Απομόνωση και φυσικοχημικός χαρακτηρισμός βιοπολυμερών από φυτικές μήτρες
Authors: Παύλου Αλέξανδρος 
Published: September 2021

Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε μελέτη βιοπολυμερών/υδροκολλοειδών προερχόμενων από φυτικές μήτρες σταφυλιού και ελιάς. Κύρια πηγή των πρώτων υλών που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τα στερεά υπολείμματα οινοποιείων και ελαιουργείων, δηλαδή παραπροϊόντων της βιομηχανίας τροφίμων με χαμηλή προστιθέμενη αξία. Για την απομόνωση των βιοπολυμερών εφαρμόστηκε πρωτόκολλο εκχύλισης από υδατικά ρυθμιστικά διαλύματα, σε διάφορες τιμές pH και θερμοκρασίας, το οποίο περιελάμβανε διάφορα πειραματικά βήματα, όπως εκχύλιση με αλκοόλη, για την αύξηση της απόδοσης παραγωγής των ζητούμενων υλικών. Οι βέλτιστες συνθήκες εντοπίστηκαν σε pH 5 και θερμοκρασία 70 °C.Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε χαρακτηρισμός των εκχυλισμάτων με διάφορες φυσικοχημικές μεθόδους, όπως HPSEC, FT–IR, GC/MS κ.α. Ο αρχικός φυσικοχημικός χαρακτηρισμός κατέδειξε πως τα εκχυλίσματα από υπολείμματα σταφυλιού και ελιάς είναι υδροκολλοειδή αρνητικά φορτισμένα και πλούσια σε πολυσακχαρίτες μεγάλου μοριακού βάρους, ενώ περιέχονται σε αυτά και πρωτεΐνες, σε ποσοστό περίπου 10 και 7 %, αντίστοιχα. Όσον αφορά την μορφολογία τους, πρόκειται για κυρίως άμορφα υλικά, που εμφανίζουν πολύ μικρό βαθμό κρυσταλλικότητας. Η μελέτη του εσωτερικού τους ιξώδους κατέδειξε ότι οι αλυσίδες των μακρομορίων και των δύο εκχυλισμένων υδροκολλοειδών, έχουν συμπαγή ή τυχαία διαμόρφωση, καθώς και ότι δεν καταλαμβάνουν μεγάλο όγκο διαλύματος.Το αντικείμενο της διατριβής επικεντρώθηκε στη συνέχεια στις ρεολογικές ιδιότητες που προσδίδουν τα εκχυλίσματα όταν προστεθούν σε υδατικά διαλύματα. Οι μετρήσεις διατμητικού ιξώδους κατέδειξαν πως πρόκειται για υλικά με ψευδοπλαστική συμπεριφορά, αλλά με σχετικώς περιορισμένη επίδραση στο επιτευχθέν ιξώδες ανά μονάδα μάζας. Προκειμένου να εκτιμηθεί η δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν στη βιομηχανία τροφίμων ως γαλακτωματοποιητές, τα εκχυλίσματα από φυτικές μήτρες σταφυλιού και ελιάς προστέθηκαν ως γαλακτωματοποιητικοί παράγοντες προς παρασκευή γαλακτωμάτων O/W. Η μελέτη των παρασκευασμένων γαλακτωμάτων κατέδειξε πως τα εκχυλίσματα είναι υλικά μάλλον ακατάλληλα για χρήση καθαρά ως γαλακτωματοποιητές, αλλά ειδικά αυτά των υπολειμμάτων οινοποιείων μπορούν να προσδώσουν μεγάλη σταθερότητα σε σχέση με το χρόνο, στα παρασκευασμένα γαλακτώματα. Η περαιτέρω μελέτη των παρασκευασμένων γαλακτωμάτων έδειξε ότι η ικανότητα σταθεροποίησης που επιδεικνύουν τα εκχυλισμένα υδροκολλοειδή οφείλεται στη δημιουργία ενός διεπιφανειακού στρώματος κατάλληλου πάχους, η οποία παρέχει αποτελεσματική προστασία έναντι συγχώνευσης (σταθεροποίηση κατά Pickering).