Νέες τεχνολογίες εκχύλισης πρωτεϊνών από υπολείμματα ελαιοκράμβης

Γουδουσάκη, Έλενα Μαρία; Goudousaki, Elena Maria

dc.contributor.author	Γουδουσάκη, Έλενα Μαρία	el
dc.contributor.author	Goudousaki, Elena Maria	en
dc.date.accessioned	2022-09-28T10:46:16Z
dc.date.available	2022-09-28T10:46:16Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55804
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23502
dc.rights	Default License
dc.subject	Εκχύλιση	el
dc.subject	Μικροκύματα	el
dc.subject	Πρωτεΐνες	el
dc.subject	Ελαιοκράμβη	el
dc.subject	Πρωτεϊνικό υπερσυμπύκνωμα	el
dc.subject	Απόδοση	el
dc.subject	Extraction	en
dc.subject	Microwaves	en
dc.subject	Proteins	en
dc.subject	Rapeseed	en
dc.subject	Protein isolate	en
dc.subject	Yield	en
dc.title	Νέες τεχνολογίες εκχύλισης πρωτεϊνών από υπολείμματα ελαιοκράμβης	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Χημεία Τροφίμων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-02-23
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η εκχύλιση πρωτεϊνών από ελαιοκράμβη για παραγωγή πρωτεϊνικών υπερσυμπυκνωμάτων μέσω της συμβατικής, αλλά και νέων μεθόδων εκχύλισης. Τέτοιες μέθοδοι εκχύλισης είναι η εκχύλιση υποβοηθούμενη από μικροκύματα, η εκχύλιση υποβοηθούμενη από ένζυμα και η εκχύλιση με βαθέως ευτηκτικούς διαλύτες. Πρώτη ύλη για την εκχύλιση αποτελεί το βιομηχανικά απελαιωμένο πρωτεϊνικό άλευρο ελαιοκράμβης που έχει παραχθεί ως παραπροϊόν της διεργασίας εκχύλισης κραμβέλαιου από ελαιοκράμβη. Το πρωτεϊνικό άλευρο έχει περιεκτικότητα σε έλαιο ίση με 3,25% (ξ.β.), περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη ίση με 39,47% (ξ.β.) και περιεκτικότητα σε υγρασία ίση με 9,98%. Η υψηλή περιεκτικότητά του σε πρωτεΐνες το καθιστά ικανοποιητική πηγή πρωτεϊνών, οι οποίες παραλαμβάνονται μέσω των σταδίων της εκχύλισης και της καταβύθισης. Πριν από το στάδιο της εκχύλισης, πραγματοποιείται άλεση του πρωτεϊνικού αλεύρου ελαιοκράμβης σε διάμετρο σωματιδίων ίση με 0,05 mm. Η εκχύλιση των πρωτεϊνών πραγματοποιείται αρχικά μέσω της συμβατικής εκχύλισης. Ειδικότερα, ορισμένη ποσότητα πρώτης ύλης μαζί με απιονισμένο νερό ως διαλύτης φέρονται σε ποτήρι ζέσεως που τοποθετείται σε υδατόλουτρο. Η θερμοκρασία, το pH και η ανάδευση διατηρούνται σταθερά κατά την εκχύλιση των πρωτεϊνών η οποία λαμβάνει τέλος μετά το πέρας 30 min. Μετά την εκχύλιση των πρωτεϊνών ακολουθεί η καταβύθισή τους στο ισοηλεκτρικό τους σημείο, το οποίο βρίσκεται πειραματικά ίσο με 4,25. Οι καταβυθισμένες πρωτεΐνες ξηραίνονται υπό κατάψυξη και αποτελούν το τελικό πρωτεϊνικό υπερσυμπύκνωμα. Ο προσδιορισμός των πρωτεϊνών γίνεται με τη μέθοδο Kjeldahl. Εκτός από τη συμβατική εκχύλιση, η κύρια μέθοδος εκχύλισης των πρωτεϊνών που μελετάται είναι η εκχύλιση υποβοηθούμενη από μικροκύματα. Κατά την εκχύλιση με μικροκύματα, το ποτήρι ζέσεως που περιέχει την πρώτη ύλη και το νερό τοποθετείται σε φούρνο μικροκυμάτων, αντί για συμβατικό υδατόλουτρο. Μέσω πειραματικού σχεδιασμού, έγινε βελτιστοποίηση της απόδοσης εκχύλισης των πρωτεϊνών, της απόδοσης καταβύθισης των πρωτεϊνών, της ολικής απόδοσης της διεργασίας και του πρωτεϊνικού περιεχομένου των πρωτεϊνικών υπερσυμπυκνωμάτων για κάθε μέθοδο εκχύλισης, μέσω της εξέτασης ορισμένων συνθηκών εκχύλισης. Στη συμβατική εκχύλιση εξετάζεται το pH εκχύλισης (8,0, 9,0), η θερμοκρασία εκχύλισης (40, 50 οC) και ο λόγος στερεού/υγρό (1/15, 1/20, 1/25 g/mL), ενώ ο χρόνος εκχύλισης είναι σταθερός 30 min. Στην εκχύλιση με μικροκύματα εξετάζεται ο χρόνος εκχύλισης (2, 5, 8, 10 min), η ισχύς των μικροκυμάτων (240, 400 W) και ο λόγος στερεού/υγρό (1/20, 1/25 g/mL), ενώ η τιμή του pH διατηρείται ίση με 8,0. Κατά τη συμβατική εκχύλιση, οι μέγιστες τιμές απόδοσης εκχύλισης, απόδοσης καταβύθισης, ολικής απόδοσης και πρωτεϊνικού περιεχομένου του υπερσυμπυκνώματος είναι ίσες με 29,76%, 31,41%, 9,35% και 86,10%, αντίστοιχα. 