Ενσωμάτωση εκχυλισμάτων παραπροϊόντων βιομηχανίας τροφίμων σε εδώδιμες επικαλύψεις

Abstract

Food packaging is constantly evolving, with growing interest in the use of environmentally friendly materials. Furthermore, the utilization of agro-food by-products as components to reinforce packaging materials represents an essential approach to their management. In this context, by-products from fruits production and processing, such as cornelian cherries, can be utilized. Packaging materials enriched with bioactive compounds from agro-food by-products can offer innovative approaches for enhancing food preservation. The objective of this thesis was the development of an edible film from chitosan incorporating extract from agro-food waste. Firstly, a study was conducted to evaluate the valorization of the by-product of cornelian cherries as a source of red colorants. Initially, the anthocyanin profile of the cornelian cherry by-product was investigated using modern analytical techniques. Furthermore, the color properties were evaluated in relation to the pH value, the presence of metal ions (Fe2+) and β-cyclodextrin. An increase of pH value and the presence of Fe²⁺ ions affected the stability of the anthocyanins. On the other hand, β-cyclodextrin contributed to the stabilization of anthocyanins due to the interaction of the phenolic compounds with hydrophobic cavity of the polymer. This anthocyanin–β-cyclodextrin system was further investigated in a non-carbonated beverage system. Consequently, a study of the recovery of anthocyanins, phenolic compounds, loganic acid and other antioxidant compounds, using aqueous solutions of β-cyclodextrin, combined with an ultrasound assisted extraction was conducted. Cyclodextrin enhanced the extraction of bioactive compounds and may protect them from the ultrasound waves by acting as an encapsulation agent. Furthermore, the effect of cold atmospheric plasma pretreatment on the extraction of the target compounds was evaluated. Pretreatment enhanced the recovery of the target compounds, probably due to surface modification of the material. Moreover, the bioaccessibility of the bioactive compounds was evaluated using an in vitro digestion model. The results indicated that the developed protocol enhanced the bioaccessibility of the phenolic compounds. In the next step, the optimized extract from the cornelian cherry by-product was used as dilution medium of the polymer for the development of the film. For this purpose, citric acid was used as an acidifier, to develop acidic condition for the dilution of the polymer. The developed film was characterized by a high elasticity, an increased solubilization index and water vapor permeability. Due to the presence of the extract the color of the film changed and the antioxidant activity of the film and the color sensitivity of the film to volatile nitrogen compounds increased. However, the color stability of the films seemed to be affected negatively by the relative humidity of the environment during the storage. Finally, a study was carried out to develop a chitosan edible film using the optimized acidified extract through three-dimensional printing. The developed film exhibited improved mechanical properties and lower water solubility. However, the produced film presented reduced antioxidant activity, lower color sensitivity to volatile nitrogen compounds and decreased color stability during storage under varying relative humidity conditions, which may be correlated to the lower content of anthocyanin in the final film.

