Μελέτη μεθόδων εκχύλισης αντιοξειδωτικών συστατικών από φυτικές πρώτες ύλες

Ωραιοπούλου, Αντιγόνη; Oraiopoulou, Antigoni

dc.contributor.author	Ωραιοπούλου, Αντιγόνη	el
dc.contributor.author	Oraiopoulou, Antigoni	en
dc.date.accessioned	2024-08-30T07:04:06Z
dc.date.available	2024-08-30T07:04:06Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/60054
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27750
dc.rights	Default License
dc.subject	Αντιοξειδωτικά	el
dc.subject	Μέθοδοι εκχύλισης	el
dc.subject	Φυσικές πρώτες ύλες	el
dc.subject	Μαθηματική μοντελοποίηση	el
dc.subject	Δενδρολίβανο	el
dc.subject	Antioxidants	en
dc.subject	Extraction methods	el
dc.subject	Natural by-products	el
dc.subject	Mathematical modelling	el
dc.subject	Rosemary	el
dc.title	Μελέτη μεθόδων εκχύλισης αντιοξειδωτικών συστατικών από φυτικές πρώτες ύλες	el
dc.title	Study of extraction methods of antioxidant compounds from natural raw materials	en
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Χημική Μηχανική	el
heal.classification	Τεχνολογία Τροφίμων	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-04-23
heal.abstract	Το δενδρολίβανο, η ρίγανη και το θρούμπι είναι κοινά αρωματικά φυτά που ανήκουν στην οικογένεια των Χειλανθών και είναι πλούσια σε ενώσεις, όπως φαινολικά οξέα, φλαβονοειδή και φαινολικά διτερπένια, με έντονη βιολογική δράση. Μέχρι σήμερα, η εκμετάλλευσή τους για την ανάκτηση φαινολικών συστατικών, που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στον τομέα των καλλυντικών, των φαρμάκων και των τροφίμων είναι περιορισμένη. Αξίζει να σημειωθεί ότι το μοναδικό εγκεκριμένο φυσικό αντιοξειδωτικό τροφίμων στην Ευρωπαϊκή Ένωση, σύμφωνα με τον κανονισμό (ΕΟΚ) αριθ. 2568/91, είναι μια συγκεκριμένη ομάδα συστατικών από το δενδρολίβανο. Επιπλέον, η παραγωγή βοτάνων, αρωματικών πρώτων υλών ή αιθέριων ελαίων από τα φυτά αυτά, έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία υπολειμμάτων που προκύπτουν είτε από την απομάκρυνση αχρησιμοποίητων τμημάτων των φυτών ή από την απόσταξη των αιθέριων ελαίων. Οι μεγάλες ποσότητες υπολειμμάτων βιομάζας που παράγονται από την απόσταξη των φαρμακευτικών και αρωματικών φυτών εκτιμούνται σε περισσότερους από 200.000 τόνους παγκοσμίως κάθε χρόνο, και επί του παρόντος παραμένουν ανεκμετάλλευτες. Η ιδέα της περαιτέρω αξιοποίησης των υπολειμμάτων αυτών για την παραλαβή φυσικών εκχυλισμάτων πλούσιων σε φαινολικές ενώσεις και με υψηλή αντιοξειδωτική δράση, κερδίζει συνεχώς περισσότερο ενδιαφέρον. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μια εκτενή μελέτη της εκχύλισης φαινολικών συστατικών από υπολείμματα απελαιωμένων ενδημικών φυτών της οικογένειας των Χειλανθών, καθώς και μια κινητική προσέγγιση των εκχυλίσεων αυτών. Για το σκοπό αυτό εφαρμόστηκε η συμβατική εκχύλιση στερεού από υγρό διαλύτη. Η επιλογή των διαλυτών, εκτός από τη συμβατότητά τους με την εφαρμογή των εκχυλισμάτων σε τρόφιμα ή εδώδιμες συσκευασίες τροφίμων, επιπλέον εξαρτήθηκε από την πρώτη ύλη και την πολικότητα των εκχυλίσιμων ενώσεων. Άλλες παράμετροι που μελετήθηκαν ήταν η αναλογία στερεού προς υγρό, η κοκκομετρία του υλικού, η θερμοκρασία, και η πιθανή προκατεργασία του υλικού. Επίσης δοκιμάστηκαν τόσο η εκχύλιση σε αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης όσο και η εκχύλιση συνεχούς ροής σε αντιδραστήρα ημιδιαλείποντος έργου. Σκοπός της εργασίας ήταν επίσης η κινητική μελέτη των μεθόδων αυτών ή η υπολογιστική τους μοντελοποίηση. Αρχικά, υδατικό διάλυμα υδροξειδίου του καλίου (KOH) χρησιμοποιήθηκε για να ληφθούν πλούσια σε αντιοξειδωτική δράση εκχυλίσματα από τα φυτικά υπολείμματα τα οποία προκύπτουν μετά την απομάκρυνση του αιθέριου ελαίου μέσω υδροαπόσταξης από δύο ποικιλίες ρίγανης, την ελληνική και τη νησιωτική, από δίκταμο, από δενδρολίβανο και από θρούμπι. Η κατεργασία σε αλκαλικό περιβάλλον είχε ως σκοπό την εκχύλιση κυρίως των φαινολικών οξέων, που βρίσκονται στα φυτικά κύτταρα δεσμευμένα με εστερικούς ή αιθερικούς δεσμούς. Η παράταση του χρόνου κατεργασίας σε αλκαλικό περιβάλλον από 0.5 έως 24 h προκάλεσε μείωση της ολικής περιεκτικότητας σε φαινολικά συστατικά, καθώς και της ικανότητας δέσμευσης ελευθέρων ριζών. Οι μικρότερες αλκαλικές συγκεντρώσεις 1 και 3% ΚΟΗ (w/v) αποδείχτηκαν περισσότερο αποτελεσματικές από την μεγαλύτερη, η οποία ήταν ίση με 5% ΚΟΗ (w/v). Τα εκχυλίσματα που ελήφθησαν σε χρόνο εκχύλισης 0.5 h, με ΚΟΗ 1% (w/v), από τα υπολείμματα της υδροαπόσταξης από το θρούμπι, την ελληνική ρίγανη και το δενδρολίβανο έδειξαν υψηλή ολική περιεκτικότητα σε φαινολικά συστατικά και καλή αντιριζική και αντιοξειδωτική δράση, ενώ τα αντίστοιχα υπολείμματα από το δίκταμο και τη νησιωτική ρίγανη δεν είχαν τόσο καλά αποτελέσματα. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση των εκχυλισμάτων ήταν η μέθοδος Folin-Ciocalteu για τη μέτρηση του ολικού περιεχομένου φαινολικών συστατικών, η μέθοδος DPPH (2,2-διφαινυλο-1-πικρυλ-υδραζυλίου) που προσδιορίζει την ικανότητα του εκχυλίσματος να δεσμεύει ελεύθερες ρίζες και η μέτρηση του δείκτη οξειδωτικής σταθερότητας OSI (Oxidative Stability Index). Συγκεκριμένα, το εκχύλισμα από υπολείμματα δενδρολίβανου πέτυχε τη μεγαλύτερη επιμήκυνση του χρόνου οξείδωσης ραφιναρισμένου ηλιέλαιου (57.8%). Το εκχύλισμα από υπολείμματα από θρούμπι που ανακτήθηκε με κατεργασία με ΚΟΗ 1% απέδωσε το υψηλότερο περιεχόμενο φαινολικών συστατικών (378 mg GAE/g ξηρού εκχυλίσματος) και την ισχυρότερη αντιριζική δράση, (EC50 = 135 g εκχύλισμα/kg DPPH), ενώ, ακόμη και μετά από κατεργασία με ΚΟΗ 5% η δραστικότητά του εξακολούθησε να είναι σημαντική. Οι μεγαλύτερες αποδόσεις σε εκχυλίσματα, μέχρι 82 g/kg ξηρού φυτικού υπολείμματος, επιτεύχθηκαν από τα υπολείμματα της ελληνικής ρίγανης. Η ανάλυση LC-MS έδειξε ότι όλα τα εκχυλίσματα ήταν πλούσια σε φαινολικά οξέα, όπως το καφεϊκό οξύ και το ροσμαρινικό οξύ, ενώ το δενδρολίβανο ήταν επίσης πλούσιο σε καρνοσικό οξύ. Στη συνέχεια, η έρευνα επικεντρώθηκε στα υπολείμματα της απελαίωσης του δενδρολίβανου και της ποικιλίας της ελληνικής ρίγανης. Το θρούμπι, αν και δείχνει πολλά υποσχόμενο, εν τούτοις, θα πρέπει να μελετηθεί η ασφάλεια των εκχυλισμάτων του ως προς την χρήση τους σε τρόφιμα, πριν η έρευνα προβεί σε περισσότερο εντατική μελέτη των παραμέτρων και της κινητικής της εκχύλισής του. Επιπλέον, λόγω της περιορισμένης προς το παρόν χρήσης αιθέριου ελαίου από το θρούμπι, δεν υπάρχουν βιομηχανικά υπολείμματα απελαίωσης του. Τα απελαιωμένα και αλεσμένα φυτικά υπολείμματα της ποικιλίας ελληνικής ρίγανης εκχυλίστηκαν με υδατικά μίγματα αιθανόλης, σε αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης. Μελετήθηκαν η επίδραση της συγκέντρωσης της αιθανόλης στο νερό, η κοκκομετρία του φυτικού υλικού, η αναλογία στερεού προς υγρό και η θερμοκρασία. Τα πειραματικά δεδομένα προσαρμόστηκαν επιτυχώς στο νόμο του Fick και στο εμπειρικό μοντέλο του Peleg, αποδεικνύοντας δύο στάδια εκχύλισης, ένα αρχικό ταχύ στάδιο έκπλυσης (washing stage), διάρκειας περίπου 30 min, ακολουθούμενο από ένα βραδύ στάδιο διάχυσης (diffusion stage). Παρατηρήθηκε ότι η αρχική συγκέντρωση φαινολικών συστατικών στο διαλύτη τη χρονική στιγμή μηδέν, αν και θεωρητικά είναι μηδενική, ωστόσο στην πράξη, είχε μια τιμή που επηρεάζεται από τις παραμέτρους εκχύλισης. Η αρχική αυτή συγκέντρωση υπέδειξε μια πολύ ταχεία εκχύλιση στην αρχική επαφή μεταξύ του καθαρού διαλύτη και του φυτικού υπολείμματος, η οποία αποδόθηκε κυρίως στην ταχεία μεταφορά προς τον διαλύτη των εκχυλίσιμων συστατικών που βρίσκονται στην εξωτερική επιφάνεια των φυτικών υπολειμμάτων, καθώς και εκείνων εντός των φυτικών σωματιδίων τα οποία έχουν διαρρηγμένα τοιχώματα. Ο μεγαλύτερος αρχικός ρυθμός εκχύλισης των υπολειμμάτων της ελληνικής ρίγανης με διαφορετικούς διαλύτες ελήφθη με διαλύτη μίγμα αιθανόλης 60% με νερό 40% v/v (38.12 mg/(g ξηρού φυτικού υλικού∙min)). Η αύξηση της θερμοκρασίας από 22 ◦C σε 60 ◦C, η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων (από μεγαλύτερα των 1000 μm σε μικρότερα των 315 μm) και η αύξηση της αναλογίας υγρού προς στερεό από 1:20 σε 1:40 g/mL οδήγησαν επίσης σε αύξηση του αρχικού ρυθμού εκχύλισης, μέχρι και 20 φορές. Οι συντελεστές διάχυσης του αρχικού ταχέος σταδίου υπολογίστηκαν από 0.04 ∙ 10-12 m2/s έως 11.1 ∙ 10-12 m2/s, ενώ οι μεγαλύτερες τιμές των συντελεστών διάχυσης επιτεύχθηκαν με διαλύτη μίγμα αιθανόλης 60% με νερό 40% v/v, καθώς και με αύξηση της θερμοκρασίας. Οι συντελεστές διάχυσης του αργού σταδίου εκχύλισης ήταν χαμηλοί για όλες τις παραμέτρους. Όσον αφορά την επίδραση των παραμέτρων στο φαινολικό περιεχόμενο των εκχυλισμάτων και την αντιριζική ικανότητά τους, στην περίπτωση των υπολειμμάτων της ελληνικής ρίγανης, τα εκχυλίσματα που ελήφθησαν με διαλύτη μίγμα αιθανόλης 60% με νερό 40% v/v παρουσίασαν