6 Βρέθηκε ότι το pH και η θερμοκρασία εκχύλισης επηρεάζουν σημαντικά την απόδοση καταβύθισης των πρωτεϊνών, ενώ το pH εκχύλισης επηρεάζει σημαντικά και την ολική απόδοση της διεργασίας. Οι βέλτιστες συνθήκες βρέθηκε να είναι pH 9,0, θερμοκρασία 50 οC και λόγος στερεού/υγρό 1/25 g/mL, όπου επιτυγχάνουν απόδοση εκχύλισης, απόδοση καταβύθισης, ολική απόδοση και πρωτεϊνικό περιεχόμενο του υπερσυμπυκνώματος ίσα με 29,76%, 31,41%, 9,35% και 83,50%, αντίστοιχα. Σε αυτές τις συνθήκες, η ικανότητα απορρόφησης νερού και ικανότητα απορρόφησης ελαίου από τα πρωτεϊνικά υπερσυμπυκνώματα είναι 433 g νερού/100 g δείγματος και 640 mL ελαίου/100 g δείγματος, αντίστοιχα. Στη συνέχεια μελετήθηκε η παραλαβή πρωτεϊνικών υπερσυμπυκνωμάτων μέσω συμβατικής εκχύλισης εργαστηριακά απελαιωμένου πρωτεϊνικού αλεύρου σε συνθήκες εκχύλισης pH 8,0 και 9,0, θερμοκρασία 50 οC και λόγος στερεού/υγρό 1/25 g/mL. Βρέθηκε ότι το στάδιο της απελαίωσης δεν επηρεάζει σημαντικά καμία από τις αποκρίσεις. Επιπλέον, μελετήθηκε η χρήση ευτηκτικού διαλύτη <<κιτρικό οξύ-γλυκόζη>> κατά τη συμβατική εκχύλιση. Με θερμοκρασία εκχύλισης 50 oC και λόγο στερεού/υγρό 1/25 g/mL επιτεύχθηκε απόδοση εκχύλισης ίση με 39,55%, υψηλότερη σε σχέση με τη συμβατική εκχύλιση. Όμως, δεν ήταν δυνατή η καταβύθιση των πρωτεϊνών στο ισοηλεκτρικό τους σημείο, λόγω του υψηλού ιξώδους του ευτηκτικού διαλύτη. Κατά την νέα μέθοδο εκχύλισης με μικροκύματα, οι μέγιστες τιμές απόδοσης εκχύλισης, απόδοσης καταβύθισης, ολικής απόδοσης και πρωτεϊνικού περιεχομένου του υπερσυμπυκνώματος είναι ίσες με 34,57%, 30,96%, 7,35% και 87,68%, αντίστοιχα. Βρέθηκε ότι ο χρόνος εκχύλισης επηρεάζει σημαντικά την απόδοση εκχύλισης των πρωτεϊνών. Πιο συγκεκριμένα, ο χρόνος 10 min φέρει τη μέγιστη απόδοση εκχύλισης, διαφέροντας σημαντικά από τον χρόνο 2 min. Οι βέλτιστες συνθήκες βρέθηκε να είναι χρόνος εκχύλισης 10 min, ισχύς μικροκυμάτων 400 W και λόγος στερεού/υγρό 1/25 g/mL, όπου επιτυγχάνουν απόδοση εκχύλισης, απόδοση καταβύθισης, ολική απόδοση και πρωτεϊνικό περιεχόμενο του υπερσυμπυκνώματος ίσα με 34,57%, 21,26%, 7,35% και 71,44%, αντίστοιχα. Σε αυτές τις συνθήκες, η ικανότητα απορρόφησης νερού και ικανότητα απορρόφησης ελαίου από τα πρωτεϊνικά υπερσυμπυκνώματα είναι 460 g νερού/100 g δείγματος και 773 mL ελαίου/100 g δείγματος, αντίστοιχα. Όσον αφορά τη σύγκριση συμβατικής εκχύλισης και εκχύλισης με μικροκύματα, η εκχύλιση υποβοηθούμενη από μικροκύματα επιτυγχάνει υψηλότερη απόδοση εκχύλισης, ολική απόδοση, πρωτεϊνικό περιεχόμενο στο υπερσυμπύκνωμα και ικανότητα απορρόφησης νερού και ελαίου των υπερσυμπυκνωμάτων. Όμως, η απόδοση καταβύθισης όταν εφαρμόζεται η μέθοδος της εκχύλισης με μικροκύματα είναι σημαντικά μικρότερη από την αντίστοιχη απόδοση καταβύθισης όταν εφαρμόζεται η συμβατική εκχύλιση. Μελετήθηκε και η παραλαβή πρωτεϊνικών υπερσυμπυκνωμάτων μέσω εκχύλισης θερμικά προκατεργασμένου πρωτεϊνικού αλεύρου ελαιοκράμβης. Πραγματοποιήθηκε συμβατική εκχύλιση σε συνθήκες: pH 9,0, θερμοκρασία 50 οC, 7 λόγος στερεού/υγρό 1/25 g/mL, χρόνος 30 min και εκχύλιση με μικροκύματα σε συνθήκες: pH 8,0, χρόνος εκχύλισης 10 min, ισχύς μικροκυμάτων 400 W, λόγος στερεού/υγρό 1/25 g/mL. Η θερμική προκατεργασία της πρώτης ύλης επιφέρει καλύτερα αποτελέσματα για όλεw τις αποκρίσεις, πέραν της