Μελέτη της επίδρασης του παλλόμενου ηλεκτρικού πεδίου στην παραγωγή ποτών

Abstract

The aim of this thesis is to investigate whether the electropermeability caused by the PEF technique in microbial, plant or even animal cells can be used for extraction. So far, the PEF technique has been predominantly used for sterilization, or in general, cell disruption. The use of PEF seeks to isolate important compounds from various tissues, which under other conditions would require longer times and more energy to be isolated or be destroyed. It is obvious that not all compounds affected by PEF could be studied. So we will consider important the aromatic compounds that are extracted in the drinks during fermentation from their environment such as the wood of the barrel, or from the microorganisms involved in fermentation, or from the addition of plant tissues traditionally used in beverages such as hops in beer. We will also consider the phenolic substances that are of particular interest to human health such as catechins, tannins, anthocyanins which are found in the by-products of winemaking, such as grapevines and marcs. Finally, beneficial substances for humans that have recently entered the human diet, such as olive leaf phenolics, will be studied. The aim was to demonstrate that this new technique can be included among the classic techniques for the extraction and isolation of substances, either from plant tissues or from fermented foods and drinks, or for biotechnological processes. Also, that it can increase the yields of extractions in a gentle and non-destructive way. In conclusion we could summarize that this technique is a new isolation technique that can be added to industrial practices. Also, a secondary purpose was to show that this technique can be applied with a equipment, which is simpler without requiring special electric fields and therefore, less demanding, energetically. The pulsed electric field technique as will be analyzed in this thesis is divided into sections, electrical, mechanical and analytical always with the aim of extracting metabolites. Also, through this separation, the minimization of the needs in the individual parts of the creation of the field was achieved, so that the foundations could be laid for it to be built and used in industry. The electrical side is in turn divided into 3 different sections.1) Design of circuits that can generate electric pulses from 1000V to 5000V for pulse extraction using an electric field.xiv2) Construction of a microtechnical electrode that facilitates the extraction.3) Conduct extractions to prove that the circuit and electrode are operational. The designed electrode plays a decisive role in the extraction efficiency during the execution of the process. Therefore, the choice of material and the design are of crucial importance for the subsequent course. In terms of extracting plant tissues, this thesis started with hops and their use in beer. In hops, the extractability from its plant material of bitter α- and β-acids such as humulone and lupulone as well as volatile aromatics such as caryophyllene and other terpenes was studied. The study showed that PEF can improve the extractability of α-acids up to 20% while it contributed to the increase of caryophyllene and terpenes by 6%.Studying the use of PEF in beer making, the study also extended to compounds derived from biochemical pathways with biotransformations such as phenolic aromas 4-vinyl guaicol (4-VG) a derivative of ferulic acid, and wood derivatives such as vanillin, syringaldedus, oak lactone, and furfural in standard solutions. The use of PDP resulted in a 234% increase in volatiles after extraction compared to samples not treated with PDP. The PEF technique was studied for extractions in post-fermentation processes and was extended to by-products with a significant content of bioactive substances such as boletus, olive leaves, sage and horse chestnut. The rutino side of quercetin and apigenin, the glucoside at positions 7 and 3 of luteolin and oleo pain were extracted from olive leaves. The optimal contribution of PIP to the extraction capacity of total polyphenols was found to be 38% with 117% for specific metabolites. Finally, in the horse chestnut, the effect on the extraction of the neochlorogenic acid (Neochlorogenic acid) of kaempferol and its glycosides, quercetin and its galactoside was studied. Under optimal conditions, according to the results, up to 33% more phenolic compounds can be extracted compared to untreated samples.

