Αξιοποίηση υπολειμμάτων καφέ εσπρέσο για την ανάκτηση συστατικών με βιολογική δράση
Creators: name: Μήτρακα, Γεωργία-Χριστίνα Μανασσή
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: Υπολείμματα καφέ εσπρέσο
Επιταχυνόμενη εκχύλιση υπό πίεση υγρού διαλύτη
Κυκλική Οικονομία
Spent coffee grounds
Accelerated Solvent Extraction (ASE)
Circular Economy

description: ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ο καφές αποτελεί ένα από τα δημοφιλέστερα ροφήματα παγκοσμίως. Κατά την παραγωγή, την μετασυλλεκτική επεξεργασία, το καβούρδισμα και την κατανάλωσή του, δημιουργούνται τεράστιες ποσότητες παραπροϊόντων. Τα παραπροϊόντα αυτά, είναι εξαιρετικές πηγές ενώσεων με βιολογική δράση και η αξιοποίησή τους μπορεί να είναι μία πολύ καλή επιχειρηματική ευκαιρία για παραγωγή προϊόντων μεγάλης ζήτησης και υψηλής προστιθέμενης αξίας, η οποία μπορεί να αναγνωριστεί ως μία προσέγγιση που εμπεριέχεται στην γενική ιδέα της κυκλικής οικονομίας. Συγκεκριμένα, τα υπολείμματα του καφέ (SCGs-Spent Coffee Grounds), αποτελούν το κύριο παραπροϊόν της κατανάλωσής του και είναι πλούσια σε φαινολικές ενώσεις, πολυσακχαρίτες και μεταλλικά στοιχεία. Η σύνθεση αυτή προσθέτει στα SCGs υψηλή τεχνολογική αξία, καθώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάκτηση ουσιών, οι οποίες είναι δυνατόν να έχουν εφαρμογή στη βιομηχανία τροφίμων, αλλά και σε προϊόντα της βιομηχανίας καλλυντικών και φαρμάκων. Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία, πραγματοποιήθηκε η εκχύλιση δύο τύπων υπολειμμάτων καφέ από ποικιλίες Arabica και Robusta: (i) 100% Arabica και (ii) μίγμα Arabica:Robusta τεσσάρων αναλογιών (80:20%, 70:30%, 60:40% και 15:85%). Στο πλαίσιο των προκαταρκτικών πειραμάτων, εφαρμόστηκαν τρεις τεχνικές για την εκχύλιση των υπολειμμάτων καφέ και συγκεκριμένα, η εκχύλιση Soxhlet, η υποβοηθούμενη εκχύλιση με υπερήχους (UAE-Ultrasound Assisted Extraction) και η επιταχυνόμενη εκχύλιση υπό πίεση υγρού διαλύτη (ASE-Accelerated Solvent Extraction). Και με τις τρεις τεχνικές διεξάχθηκαν τρία πειράματα με τρεις διαφορετικούς διαλύτες. Οι διαλύτες που χρησιμοποιήθηκαν ήταν το εξάνιο, η αιθανόλη και το μίγμα αιθανόλης:νερού σε αναλογία 50:50 v/v. Το συμπέρασμα που προέκυψε κατά την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων ήταν ότι η εκχύλιση με διάταξη ASE χρησιμοποιώντας το μίγμα αιθανόλης:νερού για διαλύτη, επέφερε τα καλύτερα αποτελέσματα ως προς την απόδοση συγκριτικά με άλλες τεχνικές εκχύλισης. Για τον πειραματικό σχεδιασμό που πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιήθηκε η διάταξη ASE, με το ποσοστό της αιθανόλης στο υδαταλκοολικό μίγμα να αποτελεί έναν από τους κύριους παράγοντες προς μελέτη, μαζί με το χρόνο και τη θερμοκρασία. Η μεθοδολογία του πειραματικού σχεδιασμού χρησιμοποιήθηκε προκειμένου να βελτιστοποιηθούν οι παράμετροι εκχύλισης με την τεχνική αυτή και να εξεταστούν οι επιδράσεις των κύριων παραγόντων εκχύλισης καθώς επίσης και οι τυχόν αλληλεπιδράσεις τους στις αποκρίσεις. Επιπλέον, ακολουθώντας την Μεθοδολογία των Επιφανειών Απόκρισης ορίστηκαν τα κριτήρια με σκοπό να βρεθεί η βέλτιστη περιοχή του πειραματικού χώρου, όπου πληρούνται ταυτόχρονα όλοι οι στόχοι των επιμέρους αποκρίσεων (βελτιστοποίηση). Για