Βελτιστοποίηση συνθηκών εκχύλισης βιοδραστικών συστατικών από δεντρολίβανο

Ψαρρού, Ειρήνη; Psarrou, Eirini

dc.contributor.author	Ψαρρού, Ειρήνη	el
dc.contributor.author	Psarrou, Eirini	en
dc.date.accessioned	2020-05-18T13:34:15Z
dc.date.available	2020-05-18T13:34:15Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/50618
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.18316
dc.rights	Default License
dc.subject	Εκχύλιση	el
dc.subject	Βιοδραστικά	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Δεντρολίβανο	el
dc.subject	Μοντελοποίηση	el
dc.subject	Extraction	en
dc.subject	Bioactive	en
dc.subject	Optimization	en
dc.subject	Rosemary	en
dc.subject	Modeling	en
dc.title	Βελτιστοποίηση συνθηκών εκχύλισης βιοδραστικών συστατικών από δεντρολίβανο	el
dc.title	Optimization of extraction conditions of rosemary bioactive constituents	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Επιστήμη τροφίμων	el
heal.classification	Food science	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-10-07
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκαν οι παράμετροι επίδρασης στην εκχύλιση του δεντρολίβανου, ενός φυτού πλούσιου σε βιοδραστικά συστατικά, ροσμαρινικό οξύ, φλαβονοειδή και φαινολικά διτερπένια, συστατικά που είναι ευρέως γνωστά για την ισχυρή αντιοξειδωτική και αντιμικροβιακή τους δράση και προσδιορίσθηκαν οι συνθήκες βελτιστοποίησης της εκχύλισης. Για τον σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκαν πειράματα εκχύλισης αλεσμένου δεντρολίβανου, υπό ανάδευση, σε αναλογία υγρού:στερεού 20:1. Σε κάθε εκχύλιση λαμβάνονται δείγματα 1,5 mL τις χρονικές στιγμές 2, 5, 10, 20, 30, 50 και 70 min και ένα δείγμα από το ολικό εκχύλισμα. Σε όλα τα δείγματα προσδιοριζόταν η περιεκτικότητα σε ολικές φαινόλες, με τη μέθοδο Folin-Ciocalteau, και γινόταν ανάλυση των επί μέρους συστατικών με υγρή χρωματογραφία υψηλής πίεσης (HPLC), ενώ στο δείγμα του ολικού εκχυλίσματος προσδιοριζόταν και η αντιοξειδωτική δράση με τη μέθοδο DPPH. Σε όλα τα πειράματα, πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη με την χρήση τριών μοντέλων, του μοντέλου μεταφοράς μάζας, του λογαριθμικού μοντέλου και του μοντέλου του Peleg. Το μοντέλο της μεταφοράς μάζας και το λογαριθμικό μοντέλο έδωσαν τους πιο ικανοποιητικούς συντελεστές προσαρμογής στα πειραματικά μας δεδομένα στο σύνολο των πειραμάτων, ενώ το μοντέλο του Peleg προέβλεψε ικανοποιητικά τον αρχικό ρυθμό της εκχύλισης και τη συγκέντρωση ισορροπίας σε κάθε εκχύλιση. Αρχικά, για την μελέτη της επίδρασης του διαλύτη πραγματοποιήθηκε μια σειρά εκχυλίσεων υπό ανάδευση αλεσμένου δεντρολίβανου μη συγκεκριμένης κοκκομετρίας με μίγματα αιθανόλης-νερού (80% αιθανόλη-20% νερό και 60% αιθανόλη-40% νερό), καθαρής αιθανόλης, μίγματα ακετόνης-νερού (80% ακετόνη-20% νερό, 60% ακετόνη-40% νερό και 40% ακετόνη-60% νερό), καθαρή ακετόνη και νερό. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το μίγμα 60% ακετόνη-40% νερό είναι ο πιο αποδοτικός διαλύτης της απλής εκχύλισης υπό ανάδευσης του δεντρολίβανου, καθώς παρουσιάζει τη μέγιστη απόδοση σε φαινολικά συστατικά (68,2 mg GAE/gDW) και τη μεγαλύτερη εκλεκτικότητα εκχύλισης (27,1%), ενώ ο διαλύτης της καθαρής ακετόνης αποδείχθηκε ο λιγότερο αποδοτικός (16,0 mg GAE/gDW και 12,1% αντίστοιχα). Στη συνέχεια, με ανάλυση HPLC για την ποσοτικοποίηση των κύριων συστατικών του δεντρολίβανου, παρατηρήθηκε ότι το νερό εμφανίζει τη μεγαλύτερη απόδοση σε ροσμαρινικό οξύ (14,2 mg RA/gDW), o διαλύτης 60% ακετόνη-40% νερό τη μεγαλύτερη απόδοση