Έρευνα και εφαρμογή των τεχνολογιών υπερυψηλής πίεσης και παλμικών ηλεκτρικών πεδίων στην παραγωγή υψηλής ποιότητας φυτικών προϊόντων και στην αξιοποίηση των παραπροϊόντων τους

Abstract

Σκοπός της παρούσας διατριβής με θέμα: «Έρευνα και εφαρμογή των τεχνολογιών Υπερυψηλής Πίεσης και Παλμικών Ηλεκτρικών Πεδίων στην παραγωγή υψηλής ποιότητας φυτικών προϊόντων και στην αξιοποίηση των παραπροϊόντων τους», ήταν η μελέτη της εφαρμογής των δύο αυτών νέων διεργασιών, στην παραγωγή φυτικών προϊόντων με αυξημένη απόδοση σε τελικό προϊόν με βελτιωμένα ποιοτικά χαρακτηριστικά και στην ενίσχυση της ανάκτησης βιοδραστικών ουσιών από τα παραπροϊόντα τους. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση των Παλμικών Ηλεκτρικών Πεδίων (ΠΗΠ) και της Υπερυψηλής Πίεσης (ΥΠ) ως προεπεξεργασίες σε διάφορα στάδια της παραγωγικής διαδικασίας της επεξεργασίας βιομηχανικής τομάτας και της εξαγωγής ελαιόλαδου και στην εκχύλιση βιοδραστικών ουσιών από τα παραπροϊόντα τους. Στο Α’ μέρος της παρούσας διατριβής, εφαρμόσθηκαν τα ΠΗΠ και η ΥΠ ως προεπεξεργασίες σε διάφορα επιλεγμένα στάδια της παραγωγικής διαδικασίας προϊόντων τομάτας ως προς την απόδοση της κάθε διεργασίας και την ποιότητα των τελικών προϊόντων. Στην πρώτη θεματική ενότητα έγινε εφαρμογή των ΠΗΠ και της ΥΠ σε χυμό τομάτας πριν το στάδιο της συμπύκνωσης με στόχο την παραγωγή προϊόντων τομάτας απλής συμπύκνωσης με αυξημένη απόδοση και βελτιωμένα ποιοτικά χαρακτηριστικά μέσω επιλεκτικής απενεργοποίησης του ενζύμου πολυγαλακτουρονάση (PG) και ταυτόχρονη διατήρηση του ενζύμου πηκτινομεθυλεστεράση (PME) του χυμού τομάτας. Αρχικά πραγματοποιήθηκε πλήρης κινητική μελέτη της επίδρασης της θερμικής επεξεργασίας (55-75 °C από 0-60 min) και των παραμέτρων της διεργασίας ΥΠ (200-800MPa, 45-75 °C, 0-60 min) και ΠΗΠ (4.0-12.5 kV/cm, 0-12 ms, 15 μs πλάτος παλμού, συχνότητα 300 Hz) στην απενεργοποίηση των δυο ενζύμων. Χρησιμοποιώντας κατάλληλες μαθηματικές εξισώσεις, περιγράφηκε η συμπεριφορά του κάθε ενζύμου στην κάθε επεξεργασία. Η απενεργοποίηση των δυο ενζύμων ακολούθησε κινητική πρώτης τάξης στη θερμική επεξεργασία και στην επεξεργασία με ΥΠ ενώ για την επεξεργασία με ΠΗΠ εφαρμόσθηκε κλασματικό μοντέλο πρώτης τάξης. Η PME εμφανίστηκε ιδιαίτερα ανθεκτική στην εφαρμογή πίεσης, με την πίεση και τη θερμοκρασία να έχουν ανταγωνιστική δράση στην απενεργοποίηση της. Αντίθετα, η PG εμφανίστηκε περισσότερο ευαίσθητη στην επεξεργασία με ΥΠ, με την πίεση και τη θερμοκρασία να έχουν συνεργιστική δράση στην απενεργοποίηση της. Επιπλέον, η PG φάνηκε ότι είναι πιο ευαίσθητη από την PME στην εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου καθώς σε όλες τις μελετώμενες συνθήκες, ο χαρακτηριστικός χρόνος ημικαταστροφής τ (απαιτούμενος χρόνος για να επιτευχθεί 50% απενεργοποίηση του ενζύμου) ήταν μικρότερος. Με επεξεργασία στις βέλτιστες συνθήκες για την ΥΠ (500 MPa στους 55 οC για 10 min) και τα ΠΗΠ (8kV/cm, 6ms) δημιουργήθηκαν χυμοί τομάτας απλής συμπύκνωσης με αυξημένη απόδοση και βελτιωμένα ποιοτικά χαρακτηριστικά. Με συμπύκνωση υπό κενό (60 οC, 0,1 bar), παρατηρήθηκε ότι τα τελικά προϊόντα τομάτας με ίδιο ιξώδες (5000 cp, στους 25 °C), από χυμό προεπεξεργασμένο με ΥΠ και ΠΗΠ στις βέλτιστες συνθήκες, είχαν χαμηλότερα ολικά διαλυτά στερεά σε σύγκριση με τα μη προεπεξεργασμένα. Απαιτήθηκε