Αξιοποίηση παραπροϊόντων γαλακτοβιομηχανίας προς παραγωγή συστατικών υψηλής διατροφικής αξίας με εφαρμογή καινοτόμων διεργασιών και βιοκαταλυτών

Λημναίος, Αθανάσιος; Limnaios, Athanasios

dc.contributor.author	Λημναίος, Αθανάσιος	el
dc.contributor.author	Limnaios, Athanasios	en
dc.date.accessioned	2024-02-16T07:48:20Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58897
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26593
dc.rights	Default License
dc.subject	Οξινος ορός	el
dc.subject	β-γαλακτοζιδάση	el
dc.subject	Γαλακτοολιγοσακχαρίτες	el
dc.subject	Πρεβιοτικά	el
dc.subject	Κρυστάλλωση	el
dc.subject	Acid whey	en
dc.subject	β-galactosidase	en
dc.subject	Galactooligosaccharides	el
dc.subject	Prebiotics	el
dc.subject	Crystallization	el
dc.title	Αξιοποίηση παραπροϊόντων γαλακτοβιομηχανίας προς παραγωγή συστατικών υψηλής διατροφικής αξίας με εφαρμογή καινοτόμων διεργασιών και βιοκαταλυτών	el
heal.type	doctoralThesis
heal.secondaryTitle	Valorization of dairy industry by-products for the production of ingredients with high nutritional value via the utilization of innovative processes and biocatalysts	el
heal.classification	Χημική Μηχανική	el
heal.classification	Μηχανική Τροφίμων	el
heal.classification	Χημεία και Τεχνολογία Τροφίμων	el
heal.dateAvailable	2025-02-15T22:00:00Z
heal.language	el
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-11-23
heal.abstract	Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η αξιοποίηση του όξινου και του γλυκού ορού, των δύο κύριων παραπροϊόντων της γαλακτοβιομηχανίας πλούσιων σε λακτόζη, για την παραγωγή πρεβιοτικών γαλακτοολιγοσακχαριτών (GOS), με εφαρμογή εμπορικών και καινοτόμων βιοκαταλυτών. Στόχος ήταν η αριστοποίηση της παραγωγής GOS απευθείας από όξινο και γλυκό ορό και η ενσωμάτωση των παραγόμενων πρεβιοτικών σε γαλακτοκομικό προϊόν, αποσκοπώντας σε μια ολοκληρωμένη πρόταση αξιοποίησης των παραπροϊόντων από μια γαλακτοβιομηχανία, με παράλληλη αξιολόγηση του κύκλου ζωής της προτεινόμενης διεργασίας. Αρχικά πραγματοποιήθηκε ανάλυση της σύστασης του όξινου και του γλυκού ορού, για τον προσδιορισμό των συγκεντρώσεων των κύριων συστατικών αυτών. Η ανάλυση αυτή ήταν απαραίτητη, καθώς η συγκέντρωση τόσο της λακτόζης, όσο και των άλλων συστατικών των ορών επηρεάζουν σημαντικά τη δράση των λακτασών, άρα και την απόδοση των αντιδράσεων σε GOS. Κύριο συστατικό και των δύο ορών αποτελεί η λακτόζη, με την περιεκτικότητά της στον όξινο και στον γλυκό ορό να ανέρχεται σε 31,18 και 50,76 g/L, αντίστοιχα. Πέρα από τη λακτόζη, βασικό συστατικό του όξινου ορού αποτελεί το γαλακτικό οξύ (1,37 g/L) που του προσδίδει τιμή pH ίση με 4,4, ενώ ο γλυκός ορός περιέχει σημαντική ποσότητα πρωτεϊνών (14,06 g/L). Και οι δύο τύποι ορού περιέχουν πλήθος μετάλλων, με κυριότερα το K+, το Na+, το Ca2+ και το Mg2+. Στη συνέχεια μελετήθηκαν οι βιοτεχνολογικές ιδιότητες δύο εμπορικών, βιομηχανικά εφαρμοζόμενων λακτασών από τους μικροοργανισμούς Kluyveromyces lactis και Aspergillus oryzae και προσδιορίσθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες δράσης τους. Η