απόδοσης εκχύλισης των πρωτεϊνών. Παρ’ όλα αυτά προκύπτει ότι η θερμική προκατεργασία ή μη της πρώτης ύλης δεν αποτελεί σημαντικό παράγοντα για καμία από τις αποκρίσεις. Τέλος, μελετήθηκε το στάδιο της ενζυμικής προκατεργασίας του πρωτεϊνικού αλεύρου ελαιοκράμβης. Κατά την ενζυμική προκατεργασία χρησιμοποιήθηκε κυτταρινάση Cellic Ctec2, ημικυτταρινάση Cellic Htec και μείγμα κυτταρινάσης Cellic Ctec2 και ημικυτταρινάσης Cellic Htec, αλλά τις υψηλότερες τιμές των αποκρίσεων έδωσε η κυτταρινάση Ctec2 και το μείγμα Ctec2 και Htec. Κατά τη συμβατική εκχύλιση με προκατεργασία με κυτταρινάση Ctec2, επιτεύχθηκε απόδοση εκχύλισης, απόδοση καταβύθισης, ολική απόδοση, πρωτεϊνικό περιεχόμενο του υπερσυμπυκνώματος, ικανότητα απορρόφησης νερού και ικανότητα απορρόφησης ελαίου αυτού ίσα με 39,49%, 14,52%, 5,73%, 60,51%, 700 g νερού/100 g δείγματος και 1.100 mL ελαίου/100 g δείγματος, αντίστοιχα. Κατά τη συμβατική εκχύλιση με προκατεργασία με μείγμα κυτταρινάσης Ctec2 και ημικυτταρινάσης Htec, επιτεύχθηκε απόδοση εκχύλισης, απόδοση καταβύθισης, ολική απόδοση, πρωτεϊνικό περιεχόμενο του υπερσυμπυκνώματος, ικανότητα απορρόφησης νερού και ικανότητα απορρόφησης ελαίου αυτού ίσα με 41,20%, 12,11%, 4,99%, 73,81%, 600 g νερού/100 g δείγματος και 1.000 mL ελαίου/100 g δείγματος, αντίστοιχα. Κατά την εκχύλιση υποβοηθούμενη από μικροκύματα με προκατεργασία με κυτταρινάση Ctec2, επιτεύχθηκε απόδοση εκχύλισης, απόδοση καταβύθισης, ολική απόδοση, πρωτεϊνικό περιεχόμενο του υπερσυμπυκνώματος, ικανότητα απορρόφησης νερού και ικανότητα απορρόφησης ελαίου αυτού ίσα με 36,32%, 17,56%, 6,38%, 71,59%, 500 g νερού/100 g δείγματος και 1.000 mL ελαίου/100 g δείγματος, αντίστοιχα. Κατά την εκχύλιση υποβοηθούμενη από μικροκύματα με προκατεργασία με μείγμα κυτταρινάσης Ctec2 και ημικυτταρινάσης Htec, επιτεύχθηκε απόδοση εκχύλισης, απόδοση καταβύθισης, ολική απόδοση, πρωτεϊνικό περιεχόμενο του υπερσυμπυκνώματος, ικανότητα απορρόφησης νερού και ικανότητα απορρόφησης ελαίου αυτού ίσα με 33,60%, 13,94%, 4,68%, 60,45%, 600g νερού/100 g δείγματος και 800 mL ελαίου/100 g δείγματος, αντίστοιχα. Η προκατεργασία με ένζυμα παρέχει υψηλότερη απόδοση εκχύλισης των πρωτεϊνών και ικανότητα απορρόφησης νερού και ελαίου των υπερσυμπυκνωμάτων, αλλά χαμηλότερη απόδοση καταβύθισης των πρωτεϊνών και πρωτεϊνικό περιεχόμενο των υπερσυμπυκνωμάτων. Από την άλλη, η ενζυμική προκατεργασία της πρώτης ύλης δεν αποτελεί σημαντικό παράγοντα για καμία από τις αποκρίσεις	el
heal.abstract	In this thesis, the extraction of proteins from rapeseed is examined for the production of protein isolates through conventional and modern methods of extraction. Some modern methods of extraction are microwave-assisted extraction, enzyme-assisted extraction and extraction with deep eutectic solvents. The raw material for the extraction is the industrially defatted rapeseed protein flour, which is produced as by product from the oil extraction of rapeseed. The protein flour has oil content equal to 3.25% (dry basis), protein content 39.47% (d.b.) and water content 9.98%. The high content of proteins makes it a healthy source of proteins, which are delivered via extraction and precipitation. Before the stage of extraction, a stage of sieving occurs to the protein flour of rapeseed so the diameter of particles is equal to 0.05 mm. Extraction of proteins firstly occurs through conventional extraction. Specifically, a certain quantity of the raw material with distilled water as solvent is placed in a beaker which is placed in the water bath. During the 30 min