σε φλαβονοειδή (16,8 mg QE/gDW) και τέλος ο διαλύτης 80% ακετόνη-20% νερό τη μεγαλύτερη απόδοση σε ολικά φαινολικά διτερπένια (39,3 mg TPD/gDW). Από τον προσδιορισμό της αντιοξειδωτικής ικανότητας με την μέθοδο DPPH, προέκυψε ότι ο διαλύτης 60% ακετόνη-40% νερό επιτυγχάνει τη μέγιστη τιμή (1394 mg GAE/L) και ο διαλύτης της καθαρής ακετόνης τη μικρότερη (568 mg GAE/L). Στην συνέχεια, πραγματοποιήθηκε μελέτη της επίδρασης της κοκκομετρίας του αλεσμένου δεντρολίβανου, όπου με τη βοήθεια ειδικών κοσκίνων χωρίστηκε σε 5 επιμέρους κλάσματα (>1000 μm, 1000-800 μm, 800-600 μm, 600-315 μm και <315 μm) και ακολούθησαν εκχυλίσεις τους υπό ανάδευση και διαλύτη 80% ακετόνη-20% νερό, ανάλυση HPLC με την μέθοδο Carnosic και προσδιορισμός της αντιοξειδωτικής ικανότητας με DPPH. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι με την μείωση της κοκκομετρίας του υλικού, αυξάνονται οι αποδόσεις της εκχύλισης, η εκλεκτικότητα της και η αντιοξειδωτική ικανότητα. Συγκεκριμένα, η μικρότερη κοκκομετρία <315 μm παρουσίασε τη μεγαλύτερη απόδοση σε φαινολικά συστατικά (62,5 mg GAE/gDW), τη μεγαλύτερη εκλεκτικότητα εκχύλισης (28,3%), τη μεγαλύτερη απόδοση σε ολικά φαινολικά διτερπένια (47,2 mg TPD/gDW), καθώς και τη μεγαλύτερη αντιοξειδωτική ικανότητα (1678 mg GAE/L). Για την μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας στην απλή εκχύλιση υπό ανάδευση αλεσμένου δεντρολίβανου μη συγκεκριμένης κοκκομετρίας, πραγματοποιήθηκαν εκχυλίσεις με διαλύτη 40% ακετόνη-60% νερό σε θερμοκρασίες 22οC, 40οC και 60οC και περεταίρω αναλύσεις HPLC και προσδιορισμός της αντιοξειδωτικής ικανότητας με DPPH για κάθε θερμοκρασία αντίστοιχα. Η αύξηση της θερμοκρασίας σε 60οC οδήγησε σε αύξηση της απόδοσης σε φαινολικά συστατικά (70,3 mg GAE/gDW) και της αντιοξειδωτικής ικανότητας (1582 mg GAE/L), αλλά σε μείωση της εκλεκτικότητας της εκχύλισης (20,7%). Επίσης, έδειξε αύξηση της απόδοσης σε ροσμαρινικό οξύ (13,0 mg RA/gDW) και σε ολικά φαινολικά διτερπένια (26,0 mg TPD/gDW). Στην περίπτωση των φλαβονοειδών, ωστόσο, παρατηρήσαμε την αντίστροφη πορεία, δηλαδή μείωση της απόδοσης της εκχύλισης στα συστατικά αυτά, με την αύξηση της θερμοκρασίας από 22οC (7,72 mg QE/gDW) σε 60οC (7,36 mg QE/gDW). Για την μελέτη της επίδρασης της εκχύλισης με υπερήχους, πραγματοποιήθηκαν εκχυλίσεις σε λουτρό υπερήχων, συχνότητας 37 kHz, με διαλύτες περιεκτικότητας 80% ακετόνη-20% νερό, 60% ακετόνη-40% νερό και 60% αιθανόλη-40% νερό. Με βάση τα αποτελέσματα, διαπιστώθηκε ότι η χρήση υπερήχων αύξησε τις αντίστοιχες αποδόσεις στα φαινολικά συστατικά, την εκλεκτικότητα της εκχύλισης και την αντιοξειδωτική ικανότητα σε κάθε διαλύτη αντίστοιχα. Συγκεκριμένα, ο διαλύτης 60% αιθανόλη-40% νερό αποδείχθηκε το πιο αποδοτικό μέσο εκχύλισης με χρήση υπερήχων, καθώς παρουσίασε τις μεγαλύτερες αποδόσεις σε φαινολικά συστατικά (77,5 mg GAE/gDW), ροσμαρινικό οξύ (16,0 mg RA/gDW), φλαβονοειδή (16,1 mg QE/gDW) και φαινολικά διτερπένια (47,4 mg TPD/gDW), καθώς και τη μεγαλύτερη εκλεκτικότητα εκχύλισης (29,9%) και αντιοξειδωτική δράση (1890 mg GAE/L). Για την εκτίμηση της επίδρασης της διαβροχής του δεντρολίβανου στην εκχύλιση, πραγματοποιήθηκαν εκχυλίσεις υπό ανάδευση, με διαλύτη 60% αιθανόλη-40% νερό, διαβρεγμένου δεντρολίβανου με απιονισμένο νερό, το οποίο είχε παραμείνει στο ψυγείο σε κλειστό δοχείο για 2 h, 4 h και 24 h αντίστοιχα. Η αύξηση του χρόνου διαβροχής από 0 h σε 4 h έδειξε αύξηση των αποδόσεων της εκχύλισης σε φαινολικά από 59,3 mg GAE/gDW σε 64,9 mg GAE/gDW, αύξηση της