Μελέτη μεθόδων παραλαβής καροτενοειδών από παραπροϊόντα τομάτας - Στρατή, Ειρήνη Φ. (Σχολή Χημικών Μηχανικών, 2014)
Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη των μεθόδων ανάκτησης των καροτενοειδών από παραπροϊόντα βιομηχανικής επεξεργασίας τομάτας, προκειμένου να αξιοποιηθούν ως φυσικά αντιοξειδωτικά ή ως πρόσθετα για τη σύνθεση λειτουργικών τροφίμων. Χρησιμοποιήθηκε νωπό παραπροϊόν βιομηχανικής επεξεργασίας τομάτας (από υβρίδια βιομηχανικής τομάτας RedSea και OvalRed), το οποίο ξηράνθηκε στον αέρα και αλέσθηκε σε κοκκομετρία 1.0 mm. Η εκχύλιση με χρήση οργανικών διαλυτών μελετήθηκε ως η πλέον καθιερωμένη μέθοδος ανάκτησης καροτενοειδών στη βιομηχανία τροφίμων και προσδιορίστηκαν οι παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση της εκχύλισης. Οι οργανικοί διαλύτες που χρησιμοποιήθηκαν ήταν το εξάνιο, η ακετόνη, η αιθανόλη, ο οξικός αιθυλεστέρας και ο γαλακτικός αιθυλεστέρας. Η χρονική διάρκεια της εκχύλισης (5-40 min) μελετήθηκε με διεξαγωγή πειραμάτων με όλους τους προαναφερόμενους διαλύτες στο πρώτο στάδιο της εκχύλισης και σε θερμοκρασία 25 °C. Προσδιορίστηκε μαθηματική εξίσωση πρόβλεψης του ρυθμού εκχύλισης των καροτενοειδών για κάθε διαλύτη και με ανάλυση μη γραμμικής παλινδρόμησης υπολογίστηκαν οι παράμετροι της εκθετικής εξίσωσης και οι αντίστοιχοι συντελεστές συσχέτισης. Επιλέχθηκε ο χρόνος των 30 min για την επαρκή ανάκτηση των καροτενοειδών στα επόμενα πειράματα και σε κάθε στάδιο της εκχύλισης. Η θερμοκρασία της εκχύλισης (25 °C-70 °C) επιλέχθηκε με κριτήριο το σημείο ζέσεως των διαλυτών εκχύλισης και την αποφυγή τυχόν ισομερίωσης ή/και οξείδωσης των καροτενοειδών. Παρατηρήθηκε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας εκχύλισης συνοδεύτηκε γενικά από στατιστικά σημαντική (P<0.05) αύξηση της απόδοσης της εκχύλισης. Το είδος και η πολικότητα του διαλύτη επηρέασαν την αποτελεσματικότητα της εκχύλισης. Τα εκχυλίσματα του γαλακτικού αιθυλεστέρα παρουσίασαν αξιοσημείωτα υψηλές αποδόσεις σε ολικά καροτενοειδή, συγκριτικά με τα εκχυλίσματα των υπόλοιπων διαλυτών και κυμάνθηκαν από 202.73-243.00 mg kg-1 ξηρού παραπροϊόντος , με την αύξηση της θερμοκρασίας από 25 °C-70 °C, αντίστοιχα. Οι λοιποί διαλύτες παρουσίασαν πολύ μικρότερες αποδόσεις ακολουθώντας τη σειρά: ακετόνη (51.90 mgkg-1) > οξικός αιθυλεστέρας (46.21 mgkg-1) >εξάνιο (34.45 mgkg-1) > αιθανόλη (17.57 mgkg-1), στις μέγιστες επιλεγμένες θερμοκρασίες εκχύλισης. Η επίδραση των διαδοχικών σταδίων εκχύλισης στην ανάκτηση των καροτενοειδών μελετήθηκε στους επιλεγμένους διαλύτες και θερμοκρασίες. Αποδείχθηκε ότι το πρώτο στάδιο εκχύλισης είναι το πλέον