Μικροεγκλεισμός αρωματικών, χρωστικών και γευστικών παραγόντων τροφίμων σε δομές πολυμερών - Χρανιώτη, Χαρίκλεια (Σχολή Χημικών Μηχανικών, 2014)
Η τεχνική του μικροεγκλεισμού ορίζεται ως η διαδικασία κατά την οποία σταγονίδια υγρού, στερεά σωματίδια ή αέριες ενώσεις παγιδεύονται, περιβάλλονται από ένα επικαλυπτικό μέσο ή ενσωματώνονται σε ένα υλικό (φορέα εγκλεισμού), με σκοπό την παραγωγή προϊόντων υψηλής ποιότητας. Το προς εγκλεισμό υλικό (πυρήνας) όπως και ο φορέας εγκλεισμού μπορεί να αποτελούνται από ένα μόνο ή περισσότερα συστατικά. Για το σχεδιασμό ενός συστήματος εγκλεισμού απαιτείται επιλογή του κατάλληλου μέσου εγκλεισμού κυρίως βάσει των φυσικοχημικών ιδιοτήτων καθώς και της μεθόδου εγκλεισμού βάσει των ιδιοτήτων του προϊόντος που απαιτούνται ανάλογα με την εκάστοτε εφαρμογή. Η τεχνική του μικροεγκλεισμού είναι μεγάλης σημασίας για τις βιομηχανίες τροφίμων λόγω της δυνατότητας που παρέχει για επίλυση προβλημάτων που σχετίζονται με τα συστατικά των τροφίμων. Ειδικότερα, αναφορικά με τους αρωματικούς παράγοντες η εφαρμογή της εν λόγω τεχνικής στοχεύει στην προστασία των ευαίσθητων ουσιών έναντι αντιδράσεων υποβάθμισης, στη μείωση της απώλειας των πτητικών, στη διατήρηση των χαρακτηριστικών τους αρωμάτων κατά την επεξεργασία και την αποθήκευση των τροφίμων και στη δυνατότητα της ελεγχόμενης απελευθέρωσής τους. Όσον αφορά τους χρωστικούς παράγοντες, η εφαρμογή του μικροεγκλεισμού έγκειται στην παράταση του χρόνου ζωής τους μέχρις ότου προστεθούν στο τρόφιμο και στη βελτίωση της σταθερότητάς τους έναντι της οξείδωσης. Στην περίπτωση, τέλος, των γλυκαντικών παραγόντων, ο μικροεγκλεισμός χρησιμοποιείται συνήθως για την κάλυψη της πικρής μετάγευσης, την παροχή προστασίας σε υψηλές θερμοκρασίες και τον έλεγχο της απελευθέρωσής τους. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε ο μικροεγκλεισμός αντιπροσωπευτικών συστατικών των τροφίμων που υπάγονται στις τρεις προαναφερθείσες κατηγορίες. Από τους αρωματικούς παράγοντες τροφίμων επιλέχθηκε η ελαιορητίνη μάραθου, λόγω της ευαισθησίας που παρουσιάζει στο φως, τη θερμοκρασία και το οξυγόνο. Οι φορείς εγκλεισμού περιελάμβαναν: χιτοζάνη-CH, τροποποιημένο άμυλο-MS, αραβικό κόμμι-GA, και μαλτοδεξτρίνη-MD είτε μεμονωμένους ή σε μίγματα (διμερή και τριμερή) ή και με τη μορφή συμπλόκων, σε αναλογία με το προς εγκλεισμό συστατικό 3/1, ενώ η μέθοδος εγκλεισμού που χρησιμοποιήθηκε ήταν η ξήρανση υπό κατάψυξη (λυοφιλίωση) σε σύγκριση με την ξήρανση με ψεκασμό. Στόχος ήταν να αξιολογηθεί η ικανότητα εγκλεισμού των ανωτέρω φορέων σε σχέση με τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Εξετάστηκαν