β-γαλακτοζιδάση από τον K. lactis παρουσίασε βέλτιστη δράση σε θερμοκρασία 35 °C και τιμή pH ίση με 7,2, ενώ οι αντίστοιχες βέλτιστες συνθήκες δράσης για τη β-γαλακτοζιδάση από τον A. oryzae προσδιορίσθηκαν σε θερμοκρασία 45 °C και τιμή pH ίση με 4,5. Παράλληλα, παράχθηκαν και απομονώθηκαν δύο καινοτόμες, θερμόφιλες λακτάσες από τον μύκητα Thermothielavioides terrestris και το βακτήριο Thermotoga neapolitana, των οποίων οι βέλτιστες συνθήκες δράσης προσδιορίσθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Η β-γαλακτοζιδάση από τον T. terrestris παρουσίασε βέλτιστη δράση σε θερμοκρασία 50 °C και τιμή pH ίση με 4,0 και η β-γλυκοζιδάση από τον T. neapolitana είχε βέλτιστες συνθήκες δράσης σε θερμοκρασία 90 °C και τιμή pH ίση με 5,5. Μετά τον προσδιορισμό των βέλτιστων συνθηκών δράσης κάθε βιοκαταλύτη, πραγματοποιήθηκε εφαρμογή των τεσσάρων λακτασών σε όξινο ορό, συμπυκνωμένο ή μη, με στόχο τη μελέτη της μετατροπής της περιεχόμενης λακτόζης σε GOS και τον προσδιορισμό των βέλτιστων συνθηκών που μεγιστοποιούν τον βαθμό απόδοσης των ενζυμικών αντιδράσεων. Η εφαρμογή της β-γαλακτοζιδάσης από τον K. lactis οδήγησε σε μέγιστο βαθμό απόδοσης σε GOS ίσο με 27,4 %, με εφαρμογή ενζυμικού φορτίου 0,13 U/mL σε μη συμπυκνωμένο όξινο ορό, έπειτα από 1,5 h αντίδρασης. Οι τρεις κυριότεροι GOS που παρήχθησαν με αυτό το ένζυμο ήταν η 6’-Ο-β-γαλακτοζυλο-λακτόζη, η 6-γαλακτοβιόζη και η αλλολακτόζη και περιέχονταν στο μείγμα των GOS σε ποσοστά 31,5, 13,6 και 7,13 %, αντίστοιχα. Η εφαρμογή της β-γαλακτοζιδάσης από τον A. oryzae οδήγησε σε μέγιστο βαθμό απόδοσης σε GOS ίσο με 28,2 %, με εφαρμογή ενζυμικού φορτίου 4,0 U/mL σε συμπυκνωμένο όξινο ορό με αρχική περιεκτικότητα σε λακτόζη ίση με 20 % w/v, έπειτα από 7 h αντίδρασης. Οι τρεις κυριότεροι GOS που παρήχθησαν και σε αυτή την περίπτωση ήταν η 6’-Ο-β-γαλακτοζυλο-λακτόζη, η 6-γαλακτοβιόζη και η αλλολακτόζη και περιέχονταν στο μείγμα των GOS σε ποσοστά 41,9, 17,0 και 5,72 %, αντίστοιχα. Μετά την εφαρμογή των δύο βιομηχανικών λακτασών στον όξινο ορό ακολούθησε η μελέτη με τις δύο καινοτόμες, θερμόφιλες λακτάσες. Η εφαρμογή της β-γαλακτοζιδάσης από τον T. terrestris οδήγησε σε μέγιστο βαθμό απόδοσης σε GOS ίσο με 31,8 %, με εφαρμογή ενζυμικού φορτίου 8,0 U/mL σε συμπυκνωμένο όξινο ορό με αρχική περιεκτικότητα σε λακτόζη ίση με 20 % w/v, έπειτα από 7 h αντίδρασης. Οι τρεις κυριότεροι GOS που παράχθηκαν ήταν η 6’-Ο-β-γαλακτοζυλο-λακτόζη, η 6-γαλακτοβιόζη και η αλλολακτόζη και περιέχονταν στο μείγμα των GOS σε ποσοστά 45,6, 19,1 και 3,97 %, αντίστοιχα. Η β-γλυκοζιδάση από τον T. neapolitana εφαρμόσθηκε μόνο σε μη συμπυκνωμένο όξινο ορό και οδήγησε σε παραγωγή GOS με μέγιστο βαθμό απόδοσης ίσο με 18,2 %, με εφαρμογή ενζυμικού φορτίου 1,0 U/mL, έπειτα από 8 h αντίδρασης. Η παραγωγή GOS με εφαρμογή αυτής της λακτάσης σε συμπυκνωμένο ορό φάνηκε να παρεμποδίζεται από την παρουσία ιόντων μετάλλων, των οποίων η συγκέντρωση αυξάνεται με τη συμπύκνωση του ορού. