Ανάπτυξη και αξιοποίηση δομών ανθεκτικού αμύλου και λειτουργικές ιδιότητες καινοτόμων αμυλούχων προϊόντων
Authors: Αποστολίδης Ευτύχιος 
Published: August 2023

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή, διερευνώνται φυσικές διεργασίες και μέθοδοι δημιουργίας νανο-δομών αμύλου. Οι δομές αυτές χρησιμοποιούνται ως σταθεροποιητές γαλακτωμάτων και ως μέσα σχηματισμού ή εμπλουτισμού υδρογελών αμύλου. Ένα κεντρικό θέμα που ερευνάται μέσα από τη διατριβή αυτή είναι η αξιοποίηση του ανθεκτικού αμύλου (Resistant Starch, RS) με χρήση διαφορετικών επεξεργασιών στον τομέα των τροφίμων, που δεν έχουν διερευνηθεί επαρκώς. Ο λόγος που μελετήθηκαν ερευνητικά ερωτήματα της συγκεκριμένης θεματικής ενότητας σχετίζεται με τη διαρκή στροφή της Βιομηχανίας, των καταναλωτών και της αγοράς σε καινοτόμα τρόφιμα, που συμβάλουν στην υγιεινή διατροφή και επισημαίνονται ως προϊόντα με “καθαρή ετικέτα” (clean label).Στο πρώτο μέρος της Διατριβής, παρουσιάζεται η μελέτη της επεξεργασίας ανθεκτικού αμύλου με τη διεργασία της Υψηλούς Πιέσεως Ομογενοποίησης (High Pressure Homogenization, HPH) προς παραγωγή διασπορών (dispersions) ανθεκτικού αμύλου, χωρίς χρήση χημικών προσθέτων Με τη διεργασία αυτή επιτυγχάνεται μείωση του μεγέθους των σωματιδίων του αρχικού αμύλου προς σωματίδια διαστάσεων στη νανο-κλίμακα. Συγκεκριμένα, τα δείγματα επεξεργάστηκαν σε διαφορετικές συνθήκες πίεσης: 140 MPa, 200 MPa, 250 MPa και για ένα έως τέσσερις κύκλους ομογενοποίησης. Οι παράγοντες της πίεσης και του χρόνου επεξεργασίας αποδείχθηκαν κρίσιμοι για το μέγεθος, τη μορφολογία, το ποσοστό αμυλόζης και την κρυσταλλικότητα των δειγμάτων. Εκ των δύο παραμέτρων η πίεση είχε την πιο σημαντική επίδραση στη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων αμύλου. Η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων δεν επέφερε καταστροφή της δομής και το ανθεκτικό άμυλο διατήρησε την αρχική, τύπου Β, κρυσταλλικότητα. Μέσω της HPH, το μέγεθος των σωματιδίων ανθεκτικού αμύλου μειώθηκε από τα 7.5 μm στα 0.5 μm. Συμπερασματικά, διαπιστώθηκε πως η ομογενοποίηση με υψηλή πίεση αποτελεί μια απλή και αποτελεσματική φυσική κατεργασία για την παρασκευή νανο-σωματιδίων ανθεκτικού αμύλου, μιας πρώτης ύλης με μεγάλο εύρος εφαρμογών στο πεδίο των τροφίμων.Στο δεύτερο μέρος της παρούσας Διατριβής, παρουσιάζεται μια άλλη καινοτόμος φυσική διεργασία μείωσης του μεγέθους των σωματιδίων αμύλου σε νανο-κλίμακα, που συνίσταται από τρία επιμέρους στάδια: ζελατινοποίηση, νανο-καταβύθιση και επεξεργασία με υπερήχους. Το πλεονέκτημα έναντι της προηγούμενης μεθόδου (Υψηλούς Πιέσεως Ομογενοποίηση) είναι η περαιτέρω μείωση του μεγέθους των σωματιδίων αμύλου, με αυξημένο έλεγχο και μεγαλύτερη ομοιογένεια. Η τεχνική της νανο-καταβύθισης (nanoprecipitation) που εφαρμόστηκε, συνέβαλε καταλυτικά στην εύκολη απομόνωση των νανο-σωματιδίων, ενώ το τελικό βήμα της κατεργασίας μέσω υπερήχων παρήγαγε διασπορές ομοιόμορφα κατανεμημένων νανο-σωματιδίων αμύλου (170 nm) απαλλαγμένες από το σύνηθες αρνητικό φαινόμενο της συσσωμάτωσης. Η απουσία συσσωμάτωσης επαληθεύτηκε από τις διαδοχικές μετρήσεις μέσω της μεθόδου της Δυναμική Σκεδάσεως Φωτός (Dynamic Light Scattering, DLS), του Ζήτα Δυναμικού (Zeta-potential) και της εκπομπής φθορισμού. Επιπλέον, η αλληλουχία (φυσική διαδικασία) των τριών σταδίων οδήγησε σε (επέφερε) μείωση του μέγεθος των σωματιδίων του αμύλου σε νανο-κλίμακα χωρίς να καταστρέφεται η κρυσταλλική τους δομή, όπως επαληθεύτηκε από τη μελέτη της μέσω των μεθόδων Περίθλασης Ακτίνων Χ (X-Ray Diffraction, XRD) τόσο ευρείας (Wide Angle, WAXS) όσο και μικρής γωνίας (Small Angle, SAXS). Επίσης, η επεξεργασία τριών σταδίων δεν επηρέασε τη χημική σύσταση του αμύλου, όπως προέκυψε από τις αναλύσεις Υπέρυθρης Φασματοσκοπίας Μετασχηματισμού Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR) και Θερμοβαρυμετρικής Ανάλυσης (Thermogravimetric Analysis, TGA). Στα νανο-σωματίδια παρατηρήθηκε μια αύξηση της υδροφοβικότητας συναρτήσει της μείωσης του μεγέθους. Εν συνόλω, η νέα μεθοδολογία που αναπτύχθηκε μπορεί να χαρακτηριστεί ως ένα εύχρηστο εργαλείο για την επιλεκτική μείωση του μεγέθους των σωματιδίων ανθεκτικού αμύλου αλλά και άλλων ειδών αμύλου, επιτρέποντας τη χρήση τους σε μια πληθώρα εφαρμογών σε μοντέλα τροφίμων.