οι ιδιότητες των αρχικώς σχηματιζόμενων γαλακτωμάτων (μέση διάμετρος σταγονιδίων, σταθερότητα και ιξώδες) και των τελικών προϊόντων: ικανότητα ανασύστασης, απόδοση μικροεγκλεισμού και μορφολογία (μέσω τεχνικών SEM και XRD). Μελετήθηκε η σταθερότητα κατά την αποθήκευση ως προς τις κύριες ουσίες της ελαιορητίνης μάραθου (φενχόνη, εστραγόλη, trans-ανηθόλη και D-λιμονένιο). Η θερμο-οξειδωτική σταθερότητα των τελικών προϊόντων αξιολογήθηκε μέσω ανάλυσης Purge and Trap – Gas Chromatography/Mass Spectrometry (P&T-GC/MS) των δευτερευουσών πτητικών ενώσεων οξείδωσης και χρήσης της τιμής υπεροξειδίου σε συνδυασμό με τη μελέτη των θερμικών ιδιοτήτων (Differential Scanning Calorimetry, DSC). Η επιβεβαίωση του σχηματισμού των παραγόμενων συμπλόκων πραγματοποιήθηκε μέσω μέτρησης του ζ-δυναμικού σε συνδυασμό με εφαρμογή της τεχνικής της φασματομετρίας με χρήση μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) και η επαλήθευση της επιτυχίας του εγκλεισμού έγινε με χρήση της τεχνικής FT-IR. Με βάση τις εφαρμοσθείσες μεθόδους προέκυψε ότι η λυοφιλίωση οδήγησε σε μέση τιμή απόδοσης μικροεγκλεισμού 63.08 % έναντι 42.01 % της ξήρανσης με ψεκασμό, και με ικανότητα ανασύστασης των προϊόντων, εκφραασμένη ως προς τη μέση διάμετρο των σταγονιδίων των ανασυσταθέντων γαλακτωμάτων, κατά μέσο όρο 3.33 μm για τη λυοφιλίωση έναντι 2.16 μm της ξήρανσης με ψεκασμό. Όσον αφορά τους φορείς εγκλεισμού, καλύτερος φορέας εγκλεισμού ως προς την απόδοση μικροεγκλεισμού και στις δύο μεθόδους ξήρανσης απεδείχθη το αραβικό κόμμι με τιμές απόδοσης εγκλεισμού 86.44 και 78.10 % για τη λυοφιλίωση και την ξήρανση με ψεκασμό, αντίστοιχα, ενώ ως προς την ικανότητα ανασύστασης, το MS-CH και MS-MD-CH παρουσίασαν τις καλύτερες τιμές 1.72 και 1.14 μm για τη λυοφιλίωση και την ξήρανση με ψεκασμό, αντίστοιχα. Από τη μελέτη σταθερότητας, οι κύριες αρωματικές ενώσεις της ελαιορητίνης μάραθου βρέθηκε ότι διαφέρουν σημαντικά ως προς τη συμπεριφορά τους κατά την αποθήκευση, γεγονός που μπορεί να αποδοθεί τόσο στις εγγενείς ιδιότητές τους, όσο και στον τρόπο αλληλεπίδρασής τους με τους φορείς εγκλεισμού. Οι φορείς εγκλεισμού MS-CH και MS-MD-CH παρουσίασαν υψηλή απόδοση μικροεγκλεισμού (84.90 και 69.19 %, αντίστοιχα) σε συνδυασμό με υψηλή οξειδωτική σταθερότητα, η οποία σχετίζεται με τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες, και ως εκ τούτου προτείνονται ως αποτελεσματικοί φορείς εγκλεισμού της ελαιορητίνης μάραθου με εφαρμογή της μεθόδου της λυοφιλίωσης. Όσον αφορά τους χρωστικούς παράγοντες τροφίμων μελετήθηκε ο μικροεγκλεισμός δύο φυσικών