Εφαρμογή των υπερήχων στην απόσταξη ελαίου ρίγανης
Creators: name: Βελόπουλος, Ιωάννης Ιορδάνη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Ρίγανη
Απόσταξη
Υπέρηχοι
Oregano
Distillation
Ultrasound

description: Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής ήταν η βελτιστοποίηση της απόσταξης του φυτού της ελληνικής ρίγανης, με χρήση της τεχνικής των υπερήχων. Παράλληλα, εκτιμήθηκε η κατανάλωση ενέργειας κατά την κλασική απόσταξη, απόσταξη με προκατεργασία υπερήχων και απόσταξη με ταυτόχρονη δράση υπερήχων. Έπειτα, μελετήθηκε η κινητική της απόσταξης του αιθέριου ελαίου, έγινε ο χαρακτηρισμός της χημικής σύστασης και εκτιμήθηκε η αντιοξειδωτική ικανότητα των ελαίων που παραλήφθηκαν κατά τις βέλτιστες συνθήκες κατεργασίας, των παραπάνω μεθόδων απόσταξης. Επιπλέον, έγινε προσδιορισμός του αριθμού υπεροξειδίων των αιθέριων ελαίων που παραλήφθηκαν με τις παραπάνω μεθόδους, ενώ προσδιορίστηκε και το ολικό φαινολικό τους περιεχόμενο. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μελέτη και σύγκριση του ολικού φαινολικού περιεχομένου του στερεού υπολείμματος της ρίγανης, μετά το πέρας της κάθε μεθόδου απόσταξης. Για τη βελτιστοποίηση της απόσταξης του αιθέριου έλαιου της ρίγανης, πραγματοποιήθηκαν συνολικά 20 πειράματα απόσταξης με προκατεργασία υπερήχων, 13 πειράματα απόσταξης με ταυτόχρονη δράση υπερήχων και 3 πειράματα κλασικής υδροαπόσταξης. Οι παράμετροι που μελετήθηκαν ήταν η ένταση παλμών (A, %), η διάρκεια παλμών/μεσοδιάστημα μεταξύ αυτών (on/off, s/s) και ο χρόνος κατεργασίας των υπερήχων (t, min). Για την απόσταξη με προκατεργασία υπερήχων, οι βέλτιστες συνθήκες βρέθηκαν ως 90% της ονομαστικής ισχύος για την ένταση παλμών, 0,75 η αναλογία της διάρκειας παλμών και του διαστήματος μεταξύ αυτών, που αντιστοιχεί σε 3 s on και 4 s off λειτουργίας των παλμών, και 58 min ο χρόνος κατεργασίας. Παράλληλα, για την απόσταξη με ταυτόχρονη δράση υπερήχων, οι βέλτιστες συνθήκες βρέθηκαν ως 58% της ονομαστικής ισχύος για την ένταση παλμών και 0,75 για τη διάρκεια παλμών. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, οι πειραματικές τιμές της απόδοσης για την απόσταξη με προκατεργασία υπερήχων και ταυτόχρονη δράση υπερήχων ήταν 3,61 και 3,88%, αντίστοιχα, ενώ η απόδοση του ελαίου με κλασική υδροαπόσταξη βρέθηκε 3,33%. Επιπλέον, η κατανάλωση ενέργειας υπολογίστηκε στα 10,134 και 26,257 kJ/g, αντίστοιχα, για την απόσταξη με προκατεργασία υπερήχων και ταυτόχρονη δράση υπερήχων, ενώ για την κλασική απόσταξη βρέθηκε 0,134 kJ/g. Σύμφωνα με αυτά, η χρήση των υπερήχων κατά την απόσταξη μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση σε έλαιο, παρά την αύξηση της καταναλώσιμης ενέργειας, καθώς και να επιταχύνει τον χρόνο παραλαβής του. Επιπλέον, μελετήθηκαν δύο μαθηματικά μοντέλα για την κινητική της απόσταξης με υπερήχους, το κινητικό μοντέλο πρώτης τάξης και το κινητικό μοντέλο Peleg. Το μοντέλο πρώτης τάξης βρέθηκε να έχει ελάχιστα καλύτερη προσαρμογή στα πειραματικά δεδομένα τόσο στην περίπτωση της απόσταξης με προκατεργασία υπερήχων, όσο και στην περίπτωση της απόσταξης με ταυτόχρονη δράση υπερήχων. Ο χαρακτηρισμός της χημικής σύστασης του ελαίου που παραλήφθηκε κατά τις βέλτιστες συνθήκες κατεργασίας των παραπάνω μεθόδων έδειξε ότι οι κύριες ενώσεις του ελαίου ήταν η καρβακρόλη (75,26 – 78,11%), η θυμόλη (5,08 – 7%), το π-κύμενιο (6,65 – 7,21%) και το γ-τερπινένιο (3,3 – 3,43%), ενώ δεν παρουσιάστηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές σε επίπεδο σημαντικότητας α = 0,05 (p &gt; 0,05). Το ίδιο ισχύει και για την αντιοξειδωτική ικανότητα των ελαίων της κλασικής απόσταξης, της απόσταξης με προκατεργασία υπερήχων και της απόσταξης με ταυτόχρονη δράση υπερήχων με τιμές 92,09, 95,24 και 91,23%, αντίστοιχα. Κατά τον προσδιορισμό των ολικών φαινολικών για την κλασική απόσταξη, απόσταξη με προκατεργασία υπερήχων και απόσταξη με ταυτόχρονη δράση υπερήχων βρέθηκαν οι τιμές 5,22, 23,20 και 12,40 mg GAE/g ελαίου, αντίστοιχα. Παρ’ όλα αυτά, η τιμή των υπεροξειδίων αυξήθηκε ελαφρά από 4,23 meq O2/kg ελαίου για την κλασική απόσταξη σε 4,89 και 5,08 meq O2/kg ελαίου για απόσταξη με προκατεργασία και ταυτόχρονη χρήση υπερήχων, αντίστοιχα. Σύμφωνα με τα παραπάνω, η χρήση των υπερήχων δεν επιδρά αρνητικά στο προφίλ του ελαίου. Για την εκτίμηση της συγκέντρωσης ολικών φαινολικών στο στερεό υπόλειμμα της ρίγανης, έπειτα από κάθε μέθοδο απόσταξης, χρησιμοποιήθηκαν δύο μέθοδοι εκχύλισης (εκχύλιση με υπερήχους και εκχύλιση με ανάδευση) και διαφορετικοί διαλύτες (νερό, υδατικά διαλύματα αιθανόλης και μεθανόλης). Σε γενικές γραμμές, η εκχύλιση με ανάδευση, έδωσε υψηλότερες τιμές απόδοσης (10,86 – 31,18 mg GAE/g) από ότι η εκχύλιση με υπερήχους (8,37 – 23,05 mg GAE/g). Ο διαλύτης που παρουσίασε τη μεγαλύτερη απόδοση σε όλες τις περιπτώσεις ήταν η αιθανόλη 50%. Τέλος, βρέθηκε ότι μεγαλύτερη απόδοση σε ολικά φαινολικά συστατικά έχει το υπόλειμμα της κλασικής απόσταξης, ακολουθούμενο από το υπόλειμμα της απόσταξης με προκατεργασία υπερήχων και τέλος το υπόλειμμα της απόσταξης με ταυτόχρονη δράση υπερήχων.