of extraction of proteins, temperature, pH and agitation are preserved stable. The extraction of proteins is followed by their precipitation at their isoelectric point, which is calculated to be equal to 4.25. The precipitated proteins are freeze dried and form the final protein isolate. The determination of proteins is derived from Kjeldahl method. Apart from the conventional extraction, the other extraction method of proteins that is examined is the microwave-assisted extraction. In microwave assisted extraction, the beaker, which contains the raw material and the distilled water, is placed at the microwave oven in place of the water bath. Through experimental design, extraction yield of proteins, precipitation yield of proteins, total yield of the process and protein content of the protein isolates were optimized for every method of extraction, via the examination of certain extraction conditions. In the conventional extraction, the pH of extraction (8.0, 9.0), the temperature of extraction (40, 50 οC) and the solid/liquid ratio (1/15, 1/20, 1/25 g/mL) are examined, while the time of extraction is 30 min. In the microwave-assisted extraction, the time of extraction (2, 5, 8, 10 min), the power of microwaves (240, 400 W) and the solid/liquid ratio (1/20, 1/25 g/mL) are examined, while the pH is 8.0. In the conventional extraction, the maximum value of extraction yield, precipitation yield, total yield and protein content of isolates are equal to 29.76%, 31.41%, 9.35% and 86.10%,respectively. The pH and the temperature of extraction were found to significantly affect the precipitation yield of proteins, while the pH of extraction was found to significantly affect the total yieldof the process. The optimal conditions were found to be pH 9.0, temperature 50 oC andsolid/liquid ration 1/25 g/mL, which achieve extraction yield, precipitation yield, total yield and protein content of isolates equal to 29.76%, 31.41%, 9.35% and 83.50%, respectively. Under these conditions, the water holding capacity and oil holding capacity of the protein isolates are 433 g water/100 g sample and 640 mL oil/100 g sample, respectively. Then, the production of protein isolates through conventional extraction of laboratory defatted protein flour was studied. The extraction conditions were pH 8.0 and 9.0, temperature 50 oC and solid/liquid ratio 1/25 g/mL. It was found that the stage of defatting does not significantly affect the responses. Furthermore, the use of the eutectic solvent <<citric acid-glucose>> was examined with conventional extraction. With extraction temperature 50 oC and solid/solvent ratio 1/25g mL was achieved extraction yield equal to 39.55%, which is higher than the extraction yield of conventional extraction using water as solvent. But the isoelectric precipitation of the proteins was not possible, because of the high viscosity of the eutectic solvent. In the microwave-assisted extraction, the maximum value of extraction yield, precipitation yield, total yield and protein content of isolates are equal to 34.57%, 30.96%, 7.35% and 87.68%, respectively. The time of extraction was found to significantly affect the extraction yield of proteins. Specifically, the time 10 min achieve the maximum extraction yield and significantly differs from the time 2 min. The optimal conditions were found to be extraction time 10 min, microwave power 400 W and solid/liquid ration 1/25 g/mL, which achieve extraction yield, precipitation yield, total yield and protein content of isolates equal