δηλαδή λιγότερη εξατμιζόμενη ποσότητα νερού και μειωμένος χρόνος συμπύκνωσης για την επίτευξη του επιθυμητού ιξώδους. Οι αποδόσεις της συμπύκνωσης που επιτεύχθηκαν ήταν 30,4, 41,0, 34,6% για τα μη προεπεξεργασμένα (συμβατική συμπύκνωση) και τα προεπεξεργασμένα με ΥΠ και ΠΗΠ δείγματα, αντίστοιχα. Συγκριτικά η επεξεργασία με ΥΠ προ της συμπύκνωσης ήταν αποτελεσματικότερη από την επεξεργασία με ΠΗΠ. Η επίδραση της κάθε προεπεξεργασίας στην ποιοτική υποβάθμιση των παστεριωμένων (θέρμανση στους 85 °C για 20 min) συμπυκνωμένων προϊόντων τομάτας ήταν επίσης θετική, καθώς η διατηρησιμότητα τους στους 25 °C υπολογίσθηκε σε 266, 393 και 248 d για τα μη προεπεξεργασμένα, τα προεπεξεργασμένα με ΥΠ και ΠΗΠ δείγματα, αντίστοιχα. Στη δεύτερη θεματική ενότητα, έγινε μελέτη και εφαρμογή των ΠΗΠ ως προεπεξεργασία σε ολόκληρες τομάτες για να ενισχύσουν ή να αντικαταστήσουν τη συμβατική διαδικασία της αποφλοίωσης. Αρχικά, ολόκληρες μη αποφλοιωμένες τομάτες προεπεξεργάστηκαν με ΠΗΠ (0,5-1,5 kV/cm για 0-8000 παλμούς, συχνότητα 20 Hz και πλάτος παλμού 15 μs) προκειμένου να εκτιμηθεί το έργο για την πλήρη απόσπαση του φλοιού τομάτας από την υπόλοιπη σάρκα καθώς η υφή και η συγκέντρωση λυκοπενίου των τελικών αποφλοιωμένων τοματών. Για να συγκριθεί η προεπεξεργασία με ΠΗΠ με συμβατικές μεθόδους αποφλοίωσης, οι τομάτες υποβλήθηκαν επίσης σε ζεμάτισμα για 1 min στους 70 °C και με ατμό στους 100 °C για 2 min. Υπολογίσθηκε ότι το έργο αποκόλλησης του φλοιού από την υπόλοιπη σάρκα τομάτας ήταν 72,3, 54,7 και 97,4% μικρότερο σε σχέση με το ανεπεξέργαστο δείγμα (νωπή τομάτα) για τις επεξεργασμένες με ΠΗΠ, ζεματισμένες και επεξεργασμένες με ατμό τομάτες, αντίστοιχα. Οι τρεις μέθοδοι αποφλοίωσης δεν εμφάνισαν σημαντικές διαφορές ως προς τις απώλειες σάρκας (<1% w/w). Ενώ η μέθοδος αποφλοίωσης με ατμό ήταν η πιο αποτελεσματική ως προς την απομάκρυνση του φλοιού, λόγω της χρήσης υψηλών θερμοκρασιών, η τελική υφή (σκληρότητα) των ολόκληρων τοματών υποβαθμίζεται σημαντικά (82,7% μείωση της σκληρότητας αποφλοιωμένων τοματών), καθώς και η συγκέντρωση σε λυκοπένιο ήταν σημαντικά μικρότερη (12% απώλεια σε λυκοπένιο), σε σχέση με τη νωπή τομάτα (5,32 mg/100 g τομάτας). Η προεπεξεργασία με ΠΗΠ μείωσε τη σκληρότητα των τελικών αποφλοιωμένων τοματών κατά μόλις 21,6% σε σύγκριση με το μη επεξεργασμένο, και η συγκέντρωση του λυκοπενίου έμεινε ανεπηρέαστη (~5,29 mg/100 g τομάτας), αντίστοιχη της νωπής τομάτας. Η επεξεργασία με ΠΗΠ ερευνήθηκε και εφαρμόσθηκε προ του σταδίου της χυμοποίησης ως προς την αύξηση της απόδοσης σε χυμό τομάτας και τη βελτίωση των ποιοτικών χαρακτηριστικών των χυμών τομάτας. Σε ολόκληρες τομάτες εφαρμόσθηκαν ΠΗΠ (0.5-2.5 kV/cm για 0-4000 παλμούς, συχνότητα 20 Hz και πλάτος παλμού 15 μs) και στη συνέχεια χυμοποιήθηκαν σε ραφινέζα (2800 rpm και κόσκινο με οπές διαμέτρου 1.5 mm), υπολογίζοντας σε κάθε περίπτωση την απόδοση σε χυμό τομάτας και συγκρίνοντας με το μη προεπεξεργασμένο δείγμα (συμβατική χυμοποίηση). Σε αυτό το βήμα, μελετήθηκε επίσης η επίδραση των ΠΗΠ στα υπολείμματα τοματών του πρώτου σταδίου χυμοποίησης (φλοιοί, σπόροι και ένα κλάσμα υπολειπόμενης μη συμπιεσμένης σάρκας τομάτας) για να εκτιμηθεί κατά πόσον η προεπεξεργασία με ΠΗΠ θα μπορούσε να αυξήσει την απόδοση των τελικών χυμών (και από τα δύο στάδια χυμοποίησης). Η