Έπειτα παρασκευάσθηκαν γαλακτώματα O/W με τη προσθήκη μικρού επιφανειοδραστικού ως γαλακτωματοποιητικού παράγοντα και τα εκχυλίσματα προστέθηκαν εν συνεχεία, ώστε να μελετηθεί η ικανότητά τους να επιδρούν στη ρεολογική συμπεριφορά μοντέλων γαλακτωμάτων. Η μελέτη των συγκεκριμένων γαλακτωμάτων έδειξε ότι τα εκχυλισμένα βιοπολυμερή μπορούν να δράσουν σε αυτά ως τροποποιητές υφής, προκαλώντας κροκίδωση διά εκκένωσης. Αυτή είναι πολύτιμη ιδιότητα, που θα μπορούσε να καταστήσει τα εκχυλισμένα υδροκολλοειδή χρήσιμα σε πραγματικά προϊόντα γαλακτωμάτων που παρασκευάζονται σε βιομηχανίες, όπως αυτή των τροφίμων.Ακολούθησε κλασμάτωση των υδροκολλοειδών από υπολείμματα οινοποιείων στα επί μέρους συστατικά τους, διά της μεθόδου παρασκευαστικής χρωματογραφίας αποκλεισμού μεγεθών, ώστε να ληφθούν κατάλληλες ποσότητες των απομονωμένων κλασμάτων, που θα επέτρεπαν τον φυσικοχημικό τους χαρακτηρισμό και τη συστηματική μελέτη των μαζικών τους ιδιοτήτων. Τα αποτελέσματα αυτού του φυσικοχημικού χαρακτηρισμού ήρθαν σε συμφωνία με τον αρχικό φυσικοχημικό χαρακτηρισμό και κατέδειξαν επιπλέον ότι τα υδροκολλοειδή των υπολειμμάτων οινοποιείων αποτελούνται από έναν πολυσακχαριτικό μακρομοριακό πληθυσμό μεγάλου μοριακού βάρους, έναν μικρότερο που περιλαμβάνει πρωτεΐνες χωρίς αρωματικές ενώσεις και έναν, ακόμα μικρότερου μοριακού βάρους, μοριακό πληθυσμό που περιλαμβάνει πρωτεΐνες με αρωματικά αμινοξέα. Επιπλέον, υπάρχει ποσότητα πολύ μικρών μορίων που συμπεριλαμβάνει αρωματικές ενώσεις (π.χ. φαινόλες και ολιγοπεπτίδια). Η συστηματική μελέτη των επί μέρους κλασμάτων έδειξε ότι το μοντέλο γαλακτωματοποίησης και σταθεροποίησης που ακολουθείται από το σύνθετο φυτικό εκχύλισμα βασίζεται στην αρνητική συνέργεια της συνολικής προσρόφησης των διαφορετικών πληθυσμών που το αποτελούν. Στη συνέχεια τα εκχυλίσματα των υπολειμμάτων οινοποιείων προστέθηκαν ως σταθεροποιητές, σε πραγματικά προϊόντα τύπου γιαούρτης, μόνα τους ή σε συνδυασμό με ζελατίνη. Τα αποτελέσματα του φυσικοχημικού και οργανοληπτικού ελέγχου των σκευασμάτων γιαούρτης έδειξαν ότι τα συγκεκριμένα φυτικά εκχυλίσματα μπορούν να βρουν εφαρμογή στη γαλακτοβιομηχανία σαν σταθεροποιητές, υποκαθιστώντας μερικώς την ζωικής προέλευσης, ζελατίνη.Τέλος, πραγματοποιήθηκε μελέτη για την ολοκληρωμένη αξιοποίηση των στερεών υπολειμμάτων οινοποιίας. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα πυρόλυσης επάνω στα μη–εκχυλίσιμα στερεά και ακολούθησε φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των προϊόντων αυτής, δηλαδή του βιοάνθρακα, του βιοαερίου και του βιοελαίου. Τα αποτελέσματα της μελέτης και του χαρακτηρισμού των πυρολυτικών προϊόντων έδειξαν ότι η ενσωμάτωση σε ένα οινοποιείο μίας μονάδας, για την ανακατεργασία των υπολειμμάτων της, διά του πρωτοκόλλου εκχύλισης και της διεργασίας πυρόλυσης, θα μπορούσε δυνητικά να προσφέρει τόσο περιβαλλοντικά, όσο και οικονομικά οφέλη στον ιδιοκτήτη του, καθιστώντας εφικτή την εκμετάλλευση μη–αξιοποιήσιμων, μέχρι σήμερα, υλικών. Η πρωταρχική μελέτη ολοκληρωμένης αξιοποίησης θέτει τις βάσεις για την περαιτέρω λεπτομερέστερη αξιολόγηση της οικονομικής και περιβαλλοντικής βιωσιμότητας της υπό μελέτη μονάδας.