to 34.57%, 21.26%, 7.35% and 71.44%, respectively. Under theseconditions, the water holding capacity and oil holding capacity of the protein isolates are 460 g water/100 g sample and 773 mL oil/100 g sample, respectively. In comparison with the conventional extraction, the microwave-assisted extraction achieves higher extraction yield, total yield, protein content and water holding capacity and oil holding capacity of protein isolates. Nevertheless, the precipitation yield while using microwave-assisted extraction wasfound to be significantly lower than the precipitation yield with the conventional method. Also, the production of protein isolates through extraction of thermal pre-processed protein flour was studied. The extraction took place with the conventional method at conditions: pH 9.0, temperature 50 oC, solid/liquid ratio 1/25 g/mL, time 30 min and with microwaves at conditions: pH 8.0, time of extraction 10 min, power of microwaves 400 W, solid/liquid ratio 1/25 g/mL. The thermal pre-processing was found to achieve better results for all the responses, except for the extraction yield of proteins. Nevertheless, the thermal pre-processing does not significantly affect the responses. Finally, the stage of enzyme pre-processing of the protein flour of rapeseed was examined. The enzymes that were used were the cellulase Cellic Ctec2, the hemicellulase Cellic Htec and a mixture of the cellulase Cellic Ctec2 and the hemicellulase Cellic Htec. The higher values of the responses were obtained with the cellulase Ctec2 and the mixture cellulase Ctec2 and hemicellulase Htec. With conventional extraction and the use of cellulase Ctec2, extraction yield, precipitation yield, total yield, protein content of isolates, water holding capacity 10 and oil holding capacity of isolates were found to be equal to 39.49%, 14.52%, 5.73%, 60.51%, 700 g water/100 g sample and 1100 mL oil/100 g sample, respectively. With conventional extraction and the use of the mixture cellulase Ctec2 and hemicellulase Htec, extraction yield, precipitation yield, total yield, protein content of isolates, water holding capacity and oil holding capacity of isolates were found to be equal to 41.20%, 12.11%, 4.99%, 73.81%, 600 g water/100 g sample and 1000 mL oil/100 g sample, respectively. With microwave assisted extraction and the use of cellulase Ctec2, extraction yield, precipitation yield, total yield, protein content of isolates,water holding capacity and oil holding capacity of isolates were found to be equal to 36.32%, 17.56%, 6.38%, 71.59%, 500 g water/100 g sample and 1000 mL oil/100 g sample, respectively. With microwave-assisted extraction and the use of the mixture cellulase Ctec2 and hemicellulase Htec, extraction yield, precipitation yield, total yield, protein content of isolates, water holding capacity and oil holding capacity of isolates were found to be equal to 33.60%, 13.94%, 4.68%, 60.45%, 600 g water/100 g sample and 800 mL oil/100 g sample, respectively. The enzyme pre-processing brings higher extraction yield of the proteins and water holding capacity and oil holding capacity of the protein isolates, but lower precipitation yield of the proteins and protein content of the protein isolates. However, the enzyme pre-processing of the raw material does not significantly affect the responses.	en
heal.advisorName	Γιάννου, Βιργινία	el
heal.committeeMemberName	Τζιά, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Μαμμά, Διομή	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false