Αξιοποίηση των υποπροϊόντων της μεταποίησης αρωματικών και φαρμακευτικών φυτών για την παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας

Abstract

In recent decades, there has been an ever-increasing consumer preference for products derived from Medicinal Aromatic Plants (MAPs), which is consistent with their widespread use in the pharmaceutical, cosmetic and food supplement industry. However, during the processes of MAPs for the development of final products, the production of unavoidably large amounts of by-products and/or wastes has been recorded, which, due to the absence of alternative solutions, they are discarded to the environment, causing serious ecological problems. It is therefore important to make an evaluation of the raw materials to investigate the possibility of their utilization for the development of added value products.In this thesis, which is a continuation of the master thesis entitled "Production and evaluation of essential oils and their by-products through distillation from cultivated plants of the Prefecture of Kozani", a systematic effort is made to highlight the value of the by-products that come from the processing of well-known commercial MAPs. Based on the results of the above-mentioned master thesis, it was clear that the by-products of the hydrodistillation of the MAPs are characterized by a rich phenolic content (>80mg GAE/g extr.) and a high antioxidant activity (>70% DPPH Inhibition at 200μg/ml), which made the need for their further study imperative. Thus, the subject of this work was the study of superior and inferior quality products of cultivated MAPs, as well as by-products of their processing, regarding their chemical content and their biological properties.More specifically, within the framework of the EXANDAS project, the object of which was the utilization of MAP by-products for the development of high added value products, the supply of raw materials (superior and inferior quality) and by-products (aqueous extracts from hydrodistillation, non-marketable plant material, plant residues from steam distillation) of commercial MAP (Rosa damascena, Lavandula angustifolia, Hyssopus officinalis, Ocimum basilicum and Chamaemelum nobile). Accordingly, products and by-products of the sorting process of Sideritis raeseri, Matricaria recutita, Origanum vulgare subspp. hirtum, Origanum dictamnus, Thymus vulgaris and Thymbra capitata, kindly provided from the company 'Bagatzounis & Sons SA' from Kozani and the Cooperative 'Krites-Rhizotomi' from Chania, were studied. Finally, the company 'ANASSA' supplied us with different quality leaves of the species Aloysia citrodora, as well as residual aerial parts (Chapter 1, Part B).The study of the high-quality raw materials was carried out to evaluate the quality of the selected MAPs and compare the produced extracts with the corresponding ones resulting from the by-products of their processing. The essential oils were obtained by classical hydrodistillation and microwave-assisted hydrodistillation, while the extracts were prepared by the techniques of decoction and ultrasonic assisted maceration. Accordingly, the processing of raw material of secondary quality was carried out by various techniques, such as classical hydrodistillation, maceration (classical and assisted by ultrasound and microwaves), liquid-liquid extraction and adsorption resin technology. All the preparations were evaluated in terms of their phytochemical content with simple and coupled chromatographic and spectroscopic techniques (HPTLC: High Performance Thin Layer Chromatography, HPLC: High Performance Liquid Chromatography, LC-MS: Liquid Chromatography – Mass Spectrometry, GC- MS: Gas Chromatography – Mass Spectrometry, NMR: Nuclear Magnetic Resonance), and (b) colorimetric methods (determination of total phenolic content, determination of total flavonoid content). Also, the majority of the extracts and enriched fractions thereof were evaluated for their biological properties, such as the free radical scavenging