την μεγαλύτερη ανάκτηση φαινολικών συστατικών (54.72 mg GAE/g ξηρού φυτικού υλικού) και την ισχυρότερη αντιριζική ικανότητα (91.45 mg TE/g ξηρού φυτικού υλικού). Η αύξηση του ποσοστού της αιθανόλης στο μίγμα του διαλύτη, άνω του 60%, οδήγησε σε μείωση της περιεκτικότητας σε φαινολικά συστατικά και αντίστοιχα σε μείωση της ικανότητας δέσμευσης ελευθέρων ριζών. Τα εκχυλίσματα που ελήφθησαν με μίγματα αιθανόλης και νερού 60:40 και 80:20 v/v έδειξαν παρόμοια εκλεκτικότητα (περίπου 28 %). Η επίδραση του μεγέθους των σωματιδίων στη συνολική περιεκτικότητα σε φαινολικά συστατικά, στην ικανότητα δέσμευσης ελευθέρων ριζών και στην εκλεκτικότητα της διεργασίας εμφάνισε πολύ μικρές αποκλίσεις μεταξύ των εκχυλισμάτων που ελήφθησαν σε κάθε περίπτωση, με τα μικρότερα σωματίδια όμως να εμφανίζουν ελαφρώς καλύτερα αποτελέσματα. Το ολικό περιεχόμενο σε φαινολικά συστατικά που ανακτήθηκε ανήλθε σε 60 mg GAE/g ξηρού φυτικού υλικού όταν η εκχύλιση πραγματοποιήθηκε με μίγμα αιθανόλης 60% με νερό 40% v/v, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (22 C), μέγεθος σωματιδίων μικρότερο από 600 μm, και αναλογία στερεού προς υγρό 1:20 g/mL. Η HPLC ανάλυση έδειξε κυρίως την παρουσία ροσμαρινικού οξέος, λιθοσπερμικού οξέος, φλαβονοειδών γλυκοζιτών και καρβακρόλης. Η αύξηση του ποσοστού του νερού έως και 40% στο μίγμα αιθανόλης και νερού οδήγησε σε αύξηση της ποσότητας του ροσμαρινικού οξέος που εκχυλίστηκε, το οποίο προκάλεσε αντίστοιχα αύξηση της αντιοξειδωτικής ικανότητας των εκχυλισμάτων επειδή το ροσμαρινικό οξύ είναι ένα ισχυρό αντιοξειδωτικό. Ακολούθως, για την εκχύλιση των υπολειμμάτων του δενδρολίβανου μελετήθηκαν υδατικά διαλύματα αιθανόλης, αλλά και ακετόνης, με ποσοστό οργανικού διαλύτη στο νερό 0, 40, 60, 80 και 100% v/v. Όπως και στην περίπτωση της ελληνικής ρίγανης, τα πειραματικά αποτελέσματα προσαρμόστηκαν επαρκώς στο μοντέλο διάχυσης δύο σταδίων, δηλαδή του αρχικού ταχέος σταδίου και του βραδέος σταδίου διάχυσης. Όμως, αυτό που ήταν χαρακτηριστικό στην περίπτωση των υπολειμμάτων του δενδρολίβανου, ήταν ότι το ταχύ στάδιο της έκπλυσης εξελίχθηκε ταχύτερα από το αντίστοιχο της ελληνικής ρίγανης, σε χρονικό διάστημα 10 min. Οι συντελεστές διάχυσης του αρχικού ταχέος σταδίου για την εκχύλιση των υπολειμμάτων του δενδρολίβανου κυμάνθηκαν από 0.48∙10-12 m2/s, στην περίπτωση εκχύλισης σωματιδίων με μέγεθος μικρότερο από 315 μm, μέχρι 19.20∙10-12 m2/s, στην περίπτωση εκχύλισης σε θερμοκρασία 60 C. Μεταξύ των διαφορετικών διαλυτών, ο μεγαλύτερος συντελεστής διάχυσης παρατηρήθηκε για το ταχύ στάδιο της εκχύλισης με μίγμα ακετόνης 60% με νερό 40% v/v, ακολουθούμενος από τον αντίστοιχο συντελεστή του ταχέος σταδίου της εκχύλισης με μίγμα αιθανόλης 60% με νερό 40% v/v. Ο αρχικός ρυθμός εκχύλισης αυξήθηκε σημαντικά κατά τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων ή την αύξηση της θερμοκρασίας. Η εκχύλιση μικρότερου μεγέθους σωματιδίων διεξήχθη ταχύτερα και προσέγγισε την μέγιστη συγκέντρωση ισορροπίας, μετά από χρόνο εκχύλισης 30 min. Όσον αφορά τις ιδιότητες των εκχυλισμάτων των υπολειμμάτων του δενδρολίβανου τα οποία ελήφθησαν από τον αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης, το εκχύλισμα που ανακτήθηκε από τη χρήση ως διαλύτη του μίγματος ακετόνης 60% με νερό 40% v/v παρουσίασε τη μέγιστη απόδοση σε ολικό φαινολικό περιεχόμενο (68.2 mg GAE/g ξηρού φυτικού υλικού), σε αντιριζική ικανότητα και σε εκλεκτικότητα, ακολουθούμενο από τα εκχυλίσματα που ελήφθησαν με υδατικά μίγματα αιθανόλης 60% v/v (59.3 mg GAE/g ξηρού φυτικού υλικού) και ακετόνης 40% v/v (58.3 mg GAE/g ξηρού φυτικού υλικού). Η άλεση της πρώτης ύλης αύξησε την απόδοση σε φαινολικά συστατικά και την αντιριζική ικανότητα καθώς μειώθηκε το μέγεθος των σωματιδίων, ενώ η αύξηση της θερμοκρασίας έως τους 60 °C είχε ως αποτέλεσμα αύξηση της απόδοσης σε ολικό περιεχόμενο φαινολικών συστατικών και της αντιριζικής ικανότητας, αλλά μείωση της εκλεκτικότητας. Η προκατεργασία με διαβροχή σε νερό (4 h) συντόμευσε τον χρόνο εκχύλισης, ενώ ο συνδυασμός της με τη χρήση παλμικού ηλεκτρικού πεδίου δεν ενίσχυσε περαιτέρω την εκχύλιση. Η χρήση υπερήχων επίσης ενίσχυσε την εκχύλιση, ειδικά όταν ως διαλύτης χρησιμοποιήθηκε αιθανόλη 60%. Τα μεμονωμένα φαινολικά συστατικά που ταυτοποιήθηκαν στα εκχυλίσματα των υπολειμμάτων του δενδρολίβανου, έδειξαν κινητική συμπεριφορά ανάλογη της