Ενθυλάκωση βιοδραστικών ενώσεων σε φυσικά πολυμερή με εφαρμογή καινοτόμων μεθόδων νανοεγκλεισμού
Authors: Παναγιωτοπούλου Μαργαρίτα 
Published: December 2023

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη της καινοτόμου ηλεκτρο-υδροδυναμικής διεργασίας για την ενθυλάκωση βιοδραστικών συστατικών. Τα συστατικά ενδιαφέροντος ήταν το δεοξυχολικό οξύ, ένα δευτερογενές χολικό οξύ και το εκχύλισμα από τα παραπροϊόντα υδροπονικής καλλιέργειας τομάτας ενώ τα προϊόντα ενθυλάκωσής τους αξιοποιήθηκαν και με την ενσωμάτωσή τους σε καλλυντικό προϊόν και φιλμ για συσκευασία τροφίμων, αντίστοιχα. Στην περίπτωση του εκχυλίσματος, φύλλα και βλαστοί από την υδροπονική καλλιέργεια τομάτας αποξηράθηκαν και εκχυλίστηκαν με διάφορες μεθόδους εκχύλισης και στόχο την παραλαβή και αξιολόγηση του βιοδραστικού περιεχομένους τους. Το πλουσιότερο περιεχόμενο σε βιοδραστικά συστατικά, είχαν τα φύλλα ενώ ο συνδυασμός της ανάδευσης για 72 ώρες με την επακόλουθη χρήση υπερήχων για την παραλαβή των εναπομεινάντων εγκλωβισμένων βιοδραστικών να ξεχωρίζει μεταξύ των μεθόδων εκχύλισης που μελετήθηκαν. Το εκχύλισμα αυτό των φύλλων, μελετήθηκε περαιτέρω με χρήση Υγρής Χρωματογραφίας Υψηλής Πίεσης για την ταυτοποίηση φλαβονοειδών (κυρίως ρουτίνη), καροτεινοειδών (κυρίως λουτεΐνη και β-καροτένιο)) και των αλκαλοειδών τοματίνη, τοματιδίνη, υποδεικνύοντας την αντιοξειδωτική και αντιμικροβιακή δράση του. Ακολούθησε λεπτομερής μελέτη της ηλεκτρο-υδροδυναμικής διεργασίας και ως προς τις δύο εκφάνσεις της, τον ηλεκτροστατικό ψεκασμό και την ηλεκτροστατική ινοποίηση. Αρχικά, εφαρμόστηκαν στη διάταξη διαλύματα διαφόρων πολυμερών (υδροξυ-προπυλο-β-κυκλοδεξτρίνη, πολυγαλακτικό οξύ, χιτοζάνη και ζεΐνη), μελετώντας διαφορετικούς συνδυασμούς λειτουργικών συνθηκών και συγκεντρώσεών τους και αξιολογήθηκε τόσο η ικανότητά τους να σχηματίσουν προϊόν αλλά και η μορφολογία του προϊόντος αυτού. Μεταξύ των πολυμερών αυτών, η ζεΐνη έδωσε τα πιο ενδιαφέροντα αποτελέσματα για την παρούσα μελέτη καθώς διαπιστώθηκε η ικανότητα σχηματισμού διακριτών σωματιδίων αλλά και ομοιόμορφων ινών με μεταβολή της συγκέντρωσής της και για αρκετούς συνδυασμούς συνθηκών. Ακολούθησαν πειράματα για την επιλογή της βέλτιστης αναλογίας διαλυτών αιθανόλης-νερού και συγκέντρωσης της πρωτεΐνης για την παραλαβή και των δύο διαμορφώσεων (σωματιδίων και ινών). Από τα μίγματα αιθανόλης/νερού, η αναλογία 90/10 (v/v) κρίθηκε η ιδανικότερη για τον ηλεκτροστατικό ψεκασμό και η αναλογία 80/20 (v/v) για την ινοποίηση με βάση χαρακτηριστικά των παραγόμενων διαλυμάτων (επιφανειακή τάση, ηλεκτρική