Αξιοποίηση υπολειμμάτων βύνης ζυθοβιομηχανίας (Brewer’s Spent Grains) με χρήση πράσινων διεργασιών

Κουτσομήτης, Ιωάννης; Koutsomitis, Ioannis

dc.contributor.author	Κουτσομήτης, Ιωάννης	el
dc.contributor.author	Koutsomitis, Ioannis	en
dc.date.accessioned	2022-10-05T09:48:30Z
dc.date.available	2022-10-05T09:48:30Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55844
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23542
dc.rights	Default License
dc.subject	Zυθοβιομηχανία	el
dc.subject	Brewing Industry	en
dc.subject	Yπολείμματα βύνης (BSG)	el
dc.subject	Fυσικοί βαθέως ευτηκτικοί διαλύτες (NaDES)	el
dc.subject	Eκχύλιση υποβοηθούμενη από υπερήχους	el
dc.subject	Pολυφαινόλες	el
dc.subject	Pειραματικός σχεδιασμός	el
dc.subject	Kαλλυντική κρέμα	el
dc.subject	Kαφεϊκό οξύ	el
dc.subject	Brewer’s Spent Grains (BSG)	en
dc.subject	Natural Deep Eutectic Solvents (NaDES)	en
dc.subject	Ultrasound-Assisted Extraction (UAE)	en
dc.subject	Polyphenols	en
dc.subject	Design of Experiments	en
dc.subject	Cosmetic Cream	en
dc.title	Αξιοποίηση υπολειμμάτων βύνης ζυθοβιομηχανίας (Brewer’s Spent Grains) με χρήση πράσινων διεργασιών	el
dc.title	Valorization of Brewer’s Spent Grains implementing green extraction methods	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Πράσινη Χημεία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-02-23
heal.abstract	Η μπίρα είναι ένα αρχαίο ποτό και ένα από τα πιο διαδεδομένα στη σύγχρονη εποχή. Τα δισεκατομμύρια εκατόλιτρα που παράγονται ετησίως για να καλύψουν τις ανάγκες των καταναλωτών έχουν ως αναπόφευκτη συνέπεια τη δημιουργία υπέρογκων αποβλήτων. Το κυριότερο απόβλητο της ζυθοβιομηχανίας αποτελούν τα υπολείμματα βύνης ή αλλιώς Brewer’s’ Spent Grains (BSG). Λόγω της δομής και της χημικής σύστασης του κριθαριού, τα BSG είναι πλούσια σε φαινολικές ενώσεις. Τα συστατικά αυτά είναι γνωστά για μια ποικιλία ευεργετικών ιδιοτήτων, που μπορούν να προσφέρουν πολλαπλά οφέλη στην ανθρώπινη υγεία. Οι φυσικοί βαθέως ευτηκτικοί διαλύτες (NaDES), μια σύγχρονη και πολυλειτουργική κατηγορία διαλυτών με πολλά πλεονεκτήματα, είναι ικανοί να εκχυλίσουν τις επιθυμητές βιοδραστικές ενώσεις από τα BSG. Η χρήση τους σε συνδυασμό με τεχνικές υψηλής ενέργειας, όπως οι υπέρηχοι, αποδίδουν μειωμένο χρόνο εκχύλισης και υψηλούς βαθμούς απόδοσης, ενισχύοντας φυσικά τον πράσινο χαρακτήρα της διεργασίας. Πρωταρχικός στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη και η βελτιστοποίηση μέσω Πειραματικού Σχεδιασμού (Design of Experiment, DoE), μιας καινοτόμου και πράσινης διεργασίας εκχύλισης βιοδραστικών ενώσεων από τα BSG. Παρότι πραγματοποιείται έως και σήμερα αξιοποίηση των ΒSG ως ζωοτροφή ή σε διεργασίες τεχνολογίας τροφίμων και παραγωγής χημικών προϊόντων, η εκχύλιση των βιοδραστικών του ενώσεων έχει μελετηθεί ελάχιστα στη βιβλιογραφία. Όσον αφορά την εκχύλιση BSG με χρήση DES σύμφωνα με πρόσφατη βιβλιογραφική ανασκόπηση υπάρχει μόνο μία αναφορά, στην οποία όμως χρησιμοποιούνται διαφορετικοί διαλύτες, ενώ δεν πραγματοποιείται και μελέτη περαιτέρω αξιοποίησης