Development and appraisal of environmentally friendly methodologies for the recovery of polyphenolic antioxidants from wheat processing by-products (bran)

Abstract

Wheat bran (WB) is a primary waste material originating from wheat processing, and it has drawn significant attention as an abundant bioresidue, which could be a source of polyphenolic antioxidants. WB polyphenols are represented mainly by ferulic acid, which occurs as a bound phenolic, and its effective recovery requires acid- or alkali-catalyzed hydrolysis. On this ground, this thesis was undertaken to investigate the effect of alkali- and acid-catalyzed hydrothermal and organosolv treatments, to provide a basis for the development of greens process for enhanced polyphenol recovery. The first step was a study on ethanol organosolv treatment using conventional catalysts, including sodium hydroxide and sulfuric acid. The results showed that both catalysts may be very effective in the recovery of WB polyphenols, proving extracts with differentiated composition and antioxidant characteristics. Under optimized conditions, the acid- and alkali-catalyzed processes afforded total polyphenol yields of 10.93 ± 0.62 and 19.76 ± 0.76 mg ferulic acid equivalents per g dry mass, respectively. Examination of the polyphenolic composition revealed that the alkali-catalyzed process had a striking effect on releasing ferulic acid, but the acid catalysis was insufficient in this regard.As a following step, replacement of strong catalysts (sodium hydroxide, sulfuric acid) by screening various organic acids and organic acid salts, but also sodium carbonate, revealed the potency of citric acid (acid catalysts) and sodium carbonate (alkali catalysts) to provide WB extracts exceptionally enriched in polyphenols. In case too, composition and antioxidant properties of the extracts produced were defined by the type of catalysts. The most effective treatments were those performed with 10% of either citric acid or sodium carbonate, at a constant temperature of 90 ◦C for 24 h, providing yields in total polyphenols of 23.76 and 23.60 mg g−1 dry mass of ferulic acid equivalents, respectively. Finally, those two catalysts (citric acid and sodium carbonate) were put under scrutiny to thoroughly test their effect employing pressurized aqueous solvents, under various time and temperature combinations. The results demonstrated clearly that under pressure and increased temperature, the sodium carbonate-catalyzed process was highly efficient, providing increased polyphenol yield at very short residence time. The most efficacious treatment was found to be the alkali-catalyzed process, which at 150 °C and 5 min provided total polyphenol yields of approximately 25 mg ferulic acid equivalents per g dry WB mass. The information emerged out of this study suggested emphatically that both citric acid and sodium carbonate may be used as highly efficient benign catalysts to obtain exceptionally increased polyphenol recoveries, through hydrothermal treatment of WB. Such a property might enable the establishment of sustainable techniques of extraction, using environmentally friendly and food-compatible chemicals, instead of the non-green sulfuric acid and sodium hydroxide, to achieve equivalent yields. Such processes, in turn, could be integrated into wider strategies of plant biomass biorefining, thus paving sustainable routes of wheat by-product exploitation, in a circular economy context.

