Αξιοποίηση παραπροϊόντων της αρώνιας για την παραλαβή βιοδραστικών συστατικών

Ευσταθιάδου, Ειρήνη

dc.contributor.author	Ευσταθιάδου, Ειρήνη
dc.date.accessioned	2023-05-08T09:39:59Z
dc.date.available	2023-05-08T09:39:59Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/57649
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.25346
dc.rights	Default License
dc.subject	αρώνια	el
dc.subject	εκχύλιση φαινολικών συστατικών	el
dc.subject	εκχύλιση ανθοκυανινών	el
dc.subject	παραπροϊόν χυμοποίησης αρώνιας	el
dc.subject	παλμικά ηλεκτρικά πεδία	el
dc.subject	chokeberry	el
dc.subject	phenolic extraction	el
dc.subject	anthocyanin extraction	el
dc.subject	chokeberry juicing by-product	el
dc.subject	pulsed electric fields	el
dc.title	Αξιοποίηση παραπροϊόντων της αρώνιας για την παραλαβή βιοδραστικών συστατικών	el
dc.contributor.department	Εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογίας Τροφίμων	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μηχανική Τροφίμων	el
heal.classification	Χημεία, Μικροβιολογία και Αρχές Συντήρησης Τροφίμων	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-02-21
heal.abstract	Η Αρώνια (Aronia melanocarpa ή black chokeberry) είναι ένα θαμνώδες φυλλοβόλο φυτό που παλαιότερα χρησιμοποιούνταν ως καλλωπιστικό φυτό. Ωστόσο, ο καρπός της είναι πολύ πλούσιος σε φαινολικά συστατικά και ως εκ τούτου παρουσιάζει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον. Τα φαινολικά συστατικά είναι αναπόσπαστο κομμάτι της ανθρώπινης διατροφής, δρουν ως φυσικά αντιοξειδωτικά και προσφέρουν σημαντικά οφέλη στην υγεία. Επίσης, στην βιομηχανία τροφίμων χρησιμοποιούνται ως φυσική απάντηση στα συντηρητικά πρόσθετα. Η πούλπα αποτελεί έναν πολτό που παράγεται ως παραπροϊόν από την χυμοποίηση της αρώνιας και απορρίπτεται. Αποτελεί όμως μια πηγή πλούσια σε πολυφαινόλες και ιδιαίτερα ανθοκυανίνες. Ακόμη κατά την καλλιέργεια της αρώνιας παράγονται σημαντικές ποσότητες φύλλων και μίσχων, μέρη του φυτού που αν και δεν είναι εξίσου πλούσια σε βιοδραστικά συστατικά όπως η πούλπα, περιέχουν υπολογίσιμες συγκεντρώσεις. Για το πρώτο μέρος, φύλλα αρώνιας αρχικά ξηράνθηκαν ήπια με αέρα 40°C και κονιοποιήθηκαν. Η σκόνη υποβλήθηκε αρχικά σε εκχύλιση με νερό υπό ανάδευση για 24 ώρες, για τον προσδιορισμό των πολικών ενώσεων των φύλλων. Πραγματοποιήθηκε ακόμη μία διαδοχική εκχύλιση στο στερεό υπόλειμμα. Η αναλογία πρώτης ύλης – διαλύτη επιλέχθηκε 1:30 w/v. Τα εκχυλίσματα αναλύθηκαν ως προς το ολικό φαινολικό περιεχόμενό τους (ανάλυση Folin – Ciocalteu), την αντιριζική ικανότητα (μέθοδος DPPH) και το περιεχόμενό τους σε επιμέρους φαινολικές ενώσεις: φαινολικά οξέα και φλαβονόλες (ανάλυση υγρής χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης - HPLC). Οι συγκεντρώσεις των φαινολικών ενώσεων προσδιορίστηκαν στο συνολικό εκχύλισμα και εκφράστηκαν σε ξηρή βάση φύλλων: 14,6±1,4 𝑚�𝑔�𝐺�𝐴�𝐸�/𝑔�𝜑�ύ𝜆�𝜆�𝜔�𝜈� ολικό φαινολικό περιεχόμενο, 7,9±0,8 𝑚�𝑔�𝛵�𝛦�/𝑔�𝜑�ύ𝜆�𝜆�𝜔�𝜈� ουσίες με