activity (DPPH, ABTS), but also the inhibitory effect against the enzymes tyrosinase, elastase and collagenase.xixConsidering the results of the study, as well as the yields of the applied processes and the stability of the quality of the raw materials, we concluded on the possibility of utilizing all the examined secondary quality products and the by-products of the selected MAPs. More specifically, in the case of the species Rosa damascena (Chapter 2, Part B), the aqueous extract resulting from the hydrodistillation process for the production of rose oil, as well as its phenolic fraction, proved to have a rich phenolic (>200 mg GAE/g extr.), and flavonoid content (>100 mg QUE/g extr.) and a remarkable antioxidant activity (IC50 24.8μg/ml). The analysis of several samples of the products of the industrial processing of rose petals (rose oil, 'absolute' and 'concrete') highlighted the consistently good quality of the raw material. Also, the yields of the by-product treatment processes were high and quite repeatable, which made the need to develop a methodology for its exploitation imperative. In order to investigate the possibility of exploiting the aqueous extract of the hydrodistillation of rose petals on an industrial scale, it was decided to check the stability of the quantitative and qualitative composition of the raw material and its products. Thus, samples were collected from the same retort on different days of production, samples from the same retort on the same day of production and samples from different retorts. The collected aqueous extracts were treated with XAD-4 adsorbent resin and countercurrent extraction to obtain the beneficial phenolic fraction. The study of the initial samples and their preparations, in terms of their chemical composition and biological properties, highlighted a satisfactory stability in the yields of the processes and in the composition of the final products of the processing, which shows that the utilization of the by-product is possible. Afterwards, a pilot scale development of the enriched extract in phenols was carried out with two techniques (resin treatment and liquid-liquid extraction), and it was shown that the industrial utilization of the aqueous by-product of the hydrodistillation of rose oil is possible, either by using adsorbent resins or by the application of liquid-liquid extraction, for the production of an extract with a high phenolic content, high flavonoid content and remarkable antioxidant properties. However, the huge amounts of aqueous by-product produced daily, the difficulty of maintaining it for a long time and the high cost of transporting it to processing units are necessary to be considered for the selection of the most suitable process. The preliminary techno-economic analysis, which took place in this study, showed that from a cost point of view it is feasible and profitable to exploit the aqueous by-product of the distillation of rose oil, which until today is discarded as waste in the environment. The preliminary market research carried out by the company 'GALEN-N Ltd', which has a significant number of cooperating companies worldwide, showed that there is a significant number of companies in the market that are interested in utilizing this extract as a raw material for the development of cosmeceuticals and nutritional supplements with antiaging and antioxidant properties.On the other hand, the study of the products and by-products (plant residues) of the industrial steam distillation of the plants Lavandula angustifolia (Lavender), Hyssopus officinalis (Hyssop), Ocimum basilicum (Basil) and Chamoemelum nobile (Chamomile) (Chapter 3, Part B) showed that (a) the raw material of the studied AMPs was characterized by acceptable quality and stable composition, as was shown by the analysis of volatile components of a series of essential oil samples, (b) the by-products of the steam distillation of lavender and hyssop present a great potential for their exploitation for the production of high