όλες τις αποκρίσεις το επιθυμητό ήταν η μεγιστοποίηση, κατά το δυνατόν, της τιμής τους. Επιπλέον, σκοπός της βελτιστοποίησης ήταν να αναπτυχθεί μία βιώσιμη μέθοδος εκχύλισης, με υψηλές αποδόσεις, η οποία είναι φιλική προς το περιβάλλον και αποσκοπεί στην επίτευξη ενός βέλτιστου αποτελέσματος με το χαμηλότερο δυνατό κόστος και περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Οι αποκρίσεις που ορίστηκαν ήταν η απόδοση της εκχύλισης (% yield), η συγκέντρωση ολικών φαινολικών ενώσεων στο εκχύλισμα (ΤPC-Total Phenolic Content), η αντιοξειδωτική δράση (DPPH) και η συγκέντρωση δύο βιοδραστικών συστατικών, της καφεΐνης και του χλωρογενικού οξέος (CGA), τα οποία μπορούν να ανακτηθούν από τα εκχυλίσματα των υπολειμμάτων του καφέ. Για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης ολικών φαινολικών ενώσεων (ΤPC-Total Phenolic Content) στα εκχυλίσματα χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Folin-Ciocalteau. Η ποσοτικοποίηση αυτών των ενώσεων πραγματοποιήθηκε μέσω της πρότυπης καμπύλης βαθμονόμησης γαλλικού οξέος και η συγκέντρωσή τους εκφράστηκε σε mg ισοδύναμου γαλλικού οξέος (GAE-Gallic Acid Equivalents)/L. Αντίστοιχα, η αντιοξειδωτική δράση προσδιορίστηκε μέσω δέσμευσης της ρίζας DPPH˙ και εκφράστηκε σε μmol ισοδύναμου Trolox (Trolox Equivalents)/mL βάσει της καμπύλης βαθονόμησης δειγμάτων Τrolοx γνωστής συγκέντρωσης. Επιπλέον, ο ποιοτικός προσδιορισμός της καφεΐνης και του χλωρογενικού οξέος πραγματοποιήθηκε με Υγρή Χρωματογραφία Υπερυψηλής Απόδοσης (UHPLC) με ανιχνευτή παράταξης φωτοδιόδων PDA. Όπως και στις άλλες δύο περιπτώσεις, η ποσοτικοποίηση των ενώσεων έγινε με τη βοήθεια πρότυπων καμπυλών βαθμονόμησης. Κατά τη διαδικασία της βελτιστοποίησης, εντός του βέλτιστου πειραματικού χώρου όπου ικανοποιούνται όλα τα κριτήρια των αποκρίσεων που τέθηκαν, επιλέχθηκε ένας οικονομικά βιώσιμος συνδυασμός συνθηκών που αντιστοιχούσε σε μικρό χρόνο λειτουργίας και χαμηλές περιεκτικότητες αιθανόλης. Συγκεκριμένα, επιλέχθηκε χρόνο εκχύλισης ίσος με 7 λεπτά, θερμοκρασία 75οC και ποσοστό EtOH 5%. Στη συνέχεια, στις βέλτιστες αυτές συνθήκες πραγματοποιήθηκε ένα πείραμα επιβεβαίωσης, προκειμένου να επαληθευτεί η αποτελεσματικότητα του μοντέλου ως προς την ακρίβεια της διαδικασίας βελτιστοποίησης των αποκρίσεων. Οι τιμές που προέκυψαν ήταν 6,69% για την απόδοση της εκχύλισης, 170,77 mg GAE/L για τη συγκέντρωση ολικών φαινολικών ενώσεων, 0,805 μmol Trolox/mL για την αντιοξειδωτική δράση, ενώ η συγκέντρωση καφεΐνης και χλωρογενικού οξέος ήταν 28,72 ppm και 16,72 ppm αντίστοιχα. Ο υψηλός βαθμός σύγκλισης αυτών των τιμών με τις προβλεπόμενες, επιβεβαίωσε την ορθότητα του μαθηματικού μοντέλου και την ικανότητά του να προβλέπει με υψηλή ακρίβεια τις τιμές των αποκρίσεων για δεδομένες τιμές παραγόντων. Τέλος, στις βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης με ASE πραγματοποιήθηκε και μία σειρά πειραμάτων χρησιμοποιώντας τέσσερεις τύπους υπολειμματικού καφέ διαφορετικής περιεκτικότητας σε ποικιλία Robusta. Σκοπός αυτής της διαδικασίας, ήταν η μελέτη της επίδρασης της παρουσίας της ποικιλίας αυτής στη συγκέντρωση ολικών φαινολικών ενώσεων, στην αντιοξειδωτική δράση καθώς και στη συγκέντρωση καφεΐνης και χλωρογενικού οξέος.