εκλεκτικότητας της εκχύλισης από 23% σε 31,1% και αύξηση της αντιοξειδωτικής ικανότητας από 1196 mg GAE/L σε 1742 mg GAE/L. Στον αμέσως επόμενο χρόνο διαβροχής των 24 h, τα αποτελέσματα έδειξαν μικρή μείωση των αποδόσεων σε φαινολικά σε 62,2 mg GAE/gDW, μείωση της εκλεκτικότητας της εκχύλισης σε 26% και της αντιοξειδωτικής ικανότητας σε 1613 mg GAE/L σε σχέση με το διαβρεγμένο κατά 4 h δεντρολίβανο. Συνεπώς, με τις 4 h διαβροχή του υλικού μας έχουμε τα βέλτιστα αποτελέσματα. Σε ήδη διαβρεγμένο για 24 h δεντρολίβανο, πραγματοποιήθηκε προεπεξεργασία του με χρήση παλμικών ηλεκτρικών πεδίων ισχύος 5,2 kV για χρόνο 15 μs πριν την απλή εκχύλιση υπό ανάδευση με διαλύτη 60% αιθανόλη-40% νερό και ακολούθησε σύγκριση των αποτελεσμάτων του με τα αντίστοιχα που προέκυψαν από την απλή εκχύλιση υπό ανάδευση και την εκχύλιση υπό ανάδευση ήδη διαβρεγμένου για 24 h δεντρολίβανου, με τον ίδιο διαλύτη. Παρατηρήσαμε, λοιπόν, αύξηση της απόδοσης σε φαινολικά συστατικά από 59,3 mg GAE/gDW για την εκχύλιση υπό ανάδευση, σε 62,2 mg GAE/gDW για την εκχύλιση υπό ανάδευση του διαβρεγμένου για 24 h δεντρολίβανου και τέλος σε 64,0 mg GAE/gDW με την χρήση PEF. Επίσης, σημειώθηκε αύξηση της εκλεκτικότητας από 23% για την εκχύλιση υπό ανάδευση, σε 26% για την εκχύλιση υπό ανάδευση του διαβρεγμένου για 24 h δεντρολίβανου και τέλος σε 26,7% με την χρήση PEF. Η ίδια τάση παρουσιάζεται και για την αντιοξειδωτική ικανότητα, δηλαδή αύξηση της από 1196 mg GAE/L για την εκχύλιση υπό ανάδευση, σε 1613 mg GAE/L για την εκχύλιση υπό ανάδευση του διαβρεγμένου για 24 h δεντρολίβανου και τέλος σε 1746 mg GAE/L με την χρήση PEF. Επομένως η ήπια κατεργασία με PEF δε βελτιώνει σημαντικά τα αποτελέσματα της διαβροχής. Συμπερασματικά, η εκχύλιση με υπέρηχους αποδείχθηκε ως η πιο αποδοτική ως προς την ολική απόδοση σε φαινολικά, την εκλεκτικότητα της εκχύλισης και την αντιοξειδωτική ικανότητα του τελικού εκχυλίσματος.	el
heal.abstract	In this present diploma thesis, the effect of various parameters on rosemary extraction, a plant rich in bioactive constituents, rosemary acid, flavonoids and phenolic diterpenes, components that are well known for their strong antioxidant and antimicrobial activity, were studied, such as the optimization of the extraction. To this end, extraction experiments of ground rosemary (as had been occured by previous thesis, Alexandrakh, 2018) were performed with stirring, whereby 5 g of rosemary was placed in a spherical sieve with 100 mL solvent to obtain a 20:1 liquid:solid ratio. The experiments are carried out at room temperature (22oC). At each extract, samples of 1,5 mL was subjected in eppendorf at 2, 5, 10, 20, 30, 50 and 70 min and a sample of the total extract. In all samples, the total phenolic content was determined by the Folin-Ciocalteau method and the analysis of the individual components by high pressure liquid chromatography (HPLC), and the antioxidant activity by the DPPH method was determined in the sample of the whole extract. In all experiments, a kinetic study was carried out using three models, mass transfer model, the logarithmic model and the Peleg model. The mass transfer model and the logarithmic gave the most satisfactory adjustment coefficients to our experimental data, while the Peleg model provided important information on the initial extraction rate and the equilibrium concentration in each extraction respectively. Therefore, these models are appropriate when studying kinetics of rosemary extracts. Initially, to