Ανάκτηση πρωτεϊνών από κύτταρα μικροφύκους Chlorella pyrenoidosa με εφαρμογή Ομογενοποίησης Υψηλής Πίεσης (HPH)

Καρβέλη, Ιουλία; Karveli, Ioulia

dc.contributor.author	Καρβέλη, Ιουλία	el
dc.contributor.author	Karveli, Ioulia	en
dc.date.accessioned	2023-01-26T09:40:48Z
dc.date.available	2023-01-26T09:40:48Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56929
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24627
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Μικροφύκη	el
dc.subject	Πρωτεΐνες	el
dc.subject	Ομογενοποίηση Υψηλής Πίεσης	el
dc.subject	Ανάκτηση πρωτεϊνών	el
dc.subject	Διάρρηξη	el
dc.subject	Microalgae	en
dc.subject	Proteins	en
dc.subject	Chlorella pyrenoidosa	en
dc.subject	High Pressure Homogenization	en
dc.subject	Recovery	en
dc.title	Ανάκτηση πρωτεϊνών από κύτταρα μικροφύκους Chlorella pyrenoidosa με εφαρμογή Ομογενοποίησης Υψηλής Πίεσης (HPH)	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Food engineering	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-09
heal.abstract	Οι πρωτεΐνες αποτελούν κύρια συστατικά της διατροφής του ανθρώπου και η πρόσληψή τους σε επαρκείς ποσότητες είναι καίριας σημασίας, καθώς αυτές επιτελούν βασικές ζωτικές διαδικασίες στον οργανισμό. Πέρα όμως από την ποσότητα, σημασία έχει και η βιολογική αξία των πρωτεϊνών, δηλαδή το περιεχόμενο τους σε απαραίτητα αμινοξέα, τα οποία ο άνθρωπος δεν μπορεί να συνθέσει. Παράλληλα, οι πρωτεΐνες είναι συστατικά υψηλού ενδιαφέροντας και για τις βιομηχανίες, καθώς λόγω ποικίλων λειτουργικών ιδιοτήτων τους, όπως η ικανότητα συγκράτησης νερού ή ελαίου, η γαλακτωματοποιητική τους ικανότητα κ.α. προσδίδουν επιθυμητές ιδιότητες σε προϊόντα. Έτσι, η ανάγκη για ποιοτικού περιεχομένου πρωτεΐνες σε συνδυασμό με την ανάγκη κατανάλωσης βιώσιμων και φιλικών προς το περιβάλλον πρώτων υλών, έχει στρέψει, σήμερα, το ενδιαφέρον προς τις φυτικές πηγές πρωτεϊνών. Σε αυτό το πλαίσιο, τα μικροφύκη αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική, λόγω της ευελιξίας τους στην ανάπτυξη, της ικανότητας τους να δεσμεύουν μεγάλες ποσότητες CO_2, καθώς πραγματοποιούν φωτοσύνθεση, και του πλούσιου πρωτεϊνικού τους περιεχομένου. Ειδικότερα, ένα μικροφύκος που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, καθώς περίπου το 50% της ξηρής του βιομάζας είναι πρωτεϊνικού χαρακτήρα είναι η Chlorella pyrenoidosa. Σύμφωνα με όλα τα παραπάνω, γίνεται αντιληπτή η σημασία της ανάκτησης των πρωτεϊνών από το κύτταρο των μικροφυκών, διαδικασία η οποία μπορεί να γίνει πολύ απαιτητική λόγω του κυτταρικού τοιχώματος και της κυτταρικής μεμβράνης που περιβάλλουν τα κύτταρα. Για την παραλαβή, επομένως των πρωτεϊνών έχουν επιστρατευτεί πολλές τεχνικές διάρρηξης του κυττάρου των μικροφυκών, τόσο μηχανικές, όσο χημικές και βιολογικές. Από το σύνολο των τεχνικών, η Ομογενοποίηση Υψηλής Πίεσης (High Pressure Homogenization, HPH), φαίνεται να είναι η αποτελεσματικότερη για την παραλαβή των συγκεκριμένων συστατικών. Παράλληλα, όμως, με την HPH ένα υδατικό μέσο αλκαλικού χαρακτήρα ευνοεί επίσης την εκχύλιση των πρωτεϊνών, όπως έχει φανεί βιβλιογραφικά. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η ανάκτηση πρωτεϊνών από το κύτταρο του μικροφύκους Chlorella pyrenoidosa. Πιο συγκεκριμένα, αιώρημα 2.5% w/w των κυττάρων του μικροφύκους, σε ξηρή μορφή σε απιονισμένο νερό, υποβλήθηκε σε Ομογενοποίηση Υψηλής Πίεσης (HPH), ως μέθοδο διάρρηξης των κυττάρων και μετά την επεξεργασία ρυθμίστηκε το pH του αιωρήματος στην τιμή 13, ως η βέλτιστη τιμή διάλυσης των πρωτεϊνών, ενώ στην συνέχεια ακολούθησε παραμονή των δειγμάτων σε υδατόλουτρο έως και για 24h, ώστε να μεγιστοποιηθεί η ανάκτηση των πρωτεϊνών. Προκειμένου να αξιολογηθεί η επίδραση της έντασης της επεξεργασίας με HPH και της θερμοκρασίας εκχύλισης στην κινητική ανάκτησης των πρωτεϊνών μελετήθηκαν 6 συνθήκες επεξεργασίας, οι οποίες διαφοροποιούνταν στην πίεση επεξεργασίας (400, 600, 800 bar) και τον αριθμό διελεύσεων (1 και 4) από τον Ομογενοποιητή και 3 θερμοκρασίες εκχύλισης (20 ℃, 30 ℃ και 40 ℃). Παράλληλα, μελετήθηκε και μια ακραία συνθήκη επεξεργασίας (800 bar και 10 διελεύσεις), η οποία θεωρείται ότι προκαλεί πλήρη διάρρηξη του κυττάρου και γι’ αυτό η τιμή 435.33±14.43((mg πρωτεϊνών)/(g ξηρής βιομάζας)) που προέκυψε για την περιεκτικότητα του εκχυλίσματος σε πρωτεΐνες μετά από αυτή την επεξεργασία και μετά από εκχύλιση για 24 h στους 40 ℃, θεωρείται ότι είναι το σύνολο των πρωτεϊνών που περιέχει το κύτταρο. Από τα αποτελέσματα της παραπάνω μελέτης, η συνθήκη επεξεργασίας με πίεση 800 bar και 4 διελεύσεις, και εκχύλιση στους 40 ℃, αποδείχτηκε η πιο αποδοτική, με τελική ανάκτηση πρωτεϊνών 406.3±4.8((mg πρωτεϊνών)/(g ξηρής βιομάζας)). Τα πειραματικά αποτελέσματα της ανάκτησης των πρωτεϊνών με τον χρόνο εκχύλισης, στην συνέχεια, περιγράφηκαν μαθηματικά με την σχέση C=C_e-(C_e-C_o )e^(-t/τ) και από την στατιστική τους επεξεργασίας με ανάλυση ANOVA, διαπιστώθηκε πως εντοπίζονται σημαντικές διαφορές στην τελικά ανακτημένη συγκέντρωση πρωτεϊνών ανάλογα με την ένταση της επεξεργασίας και την θερμοκρασία εκχύλισης. Η μέγιστη συγκέντρωση ανακτημένων πρωτεϊνών στους 40 ℃ με την επεξεργασία στα 800 bar και με 4 διελεύσεις αυξήθηκε κατά 264%, συγκρινόμενη με το ανεπεξέργαστο δείγμα Control. Στην συνέχεια, χρησιμοποιώντας την σχέση C=C_e-(C_e-C_o )e^(-t/τ) και εκφράζοντας τις παραμέτρους της ως συνάρτηση της πίεσης επεξεργασίας (P) και της θερμοκρασίας εκχύλισης (T), C_e,τ=f(T,P) και C_o=f(T), για κάθε μια από τις περιπτώσεις (1 και 4 διελεύσεων), προέκυψε ένα συνολικό μοντέλο πρόβλεψης της συγκέντρωσης των ανακτημένων πρωτεϊνών ως συνάρτηση των T και P. Καθώς μαζί με τις πρωτεΐνες εκχυλίζονται και άλλα συστατικά, στην συνέχεια έγινε προσδιορισμός των υδατανθράκων και των χλωροφυλλών στα εκχυλίσματα. Όσον αφορά στους υδατάνθρακες, η εκχύλιση τους φάνηκε πως επηρεάζεται από την ένταση της επεξεργασίας με ομογενοποίηση υψηλής πίεσης αλλά όχι από τη θερμοκρασία εκχύλισης και η μέγιστη ανάκτηση τους επιτεύχθηκε με τη συνθήκη επεξεργασίας στα 800 bar και με 4 διελεύσεις και έχει την τιμή 129.8 ± 