Μελέτη της ρόφησης φαινολικών ενώσεων από αγροτικά παραπροϊόντα σε στερεούς ροφητές

Abstract

Agricultural by-products contain substantial amounts of phenolic compounds, which have significant antioxidant properties and contribute to human health. In this work, a method to recover high concentrations of phenolic substances from typical agricultural by-products, such as olive tree leaves and by-products of the coffee beverage production process, was investigated. Phenolic substances were isolated by extraction using various environmentally friendly solvents such as water, ethyl alcohol and water-alcohol mixtures. Next, the extracts were fractionated using a membrane array: Ultrafiltration-Nanofiltration-Reverse Osmosis. The NF concentrate fraction, which contained the low molecular weight organics (simple phenols, carbohydrates) was further treated by a sorption/desorption process in a cylindrical column packed with XAD16N resin. The aim of the present experimental study was to optimize the isolation and the enrichment of phenolic compounds through their selective adsorption on resin grains. In the first series of experiments, standard compounds such as gallic acid (a typical phenolic compound) and glucose (a typical carbohydrate) were tested to find the optimal sorption and desorption kinetics of the phenol and carbohydrate families and the sorption parameters were estimated using the Thomas model. Next, experiments were performed with the NF concentrate fraction. The results showed that XAD16N resin selectively adsorbed phenolic compounds over carbohydrates. In the next step, the adsorbed hydrophilic carbohydrates were removed by desorption with the aid of pure water. Immediately afterwards, an alcohol/water mixture was introduced, to recover and extract the phenolic substances. As far as the experiments of coffee residues are concerned, they were mainly bored in continuous flow reactors with a volumetric supply of 300 ml/h and a fixed mass of resin XAD-16N (about 60 g) in order to find the optimal fraction of the membrane array could also bring the greatest isolation of phenols compounds in relation to sugars and suspended solids which they existed in each sample. To identify the distinct types of phenolics, a thorough liquid chromatography study was performed on the sorption and desorption samples collected at the outlet of the column, and the sorption-desorption versus time plots were found to agree.

Οι φαινόλες που περιέχονται στα αγροτικά προϊόντα αλλά και στα παραπροϊόντα τους αποτελούν αντιοξειδωτικά και έχει αναφερθεί η ευεργετική τους δράση στην ανθρώπινη υγεία. Η παρούσα μελέτη εξετάζει την παρουσία φαινολικών ενώσεων που προέρχονται από αγροτικά προϊόντα, όπως τα φύλλα ελιάς και τα παραπροϊόντα της διαδικασίας παραγωγής ροφημάτων καφέ. Για την απομόνωση των φαινολικών ουσιών πραγματοποιήθηκε εκχύλιση (τόσο από τα φύλλα ελιάς, όσο και από τα υπολείμματα καφέ) με διάφορους διαλύτες, όπως το νερό, αιθυλική αλκοόλη και μείγματα αλκοόλης -νερού σε διάφορες αναλογίες. Στη συνέχεια έγινε διήθηση των εκχυλισμάτων σε μια διάταξη συστοιχίας μεμβρανών υπερδιήθησης, νανοδιήθησης και αντίστροφής ώσμωσης σε σειρά. Η ‘μοριακή’ διαδοχική διήθηση μέσω των μεμβρανών έδωσε διηθήματα και συμπυκνώματα με διαφορετικές συστάσεις του οργανικού περιεχομένου σε κάθε κλάσμα. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η διερεύνηση και η εύρεση μιας οικονομικής διεργασίας απομόνωσης και εμπλου-τισμού φαινολικών ουσιών από αγροτικά παραπροϊόντα μέσω διεργασιών επιλεκτικής προσρόφησης, χρησιμοποιώντας τη ρητίνη XAD 16N που έχει αποδειχθεί ικανή να επιτύχει τέτοιου είδους διαχωρισμό σε παλαιότερες μελέτες της ερευνητικής ομάδας [1–3]. Τα πειράματα διεξήχθησαν, τόσο σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου, όσο και σε συστήματα συνεχούς ροής σε στήλες προσρόφησης. Σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου, χρησιμοποιήθηκαν 200 mL δείγματος για διαφορετικές ποσότητες ροφητή (4 g/L, 8 g/L, 12 g/L, 16 g/L και 24 g/L), ενώ στα πειράματα σε κλίνες, η ποσότητα της ρητίνης ήταν σταθερή (περίπου 60 g) δοκιμάζοντας διαφορετικές παροχές της κινητής φάσης. Όσο αφορά τα πειράματα των υπολειμμάτων καφέ πραγματοποιήθηκαν κυρίως σε αντιδραστήρες συνεχούς ροής με ογκομετρική παροχή 300 mL/h και σταθερή ποσότητα ρητίνης XAD-16N (περίπου 60 g) με σκοπό να βρεθεί το βέλτιστο κλάσμα της συστοιχίας μεμβρανών θα μπορούσε να φέρε την μεγαλύτερη απομόνωση φαινολικών ουσιών σε σχέση με τα σάκχαρα καθώς επίσης και σε σχέση με τα αιωρούμενα στερεά που υπήρχαν σε κάθε δείγμα. Τα πειραματικά αποτελέσματα (τόσο των εκχυλισμάτων φύλλων ελιάς, όσο και των εκχυλισμάτων καφέ) στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την προσαρμογή των παραμέτρων μαθηματικών μοντέλων της βιβλιογραφίας που συνήθως χρησιμοποιούνται για την περιγραφή διεργασιών προσρόφησης. Ενδεικτικά, από τις ισόθερμες προσρόφησης σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου για το δείγμα του συμπυκνώματος νανοδιήθησης, υπολογίστηκε η μέγιστη ροφητική ικανότητα της ρητίνης σε φαινολικές ουσίες, qmax, ίση με 66.8 mg/g. Τέλος, πραγματοποιήθηκε ποιοτική ανάλυση των φαινολικών ομάδων στο εκχύλισμα φύλλων ελιάς, μέσω υγρής χρωματογραφίας, με σκοπό την ταυτοποίηση τους με πρότυπες φαινολικές ομάδες. Ενδεικτικά βρέθηκε το μόριο της ελαιοευρωπαῒνης το οποίο αποτελεί την σημαντικότερη φαινολική ομάδα (λόγω του κόστους και της αφθονίας της στο διάλυμα) καθώς επίσης εντοπίστηκαν οι ομάδες της τυροσόλης, της υδροξυτυροσόλης και καφεϊκού οξέος.