αντιριζική ικανότητα, 1,6±0,17 𝑚�𝑔�𝐶�ℎ𝐴�𝐸�/𝑔�𝜑�ύ𝜆�𝜆�𝜔�𝜈� ολικά φαινολικά οξέα και 2,1±0,5 𝑚�𝑔�𝑄�𝑅�𝐸�/𝑔�𝜑�ύ𝜆�𝜆�𝜔�𝜈� ολικές φλαβονόλες. Πραγματοποιήθηκε ακόμη εκχύλιση σταθερής κλίνης ημιδιαλείποντος έργου με ακετόνη για 60 λεπτά, για την παραλαβή των μη πολικών ενώσεων των φύλλων (φλαβονοειδή). Παρελήφθησαν σε ξηρή βάση 1,1±0,5 𝑚�𝑔�𝐺�𝐴�𝐸�/𝑔�𝜑�ύ𝜆�𝜆�𝜔�𝜈� ολικό φαινολικό περιεχόμενο και 1,06±0,03 𝑚�𝑔�𝑇�𝐸�/𝑔�𝜑�ύ𝜆�𝜆�𝜔�𝜈� ουσίες με αντιριζική ικανότητα. Με ανάλυση υγρής χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης στο ακετονικό εκχύλισμα εντοπίστηκαν καροτενοειδή και κάποια πιθανώς τριτερπενικά οξέα. Τα φύλλα της αρώνιας επέδειξαν σημαντική υστέρηση σε φαινολικά συστατικά έναντι του καρπού (23% του φαινολικού περιεχομένου του καρπού), καθώς στα φύλλα δεν βρέθηκαν ανθοκυανίνες, στις οποίες είναι πλούσιος ο καρπός. Στο επόμενο μέρος πραγματοποιήθηκε ο χαρακτηρισμός της πούλπας της αρώνιας. Η πούλπα υπέστη αρχικά ήπια ξήρανση με αέρα 40℃ και κονιοποίηση. Η σκόνη υποβλήθηκε σε εκχύλιση σταθερής κλίνης (ημιδιαλείποντος έργου) για 60 λεπτά με τον εξής διαλύτη: μεθανόλη οξινισμένη κατά 0,5 % v/v TFA. Η τελική αναλογία πρώτης ύλης - εκχυλίσματος επιλέχθηκε ίση με 1:15 w/v. Η μεθανόλη γενικά αποφεύγεται ως μέσο εκχύλισης στη βιομηχανία γιατί είναι τοξική, όμως ενδείκνυται για αναλυτικούς σκοπούς καθώς παρέχει υψηλές αποδόσεις στην ανάκτηση φαινολικών συστατικών. Το μέσο οξίνισης (τριφθοροξικό οξύ) προστέθηκε με σκοπό την προστασία των ανθοκυανινών, ασταθών φαινολικών ενώσεων. Στην περίπτωση της πούλπας πραγματοποιήθηκαν οι ίδιες αναλύσεις με τα φύλλα, αλλά στις φαινολικές ενώσεις που ταυτοποιήθηκαν προστέθηκαν οι ανθοκυανίνες. Βρέθηκε ότι περιείχε σε ξηρή βάση πούλπας 49±8 𝑚�𝑔�𝐺�𝐴�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍� ολικό φαινολικό περιεχόμενο 3 (78% του καρπού), 59±7 𝑚�𝑔�𝑇�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍� ουσίες με αντιριζική ικανότητα, 14±1 𝑚�𝑔�𝐶�𝑦�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍� ανθοκυανίνες, 0,4±0,1 𝑚�𝑔�𝐶�ℎ𝐴�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍� φαινολικά οξέα και 1,1±0,3 𝑚�𝑔�𝑄�𝑅�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍� φλαβονόλες. Επιπλέον, ταυτοποιήθηκαν οι κύριες ανθοκυανίνες και τα κύρια φαινολικά οξέα του καρπού, με τις πρώτες να απαρτίζονται από 4 γλυκοζίτες της κυανιδίνης (κατά σειρά ελαττούμενης συγκέντρωσης: 3-Ο-γαλακτοζίτης της κυανιδίνης, 3-Ο-αραβινοζίτης της κυανιδίνης, 3-Ο-γλυκοζίτης της κυανιδίνης και 3-Ο-ξυλοζίτης της κυανιδίνης) και τα δεύτερα να απαρτίζονται από δύο ισομερή εστεροποιημένα οξέα (κατά σειρά ελαττούμενης συγκέντρωσης: χλωρογενικό και νεοχλωρογενικό οξύ). Οι προκυανιδίνες είναι φαινολικές ενώσεις στις οποίες είναι ιδιαίτερα πλούσια η αρώνια, όμως δεν ήταν εφικτός ο προσδιορισμός τους στα εκχυλίσματα. Συμπεριλαμβάνονται ωστόσο στο ολικό φαινολικό περιεχόμενο. Ακόμη μελετήθηκε η κινητική των ανθοκυανινών με φωτομέτρηση κατάλληλα αραιωμένων δειγμάτων στα 