αγωγιμότητα και ιξώδες). Στη συνέχεια με τους επιλεγμένους διαλύτες, εξετάστηκε η επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων της διεργασίας στην διάμετρο των δομών. Όπως παρατηρήθηκε, η αύξηση της ροής και της συγκέντρωσης οδηγεί σε δομές μεγαλύτερων διαμέτρων ενώ αντίθετα αύξηση της απόστασης και της εφαρμοζόμενης τάσης οδηγούν σε μείωση της διαμέτρου. Από τη συνδυαστική μελέτη των παραμέτρων αυτών επιλέχθηκαν οι συγκεντρώσεις 10 και 25% (w/v) για παραλαβή των βέλτιστων σωματιδίων και ινών, αντίστοιχα για τη ζεΐνη. Σε επόμενο βήμα, πραγματοποιήθηκε η ενθυλάκωση των βιοδραστικών συστατικών και έγινε αριστοποίηση της διεργασίας για την επίτευξη της μέγιστης απόδοσης εγκλεισμού με χρήση του σχεδιασμού κεντρικού σημείου. Για λόγους σύγκρισης, τα βιοδραστικά συστατικά ενθυλακώθηκαν και με εφαρμογή της κλασικής μεθόδου της ξήρανσης με ψεκασμό με την ίδια μήτρα ενθυλάκωσης. Για τη διεργασία αυτή, πραγματοποιήθηκε επίσης βελτιστοποίηση για την επίτευξη της μέγιστης δυνατής απόδοσης εγκλεισμού. Τις υψηλότερες τιμές απόδοσης εγκλεισμού έδωσε ο ηλεκτροστατικός ψεκασμός, ακολουθούμενος από την ηλεκτροστατική ινοποίηση, την ξήρανση με ψεκασμό για το δεοξυχολικό οξύ και τέλος για το εκχύλισμα. Συνολικά οι αποδόσεις εγκλεισμού κυμάνθηκαν μεταξύ 79 έως 93% για το σύνολο των δειγμάτων. Τα προϊόντα των διεργασιών εγκλεισμού αξιολογήθηκαν, στη συνέχεια, ως προς τη δομή-μορφολογία τους με τις νανοΐνες του ενθυλακωμένου εκχυλίσματος να εμφανίζουν την μικρότερη διάμετρο (0,32 ± 0,083 μm) ακολουθούμενες από τα νανοσωματίδια του δεοξυχολικού οξέος (0,37 ± 0,09 μm) ενώ η ξήρανση με ψεκασμό έδωσε δομές μεταξύ 7,5-8,5 μm. Επιπλέον, μέσω της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης παρατηρήθηκε η σταθερότητα του σημείου υαλώδους μετάπτωσης των νανοσωματιδίων και νανοϊνων που κυμάνθηκε στους 129-145 ℃ ανεξάρτητα από την παραμονή των δειγμάτων σε διαφορετικές συνθήκες υγρασίας (aw=0,11-0,95) και θερμοκρασίας (25 και 45 ℃). Αντίθετα οι δομές της ξήρανσης με ψεκασμό φάνηκαν πιο επιρρεπείς στην προσρόφηση υγρασίας. Για τα δείγματα αυτά εφαρμόστηκαν ευρέως χρησιμοποιούμενα μοντέλα που περιγράφουν τις ισόθερμες ρόφησης (GAB, BET, Oswin, Halsey) και αποδείχθηκε ότι η GAB είχε την καλύτερη προσαρμογή στα δεδομένα τόσο για τα δείγματα που αποθηκεύτηκαν στους 25 όσο και στους 45 ℃. Η μελέτη των δομών με χρήση της φασματομετρίας με μετασχηματισμό Fourier έδειξε ότι οι χαρακτηριστικές κορυφές της μήτρας παρέμειναν αμετάβλητες από τη διεργασία ενθυλάκωσης ενώ για το σύνολο των προϊόντων εντοπίστηκαν χαρακτηριστικές