Τα τροφικά απόβλητα (food waste - FW) μπορoύν να οριστούν ως τα υποπροϊόντα ή τα απόβλητα που προέρχονται από τη βιομηχανία τροφίμων, την οικιακή χρήση, τις υπηρεσίες τροφοδοσίας, τα εστιατόρια κ.ά. Οι κύριες κατηγορίες FW που έχουν αυξήσει την ευαισθητοποίηση του κοινού και μπορεί να θέσουν κινδύνους για τη βιώσιμη γεωργική ανάπτυξη περιλαμβάνουν κυρίως τα υπολείμματα καλλιεργειών (π.χ. φύλλα, κλαδιά, φλοιούς, στελέχη, στύλους, άχυρο) και τα αγρο-βιομηχανικά απόβλητα (φλούδες, σπόροι, βλαστοί, μελάσα, πολτούς, πίτες από έλαια). Η ακατάλληλη διάθεση των FW προκαλεί περιβαλλοντικούς κινδύνους με συνέπειες για τη δημόσια υγεία, όπως η ρύπανση των υπόγειων και επιφανειακών υδάτων, η τοξικότητα για τους υδρόβιους οργανισμούς, η επιδείνωση του εδάφους κ.ά. Η ανακύκλωση της βιομάζας που προέρχεται από παράπλευρα ρεύματα της αγρο-βιομηχανίας με βιώσιμο τρόπο, με την προοπτική παραγωγής τροφίμων, φαρμακευτικών προϊόντων, βιοενεργών ουσιών, βιολογικών υλικών και ενέργειας, αποτελεί, αναμφισβήτητα, μια πρόκληση υψηλής προτεραιότητας. Ο αγροτο-τροφικός τομέας είναι υπεύθυνος για την παραγωγή ενός εξαιρετικού όγκου αποβλήτων, τα οποία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως πρώτες ύλες για την κατασκευή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, παρέχοντας μια γκάμα επιλογών για βιώσιμη παραγωγή. Τα σιτηρά είναι βασική τροφή που καταναλώνεται παγκοσμίως και η μεγαλύτερη θρεπτική τους αξία αποδίδεται στη σύνθεση του σπόρου. Τα κύρια μέρη των σιτηρών είναι το πίτουρο, ο βλαστός και το ενδοσπέρμιο, το οποίο υπάρχει σε σχετικά μεγαλύτερη αναλογία. Μέχρι σήμερα, τα υποπροϊόντα από την επεξεργασία σιτηρών προστίθενται στην αλυσίδα αξίας μόνο ως ζωοτροφή, ενώ υπάρχει άμεση ανάγκη για την προσθήκη αξίας σε αυτή τη υπολειμματική βιομάζα. Στο πλαίσιο αυτό, η βιομηχανία άλεσης επιδιώκει να διευρύνει το φάσμα εφαρμογών αυτών των υποπροϊόντων ως συστατικά διατροφικών συμπληρωμάτων, λειτουργικών τροφίμων και βιοενεργών συστατικών. Το σιτάρι (Triticum spp.) είναι ένα από τα πιο σημαντικά βασικά σιτηρά παγκοσμίως. Κατά την επεξεργασία των κόκκων σίτου σε εκλεπτυσμένο αλεύρι με την μέθοδο του αλευρόμυλου, το πίτουρο σίτου (WB) παράγεται ως το κύριο υποπροϊόν, το οποίο αντιπροσωπεύει το 15–20% του βάρους του κόκκου σίτου. Περίπου 150 εκατομμύρια τόνοι WB παράγονται παγκοσμίως ετησίως και, επί του παρόντος, το μεγαλύτερο μέρος του WB χρησιμοποιείται στη βιομηχανία ζωοτροφών. Ωστόσο, υπάρχει αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη χρήση του WB στη βιομηχανία τροφίμων, φαρμακευτικών προϊόντων και καλλυντικών. Το φερουλικό οξύ (FA) είναι το κύριο και πιο άφθονο φαινολικό οξύ στο WB, αντιπροσωπεύοντας σχεδόν το 90% των συνολικών πολυφαινολών. Η περιεκτικότητα σε FA στο WB είναι περίπου 5000 μg g-1 (0,5% βάρους) και σχεδόν το 99% του FA είναι δεσμευμένο σε αδιάλυτη μορφή, κυρίως συνδεδεμένο με τα αραβινοξυλάνες. Το FA θεωρείται βιομόριο με υψηλό δυναμικό ως συστατικό λειτουργικού