα δείγματα παρουσιάζουν κατάλληλη συνεκτικότητα για πρακτική εφαρμογή, ενώ η εισαγωγή εγκλεισμένων και μη βιοδραστικών ουσιών στη κρέμα βάση είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του σύνθετου ιξώδους της κρέμας.	el
heal.abstract	Ιn the present diploma thesis, the exploitation of fishery waste Lagocephalus sceleratus was studied in order to develop innovating cosmetology products. In particular, omega-3 fatty acids, collagen and tetradotoxin were derived by the flesh, skin, bones and internal organs of lagocephalus. Subsequently, the latter bioactive compounds were included in cosmetic creams. Despite the fact that lagocephalus exist in large populations in Indian and Pacific Ocean, it appeared in Mediterranean Sea during the last years, due to water heating. The population growth of these species induces negative effects both in socioeconomic aspects and in marine ecosystem. These fish species carry a lethal toxin, tetradotoxin, because of which a high risk prohibition is placed on the consumption of this kind of fish. The rapid population growth of lagocephalus in coastal waters, in combination with the absence of predators, has led to the reduction of the fish’s preys, such as cephalopods. As a result, the fish’s competitors for food -which are commercially exploitable- also decline, affecting the fishery and income of fishermen. Moreover, lagocephalus possesses two potent teeth in each jaw, which are used to attack and rip fisherman’s nets. Until today, the main method of tackling with lagocephalus is fishermen’s hire to collect these fishes and discard them. This method doesn’t seem to be effective, because it doesn’t consort with circular economy. Isolation of precious bioactive compounds and tetradotoxin and their exploitation in cosmetic products could be a possible solution. Tetradotoxin (TTX) acts by inhibiting the mechanism of sodium ion transport in the sodium-potassium pump in nerve and muscle cells. So far, this toxin has been used as a drug in patients with migraine headaches, heroin addiction and cancer. In the field of cosmetics, one possible use of TTX could be the development of injectable products such as Botox, to treat skin relaxation. Fish are a source of polyunsaturated fatty acids (PUFAs), viz fatty acids having at least two double bonds, which are called omega-3 and omega-6 fatty acids. Fish oils rich in PUFAs appear to have significant health benefits, with DHA and EPA above all. Particularly, omega-3 fatty acids have beneficial properties for the skin, protecting it from photo-aging process, skin carcinogenesis, dermatitis and also administer a positive effect on the healing of skin wounds. Collagen is the major connective tissue protein in animals and the most abundant protein in mammals. Although the main source of collagen was usually bovine and porcine skins, in recent years the interest has shifted to marine species, due to the emergence of certain contagious diseases and religious issues. Collagen has the ability to slow down the formation of free radicals by preventing skin aging, as well as fortifying skin repair and regeneration. In order to cover the unpleasant odor of fatty acids and collagen used by fish and to protect them from adverse environmental conditions, it is appropriate to encapsulate these substances in polymeric matrices. This is achieved by the electrospinning technique., which relies on the application of a high-voltage electric field, which creates a jet of charged polymer, forming the Taylor cone on the jet, thereby drying the solvent and producing fiber. Initially, TTX was obtained both from the flesh of L.sceleratus and from its internal organs, with the aim of investigating the content of the fish in question and detoxifying it for the subsequent recovery and collection of its bioactive constituents (BCs). The toxin was obtained using two solvents, (a) 0.1% aqueous acetic acid solution and (b) 1% acetic acid solution in methanol. The results showed that the most effective solvent for the isolation of TTX was the 1% acetic acid solution in methanol. Furthermore, a higher content of TTX was found -with both solvents- in the internal organs of the lagocephalus, namely 14.1 µg TTX / g tissue (extraction with most effective solvent) vs. 1.77 µg TTX / g flesh (extraction with most effective solvent). Subsequently, omega-3 fatty acids were recovered from L. Sceleratus, both from the flesh and skin, using chloroform-methanol solvents according to Bligh and Dyer method, but also by alternative hexane-isopropanol solvents. Alternative solvents were also used to extract fatty acids from salmon, in order to compare the amount of omega-3 fatty acids isolated by lagocephalus with the equivalent of a well-known fatty fish. The results of the extraction showed that the most effective extraction solvent for L. Sceleratus was the chloroform-methanol mixture, as 7.6 mg oil/g of tissue were obtained, compared to 6.2 mg oil/g of tissue with the alternative solvents. Although, a larger amount of oil was extracted from salmon, lagocephalus had a higher DHA (the main fatty acid used in cosmetology) content of 39.92% compared to 17.22% of salmon. The amount of fatty acids in the flesh and skin of lagocephalus was also compared and it was revealed that a larger amount of fish oil was isolated from the skin. Collagen was obtained from both the skin and bones of the lagocephalus and salmon, using the methods of Acid Soluble Collagen (ASC) and Pepsin Soluble Collagen (PSC). The results showed that the PSC method was more effective for collagen extraction than the ASC method, because 45% more collagen was isolated by the PSC method. In addition, lagocephalus proved to have a higher amount of collagen than salmon. Finally, fish’s skin contained a higher amount of collagen (83.37 mg collagen/g of tissue) than bones (57.48 mg collagen/g of tissue). The removal of bioactive constituents was followed by the encapsulation of collagen and omega-3 fatty acids in a cyclodextrin matrix, via electrospinning technique. For this purpose, the operating conditions of electrospinning as well as the concentration of each bioactive substance in cyclodextrin were examined. The conditions finally applied are listed below: Flow = 1000 µL / h, Voltage = 27 kV and Distance = 13 cm, while the concentration of the solution was 7% in omega-3 fatty acids and 3% in collagen. After collecting a sufficient amount of nano fibers, the encapsulation yield was calculated equal to 91% and 89% for fatty acids and collagen, respectively. Moreover, evaluation using SEM and FTIR confirmed the desired structure of nanofibers as well as the successful encapsulation of bioactive substances. The nanofibers with the encapsulated product were incorporated into the standard cream at 1% (BC) content and this product was compared with both the standard cream and the cream containing 1% of the non-encapsulated BCs. The samples were then stored at different temperatures (5οC, 25οC and 45οC) for a total of 50 days and tests were performed at different times (t=0, t=30days and t=50days). Samples from each temperature and test time were microbiologically analyzed for total microbial load, yeasts/molds and E. coli. Every sample was proved microbiologically stable. Furthermore, pH of each sample was measured, and ranged from 5.75 to 6.51, thus all pH values were acceptable and neutral, as the skin pH ranges from 5.4 to 5.9. Regarding the color, examination of the samples showed that, at temperatures of 5 °C and 25 °C, the overall color change of the sample with the encapsulated product did not differ significantly from that of the plain cream, counter to the cream with the non-encapsulated product. Finally, Dynamic Mechanical Analysis (DMA) showed that the samples exhibited appropriate consistency for practical application, whereas the introduction of encapsulated or non-encapsulated bioactive constituents into the standard cream resulted in a reduction in the composite viscosity of the cream.	en
heal.advisorName	Κροκίδα, Μαγδαληνή	el
heal.advisorName	Krokida, Magdalini	en
heal.committeeMemberName	Κροκίδα, Μαγδαληνή	el
heal.committeeMemberName	Τσόπελας, Φώτιος	el
heal.committeeMemberName	Μπουρουσιάν, Μιρτάτ	el
heal.committeeMemberName	Krokida, Magdalini	en
heal.committeeMemberName	Tsopelas, Fotios	en
heal.committeeMemberName	Bourousian, Mirtat	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Σχεδιασμού και Ανάλυσης Διεργασιών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	111 σ.
heal.fullTextAvailability	false