Development of innovative methods for the preparation of red wine grape extracts and microemulsions enriched in polyphenolic antioxidants

Abstract

In an ever-changing society where the world's population is growing, the demand for more food and energy production is a fact. This ever-increasing production is a severe problem in our time. Many food wastes could be raw materials for the creation of new products of high nutritional value. Wine waste constitutes one of the most important environmental problems of our time, as it presents a very high organic load and high concentrations of phenolic compounds, which are toxic to the environment. The phenolic substances contained in wine waste on the one hand cause environmental degradation, but on the other hand, with appropriate treatment, they can be used as a raw material in the pharmaceutical, food, and cosmetic industry. From the continuous study of the literature, it emerged that a wide range of actions of polyphenols have been investigated and the results highlight this group of molecules as antioxidants and in many cases antimicrobials, making further investigation necessary. As a result, the phenolic components of wine are the center of attention of scientists and researchers around the world because of their beneficial effects on human health. The main interest is mainly focused on the extraction process of these components from various sources, in which phenolic components are the dominant secondary metabolites. The purpose of this doctoral study is the recovery of phenolics from winery waste using chemically clean techniques, for the creation of added-value products. To isolate these bioactive substances, the existing literature has been reviewed regarding the means and conditions of their extraction. During the review of the literature, it was observed that most solvents used for the reactions are volatile organic compounds (Volatile Organic Compounds, VOCs), which easily evaporate into the atmosphere with harmful effects on the environment and human health. There has also been some research replacing traditional organic solvents with "green" solvents with low viscosity and no measurable vapor pressure, developed to overcome these barriers of traditional solvents. These are the Deep Eutectic Solvents (DESs). Deep-melting solvents are a relatively new class of ionic solvents that typically consist of polyols (proton donors, H-) and organic salts (proton acceptors, H+). Their main characteristic is a lower melting point compared to that of the parent substances. Also, deep-melting solvents attract the interest of many researchers due to their excellent properties such as low vapor pressure, low toxicity, and low cost. They are considered biodegradable, while at the same time exhibit particularly attractive characteristics as extraction solvents.

Σε μία διαρκώς μεταβαλλόμενη κοινωνία όπου ο παγκόσμιος πληθυσμός αυξάνεται, η ζήτηση για παραγωγή περισσοτέρων τροφίμων και ενέργειας είναι γεγονός. Αυτή η συνεχώς αυξανόμενη παραγωγή αποτελεί σοβαρό πρόβλημα στην εποχή μας. Πολλά απόβλητα τροφίμων θα μπορούσαν να αποτελέσουν πρώτη ύλη για τη δημιουργία νέων προϊόντων υψηλής θρεπτικής αξίας. Τα απόβλητα του κρασιού, συνιστούν ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήματα της εποχής μας, καθώς παρουσιάζουν πολύ υψηλό οργανικό φορτίο και υψηλές συγκεντρώσεις φαινολικών ενώσεων, οι οποίες είναι τοξικές για το περιβάλλον. Οι φαινολικές ουσίες που περιέχονται στα απόβλητα του κρασιού αφενός προκαλούν υποβάθμιση του περιβάλλοντος αφετέρου όμως με κατάλληλη επεξεργασία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρώτη ύλη στη βιομηχανία φαρμάκων, τροφίμων και καλλυντικών. Από τη διαρκή μελέτη της βιβλιογραφίας, προέκυψε ότι έχει ερευνηθείένα ευρύ φάσμα δράσεων των πολυφαινολών και τα αποτελέσματα αναδεικνύουν αυτή την ομάδα μορίων ως αντιοξειδωτικά και σε πολλές περιπτώσεις αντιμικροβιακά, καθιστώντας την περαιτέρω διερεύνηση αναγκαία. Ως αποτέλεσμα, τα φαινολικά συστατικά του κρασιού βρίσκονται στο κέντρο της προσοχής των επιστημόνων και τωνερευνητών σε ολόκληρο τον κόσμο εξαιτίας των πολλών ευεργετικών επιδράσεών τους στην ανθρώπινη υγεία. Το κύριο ενδιαφέρον εστιάζεται κυρίως στη διαδικασία εκχύλισης αυτών των συστατικών από διάφορες πηγές, στις οποίες τα φαινολικά συστατικά είναι οι κυρίαρχοι δευτερογενείς μεταβολίτες. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής μελέτης αποτελεί η ανάκτηση των φαινολικών από απόβλητα οινοποιείου με τη χρήση χημικώς καθαρών τεχνικών, για τη δημιουργία προϊόντων προστιθέμενης αξίας. Με στόχο την απομόνωση αυτών των βιοενεργών ουσιών έγινε ανασκόπηση της υπάρχουσας βιβλιογραφίας σχετικά με τα μέσα αλλά και τις συνθήκες εκχύλισης τους. Κατά την ανασκόπηση της βιβλιογραφίας παρατηρήθηκε ότι οι περισσότεροι διαλύτες που χρησιμοποιούνται για τις αντιδράσεις είναι πτητικές οργανικές ενώσεις (Volatile Organic Compounds, VOCs), οι οποίες εξατμίζονται εύκολα στην ατμόσφαιρα με επιζήμιες επιπτώσεις στο περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία. Υπήρξαν και κάποιες έρευνες που αντικατέστησαν τους παραδοσιακούς οργανικούς διαλύτες με «πράσινους» διαλύτες με χαμηλό ιξώδες και όχι μετρήσιμη πίεση ατμών, που αναπτύχθηκαν για να ξεπεράσουν αυτά τα εμπόδια των παραδοσιακών διαλυτών. Αυτοί είναι οι βαθέως εύτηκτοι διαλύτες (Deep Eutectic Solvents, DESs). Οι βαθέως εύτηκτοι διαλύτες είναι μια σχετικά καινούρια κατηγορία διαλυτών ιοντικού τύπου οι οποίοι αποτελούνται συνήθως από πολυόλες (δότες πρωτονίων, Η-) και οργανικά άλατα (δέκτες πρωτονίων, Η+). Κύριο χαρακτηριστικό τους είναι το χαμηλότερο σημείο τήξεως σε σχέση με αυτό των μητρικών ουσιών. Επίσης, οι βαθέως εύτηκτοι διαλύτες συγκεντρώνουν το ενδιαφέρον πολλών ερευνητών λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους όπως τη χαμηλή τάση ατμών, τη χαμηλή τοξικότητα, το χαμηλό κόστος και επιπλέον εμφανίζονται ως βιοδιασπώμενοι, ενώ ταυτόχρονα παρουσιάζουν ιδιαίτερα ελκυστικά χαρακτηριστικά ως διαλύτες εκχύλισης.