Πράσινες διεργασίες εκχύλισης: σχεδιασμός λειτουργικών εκχυλισμάτων φυτών και παραπροϊόντων βιομηχανιών τροφίμων: ανάλυση κύκλου ζωής τους

Abstract

In this study, industrially applied recovery processes were examined on the extraction of bioactive compounds from plants and by-product of the agro-food sector. Specifically, winery waste, olive oil production solid waste, citrus peels, olive leaves and mastic tree leaves were selected as raw materials for the extraction of phenolic compounds. Prior to extraction these materials were subjected to drying in order to avoid spoilage and retain their phenolic content. The drying kinetics were calculated and the effect of drying on the recovery of bioactive compounds was evaluated. The recovery was performed through conventional solvent extraction techniques, such as soxhlet extraction and maceration, as well as, novel methods using microwaves or ultrasounds. The use of microwave and ultrasound assisted extraction was found to enhance the recovery of phenolic compounds even when using greener/milder solvents. The efficiency of the extractions was examined by calculating the yield, while and selectivity of the processes was evaluated using spectrometric assays and high performance liquid chromatography analysis. In addition, a comparative life cycle assessment was performed to evaluate the sustainability of the selected valorization strategies for the production of bioactive extracts which can be incorporated to food and cosmetic products. Among the different extraction suggested, significant differences were observed on the yielding of phenolic compounds and therefore on their environmental performance. Ultrasound assisted extraction of dried by-products (grape pomace, olive pomace, olive leaves and orange peels) was found to be the most sustainable extraction procedure regardless of the use of ethanol 50% or methanol as solvent, while microwave assisted extraction using water as solvent was found suitable for the extraction of phenolic from untreated mastic leaves. Among the suggested waste streams and extraction processes the most economic feasible for the extraction of phenolic compounds were the ultrasound assisted extraction of grape pomace and olive leaves and the microwave assisted extraction of mastic leaves.

Στην διατριβή αυτή μελετήθηκαν βιομηχανικά εφαρμόσιμες διεργασίες εκχύλισης ως προς την ανάκτηση βιοδραστικών ενώσεων από φυτά και τα παραπροϊόντα του αγρο-βιομηχανικού κλάδου διατροφής. Συγκεκριμένα, στερεά απόβλητα οινοποιείων, στερεά υπολείμματα της παραγωγής ελαιόλαδου, φλούδες εσπεριδοειδών, φύλλα ελιάς και μαστίχας επιλέχθηκαν ως πρώτες ύλες για την εκχύλιση φαινολικών ενώσεων. Πριν από την εκχύλιση τα υλικά αυτά υποβλήθηκαν σε ξήρανση προκειμένου να αποφευχθεί η μικροβιακή αλλοίωση τους και να διατηρηθεί το φαινολικό τους περιεχόμενο. Υπολογίστηκαν επίσης οι κινητικές ξήρανσης και εξετάστηκε η επίδραση της ξήρανσης στην ανάκτηση των βιοδραστικών τους ενώσεων. Η ανάκτηση διεξήχθη μέσω συμβατικών τεχνικών εκχύλισης, όπως η εκχύλιση soxhlet και η διαβροχή, καθώς και νέες μεθόδους που υποβοηθούμενες με μικροκύματα ή υπερήχους. Η χρήση μικροκυμάτων και υπερήχων βρέθηκε να ενισχύουν την ανάκτηση φαινολικών ενώσεων, ακόμη και όταν χρησιμοποιούνται πιο πράσινοι ηπιότεροι διαλύτες. Η αποτελεσματικότητα των εκχυλίσεων εξετάστηκε υπολογίζοντας τις αποδόσεις τους, ενώ και η επιλεκτικότητα των διεργασιών αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας φασματοφωτομετρικά πρωτόκολλα και αναλύσεις υψηλής απόδοσης υγρής χρωματογραφίας. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε συγκριτική αξιολόγηση του κύκλου ζωής των διεργασιών για να αξιολογηθεί η βιωσιμότητα των επιλεγμένων στρατηγικών αξιοποίησης για την παραγωγή βιοδραστικών εκχυλισμάτων, τα οποία μπορούν να ενσωματωθούν σε τρόφιμα και καλλυντικά προϊόντα. Μεταξύ των διαφόρων διεργασιών εκχύλισης παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές στην απόδοση των φαινολικών ενώσεων και ως εκ τούτου στις περιβαλλοντικές τους επιδόσεις. Η υποβοηθούμενη εκχύλιση με υπερήχους για αποξηραμένα υποπροϊόντα (στεμφύλων, ελαιοπυρήνα, φύλλα ελιάς και φλούδες πορτοκαλιού) βρέθηκε να είναι η πιο βιώσιμη διαδικασία εκχύλισης, ανεξάρτητα από τη χρήση αιθανόλης 50% ως διαλύτη, ενώ η υποβοηθούμενη μικροκυμάτων βρέθηκε κατάλληλη για την εκχύλιση φαινολικών από μη επεξεργασμένα φύλλα μαστίχας χρησιμοποιώντας νερό ως διαλύτη. Ανάμεσα στους εξεταζόμενους συνδυασμούς γραμμών παραγωγής βιοδραστικών εκχυλισμάτων βρέθηκε ότι η πιο οικονομικά βιώσιμη είναι η εκχύλιση με υπερήχους στεμφύλων και φύλλων ελιάς και η εκχύλιση με μικροκύματα φύλλων μαστίχας.