Επίδραση  διεργασιών κυτταρικής  διάρρηξης  στην  ενθυλάκωση  αιθέριου έλαιου ρίγανης σε κύτταρα ζυμομυκητών  Saccharomyces cerevisiae

Κατσιμίχας, Αλέξανδρος Βασίλειος; Katsimichas, Alexandros Vasileios

dc.contributor.author	Κατσιμίχας, Αλέξανδρος Βασίλειος	el
dc.contributor.author	Katsimichas, Alexandros Vasileios	en
dc.date.accessioned	2020-09-26T16:12:45Z
dc.date.available	2020-09-26T16:12:45Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51159
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.18857
dc.rights	Default License
dc.subject	Μηχανική τροφίμων	el
dc.subject	Ενθυλάκωση	el
dc.subject	Μέθοδοι κυτταρικής διάρρηξης	el
dc.subject	Αιθέριο έλαιο ρίγανης	el
dc.subject	Μαγιά	el
dc.subject	Food engineering	en
dc.subject	Cell disruption	en
dc.subject	Encapsulation	en
dc.subject	Oregano essential oil	en
dc.subject	Saccharomyces cerevisiae	en
dc.title	Επίδραση διεργασιών κυτταρικής διάρρηξης στην ενθυλάκωση αιθέριου έλαιου ρίγανης σε κύτταρα ζυμομυκητών Saccharomyces cerevisiae	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μηχανική Τροφίμων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-02-21
heal.abstract	Ο μικροοργανισμός Saccharomyces cerevisiae, κοινώς γνωστός και ως μαγιά, αποτελεί έναν ευρέως χρησιμοποιούμενο μικροοργανισμό στην βιομηχανία τροφίμων για την παραγωγή διάφορων προϊόντων, όπως ενισχυτικών γεύσης, προϊόντων υψηλής διατροφικής αξίας, ενζύμων και χρωστικών ουσιών. Για την παραλαβή των διάφορων ενδοκυτταρικών προϊόντων αυτών, είναι απαραίτητη η διάρρηξη του συμπαγούς κυτταρικού τοιχώματος, μίας σκληρής δομής αποτελούμενης από μαννοπρωτεΐνες, γλυκάνες και χιτίνη, η οποία προσδίδει σταθερότητα και προστασία στα κύτταρα της μαγιάς, καθώς και συγκροτεί το σφαιρικό τους σχήμα. Η διάρρηξη των κυττάρων της μαγιάς, πραγματοποιείται με διάφορες διεργασίες, όπως η αυτόλυση, η ομογενοποίηση υψηλής πίεσης και η επεξεργασία με παλμικά ηλεκτρικά πεδία, οι οποίες διαρρηγνύοντας ή και καταστρέφοντας την δομή του κυτταρικού τοιχώματος, καθιστούν τα κύτταρα πιο διαπερατά. Η αυτόλυση αποτελεί μία μη μηχανική, ενζυμική, θερμική μέθοδο κυτταρικής διάρρηξης, κατά την οποία τα συστατικά του κυτταρικού τοιχώματος διασπώνται με την δράση ενδογενών ενζύμων. Η ομογενοποίηση υψηλής πίεσης χαρακτηρίζεται ως μηχανική, μη θερμική μέθοδος, η οποία προκαλεί την θραύση των κυττάρων με την άσκηση υψηλών πιέσεων στο κυτταρικό αιώρημα. Η επεξεργασία με παλμικά ηλεκτρικά πεδία περιλαμβάνει την εφαρμογή ηλεκτρικών παλμών υψηλής τάσης συνεχούς ρεύματος, εντός ενός μέσου, το οποίο είναι τοποθετημένο μεταξύ δύο ηλεκτροδίων, με αποτέλεσμα την δημιουργία πόρων στην επιφάνεια των κυττάρων. Η μικροενθυλάκωση είναι μία διαδικασία κατά την οποία ένα υλικό ή ένα μείγμα