τροφίμου, αλλά και ως αποτελεσματικός αντιοξειδωτικός παράγοντας τροφίμων και ιδανικός πρόδρομος για την παραγωγή βιο-βανιλίνης. Ωστόσο, η ανάκτηση του FA από το WB με τη χρήση συμβατικών μεθόδων εκχύλισης και διαλυτών είναι ιδιαίτερα χαμηλή. Αυτό συμβαίνει διότι ένα μεγάλο ποσοστό του FA είναι δεσμευμένο σε αλυσίδες αραβινοξυλανών μέσω αιθερικών ή εστερικών δεσμών και, επομένως, δεν είναι εύκολα εκχυλίσιμη υπό συνθήκες που χρησιμοποιούνται συνήθως στην εκχύλιση στερεού-υγρού. Η αλκαλική ή όξινη καταλύση μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση εκχύλισης του FA, ωστόσο υπάρχει έλλειψη συστηματικών μελετών για το θέμα αυτό.Βασισμένες στις παραπάνω τεχνολογίες, μέχρι σήμερα οι μελέτες σχετικά με την ανάκτηση του FA από τα αγρο-τροφικά απόβλητα, όπως το πίτουρο σίτου, το άχυρο σίτου, το πίτουρο ρυζιού, το πίτουρο καλαμποκιού και τα κατάλοιπα καλαμποκιού, περιλάμβαναν τη χρήση διαβρωτικών χημικών, όπως το θειικό οξύ και το υδροξείδιο του νατρίου, ενώ δεν υπάρχουν αναφορές στη βιβλιογραφία σχετικά με την εφαρμογή αυτών των τεχνολογιών σε βιομηχανικό επίπεδο. Από την άλλη πλευρά, δεν έχουν αναφερθεί εκτενείς έρευνες για πράσινες τεχνολογίες για την αποτελεσματική ανάκτηση των πολυφαινολών του WB. Έτσι, η παρούσα εργασία προσπάθησε για πρώτη φορά μια συστηματική έρευνα της επίδρασης τόσο της όξινης όσο και της αλκαλικής καταλύσης για την ανάκτηση του FA από το WB και τονίζει την ανάγκη εφαρμογής του αποτελέσματος σε βιομηχανική κλίμακα, προτείνοντας μια πράσινη, αποτελεσματική και χαμηλού κόστους διαδικασία. Πάνω σ’ αυτήν την έννοια, αυτή η διπλωματική εργασία επιδιώκει: (i) να καθιερώσει μια διαδικασία με χρήση οργανικού διαλύτη (organosolv) για τη μέγιστη απελευθέρωση/ανάκτηση του FA από το WB χρησιμοποιώντας αιθανόλη, έναν ευρέως διαθέσιμο και φιλικό προς το περιβάλλον διαλύτη, και να εξετάσει τον ρόλο της όξινης/αλκαλικής καταλύσης· (ii) να ερευνήσει τον ρόλο ήπιων μέσων στην κατάλυση της ανάκτησης πολυφαινολικών ενώσεων από το WB. Για το σκοπό αυτό, δοκιμάστηκαν μια σειρά οργανικών οξέων τροφίμων, καθώς και οργανικών και ανόργανων αλάτων ως όξινοι και αλκαλικοί καταλύτες· (iii) να εξετάσει την επίδραση του πεπιεσμένου νερού στην ανάκτηση αντιοξειδωτικών πολυφαινολών από το WB. Η εργασία περιλάμβανε τη δοκιμή δύο ήπιων καταλυτών, του κιτρικού οξέος και του ανθρακικού νατρίου, οι οποίοι αποδείχθηκαν πολύ αποτελεσματικοί στην απελευθέρωση των δεσμευμένων φαινολών του WB. Το πρώτο στάδιο προς αυτήν την κατεύθυνση ήταν μια μελέτη επεξεργασίας του WB με οργανικό διαλύτη (μίγματα νερού/αιθανόλης), χρησιμοποιώντας συμβατικούς καταλύτες, ήτοι υδροξείδιο του νατρίου (αλκαλική κατάλυση) και θειικό οξύ (όξινη κατάλυση). Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης έδειξαν ότι αμφότεροι αυτοί οι καταλύτες ήταν αποτελεσματικοί στην ανάκτηση πολυφαινολικών ουσιών από WB, αποδίδοντας εκχυλίσματα με διαφοροποιημένη σύσταση και αντιοξειδωτικά χαρακτηριστικά. Υπό βέλτιστες συνθήκες, οι διεργασίες με όξινη και αλκαλική κατάλυση απέφεραν απόδοση σε ολικές πολυφαινόλες που ανήλθε σε 10.93 ± 0.62 and 19.76 ± 0.76 mg ισοδύναμων φερουλικού οξέος ανά g ξηρής μάζας, αντίστοιχα. Η εξέταση της πολυφαινολικής σύστασης ανέδειξε ότι η διεργασία υπό αλκαλική κατάλυση είχε εξαιρετική επίδραση στην απελευθέρωση φερουλικού οξέος, αλλά η όξινη κατάλυση δεν ήταν το ίδιο επαρκής. Παρά ταύτα, παρατηρήθηκαν αντιφάσεις όσον αφορά τις αντιοξειδωτικές ιδιότητες των εκχυλισμάτων που αποκτήθηκαν, υποδεικνύοντας ότι συστατικά εκτός από το φερουλικό οξύ ενδέχεται να εμπλέκονται. Το τελικό αποτέλεσμα υποδεικνύει ότι η επεξεργασία του πίτουρου σίτου με τη μέθοδο organosolv με αιθανόλης, υποβοηθούμενη από ήπια αλκαλική καταλύση, θα μπορούσε να αποτελέσει έναν πολύ αποτελεσματικό τρόπο για την απελευθέρωση και ανάκτηση καθαρού φερουλικού οξέος. Το επόμενο στάδιο της μελέτης περιέλαβε την αντικατάσταση των ισχυρών και διαβρωτικών καταλυτών (υδροξείδιο νατρίου, θειικό οξύ) με οργανικού, ήπιους καταλύτες, αλλά και ανθρακικό νάτριο. Γι’ αυτόν τον σκοπό, πραγματοποιήθηκε εκτενής διαλογή διαφόρων οργανικών οξέων και αλάτων οργανικών οξέων, η οποία έδειξε ότι το κιτρικό οξύ (ως όξινος καταλύτης) και το ανθρακικό νάτριο (ως αλκαλικός καταλύτης) είχαν εξαιρετική απόδοση, μιας και τα εκχυλίσματα που παράχθηκαν είχαν υψηλό εμπλουτισμό σε πολυφαινολικά συστατικά. Και σ’ αυτήν την περίπτωση, όπως διαπιστώθηκε για τους ισχυρούς καταλύτες, η πολυφαινολική σύσταση και οι αντιοξειδωτικές ιδιότητες των εκχυλισμάτων που παράχθηκαν καθορίστηκαν από τον τύπο του καταλύτη. Οι πιο αποτελεσματικές διεργασίες ήταν αυτές που πραγματοποιήθηκαν είτε με 10% κιτρικό οξύ, είτε με 10% ανθρακικό νάτριο, σε σταθερή θερμοκρασία 90 ◦C, για 24 ώρες, δίνοντας αποδόσεις σε ολικές πολυφαινόλες 23.76 και 23.60 mg ισοδύναμα φερουλικού οξέος ανά g ξηρής μάζας, αντίστοιχα. Το αποτέλεσμα της έρευνας απέδειξε σαφώς ότι τόσο το κιτρικό οξύ όσο και το ανθρακικό νάτριο μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αποτελεσματικοί καταλύτες οξέος και αλκαλίων αντίστοιχα, για την επίτευξη υψηλών αποδόσεων ανάκτησης πολυφαινολών. Η αξιολόγηση των διαδικασιών που χρησιμοποιήθηκαν μέσω του συντελεστή δριμύτητας έδειξε επίσης ότι οι επεξεργασίες με κιτρικό οξύ ή ανθρακικό νάτριο μπορούν να πραγματοποιηθούν υπό συνθήκες που παρέχουν συγκρίσιμη δριμύτητα. Ωστόσο, η διεξοδική εξέταση των εκχυλισμάτων που παρασκευάστηκαν με κάθε καταλύτη προσέφερε ισχυρές αποδείξεις για έναν διαφοροποιημένο μηχανισμό υδρόλυσης, ο οποίος οδήγησε σε εκχυλίσματα με διαφοροποιημένη σύνθεση. Το εκχύλισμα που προέκυψε από την επεξεργασία με καταλύτη κιτρικό οξύ βρέθηκε να είναι εμπλουτισμένο με ένα παράγωγο του φερουλικού οξέος, το οποίο ταυτοποιήθηκε προσωρινά ως εστέρας του φερουλικού οξέος με πεντόζη, και παρουσίασε αυξημένη αντιοξειδωτική δραστηριότητα σε σύγκριση με το εκχύλισμα του ανθρακικού νατρίου, το οποίο κυριαρχούσε από φερουλικό οξύ. Οι