Απομόνωση και φυσικοχημικός χαρακτηρισμός βιοπολυμερών από φυτικές μήτρες
Creators: name: Παύλου, Αλέξανδρος Ε.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Βιοπολυμερή
Υδροκολλοειδή
Φυτικές μήτρες
Φυσικοχημικός χαρακτηρισμός
Biopolymers
Hydrocolloids
Plant matrices
Physicochemical characterization

description: Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε μελέτη βιοπολυμερών προερχόμενων από μήτρες σταφυλιού και ελιάς. Κύρια πηγή των φυτικών μητρών αποτέλεσαν τα στερεά υπολείμματα οινοποιείων και ελαιουργείων. Για την απομόνωση των βιοπολυμερών εφαρμόστηκε πρωτόκολλο εκχύλισης από υδατικά ρυθμιστικά διαλύματα, σε διάφορες τιμές pH και θερμοκρασίας. Στη συνέχεια τα εκχυλίσματα χαρακτηρίστηκαν με διάφορες φυσικοχημικές μεθόδους και τα αποτελέσματα έδειξαν πως τα υπό μελέτη υλικά είναι υδροκολλοειδή, αρνητικά φορτισμένα και πλούσια σε πολυσακχαρίτες μεγάλου μοριακού βάρους, ενώ περιέχονται σε αυτά και πρωτεΐνες, σε ποσοστό περίπου 10 και 7 %, αντίστοιχα. Επίσης, πρόκειται για κυρίως άμορφα υλικά, με μικρό βαθμό κρυσταλλικότητας. Η μελέτη του εσωτερικού τους ιξώδους κατέδειξε ότι οι αλυσίδες των μακρομορίων τους έχουν συμπαγή ή τυχαία διαμόρφωση, καθώς και ότι δεν καταλαμβάνουν μεγάλο όγκο διαλύματος. Οι μετρήσεις διατμητικού ιξώδους σε υδατικά διαλύματά τους 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 ως γαλακτωματοποιητές, τα εκχυλίσματα 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 μπορούν να προσδώσουν μεγάλη σταθερότητα σε σχέση με το χρόνο, στα παρασκευασμένα γαλακτώματα. Η ικανότητα σταθεροποίησης που επιδεικνύουν 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. Η μελέτη των συγκεκριμένων γαλακτωμάτων έδειξε ότι τα υδροκολλοειδή μπορούν να δράσουν σε αυτά ως τροποποιητές υφής, προκαλώντας κροκίδωση διά εκκένωσης. Ακολούθησε κλασμάτωση των υδροκολλοειδών υπολειμμάτων οινοποιείων στα επί μέρους συστατικά τους, διά της μεθόδου παρασκευαστικής χρωματογραφίας αποκλεισμού μεγεθών. Τα αποτελέσματα του φυσικοχημικού χαρακτηρισμού των επί μέρους κλασμάτων ήρθαν σε συμφωνία με τον αρχικό χαρακτηρισμό και κατέδειξαν ότι τα συγκεκριμένα υλικά 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 κατέδειξε 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. Έπειτα, τα εκχυλίσματα των υπολειμμάτων οινοποιείων προστέθηκαν ως σταθεροποιητές, σε πραγματικά προϊόντα τύπου γιαούρτης, μόνα τους ή σε συνδυασμό με ζελατίνη και τα αποτελέσματα του φυσικοχημικού και οργανοληπτικού ελέγχου των σκευασμάτων γιαούρτης έδειξαν ότι τα απομονωμένα φυτικά εκχυλίσματα μπορούν να βρουν εφαρμογή στη γαλακτοβιομηχανία σαν σταθεροποιητές, υποκαθιστώντας μερικώς το ζωικής προέλευσης υδροκολλοειδές. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μελέτη για την ολοκληρωμένη αξιοποίηση των στερεών υπολειμμάτων οινοποιίας πραγματοποιώντας πειράματα πυρόλυσης επάνω στα μη-εκχυλίσιμα στερεά και ακολούθησε φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των προϊόντων αυτής, δηλαδή του βιοάνθρακα, του βιοαερίου και του βιοελαίου, τα αποτελέσματα του οποίου έδειξαν ότι η ενσωμάτωση σε ένα οινοποιείο μίας μονάδας, για την ανακατεργασία των στερεών υπολειμμάτων της θα μπορούσε δυνητικά να προσφέρει τόσο περιβαλλοντικά, όσο και οικονομικά οφέλη στον ιδιοκτήτη του.
description: In this thesis a study of biopolymers derived from grape and olive plant matrices was carried out. The main source of these matrices was the solid wastes of wineries and olive-oil mills. An extraction protocol was applied in order to isolate the biopolymers using aqueous buffers at various pH and temperature values. Subsequently, the extracts were characterized via various physicochemical methods and the results showed that the studied materials are hydrocolloids, comprised mainly of negatively charged, high molecular weight polysaccharides, and smaller protein molecules (in a small proportion of about 10 and 7 %, respectively). Also, they are mainly amorphous materials, with a low degree of crystallinity. Intrinsic viscosity measurements showed that the macromolecule chains of the extracts are compact or randomized and they do not occupy a large volume of solution. Shear viscosity measurements in hydrocolloids’ aqueous solutions exhibited that they can induce shear-thinning behavior, although with a relatively limited effect on the induced viscosity. In order to assess their capacity to being used as emulsifiers, the extracts were added as emulsifying agents to prepare O/W emulsions. The study of these emulsions showed that the extracts are not good emulsifiers, but they provide a high stability over time due to the formation of an interfacial layer of suitable thickness, which offers effective protection against coalescence (Pickering stabilization). Model O/W emulsions were then prepared by using a small surfactant as an emulsifying agent, followed by the addition of the extracts. The study of these emulsions showed that the extracts can act on model emulsions as texture modifiers, causing depletion flocculation. Furthermore, the hydrocolloids extracted from winery wastes were fractionated via a preparative size exclusion chromatographic approach, in order to obtain their individual components and the results of the physicochemical characterization performed on these components were in agreement with the initial characterization and showed that the hydrocolloids of winery wastes consist of a high molecular weight polysaccharidic population, a smaller one comprising of non-aromatic proteins and an even lower molecular weight molecular population which includes proteins with aromatic amino acids. Plus, there is a number of very small molecules including aromatic compounds (e.g. phenols and oligopeptides). Moreover, the systematic study of the individual fractions showed that the emulsification and stabilization model, followed by the complex plant extract, is based on the negative synergistic effect of the various components constituting it. Subsequently, the winery wastes extracts were tested in real yoghurt-type products in substitution of animal-derived texture modifiers. The results of the physicochemical and sensory assessment of the yoghurt-type products showed that the extracts could partially replace gelatin. Finally, a study was carried out as to assess a novel integrated biorefinery for the valorization of winery solid wastes. Pyrolysis experiments were carried out on the non-extractable solid wastes and the results of the physicochemical characterization performed on the pyrolytic products (biochar, biogas and biooil) exhibited that the integration of this biorefinery in wineries could potentially offer both environmental and economic benefits to the winery sector via exploiting low added value materials.