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μελέτη περιβαλλοντικών επιπτώσεων και αξιολόγηση κύκλου ζωής της παραγωγής GOS με αξιοποίηση του όξινου ορού. Πραγματοποιήθηκε εκτίμηση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος των καινοτόμων μεθόδων αξιοποίησης του όξινου ορού και της συμβατικής τεχνικής διαχείρισης του ορού για την παραγωγή βιοαερίου. Συνολικά, οι καινοτόμες μέθοδοι υπερέχουν από τη συμβατική όταν λαμβάνεται υπόψη το περιβαλλοντικό τους αποτύπωμα σε πολλές κατηγορίες επιπτώσεων. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό εάν ληφθεί υπόψη ότι οι ενεργειακές καταναλώσεις υπολογίζονται σε εξοπλισμό εργαστηριακής κλίμακας με συγκεκριμένες αποδόσεις και περιορισμένες δυνατότητες ανακύκλωσης και επαναχρησιμοποίησης νερού και ατμών. Εάν ληφθεί υπόψη η κλιμάκωση σε βιομηχανικό εξοπλισμό, τα περιβαλλοντικά προτερήματα των προτεινόμενων μεθόδων θα γίνουν ακόμα πιο εμφανή. Κατόπιν, οι GOS που παρήχθησαν με αξιοποίηση του όξινου ορού ενσωματώθηκαν σε κρέμα με άρωμα βανίλιας και μελετήθηκε η ποιότητά της, με παράλληλη πραγματοποίηση πειραμάτων διατηρησιμότητας. Το καλύτερο οργανοληπτικό αποτέλεσμα προέκυψε με τη χρήση εξουδετερωμένου συμπυκνωμένου διαλύματος GOS σε αναλογία 14 % w/w. Τα αποτελέσματα μέτρησης της μικροβιολογικής ποιότητας έδειξαν ότι η προσθήκη GOS οδήγησε στην καθυστέρηση μικροβιακής ανάπτυξης, με τις κρέμες να έχουν χρόνο ζωής 81 d στους 4 °C, παρόμοιο με τον χρόνο ζωής των δειγμάτων αναφοράς, χωρίς την προσθήκη GOS. Αναφορικά με τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των κρεμών, αυτές με προσθήκη GOS εμφάνισαν πιο κίτρινο χρώμα, λόγω της παρουσίας ριβοφλαβίνης από τον όξινο ορό, με το χρώμα τους να παραμένει σταθερό καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής τους. Επίσης, η τιμή pH των κρεμών με GOS ήταν ίση με 6,8, ελαφρώς υψηλότερη από την τιμή pH των δειγμάτων αναφοράς (6,6), λόγω της χρήσης σιροπιού GOS εξουδετερωμένου με αλκαλικό διτανθρακικό νάτριο. Επιπλέον, μέσω της μέτρησης της αντικειμενικής υφής των δειγμάτων διαπιστώθηκε ότι οι κρέμες με GOS παρουσιάζουν σταθερές τιμές των χαρακτηριστικών μεγεθών της υφής (πηκτότητα, προσκολλησιμότητα, ελαστικότητα, κομμιώδες). Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώθηκαν μέσω οργανοληπτικής αξιολόγησης των δειγμάτων. Παράλληλα, οι δύο βιομηχανικές λακτάσες από τους μικροοργανισμούς K. lactis και A. oryzae εφαρμόσθηκαν σε τυρόγαλα αιγοπρόβειας προέλευσης και μελετήθηκε η μετατροπή της περιεχόμενης λακτόζης σε GOS, προσδιορίζοντας τις βέλτιστες συνθήκες που μεγιστοποιούν τον βαθμό απόδοσης της ενζυμικής αντίδρασης τρανσγαλακτοζυλίωσης. Η εφαρμογή της β-γαλακτοζιδάσης από τον K. lactis οδήγησε στην επίτευξη μέγιστου βαθμού απόδοσης σε GOS ίσου με 21,7 %, με εφαρμογή ενζυμικού φορτίου 0,13 U/mL σε συμπυκνωμένο τυρόγαλα με αρχική περιεκτικότητα σε λακτόζη ίση με 15 % w/v, έπειτα από 5 h αντίδρασης. Οι κυριότεροι GOS που παρήχθησαν ήταν η 6’-Ο-β-γαλακτοζυλo-λακτόζη, η αλλολακτόζη και η 6-γαλακτοβιόζη και περιέχονταν στο μείγμα των GOS σε ποσοστά 31,6, 21,6 και 14,8 %, αντίστοιχα. Η εφαρμογή της β-γαλακτοζιδάσης από τον A. oryzae οδήγησε στην επίτευξη