Στο τρίτο μέρος της παρούσας Διατριβής, παρουσιάζεται η εφαρμογή των παραγόμενων νανο-σωματιδίων αμύλου μέσω της μεθοδολογίας των τριών σταδίων ως σταθεροποιητών σε γαλακτώματα τύπου Pickering. Αρχικά, παρουσιάζεται η σταθεροποίηση γαλακτωμάτων τύπου Pickering από τα παραχθέντα νανο-σωματίδια αμύλου. Τα γαλακτώματα εμφάνισαν υψηλή σταθερότητα έως και για δύο μήνες σε συνθήκες αποθήκευσης. Τα φυσικώς παραγόμενα νανο-σωματίδια αμύλου έχουνσφαιρικό σχήμα, όπως διαπιστώθηκε από μελέτες Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM). Η αύξηση της συγκέντρωσης των σωματιδίων στο γαλάκτωμα Pickering επιφέρει μείωση της επιφανειακής και διεπιφανειακής τάσης, ενισχύοντας την ικανότητα των σωματιδίων να προσροφώνται στη διεπιφάνεια, σχηματίζοντας ένα οργανωμένο στρώμα στη διεπαφή, προσφέροντας με αυτό τον μηχανισμό σταθεροποίηση στα γαλάκτωμα. Η αύξηση της συγκέντρωσης των νανο-σωματιδίων αμύλου είχε σημαντική επίδραση στις φυσικές ιδιότητες του γαλακτώματος, ως προς τις ρεολογικές τους ιδιότητες, τη σταθερότητα και τη μικροδομή τους, όπως το μέγεθος των σταγονιδίων και το ζήτα δυναμικό. Η σταθεροποίηση των σωματιδίων διαφαίνεται από τη Συνεστιακή Μικροσκοπία Σάρωσης με ακτίνες Laser (Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM). Λόγω του δικτύου που σχηματίζουν τα νανο-σωματίδια, προσομοιάζουν σε συμπεριφορά με δομή υδρογέλης, σύμφωνα με τις ρεολογικές τους ιδιότητες. Η σταθερότητα όλων των δειγμάτων βελτιώθηκε με την αύξηση της συγκέντρωσης των νανο-σωματιδίων, παρουσιάζοντας μικρότερες τιμές στο μέγεθος των σωματιδίων και υψηλότερες τιμές Ζήτα Δυναμικού σε απόλυτη τιμή συγκριτικά με τα υπόλοιπα συστήματα. Συνοψίζοντας, αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος για τη δημιουργία γαλακτωμάτων τύπου Pickering για τρόφιμα, που δύναται να χρησιμοποιηθούν ως πιθανοί υποκαταστάτες λίπους.Στο τέταρτο μέρος της Διατριβής, παρουσιάζεται η μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης του φυσικού αμύλου (native starch) αραβόσιτου και των σωματιδίων ανθεκτικού αμύλου ως πληρωτικό μέσο (filler) στις ιδιότητες υφής υδρογελών αμύλου. Συγκεκριμένα, σε υδρογέλες φυσικού αμύλου με συγκέντρωση 8% w/v, 10% w/v, 12% w/v και 15% w/v μελετήθηκε η επίδραση της υποκατάστασης του φυσικού αμύλου με 2% και 10% ανθεκτικό άμυλο. Με την αύξηση της συγκέντρωσης του φυσικού αμύλου παρατηρήθηκαν οι μέγιστες τιμές σκληρότητας (Hardness), συνεκτικότητας (Cohesiveness) και κομμιώδους (Gumminess), ενώ η προσθήκη σωματιδίων ανθεκτικού αμύλου δεν επέδρασσε στις ιδιότητες υφής των συστημάτων, παρουσιάζοντας ομοιότητες στα ρεολογικά προφίλ και στις ιδιότητες της υφής. Η ικανότητα συγκράτησης νερού (Water Holding Capacity, WHC) αυξήθηκε με αύξηση της συγκέντρωσης του φυσικού αμύλου, χαρακτηριστικό το οποίο αποδίδεται στο πυκνότερο δίκτυο που σχημάτισαν οι υδρογέλες όπως απεικονίζεται από τις μικρογραφίες του SEM. Επιπροσθέτως, παρατηρήθηκε αύξηση της κρυσταλλικότηταςμε αύξηση της συγκέντρωσης του φυσικού αμύλου και του ανθεκτικού αμύλου (υψηλότερη υποκατάσταση). Οι υποκαταστάσεις με ανθεκτικό άμυλο φάνηκε πως δεν επηρεάζουν τις φυσικές ιδιότητες των υδρογελών, υποδεικνύοντας τον πιθανό ρόλο τους ως ανενεργά πληρωτικά μέσα (inactive fillers), προσδίδοντας όμως τα οφέλη του ανθεκτικού αμύλου που δύναται να επιδρά στη διατήρηση των φυσιολογικών επιπέδων γλυκόζης στο αίμα.