added value products, due to the high phenolic content, the remarkable free radical scavenging activity and the standardized composition of the produced preparations. On the contrary, in the other cases, the large variation in the yields of the processes and the composition of the extracts raised doubts about the possibility of their industrial exploitation.In addition to the by-products of the distillation of MAPs for the production of essential oils, by-products of the sorting process of the marketable parts of selected MAPs were studied in this thesis, regarding the species Sideritis raeseri, Matricaria recutita, Origanum vulgare subspp. hirtum, Origanum dictamnus, Thymus vulgaris and Thymbra capitata (Chapter 4, Part B). The goal was to investigate the possibility of utilizing the by-products of the process of the above-mentioned AMP, through the comparison of their chemical composition and antioxidant activity with the corresponding marketable plant raw materials. Initially, the essential oils were produced by hydrodistillation process, and a comparative study of their chemical composition obtained. Subsequently, the aqueous extracts resulting from the above-mentioned process, the fractions enriched in phenols obtained after treatment with resins, and the hydroalcoholic extracts of the examined plant raw materials prepared by microwave extraction as well as with the maceration technique and the use of ultrasound, were studied. The phytochemical profile of the aforementioned preparations was evaluated, as well as their phenol and flavonoid content, but also their antioxidant activity and specifically their free radical scavenging activity ability. The results of the tests showed that the by-products of the examined MAPs are valuable natural raw materials for the development of final products and the isolation of high added value natural products, as they show great similarities with the corresponding first-quality plant materials. However, it is necessary to investigate the quality of the raw materials and the preparations thereof on a pilot scale, while the stability of the composition and the properties of the exploited by-products will be also a determining factor.The fifth chapter of the second part describes the study of the by-product of the process of receiving the stigma of Crocus sativus (saffron), which is the commercially exploitable part of the crocus flowers. The tepals of the flower, which are the flowers’ main part (> 95%), are still discarded in the fields. According to numerous scientific studies, the tepals of the plant are rich in flavonoids with remarkable biological properties. Due to the remarkable annual production of tepals, during the collection period of the saffron stigmas in the area of Kozani, their utilization for the preparation of extracts with significant antioxidant and probably antiaging properties, was an attractive alternative for their management. In the present thesis, dry and frozen tepals were studied and the results of the experimental processes of receiving flavonoids on a laboratory scale are presented for the extracts obtained through microwave (MicroWave assisted Extraction - MWE) and ultrasound extraction (UltraSound assisted Extraction-USE) for the selection of the appropriate method for the preparation of the enriched extract on a pilot scale. The chemical content and the free radical scavenging activity were evaluated. In order to remove the contained sugars and to obtain extracts enriched in bioactive flavonoids, the aqueous extracts of frozen tepals, were processed with XAD-4 resin to yield enriched extracts in phenolic content (>70-150 mg GAE/g extr.). The study showed that the frozen tepals of the Crocus sativus are a valuable raw material, from which it is possible to obtain an extract rich in phenolic derivatives and especially in flavonoids and anthocyanins. However, further investigation on the qualitative and quantitative composition of both the raw material and the produced extract is required. Also, a