επίδραση των ΠΗΠ μελετήθηκε στην απόδοση του χυμού τομάτας, και οι χυμοί τομάτας από το πρώτο αλλά και από το δεύτερο στάδιο αξιολογήθηκαν όσον αφορά το χρώμα, το ιξώδες και τη συνεκτικότητα κατά Bostwick. Στο πρώτο στάδιο χυμοποίησης, η μέγιστη απόδοση σε χυμό τομάτας από την προεπεξεργασία με ΠΗΠ ήταν ίση με 89,2% ενώ για το μη προεπεξεργασμένο η απόδοση υπολογίστηκε ίση με 71,4%. Παρ’ όλη την αύξηση της απόδοσης σε χυμό τομάτας λόγω της προεπεξεργασίας με ΠΗΠ οι τιμές του ιξώδους (<400 cp, στους 25 °C) και της συνεκτικότητας κατά Bostwick (>20 cm) των χυμών του πρώτου σταδίου υποβαθμίστηκαν σε πολύ έντονες συνθήκες ΠΗΠ (με δείκτη κυτταρικής διάρρηξης Ζ μεγαλύτερο από 0,7). Ως εκ τούτου, επιλέγοντας μία ηπιότερη συνθήκη ΠΗΠ (με δείκτη κυτταρικής διάρρηξης Ζ από 0,5 έως 0,7) μπορεί να επιτευχθεί χυμός τομάτας με αυξημένη απόδοση (περίπου 10-15% υψηλότερη σε σχέση με το μη προεπεξεργασμένο δείγμα) και παράλληλα με ιξώδες (550-700 cp, στους 25°C) εντός των ορίων της βιομηχανίας για χυμούς τομάτας. Παράλληλα, σε αυτήν τη συνθήκη η συγκέντρωση του λυκοπενίου στον τελικό χυμό υπολογίστηκε ίση με 3,82 mg/100 g χυμού, δηλαδή περίπου 22% υψηλότερη σε σχέση με το μη προεπεξεργασμένο δείγμα. Στο δεύτερο στάδιο της χυμοποίησης, η συνολική απόδοση του χυμού τομάτας (και από τα δύο στάδια χυμοποίησης) ήταν 82,2% για τα μη προεπεξεργασμένα δείγματα, με ιξώδες (950 cp, στους 25°C) σημαντικά υποβαθμισμένο, λόγω των μεγαλύτερων οπών των διαχωριστήρων που χρησιμοποιούνται στα υπολείμματα του πρώτου σταδίου, εμποδίζοντας την περαιτέρω επεξεργασία του (Gould, 1992). Σε κάθε συνθήκη με ΠΗΠ που εφαρμοζόταν στα υπολείμματα του πρώτου σταδίου, οι χυμοί που προέκυπταν προστίθενται στον αρχικό ανεπεξέργαστο χυμό τομάτας από το πρώτο στάδιο χυμοποίησης (όπως γίνεται και στη βιομηχανία τομάτας). Η υψηλότερη συνολική απόδοση χυμού και από τα δυο στάδια χυμοποίησης προεπεξεργάζοντας με ΠΗΠ (1,5 kV/cm και δείκτη κυτταρικής διάρρηξης Ζ ίσο με 0,39) μόνο τα υπολείμματα του πρώτου σταδίου υπολογίσθηκε σε 90,2% (περίπου 10% υψηλότερη σε σχέση με το μη προεπεξεργασμένο δείγμα) και το ιξώδες του τελικού χυμού είναι σύμφωνα με τα βιομηχανικά αποδεκτά πρότυπα (450 cp, στους 25 °C που αντιστοιχεί σε συνεκτικότητα κατά Bostwick 14,2 cm). Τέλος μελετήθηκε η εφαρμογή των ΠΗΠ ως προεπεξεργασία στη συμβατική εκχύλιση για την παραλαβή βιοδραστικών συστατικών από τα παραπροϊόντα τομάτας. Οι συνθήκες των ΠΗΠ που εφαρμόστηκαν σε παραπροϊόντα τομάτας (φλοιοί, σπόρια και υπολείμματα σάρκας τομάτας) (1,0-5,0 kV/cm για 0-500 παλμούς, συχνότητα 20 Hz και πλάτος παλμού 15 μs) και στη συνέχεια ακολούθησε εκχύλιση στερεού-υγρού (με διαλύματα εξανίου, ακετόνης και αιθανόλης-νερού) βιοδραστικών ουσιών από τα παραπροϊόντα τομάτας. Οι ενώσεις που εκχυλίστηκαν από τα παραπροϊόντα τομάτας, που προσδιορίστηκε η συγκέντρωση τους ήταν τα καροτενοειδή, το λυκοπένιο, οι ολικές φαινολικές ενώσεις και επιπλέον μετρήθηκε η αντιοξειδωτική ικανότητα των εκχυλισμάτων. Η εκχύλιση υποβοηθούμενη με ΠΗΠ (δείκτης κυτταρικής διάρρηξης Ζ ίσος με 0,3) οδήγησε σε αύξηση της απόδοσης της εκχύλισης των καροτενοειδών, από 35,9% έως 56,4% σε σύγκριση με το επεξεργασμένο συμβατικά δείγμα (11,36 mg/100 g), επιτυγχάνοντας ανάκτηση του λυκοπενίου ίση με 14,31 mg/100 g σε σχέση με τα επεξεργασμένα συμβατικά δείγματα που ήταν 9,84 mg/100 g. Η προεπεξεργασία των ΠΗΠ αύξησε σημαντικά τη συνολική απόδοση εκχύλισης φαινολικών ενώσεων, διπλασιάζοντας την (56,16 mgGAE/100 g) για ένταση ηλεκτρικού πεδίου 2 kV/cm και 700 παλμούς και οδηγώντας ταυτόχρονα σε εκχυλίσματα με σημαντικά υψηλότερη αντιοξειδωτική ικανότητα (0,78 mM TE) σε σχέση με το επεξεργασμένο συμβατικά δείγμα (0,29 mM TE).