χρωστικών, προερχόμενων από παντζάρι και κρόκο Κοζάνης, που ενώ χρησιμοποιούνται συνήθως ως χρωστικές ουσίες σε ένα αρκετά ευρύ φάσμα προϊόντων διατροφής, ωστόσο, λόγω των προβλημάτων σταθερότητάς τους κατά την αποθήκευση (θερμοκρασία, φώς) κρίνεται σκόπιμος ο εγκλεισμός τους. Οι φορείς εγκλεισμού επιλέχθηκαν με βάση προκαταρκτική μελέτη, ενώ ως μέθοδος εγκλεισμού εφαρμόστηκε η λυοφιλίωση. Στόχος ήταν η μελέτη της σταθερότητας των παραγόμενων προϊόντων ως προς τη θερμοκρασία, η δυνατότητα διατήρησής τους σε σχέση με την τιμή ενεργότητας νερού του περιβάλλοντος καθώς και η μελέτη της ενσωμάτωσής τους σε ένα σύστημα-μοντέλο τροφίμου (τσίχλας). Συμπερασματικά, η μαλτοδεξτρίνη και το αραβικό κόμμι αποδείχθηκαν αποτελεσματικοί φορείς εγκλεισμού κατά το μικροεγκλεισμό των εκχυλισμάτων παντζαριού και κρόκου Κοζάνης με χρήση της λυοφιλίωσης. Η μαλτοδεξτρίνη παρουσίασε την καλύτερη προστασία κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης με υψηλούς χρόνους ημιζωής 53.03 και 60.03 weeks για την περίπτωση των εκχυλισμάτων παντζαριού και κρόκου Κοζάνης, αντίστοιχα. Η μελέτη των ισόθερμων ρόφησης απέδειξε ότι οι φορείς MD και GA διατήρησαν τη δομική τους ακεραιότητα σε τιμές ενεργότητας νερού έως 0.66 και 0.82, αντίστοιχα. Από τη μελέτη ενσωμάτωσης των εγκλεισμένων χρωστικών προέκυψε ότι οι φορείς GA-MS και ΜD παρείχαν μεγαλύτερη σταθερότητα στα δείγματα τσίχλας. Συνεπώς, ο εγκλεισμός μέσω λυοφιλίωσης μπορεί να προταθεί όχι μόνο ως μέθοδος κατάλληλη για τη σταθεροποίηση του χρώματος στα εκχυλίσματα παντζαριού και κρόκου Κοζάνης, αλλά και ως ένας τρόπος παραγωγής χρωστικών ουσιών που προορίζονται για χρήση σε τρόφιμα. Λόγω του αυξανόμενου ενδιαφέροντος για χρήση εναλλακτικών γλυκαντικών μελετήθηκε η δυνατότητα εγκλεισμού των γλυκοζιτών στεβιόλης (προερχόμενων από το φυτό Stevia rebaudiana Bertoni), με σκοπό την κάλυψη/μείωση της πικρής μετάγευσης και τη βελτίωση των ιδιοτήτων των παραγόμενων προϊόντων, ώστε να είναι εφικτή η χρήση τους σε διεργασίες που περιλαμβάνουν θέρμανση ή ελεγχόμενη απελευθέρωση της γεύσης. Ως μέθοδοι εγκλεισμού μελετήθηκαν η ξήρανση με ψεκασμό, η λυοφιλίωση και η ξήρανση σε φούρνο κενού, με χρήση φορέων εγκλεισμού, μαλτοδεξτρίνης και ινουλίνης (σε διάφορες αναλογίες: 80-20, 75-25, 70-30, 65-35, 60-40), ενώ το ποσοστό των γλυκοζιτών στεβιόλης προς εγκλεισμό διατηρήθηκε σταθερό, 2.5 %. Τα προϊόντα εγκλεισμού που προέκυψαν αξιολογήθηκαν ως προς την απόδοση μικροεγκλεισμού, την υγροσκοπικότητα, τη διαλυτότητα, την περιεχόμενη υγρασία, τη μορφολογία και το ρυθμό απελευθέρωσης του γλυκοζίτη ρεμπαουδιοσίδη Α, ενώ τα