κινητικής του συνολικού εκχυλίσματος. Έτσι, η εκχύλισή τους προχώρησε με υψηλό ρυθμό αρχικά και, μετά από περίπου 10 min, επιβραδύνθηκε μέχρι να φτάσει σε ισορροπία συγκέντρωσης φαινολικών συστατικών ανάμεσα στο φυτικό υλικό και στο διαλύτη. Η HPLC ανάλυση έδειξε κυρίως την παρουσία ροσμαρινικού οξέος, φλαβονοειδών και φαινολικών διτερπενίων (καρνοσικό οξύ, καρνοσόλη). Το υδατικό εκχύλισμα έδειξε την μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε ροσμαρινικό οξύ, ενώ όταν χρησιμοποιήθηκε ως διαλύτης το μίγμα ακετόνης 60% και νερού 40% v/v παρουσίασε την υψηλότερη ανάκτηση φλαβονοειδών. Τέλος, ως εναλλακτική μέθοδος εκχύλισης εφαρμόστηκε και η συνεχής εκχύλιση των στερεών υπολειμμάτων από υγρό διαλύτη. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ένας κατακόρυφος αντιδραστήρας σταθερής κλίνης. Με αυτόν τον τρόπο επιτεύχθηκε η συνεχής διατήρηση μιας διαφοράς συγκέντρωσης φαινολικών συστατικών μεταξύ του φυτικού υλικού και του διαλύτη που προκαλεί τη μεταφοράς μάζας από το φυτικό υπόλειμμα στον διαλύτη. Επίσης, με τη μέθοδος αυτή δεν απαιτείται ο διαχωρισμός του φυτού από τον διαλύτη μετά το πέρας της εκχύλισης, μειώνοντας τις απαιτούμενες διεργασίες και κατά συνέπεια το κόστος. Σκοπός της συνεχούς εκχύλισης ήταν τα δεδομένα της συγκέντρωσης των εκχυλίσιμων συστατικών στην υγρή φάση του διαλύτη, που λαμβάνονται συναρτήσει του χρόνου εκχύλισης, να προσαρμοστούν σε θεωρητικά μοντέλα, και με τις κατάλληλες παραδοχές ή υποθέσεις, να επιτρέψουν την πρόβλεψη των τιμών των κινητικών παραμέτρων της διάχυσης. Η κινητική μελέτη της εκχύλισης απελαιωμένων υπολειμμάτων δενδρολίβανου σε έναν κατακόρυφο αντιδραστήρα σταθερής κλίνης απαίτησε τη δημιουργία ενός μαθηματικού μοντέλου με δύο μερικές διαφορικές εξισώσεις που βασίστηκαν στην εξίσωση της συνέχειας και στο νόμο του Fick. Η βασική θεώρηση ήταν ότι όλο το εκχυλίσιμο περιεχόμενο των στερεών σωματιδίων μπορεί δυνητικά να μεταφερθεί από το εσωτερικό των σωματιδίων στην επιφάνειά τους και από εκεί στον διαλύτη. Η αδιαστατοποίηση των εξισώσεων και η ενσωμάτωση σημαντικών παραμέτρων της εκχύλισης, όπως η ογκομετρική παροχή του διαλύτη, τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της κλίνης ή το πορώδες της, σε λιγότερους αδιάστατους αριθμούς, διευκόλυνε τη μελέτη της διεργασίας. Έτσι, μελετήθηκε η επίδραση των αδιάστατων αριθμών Peclet και Damköhler που εμφανίζονται στις τελικές εξισώσεις. Σε πρώτη φάση, η μελέτη της ογκομετρικής παροχής του διαλύτη ανέδειξε την παροχή 6 mL/min ως την πιο συμφέρουσα για τη διεργασία. Αποδείχτηκε ότι η εκχύλιση ελέγχεται από εσωτερικά φαινόμενα διάχυσης με τιμές για τον συντελεστή εσωτερικής διάχυσης που κυμάνθηκαν μεταξύ 0.2∙10-10 και 2.77∙10-10 m2/s. Η εκχύλιση ξεκίνησε με μία πολύ μεγάλη περιεκτικότητα του διαλύτη σε φαινολικά συστατικά, η οποία επιτεύχθηκε από την πρώτη πλήρωση της κλίνης, ενώ μετά σταδιακά μειώθηκε μέχρι θεωρητικά η συγκέντρωση να μηδενιστεί σε άπειρο χρόνο εκχύλισης. Ο αριθμός Peclet, με υψηλές τιμές (3000 – 30000), είχε μικρή επίδραση στα αποτελέσματα. Το γεγονός αυτό απέδειξε την επιτάχυνση του φαινομένου της εσωτερικής διάχυσης στον αντιδραστήρα ημιδιαλείποντος έργου λόγω της συνεχούς τροφοδοσίας με καθαρό διαλύτη που ενίσχυσε την ταχύτερη ολοκλήρωση της εσωτερικής διάχυσης (χρόνος εσωτερικής διάχυσης: περίπου 10 min). Σε αντίθεση με τον αριθμό Peclet, ο αριθμός Damköhler επηρέασε έντονα την σύγκλιση των πειραματικών δεδομένων με το μαθηματικό μοντέλο. Το εύρος των τιμών Damköhler για τις οποίες τα πειραματικά δεδομένα ικανοποίησαν το μοντέλο κυμάνθηκε από 0.15 έως 0.85. Επίσης, μέσα από δοκιμές του κινητικού μοντέλου, διαπιστώθηκε ότι η αύξηση του πορώδους της κλίνης οδήγησε σε μείωση της συγκέντρωσης φαινολικών συστατικών στην έξοδο του αντιδραστήρα κατά τις αρχικές στιγμές της διεργασίας, επιβραδύνοντας έτσι τη διαδικασία. Διερευνήθηκε τέλος και η επίδραση παραμέτρων, όπως η σύσταση του διαλύτη, το μέγεθος των σωματιδίων και η θερμοκρασία, στο συντελεστή και το χρόνο εσωτερικής διάχυσης. Η ακετόνη, λόγω του χαμηλού της ιξώδους παρουσίασε το μεγαλύτερο συντελεστή εσωτερικής διάχυσης (2.77∙10-10 m2/s) και αντίστοιχα το μικρότερο χρόνο εσωτερικής διάχυσης (5.4 min), ενώ αύξηση της θερμοκρασίας οδήγησε σε αύξηση του συντελεστή διάχυσης. Μεταξύ των διαφορετικών διαλυτών, το μίγμα αιθανόλης 80% και νερού 20% v/v παρουσίασε την