Μελέτη της παραλαβής πηκτινών από απόβλητα εσπεριδοειδών και της αξιοποίησής τους ως λειτουργικά συστατικά από τη βιομηχανία τροφίμων
Authors: Ζιώγα Μαριάνθη 
Published: August 2023

Το πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής (§ 4.1) ασχολήθηκε με τη μελέτη της δυνατότητας εκχύλισης της πηκτίνης από φλούδες πορτοκαλιών με πράσινες μεθόδους και την αξιοποίησή της ως λειτουργικό συστατικό σε εφαρμογές τροφίμων. Στο πλαίσιο αυτό, αρχικά (§ 4.1.1) πραγματοποιήθηκε παραλαβή πηκτινών από το μεσοκάρπιο ή ολόκληρη την φλούδα πορτοκαλιών, με τη χρήση υδροχλωρικού οξέος ή κιτρικού οξέος ή με τη βοήθεια της ενέργειας μικροκυμάτων ώστε να αξιολογηθεί εάν η πράσινη μέθοδος παραλαβής της πηκτίνης είναι ικανή να φέρει συγκρίσιμα αποτελέσματα απόδοσης παραλαβής και ποιότητας της προκύπτουσας πηκτίνης, σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους όπου χρησιμοποιείται οξύ. Η απόδοση παραλαβής κυμάνθηκε από 11 – 23%, το περιεχόμενο σε γαλακτουρονικό οξύ από 46 – 74%, το εσωτερικό ιξώδες από 0,3 – 0,8 dL/g, και το μοριακό βάρος από 5 – 15 kDa. Όλες οι πηκτίνες που προέκυψαν ήταν υψηλής μεθυλίωσης, καθώς είχαν βαθμό εστεροποίησης (DE) μεγαλύτερο του 50%, και τα υδατικά τους διαλύματα είχαν όξινο pH. Τόσο η πρώτη ύλη όσο οι συνθήκες παραλαβής επηρέασαν τις φυσικοχημικές ιδιότητες των πηκτινών που μελετήθηκαν. Η εκχύλιση με την βοήθεια μικροκυμάτων οδήγησε σε καλές αποδόσεις και για τις δύο πρώτες ύλες. Οι πηκτίνες που προέκυψαν από την μέθοδο αυτή, χαρακτηρίστηκαν από υψηλό DE και περιεχόμενο σε γαλακτουρονικό οξύ. Επίσης, αξιολογήθηκαν και οι πηκτωματοποιητικές και γαλακτωματοποιητικές ιδιότητες των πηκτινών. Σχετικά με τις πρώτες, όλες οι πηκτίνες οδήγησαν σε σχηματισμό πηκτής κατόπιν ψύξης από τους 95°C στους 5°C, που ήταν θερμικά μη αντιστρεπτή. Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των ~40°C, τα μέτρα G' και G'' παρέμειναν πρακτικά σταθερά για όλες τις πηκτές, εκτός από εκείνες των πηκτινών που παρελήφθησαν με την χρήση κιτρικού οξέος, στις οποίες παρατηρήθηκε αύξηση. Ακόμη, όταν οι πηκτές θερμάνθηκαν και επαναψύχθηκαν, παρατηρήθηκε συμπεριφορά θερμικής αναδιάταξης. Συναίρεση καταγράφηκε σε όλες τις πηκτές σε μεγάλο βαθμό. Σχετικά με τα γαλακτώματοποιητικές ιδιότητες των πηκτινών, όλες οι πηκτίνες σχημάτισαν γαλακτώματα με ψευδοπλαστική συμπεριφορά. Τα πιο σταθερά γαλακτώματα, με το υψηλότερο ιξώδες και την χαμηλότερη τιμή αγωγιμότητας ήταν εκείνα που περιείχαν πηκτίνη που παρελήφθη με την χρήση υδροχλωρικού οξέος. Συνολικά, όλες οι πηκτίνες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως συστατικά τροφίμων προσδίδοντας συγκεκριμένες ιδιότητες (π.