Στο Β’ μέρος της παρούσας διατριβής, εφαρμόσθηκαν τα ΠΗΠ και η ΥΠ ως προεπξεργασίες σε διάφορα στάδια της εξαγωγής ελαιόλαδου και στη διαχείριση του ελαιοπυρήνα, του παραπροϊόντος που προκύπτει μετά το στάδιο του διαχωρισμού. Οι ελιές και ο ελαιοπυρήνας που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ποικιλίας Τσουνάτη στο δεύτερο στάδιο ωρίμανσης τους. Στην πρώτη θεματική ενότητα, μελετήθηκε η επίδραση των δυο διεργασιών ως προεπεξεργασίες στο στάδιο της μάλαξης ως προς την απόδοση σε ελαιόλαδο, τους ποιοτικούς δείκτες και τη συγκέντρωση των φαινολικών συστατικών στα παραγόμενα ελαιόλαδα. Επιπλέον, μελετήθηκε η χρήση των δυο προεπεξεργασιών με ενδεχόμενη μείωση της έντασης των συνθηκών μάλαξης (θερμοκρασία και χρόνος) στην παραγωγή ελαιόλαδου με αυξημένη απόδοση, ανώτερα ποιοτικά χαρακτηριστικά και υψηλή συγκέντρωση σε αντιοξειδωτικές ουσίες. Πραγματοποιήθηκε πλήρες κινητικό πείραμα των ΠΗΠ (0,5-2,0 kV/cm) και της ΥΠ (100-600 MPa) ως προεπεξεργασίες στην ελαιόπαστα σε διάφορες συνθήκες επεξεργασίας (με βάση τον δείκτη κυτταρικής διάρρηξης Ζ της ελαιόπαστας) πριν το στάδιο της μάλαξης σε διάφορες συνθήκες μάλαξης (15-40 °C και 30 min) και για κάθε συνθήκη προσδιορίστηκαν η απόδοση σε ελαιόλαδο, τα ποιοτικά χαρακτηριστικά (ελεύθερη οξύτητα, αριθμός υπεροξειδίων, ολικές φαινολικές ενώσεις, απορρόφηση στο υπεριώδες) και η οξειδωτική σταθερότητα των παραγόμενων ελαιόλαδων. Αρχικά, από το κινητικό πείραμα της συμβατικής εξαγωγής ελαιόλαδου σε διάφορες συνθήκες μάλαξης (θερμοκρασία & χρόνος) για το μη προεπεξεργασμένο δείγμα (συμβατική μάλαξη) επιλέχθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες (30 °C και 30 min), με κριτήριο τη μέγιστη δυνατή απόδοση (22,5%) χωρίς ποιοτική υποβάθμιση του παραγόμενου ελαιόλαδου. Η παραγωγή ελαιόλαδου στους 15 °C οδηγεί σε ελαιόλαδα με μικρή απόδοση και βελτιωμένα ποιοτικά χαρακτηριστικά, ενώ η συγκέντρωση των φαινολικών συστατικών είναι σημαντικά χαμηλότερη (κατά 19,9%) σε σχέση με τους 30°C (743 mg GAE/kg). Η προεπεξεργασία με ΠΗΠ έδειξε αύξηση της απόδοσης σε ελαιόλαδο έως και κατά 20,1% και της συγκέντρωσης των φαινολικών συστατικών στο παραγόμενο ελαιόλαδο έως και κατά 23,1% σε σχέση με το μη προεπεξεργασμένο δείγμα (απόδοση σε ελαιόλαδο: 22.5% και φαινολικά συστατικά: 743 mg GAE/kg) ανάλογα την ένταση των συνθηκών ΠΗΠ και τη θερμοκρασία μάλαξης. Ταυτόχρονα, η προεπεξεργασία με ΥΠ μπορεί να αυξήσει την απόδοση σε ελαιόλαδο έως και κατά 18,6% και την απόδοση σε φαινολικά συστατικά στο παραγόμενο ελαιόλαδο έως και κατά 20,7% σε σχέση με το μη προεπεξεργασμένο δείγμα (απόδοση σε ελαιόλαδο: 22.5% και φαινολικά συστατικά: 743 mg GAE/kg) ανάλογα με την ένταση των συνθηκών ΥΠ και τη θερμοκρασία μάλαξης. Αποδείχθηκε ότι η μεγαλύτερη αύξηση της απόδοσης σε ελαιόλαδο με τις δυο προεπεξεργασίες παρατηρήθηκε στους 15 °C. Οι δυο προεπεξεργασίες ενισχύοντας τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας