Ανάπτυξη νέων συστημάτων φυτοδιέγερσης απο βιοδιεγέρτες θαλάσσιας προέλευσης μέσω της διεργασίας του εγκλεισμού

Δημουλά, Μαρία; Dimoula, Maria

dc.contributor.author	Δημουλά, Μαρία	el
dc.contributor.author	Dimoula, Maria	en
dc.date.accessioned	2025-04-28T09:27:43Z
dc.date.available	2025-04-28T09:27:43Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61791
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29487
dc.rights	Default License
dc.subject	Βιοδιεγέρτες	el
dc.subject	Biostimulants	en
dc.subject	Μικροφύκη	el
dc.subject	Εκχύλιση	el
dc.subject	Εγκλεισμός	el
dc.subject	Microalgae	en
dc.subject	Extraction	en
dc.subject	Encapsulation	en
dc.title	Ανάπτυξη νέων συστημάτων φυτοδιέγερσης απο βιοδιεγέρτες θαλάσσιας προέλευσης μέσω της διεργασίας του εγκλεισμού	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ανάπτυξη διεργασιών	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-09-25
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη εκχυλισμάτων μικροφυκών με πλούσια βιοδιεγερτική δράση καθώς και ο εγκλεισμός αυτών αλλά και εμπορικά διαθέσιμων βιοδιεγερτών σε κατάλληλα συστήματα, με απώτερο στόχο την προστασία από την υποβάθμιση και την ελεγχόμενη απελευθέρωσή τους στα φυτά. Η χρήση βιοδιεγερτικών παραγόντων κερδίζει ολοένα και μεγαλύτερο έδαφος στον τομέα της βιώσιμης γεωργίας, προκειμένου να ενισχύεται η ανάπτυξη των καλλιεργειών χωρίς να προκαλούνται επιβαρυντικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Οι βιοδιεγέρτες περιλαμβάνουν εκχυλίσματα φυκών, υδρολύματα πρωτεϊνών και αμινοξέα (μη μικροβιακοί) καθώς και ωφέλιμους μικροοργανισμούς (μικροβιακοί). Η χρήση των πολλά υποσχόμενων βιοδιεγερτών ωστόσο περιορίζεται λόγω της αποικοδόμησης που λαμβάνει χώρα κατά την εφαρμογή τους, ενώ επιπλέον είναι επιθυμητή η ελεγχόμενη αποδέσμευσή τους με την παράλληλη ενίσχυση της δραστικότητάς τους. Η λύση στα παραπάνω ζητήματα μπορεί να δοθεί μέσω καινοτόμων τεχνολογιών εγκλεισμού των βιοδιεγερτών σε κατάλληλα συστήματα μεταφοράς. Στο πρώτο μέρος της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας τα μικροφύκη Spirulina Platensis και Chlorella Vulgaris επιλέχθηκαν ως πρώτες ύλες για την ανάκτηση εκχυλισμάτων με βιοδιεγερτικές ιδιότητες. Για τον σκοπό αυτό εφαρμόστηκε η υποβοηθούμενη με υπερήχους εκχύλιση. Οι παράμετροι εκχύλισης που μελετήθηκαν ήταν ο χρόνος εκχύλισης (5, 10 και 20 λεπτά), η αναλογία στερεού-υγρού (1:10 και 1:20) καθώς και το μέσο εκχύλισης (νερό, αιθανόλη και το μίγμα αιθανόλης/νερού σε αναλογία 80:20). Συγκεκριμένα, εξετάστηκε η επίδραση των παραπάνω παραμέτρων στη συνολική απόδοση της εκχύλισης ενώ επιπλέον προσδιορίστηκε το βιοδραστικό περιεχόμενο των εκχυλισμάτων. Οι αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας το φασματοφωτόμετρο UV-Vis και περιλάμβαναν τον προσδιορισμό του περιεχομένου σε χλωροφύλλες και ολικά καροτενοειδή, φυκοκυανίνη, φαινολικές ενώσεις, αντιοξειδωτική δράση και πρωτεΐνες. Το δεύτερο μέρος περιλάμβανε τον εγκλεισμό των εκχυλισμάτων μικροφυκών καθώς και ενός μίγματος εμπορικά διαθέσιμων αμινοξέων σε κατάλληλα συστήματα μεταφοράς. Ο εγκλεισμός πραγματοποιήθηκε μέσω καταβύθισης αντιδιαλύτη ή γαλακτωματοποίησης σε συνδυασμό με ξήρανση υπό κατάψυξη για διαφορετικά ποσοστά φόρτωσης των προς εγκλεισμό ουσιών. Τα συστήματα εγκλεισμού που προέκυψαν μελετήθηκαν ως προς το μέγεθος και τη μορφολογία τους μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) και αξιολογήθηκαν όσον αφορά την επιτυχία εγκλεισμού μέσω φασματοσκοπικής ανάλυσης FT-IR. Τέλος, μελετήθηκε το προφίλ απελευθέρωσης των εγκλεισμένων βιοδιεγερτών σε υδατικό μέσο (pH =7, 25oC), προσομοιάζοντας τις πραγματικές συνθήκες που επικρατούν στον αγρό. Από τα αποτελέσματα των εκχυλίσεων, ως κατάλληλος χρόνος εκχύλισης επιλέχθηκαν τα 10 λεπτά, αφού παρατηρήθηκε ότι περαιτέρω αύξηση του χρόνου δεν επηρεάζει σημαντικά την ανάκτηση. Το νερό