χ. ρεολογικές, υφής). Στο επόμενο βήμα (§ 4.1.2), πραγματοποιήθηκε παραλαβή πηκτινών από μεσοκάρπια φλουδών πορτοκαλιού με εκχύλιση υποβοηθούμενη από μικροκύματα, υπερήχους ή τον συνδυασμό αυτών, υπό διάφορες πειραματικές συνθήκες. Ο DE των πηκτινών που προέκυψαν κυμάνθηκε από 45-75%. Ακολούθησε μελέτη των ιδιοτήτων δύο επιλεγμένων πηκτινών που προέκυψαν μέσω εκχύλισης με μικροκύματα ή με συνδυασμό υπερήχων-μικροκυμάτων, αλλά και μίας εμπορικής πηκτίνης. Οι παρεληφθείσες πηκτίνες είχαν πιο σκούρο χρώμα, ήταν λιγότερο επιφανειοδραστικές και είχαν μικρότερες τιμές εσωτερικού ιξώδους και ζ – δυναμικού, σε σχέση με το εμπορικό δείγμα πηκτίνης. Τα υδατικά διαλύματα όλων των πηκτινών ήταν Νευτώνεια. Συνολικά, η μέθοδος εκχύλισης που χρησιμοποιήθηκε ήταν καθοριστικής σημασίας για τις ιδιότητες των πηκτινών που προέκυψαν. Κατόπιν, με τις ίδιες τρεις πηκτίνες παρασκευάσθηκαν εδώδιμες μεμβράνες παρουσία εκχυλίσματος δίκταμου ή γλυκάνισου, με στόχο τη διερεύνηση της δυνατότητας αξιοποίησης αυτών για την παρασκευή εδώδιμης συσκευασίας με αντιοξειδωτικές ικανότητες λόγω της παρουσίας του εκχυλίσματος των βοτάνων. Όλες οι μεμβράνες είχαν στατιστικά το ίδιο πάχος (~40 μm) και την ίδια περιεχόμενη υγρασία (~25%). Για τις περιπτώσεις με το ίδιο εκχύλισμα βοτάνου, όλες οι πηκτίνες οδήγησαν σε μεμβράνες με ίδια πυκνότητα (~1,0 και 1,2 g/cm³, για τις μεμβράνες δίκταμου και γλυκάνισου, αντίστοιχα). Σχετικά με τις μηχανικές ιδιότητες, τιμές των 2 – 4,7 Ν και ~77 – 191 kPa καταγράφηκαν για την μέγιστη δύναμη και την ελαστικότητα των μεμβρανών, αντίστοιχα. Η μεμβράνη εμπορικής πηκτίνης με εκχύλισμα γλυκάνισου ήταν η πιο ισχυρή και αυτή με εκχύλισμα δίκταμου, η πιο άκαμπτη. Ακόμη, προσδιορίστηκαν το ολικό φαινολικό περιεχόμενο και η αντιοξειδωτική ικανότητα των μεμβρανών αλλά και των διαλυμάτων σχηματισμού αυτών. Και για τις δυο περιπτώσεις, οι τιμές του ολικού φαινολικού περιεχομένου κυμάνθηκαν από 0,04 – 0,16 mg GAE/0,5 mL εκχυλίσματος, ενώ οι τιμές της αντιοξειδωτικής ικανότητας από ~62 – 91%. Οι μεμβράνες είχαν υψηλότερο φαινολικό περιεχόμενο αλλά χαμηλότερη αντιοξειδωτική ικανότητα σε σχέση με τα διαλύματα σχηματισμού. Συνολικά, και οι δύο πηκτίνες που παρελήφθησαν μέσω πράσινης μεθόδου εκχύλισης οδήγησαν σε σχηματισμό μεμβρανών που για τις περισσότερες υπό μελέτη ιδιότητες δε διέφεραν σε σημαντικό βαθμό από τις μεμβράνες εμπορικής πηκτίνης. Η παρουσία του εκχυλίσματος δίκταμου ή γλυκάνισου επηρέασε σε σημαντικό βαθμό τις παραπάνω παρατηρήσεις. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής (§ 4.2), μελετήθηκε η συμπεριφορά φάσης και η αξιοποίηση μιγμάτων πηκτίνης και πρωτεΐνης. Αρχικά, στην § 4.2.1, η μελέτη αφορούσε στις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων πηκτίνης υψηλής μεθυλίωσης και των μορίων πρωτεΐνης [καζεϊνικό νάτριο (SC), υπερσυμπύκνωμα πρωτεϊνών ορού γάλακτος (WPI) και υπερσυμπύκνωμα πρωτεϊνών αρακά (PPI)], σε διαφορετικές αναλογίες πρωτεΐνης: πηκτίνης (1:1 έως 10:1) κατά τη διάρκεια οξίνισης. Η τελική συγκέντρωση της πηκτίνης ήταν σταθερή (0,1% w/w), ενώ της πρωτεΐνης κυμαινόταν ανάλογα με την αναλογία ανάμιξης των βιοπολυμερών. Η διαδικασία του σχηματισμού συμπλόκων διερευνήθηκε, κατά κύριο λόγο, μέσω της κατασκευής διαγραμμάτων φάσης και της καταγραφής των τιμών ζ – δυναμικού. Στα μίγματα και των τριών πρωτεϊνών, παρατηρήθηκε συνδιαλυτότητα και σχηματισμός διαλυτών και αδιάλυτων συμπλόκων σε συγκεκριμένες περιοχές pH, οι οποίες διέφεραν ανάλογα με τον τύπο πρωτεΐνης, την αναλογία ανάμιξης και το pH. Γενικά, οι μεγαλύτερες αναλογίες βιοπολυμερών οδήγησαν σε μεταβολές φάσης σε υψηλότερες τιμές pH. Επίσης, στην περιοχή pH όπου παρατηρείται ουδετεροποίηση του συνολικού φορτίου του μίγματος βιοπολυμερών, η οποία εντοπίστηκε εντός του εύρους pH 2,5 – 4,5, παρατηρήθηκε μέγιστη απόδοση σχηματισμού αδιάλυτων συμπλόκων. Βάσει του υπολογισμού της ισχύος της ηλεκτροστατικής αλληλεπίδρασης μεταξύ των βιοπολυμερών κάθε μίγματος, προέκυψε πως το μίγμα με SC εκδήλωσε την ισχυρότερη έλξη μεταξύ των βιοπολυμερών, ενώ το μίγμα με PPI, την ασθενέστερη. Κατόπιν, ακολούθησε απομόνωση και μελέτη των αδιάλυτων συμπλόκων που προέκυψαν από συστήματα με αναλογία πρωτεΐνης – πηκτίνης 6:1 και pH 4 για μίγμα πηκτίνης με SC ή WPI, και αναλογία πρωτεΐνης – πηκτίνης 6:1 και pH 3 για μίγμα πηκτίνης με PPI. Το μίγμα με SC σημείωσε την καλύτερη απόδοση απομόνωσης αδιάλυτων συμπλόκων (~92%) ενώ το μίγμα με PPI, την μικρότερη (~8%). Ενδιάμεση τιμή απόδοσης είχε το μίγμα με WPI (~51%). Τα σύμπλοκα είχαν μικρότερες τιμές διαλυτότητας, κινηματικού ιξώδους, πορώδους και ρευστότητας, αλλά μεγαλύτερες τιμές περιεχόμενης υγρασίας, φαινόμενης πυκνότητας, πυκνότητας στοιβάσεως και συνεκτικότητας, σε σχέση με τα μεμονωμένα βιοπολυμερή. Γενικά, παρατηρήθηκε πως, για τις υπό μελέτη ιδιότητες, η συμπεριφορά των μικτών συστημάτων διέφερε σε σχέση με εκείνη των μεμονωμένων βιοπολυμερών. Οι προκύπτουσες διαφορές μεταξύ των συμπλόκων