των εκχυλισμάτων. Επιπλέον στόχο της παρούσας εργασίας αποτελεί η αξιοποίηση των βιοδραστικών εκχυλισμάτων που προέκυψαν από την εκχύλιση με χρήση NaDES, μέσω της παρασκευής ενός καινοτόμου προϊόντος όπως είναι ένα καλλυντικό σκεύασμα με βελτιωμένες ιδιότητες. Σύμφωνα με τα παραπάνω, χρησιμοποιώντας το βέλτιστο εκχύλισμα που προέκυψε από τη διεργασία - ως έχει και χωρίς επιπλέον καθαρισμό ή στάδιο απομόνωσης του διαλύτη- παρασκευάστηκε μια καλλυντική κρέμα νερού σε έλαιο, η οποία στη συνέχεια αξιολογήθηκε ως προς ορισμένα σημαντικά χαρακτηριστικά, όπως το pH και την ανοχή της σε εναλλαγές θερμοκρασιών (κύκλος ψύξης-θέρμανσης), χωρίς να παρουσιάσει μεταβολές σε ποιοτικά χαρακτηριστικά, όπως η ομοιογένεια, το χρώμα και υφή. Η πρώτη ύλη για την πειραματική μελέτη παραχωρήθηκε από το μικροζυθοποιείο ΑΘΗΝΕΟ, της ΑΘΗΝΑΪΚΗΣ ΖΥΘΟΠΟΙΙΑΣ. Για την καλύτερη διαχείριση και συντήρηση πραγματοποιήθηκε λυοφιλοποίηση (freeze drying) της πρώτης ύλης και στη συνέχεια μέρος της εκχυλίστηκε με τη βοήθεια υπερηχητικής ακτινοβολίας με χρήση διαλύτη NaDES Βεταΐνη – Γλυκερόλη 1:3. Τα εκχυλίσματα που προέκυψαν αξιολογήθηκαν ως προς το ολικό τους περιεχόμενο σε φαινολικές και φλαβονοειδείς ενώσεις (Total Phenolic Content: TPC, Total Flavonoid Content: TFC). Η διεξαγωγή προκαταρκτικών πειραμάτων για τη μελέτη της συμπεριφοράς του συστήματος, αποτέλεσε τη βάση για την επιλογή των τελικών παραμέτρων ελέγχου [(A) : χρόνος εκχύλισης, (Β): ισχύς των υπερήχων, (C): αναλογία NaDES:H2O στον διαλύτη, (D): αναλογία στερεής πρώτης ύλης προς διαλύτη] και τις τιμές αυτών που θα εφαρμοστούν στον DoE. Ο DoE, διενεργήθηκε μέσω της στατιστικής μεθόδου Taguchi και συγκεκριμένα μέσω του τύπου L9 (34), o οποίος αναφέρεται σε έναν σχεδιασμό που απαιτεί τη διεξαγωγή 9 πειραμάτων για τη διερεύνηση της επίδρασης που έχουν στο σύστημα 4 παράμετροι 3 επιπέδων τιμών. Οι βέλτιστες – σύμφωνα με την υπόδειξη του θεωρητικού μοντέλου του DoE – συνθήκες (Χρόνος: 19.9 λεπτά, Ισχύς: 200 W, %NaDES: 90%, S/L: 100 mgBSG/4 mL διαλύτη) επιβεβαιώθηκαν πειραματικά και το «βέλτιστο» εκχύλισμα που προέκυψε (TPC = 42.4 mgGAE/gBSG , TFC = 26.7 mgCAT/gBSG) οδηγήθηκε προς ανάλυση μέσω της συζευγμένης τεχνικής LC-MS, από όπου εξήχθησαν συμπεράσματα σχετικά με την παρουσία συγκεκριμένων ενώσεων στο εκχύλισμα, όπως το καφεϊκό οξύ. Τέλος, η καλλυντική κρέμα νερού σε έλαιο (W/O) που παρασκευάστηκε και εμπλουτίστηκε με το βέλτιστο εκχύλισμα, μελετήθηκε ως προς το προφίλ αποδέσμευσης, από το οποίο συμπεραίνεται ότι το καφεϊκό οξύ αποδεσμεύεται σταδιακά κατά το υπό εξέταση χρονικό διάστημα των 5 ωρών.	el