μεγαλύτερη συνολική ανάκτηση φαινολικών συστατικών. Η αντιριζική δράση ενισχύθηκε με την αύξηση της θερμοκρασίας, ενώ το μικρότερο μέγεθος σωματιδίων οδήγησε σε βελτίωση της εκλεκτικότητας της εκχύλισης. Η απόδοση της διεργασίας στον αντιδραστήρα ημιδιαλείποντος έργου έφτασε μέχρι 89% της μέγιστης απόδοσης με βάση την εξουθενωτική εκχύλιση. Συμπερασματικά, η επεξεργασία του υπολειμματικού φυτικού υλικού από τις διεργασίες υδροαπόσταξης βιομηχανικής κλίμακας θα μπορούσε να προσφέρει φθηνά φυσικά αντιοξειδωτικά, ενώ ταυτόχρονα να περιορίσει και τα βιομηχανικά απόβλητα. Συγκεκριμένα, το εναπομείναν φυτικό υλικό από την απελαίωση του δεντρολίβανου, της ρίγανης, αλλά και του θρουμπιού, αποδείχτηκε πλούσιο σε φαινολικά συστατικά με ισχυρή συνολική αντιοξειδωτική δράση. Επιπλέον, όλα τα πειράματα έδειξαν ότι η διαδικασία μπορεί να ολοκληρωθεί σε σύντομο χρόνο, σχεδόν 30 λεπτά, εφόσον οριστούν οι κατάλληλες παράμετροι, όπως υδατικά μίγματα αιθανόλης και ακετόνης (περίπου 60 - 80%), μικρότερα μεγέθη σωματιδίων ή αυξημένη θερμοκρασία.	el
heal.abstract	Rosemary, oregano, and pink savory are common aromatic plants that belong to the Lamiaceae family and are rich in compounds, such as phenolic acids, flavonoids, and phenolic diterpenes, with strong biological activity. To date, their exploitation for the recovery of phenolic compounds, which could be used in the field of cosmetics, medicine and food, is limited. It is worth noting that the only approved natural food antioxidant in the European Union, according to regulation (EEC) No. 2568/91, is a specific group of compounds from rosemary. In addition, the production of herbs, aromatic raw materials or essential oils from these plants results in the creation of residues arising either from the removal of unused parts of the plants or from the hydrodistillation of the essential oils. The large amounts of biomass residues produced by the distillation of medicinal and aromatic plants are estimated at more than 200,000 tons worldwide each year, and currently remain unexploited. The idea of further utilization of these residues to obtain natural extracts rich in phenolic compounds and with high antioxidant activity is gaining more and more interest. This PhD thesis is an extensive study of the extraction of phenolic compounds from residues of deoiled endemic plants of the Lamiaceae family, as well as a kinetic approach to these extractions. For this purpose, the conventional solid-liquid extraction (SLE) was applied. The choice of solvents, in addition to their compatibility with the application of the extracts to food or edible food packaging, depended also on the raw material and the polarity of the extractable compounds. Other parameters studied were the solid to liquid ratio, the particle size, the temperature, and the pretreatment of the plant material. Both extraction in a batch agitated reactor and continuous flow extraction in a semi-batch reactor were also tested. The purpose of the work was also the kinetic study of these methods or their computational modeling. Initially, aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) was used to obtain antioxidant-rich extracts from the plant residues resulting from the removal of the essential oil through hydrodistillation from two varieties of oregano, common known as Greek oregano and island oregano, from dittany, from rosemary and from pink savory. The treatment in an alkaline environment aimed to extract mainly the phenolic acids, which are found in the plant cells bound by ester or ether bonds. Prolonging the processing time in an alkaline environment from 0.5 to 24 h caused a decrease in the total content of phenolic compounds, as well as the ability to bind free radicals. The lower alkaline concentrations of 1 and 3% KOH (w/v) were found to be more effective than the higher one, which was set to 5% KOH (w/v). The extracts obtained at 0.5 h extraction time, with KOH 1% (w/v), from the hydrodistillation residues from pink savory, Greek oregano and rosemary showed a high total content of phenolic compounds and strong antiradical and antioxidant activity, while the corresponding residues from dittany and island oregano did not fare as well. The methods used to evaluate the extracts were the Folin-Ciocalteu method for measuring the total content of