κορυφές των συστατικών, επιβεβαιώνοντας τον επιτυχή εγκλεισμό τους. Ακολούθως, μελετήθηκε η απελευθέρωση των συστατικών σε περιβάλλον διαλύτη αλλά και κατά την αποθήκευση σε θαλάμους διαφορετικής σχετικής υγρασίας. Όσον αφορά στην απελευθέρωση σε περιβάλλον διαλύτη, αυτή παρατηρήθηκε σημαντικά ταχύτερη για τα προϊόντα ενθυλάκωσης μέσω της ξήρανσης με ψεκασμό. Μεταξύ, δε, των δύο προϊόντων της ηλεκτρο-υδροδυναμικής διεργασίας, τα νανοσωματίδια επέδειξαν ελαφρώς ταχύτερη απελευθέρωση της ουσίας σε σχέση με τις νανοΐνες. Όσον αφορά στην απελευθέρωση από του θαλάμους διαφορετικών ενεργοτήτων νερού, αυτή αποδείχθηκε για όλα τα δείγματα βραδύτερη σε σχέση με την απελευθέρωση από περιβάλλον διαλύτη. Επιπλέον ο ρυθμός απελευθέρωσης ήταν μεγαλύτερος για τα εγκλεισμένα βιοδραστικά μέσω της ξήρανσης με ψεκασμό ακολουθούμενος από αυτόν των νανοσωματιδίων και τέλος των νανοϊνών, δηλαδή συμπεριφορά ανάλογη της απελευθέρωσης και στο περιβάλλον διαλύτη. Επιπλέον παρατηρήθηκε εγκλωβισμός των βιοδραστικών στο εσωτερικό της μήτρας και αδυναμία απελευθέρωσης λόγω κατάρρευσης της δομής σε περιβάλλον σχετικής υγρασίας 75-95% για τα προϊόντα της ξήρανσης με ψεκασμό. Στη συνέχεια, τα προϊόντα ενθυλάκωσης μέσω της ηλεκτρο-υδροδυναμικής διεργασίας αξιοποιήθηκαν για την παραγωγή καταναλωτικών προϊόντων. Πιο συγκεκριμένα, ενθυλακωμένο δεοξυχολικό οξύ από τον ηλεκτροστατικό ψεκασμό ενσωματώθηκε σε γαλάκτωμα τύπου O/W για την παρασκευή καλλυντικής κρέμας. Το σκεύασμα μελετήθηκε ως προς την εμφάνιση, το χρώμα, το pH, την μικροβιολογική του σταθερότητα και τα ρεολογικά του χαρακτηριστικά κατά την αποθήκευσή του στους 5, 25, 37 και 45 ℃ για τρεις μήνες συγκριτικά με την ίδια κρέμα χωρίς την ενσωμάτωση του εγκλεισμένου βιοδραστικού. Όπως φάνηκε, η προσθήκη του συστατικού δεν αλλοίωσε τα χαρακτηριστικά της κρέμας, διατηρήθηκε η μικροβιολογική της σταθερότητας, παρατηρήθηκαν μικρές μεταβολές στο χρώμα ενώ το pΗ κυμάνθηκε μεταξύ του 4,45-5 για όλα τα δείγματα. Όσο αφορά στα ρεολογικά του χαρακτηριστικά, το σύνθετο ιξώδες μεταβλήθηκε ελάχιστα σε σχέση με αυτό της απλής κρέμας βάσης ενώ μετρήθηκαν και ικανοποιητικές τιμές του σε βάθος χρόνου στις διαφορετικές συνθήκες αποθήκευσης (|η*|≥ 1,24 MPa·s για ω=0,1 1/s σε t=90d στους 45 ℃). Όσο για τους συντελεστές αποθήκευσης (G’) και απώλειας (G’’), ίσχυσε η σχέση G’> G’’ για όλο το εύρος γωνιακών συχνοτήτων που μετρήθηκαν υποδεικνύοντας την ύπαρξη σταθερού σκευάσματος. Όσον αφορά στο ενθυλακωμένο εκχύλισμα φύλλων τομάτας σε μορφή μεμβράνης, αυτό χρησιμοποιήθηκε ως επικάλυψη σε φιλμ λεπτού