καθοριστικό για την απόδοση σε ολικά καροτενοειδή. Η χρήση μέτρια πολικών ή μη πολικών διαλυτών (οξικός αιθυλεστέρας ή εξάνιο) αύξησε το ποσοστό ανάκτησης των καροτενοειδών (70-74 %) στο πρώτο στάδιο της εκχύλισης, συγκριτικά με το αντίστοιχο ποσοστό (55-68 %) που παραλήφθηκε όταν χρησιμοποιήθηκαν πιο πολικοί διαλύτες (ακετόνη και αιθανόλη). Στο τρίτο στάδιο της εκχύλισης η ανάκτηση ήταν μικρότερη του 10 % των ολικών καροτενοειδών σε όλους τους διαλύτες, εκτός της αιθανόλης, και θα μπορούσε ενδεχομένως να παραληφθεί. Στη συνέχεια της πειραματικής διατριβής εξετάστηκαν εκχυλίσεις σε θερμοκρασία περιβάλλοντος με μίγματα πολικών-μη πολικών διαλυτών, συγκεκριμένα, μίγμα εξανίου-αιθανόλης (50:50, v/v), εξανίου-ακετόνης (50:50, v/v) και εξανίου-οξικού αιθυλεστέρα(50:50, v/v) ως προς την απόδοσή τους σε ολικά καροτενοειδή και βρέθηκε ότι ο συνδυασμός του εξανίου με την αιθανόλη ή τον οξικό αιθυλεστέρα βελτίωσε την απόδοση σε ολικά καροτενοειδή, συγκριτικά με την αντίστοιχη των μεμονωμένων διαλυτών. Η μεγαλύτερη απόδοση παρατηρήθηκε όταν τα καροτενοειδή εκχυλίστηκαν με μίγμα εξανίου-οξικού αιθυλεστέρα (50:50, v/v). Περαιτέρω, με μεθοδολογία αποκριτικών επιφανειών και πειραματικό σχεδιασμό Box-Behnkenπροσδιορίστηκε πολυωνυμική εξίσωση που συσχετίζει την απόδοση σε ολικά καροτενοειδή με τις τρεις μεταβλητές επεξεργασίας(σύνθεση μίγματος, αναλογία μίγματος διαλυτών: παραπροϊόντοςκαι κοκκομετρία ξηρού αλεσμένου παραπροϊόντος). Η μέγιστη απόδοση σε ολικά καροτενοειδή (37.5 mg kg-1 ξηρού παραπροϊόντος τομάτας) επιτεύχθηκε με εκχύλιση με μίγμα εξανίου-οξικού αιθυλεστέρα (45:55, v/v), αναλογία διαλύτη: παραπροϊόντος (9.1:1,v/w) και μέγεθος σωματιδίων (0.56 mm). Προκειμένου να γίνει διαχωρισμός, ταυτοποίηση και ποσοτικοποίηση των καροτενοειδών και των ισομερών διαμορφώσεών τους, αναπτύχθηκε μέθοδος υγρής χρωματογραφίας υψηλής πίεσης (HPLC) που βρήκε εφαρμογή σε ευρύ φάσμα τροφίμων φυτικής, ζωικής και θαλάσσιας προέλευσης. Τα καροτενοειδή που ταυτοποιήθηκαν σε όλα τα εκχυλίσματα των διαλυτών από ξηρά παραπροϊόντα τομάτας ήταν με τη σειρά: λυκοπένιο >β-καροτένιο >λουτεΐνη, στην επικρατέστερη all-trans διαμόρφωσή τους. Από τα ισομερή που ταυτοποιήθηκαν, το 5-cisλυκοπένιο και το 15-cis-β-καροτένιο ήταν τα ποσοτικά επικρατέστερα σε όλα τα εκχυλίσματα. Η αύξηση της θερμοκρασίας εκχύλισης αύξησε την αντίστοιχη συγκέντρωση του αll-transλυκοπένιου σε όλους τους διαλύτες, ενώ τα ποσοστά των cis-ισομερών λυκοπένιου σε σχέση με το ολικό λυκοπένιο (αll-trans + cis) παρέμειναν μικρότερα του 8 %, εκτός από τα εκχυλίσματα αιθανόλης (20.0 %) και ακετόνης (17.3 %) στους 70 °C