description: The objective of this master thesis was the optimization of the distillation of Greek oregano using the ultrasound technique. Meanwhile, the energy consumption of conventional hydrodistillation, hydrodistillation with ultrasonic pretreatment, and hydrodistillation with simultaneous ultrasonic application was evaluated. Moreover, the distillation kinetics was studied, concurrently with the chemical composition and antioxidant capacity of the essential oil which was obtained according to the optimum conditions of the above distillation methods. Furthermore, the peroxide value and the total phenolic content of the essential oils were evaluated. Finally, total phenolic content of the solid residue was examined for all the distillation methods. The following experiments were conducted for the distillation of Greek oregano: 20 hydrodistillations with ultrasonic pretreatment, 13 hydrodistillations with simultaneous ultrasonic application and 3 conventional hydrodistillations. The studied parameters were amplitude level (A, %), ratio of pulse duration/interval between pulses (on/off, s/s) and sonication time (t, min). The optimum operating conditions of hydrodistillation with ultrasonic pretreatment were found to be: A = 90%, on/off = 3/4 and t = 58 min. Meanwhile, the optimum operating conditions of hydrodistillation with simultaneous ultrasonic application were found to be: A = 58% and on/off = 3/4. Under these conditions, the distillation efficiencies were 3,61 and 3,88% respectively, which are higher than the value of the conventional hydrodistillation (3,33%). Moreover, the energy consumption of conventional hydrodistillation, hydrodistillation with ultrasonic pretreatment and hydrodistillation with simultaneous ultrasonic application were found to be 0,134, 10,134 and 26,257 kJ/g. According to the above results, the use of ultrasound as a pretreatment or during the hydrodistillation can increase the yield of essential oil and speed up the extraction process, even though the higher consuming energy. Furthermore, two mathematical approaches were selected for the kinetic modelling of distillation, namely, the first order kinetic model and the Peleg’s model. The first order model was found to be slightly better for the description of the distillation yield data for both distillation methods. The chemical composition of the essential oil, which was obtained according to the optimum operating conditions of the different distillation methods, showed that carvacrol (75,26 – 78,11%), thymol (5,08 – 7%), p – cymene (6,65 – 7,21%) and γ- terpinene (3,3 – 3,43%) were the main compounds, while there were no statistically significant differences in significance level of 0,05 (p &gt; 0,05). The same applies to the antioxidant capacity of the oils with values of 92.09% 95.24 and 91.23%, respectively. During the determination of total phenolic content for conventional distillation, distillation with ultrasonic pretreatment and simultaneous ultrasonic distillation, the obtained values were 5,22, 23,20 and 12,40 mg GAE/g oil, respectively. Nevertheless, the value of peroxides increased from 4.23 meq O2 /kg oil for the conventional distillation to 4.89 and 5.08 meq O2/kg oil for distillation with ultrasonic pretreatment and distillation with simultaneous ultrasonic action, respectively. According to the above, the use of ultrasounds does not have a negative effect on the chemical profile of the essential oil. To assess the concentration of total phenolic content in the oregano solid residue after each distillation method, two extraction methods (ultrasound – assisted extraction and conventional extraction with agitation) and different solvents (water, aqueous ethanol and methanol) were used. Generally, conventional extraction with agitation gave higher yield values (10,86 – 31,18 mg GAE/g) than ultrasound – assisted extraction (8,37 – 23,05 mg GAE/g). The solvent that showed the highest yield in all cases was 50% ethanol. Finally, solid residue of conventional hydrodistillation was found to achieve the highest yield of total phenolic content in comparison with solid residue of hydrodistillation with ultrasound pretreatment and hydrodistillation with simultaneous ultrasonic application.