520 nm, όπου οι ανθοκυανίνες απορροφούν μέγιστα. Η εκχύλιση των ανθοκυανινών στα 2 λεπτά έφτασε στην μέγιστη απόδοση, μέχρι τα 15 λεπτά παρουσίαζε αποδόσεις κοντά στην μέγιστη και μετά οι αποδόσεις έπεφταν γραμμικά μέχρι το τέλος της εκχύλισης (60 λεπτά). Στα 60 λεπτά παραλήφθηκαν όλες οι ανθοκυανίνες. Έπειτα έγινε αλλαγή του διαλύτη σε έναν πράσινο διαλύτη, οπότε επιλέχθηκε το νερό που είναι οικονομικό και φιλικό προς το περιβάλλον. Πραγματοποιήθηκε εκχύλιση σταθερής κλίνης για 90 λεπτά με απιονισμένο νερό οξινισμένο με κιτρικό οξύ 0,75% w/v. H τελική αναλογία πρώτης ύλης - εκχυλίσματος προέκυψε ίση με 1:25 w/v. Από αναλύσεις προέκυψε ότι οι συγκεντρώσεις των φαινολικών ενώσεων στο συνολικό εκχύλισμα σε ξηρή βάση πούλπας ήταν ίσες με: 15±2 𝑚�𝑔�𝐺�𝐴�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍� ολικό φαινολικό περιεχόμενο (23% του καρπού), 14,3±0,5 𝑚�𝑔�𝑇�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍� ουσίες με αντιριζική ικανότητα, 5,33±0,05 𝑚�𝑔�𝐶�𝑦�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍� ανθοκυανίνες, 0,8±0,2 𝑚�𝑔�𝐶�ℎ𝐴�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍� φαινολικά οξέα και 0,94±0,02 𝑚�𝑔�𝑄�𝑅�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍� φλαβονόλες. Η υδατική εκχύλιση παρουσιάζει σημαντικά χαμηλότερες αποδόσεις σε ολικό φαινολικό περιεχόμενο (μείωση 69%) και σε ολικές ανθοκυανίνες (μείωση 63%) σε σχέση με την εκχύλιση με μεθανόλη. Για την εύρεση της επίδρασης της ξήρανσης υπό αέρα στους 40℃ στα βιοδραστικά συστατικά της πούλπας πραγματοποιήθηκε ακόμη ξήρανση υπό κατάψυξη (λυοφιλίωση). Έλαβε μέρος εκχύλιση με τους δύο διαλύτες που έχουν επιλεχθεί (οξινισμένη μεθανόλη, οξινισμένο νερό) στην διάταξη της σταθερής κλίνης. Η απόδοση σε ολικό φαινολικό περιεχόμενο για την μεθανολική εκχύλιση προέκυψε υψηλότερη κατά 4% (49 σε 51 𝑚�𝑔�𝐺�𝐴�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍�), ενώ για την υδατική εκχύλιση υψηλότερη κατά 53% (15 σε 23 𝑚�𝑔�𝐺�𝐴�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍�). Η ξήρανση υπό κατάψυξη απέδωσε αυξήσεις στο ολικό φαινολικό περιεχόμενο, ιδιαίτερα στην περίπτωση της υδατικής εκχύλισης, ωστόσο δεν κρίθηκαν ικανοποιητικές. Η λυοφιλίωση ακόμη είναι μία ακριβή και ενεργοβόρα μέθοδος ξήρανσης σε σχέση με την ξήρανση υπό αέρα. Για τις εκχυλίσεις της πούλπας επιλέχθηκε η ξήρανση υπό αέρα στους 40℃. Με σκοπό την αύξηση της απόδοσης της υδατικής αλλά και της μεθανολικής εκχύλισης σταθερής κλίνης, η πούλπα υπέστη προκατεργασία με Παλμικά Ηλεκτρικά Πεδία (ΠΗΠ). Η εφαρμογή παλμικού ηλεκτρικού πεδίου επιτυγχάνει την καταστροφή της κυτταρικής μεμβράνης των ιστών και αναμένεται αποτελεσματικότερη εκχύλιση των περιεχομένων συστατικών. Το ολικό φαινολικό περιεχόμενο απέδωσε αύξηση 39% για την μεθανολική εκχύλιση (49 σε 68 𝑚�𝑔�𝐺�𝐴�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍�) και 12% για την υδατική εκχύλιση (15 σε 17 𝑚�𝑔�𝐺�𝐴�𝐸�/ 4 𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍�). Με