description: Coffee is one of the most popular beverages in the world. During its production, post-harvestin, roasting and consumption, huge amounts of by-products are created. These by-products are excellent sources of organic compounds and their utilization can be a great business opportunity to produce high-demand and high-value-added products, which can be recognized as an approach to the general idea of a circular economy. In particular, coffee residues (also called as spent coffee grounds-SCGs) are the main by-product of its consumption and are rich in phenolic compounds, polysaccharides and minerals. This composition adds high technological value to SCGs, as they can be used to recover substances that may be used in the food industry, but also in cosmetics and pharmaceuticals. In the present postgraduate dissertation, two types of spent coffee grounds were extracted from Arabica and Robusta varieties: (i) 100% Arabica and (ii) a mixture of Arabica: Robusta of four proportions (80: 20%, 70: 30%, 60: 40% and 15: 85%). As part of the preliminary experiments, three techniques were applied to extract SCGs, namely Soxhlet extraction, ultrasound assisted extraction (UAE-Ultrasound Assisted Extraction) and accelerated solvent extraction (ASE). All three techniques performed three experiments with three different solvents. The solvents used were hexane, ethanol and ethanol:water in a ratio of 50:50 v/v. The evaluation of the results showed that the extraction with ASE using ethanol:water mixture for solvent, presented the best results in terms of extraction yield compared to other extraction techniques. The accelerated solvent extraction was implemented during the experimental design, with the percentage of ethanol in the hydroalcoholic mixture being one of the main independent factors to be studied, along with time and temperature. The Response Surface Methodology was used to optimize the extraction parameters with this technique and to examine the effects of the main extraction factors as well as their possible interactions on the responses. In addition, following the RSM, the criteria were set in order to find the optimal area of the experimental area, where all the objectives of the individual responses are met at the same time (optimization). For all responses, it was desirable to maximize their value as much as possible. In addition, the aim of the optimization was to develop a sustainable, high-performance extraction method that is environmentally friendly and aims to achieve an optimal result with the lowest possible cost and environmental footprint. The defined responses were the extraction yield (% yield), the total phenolic content (TPC), the antioxidant activity (DPPH) and the concentration of two bioactive compounds, caffeine and chlorogenic acid (CGA), which can be recovered from coffee residue extracts. The Folin-Ciocalteau method was used to determine the concentration of total phenolic compounds (TPC-Total Phenolic Content) in the extracts. The quantification of these compounds was performed through the calibration curve of Gallic acid and their concentration was expressed in mg of Gallic acid equivalents (GAE)/L. Respectively, the antioxidant activity was determined by the DPPH assay and expressed in μmol Trolox equivalents/mL. In addition, the qualitative determination of caffeine and chlorogenic acid was performed with High Performance Liquid Chromatography (UHPLC) with a PDA photodiode detector. As in the other two cases, the quantification of the compounds was performed through the standard calibration curves. During the optimization process, within the optimal experimental space where all the criteria of the responses set were met, an economically viable combination of conditions corresponding to a short operating time and low ethanol content was selected. Specifically, extraction time equal to 7 minutes, temperature 75οC and 5% EtOH were selected. Then, in these optimal conditions, a confirmation experiment was performed to verify the effectiveness of the model in terms of the accuracy of the response optimization process. The resulting values were 6.69% for the extraction yield, 170.77 mg GAE/L for the concentration of total phenolic compounds, 0,805 μmol Trolox equivalents/mL for the antioxidant activity, while the concentration of caffeine and chlorogenic acid was 28.72 ppm and 16.72 ppm respectively. The high validation level between the experimental values and the predicted ones, confirmed the accuracy of the mathematical model and its ability to predict the values of the responses for given values of the main independent factors. Finally, in the optimal conditions for extraction with ASE, a series of experiments were performed using four types of residual coffee of different content in Robusta variety. The aim of this process was to study the effect of the presence of this variety on the concentration of total phenolic compounds, on antioxidant activity as well as on the concentration of caffeine and chlorogenic acid.