heal.abstract	Beer is an ancient drink enjoyed by many in present times. The billions of hectoliters produced annually by consumers are inevitably leading to an excess of waste. Brewer’s spent grains (BSG) are the major brewing industry byproduct; however, BSG could be easily repurposed and act as feedstock in other secondary processes, due to their consistency and low cost. The structure and chemical composition of barley are the main reason of BSG’ high polyphenol content; polyphenols are known for their bioactivity. Natural Deep Eutectic Solvents (NaDES), a new and highly functional type of solvents with many advantages, are able to extract the desired bioactive molecules from BSG. When combined with high-energy techniques, such as Ultrasound Irradiation, they offer reduced extraction time and higher yields and enhance the green character of the process. The aim of this diploma thesis is the design, development and optimization of a new innovative and eco-friendly extraction process from BSG using Natural Deep Eutectic solvents (NaDES). Even though BSG have recently been used as food for livestock or raw material in Food Technology and Chemicals Industries, extracting its bioactive compounds has been barely studied. BSG extraction using only DES as a solvent system is referred to only one publication so far, and even this study uses different solvents with no further research on valorization of the extracts. Another aim of this diploma thesis is the valorization of the bioactive extracts. Thus, a beauty cosmetic cream (water-in-oil emulsion) was produced using the optimum BSG extract as received. Furthermore, the cream was tested regarding some important quality properties such as pH and its resilience in temperature fluctuations (Freeze-thaw cycle), displaying no alterations to its homogeneity, color and texture. The Raw Material was supplied by the microbrewery ΑΘΗΝΕΟ of Athenian Brewery S.A. For better handling and storage, BSG were freeze-dried and part of them was extracted using an Ultrasound probe system with NaDES Betaine-Glycerol (1:3) as a solvent. The results of the extraction were evaluated in terms of their Total Phenolic Content and Total Flavonoid Content (TPC, TFC) Preliminary Experiments were conducted in order to choose the final Experimental Design Factors (extraction time, Ultrasound Power, NaDES:H2O ratio in solvent system and Solid to Liquid ratio). For the Design of Experiment (DoE) the Taguchi statistical method was used and specifically the L9 (34) formula, where 9 is the requisite number of experiments to be conducted, 3 denotes the number of Factor Levels and 4 correspond to the Factors. The optimum - according to the theoretical model – conditions, were experimentally implemented (TPC = 42.4 mgGAE/gBSG , TFC = 26.7 mgCAT/gBSG). The optimum extract was characterized by LC-MS and was found to be rich in caffeic acid. Finally, the release profile of caffeic acid from the cosmetic formulation was studied. The result showed a gradual release of caffeic acid over a period of 5 hours.	en
heal.sponsor	Αθηναϊκή Ζυθοποιία Α.Ε.	el
heal.advisorName	Δέτση, Αναστασία	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Μπακόλας, Αστέριος
heal.committeeMemberName	Δέτση, Αναστασία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I). Εργαστήριο Οργανικής Χημείας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	132 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false