υμενίου (διαξονικά προσανατολισμένο φιλμ πολυπροπυλενίου) προς το σχηματισμό ενός διστρωματικού φιλμ συσκευασίας. Τα δύο στρώματα σταθεροποιήθηκαν μεταξύ τους μέσω χημικής και ήπιας θερμικής κατεργασίας. Το τελικό φιλμ αξιολογήθηκε ως προς τη μορφολογία των ινών που εμφανίστηκαν πεπλατυσμένες λόγω της κατεργασίας που υπέστησαν, χωρίς ωστόσο να παρατηρηθεί κατάρρευση της δομής τους και με την παρατήρηση, μικρής μόνο απώλειας ενθυλακωμένου εκχυλίσματος (≈4,6%). Το παραγόμενο φιλμ χρησιμοποιήθηκε για την συσκευασία τομάτων σε σχέση με απλό φιλμ πολυπροπυλενίου. Τα δείγματα αποθηκεύτηκαν στους 5, σε θερμοκρασία δωματίου και στους 45 ℃ και διενεργούταν καθημερινή δειγματοληψία και μέτρηση χρώματος, απώλειας βάρους, pH, ολικού βακτηριακού φορτίου- ζυμών/μούχλας καθώς και οργανοληπτικός έλεγχος. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι καρποί που συσκευάστηκαν με το διστρωματικό φιλμ ανέπτυξαν βραδύτερα μικροβιακό φορτίο, οδηγώντας σε παράταση του χρόνου ζωής κατά 1-3 ημέρες. Τέλος παρατέθηκε μελέτη αξιολόγησης του κύκλου ζωής (ΑΚΖ) για το καλλυντικό σκεύασμα και το φιλμ συσκευασίας με ενθυλακωμένα βιοδραστικά συστατικά ως προς το περιβαλλοντικό αποτύπωμα των διεργασιών που απαιτήθηκαν σε σχέση με την παραγωγή συμβατικών υλικών. Αναφορικά με την καλλυντική κρέμα η ΑΚΖ εστιάστηκε στην παραγωγή της κρέμας και την ενθυλάκωση με τη μελέτη να δείχνει την αύξηση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος με την προσθήκη του εγκλεισμένου βιοδραστικού συστατικού. Αντίστοιχα για το κόστος παραγωγής, εκτιμήθηκε μία αύξηση κατά 0,045 €/καλλυντικό σκεύασμα για την κρέμα με το βιοδραστικό συστατικό ενώ η εκτίμηση κόστους παραγωγής για μια απλή κρέμας βάση ήταν στα 0,20 €/καλλυντικό σκεύασμα. Ωστόσο, στη μελέτη αυτή δεν έχουν συμπεριληφθεί δεδομένα αποτελεσματικότητας από τη χρήση της ουσίας. Όσον αφορά στο φιλμ συσκευασίας, συγκρίθηκε το περιβαλλοντικό αποτύπωμα της ενεργής συσκευασίας με αυτό του συμβατικού φιλμ λεπτού υμενίου για όλα τα στάδια από την συγκομιδή των φύλλων μέχρι και το αποτέλεσμα χρήσης τους. Η λειτουργική μεμβράνη επέδειξε καλύτερες περιβαλλοντικές επιδόσεις σε όλα τα στάδια της εφοδιαστικής αλυσίδας με εξαίρεση το στάδιο παραγωγής του σε σχέση με το απλό φιλμ, επιβάρυνση που αντισταθμίζεται από τα οφέλη της αξιοποίησης παραπροϊόντων του αγρού προς τη δημιουργία υλικών προστιθέμενης αξίας αλλά και της παράτασης του χρόνου ζωής του συσκευασμένου προϊόντος. Ως προς την οικονομική εκτίμηση, το κόστος παραγωγής του διστρωματικού φιλμ υπολογίστηκε να αυξηθεί κατά 0,36 €/kg φιλμ.