στο στάδιο της μάλαξης (στους 15 °C) κατάφεραν να οδηγήσουν σε σημαντικά μεγαλύτερες αποδόσεις σε ελαιόλαδο ~ ίση με 22,5-23,0% (σχεδόν ίσες με του μη προεπεξεργασμένου δείγματος στους 30 °C), αυξάνοντας σημαντικά την ανάκτηση των φαινολικών συστατικών (έως και 516 mg GAE/kg) και διατηρώντας τα ποιοτικά χαρακτηριστικά στα παραγόμενα έλαια. Επιβεβαιώθηκε ότι, η θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της μάλαξης έχει κυρίαρχο ρόλο στον εμπλουτισμό του ελαίου με βιοδραστικές ενώσεις. Η μέγιστη συγκέντρωση φαινολικών ενώσεων που εκχυλίστηκαν στο έλαιο ύστερα από επεξεργασία με ΠΗΠ και ΥΠ στους 15 °C ήταν 516 και 501 mg GAE/kg αντίστοιχα, ενώ η αντίστοιχη συγκέντρωση των φαινολικών ενώσεων του μη προεπεξεργασμένου δείγματος στους 30 °C ήταν 743 mg GAE/kg. Η αύξηση της απόδοσης σε ελαιόλαδο και της συγκέντρωσης των φαινολικών ενώσεων στο παραγόμενο ελαιόλαδο σε σχέση με το μη προεπεξεργασμένο δείγμα περιγράφηκε μαθηματικά συναρτήσει του δείκτη κυτταρικής διάρρηξης Ζ με σιγμοειδές μαθηματικό μοντέλο για κάθε προεπεξεργασία, τεκμηριώνοντας ότι η απόδοση εξαρτάται από τον βαθμό διάρρηξης των κυττάρων του, ανεξάρτητα από τον τρόπο με τον οποίο επιτεύχθηκε αυτός (ένταση και παλμοί ή πίεση και χρόνος). Πραγματοποιήθηκε αριστοποίηση της μάλαξης υποβοηθούμενης με ΠΗΠ και ΥΠ μέσω του σχεδιασμού Box-Behnken με τρεις παραμέτρους (θερμοκρασία, χρόνος μάλαξης και ένταση των συνθηκών επεξεργασίας με ΠΗΠ και ΥΠ) ώστε να διερευνηθεί κατά πόσο οι δυο προεπεξεργασίες μπορούν να μειώσουν την ένταση των συνθηκών της μάλαξης (χρόνος και θερμοκρασία) οδηγώντας σε μέγιστη δυνατή απόδοση με διατήρηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών του παραγόμενου ελαιόλαδου. Αποδείχθηκε ότι είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί η ελάχιστη δυνατή θερμοκρασία και χρόνος μάλαξης, καθώς και η ελάχιστη δυνατή ένταση συνθηκών με τη μέγιστη δυνατή απόδοση σε ελαιόλαδο και φαινολικά συστατικά για λόγους ελαχιστοποίησης της κατανάλωσης ενέργειας. Για την προεπεξεργασία με ΠΗΠ, τη μέγιστη απόδοση σε ελαιόλαδο (25,02%), και συγκέντρωση φαινολικών συστατικών (832,05 mg GAE/kg ελαίου) έδωσαν οι τιμές των παραγόντων: T=26°C, t=37 min και Z=0,7. Για την προεπεξεργασία με ΥΠ, τη μέγιστη απόδοση σε ελαιόλαδο (25,72%), και συγκέντρωση φαινολικών συστατικών (839,75 mg GAE/kg ελαίου) έδωσαν οι τιμές των παραγόντων: T=26°C, t=37 min και Z=0,7. Ακολούθως, συγκρίθηκε η προεπεξεργασία με ΠΗΠ (5 kV/cm, 100 παλμούς, Ζ=0,7) και ΥΠ (600 MPa, 5 min, Ζ=0,7) της ελαιόπαστας στις βέλτιστες συνθήκες που προέκυψαν από τα μοντέλα προσαρμογής σε επιλεγμένες συνθήκες μάλαξης (30 °C για 30 και 15 min, 22°C για 30 min) με την αντίστοιχη συμβατική διαδικασία παραγωγής ελαιόλαδου (30 °C και 30 min) όσον αφορά την απόδοση σε ελαιόλαδο, της συγκέντρωση βιοδραστικών συστατικών, τα ποιοτικά και οργανοληπτικά χαρακτηριστικά του παραγόμενου ελαιόλαδου. Από τα αποτελέσματα υπολογίσθηκε ότι η προεπεξεργασία με ΠΗΠ και ΥΠ στις βέλτιστες συνθήκες αύξησε την απόδοση σε ελαιόλαδο κατά 8,3 και 7,0% σε σχέση με το μη προεπεξεργασμένο δείγμα (22,5%) σε συνθήκες μάλαξης 30 °C και 30 min, ενώ στον μισό χρόνο μάλαξης (15 min), είχαν απόδοση σε ελαιόλαδο 23,1% και 22,8% αντίστοιχα, δηλαδή σχεδόν ίση με το μη προεπεξεργασμένο δείγμα. Επιπλέον, σε