Η συσκευασία τροφίμων εξελίσσεται συνεχώς, με αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη χρήση φιλικών προς το περιβάλλον υλικών. Παράλληλα, η αξιοποίηση των παραπροϊόντων του αγροδιατροφικού τομέα, ως συστατικά για την ενίσχυση υλικών συσκευασίας αποτελεί μια ουσιαστική προσέγγιση για τη διαχείριση τους. Στο πλαίσιο αυτό, μπορούν να αξιοποιηθούν παραπροϊόντα παραγωγής και αξιοποίησης φρούτων όπως από τα κράνα. Τα υλικά συσκευασίας ενισχυμένα με βιοενεργά από παραπροϊόντα του αγροδιατροφικού τομέα μπορούν να αποτελέσουν καινοτόμες προσεγγίσεις για την αύξηση της διατήρησης των τροφίμων. Στόχος της παρούσας διατριβής, ήταν η ανάπτυξη εδώδιμης μεμβράνης από χιτοζάνη με την ενσωμάτωση εκχυλίσματος από παραπροϊόν του αγροδιατροφικού τομέα. Αρχικά, έγινε μελέτη της αξιοποίησης του παραπροϊόντος των κράνων ως πηγή κόκκινων χρωστικών. Με τη χρήση σύγχρονων αναλυτικών τεχνικών μελετήθηκε το προφίλ των ανθοκυανών από το παραπροϊόν. Παράλληλα μελετήθηκε η χρωματική συμπεριφορά των χρωστικών λόγω μεταβολής του pH, της παρουσίας ιόντων μετάλλου (Fe2+) και της β-κυκλοδεξτρίνης. Η αύξηση του pH και η παρουσία των ιόντων Fe2+, επηρέασαν την σταθερότητα των ανθοκυανών. Αντιθέτως, η β-κυκλοδεξτρίνη συνέβαλε σε αύξηση της σταθερότητας των ανθοκυανών λόγω πιθανής αλληλεπίδρασης των φαινολικών συστατικών με την υδρόφοβη κοιλότητα. Το σύστημα αυτό, β-κυκλοδεξτρίνης ανθοκυανών, μελετήθηκε σε σύστημα μη ανθρακούχου αναψυκτικού. Στη συνέχεια, διεξάχθηκε μελέτη παραλαβής ανθοκυανών, φαινολικών, λογανικού οξέος και άλλων αντιοξειδωτικών ενώσεων, με τη χρήση υδατικού διαλύματος β-κυκλοδεξτρίνης και με εφαρμογή υπερήχων. Η παρουσία της κυκλοδεξτρίνης φάνηκε να συνέβαλε σε αύξηση της παραλαβής των βιοενεργών και πιθανώς σε προστασία των ενώσεων από την έκθεση σε υπερήχους, λόγω της δράσης της ως φορέας ενθυλάκωσης. Επιπλέον, εξετάστηκε η επίδραση της προεπεξεργασίας με τη χρήση κρύου ατμοσφαιρικού πλάσματος στην παραλαβή των βιοενεργών. Η προεπεξεργασία συνετέλεσε σε αύξηση της παραλαβής, λόγω πιθανής τροποποίησης της επιφάνειας του υλικού. Παράλληλα, μελετήθηκε η βιοπροσπελασιμότητα των βιοενεργών συστατικών με μοντέλο προσομοίωσης πέψης. Με βάση τα αποτελέσματα, το αναπτυσσόμενο πρωτόκολλο συνετέλεσε σε αύξηση της βιοπροσπελασιμότητας των φαινολικών. Έπειτα, το βελτιστοποιημένο εκχύλισμα από το παραπροϊόν, χρησιμοποιήθηκε ως μέσο για τη διαλυτοποίηση της χιτοζάνης για την ανάπτυξη μεμβράνης. Για τον σκοπό αυτόν, το κιτρικό οξύ χρησιμοποιήθηκε ως μέσο οξίνισης, με στόχο την δημιουργία κατάλληλων όξινων συνθηκών για τη διαλυτοποίηση του πολυμερούς. Η παραγόμενη μεμβράνη χαρακτηρίστηκε από αυξημένη ελαστικότητα, υψηλή υδατοδιαλυτότητα και διαπερατότητα στους υδρατμούς. Λόγω της παρουσίας του εκχυλίσματος το χρώμα της μεμβράνης άλλαξε και αυξήθηκε η αντιοξειδωτική της δράση και η χρωματική ευαισθησία της ως προς πτητικές αζωτούχες ενώσεις. Ωστόσο, η σταθερότητα του χρώματος της μεμβράνης φάνηκε να επηρεάζεται αρνητικά από τη σχετική υγρασία του περιβάλλοντος κατά την συντήρηση. Τέλος, έγινε μελέτη παραγωγής εδώδιμης μεμβράνης από χιτοζάνη με τη χρήση όξινου εκχυλίσματος με τη μέθοδο της τρισδιάστατης εκτύπωσης. Η παραγόμενη μεμβράνη χαρακτηρίστηκε από βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες και χαμηλή υδατοδιαλυτότητα. Ωστόσο, η παραγόμενη μεμβράνη παρουσίασε μικρότερη αντιοξειδωτική δράση και χρωματική ευαισθησία ως προς πτητικές αζωτούχες ενώσεις. και χαμηλότερη σταθερότητα κατά τη συντήρηση σε διάφορα επίπεδα υγρασίας, γεγονός που μπορεί να σχετίζεται με μικρότερη παρουσία των ανθοκυανών στη τελική μεμβράνη.