study the effect of the solvent, a series of extracts were performed under stirring of rosemary with non-specific granulometry and as solvents mixtures of ethanol-water (80% ethanol-20% water and 60% ethanol-40% water), pure ethanol, acetone-water mixtures (80% acetone-20% water, 60% acetone-40% water and 40% acetone-60% water), pure acetone and water were used. The results showed that the 60% acetone-40% water mixture is the most efficient solvent for simple extraction with stirring of rosemary, as it has the highest yield on phenolic components (68,2 mg GAE/gDW) and the highest extraction selectivity (27,1%) while the solvent of pure acetone proved to be the least efficient (16,0 mg GAE/gDW and 12,1% respectively). Subsequently, by HPLC analysis to quantify the main constituents of rosemary, it was observed that water showed the highest yield in rosemary acid (14,2 mg RA/gDW), the solvent 60% acetone-40% water the highest yield in flavonoids (16,8 mg QE/gDW) and finally the solvent 80% acetone-20% water the highest yield in total phenolic diterpenes (39,3 mg TPD/gDW). Then, the antioxidant capacity was determined by the DPPH method, with the solvent 60% acetone-40% water reaching the maximum value (1394 mg GAE/L) and the pure acetone solvent the lowest (568 mg GAE/ L). Subsequently, a study was carried out on the effect of granulation of ground rosemary, in which with the help of special sieves it has been divided into 5 individual fractions (> 1000 µm, 1000-800 µm, 800-600 µm, 600-315 µm and <315 µm) followed by extractions with stirring and solvent 80% acetone-20% water, HPLC analysis by Carnosic method and determination of antioxidant capacity by DPPH. The results showed that by reducing the particle size of the material, the extraction yields, selectivity and antioxidant capacity increased. Specifically, the smaller grain size <315 µm exhibited the highest yield of phenolic components (62,5 mg GAE/ gDW), the highest extraction selectivity (28,3%), the highest yield of total phenolic diterpens (47,2 mg TPD/gDW), and the highest antioxidant capacity (1678 mg GAE/ L). To study the effect of temperature on simple extraction with stirring of rosemary with non-specific granulometry, extractions was performed with 40% acetone-60% water, as the solvent, at temperatures of 22°C, 40°C and 60°C and further HPLC analyzes and antioxidant capacity determination, respectively. Increasing the temperature to 60°C led to an increase in the yield of phenolic components (70,3 mg GAE/gDW) and antioxidant capacity (1582 mg GAE/L), but also led to a decrease in the selectivity of the extract (20,7%). It also showed an increase in yield in rosemary acid (13,0 mg RA/gDW) and total phenolic diterpens (26,0 mg TPD/gDW). In the case of flavonoids, however, we observed the reverse course, that is, a decrease in the extraction yield of these components, by increasing the temperature from 22°C (7,72 mg QE/gDW) to 60°C (7,36 mg QE/gDW). To study the effect of ultrasonic extraction, 5 g of ground rosemary with non-specific granulometry was added to a round flask with 100 mL of a solvent and 1,5 mL of samples were subjected at eppedorfs at 2, 5, 10, 20, 30 and 50 min. For this purpose, extractions were made in an ultrasonic bath, with frequency of 37 kHz , with the following solvents: 80% acetone-20% water, 60% acetone-40% water and 60% ethanol-40% water. Based on the results, it was found that the use of ultrasounds increased the corresponding