χαμηλότερη θερμοκρασία μάλαξης ίση με 22 °C, οι δυο προεπεξεργασίες είχαν απόδοση σε ελαιόλαδο 23,9 και 22,7%, σχεδόν ίση με το μη προεπεξεργασμένο δείγμα στους 30 °C και 30 min. Παράλληλα, στους 30 °C η συγκέντρωση των φαινολικών συστατικών στα παραγόμενα ελαιόλαδα αυξήθηκε κατά 9,3% και 4,9% σε σχέση με το μη προεπεξεργασμένο δείγμα (745 mg GAE/kg) για τα προεπεξεργασμένα με ΠΗΠ και ΥΠ δείγματα, αντίστοιχα, ενώ στον μισό χρόνο μάλαξης (15 min) η συγκέντρωση των φαινολικών συστατικών από τις δυο προεπεξεργασίες εξισώθηκε με αυτήν των μη προεπεξεργασμένων δειγμάτων (συμβατική μάλαξη, 30 °C και 30 min). Παράλληλα, η προεπεξεργασία με ΠΗΠ και ΥΠ αύξησε τη συγκέντρωση των επιμέρους φαινολικών συστατικών [υδροξυτυροσόλης-κατά 68 και 44% (184 mg/kg και 157 mg/kg), τυροσόλης- κατά 63 και 41,6% (93 mg/kg και 81 mg/kg), αντίστοιχα και της α-τοκοφερόλης κατά 59 και 65 % (66,9 mg/kg και 66,5 mg/kg)], αντίστοιχα στα παραγόμενα έλαια. Επιπλέον, σε θερμοκρασία μάλαξης 30 °C και 15 min, οι συγκεντρώσεις όλων των μεμονωμένων φαινολικών συστατικών των ελαιόλαδων που προέκυψαν από την προεπεξεργασία με ΥΠ και ΠΗΠ ήταν μεγαλύτερες (έως και κατά 10 %) από το μη προεπεξεργασμένο δείγμα στους 30 °C και 30 min. Σε θερμοκρασία μάλαξης 22 °C και 30 min, οι δυο προεπεξεργασίες οδήγησαν σε ελαιόλαδα με σχεδόν ίσες συγκεντρώσεις των μεμονωμένων φαινολικών συστατικών σε σχέση με το μη προεπεξεργασμένο δείγμα. Όπως ήταν αναμενόμενο, οι χρόνοι επαγωγής των ελαιόλαδων είχαν πλήρη συσχέτιση με τη συγκέντρωση των φαινολικών συστατικών και της α-τοκοφερόλης για όλα τα δείγματα. Τα ελαιόλαδα που είχαν προκύψει από τις δυο προεπεξεργασίες εμφάνισαν μεγαλύτερο χρόνο επαγωγής (178 και 197 h για τα προεπεξεργασμένα με ΠΗΠ και ΥΠ ελαιόλαδα) σε σχέση με το μη προεπεξεργασμένο ελαιόλαδο στους 30 °C (121 h). Τα ελαιόλαδα που παράχθηκαν από μάλαξη στους 22 °C είχαν ίση ή μικρότερη οξειδωτική σταθερότητα (119 και 125 h για τα προεπεξεργασμένα με ΠΗΠ και ΥΠ ελαιόλαδα) σε σχέση με το μη προεπεξεργασμένο δείγμα (121 h). Επιπλέον, οι δυο προεπεξεργασίες δεν επηρέασαν τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των παραγόμενων ελαιόλαδων. Αξίζει να σημειωθεί, ότι τα δείγματα που είχαν μαλαχθεί σε θερμοκρασία 22 °C είχαν ελαφρώς πιο φρουτώδη γεύση άλλα λιγότερο πικάντικη και πικρή σε σχέση με τα ελαιόλαδα που προέκυψαν από μάλαξη στους 30°C. Η πιο φρουτώδης γεύση οφείλεται στη χαμηλότερη θερμοκρασία μάλαξης ενώ η λιγότερο πικρή και πικάντικη γεύση στη μικρότερη συγκέντρωση των φαινολικών συστατικών που έχουν τα ελαιόλαδα στους 22°C. Στη δεύτερη θεματική ενότητα, μελετήθηκε η εκχύλιση ενδοκυτταρικών συστατικών από ελαιοπυρήνα με διαλύτη αιθανόλη-νερό υποβοηθούμενη από ΠΗΠ και ΥΠ, με στόχο την παραλαβή βιοδραστικών συστατικών από παραπροϊόντα με μεγαλύτερη απόδοση ανάκτησης, καθώς επίσης και με μειωμένη κατανάλωσης ενέργειας. Ο ελαιοπυρήνας μετά την παραλαβή του από τη φυγόκεντρο δύο φάσεων υπέστη ξήρανση υπό κενό και αλέσθηκε (2 mm). Πραγματοποιήθηκε πλήρες κινητικό πείραμα εκχύλισης σε διάφορες θερμοκρασίες εκχύλισης (25, 40 και 60 °C) και διαλύτη αιθανόλης:νερού (25:75, 50:50 και 70:30), ως προς τη συγκέντρωση των φαινολικών συστατικών, των πρωτεϊνών και την αντιοξειδωτική ικανότητα των εκχυλισμάτων. Επιλέχθηκαν ως βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης η 50% συγκέντρωση αιθανόλης, 25 °C και 60 min. Η συγκέντρωση των φαινολικών ενώσεων και των πρωτεϊνών κατά τη διάρκεια της εκχύλισης των 60 min κυμάνθηκε από 1,43 έως 2,64 g GAE/100 g ελαιοπυρήνα ξ.