Βελτιστοποίηση της διεργασίας εκχύλισης φαινολικών συστατικών από απόβλητα ερυθρής οινοποίησης
Creators: name: Δρεβελέγκα, Ιωάννα Ι.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Απόβλητο οινοποίησης
Μέθοδοι εκχύλισης
Φαινολικά συστατικά
Grape pomace
Extraction methods
Phenolic compounds

description: Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η βελτιστοποίηση της εκχύλισης φαινολικών συστατικών από τα απόβλητα της ερυθρής οινοποίησης-στέμφυλα. Η συμβατική μέθοδος της εκχύλισης παρουσιάζει διάφορα μειονεκτήματα, όπως τους υψηλούς χρόνους, τη θερμική υποβάθμιση των θερμοευαίσθητων φαινολικών ενώσεων, τη χρήση μη φιλικών προς το περιβάλλον οργανικών διαλυτών, αλλά και τη χαμηλή απόδοση εκχύλισης. Έτσι, στην παρούσα διατριβή μελετάται η μέθοδος εκχύλισης με τη βοήθεια υπερήχων και μικροκυμάτων. Στην προσπάθεια βελτιστοποίησης της διεργασίας με υπερήχους, αναπτύχθηκε ένας πειραματικός σχεδιασμός με εξεταζόμενες μεταβλητές τη θερμοκρασία εκχύλισης (20-60 °C), το είδος του διαλύτη (% υδατική αιθανόλη, 0-100%), την ένταση των παλμών (20-60%) και την αναλογία υγρού/στερεού (8-24 mL/g). Στην περίπτωση της εκχύλισης μικροκυμάτων, μελετήθηκαν οι επιδράσεις του διαλύτη (υδατική αιθανόλη 0-100%), της αναλογίας υγρού/στερεού (8-24 mL/g) και της ισχύος των μικροκυμάτων (100-600 Watt). Στην πρώτη μέθοδο, τα εκχυλίσματα συλλέχθηκαν σε χρονικά διαστήματα 2, 5, 10, 20 και 30 min, ενώ στη δεύτερη σε 1, 2, 3, 4 και 5 min. Οι επιδράσεις των παραγόντων μελετήθηκαν με τη μεθοδολογία επιφανειών απόκρισης και αναπτύχθηκαν εμπειρικά μοντέλα για την πρόβλεψη της μεταβλητής απόκρισης, δηλαδή της απόδοσης εκχύλισης σε κάθε μια από τις υπό μελέτη μεθόδους. Οι βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης κάθε μεθόδου χρησιμοποιήθηκαν με σκοπό να εκτιμηθεί το ποσοστό της υγρασίας του αποβλήτου που αντιστοιχεί στη μέγιστη απόδοση εκχύλισης. Εν συνεχεία, με βάση και πάλι τις βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης και ποσοστού υγρασίας, μελετήθηκε η εκχύλιση μικροκυμάτων και υπερήχων σε συνδυασμό με ενζυμική προκατεργασία. Οι παράγοντες που μελετήθηκαν στην περίπτωση αυτή ήταν το είδος του ενζύμου (0-100% πηκτινάση, σε μίγμα κυτταρινάσης και πηκτινάσης), η συγκέντρωση ενζύμου (2-4%) και η αναλογία διαλύτη/στερεού (20/10-60/10 mL/g). Για την απομόνωση των φαινολικών συστατικών από τα εκχύλισματα που προέκυψαν, εφαρμόσθηκε η διεργασία της προσρόφησης. Ως προσροφητικό υλικό χρησιμοποιήθηκε ζεόλιθος, κατόπιν κατάλληλης ενεργοποίησης. Στα εκχυλίσματα πραγματοποιήθηκε μέτρηση σακχάρων και φαινολικών συστατικών, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της προσρόφησης. Οι εξεταζόμενοι παράγοντες ήταν η συγκέντρωση του ζεολίθου (5-50 g/L) και το pH (2-10). Επιπλέον, ένα ακόμη αντικείμενο στην παρούσα μελέτη ήταν η μαθηματική περιγραφή της εκχύλισης των φαινολικών συστατικών από το απόβλητο της οινοποίησης. Μελετήθηκαν τέσσερα μαθηματικά μοντέλα για την κινητική εκχύλισης, το κινητικό μοντέλο πρώτης τάξης, το κινητικό μοντέλο δεύτερης τάξης, το μοντέλο μεταφοράς μάζας και το μοντέλο του Peleg. Το μοντέλο του Peleg βρέθηκε να έχει καλύτερη προσαρμογή στα πειραματικά δεδομένα τόσο στην περίπτωση των υπερήχων, όσο και στην περίπτωση των μικροκυμάτων. Εν κατακλείδι, τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας υποδεικνύουν ότι υψηλότερη απόδοση μπορεί να επιτευχθεί στην εκχύλιση με τη μέθοδο των μικροκυμάτων συγκριτικά με τη μέθοδο των υπερήχων, ενώ αξίζει να αναφερθεί ότι η χρήση των ενζύμων βελτίωσε την απόδοση της εκχύλισης και στις δυο περιπτώσεις. Ωστόσο, η υψηλότερη απόδοση επιτυγχάνεται με τη χρήση της μεθόδου των υπερήχων με ενζυμική προκατεργασία. Με κατάλληλες συνθήκες προσρόφησης, μπορεί να ληφθεί ένα συμπύκνωμα φαινολικών συστατικών απαλλαγμένο από σάκχαρα.