υλικών επικαλύπτεται ή εγκλωβίζεται εντός ενός άλλου υλικού ή συστήματος. Ο κύριος σκοπός της ενθυλάκωσης είναι η προστασία μίας ευαίσθητης ουσίας από τις αρνητικές επιπτώσεις που προκαλούνται σε αυτήν από το φως, την υγρασία και το οξυγόνο, και παράλληλα να είναι εφικτή η ελεγχόμενη απελευθέρωση της ουσίας όταν αυτό είναι επιθυμητό. Επιπλέον η ενθυλάκωση παρουσιάζει τροποποίηση των φυσικών χαρακτηριστικών της αρχικής ουσίας, με αποτέλεσμα τον ευκολότερο χειρισμό της (π.χ. στερεές κάψουλες αντί για υγρές ουσίες). Υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως φορείς ενθυλάκωσης αποτελούν οι υδατάνθρακές, οι πρωτεΐνες, τα κόμμεα, τα λιπίδια, κυτταρίνη καθώς και ολόκληροι μικροοργανισμοί. Όσον αφορά την μαγιά, το παχύ κυτταρικό τοίχωμα της είναι διαπερατό και από υδρόφιλες και από υδρόφοβες ενώσεις, γεγονός που σε συνδυασμό με τις αρκετά μεγάλες ποσότητες νεκρών και διαρρηγμένων κυττάρων μαγιάς που προκύπτουν ως παραπροϊόν της βιομηχανίας, καθιστά τον μικροοργανισμό κατάλληλο για φορέα ενθυλάκωσης. Το αιθέριο έλαιο ρίγανης παρασκευάζεται με εκχύλιση των ξηρών φύλλων και ανθών του φυτού Origanum vulgare, κοινώς γνωστό και ως ρίγανη. Οι κύριες ενώσεις που περιέχει το αιθέριο έλαιο του μεσογειακού αυτού φυτού είναι η καρβακρόλη και η θυμόλη, δύο ισομερή φαινολικά μονοτερπένια που αποτελούν περίπου το 78 – 82% του ελαίου. Επίσης το αιθέριο έλαιο ρίγανης περιέχει μικρές αλλά υπολογίσιμες ποσότητες μονοτερπινικών υδρογονανθράκων, με κυριότερους το p-κυμένιο και το γ-τερπινένιο που αποτελούν περίπου το 5 – 7 % του ελαίου, καθώς και ίχνη μονοτερπινικών αλκοολών, σεσκουιτερπενικών υδρογονανθράκων και οξυγονωμένων σεσκουιτερπενίων. Λόγω των υψηλών συγκεντρώσεων σε καρβακρόλη, το έλαιο ρίγανης χρησιμοποιείται σε πολλά προϊόντα λόγω της αντιμικροβιακής της δράσης, αλλά και ως παράγοντας γεύσης και αρώματος. Η ενθυλάκωση του σε κύτταρα μαγιάς θα προσέφερε προστασία των ενώσεων αυτών από τους διάφορους αλλοιογόνους παράγοντες, καθώς και τον ευκολότερο χειρισμό του. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετήθηκαν οι διεργασίες της αυτόλυσης (52℃ για 8 και 24h), της ομογενοποίησης (800 bar, 4 διελεύσεις) και η επεξεργασία με παλμικά ηλεκτρικά πεδία (ειδικής ενέργειας 3.2, 13.6 και 107.0 kJ/kg), για την αύξηση της διαπερατότητας των κυττάρων. Η διεργασία της ομογενοποίησης επιλέχθηκε με στόχο την μελέτη της ενθυλάκωσης αιθεριου ελαίου ρίγανης σε πλήρες διαρρηγμένο κυτταρικό υλικό, λόγω της καταστροφής της δομής του κυτταρικού τοιχώματος της μαγιάς που προκαλείται κατά την διεργασία αυτή (800 bar, 4 διελεύσεις). H αυτόλυση επιλέχθηκε για την ταχύτερη ενθυλάκωση του αιθέριου ελαίου ρίγανης, εφόσον κατά το πέρας της διεργασίας, επιτυγχάνεται η αύξηση της