7.9 ((mg υδατανθράκων)/(g ξηρής βιομάζας)). Παράλληλα παρατηρήθηκε ότι η εκχύλιση τους πραγματοποιείται σε σύντομο χρονικό διάστημα ενώ φαίνεται πως ήδη από τον χρόνο εκχύλισης t=0 το μεγαλύτερο ποσοστό των υδατανθράκων έχει εκχυλιστεί. Όσον αφορά στις χλωροφύλλες, η εκχύλιση τους πραγματοποιήθηκε σε αιθανόλη και οι θερμοκρασίες εκχύλισης που εξετάστηκαν, μετά την επεξεργασία με HPH, ήταν 30℃, 40℃, 50℃ και 60℃. Όπως παρατηρήθηκε, η εκχύλιση τους πραγματοποιείται σε σύντομο χρονικό διάστημα, και συγκεκριμένα σε χρόνο εκχύλισης 2h έχει ανακτηθεί τουλάχιστον το 90% της τελικής απόδοσης, ενώ από τα πειραματικά αποτελέσματα συμπεραίνεται ότι τόσο η ένταση της επεξεργασίας όσο και η θερμοκρασία εκχύλισης των δειγμάτων επιδρούν στην εκχύλιση τους. Η ευνοϊκότερη συνθήκη επεξεργασίας για την παραλαβή χλωροφυλλών ήταν τα 800 bar με 4 διελεύσεις σε θερμοκρασία εκχύλισης 60℃, κατά την οποία παραλήφθηκαν 16.3±1.1((mg χλωροφυλλών)/(g ξηρής βιομάζας)). Όπως γίνεται αντιληπτό, τα εκχυλίσματα περιλαμβάνουν σημαντικές ποσότητες υδατανθράκων και χλωροφυλλών, επομένως είναι καίρια μια επεξεργασία για την παραλαβή όσο το δυνατόν καθαρότερων σε πρωτεΐνες εκχυλισμάτων. Για αυτό τον σκοπό, πραγματοποιήθηκε ένας συνδυασμός αιθανολικής και υδατικής εκχύλισης μετά την επεξεργασία με HPH. Για αυτό το σκέλος του πειράματος, επιλέχθηκαν να μελετηθούν 2 συνθήκες επεξεργασίας, η συνθήκη των 800 bar με 4 διελεύσεις, ως η αποδοτικότερη συνθήκη επεξεργασίας και η συνθήκη των 600 bar με 4 διελεύσεις, ως μια συνθήκη επεξεργασίας ικανοποιητικής απόδοσης. Όσον αφορά στις θερμοκρασίες εκχύλισης, επιλέχθηκαν οι πιο αποδοτικές όπως προέκυψαν από τα προηγούμενα πειράματα, δηλαδή οι 40℃ για την υδατική εκχύλιση και οι 60℃ για την αιθανολική εκχύλιση. Με αυτή την μέθοδο, για την επεξεργασία 800/4 επιτεύχθηκε περιεκτικότητα εκχυλισμάτων σε πρωτεΐνες ίση με 764.7±4.4 ((mg πρωτεϊνών)/(g στερεού υπολείμματος εκχυλίσματος)), περιεκτικότητα εκχυλισμάτων σε υδατάνθρακες ίση με 40.9±2.7 ((mg υδατανθράκων)/(g στερεού υπολείμματος εκχυλίσματος)) και περιεκτικότητα εκχυλισμάτων σε χλωροφύλλες ίση με 4.67±0.97((mg χλωροφυλλών)/(g στερεού υπολείμματος εκχυλίσματος)), έναντι των αντίστοιχων περιεκτικοτήτων που επιτυγχάνονται μετά από υδατική εκχύλιση, 183.8±1.4 ((mg πρωτεϊνών)/(g στερεού υπολείμματος εκχυλίσματος)),183.8±1.4 ((mg υδατανθράκων)/(g στερεού υπολείμματος εκχυλίσματος)) και 12.2±0.33((mg χλωροφυλλών)/(g στερεού υπολείμματος εκχυλίσματος)). Συνολικά, συμπεραίνεται πως με τον συνδυασμό αιθανολικής και υδατικής εκχύλισης παραλαμβάνονται καθαρότερα σε πρωτεΐνες εκχυλίσματα, τα οποία μάλιστα με αύξηση της έντασης της επεξεργασίας με HPH εμπλουτίζονται περαιτέρω σε πρωτεΐνες, ενώ τα υπόλοιπα συστατικά τους παραμένουν σε χαμηλά επίπεδα.	el
heal.advisorName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Γιαννακούρου, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Μπακόλας, Αστέριος	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	104 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false