techno-economic analysis is required to investigate the utilization of the enriched extract based on its production cost and commercial value.The sixth chapter (Part B) includes the study of lower quality products from the sorting process of the leaves of Aloysia citrodora. During the sorting process of lemon verbena plant material at the 'ANASSA' company, apart from the by-product from stems and other discarded aerial parts, a significant amount of plant raw material is characterized as secondary quality (inferior quality) and it remains unexploited. In the present work, a comparative study was carried out between the plant material ofxxithe superior and inferior quality as well as the by-product obtained during the leaf screening process. Initially, decoctions from superior and inferior quality leaves were studied, and the results showed similar composition and similar antioxidant properties for both materials. Then, the inferior quality plant were extracted by the microwave maceration method in various experiments by varying the parameters of extraction time and plant/solvent ratio. The resulting aqueous extracts were also treated with resins to obtain enriched fractions. All the extracts obtained from the inferior quality material, especially the preparations obtained from the adsorbent resin treatment, showed a very high phenolic content (200-400 mg GAE/g extr.). On the other hand, the extracts derived from the by-product showed a lower phenolic content (50-150 mg GAE/g extr.). and a limited content compared to the preparations derived from the inferior quality raw material, which is attributed to the high content of woody parts with poor phenolic content. Apart from phenolic derivatives, Aloysia citrodora contains phenylpropanoid glycosides that are of particular pharmacological interest. Thus, the inferior quality plant material was studied for the preparation of an extract with a high content of acteoside and remarkable antioxidant properties. In search of optimal conditions with the accelerated extraction (ASE) technique (or pressure extraction (PLE)) to obtain an extract with a high phenolic content, rich in flavonoids, significant content of acteoside (a phenylpropanoid with remarkable biological properties) and remarkable free radical scavenging activity, the DOE (Design of Experiments) methodology was applied, and 30 duplicate extractions were performed. Based on the results, the values of the parameters (temperature, static extraction time, water-alcoholic solvent mixture composition, number of extraction cycles) that give the best responses (extraction yield (48.5%), total phenolic content (186.2mg GAE/g extr.), total flavonoid content (99.1mg QUE/g extr.), antioxidant activity (99.8% DPPH Inhibition at 50μg/ml & 79.6% ABTS Inhibition at 50μg/ml) and acteoside content (36.1%)}.In conclusion, from the above study it happens that the by-products, which are produced in very large quantities during the processing of MAPs, constitute a huge pool of valuable metabolites with important biological properties (antioxidant, antimicrobial, etc.) and their utilization is deemed imperative for the development of high added value natural products instead of being treated as waste.

Τις τελευταίες δεκαετίες, παρατηρείται μία συνεχώς αυξανόμενη προτίμηση του καταναλωτικού κοινού για προϊόντα προερχόμενα από Αρωματικά Φαρμακευτικά Φυτά (ΑΦΦ), γεγονός που συνάδει με την ευρεία χρήση τους στη βιομηχανία φαρμακοκαλλυντικών και συμπληρωμάτων διατροφής. Ωστόσο, ως αποτέλεσμα των διαδικασιών μεταποίησης των ΑΦΦ για την παραγωγή των τελικών προϊόντων, έχει καταγραφεί η παραγωγή αναπόφευκτα μεγάλων ποσοτήτων υποπροϊόντων ή/και αποβλήτων τα οποία ελλείψει εναλλακτικών λύσεων απορρίπτονται στο περιβάλλον προκαλώντας σε αρκετές περιπτώσεις σοβαρά οικολογικά προβλήματα. Είναι σημαντικό επομένως να γίνει μια αξιολόγηση των προαναφερόμενων πρώτων υλών, ώστε να διερευνηθεί η δυνατότητα αξιοποίησής τους για την ανάπτυξη προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας.Στην παρούσα διατριβή, η οποία αποτελεί συνέχεια της μεταπτυχιακής εργασίας με τίτλο «Παραλαβή και αξιολόγηση αιθέριων ελαίων και υποπροϊόντων της απόσταξής τους από καλλιεργούμενα φυτά του Νομού Κοζάνης», γίνεται μια συστηματική προσπάθεια ανάδειξης της αξίας των παραπροϊόντων που προέρχονται από την μεταποίηση γνωστών εμπορικών ΑΦΦ. Με βάση τα αποτελέσματα της προαναφερόμενης μεταπτυχιακής εργασίας ήταν σαφές ότι τα παραπροϊόντα της υδραπόσταξης ΑΦΦ χαρακτηρίζονται από πλούσιο φαινολικό φορτίο (>80mg GAE/g εκχ.) και υψηλή αντιοξειδωτική δράση (>70% αναστολή DPPH στα 200μg/ml), γεγονός που κατέστησε επιτακτική την ανάγκη για την περεταίρω μελέτη τους. Έτσι, αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτέλεσε η μελέτη προϊόντων ανώτερης και κατώτερης ποιότητας, όπως επίσης και υποπροϊόντων διαδικασιών μεταποίησης, καλλιεργούμενων ΑΦΦ, τόσο ως προς το χημικό τους περιεχόμενο όσο και ως προς τις βιολογικές ιδιότητές τους.Πιο συγκεκριμένα, στα πλαίσια του προγράμματος EXANDAS, αντικείμενου του οποίου ήταν η αξιοποίηση των παραπροϊόντων ΑΦΦ για την ανάπτυξη προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, έλαβε χώρα η προμήθεια πρώτων υλών (α’ και β’ ποιότητας) και υποπροϊόντων (υδατικά εκχυλίσματα από την υδραπόσταξη, μη εμπορεύσιμες φυτικές ύλες, φυτικά υπολείμματα από την ατμοαπόσταξη) εμπορικών ΑΦΦ (Rosa damascena, Lavandula angustifolia, Hyssopus officinalis, Ocimum basilicum και Chamaemelum nobile). Αντίστοιχα, από την εταιρεία ‘Μπαγκατζούνης & Υιοί ΑΕΒΕ’ που εδρεύει στην Κοζάνη και τον Συνεταιρισμό ‘Κρήτες-Ριζοτόμοι’ που εδρεύει στα Χανιά προήλθαν προϊόντα και υποπροϊόντα της διαδικασίας διαλογής των ειδών Sideritis raeseri, Matricaria recutita, Origanum vulgare subspp. hirtum, Origanum dictamnus, Thymus vulgaris και Thymbra capitata ενώ η εταιρεία ‘ANASSA’ μας προμήθευσε με φύλλα α’ & β’ ποιότητας του είδους Aloysia citrodora, καθώς επίσης και υπολειμματικά υπέργεια τμήματα (Κεφάλαιο 1, Μέρος Β).Η μελέτη των πρώτων υλών α’ ποιότητας πραγματοποιήθηκε με σκοπό την αξιολόγηση της ποιότητας των επιλεγμένων ΑΦΦ και την σύγκριση των παραγόμενων εκχυλισμάτων με τα αντίστοιχα που προκύπτουν από τα υποπροϊόντα της μεταποίησής τους. Η παραλαβή των αιθέριων ελαίων έγινε με την κλασική υδραπόσταξη και την υποβοηθούμενη υδραπόσταξη με μικροκύματα, ενώ τα εκχυλίσματα παρασκευάστηκαν με τις τεχνικές της αφέψησης και της υποβοηθούμενης διαβροχής με υπερήχους. Αντίστοιχα, η επεξεργασία των πρώτων υλών β΄ ποιότητας υποπροϊόντων πραγματοποιήθηκε με διάφορες τεχνικές, όπως είναι η κλασική υδραπόσταξη, η διαβροχή (κλασική και υποβοηθούμενη με υπερήχους και μικροκύματα), η υγρή-υγρή εκχύλιση και η τεχνική της προσρόφησης σε μακρόπορες ρητίνες. Το σύνολο των παρασκευασμάτων αξιολογήθηκαν ως προς το χημικό φορτίο τους με (α) απλές και συζευγμένες χρωματογραφικές και φασματοσκοπικές τεχνικές (HPTLC: High Performance Thin Layer Chromatography, HPLC: High Performance Liquid Chromatography, LC-MS: Liquid Chromatography – Mass Spectrometry, GC-MS: Gas Chromatography – Mass Spectrometry, NMR:Nuclear Magnetic Resonance), και (β) χρωματομετρικές μεθόδους (προσδιορισμός ολικού φαινολικού φορτίου, προσδιορισμός ολικού περιεχομένου σε φλαβονοειδή). Επίσης, η πλειονότητα των παραγόμενων εκχυλισμάτων και εμπλουτισμένων κλασμάτων αξιολογήθηκε ως προς τις βιολογικές τους ιδιότητες, όπως είναι η ικανότητα εξουδετέρωσης των ελευθέρων ριζών (DPPH, ABTS), αλλά και η ανασταλτική επίδραση έναντι των ενζύμων τυροσινάση, ελαστάση και κολλαγενάση.Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα των προαναφερόμενων ελέγχων, καθώς επίσης τις αποδόσεις των εφαρμοζόμενων διαδικασιών και τη σταθερότητα στην ποιότητα των πρώτων υλών, εξήχθησαν συμπεράσματα για τη δυνατότητα αξιοποίησης όλων των εξεταζόμενων προϊόντων κατώτερης ποιότητας και των υποπροϊόντων των επιλεγμένων ΑΦΦ. Πιο συγκεκριμένα, στην περίπτωση του είδους Rosa damascene (Κεφάλαιο 2, Μέρος Β), το υδατικό εκχύλισμα που προκύπτει από την διαδικασία υδραπόσταξης για την παραγωγή του ροδέλαιου, αλλά και το φαινολικό του κλάσμα, αποδείχτηκε ότι διαθέτουν πλούσιο φαινολικό φορτίο (>200 mg GAE/g εκχ.), υψηλή περιεκτικότητα σε φλαβονοειδή (>100 mg QUE/g εκχ.) και αξιοσημείωτη αντιοξειδωτική δράση (IC50 24.8μg/ml). Η ανάλυση αρκετών δειγμάτων των προϊόντων της βιομηχανικής επεξεργασίας των ροδοπέταλων (ροδέλαιο, ‘absolute’ και ‘concrete’) ανέδειξε την σταθερά καλή ποιότητα της πρώτης ύλης. Επίσης, οι αποδόσεις των διαδικασιών επεξεργασίας του υποπροϊόντος ήταν υψηλές και αρκετά επαναλήψιμες, γεγονός που κατέστησε επιτακτική την ανάγκη ανάπτυξης μεθοδολογίας για την εκμετάλλευσή του. Προκειμένου να διερευνηθεί η δυνατότητα αξιοποίησης του υδατικού εκχυλίσματος της υδραπόσταξης των ροδοπέταλων σε βιομηχανική κλίμακα αποφασίστηκε ο έλεγχος της σταθερότητας της ποσοτικής και ποιοτικής σύστασης της πρώτης ύλης και των προϊόντων της. Έτσι, πραγματοποιήθηκε συλλογή δειγμάτων από τον ίδιο αποστακτήρα διαφορετικές μέρες παραγωγής, δειγμάτων του ίδιου αποστακτήρα την ίδια μέρα παραγωγής και δειγμάτων από διαφορετικούς αποστακτήρες. Τα συλλεγμένα υδατικά εκχυλίσματα επεξεργάστηκαν με προσροφητική ρητίνη XAD-4 και εκχύλιση κατ’ αντιρροή ώστε να παραληφθεί το ωφέλιμο φαινολικό κλάσμα. Η μελέτη των αρχικών δειγμάτων και των παρασκευασμάτων τους, ως προς το χημικό τους φορτίο και τις βιολογικές ιδιότητες, ανέδειξε την ικανοποιητική σταθερότητα στις αποδόσεις των διαδικασιών και στη σύσταση των τελικών προϊόντων της επεξεργασίας, γεγονός που υποδηλώνει ότι είναι εφικτή η αξιοποίηση του υποπροϊόντος. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε πιλοτική παρασκευή του εμπλουτισμένου εκχυλίσματος σε φαινόλες και με τις δυο τεχνικές (επεξεργασία με ρητίνη και υγρή-υγρή εκχύλιση), κι αποδείχθηκε ότι είναι δυνατή η βιομηχανική αξιοποίηση του υδατικού υποπροϊόντος της υδραπόσταξης του ροδέλαιου, είτε με τη χρήση προσροφητικών ρητινών είτε με την εφαρμογή της υγρής – υγρής εκχύλισης, για την παραγωγή ενός εκχυλίσματος με υψηλό φαινολικό φορτίο, μεγάλη περιεκτικότητα σε φλαβονοειδή, αξιοσημείωτη αντιοξειδωτική δράση και αξιόλογες αντιοξειδωτικές ιδιότητες. Ωστόσο, η τεράστια ημερησίως παραγόμενη ποσότητα του υδατικού υποπροϊόντος, η δυσκολία συντήρησής του για μεγάλο χρονικό διάστημα και το υψηλό κόστος μεταφοράς του σε μονάδες επεξεργασίας είναι αναγκαίο να ληφθούν υπόψη για την επιλογή της καταλληλότερης διαδικασίας. Η προκαταρκτική τεχνοοικονομική μελέτη, η οποία έλαβε χώρα στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, έδειξε ότι από άποψη κόστους είναι εφικτή και συμφέρουσα η εκμετάλλευση του υδατικού υποπροϊόντος της απόσταξης του ροδέλαιου, το οποίο μέχρι σήμερα απορρίπτεται ως απόβλητο στο περιβάλλον. Η προκαταρκτική έρευνα αγοράς που πραγματοποιήθηκε από την εταιρεία ‘GALEN-N Ltd’, η οποία διαθέτει ένα σημαντικό αριθμό συνεργαζόμενων εταιρειών παγκοσμίως, έδειξε ότι στην αγορά υπάρχει ένας σημαντικός αριθμός εταιρειών που ενδιαφέρονται να αξιοποιήσουν το συγκεκριμένο εκχύλισμα ως πρώτη ύλη για την ανάπτυξη καλλυντικών προϊόντων και συμπληρωμάτων διατροφής με αντιγηραντικές και αντιοξειδωτικές ιδιότητες.Από την άλλη μεριά, η μελέτη των προϊόντων και των υποπροϊόντων (φυτικά υπολείμματα) της βιομηχανικής ατμοαπόσταξης των φυτών Lavandula angustifolia (Λεβάντα), Hyssopus officinalis (Ύσσωπος), Ocimum basilicum (Βασιλικός) και Chamaemelum nobile (Χαμομήλι) (Κεφάλαιο 3, Μέρος Β) έδειξε ότι (α) η πρώτη ύλη των μελετημένων ΑΦΦ χαρακτηριζόταν από αποδεκτή ποιότητα και σταθερή σύσταση, όπως φάνηκε από την ανάλυση πτητικών συστατικών μιας σειράς δειγμάτων αιθέριων ελαίων, (β) τα υποπροϊόντα της ατμοαπόσταξης της λεβάντας και του ύσσωπου παρουσιάζουν μεγαλύτερη δυνατότητα εκμετάλλευσής τους για την παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, λόγω του υψηλού φαινολικού φορτίου, της αξιόλογης ικανότητας εξουδετέρωσης των ελευθέρων ριζών και της ικανοποιητικής επαναληψιμότητας στη σύσταση των παραγόμενων παρασκευασμάτων. Αντιθέτως, στις άλλες περιπτώσεις η μεγάλη διακύμανση στις αποδόσεις των εμπλεκόμενων διαδικασιών και τη σύσταση των παραγόμενων εκχυλισμάτων δημιούργησε αμφιβολίες σχετικά με τη δυνατότητα της βιομηχανικής αξιοποίησής τους.