yields on the phenolic components, the selectivity of the extraction and the antioxidant capacity of each solvent respectively. Specifically, the solvent 60% ethanol-40% water proved to be the most efficient extractor for the experiments with the ultrasounds as it showed the highest yields of phenolic components (77,5 mg GAE/gDW), rosemary acid (16,0 mg RA/gDW), flavonoids (16,1 mg QE/gDW) and phenolic diterpenes (47,4 mg TPD/gDW), as well as greater extraction selectivity (29,9%) and antioxidant activity (1890 mg GAE/L). In general, we observed that the yield on flavonoids was reduced by the use of 60% acetone-40% water mixture in the experiments with ultrasounds. This may occur due to high temperature development in the bath, resulting to their destruction, which was also observed when studying the effect of temperature on simple extraction with stirring. To assess the effect of rosemary wetting on extraction, extractions with stirring were performed, with 60% ethanol-40% water as the solvent, of soaked rosemary with deionized water, which had been kept in the refrigerator in a closed vessel for 2 h, 4 h and 24 h respectively. Increasing the wetting time from 0 h to 4 h showed an increase in the phenolic extraction yields from 59,3 mg GAE/gDW to 64,9 mg GAE/gDW, increasing the reaction selectivity from 23% to 31,1% and increase in the antioxidant capacity from 1196 mg GAE/L to 1742 mg GAE/L. In the immediately following 24 h wetting time, the results showed a decrease in phenolic yields to 62,2 mg GAE/gDW, a decrease in the extraction selectivity to 26% and in the antioxidant capacity to 1613 mg GAE/L relative to soaked for 4 h rosemary. Therefore, with our 4 h wetting of the material we can obtain the best results. Pre-soaked rosemary for 24 h pretreated using pulsed electric fields (5,2 kV for 15 μs) prior to simple extraction with stirring with 60% ethanol-40% water as the solvent, followed by comparing its results with those obtained by simple extraction with stirring and extraction with stirring already soaked for 24 h rosemary with the same solvent. We therefore observed an increase in the yield of phenolic components from 59,3 mg GAE/gDW for stirring extraction to 62,2 mg GAE/gDW for stirring extraction of 24 h soaked rosemary and finally to 64,0 mg. GAE/gDW using PEF. There was also an increase in selectivity from 23% for stirring extraction, to 26% for stirring extraction of 24 h soaked rosemary and finally to 26,7% using PEF. The same trend is observed for the antioxidant capacity, ie an increase from 1196 mg GAE/L for stirring extraction, to 1613 mg GAE/L for stirring extraction of soaked rosemary for 24 h and finally to 1746 mg GAE/L using PEF. Therefore, mild treatment with PEF does not significantly improve the wetting results. In conclusion, extraction with ultrasounds proved to be the most efficient in terms of total phenolic yield, reaction selectivity and antioxidant capacity of the final extract.	en
heal.advisorName	Oraiopoulou, Vasiliki	en
heal.advisorName	Ωραιοπούλου, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Ωραιοπούλου, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Oraiopoulou, Vasiliki	en
heal.committeeMemberName	Τσακανίκας, Άγγελος	el
heal.committeeMemberName	Tsakanikas, Aggelos	en
heal.committeeMemberName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Taoukis, Petros	en
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	145 σ.
heal.fullTextAvailability	false