Στόχος της διατριβής αυτής είναι να διερευνήσει αν η ηλεκτροδιαπερατότητα που προκαλεί η τεχνική της PEF στα μικροβιακά, φυτικά ή και ζωικά κύτταρα είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί για την εκχύλιση. Μέχρι στιγμής η τεχνική της PEF χρησιμοποιούνταν κυρίαρχα για την αποστείρωση ή γενικά τη διάσπαση του κυττάρου. Με τη χρήση της PEF επιδιώκεται η απομόνωση σημαντικών ενώσεων από διάφορους ιστούς, οι οποίες υπό άλλες συνθήκες θα απαιτούσαν μεγαλύτερους χρόνους και μεγαλύτερη ενέργεια για να απομονωθούν ή θα καταστρέφονταν. Είναι προφανές ότι δεν θα μπορούσε να μελετηθεί το σύνολο των ενώσεων που επηρεάζονται από την PEF. Έτσι, σημαντικές ενώσεις θα θεωρήσουμε τις αρωματικές ενώσεις που εκχυλίζονται στα ποτά κατά τη ζύμωση από το περιβάλλον τους, όπως π.χ. από το ξύλο βαρελιού ή από τους μικροοργανισμούς που συμμετέχουν στη ζύμωση ή από πρόσθεση φυτικών ιστών που παραδοσιακά χρησιμοποιούνται στα ποτά, όπως ο λυκίσκος στον ζύθο. Θα θεωρήσουμε ακόμα τις φαινολικές ουσίες που έχουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την ανθρώπινη υγεία όπως κατεχίνες, τανίνες, ανθοκυανίνες οι οποίες συναντώνται στα υποπροϊόντα της οινοποιίας, όπως τα στέμφυλα και οι βόστρυχοι. Τέλος, θα μελετηθούν ευεργετικές για τον άνθρωπο ουσίες που πρόσφατα μπήκαν στην ανθρώπινη διατροφή, όπως τα φαινολικά των φύλλων της ελιάς. Σκοπός ήταν να αποδειχθεί ότι η νέα αυτή τεχνική μπορεί να συγκαταλεχθεί ανάμεσα στις κλασικές τεχνικές εκχύλισης και απομόνωσης ουσιών είτε από φυτικούς ιστούς είτε από ζυμωμένα τρόφιμα και ποτά είτε από βιοτεχνολογικές διεργασίες. Επίσης, ότι μπορεί να αυξήσει τις αποδόσεις των εκχυλίσεων με έναν τρόπο ήπιο και μη καταστροφικό. Εν κατακλείδι, θα μπορούσαμε να συνοψίσουμε ότι η τεχνική αυτή αποτελεί μια νέα τεχνική απομόνωσης που μπορεί να προστεθεί στις βιομηχανικές πρακτικές. Επίσης, ένας δευτερεύων σκοπός ήταν να δειχθεί ότι η τεχνική αυτή μπορεί να εφαρμοστεί με έναν νέο εξοπλισμό τεχνολογικά, πιο απλό, χωρίς να απαιτούνται ιδιαίτερα ηλεκτρικά πεδία και συνεπώς, λιγότερο απαιτητικό, ενεργειακά. Η τεχνική του παλλόμενου ηλεκτρικού πεδίου όπως θα αναλυθεί στην παρούσα διατριβή χωρίζεται σε τμήματα, ηλεκτρικά, μηχανικά και αναλυτικά, πάντα με στόχο την εκχύλιση μεταβολιτών. Επίσης μέσα από αυτό τον διαχωρισμό επιτεύχθηκε και η ελαχιστοποίηση των αναγκών στα επιμέρους τμήματα της δημιουργίας του πεδίου, έτσι ώστε να μπουν οι βάσεις για να μπορεί να κατασκευαστεί και να χρησιμεύσει στη βιομηχανία.xii Η ηλεκτρική πλευρά χωρίζεται με τη σειρά της σε 3 διαφορετικές ενότητες: 1) Σχεδιασμός κυκλωμάτων που μπορούν να παράγουν ηλεκτρικούς παλμούς από 1000V έως 5000V για παλμική εκχύλιση με τη χρήση ηλεκτρικού πεδίου. 2) Κατασκευή μικροτεχνικού ηλεκτροδίου που διευκολύνει την εκχύλιση. 3) Διεξαγωγή εκχυλίσεων για να αποδειχθεί ότι το κύκλωμα και το ηλεκτρόδιο είναι σε λειτουργία. Το σχεδιασμένο ηλεκτρόδιο κατέχει καθοριστικό ρολό στην αποτελεσματικότητα της εκχύλισης κατά την εκτέλεση της διαδικασίας. Επομένως, η επιλογή υλικού και ο σχεδιασμός είναι κομβικής σημασίας για τη μετέπειτα πορεία. Από πλευράς εκχύλισης φυτικών ιστών, η διατριβή αυτή ξεκίνησε από τον λυκίσκο καιτη χρήση του στην μπύρα. Στον λυκίσκο μελετήθηκε η εκχυλισιμότητα από το φυτικό υλικό του, των πικρικών α- και β- οξέων, όπως η χουμουλόνη και η λουπουλόνη, καθώς και τα πτητικά αρωματικά, όπως το καρυοφυλλένιο και τα λοιπά τερπενικά. Η μελέτη έδειξε ότι το ΠΗΠ μπορεί να βελτιώσει την εκχυλισιμότητα των α-οξέων έως και 20%,ενώ συνέβαλε στην αύξηση του καρυοφυλλένιου και των τερπενίων της τάξης του 6%. Μελετώντας πάντα την μπύρα, η μελέτη επεκτάθηκε και σε ενώσεις που προέρχονται από βιοχημικά μονοπάτια με βιομετατροπές, όπως τα φαινολικά αρώματα, η 4-βινυλγουαικόλη (4-VG), ένα παράγωγο του φερουλικού οξέος και παράγωγα του ξύλου,όπως η βανιλίνη, η συρινγκαλδεύδη, η λακτόνη δρυός και η φουρφουράλη σε πρότυπα διαλύματα. Η χρήση του ΠΗΠ οδήγησε σε αύξηση των πτητικών κατά 234% μετά την εκχύλιση σε σχέση με τα δείγματα που δεν είχαν υποστεί επεξεργασία με ΠΗΠ. Η τεχνική της PEF μελετήθηκε για εκχυλίσεις σε διαδικασίες μετά-ζυμωτικές και επεκτάθηκε σε υποπροϊόντα με σημαντικό περιεχόμενο σε βιοενεργές ουσίες, όπως οι βόστρυχοι, τα φύλλα της ελιάς, το φασκόμηλο και η αγριοκαστανιά. Από τα φύλλα της ελιάς εκχυλίστηκε o ρουτινοζίτης της κουερκετίνης και της απιγενίνης, ο γλυκοζίτης στις θέσεις 7 και 3 της λουτεολίνης και η ολεοπαίνη. Η βέλτιστη συμβολή του ΠΗΠ στην ικανότητα εκχύλισης ολικών πολυφαινολών βρέθηκε στο 38% με 117% για συγκεκριμένους μεταβολίτες. Τέλος, στην αγριοκαστανιά μελετήθηκε η επίδραση στην εκχύλιση του νεο χλωρογενικού οξέος (Νeochlorogenic acid) της καμφερόλης και των γλυκοζιτών της, της κουερκετίνης και του γαλακτοζίτη της. Υπό βέλτιστες συνθήκες,σύμφωνα με τα αποτελέσματα, μπορούν να εξαχθούν έως και 33% περισσότερες φαινολικές ενώσεις σε σχέση με τα μη επεξεργασμένα δείγματα.