μέγιστου βαθμού απόδοσης σε GOS ίσου με 17,9 %, με εφαρμογή ενζυμικού φορτίου 2,0 U/mL σε συμπυκνωμένο τυρόγαλα με αρχική περιεκτικότητα σε λακτόζη ίση με 15 % w/v, έπειτα από 1 h αντίδρασης. Τα κυριότερα προϊόντα τρανσγαλακτοζυλίωσης ήταν η 6’-Ο-β-γαλακτοζυλo-λακτόζη και η 6-γαλακτοβιόζη και περιέχονταν στο μείγμα των GOS σε ποσοστά 68,0 και 2,05 %, αντίστοιχα. Στόχο της παρούσας διατριβής αποτέλεσε και η μελέτη των θερμοφυσικών ιδιοτήτων της λακτόζης και του φαινομένου κρυστάλλωσης αυτής. Η κρυστάλλωση και καταβύθιση της λακτόζης μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα σε ενζυμικές διεργασίες μετατροπής της σε GOS, ιδιαίτερα σε υψηλές συγκεντρώσεις και θερμοκρασίες. Μελετήθηκε η επίδραση των κυριότερων συστατικών του όξινου και γλυκού ορού (γαλακτικό οξύ και πρωτεΐνες ορού) στο φαινόμενο κρυστάλλωσης της λακτόζης, μέσω της κατασκευής δυναμικών καμπυλών ισόθερμης ρόφησης νερού. Από τα αποτελέσματα φάνηκε ότι σε συστήματα καθαρής λακτόζης δεν παρατηρήθηκε κρυστάλλωση σε τιμές ενεργότητας νερού μικρότερες από 0,43. Αντίθετα, σε υψηλότερες τιμές ενεργότητας νερού έλαβε χώρα κρυστάλλωση της λακτόζης, η οποία γινόταν ταχύτερα με αύξηση της ενεργότητας νερού και της θερμοκρασίας. Η προσθήκη γαλακτικού οξέος στα συστήματα καθαρής λακτόζης ενίσχυσε την κρυστάλλωσή της, λόγω της υψηλής υγροσκοπικότητάς του. Υψηλότερα ποσοστά γαλακτικού οξέος οδήγησαν στην ταχύτερη κρυστάλλωση της λακτόζης σε χαμηλότερες τιμές ενεργότητας νερού. Από την άλλη, η προσθήκη πρωτεϊνών έδρασε παρεμποδιστικά προς την κρυστάλλωση της λακτόζης σε τιμές ενεργότητας νερού έως 0,43, ενώ δεν φάνηκε να έχει επίδραση σε υψηλότερες τιμές ενεργότητας νερού. Τα παραπάνω αποτελέσματα επιβεβαιώνονται και από αναλύσεις των συστημάτων λακτόζης με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης, καθώς η προσθήκη γαλακτικού οξέος είχε ως αποτέλεσμα την ταχεία μείωση των θερμοκρασιών υαλώδους μετάπτωσης και κρυστάλλωσης της λακτόζης, ενώ η προσθήκη πρωτεϊνών είχε ως αποτέλεσμα την επιβράδυνση της μείωσης των δύο μεγεθών. Τα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής καταδεικνύουν την εφικτότητα και την υψηλή αποδοτικότητα της μετατροπής του όξινου και του γλυκού ορού από δύο χαμηλής αξίας παραπροϊόντα της γαλακτοβιομηχανίας σε συστατικά με υψηλή θρεπτική και προστιθέμενη αξία, τους γαλακτοολιγοσακχαρίτες, μέσω εφαρμογής καινοτόμων διεργασιών και βιοκαταλυτών. Η προτεινόμενη διεργασία μπορεί να εφαρμοσθεί άμεσα από κάθε γαλακτοβιομηχανία, για την παραγωγή νέων ή την αναβάθμιση υπαρχόντων γαλακτοκομικών προϊόντων, μέσω μιας διαδικασίας πρακτικά μηδενικών εκροών που ευθυγραμμίζεται με τις αρχές της κυκλικής οικονομίας.	el
heal.advisorName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Κροκίδα, Μαγδαληνή	el
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Γιαννακούρου, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Μαμμά, Διομή	el
heal.committeeMemberName	Τσιρώνη, Θεοφανία	el
heal.committeeMemberName	Ζέρβα, Αναστασία	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.fullTextAvailability	false