διαπερατότητας του κυτταρικού περιβλήματος, με την υποβάθμιση του κυτταρικού τοιχώματος και την καταστροφή της κυτταρικής μεμβράνης, σε συνδυασμό με την διατήρηση της δομής του τοιχώματος και την απόρηψη ενδοκυτταρικού περιεχομένου. Η επεξεργασία με παλμικά ηλεκτρικά πεδία επιλέχθηκε λόγω της δημιουργίας πόρων που επιφέρει στην πλασματική μεμβράνη των κυττάρων της μαγίας και της απελευθέρωσης ενδοκυτταρικού περιεχομένου, σε συνδυασμό με την διατήρηση της μορφολογίας των κυττάρων. Στη συνέχεια, κυτταρικό υλικό επεξεργασμένο με τις προκατεργασίες αυτές χρησιμοποιήθηκε για την ενθυλάκωση αιθέριου ελαίου ρίγανης. Η ενθυλάκωση πραγματοποιήθηκε με επώαση κυτταρικού υλικού κάθε προκατεργασίας σε θερμοκρασίες 30-65℃, υπό συνεχή ανάδευση σε μείγμα που περιελάμβανε σε κατά βάρος αναλογία 14.5 % κυτταρικό υλικό, 14.5 % έλαιο, 63.8 % νερό και 7.2 % αιθανόλη, για χρονική διάρκεια έως και 48 h. Εκτός από επεξεργασμένο κυτταρικό υλικό, χρησιμοποιήθηκαν και ανεπεξέργαστα κύτταρα. Αρχικά μελετήθηκε το μέγιστο φορτίο ελαίου που ενθυλακώθηκε εντός των κυττάρων, εκφρασμένο σε (mg καρβακρόλης)/(100 mg ξηρών καψουλών). Βρέθηκε ότι η θερμοκρασία επώασης και οι επεξεργασίες εκτός από την ομογενοποίηση, δεν επηρέασαν σημαντικά το τελικό φορτίο ενθυλάκωσης, με την τιμή του να προκύπτει 35.6 ± 1.6 (mg καρβακρόλης)/(100 mg ξηρών καψουλών). Το τελικό φορτίο για τα ομογενοποιημένα κύτταρα προέκυψε χαμηλότερο και ίσο με 23.6 ± 0.6 (mg καρβακρόλης)/(100 mg ξηρών καψουλών), για όλες τις θερμοκρασίες επώασης, γεγονός που οφείλεται στην μεγάλου βαθμού διάρρηξη των κυττάρων από την διεργασία αυτή. Επιπλέον υπολογίστηκε η αποδοτικότητα του εγκλεισμού, μια παράμετρος που εκφράζει το ποσοστό του ελαίου που ενθυλακώθηκε κατά την διάρκεια της επώασης, σε σχέση με το έλαιο που χρησιμοποιήθηκε για την επώαση. Η αποδοτικότητα προέκυψε επίσης ανεξάρτητη της θερμοκρασίας, με τιμή 55.3 ± 3.3 % για όλες τις κατηγορίες κυττάρων, εκτός από την περίπτωση των ομογενοποιημένων για την οποία προέκυψε 31.0 ± 1.0 %. Για την μελέτη της επίδρασης του χρόνου και της θερμοκρασίας επώασης στο φαινόμενο, και δεδομένου πως η ενθυλάκωση πραγματοποιείται παθητικά με διάχυση, τα πειραματικά δεδομένα του φορτίου ενθυλάκωσης σε συνάρτηση με το χρόνο επώασης, περιγράφηκαν μαθηματικά με την προσαρμογή της λύσης του 2ου νόμου διάχυσης του Fick. Από κάθε προσαρμογή προέκυψε ο φαινόμενος συντελεστής διάχυσης (Deff), με την χρήση του οποίου υπολογίστηκε η παράμετρος t90 για κάθε περίπτωση, η οποία δηλώνει τον χρόνο επώασης που επιτυγχάνεται το 90% του τελικού φορτίου ενθυλάκωσης. Ο χρόνος αυτός ορίστηκε ως ο χρόνος ολοκλήρωσης της διεργασίας. Βρέθηκε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας επιταχύνει την διάχυση, με