και 50 °C, αντίστοιχα. Σταθερό και υψηλό ποσοστό cis-ισομερών (≈30.4 %) παρατηρήθηκε κατά την αύξηση της θερμοκρασίας από 25 °C στους 70 °C στα εκχυλίσματα γαλακτικού αιθυλεστέρα. Αντίθετα, η αύξηση της θερμοκρασίας εκχύλισης προκάλεσε μείωση της συγκέντρωσης του ολικού β-καροτένιου και της ολικής λουτεΐνης σε όλους τους διαλύτες, ενώ δεν προκάλεσε ισομερίωση πέραν της αρχικής. Η επίδραση της ξήρανσης και της αποθήκευσης του νωπού παραπροϊόντος βιομηχανικής επεξεργασίας τομάτας (τσίπουρο) στην ανάκτηση και τη σταθερότητα των καροτενοειδών, ειδικότερα του λυκοπένιου, ήταν ο επόμενος στόχος της πειραματικής διατριβής. Η ξήρανση έγινε με 4 μεθόδους: α) στον αέρα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (25-30 °C), β) σε φούρνο κυκλοφορίας αέρα (70 °C), γ) σε φούρνο κενού (70 °C) και δ) με λυοφιλίωση. Οι συγκεκριμένες μέθοδοι ξήρανσης προκάλεσαν μικρές διαφοροποιήσεις στην περιεκτικότητα του ολικού λυκοπένιου, η μεγαλύτερη απώλεια λυκοπένιου σημειώθηκε μετά την ξήρανση σε φούρνο αέρα και σε αέρα και η μικρότερη απώλεια μετά τη λυοφιλίωση. Η μέθοδος ξήρανσης επέδρασε σημαντικά στην ισομερίωση του λυκοπένιου με σημαντική αύξηση των cis-ισομερών και ταυτόχρονη μείωση των all-trans διαμορφώσεων. Τα νωπά παραπροϊόντα τομάτας περιείχαν κυρίως all-transλυκοπένιο (99.7 %), ενώ τα cis-ισομερή σχεδόν απουσίαζαν (0.3 %) από τη νωπή πρώτη ύλη. Η αποθήκευση των νωπών παραπροϊόντων βιομηχανικής επεξεργασίας τομάτας σε θερμοκρασία -20 °C για 60 ημέρες προκάλεσε υποβάθμιση του ολικού λυκοπενίου κατά 13.5 % σε σχέση με τη νωπή πρώτη ύλη, ενώ παρατηρήθηκε μικρό ποσοστό ισομερίωσης (2.4 %) κατά την αποθήκευση. Η περαιτέρω έρευνα στόχευε στη διερεύνηση της αύξησης της απόδοσης των καροτενοειδών με ενζυμικήπροκατεργασία των παραπροϊόντων βιομηχανικής επεξεργασίας τομάτας, σε νωπή και ξηρή κατάσταση, πριν από την εκχύλιση με οργανικούς διαλύτες. Τα ένζυμα που επιλέχθηκαν ήταν κυτταρινάση (CellulyveAN 3500) και πηκτινάση(PectinexUltraAFP). Αφού προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες δράσης των ενζύμων (συγκεντρώσεις πηκτινάσης και κυτταρινάσης, 70 U/g και 122.5 U/g, αντίστοιχα και χρόνος ενζυμικής κατεργασίας 180 min), μελετήθηκε η επίδραση της συνδυασμένης δράσης της ενζυμικής κατεργασίας και των διαφορετικών διαλυτών εκχύλισης στην απόδοση σε ολικά καροτενοειδή και στην περιεκτικότητα σε λυκοπένιο. Η κατεργασία με την πηκτινάση, συγκριτικά με εκείνη της κυτταρινάσης, ενίσχυσε την εκχύλιση των ολικών καροτενοειδών και ειδικότερα του λυκοπένιου, όταν οι διαλύτες εκχύλισης ήταν το εξάνιο και ο γαλακτικός αιθυλεστέρας. Η ενζυμική κατεργασία