description: In recent decades, grape pomace has been recognized as a valuable source of phenolic compounds, which are poorly extracted from the skins and seeds upon vinification. Maceration is the most commonly used procedure for leaching phenolic compounds from grapes and residues from them, where the solid sample is stirred with a suitable liquid for long times. However, the different treatments to which grape pomace is subjected suggest the possibility of using auxiliary energies to enhance the leaching efficiency of strongly retained compounds. In this sense, the leaching step can be assisted by auxiliary energies such as microwaves or ultrasound. The main aim of the present research was to compare the present and traditional extraction techniques to propose an optimum method for isolation of priced compounds from grape pomace. Two present extraction techniques (microwave-assisted extraction, MAE and ultrasound-assisted extraction, UAE) have been selected and used in comparison with conventional maceration extraction, CME, using overall quantitation methods. In ultrasound-assisted extraction, extraction temperature (20-60 °C), solvent type (0-100% aqueous ethanol), amplitude level (20-60%), and solvent/solid ratio (8-24 mL/g) were the factors investigated with respect to extraction yield. In the case of microwave extraction, the effects of solvent type (0-100% aqueous ethanol), solvent/solid ratio (8-24 mL/g), and microwave power (100-600 Watt) were studied using a response surface methodology. In UAE, the extracts were collected at time intervals of 2, 5, 10, 20, and 30 min. In case of MAE, the extracts were collected at time intervals of 1, 2, 3, 4, and 5 min. Second-order kinetic models were successfully developed for describing the mechanism of ultrasound and microwave extraction under different processing parameters. The optimum extraction method and operating conditions were determined. In addition, the effect of grape pomace moisture content on extraction yield was studied under the optimum extraction conditions. Finally, another objective of the present work was to study the enhancement of the optimum extraction procedure by enzymatic pre-treatment using two different enzymes, cellulase and pectinase, under different operating conditions (enzyme concentration, 2-4% w/w, treatment time, 60-220 min, water/solid ratio, 2/1-6/1 mL/g). In order to isolate the phenolic compounds from the extract, the adsorption process was studied. The zeolite was used as adsorbent after its activation. The examined factors in adsorption are zeolite’s concentration (5-50 g/L) and pH (2-10). Furthermore, one more object in this study was the mathematical description of the extraction of phenolics from grape pomace. Four different mathematical approaches were selected for the kinetic modelling, namely, the first order kinetic model, the second order kinetic model, the mass transfer model, and the Peleg’s model. The Peleg’s model was found to best describe the extraction yield data. Generally, the results indicated that a better yield can be achieved in the microwave assisted extraction than in the ultrasound assisted extraction. In the case of a combination with an enzymatic pre-treatment, both methods are enhanced, however the highest yield achieved by the ultrasound-assisted extraction.