Απομόνωση και φυσικοχημικός χαρακτηρισμός βιοπολυμερών από φυτικές μήτρες

Abstract

In the present thesis a study of biopolymers/ hydrocolloids derived from grape and olive plant matrices was carried out. The main source of raw materials used was the solid wastes from wineries and olive-oil mills, namely low-value by-products of the food industry. An extraction protocol was applied in order to isolate the biopolymers using aqueous buffers at various pH and temperature values. The extraction protocol included various experimental steps, such as alcohol extraction, as to increase the yield of the desired materials. The optimal conditions were detected at pH 5 and 70 °C. Subsequently, the extracts were characterized via various physicochemical methods, such as HPSEC, FT–IR, GC/MS et al. The initial physicochemical characterization showed that both extracts from grape and olive wastes are hydrocolloids comprised mostly of negatively charged, high molecular weight polysaccharides, and smaller protein molecules, which are included in a small proportion of about 10 and 7 %, respectively. Regarding their morphology, they are mainly amorphous materials, which have a very low degree of crystallinity. Intrinsic viscosity studies showed that the macromolecule chains of both extracts are compact or randomized and that they do not occupy a large volume of solution.The subject of the thesis was then focused on the rheological properties of the extracts in aqueous solutions. The shear viscosity measurements demonstrated that they are materials with shear-thinning (pseudoplastic) behavior, but with a relatively limited effect on the induced viscosity.In order to assess their capacity to being used as emulsifiers in the food industry, the extracts from grape and olive plant matrices were added as emulsifying agents to prepare O/W emulsions. The study of the O/W emulsions showed that the extracts are not adequate emulsifiers, but they can provide a high stability over time, especially those extracted from the winery wastes. Further study of the O/W emulsions showed that the stabilization capacity exhibited by the extracted hydrocolloids is due to the formation of an interfacial layer of suitable thickness, which provides effective protection against coalescence (Pickering stabilization).Model O/W emulsions were then prepared by adding a small surfactant as an emulsifying agent, followed by the addition of the extracts in order to study their ability to influence the rheological behavior of these emulsions. The results of this study exhibited that the extracted biopolymers can act on model O/W emulsions as texture modifiers, causing depletion flocculation. This is a valuable property that could render the extracted hydrocolloids useful in various applications of the food industry.Furthermore, the hydrocolloids extracted from winery wastes were fractionated via a preparative size exclusion chromatographic approach, in order to obtain their individual components in adequate quantities that would allow their physicochemical characterization and the systematic study of their bulk properties. The results of this physicochemical characterization were in agreement with the initial physicochemical characterization and moreover they showed that the hydrocolloids of winery wastes consist of a high molecular weight, polysaccharidic population, a smaller one, comprising of non-aromatic proteins and an even lower molecular weight molecular population which includes proteins with aromatic amino acids. Moreover, there is a number of very small molecules including aromatic compounds (e.g. phenols and oligopeptides). The systematic study of the individual fractions showed that the emulsification and stabilization model, followed by the complex plant extract, is based on the negative synergistic effect of the various components constituting it.Subsequently, the hydrocolloids extracted from winery wastes were tested in real yoghurt–type products in substitution of animal–derived texture modifiers. The results of the physicochemical and sensory assessment of the yoghurt–type products showed that the extracts could partially replace gelatin.Finally, a study was carried out as to assess a novel integrated biorefinery for the valorization of winery solid wastes. Specifically, pyrolysis experiments were carried out on the non–extractable solid wastes, subsequently followed by a physicochemical characterization of the pyrolytic products obtained, namely biochar, biogas and biooil. The results of the study and the physicochemical characterization exhibited that the integration of this biorefinery in wineries could potentially offer both environmental and economic benefits to the winery sector via exploiting low added value materials. This initial study sets the basis for a further detailed assessment of the economic and environmental sustainability of the proposed integrated biorefinery.

Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε μελέτη βιοπολυμερών/υδροκολλοειδών προερχόμενων από φυτικές μήτρες σταφυλιού και ελιάς. Κύρια πηγή των πρώτων υλών που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τα στερεά υπολείμματα οινοποιείων και ελαιουργείων, δηλαδή παραπροϊόντων της βιομηχανίας τροφίμων με χαμηλή προστιθέμενη αξία. Για την απομόνωση των βιοπολυμερών εφαρμόστηκε πρωτόκολλο εκχύλισης από υδατικά ρυθμιστικά διαλύματα, σε διάφορες τιμές pH και θερμοκρασίας, το οποίο περιελάμβανε διάφορα πειραματικά βήματα, όπως εκχύλιση με αλκοόλη, για την αύξηση της απόδοσης παραγωγής των ζητούμενων υλικών. Οι βέλτιστες συνθήκες εντοπίστηκαν σε pH 5 και θερμοκρασία 70 °C.Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε χαρακτηρισμός των εκχυλισμάτων με διάφορες φυσικοχημικές μεθόδους, όπως HPSEC, FT–IR, GC/MS κ.α. Ο αρχικός φυσικοχημικός χαρακτηρισμός κατέδειξε πως τα εκχυλίσματα από υπολείμματα σταφυλιού και ελιάς είναι υδροκολλοειδή αρνητικά φορτισμένα και πλούσια σε πολυσακχαρίτες μεγάλου μοριακού βάρους, ενώ περιέχονται σε αυτά και πρωτεΐνες, σε ποσοστό περίπου 10 και 7 %, αντίστοιχα. Όσον αφορά την μορφολογία τους, πρόκειται για κυρίως άμορφα υλικά, που εμφανίζουν πολύ μικρό βαθμό κρυσταλλικότητας. Η μελέτη του εσωτερικού τους ιξώδους κατέδειξε ότι οι αλυσίδες των μακρομορίων και των δύο εκχυλισμένων υδροκολλοειδών, έχουν συμπαγή ή τυχαία διαμόρφωση, καθώς και ότι δεν καταλαμβάνουν μεγάλο όγκο διαλύματος.Το αντικείμενο της διατριβής επικεντρώθηκε στη συνέχεια στις ρεολογικές ιδιότητες που προσδίδουν τα εκχυλίσματα όταν προστεθούν σε υδατικά διαλύματα. Οι μετρήσεις διατμητικού ιξώδους κατέδειξαν πως πρόκειται για υλικά με ψευδοπλαστική συμπεριφορά, αλλά με σχετικώς περιορισμένη επίδραση στο επιτευχθέν ιξώδες ανά μονάδα μάζας. Προκειμένου να εκτιμηθεί η δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν στη βιομηχανία τροφίμων ως γαλακτωματοποιητές, τα εκχυλίσματα από φυτικές μήτρες σταφυλιού και ελιάς προστέθηκαν ως γαλακτωματοποιητικοί παράγοντες προς παρασκευή γαλακτωμάτων O/W. Η μελέτη των παρασκευασμένων γαλακτωμάτων κατέδειξε πως τα εκχυλίσματα είναι υλικά μάλλον ακατάλληλα για χρήση καθαρά ως γαλακτωματοποιητές, αλλά ειδικά αυτά των υπολειμμάτων οινοποιείων μπορούν να προσδώσουν μεγάλη σταθερότητα σε σχέση με το χρόνο, στα παρασκευασμένα γαλακτώματα. Η περαιτέρω μελέτη των παρασκευασμένων γαλακτωμάτων έδειξε ότι η ικανότητα σταθεροποίησης που επιδεικνύουν τα εκχυλισμένα υδροκολλοειδή οφείλεται στη δημιουργία ενός διεπιφανειακού στρώματος κατάλληλου πάχους, η οποία παρέχει αποτελεσματική προστασία έναντι συγχώνευσης (σταθεροποίηση κατά Pickering).