διαφορετικών πρωτεϊνών αποδόθηκαν στην διαφορετική ισχύ των αλληλεπιδράσεων της πηκτίνης με κάθε μία εξ αυτών. Σε επόμενο βήμα (§ 4.2.2), διερευνήθηκε η δυνατότητα δόμησης ηλιελαίου μέσω του σχηματισμού γαλακτωμάτων υψηλής εσωτερικής φάσης (ΗΙΡΕ) παρουσία πηκτίνης υψηλής μεθυλίωσης και πρωτεΐνης SC ή PPI. Γι’ αυτόν τον λόγο, αρχικά, παρασκευάσθηκαν γαλακτώματα με επιλεγμένα μίγματα πρωτεΐνης – πηκτίνης, σε αναλογία 2:1 ή 6:1, με τελική συγκέντρωση πηκτίνης 0,1 %, 0,5% ή 1,0% (w/w), τα οποία και συγκρίθηκαν με γαλακτώματα που περιείχαν μόνο πρωτεΐνη. Όλα τα γαλακτώματα είχαν ψευδοπλαστική συμπεριφορά, με τα γαλακτώματα υψηλότερης συνολικής συγκέντρωσης βιοπολυμερών να οδηγούν σε υψηλότερες τιμές ιξώδους. Τα γαλακτώματα μόνο πρωτεΐνης είχαν μικρότερες τιμές ιξώδους και σταθερότητας από τα γαλακτώματα μικτών συστημάτων ίδιας συνολικής συγκέντρωσης βιοπολυμερών. Ακόμη, τα μίγματα με PPI οδήγησαν σε γαλακτώματα υψηλότερου ιξώδους και μεγαλύτερης σταθερότητας συγκριτικά με τα μίγματα με SC. Συνεπώς, τόσο ο τύπος της πρωτεΐνης που χρησιμοποιήθηκε σε κάθε περίπτωση, όσο και η συγκέντρωση αυτής, αλλά και η παρουσία ή όχι πηκτίνης, επηρέασαν καθοριστικά τις τιμές των ιδιοτήτων που μελετήθηκαν. Έπειτα, βάσει των παραπάνω αποτελεσμάτων, τα μίγματα με αναλογία πρωτεΐνης – πηκτίνης 6:1 και τελική συγκέντρωση πηκτίνης 0,5% ή 1,0% (w/w), επιλέχθηκαν για την παρασκευή ΗΙΡΕ. Τα μίγματα με SC οδήγησαν σε πιο συγκροτημένες δομές, με μικρότερη απώλεια ελαίου, σε σχέση με τα μίγματα με PPI. Σε κάθε περίπτωση, όμως, η απώλεια ελαίου ήταν πολύ μεγάλη (83 – 95 %), γεγονός ενδεικτικό αδύναμων δικτύων και κατ’ επέκταση, ακατάλληλων συνθηκών (π.χ. τύπος, συγκέντρωση και αναλογία βιοπολυμερών, συνθήκες pH) για τον σχηματισμό σταθερών ΗΙΡΕ. Η φύση της πρωτεΐνης καθώς και ο βαθμός αλληλεπίδρασής της με τα μόρια της πηκτίνης φαίνεται να έπαιξαν καθοριστικό ρόλο. Τέλος, τα ίδια μικτά συστήματα βιοπολυμερών αξιοποιήθηκαν και για την παρασκευή εδώδιμων μεμβρανών (§ 4.2.3). Όλες οι μεμβράνες που σχηματίστηκαν είχαν την ίδια πυκνότητα (~1,4 g/cm³). Η υψηλότερη συνολική συγκέντρωση βιοπολυμερών οδήγησε σε μεμβράνες με μεγαλύτερες τιμές βάρους, πάχους, αντοχής, ακαμψίας, διαπερατότητας υδρατμών και θολερότητας. Μεταξύ των δύο μιγμάτων, οι μεμβράνες με SC φάνηκαν να είναι πιο φωτεινές, ισχυρές και άκαμπτες από εκείνες με PPI, κι επιπλέον, είχαν μεγαλύτερη τιμή πάχους και βάρους. Συνολικά, οι ιδιότητες των μεμβρανών καθορίστηκαν τόσο από τον τύπο πρωτεΐνης όσο και από την συνολική συγκέντρωση βιοπολυμερών.