την προκατεργασία ΠΗΠ προέκυψε ικανοποιητική αύξηση φαινολικών συστατικών στην εκχύλιση με οξινισμένη μεθανόλη. Στην συνέχεια για την χρήση του μεθανολικού εκχυλίσματος στην βιομηχανία τροφίμων αντικαταστάθηκε το μέσο οξίνισης της μεθανόλης, από το τριφθοροξικό οξύ (TFA) σε κιτρικό οξύ. Η μεθανόλη δεν αποτελεί πράσινο διαλύτη, ωστόσο αποτελεί επιτρεπόμενο διαλύτη για εκχυλίσεις υπό την προϋπόθεση να απομακρυνθεί στα επιθυμητά ποσοστά. Η εκχύλιση με μεθανόλη οξινισμένη με 0,75% w/v κιτρικό οξύ επέφερε χαμηλή μείωση (10%) στην απόδοση του ολικού φαινολικού περιεχομένου (49 σε 44 𝑚�𝑔�𝐺�𝐴�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍�). Συνεπώς η αντικατάσταση του TFA από το κιτρικό οξύ ήταν επιτυχής. Για να βρεθεί η επιρροή του pH του διαλύτη στην εκχυλισιμότητα των ανθοκυανινών της πούλπας της αρώνιας, επιλέχθηκε η η αύξηση της συγκέντρωσης του κιτρικού οξέος από το 0,75% στο 1,5% w/v στο οξινισμένο νερό. Η μείωση του pH στην υδατική εκχύλιση σταθερής κλίνης επέφερε μείωση 12% στην απόδοση του ολικού φαινολικού περιεχομένου. Συνεπώς, η οξίνιση με 0,75% w/v κιτρικό οξύ είναι αποτελεσματικότερη. Τέλος, εξετάσθηκε διαφορετική μέθοδος εκχύλισης. Επιλέχθηκε η εκχύλιση υπό ανάδευση (διαλείποντος έργου) για 24 ώρες με διαλύτη οξινισμένη μεθανόλη 0,5% v/v TFA και οξινισμένο νερό 0,75% w/v κιτρικό οξύ. Η μηχανική εκχύλιση για 24 ώρες είναι εξαντλητική και μπορεί να επιφέρει αλλαγές στην δομή του υλικού άρα και στην εκχυλισιμότητα των συστατικών του. Η απόδοση του ολικού φαινολικού περιεχομένου για την μεθανολική εκχύλιση διπλασιάστηκε (49 σε 98 𝑚�𝑔�𝐺�𝐴�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍�), ενώ για την υδατική αυξήθηκε μόνο κατά 7% (15 σε 16 𝑚�𝑔�𝐺�𝐴�𝐸�/𝑔�𝜋�𝜊�ύ𝜆�𝜋�𝛼�𝜍�). Η μεθανολική εκχύλιση διαλείποντος έργου για 24 ώρες απέδωσε σημαντικά υψηλή αύξηση στην απόδοση του φαινολικών ενώσεων σε σχέση με την εκχύλιση σταθερής κλίνης (ημιδιαλείποντος έργου), ωστόσο το ίδιο δεν συνέβη για την υδατική εκχύλιση. Συμπερασματικά, η πούλπα από την χυμοποίηση της αρώνιας περιείχε σημαντική ποσότητα φαινολικών συστατικών, συγκριτικά και με τα φύλλα του φυτού. Οι εκχυλίσεις με οξινισμένη μεθανόλη στην πούλπα απέδωσαν σημαντικά υψηλότερες συγκεντρώσεις ολικού φαινολικού περιεχομένου συγκριτικά με τις εκχυλίσεις με οξινισμένο νερό. Ωστόσο, η μεθανόλη δεν αποτελεί πράσινο διαλύτη, όπως το νερό, και δεν προτιμάται. Στο μέλλον για την αύξηση της απόδοσης της υδατικής εκχύλισης σταθερής κλίνης, προτείνεται ο συνδυασμός προκατεργασιών στην πούλπα (πχ. προκατεργασία με ΠΗΠ και ένζυμα) και η δοκιμή μίγματος νερού με άλλον πράσινο διαλύτη (πχ. μίγμα αιθανόλης-νερού).	el
heal.advisorName	Ταούκης, Πέτρος
heal.committeeMemberName	Γιαννακούρου, Μαρία
heal.committeeMemberName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος
heal.committeeMemberName	Ταούκης, Πέτρος
heal.academicPublisher	Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	130
heal.fullTextAvailability	false