phenolic compounds, the DPPH (2,2-diphenyl-1-picryl-hydrazyl) method that determines the ability of the extract to bind free radicals and the measurement of the Oxidative Stability Index (OSI). In particular, the extract from rosemary residues achieved the highest prolongation of the oxidation time of refined sunflower oil (57.8%). The extract from pink savory residues recovered by treatment with 1% KOH yielded the highest content of phenolic compounds (378 mg GAE/g dry extract) and the strongest antiradical activity, (EC50 = 135 g extract/kg DPPH), while, even after treatment with 5% KOH its activity remained significant. The highest yields in extracts, up to 82 g/kg dry plant residue, were obtained from Greek oregano residues. LC-MS analysis showed that all extracts were rich in phenolic acids, such as caffeic acid and rosmarinic acid, while rosemary was also rich in carnosic acid. The research then focused on the deoiling residues of rosemary and the Greek oregano variety. Although pink savory shows promising results, the safety of its extracts for use in the food industry should be further studied before research can undertake a more intensive study of its extraction parameters and kinetics. In addition, due to the currently limited use of essential oil from pink savory, there are no industrial residues of its deoiling process. The deoiled and ground plant residues of the Greek oregano variety were extracted with aqueous ethanol mixtures, in a batch agitated reactor. The effect of ethanol concentration in water, particle size of plant material, solid to liquid ratio and temperature were studied. The experimental data were successfully fitted to Fick's law and Peleg's empirical model, demonstrating two extraction stages, an initial fast washing stage, lasting about 30 min, followed by a slow diffusion stage. It was observed that the initial concentration of phenolic compounds in the solvent at time zero, although theoretically is zero, however in practice, had a value affected by the extraction parameters. This initial concentration indicated a very rapid extraction at the initial contact between the pure solvent and the plant residue, which was mainly attributed to the rapid transport to the solvent of the extractable compounds located on the outer surface of the plant residue, as well as those within the plant particles which have ruptured walls. The highest initial extraction rate of Greek oregano residues with different solvents was obtained with a solvent mixture of 60% ethanol v/v in water (38.12 mg/(g dry plant material∙min)). Increasing the temperature from 22 ◦C to 60 ◦C, decreasing the particle size (from larger than 1000 μm to smaller than 315 μm), and increasing the liquid to solid ratio from 1:20 to 1:40 g/mL also led to an increase in the initial extraction rate, up to 20-fold. The diffusion coefficients of the initial rapid stage were calculated as from 0.04 x 10-12 m2/s to 11.1 x 10-12 m2/s, while the largest values of the diffusion coefficients were achieved with a solvent mixture of 60% v/v ethanol in water. Also, an increase in temperature led to an increase in diffusion coefficients. The diffusion coefficients of the slow extraction stage were low for all parameters. Regarding the effect of the parameters on the phenolic content of the extracts and their antiradical capacity, in the case of Greek oregano residues, the extracts obtained with a solvent mixture of ethanol 60% v/v in water presented the highest recovery of phenolic compounds (54.72 mg GAE/g dry plant material) and the strongest antiradical capacity (91.45 mg TE/g dry plant material). Increasing the percentage of ethanol in the solvent mixture, above 60%, led to a decrease in the content of phenolic compounds and correspondingly to a decrease in the ability to bind free radicals. Extracts obtained with 60:40 and 80:20 v/v ethanol-water mixtures showed similar selectivity (about 28 %). The effect of particle size on total phenolic content, free radical scavenging capacity and process selectivity showed very little variation between the extracts obtained in each case, with smaller particles showing slightly better results. The total phenolic content recovered amounted to 60 mg GAE/g dry plant material when the extraction was performed with a mixture of 