αποδείχθηκε ο πιο αποδοτικός διαλύτης για την εκχύλιση των επιθυμητών συστατικών από τα δύο μικροφύκη, καθώς σημείωσε τα υψηλότερα ποσοστά ανακτήσεων συγκριτικά με τα άλλα συστήματα διαλυτών. Οι υψηλότερες αποδόσεις σημειώθηκαν για αναλογία στερεού-υγρού 1:10 στην περίπτωση της S. Platensis και για αναλογία 1:20 στην περίπτωση της C. Vulgaris. Όσον αφορά το βιοδραστικό περιεχόμενο των εκχυλισμάτων, τα υδατικά εκχυλίσματα S. Platensis και C. Vulgaris ήταν πλούσια σε φαινολικές ενώσεις, φυκοκυανίνη ενώ επιπλέον εμφάνισαν υψηλότερη αντιοξειδωτική δράση και πρωτεϊνικό περιεχόμενο. Αντιθέτως, τα αντίστοιχα αιθανολικά εκχυλίσματα ήταν πιο πλούσια σε χλωροφύλλες και καροτενοειδή. Από τα αποτελέσματα των ανακτήσεων αλλά και τον προσδιορισμό του βιοδραστικού περιεχομένου, τα υδατικά εκχυλίσματα των δύο φυκών επιλέχθηκαν ως καταλληλότερα για χρήση ως βιοδιεγέρτες και για το λόγο αυτό πραγματοποιήθηκε ο εγκλεισμός τους σε κατάλληλα συστήματα. Ο εγκλεισμός των υδατικών εκχυλισμάτων S. Platensis και C. Vulgaris πραγματοποιήθηκε σε σωματίδια ζεΐνης, με τη μέθοδο καταβύθισης αντιδιαλύτη σε συνδυασμό με ξήρανση υπό κατάψυξη. Και στις δύο περιπτώσεις, τα δείγματα με ποσοστό φόρτωσης 20% παρουσίασαν τις υψηλότερες αποδόσεις εγκλεισμού, οι οποίες ήταν 83±2% στην περίπτωση του εκχυλίσματος S. Platensis και 60±3% στην περίπτωση του εκχυλίσματος C. Vulgaris. Το μίγμα των εμπορικά διαθέσιμων αμινοξέων εγκλείστηκε σε σωματίδια λεκιθίνης-χιτοζάνης μέσω γαλακτωματοποίσης, με το δείγμα ποσοστού φόρτωσης 40% να εμφανίζει την υψηλότερη απόδοση εγκλεισμού(93±2%). Από την ανάλυση SEM που πραγματοποιήθηκε στα παραπάνω δείγματα, διαπιστώθηκε ότι τα σωματίδια εγκλεισμένου εκχυλίσματος S. Platensis εμφανίζουν σφαιρική μορφολογία, ενώ τα αντίστοιχα σωματίδια C. Vulgaris παρουσίασαν περιοχές συσσωματωμάτων. Τα σωματίδια των εγκλεισμένων αμινοξέων εμφάνισαν φυλλώδεις δομές με περιοχές σφαιρικών σωματιδίων. Όλα τα σωματίδια που παρασκευάστηκαν είχαν μέγεθος 2-6 μm, ενώ η ανάλυση FT-IR επιβεβαίωσε την επιτυχία εγκλεισμού στα επιλεγμένα συστήματα. Από τη μελέτη των προφίλ απελευθέρωσης διαπιστώθηκε ότι η αποδέσμευση του υδατικού εκχυλίσματος S. Platensis ακολουθεί το πρωτόκολλο ISO 21263:2017 για αργή απελευθέρωση βιοδιεγερτών, ενώ η απελευθέρωση του εκχυλίσματος C. Vulgaris πραγματοποιήθηκε ταχύτερα, αφού μόλις στις 24 ώρες είχε πραγματοποιηθεί η απελευθέρωση του 60% της εγκλεισμένης ουσίας. Η αποδέσμευση του μίγματος αμινοξέων από τα σωματίδια λεκιθίνης-χιτοζάνης βρέθηκε ότι ακολουθεί το κινητικό μοντέλο Higuchi, με το 30% των εγκλεισμένων αμινοξέων να έχει απελευθερωθεί στις 24 ώρες.	el
heal.abstract	The purpose of the present Diploma Thesis is the development of microalgae extracts with biostimulant activity and their encapsulation as well as of commercially available biostimulants in suitable systems. The ultimate aim is to protect these substances from degradation and ensure their controlled release to plants. The application of biostimulant materials is increasingly recognized in sustainable agriculture for promoting crop growth without detrimental environmental impacts. Biostimulants include algae extracts, protein hydrolysates and amino acids, as well as beneficial microorganisms. The application of promising biostimulants is often restricted by degradation that occurs during use, while controlled release is additionally desired along with the enhancement of their effectiveness. Encapsulating these biostimulants in appropriate systems offers a potential solution to these challenges. In the first part of this thesis, the microalgae Spirulina platensis and Chlorella vulgaris were selected as raw materials for the recovery of extracts with biostimulating properties. For this purpose, ultrasound-assisted extraction was employed. The parameters studied were extraction time (5, 10, and 20 minutes), solid-liquid