β. και 1,25 έως 3,98 g/100 g ελαιοπυρήνα ξ.β., αντίστοιχα. Ακολούθως, πραγματοποιήθηκε πλήρες κινητικό πείραμα των ΠΗΠ (1,0-6,5 kV/cm) και της ΥΠ (100-600 MPa) ως προεπεξεργασίες στον ελαιοπυρήνα πριν την εκχύλιση (25 °C, 60 min, 50% συγκέντρωση αιθανόλης σε νερό) προσδιορίζοντας τη συγκέντρωση των ολικών φαινολικών συστατικών και ολικών πρωτεϊνών και την αντιοξειδωτική ικανότητα των εκχυλισμάτων από ελαιοπυρήνα και συγκρίθηκαν με τα επεξεργασμένα συμβατικά εκχυλίσματα. Στα πειραματικά δεδομένα προσαρμόσθηκε ανοιγμένο μοντέλο πρώτης τάξης.Στην προεπεξεργασία με ΠΗΠ, το ολικό περιεχόμενο φαινολικών συστατικών και πρωτεϊνών των εκχυλισμάτων ελαιοπυρήνα κυμάνθηκε από 1,53 έως 3,34 g GAE/100 g ελαιοπυρήνα ξ.β. και από 2,06 έως 5,72 g GAΕ/100 g ελαιοπυρήνα ξ.β, αντίστοιχα. Παράλληλα, στην προεπεξεργασία με ΥΠ, το ολικό περιεχόμενο φαινολικών συστατικών και πρωτεϊνών των εκχυλισμάτων ελαιοπυρήνα κυμάνθηκε από 1,88 έως 2,94 g GAE/100 g ελαιοπυρήνα ξ.β. και από 1,30 έως 4,69 g GAE/100 g ελαιοπυρήνα ξ.β., αντίστοιχα. Η τάση που ακολουθήθηκε και στις δύο προεπεξεργασίες είναι ότι με αύξηση της έντασης των συνθηκών, ο ρυθμός της εκχύλισης των ενδοκυτταρικών ενώσεων αυξανόταν σημαντικά. Εξαίρεση αποτελεί η ανάκτηση των πρωτεϊνών από ελαιοπυρήνα, καθώς σε υψηλές πιέσεις (>400 MPa) παρατηρήθηκε μείωση της συγκέντρωσης τους, που πιθανώς οφείλεται στη μετουσίωση τους από την αύξηση της πίεσης. Συγκρίνοντας τις τρεις μεθόδους εκχύλισης, βρέθηκε ότι προεπεξεργασία με ΠΗΠ ήταν πιο αποτελεσματική στην ανάκτηση φαινολικών ενώσεων σε σχέση με την προεπεξεργασία με ΥΠ σε χαμηλές ενέργειες (<6,4 kJ/kg), ενώ το αντίστροφο συνέβη σε μεγαλύτερες ενέργειες (συνθήκη που αντιστοιχεί πάνω από 400 MPa). Το ολικό περιεχόμενο σε φαινολικά συστατικά του εκχυλίσματος που προέκυψε με χρήση των ΠΗΠ και ΥΠ αυξήθηκε κατά 32 και 34% του αντίστοιχου που προέκυψε με τη συμβατική εκχύλιση (2,10 g GAE/100 g ελαιοπυρήνα ξ.β.). Επίσης τα εκχυλίσματα που προέκυψαν με τα ΠΗΠ και την ΥΠ εμφάνισαν 21% (3,44 mMTE) και 15% (3,28 mM TE) μεγαλύτερη αντιοξειδωτική δράση σε σχέση με το συμβατικά επεξεργασμένο δείγμα (2,84 mM TE). Ως προς την ανάκτηση των πρωτεϊνών από ελαιοπυρήνα, η προεπεξεργασία με ΥΠ, αύξησε σημαντικά (έως και κατά 45%) τη συγκέντρωση των πρωτεϊνών μέχρι τη συνθήκη που αντιστοιχεί στα 6,41 kJ/kg (200 ΜPa), εφόσον μετά η συγκέντρωση ήταν σχεδόν ίση με του συμβατικά επεξεργασμένου (2,5 g GAE/100 g ελαιοπυρήνα ξ.β.). Αντιθέτως, τα ΠΗΠ με αύξηση της ενέργειας (πιο έντονες συνθήκες) εμπλούτισαν το εκχύλισμα σε πρωτεΐνες ως και κατά 32% περισσότερο (3,4 g GAE/100 g ελαιοπυρήνα ξ.