60% v/v ethanol and 40% v/v water, at ambient temperature (22 °C), particle size less than 600 µm, and a solid to liquid ratio of 1:20 g/mL. HPLC analysis mainly showed the presence of rosmarinic acid, lithospermic acid B, flavonoid glycosides and carvacrol. Increasing the percentage of water up to 40% in the ethanol-water mixture resulted in an increase in the amount of rosmarinic acid extracted, which in turn caused an increase in the antioxidant capacity of the extracts since rosmarinic acid is a strong antioxidant. Additionally, for the extraction of the rosemary residues, aqueous solutions of ethanol and acetone were studied, with a percentage of organic solvent in water of 0, 40, 60, 80 and 100% v/v. As in the case of Greek oregano, the experimental results were adequately fitted to the two-stage diffusion model, i.e. the initial rapid stage and the slow diffusion stage. However, what was characteristic in the case of the rosemary residues, was that the fast washing stage developed faster than the one in Greek oregano case, in a time interval of 10 min. The diffusion coefficients of the initial rapid stage for the extraction of rosemary residues ranged from 0.48 x 10-12 m2/s, in the case of extraction of particles with a size smaller than 315 μm, to 19.20 x 10-12 m2/s, in the case of extraction at temperature 60 °C. Among the different solvents, the highest diffusion coefficient was observed for the rapid stage extraction with a mixture of 60% v/v acetone in water, followed by the corresponding coefficient of the rapid stage extraction with a mixture of 60% v/v ethanol and 40% water v/v. The initial extraction rate increased significantly upon decreasing particle size or increasing temperature. The extraction of smaller particle size proceeded faster and approached the maximum equilibrium concentration almost after an extraction time of 30 min. Regarding the properties of the rosemary residue extracts obtained from the batch agitated reactor, the extract recovered by using as a solvent the mixture of acetone 60% and water 40% v/v showed the maximum yield in total phenolic content (68.2 mg GAE/g dry plant material), in antiradical capacity and selectivity, followed by the extracts obtained with aqueous mixtures of ethanol 60% v/v (59.3 mg GAE/g dry plant material) and acetone 40% v/v (58.3 mg GAE/g dry plant material). Raw material grinding increased phenolic yield and antiradical capacity as particle size decreased, while increasing temperature up to 60 °C resulted in an increase in total phenolic yield and antiradical capacity, but a decrease of selectivity. Pretreatment by maceration in water (4 h) shortened the extraction time, while its combination with the use of a pulsed electric field did not further enhance the extraction. The use of ultrasound also enhanced the extraction, especially when 60% ethanol was used as the solvent. The individual phenolic compounds identified in the rosemary residue extracts showed a kinetic behavior similar to that of the total extract. Thus, their extraction proceeded at a high rate initially and, after about 10 min, slowed down until it reached an equilibrium concentration of phenolic compounds between the plant material and the solvent. HPLC analysis mainly showed the presence of rosmarinic acid, flavonoids and phenolic diterpenes (carnosic acid, carnosol). The aqueous extract showed the highest content of rosmarinic acid, while the mixture of acetone 60% v/v and water 40% v/v presented the highest recovery of flavonoids. Finally, the continuous flow extraction of solid residues from a liquid solvent was applied, as an alternative extraction method. For this purpose, a vertical fixed bed reactor was used. In this way it was achieved to continuously maintain a concentration difference of phenolic compounds between the plant material and the solvent which causes mass transfer from the plant residue to the solvent. Also, with this method, it is not required to separate the plant from the solvent after the extraction, reducing the required processes and consequently the cost. During the continuous extraction, the data of the concentration of the extractable compounds in the liquid phase of the solvent, obtained as a function of the extraction time, were fitted to theoretical models, and with the