Έπειτα παρασκευάσθηκαν γαλακτώματα O/W με τη προσθήκη μικρού επιφανειοδραστικού ως γαλακτωματοποιητικού παράγοντα και τα εκχυλίσματα προστέθηκαν εν συνεχεία, ώστε να μελετηθεί η ικανότητά τους να επιδρούν στη ρεολογική συμπεριφορά μοντέλων γαλακτωμάτων. Η μελέτη των συγκεκριμένων γαλακτωμάτων έδειξε ότι τα εκχυλισμένα βιοπολυμερή μπορούν να δράσουν σε αυτά ως τροποποιητές υφής, προκαλώντας κροκίδωση διά εκκένωσης. Αυτή είναι πολύτιμη ιδιότητα, που θα μπορούσε να καταστήσει τα εκχυλισμένα υδροκολλοειδή χρήσιμα σε πραγματικά προϊόντα γαλακτωμάτων που παρασκευάζονται σε βιομηχανίες, όπως αυτή των τροφίμων.Ακολούθησε κλασμάτωση των υδροκολλοειδών από υπολείμματα οινοποιείων στα επί μέρους συστατικά τους, διά της μεθόδου παρασκευαστικής χρωματογραφίας αποκλεισμού μεγεθών, ώστε να ληφθούν κατάλληλες ποσότητες των απομονωμένων κλασμάτων, που θα επέτρεπαν τον φυσικοχημικό τους χαρακτηρισμό και τη συστηματική μελέτη των μαζικών τους ιδιοτήτων. Τα αποτελέσματα αυτού του φυσικοχημικού χαρακτηρισμού ήρθαν σε συμφωνία με τον αρχικό φυσικοχημικό χαρακτηρισμό και κατέδειξαν επιπλέον ότι τα υδροκολλοειδή των υπολειμμάτων οινοποιείων αποτελούνται από έναν πολυσακχαριτικό μακρομοριακό πληθυσμό μεγάλου μοριακού βάρους, έναν μικρότερο που περιλαμβάνει πρωτεΐνες χωρίς αρωματικές ενώσεις και έναν, ακόμα μικρότερου μοριακού βάρους, μοριακό πληθυσμό που περιλαμβάνει πρωτεΐνες με αρωματικά αμινοξέα. Επιπλέον, υπάρχει ποσότητα πολύ μικρών μορίων που συμπεριλαμβάνει αρωματικές ενώσεις (π.χ. φαινόλες και ολιγοπεπτίδια). Η συστηματική μελέτη των επί μέρους κλασμάτων έδειξε ότι το μοντέλο γαλακτωματοποίησης και σταθεροποίησης που ακολουθείται από το σύνθετο φυτικό εκχύλισμα βασίζεται στην αρνητική συνέργεια της συνολικής προσρόφησης των διαφορετικών πληθυσμών που το αποτελούν. Στη συνέχεια τα εκχυλίσματα των υπολειμμάτων οινοποιείων προστέθηκαν ως σταθεροποιητές, σε πραγματικά προϊόντα τύπου γιαούρτης, μόνα τους ή σε συνδυασμό με ζελατίνη. Τα αποτελέσματα του φυσικοχημικού και οργανοληπτικού ελέγχου των σκευασμάτων γιαούρτης έδειξαν ότι τα συγκεκριμένα φυτικά εκχυλίσματα μπορούν να βρουν εφαρμογή στη γαλακτοβιομηχανία σαν σταθεροποιητές, υποκαθιστώντας μερικώς την ζωικής προέλευσης, ζελατίνη.Τέλος, πραγματοποιήθηκε μελέτη για την ολοκληρωμένη αξιοποίηση των στερεών υπολειμμάτων οινοποιίας. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα πυρόλυσης επάνω στα μη–εκχυλίσιμα στερεά και ακολούθησε φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των προϊόντων αυτής, δηλαδή του βιοάνθρακα, του βιοαερίου και του βιοελαίου. Τα αποτελέσματα της μελέτης και του χαρακτηρισμού των πυρολυτικών προϊόντων έδειξαν ότι η ενσωμάτωση σε ένα οινοποιείο μίας μονάδας, για την ανακατεργασία των υπολειμμάτων της, διά του πρωτοκόλλου εκχύλισης και της διεργασίας πυρόλυσης, θα μπορούσε δυνητικά να προσφέρει τόσο περιβαλλοντικά, όσο και οικονομικά οφέλη στον ιδιοκτήτη του, καθιστώντας εφικτή την εκμετάλλευση μη–αξιοποιήσιμων, μέχρι σήμερα, υλικών. Η πρωταρχική μελέτη ολοκληρωμένης αξιοποίησης θέτει τις βάσεις για την περαιτέρω λεπτομερέστερη αξιολόγηση της οικονομικής και περιβαλλοντικής βιωσιμότητας της υπό μελέτη μονάδας.