β) από ότι με τη συμβατική εκχύλιση. Επιπρόσθετα, οι δυο προεπεξεργασίες μείωσαν τον απαιτούμενο χρόνο εκχύλισης t98 (όπου τα επεξεργασμένα με ΠΗΠ ή ΥΠ δείγματα θα αποκτήσουν το 98% της συγκέντρωσης φαινολικών συστατικών ή πρωτεϊνών που έχει το συμβατικά επεξεργασμένο δείγμα στο τέλος των 60 min της συμβατικής εκχύλισης) έως και σε 5 και 12 min, αντίστοιχα. Στις πιο έντονες συνθήκες των δυο προεπεξεργασιών (>24 kJ/kg) ο απαιτούμενος χρόνος εκχύλισης t98 υπολογίστηκε κάτω από 1 min, που αυτό σημαίνει ότι τα εκχυλίσματα είχαν την επιθυμητή συγκέντρωση αμέσως μετά την επεξεργασία με ΠΗΠ ή ΥΠ χωρίς να πραγματοποιηθεί περαιτέρω η συμβατική εκχύλιση. Μελετήθηκε η αριστοποίηση (μέσω της μεθόδου των αποκριτικών επιφανειών) της εκχύλισης υποβοηθούμενης από ΠΗΠ και ΥΠ ως προς το χρόνο εκχύλισης και την ένταση των συνθηκών με ΠΗΠ ή ΥΠ εκφρασμένη ως προς ενέργεια που καταναλώνεται στην κάθε προεπεξεργασία, βασιζόμενη στο ολικό φαινολικό περιεχόμενο, και τα επιμέρους φαινολικά συστατικά στα εκχυλίσματα. Η συγκέντρωση των ολικών και των επιμέρους φαινολικών συστατικών (υδροξυτυροσόλη, τυροσόλη, ελευρωπαΐνη, καεμφερόλη, λουτεολίνη και φερουλικό οξύ) για την προεπεξεργασία με ΠΗΠ εμφάνισαν τη μέγιστη τιμή τους σε χρόνους εκχύλισης μικρότερους από 60 min (30-40 min) και για προσφερόμενη ενέργεια από 11-14,5 kJ/kg (που αντιστοιχεί 3-5kV/cm). Αντίστοιχα, για την προεπεξεργασία με ΥΠ, οι αποκρίσεις που μελετήθηκαν εμφάνισαν τη μέγιστη τιμή τους σε χρόνους εκχύλισης μικρότερους από 60 min (30-40 min) και για ενέργεια από 15.0-36,1 kJ/kg (που αντιστοιχεί σε πιέσεις 400-600 MPa). Τέλος, έγινε αριστοποίηση (μέσω της μεθόδου των αποκριτικών επιφανειών) της συμβατικής εκχύλισης και της εκχύλισης υποβοηθούμενης με ΠΗΠ (5 kV/cm, 11 kJ/kg) και ΥΠ (350 MPa, 10 min, 15 kJ/kg) για την παραλαβή εκχυλίσματος μεγάλης απόδοσης με όσο το μικρότερο δυνατό χρόνο εκχύλισης και όγκο διαλύτη. Για τη συμβατική εκχύλιση, τη μέγιστη τιμή για το ολικό περιεχόμενο φαινολικών συστατικών (2.78 g GAE/100 g ελαιοπυρήνα ξ.β.), τη συγκέντρωση πρωτεϊνών (4,10 g/100 g ελαιοπυρήνα) και την αντιοξειδωτική ικανότητα (3,27 mM TE) έδωσαν οι τιμές των παραγόντων: t=50-60 min και συγκέντρωση αιθανόλης 45-50%. Για την προεπεξεργασία με ΠΗΠ, τη μέγιστη τιμή για το ολικό περιεχόμενο φαινολικών συστατικών (3,13 g GAE/100 g ελαιοπυρήνα ξ.β.), τη συγκέντρωση πρωτεϊνών (5,40 g/100 g ελαιοπυρήνα), και την αντιοξειδωτική ικανότητα (3,83 mM TE) έδωσαν οι τιμές των παραγόντων: t=45-60 min και συγκέντρωση αιθανόλης 35-50%. Για την προεπεξεργασία με ΥΠ, τη μέγιστη τιμή για το ολικό περιεχόμενο φαινολικών συστατικών (3,18 g GAE/100 g ελαιοπυρήνα ξ.β.), τη συγκέντρωση πρωτεϊνών (5.13 g/100 g ελαιοπυρήνα), και την αντιοξειδωτική ικανότητα (3,37 mM TE) έδωσαν οι τιμές των παραγόντων: t=45-60 min και συγκέντρωση αιθανόλης 40-50%.Σύμφωνα λοιπόν με τα αποτελέσματα αυτής της διατριβής, τα Παλμικά Ηλεκτρικά Πεδία και η Υπερυψηλή Πίεση έδειξαν να είναι ιδιαίτερα υποσχόμενες νέες τεχνολογίες για εφαρμογή ως προεπεξεργασίες για την παραγωγή φυτικών προϊόντων (προϊόντα τομάτας και ελαιόλαδο) με αυξημένη απόδοση και ανώτερα ποιοτικά χαρακτηριστικά καθώς και για την αποτελεσματικότερη αξιοποίηση των παραπροϊόντων τους. Η χρήση τους στα διάφορα στάδια της παραγωγικής διαδικασίας οδήγησε (α) στην αύξηση της απόδοσης της κάθε διεργασίας, (β) στην παραγωγή προϊόντων με ανώτερα ποιοτικά χαρακτηριστικά, εμπλουτισμένα με βιοδραστικές και αντιοξειδωτικές ουσίες και (γ) στη μείωση της έντασης των συνθηκών της κάθε διεργασίας. Παράλληλα, η χρήση τους ως προεπεξεργασίες για την ενίσχυση ή/και αντικατάσταση των συμβατικών μεθόδων εκχύλισης βιοδραστικών ενώσεων από παραπροϊόντα είναι μία συμφέρουσα και πολύ ελκυστική προσέγγιση για εφαρμογή σε βιομηχανική κλίμακα.