παραγόμενα μέσω αυτών υδατικά διαλύματα ως προς το ιξώδες, τη θολότητα και τις οργανοληπτικές τους ιδιότητες. Παράλληλα, μελετήθηκε η μοριακή δομή των γλυκοζιτών στεβιόλης με εφαρμογή της τεχνικής FT-IR. Με βάση την αναλογία των φορέων μαλτοδεξτρίνης και ινουλίνης, η αναλογία 80-20 οδήγησε στις υψηλότερες τιμές απόδοσης μικροεγκλεισμού, με μέση τιμή 81.82 %. Ως προς τις ιδιότητες των παραγόμενων προϊόντων, η περιεχόμενη υγρασία παρουσίασε την υψηλότερη τιμή (7.68 %) με εφαρμογή της ξήρανσης σε φούρνο κενού. Παράλληλα, η ξήρανση με ψεκασμό οδήγησε σε προϊόντα που παρουσιάζουν την υψηλότερη μέση τιμή ικανότητας διάλυσης (96.87 %) και τη χαμηλότερη τιμή θολότητας με μέση τιμή 4.13 NTU έναντι των τιμών 362.8 και 392.7 NTU για τα παραγόμενα μέσω λυοφιλίωσης και ξήρανσης σε φούρνο κενού προϊόντα, αντίστοιχα. Ο ρυθμός απελευθέρωσης του γλυκοζίτη ρεμπαουδιοσίδη Α στα προϊόντα εγκλεισμού βρέθηκε ότι δεν επηρεάζεται σημαντικά ανάλογα με την εφαρμοζόμενη μέθοδο ξήρανσης. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η εφαρμογή του μικροεγκλεισμού οδηγεί σε μείωση της υγροσκοπικότητας των γλυκοζιτών στεβιόλης, ενισχύοντας τη σταθερότητα των προϊόντων. Η εφαρμογή της ξήρανσης με ψεκασμό οδήγησε σε προϊόντα με τα καλύτερα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά. Ειδικότερα, καταγράφησαν οι υψηλότερες τιμές έντασης γλυκύτητας και ολικής αρέσκειας (μέσες τιμές 4.26 και 8.50, αντίστοιχα), οι οποίες συνοδεύτηκαν και από τις χαμηλότερες τιμές (μέση τιμή 3.37) της πικρής μετάγευσης. Με βάση, λοιπόν, τα αποτελέσματα της οργανοληπτικής αξιολόγησης η ξήρανση με ψεκασμό μπορεί να προταθεί ως μία αποτελεσματική μέθοδος για τον περιορισμό της πικρής μετάγευσης των γλυκοζιτών στεβιόλης. Ως προς την παραγόμενη μορφολογία, η εφαρμογή της ξήρανσης σε φούρνο κενού φάνηκε ότι διαφοροποιεί τη δομή των τελικών προϊόντων, με τάση εμφάνισης κρυσταλλικών περιοχών. Η εν λόγω παραγόμενη μορφολογία δύναται να παρουσιάσει ιδιαίτερο τεχνολογικό ενδιαφέρον κατά την παραγωγή γλυκαντικών προϊόντων με βάση τους γλυκοζίτες στεβιόλης (κρυσταλλικά προϊόντα γλυκαντικών απομίμησης ζάχαρης). Τέλος, η χημική ακεραιότητα των γλυκοζιτών στεβιόλης φάνηκε ότι διατηρείται μετά την εφαρμογή των διεργασιών ξήρανσης, γεγονός που μπορεί να συσχετισθεί με τη θερμιδική αξία των προϊόντων. Η μελέτη επομένως επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη προϊόντων με χρήση της τεχνικής του μικροεγκλεισμού, τα οποία πέραν των ωφέλιμων ιδιότητων τους δύνανται να ενσωματωθούν σε συστήματα τροφίμων, οδηγώντας έτσι στην παραγωγή νεών/καινοτόμων προϊόντων υψηλών προδιαγραφών.