appropriate assumptions or hypotheses, the prediction of the values of the kinetic parameters of the diffusion was achieved. The kinetic study of the extraction of deoiled rosemary residues in a vertical fixed bed reactor required the creation of a mathematical model with two partial differential equations based on the continuity equation and Fick's law. The basic consideration was that all the extractable content of the solid particles can potentially be transferred from the interior of the particles to their surface and from there to the solvent. The non-dimensionalization of the equations and the integration of important parameters of the extraction, such as the volumetric flow rate of the solvent, the geometric characteristics of the bed or its porosity, in less dimensionless numbers, facilitated the study of the process. Thus, the effect of the dimensionless Peclet and Damköhler numbers appearing in the final equations was studied. Initially, the study of the volumetric flow rate of the solvent highlighted the flow rate of 6 mL/min as the most advantageous for the process. The extraction was shown to be controlled by internal diffusion effects with values for the internal diffusion coefficient ranging between 0.2 x 10-10 and 2.77 x 10-10 m2/s. The extraction started with a very high concentration of phenolic compounds in the solvent, which was achieved from the first filling of the bed, and then it gradually decreased until the concentration theoretically reached zero in an infinite extraction time. The Peclet number, with high values (3000 – 30000), had little effect on the results. This fact proved the acceleration of the internal diffusion phenomenon in the semi-batch reactor due to the continuous supply of pure solvent which enhanced the faster completion of the internal diffusion (internal diffusion time: about 10 min). In contrast to the Peclet number, the Damköhler number strongly affected the convergence of the experimental data with the mathematical model. The range of Damköhler values for which the experimental data were fitted to the model varied from 0.15 to 0.85. Also, through kinetic model tests, it was found that an increase in bed porosity led to a decrease in the concentration of phenolic compounds at the reactor outlet during the initial time of the process, thus slowing down the process. Finally, the effect of parameters, such as solvent composition, particle size and temperature, on the internal diffusion coefficient and time was investigated. Acetone, due to its low viscosity, presented the highest internal diffusion coefficient (2.77 x 10-10 m2/s) and correspondingly the shortest internal diffusion time (5.4 min), while an increase in temperature led to an increase in the diffusion coefficient. Among the different solvents, the mixture of ethanol 80% v/v in water showed the highest total recovery of phenolic compounds. The antiradical activity was enhanced by increasing temperature, while the smaller particle size led to an improvement in the extraction selectivity. The process efficiency in the semi-batch reactor reached up to 89% of the maximum efficiency. In conclusion, processing the residual herb from industrial scale hydrodistillation processes could offer cheap natural antioxidants and limit wastes. The remaining plant material from the deoiling of rosemary, oregano, but also pink savory, proved to be rich in phenolic compounds with a strong overall antioxidant effect. Moreover, all experiments showed that the process can be accomplished in short time, 30 min, when the appropriate parameters are set, such as aqueous mixtures of ethanol and acetone (about 60 - 80%), smaller particle sizes or increased temperature, showing a higher effectiveness in the use of energy.	en
heal.advisorName	Ωραιοπούλου, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Ωραιοπούλου, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Φιλιππόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Οικονομίδης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Γιαννακούρου, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Κροκίδα, Μαγδαληνή	el
heal.committeeMemberName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	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	240 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false