νωπών παραπροϊόντων βιομηχανικής επεξεργασίας τομάτας πριν την εκχύλιση με γαλακτικό αιθυλεστέρα βελτίωσε σημαντικά την απόδοση σε λυκοπένιο, συγκρινόμενη με την αντίστοιχη απόδοση της συμβατικής εκχύλισης (με τον ίδιο διαλύτη, χωρίς ενζυμική κατεργασία) στο 1ο στάδιο εκχύλισης. Αντίστοιχο αποτέλεσμα δεν παρατηρήθηκε με τους άλλους διαλύτες. Εν τούτοις, η μεγαλύτερη ανάκτηση του λυκοπένιου από νωπά παραπροϊόντα βιομηχανικής επεξεργασίας τομάτας (88.0 %), συγκρινόμενη με τη συμβατική εκχύλιση με τον ίδιο διαλύτη σε 3 στάδια, παρατηρήθηκε μετά από ενζυμική κατεργασία με πηκτινάση και εκχύλιση με εξάνιο-οξικό αιθυλεστέρα (50:50, v/v). Στα πλαίσια της διερεύνησης «φιλικών προς το περιβάλλον» μεθόδων εκχύλισης, μελετήθηκε η εκχύλιση με υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα. Πραγματοποιήθηκαν εκχυλίσεις σε P=250 και 295 bar, Τ= 55 °C και 65 °C, ροή CO2= 2.0 mL/min, και είχαν διάρκεια 3 h. Οι αποδόσεις σε ελαιορητίνη και σε καροτενοειδή συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες εκχυλίσεων Soxhlet με μίγμα εξάνιου: ακετόνης (1:1, v/v). Η μέγιστη ανάκτηση all-transλυκοπένιου (15.3 %) και all-trans β-καροτένιου (11.5 %) συγκριτικά με τη μέθοδο Soxhlet επιτεύχθηκε σε συνθήκες P=295 bar και T=65 °C. Επομένως οι συνθήκες που μελετήθηκαν στην παρούσα διατριβή δεν επαρκούν για την ανάκτηση σημαντικής ποσότητας καροτενοειδών. H εφαρμογή της τεχνολογίας υπερυψηλής υδροστατικής πίεσης (ΥΥΠ) για την εκχύλιση καροτενοειδών από τα παραπροϊόντα αποτελεί ένα πεδίο προς διερεύνηση και ανάπτυξη.Εξετάστηκαν παράγοντες που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της μεθόδου (διαλύτης, πίεση: 100-800 MPa, χρόνος εκχύλισης: 1-30 min και αναλογία διαλύτη: πρώτης ύλης: 4:1. 6:1, 10:1) σε σύγκριση με τη συμβατική μέθοδο με τον ίδιο διαλύτη. Προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης με υπερυψηλή πίεση (P=700 MPa, t=10 min) και επιλέχθηκαν ως εκείνες που δίνουν τη μέγιστη απόδοση σε ολικά καροτενοειδή. Γενικά, η εκχύλιση με χρήση υπερυψηλής πίεσης πραγματοποιήθηκε σε συντομότερο χρόνο επεξεργασίας (10 min) και με μικρότερη αναλογία διαλύτη: παραπροϊόντοςτομάτας, συγκρινόμενη με την εκχύλιση υπό ατμοσφαιρική πίεση με τους ίδιους διαλύτες, χωρίς να επηρεαστούν σημαντικά οι αποδόσεις της εκχύλισης. Από την παρούσα διατριβή διαφαίνεται ότι υπάρχουν ενδιαφέρουσες εναλλακτικές προοπτικές στην παραδοσιακή κλασική εκχύλιση για ανάκτηση καροτενοειδών από χαμηλού κόστους πρώτες ύλες. Ωστόσο, θα πρέπει να διερευνηθούν επιπλέον παράμετροι όσο και να αξιολογηθούν οικονομικά, προκειμένου να γίνει εφικτή η βιομηχανική εφαρμογή τους.