ratio (1:10 and 1:20), and extraction medium (water, ethanol, and an 80:20 ethanol/water mix). The study focused on how these parameters affected the overall yield of the extracts and assessed their bioactive content. The analyses were carried out using a UV-Vis spectrophotometer and included the determination of the content in chlorophylls and total carotenoids, phycocyanin, phenolic compounds, antioxidant activity and proteins. The second part involved the encapsulation of microalgae extracts as well as a mixture of commercially available amino acids in suitable carrier systems. The encapsulation was carried out using antisolvent precipitation or emulsification followed by freeze-drying for different loading rates of the substances to be encapsulated. The resulting encapsulation systems were examined for their size and morphology using Scanning Electron Microscopy (SEM) and assessed for encapsulation efficacy through FT-IR spectroscopic analysis. Ultimately, the release profile of the encapsulated biostimulants was investigated in an aqueous environment (pH = 7, 25°C), replicating the actual conditions typically encountered in the field. From the extraction results, a 10-minute extraction time was determined to be optimal. Among the solvent systems tested, water proved to be the most effective solvent for extracting both microalgae, yielding the highest recovery rates. Specifically, for Spirulina platensis, the best yield was achieved with a solid-liquid ratio of 1:10, while for Chlorella vulgaris, a 1:20 ratio proved most effective. The aqueous extracts of S. platensis and C. vulgaris stood out due to their high phenolic compounds, phycocyanin levels, antioxidant activity, and protein content, making them excellent candidates for biostimulant applications. In contrast, the ethanolic extracts were more abundant in chlorophylls and carotenoids. Consequently, the decision to encapsulate the aqueous extracts into appropriate systems was driven by their superior bioactive profile and enhanced recovery rates, optimizing their potential benefits in agricultural applications. The encapsulation of the aqueous extracts from S. Platensis and C. Vulgaris in zein particles via the antisolvent precipitation method yielded impressive results. Specifically, the S. Platensis extract achieved an encapsulation efficiency of 83±2% at a drug loading of 20%, while the C. vulgaris extract had an efficiency of 60±3% at the same drug loading. The mixture of commercially available amino acids was encapsulated in lecithin-chitosan particles, with the 40% loading sample showing the highest encapsulation efficiency (93±2%). From the SEM analysis carried out, it was found that the S. Platensis extract particles show a spherical morphology, while the C. Vulgaris particles exhibited areas of aggregation. The encapsulated amino acids showed sheet-like structures with regions of spherical particles. All particles were sized between 2-6 µm, while FT-IR analysis further validated the successful encapsulation of these bioactive compounds. The analysis of the release profiles revealed that the aqueous extract of S. Platensis follows the ISO 21263:2017 protocol for slow release of biostimulants. In contrast, the C. Vulgaris extract exhibited a quicker release, with 60% of the encapsulated substance released within 24 hours. The release of the amino acid mixture from lecithin-chitosan particles was determined to follow the Higuchi kinetic model, with 30% of the encapsulated amino acids released within 24 hours.	en
heal.advisorName	Κροκίδα, Μαγδαληνή	el
heal.committeeMemberName	Κροκίδα, Μαγδαληνή	el
heal.committeeMemberName	Τσόπελας, Φώτιος	el
heal.committeeMemberName	Γιαννακούρου, Μαρία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	86 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false