Εκτός των παραπροϊόντων της απόσταξης ΑΦΦ για την παραγωγή αιθέριων ελαίων, στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν υποπροϊόντα της διαδικασίας διαλογής των εμπορεύσιμων τμημάτων επιλεγμένων ΑΦΦ, όπως είναι τα είδη Sideritis raeseri, Matricaria recutita, Origanum vulgare subspp. hirtum, Origanum dictamnus, Thymus vulgaris και Thymbra capitata (Κεφάλαιο 4, Μέρος Β). Απώτερος στόχος ήταν η διερεύνηση της δυνατότητας αξιοποίησης των υποπροϊόντων της διαδικασίας μεταποίησης των προαναφερόμενων ΑΦΦ, μέσω της σύγκρισης της χημικής σύστασης και τη αντιοξειδωτικής δράσης με τις αντίστοιχες εμπορεύσιμες φυτικές πρώτες ύλες. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η παραλαβή και η συγκριτική μελέτη της χημικής σύστασης των αιθερίων ελαίων που προέκυψαν μετά από την εφαρμογή της διαδικασίας της υδραπόσταξης. Στη συνέχεια, έλαβε χώρα η συγκριτική μελέτη των υδατικών εκχυλισμάτων που προέκυψαν από την προαναφερόμενη διαδικασία, των εμπλουτισμένων σε φαινόλες κλασμάτων τους που παραλήφθηκαν μετά από επεξεργασία με ρητίνες, αλλά και των υδατοαλκοολικών εκχυλισμάτων των εξεταζόμενων φυτικών πρώτων υλών που παρασκευάσθηκαν με την εκχύλιση σε μικροκύματα καθώς και με την τεχνική της διαβροχής και τη χρήση υπερήχων. Τα προαναφερόμενα παρασκευάσματα αξιολογήθηκαν ως προς το φυτοχημικό τους προφίλ, το περιεχόμενο σε φαινόλες και φλαβονοειδή, αλλά και την αντιοξειδωτική δραστικότητα και συγκεκριμένα την ικανότητά τους να εξουδετερώνουν τις ελεύθερες ρίζες. Τα αποτελέσματα των ελέγχων έδειξαν ότι τα υποπροϊόντα και παραπροϊόντα της διαδικασίας μεταποίησης των εξεταζόμενων ΑΦΦ αποτελούν αξιόλογες φυσικές πρώτες ύλες, τόσο για την ανάπτυξη τελικών προϊόντων όσο και την απομόνωση φυσικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, καθώς παρουσιάζουν μεγάλες ομοιότητες με τα αντίστοιχα εμπορεύσιμα φυτικά υλικά α’ ποιότητας. Ωστόσο, απαιτείται διερεύνηση της ποιότητας των πρώτων υλών και των παρασκευασμάτων σε πιλοτική κλίμακα, ενώ καθοριστικός παράγοντας είναι και η σταθερότητας της σύστασης και των ιδιοτήτων των υπό εκμετάλλευση υποπροϊόντων της μεταποίησης των ΑΦΦ.Στο πέμπτο κεφάλαιο του δεύτερου μέρους περιγράφεται η μελέτη του παραπροϊόντος της διαδικασίας παραλαβής του στίγματος (σαφράν) που είναι το εμπορικώς εκμεταλλεύσιμο τμήμα του ανθών του κρόκου (Crocus sativus). Τα τέπαλα του άνθους, τα οποία αποτελούν και το μεγαλύτερο μέρος τους (> 95 %), μέχρι σήμερα απορρίπτονται στα χωράφια. Σύμφωνα με πληθώρα επιστημονικών μελετών τα τέπαλα του φυτού είναι πλούσια σε φλαβονοειδή με αξιόλογες βιολογικές ιδιότητες. Λόγω της αξιοσημείωτης ετήσιας παραγωγής τεπάλων, κατά την περίοδο συλλογής των στιγμάτων του κρόκου στην περιοχή της Κοζάνης, η αξιοποίησή τους για την παρασκευή εκχυλισμάτων με σημαντικές αντιοξειδωτικές και πιθανότατα αντιγηραντικές ιδιότητες, αποτέλεσε μια ελκυστική εναλλακτική για τη διαχείρισή τους. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν ξηρά και κατεψυγμένα τέπαλα και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραματικών διεργασιών παραλαβής των φλαβονοειδών σε εργαστηριακή κλίμακα για τα εκχυλίσματα που προήλθαν με τις τεχνικές διαβροχής υποβοηθούμενης με μικροκύματα (MicroWave assisted Extraction – MWE) και υπερήχους (UltraSound assisted Extraction) με στόχο να επιλεχθεί η κατάλληλη μεθόδος για την παρασκευή του εμπλουτισμένου εκχυλίσματος σε πιλοτική κλίμακα, με βάση τα αποτελέσματα της αξιολόγησης του χημικού περιεχομένου και της ικανότητας εξουδετέρωσης της ελεύθερης ρίζας DPPH. Με σκοπό την απομάκρυνση των αδρανών σακχάρων και την παραλαβή εμπλουτισμένων σε βιοδραστικά φλαβονοειδή εκχυλισμάτων, τα υδατικά εκχυλίσματα των κατεψυγμένων τεπάλων, τα οποία προέκυψαν τόσο από την εκχύλιση με μικροκύματα όσο και από την κλασική διαβροχή, χρησιμοποιήθηκε η μεθοδολογία της προσρόφησης σε ρητίνη XAD-4 από την οποία προέκυψαν εμπλουτισμένα εκχυλίσματα πλούσια σε φαινολικό φορτίο (>70-150 mg GAE/g εκχ.). Τα αποτελέσματα της προαναφερόμενης μελέτης έδειξαν ότι τα κατεψυγμένα τέπαλα του είδους Crocus sativus αποτελούν μία αξιόλογη πρώτη ύλη, από την οποία είναι δυνατό να προκύψει ένα εκχύλισμα πλούσιο σε φαινολικά παράγωγα και ιδιαίτερα σε φλαβονοειδή και ανθοκυανίνες. Ωστόσο, απαιτείται περαιτέρω διερεύνηση της διακύμανσης στην ποιοτική και ποσοτική σύσταση, τόσο της πρώτης ύλης όσο και του παραγόμενου εκχυλίσματος. Επίσης, απαιτείται η πραγματοποίηση μιας τεχνοοικονομικής μελέτης με σκοπό τη διερεύνηση αξιοποίησης του εμπλουτισμένου εκχυλίσματος με βάση το κόστος παραγωγής και την εμπορική αξία του.