αποτέλεσμα την ελάττωση του χρόνου t90 έως και 8 φορές (η ενθυλάκωση σε αυτολυμένα κύτταρα 24 h από 10.2 ± 1.4 h στους 30℃, ολοκληρώνεται σε 1.3 ± 0.2 h στους 65℃), με μοναδική εξαίρεση την αύξηση της θερμοκρασίας επώασης των ανεπεξέργαστων κυττάρων άνω των 45℃, όπου και δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές (8.1 ± 0.3 h στους 45℃ και 9.4 ± 1.1 h στους 65℃). Ακόμα οι διεργασίες της αυτόλυσης και της ομογενοποίησης επιταχύνουν την διεξαγωγή του φαινομένου, με τους αντίστοιχους χρόνους t90 να προκύπτουν χαμηλότεροι από εκείνους των ανεπεξέργαστων κυττάρων. Συγκεκριμένα τα αυτολυμένα κύτταρα 24 h, στην θερμοκρασία των 65℃, η τιμή του χρόνου t90 προέκυψε 1.3 ± 0.2 h, έναντι του αντίστοιχου χρόνου των ανεπεξέργαστων κυττάρων, για τα οποία προέκυψε 9.4 ± 1.1 h. Επιπλέον η επεξεργασία με παλμικά ηλεκτρικά πεδία επιφέρει αύξηση του φαινόμενου συντελεστή διάχυσης με την αύξηση της ειδικής ενέργειας επεξεργασίας, με τις σημαντικότερες διαφορές σε σχέση με τα ανεπεξέργαστα κύτταρα να παρατηρούνται σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Η εξάρτηση του φαινόμενου συντελεστή διάχυσης από την θερμοκρασία περιγράφηκε μαθηματικά με την εφαρμογή της εξίσωσης Arrhenius, από την οποία προέκυψε η ενέργεια ενεργοποίησης (Εa) της ενθυλάκωσης του ελαίου για κάθε προεπεξεργασία κυττάρων. Την μεγαλύτερη τιμή Ea, δηλαδή την εντονότερη εξάρτηση από την θερμοκρασία, παρουσίασαν τα ανεπεξέργαστα κύτταρα για τα οποία η ενέργεια ενεργοποίησης προέκυψε 78.6 ± 12.6 kJ/mol, στο θερμοκρασιακό εύρος μεταξύ 30 και 45℃. Αμέσως μικρότερες τιμές Ea παρουσιάζουν τα αυτολυμένα κύτταρα (8 και 24 h), για τα οποία προέκυψε πως ο χρόνος αυτόλυσης δεν επηρεάζει την εξάρτηση του Deff από την θερμοκρασία, με τις ενέργειες ενεργοποίησης και των δύο αυτών περιπτώσεων να προκύπτουν 56.0 ± 4.4 και 52.6 ± 7.1 kJ/mol αντίστοιχα. Επίσης η ενέργεια ενεργοποίησης στα ομογενοποιημένα κύτταρα δεν παρουσίασε σημαντικές διαφορές με τις αντίστοιχές των αυτολυμένων κυττάρων, με αυτήν να προκύπτει 47.0 ± 5.2 kJ/mol. Τέλος μικρότερες τιμές Ea παρουσίασαν τα κύτταρα που επεξεργάστηκαν με παλμικά ηλεκτρικά πεδία ειδικής ενέργειας 3.2, 13.6 και 107.0 kJ/kg, για τα οποία οι ενέργειες προέκυψαν 24.6 ± 1.9, 25.2 ± 2.5, 26.5 ± 4.7 kJ/mol αντίστοιχα, γεγονός που σημαίνει πως η ειδική ενέργεια της επεξεργασίας δεν επηρεάζει την θερμοκρασιακή εξάρτηση του Deff. Στην συνέχεια μελετήθηκε το φαινόμενο της απελευθέρωσης του ενθυλακωμένου ελαίου από τα κύτταρα σε συνάρτηση με την ενεργότητα του νερού aw. Η μελέτη αυτή πραγματοποιήθηκε σε σταθερή θερμοκρασία 25℃ σε ένα εύρος aw από 0.53 έως 0.97. Η ποσοτικοποίηση της απελευθέρωσης πραγματοποιήθηκε με το ποσοστό απελευθερωμένου ελαίου, το οποίο εκφράζει το ποσοστό του ελαίου που απελευθερώθηκε στο εξωτερικό των καψουλών ως προς το αρχικό φορτίο ενθυλάκωσης. Όπως προέκυψε, στης περισσότερες περιπτώσεις το ποσοστό έχει περίπου τιμή 0 έως και την ενεργότητα 0.68, εμφανίζει μια μικρή αύξηση που δεν ξεπερνά το 9% έως και την τιμή 0.84, ενώ παρουσιάζει ραγδαίες αυξήσεις έως και 90% σε ενεργότητες μεγαλύτερες του 0.93. Μικρότερα ποσοστά παρουσιάζουν τα ανεπεξέργαστα και τα αυτολυμένα κύτταρα, με τα δεύτερα να εμφανίζουν ελαφρώς μεγαλύτερα ποσοστά από τα ανεπεξέργαστα. Τα κύτταρα που επεξεργάστηκαν με παλμικά ηλεκτρικά πεδία παρουσίασαν αύξηση των τιμών των ποσοστών απελευθέρωσης με την αύξηση της ειδικής ενέργειας, με τα κύτταρα της συνθήκης των 3.2 kJ/kg σε aw = 0.97 να παρουσιάζουν ένα ποσοστό περίπου 76%, ενώ εκείνα των 107.0 kJ/kg παρουσιάζουν ποσοστό 90%. Τα ομογενοποιημένα κύτταρα επίσης παρουσιάζουν εντονότερη απελευθέρωση λόγω της πλήρους διάρρηξης του κυτταρικού τοιχώματος. Η αύξηση της θερμοκρασίας επώασης από τους 30 στους 65℃ προκαλεί αύξηση της απελευθέρωσης κυρίως σε ενεργότητες μεταξύ 0.84 και 0.97, γεγονός που οφείλεται στην θερμοκρασιακή αλλοίωση του κυτταρικού περιβλήματος με αποτέλεσμα την ασθενέστερη συγκράτηση του ελαίου. Τέλος, μελετήθηκε η σύσταση του ενθυλακωμένου ελαίου, για την οποία προέκυψε πως για υψηλούς χρόνους επώασης (>5 h) σε θερμοκρασίες κάτω των 45℃, η σύσταση του ενθυλακωμένου ελαίου τείνει στη σύσταση του καθαρού ελαίου ρίγανης, ενώ η αύξηση της θερμοκρασίας επώασης άνω των 45℃ για μεγάλα χρονικά διαστήματα επιφέρει αλλοίωση της σύστασης, με την περιεκτικότητα σε πτητικά συστατικά να μειώνεται. Ακόμα προέκυψε πως υπάρχει επιλεκτικότητα στην διάχυση των ουσιών του ελαίου στα κύτταρα, η οποία σχετίζεται με την πτητικότητα και την υδροφοβικότητα των ουσιών, αλλά και με την ύπαρξη της πλασματικής μεμβράνης. Συμπερασματικά, η μέθοδος της ενθυλάκωσης αιθέριου ελαίου ρίγανης σε κύτταρα μαγιάς παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα, εφόσον η μαγιά αποτελεί μια οικονομική πρώτη ύλη, η οποία βρίσκεται σε αφθονία. Καθώς τα κύτταρα δεν είναι απαραίτητο να είναι ζωντανά για την πραγματοποίηση της ενθυλάκωσης, θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν μεγάλες ποσότητες κυττάρων μαγιάς που προκύπτουν ως παραπροϊόν από τις βιομηχανίες. Επιπλέον , η μέθοδος αυτή υπερτερεί έναντι των παραδοσιακών μεθόδων ενθυλάκωσης, λόγω του οικονομικού εξοπλισμού που απαιτείται για την παραγωγή των καψουλών.	el
heal.advisorName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Ωραιοπούλου, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Τσόπελας, Φώτιος	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	115 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false