Στο έκτο κεφάλαιο (Μέρος Β) περιλαμβάνεται η μελέτη προϊόντων κατώτερης ποιότητας από τη διαδικασία διαλογής των φύλλων α’ ποιότητας του είδους Aloysia citrodora. Κατά τη διαδικασία της διαλογής στην εταιρεία ‘ANASSA’, εκτός από το υποπροϊόν από μίσχους στελέχη και άλλα απορριπτέα υπέργεια τμήματα, προκύπτει μία σημαντική ποσότητα φυτικής πρώτης ύλης που χαρακτηρίζεται ως δεύτερης διαλογής (κατώτερης ποιότητας) και μέχρι σήμερα στην πλειονότητά της παραμένει ανεκμετάλλευτη. Στην παρούσα εργασία, πραγματοποιήθηκε συγκριτική μελέτη μεταξύ φυτικού υλικού λουΐζας πρώτης και δεύτερης διαλογής καθώς και υποπροϊόντος που προκύπτει κατά τη διαδικασία της διαλογής των φύλλων. Αρχικά μελετήθηκαν τα αφεψήματα από φύλλα α’ και β’ ποιότητας και από τα αποτελέσματα αναδείχτηκαν η παρόμοια σύστασή τους και οι παραπλήσιες αντιοξειδωτικές ιδιότητές τους. Στη συνέχεια, οι φυτικές πρώτες ύλες β΄ ποιότητας (ή δεύτερης διαλογής) και υποπροϊόντος εκχυλίστηκαν με τη μέθοδο της διαβροχής με μικροκύματα σε διάφορα πειράματα μεταβάλλοντας τις παραμέτρους του χρόνου εκχύλισης και της αναλογίας φυτού/διαλύτη. Τα υδατικά εκχυλίσματα που προέκυψαν επεξεργάστηκαν και με ρητίνες για την παραλαβή εμπλουτισμένων κλασμάτων. Όλα τα εκχυλίσματα που έχουν προκύψει από την πρώτη ύλη δεύτερης διαλογής, ιδιαιτέρως τα παρασκευάσματα που προέκυψαν από την επεξεργασία με προσροφητική ρητίνη, εμφάνισαν πολύ υψηλό φαινολικό φορτίο (200-400 mg GAE/g εκχ). Από την άλλη μεριά, τα εκχυλίσματα που προήλθαν από το υποπροϊόν εμφάνισαν χαμηλότερο φαινολικό φορτίο (50-150 mg GAE/g εκχ) και περιορισμένη περιεκτικότητα σε σύγκριση με τα παρασκευάσματα που προήλθαν από την πρώτη ύλη β’ ποιότητας, γεγονός που αποδίδεται στη μεγάλη περιεκτικότητα σε ξυλώδη τμήματα με φτωχό φαινολικό περιεχόμενο. Εκτός από τα απλά φαινολικά παράγωγα, η λουΐζα περιέχει φαινυλοπροπανοειδικούς γλυκοσίδες που παρουσιάζουν ιδιαίτερο φαρμακολογικό ενδιαφέρον. Έτσι, το φυτικό υλικό δεύτερης ποιότητας μελετήθηκε για την παρασκευή ενός εκχυλίσματος με υψηλή περιεκτικότητα σε ακτεοσίδη και αξιόλογες αντιοξειδωτικές ιδιότητες. Κατά την αναζήτηση βέλτιστων συνθηκών με την τεχνική της επιταχυνόμενης εκχύλισης (ASE) (ή εκχύλισης υπό πίεση (PLE)) για την παραλαβή εκχυλίσματος με υψηλό φαινολικό φορτίο, πλούσιο περιεχόμενο σε φλαβονοειδή, σημαντική περιεκτικότητα σε ακτεοσίδη (φαινυλοπροπανοειδές με αξιοσημείωτες βιολογικές ιδιότητες) και αξιόλογη ικανότητα εξουδετέρωσης των ελευθέρων ριζών εφαρμόσθηκε η μεθοδολογία DOE (Design Of Experiments) και πραγματοποιήθηκαν 30 εκχυλίσεις εις διπλούν. Με βάση τα αποτελέσματα καθορίστηκαν οι τιμές των παραμέτρων (θερμοκρασία, στατικός χρόνος εκχύλισης, σύσταση υδατοαλκοολικού μίγματος διαλυτών, αριθμός των κύκλων εκχύλισης) που δίνουν τις καλύτερες αποκρίσεις {απόδοση εκχύλισης (48.5%), ολικό φαινολικό φορτίο (186.2mg GAE/g εκχ), ολικό περιεχόμενο σε φλαβονοειδή (99.1mg QUE/g εκχ), αντιοξειδωτική δράση (99.8% Αναστολή DPPH στα 50μg/ml και 79.6% Αναστολή ABTS στα 50μg/ml) και περιεκτικότητα σε ακτεοσίδη (36.1%)}.Συμπερασματικά, από την παραπάνω μελέτη προκύπτει ότι τα υποπροϊόντα, που παράγονται σε πολύ μεγάλες ποσότητες κατά τη διαδικασία μεταποίησης των ΑΦΦ, αποτελούν μια τεράστια δεξαμενή πολύτιμων μεταβολιτών με σημαντικές βιολογικές ιδιότητες (αντιοξειδωτικές, αντιμικροβιακές κ.ά.) και κρίνεται επιτακτική η ανάγκη αξιοποίησής τους για την ανάπτυξη φυσικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας αντί να αντιμετωπίζονται ως «απόβλητα» και να απορρίπτονται στο περιβάλλον.