πληροφορίες που προέκυψαν από αυτή τη μελέτη υποδεικνύουν εμφατικά ότι τόσο το κιτρικό οξύ όσο και το ανθρακικό νάτριο μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εξαιρετικά αποδοτικοί ήπιοι καταλύτες για την επίτευξη εξαιρετικά αυξημένων ανακτήσεων πολυφαινολών, μέσω υδροθερμικής επεξεργασίας του πίτουρου σίτου. Στο τελικό στάδιο της μελέτης, οι δύο αποδοτικοί, ήπιοι καταλύτες (κιτρικό οξύ και ανθρακικό νάτριο) εξετάστηκαν διεξοδικότερα, και έγινε έλεγχος της ικανότητάς τους με χρήση πεπιεσμένων υδατικών συστημάτων, εφαρμόζοντας ένα εύρος συνδυασμών θερμοκρασίας/χρόνου επεξεργασίας. Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν απέδειξαν ότι, υπό πίεση και αυξημένη θερμοκρασία, η επεξεργασία WB με χρήση ανθρακικού νατρίου ήταν εξαιρετικά αποδοτική, και παρήχθησαν εκχυλίσματα με υψηλό εμπλουτισμό σε πολυφαινολικές ουσίες σε πολύ σύντομο χρόνο. Η πλέον αποδοτική διεργασία ήταν αυτή υπό αλκαλική κατάλυση, η οποία στους 150 °C και 5 λεπτά έδωσε απόδοση σε ολικές πολυφαινόλες σχεδόν 25 mg ισοδύναμα φερουλικού οξέος ανά g ξηρής μάζας. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι το SCar είναι ένας αποτελεσματικός καταλύτης για την απελευθέρωση του δεσμευμένου φερουλικού οξέος από το πίτουρο σίτου και για την επίτευξη υψηλών αποδόσεων ανάκτησης. Η αξιολόγηση της διαδικασίας μέσω του συντελεστή δριμύτητας έδειξε επίσης ότι η επεξεργασία με καταλύτη SCar έχει χαμηλότερη δριμύτητα, επομένως είναι μια ήπια και λιγότερο ενεργειακά απαιτητική μεθοδολογία. Ωστόσο, η επεξεργασία με καταλύτη κιτρικό οξύ παρήγαγε εκχυλίσματα εμπλουτισμένα με έναν εστέρα του φερουλικού οξέος με πεντόζη, το οποίο παρουσίασε αυξημένη αντιοξειδωτική δραστηριότητα σε σύγκριση με το εκχύλισμα που παρασκευάστηκε με καταλύτη SCar. Το συμπέρασμα που προέκυψε από αυτή την εξέταση υποδεικνύει εμφατικά το SCar ως έναν εξαιρετικά αποδοτικό ήπιο καταλύτη για την ενίσχυση της ανάκτησης πολυφαινολών από το πίτουρο σίτου, χρησιμοποιώντας ένα πιεσμένο υδατικό μέσο ως πράσινο και χαμηλού κόστους διαλύτη. Οι παραπάνω εξετάσεις βασίστηκαν είτε σε τοξικούς και περιβαλλοντικά επιβαρυντικούς διαλύτες (π.χ. ακετόνη), σε αυστηρά χημικά (υψηλές συγκεντρώσεις υδροξειδίου του νατρίου), είτε σε ακριβούς νέους διαλύτες (βαθέως ευτήκτους διαλύτες), των οποίων οι βιομηχανικές προοπτικές είναι ιδιαίτερα αμφισβητήσιμες. Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω, θα μπορούσε να υποστηριχθεί ότι η υδροθερμική επεξεργασία υπό πίεση ήταν η πιο υποσχόμενη, καθώς είναι πράσινη, εξαιρετικά αποτελεσματική και με αρκετά μέτριο κόστος, παρέχοντας ικανοποιητική απόδοση καθαρού φερουλικού οξέος. Προτείνεται ότι περαιτέρω βελτιστοποίηση της επεξεργασίας θα μπορούσε να προσφέρει ακόμη υψηλότερες αποδόσεις, καθιστώντας αυτή τη διαδικασία μια τεχνική χαμηλής σοβαρότητας και υψηλής απόδοσης για την παραγωγή φερουλικού οξέος υψηλής καθαρότητας. Οι πληροφορίες που ελήφθησαν συνολικά από την μελέτη υπέδειξαν εμφατικά ότι αμφότερα το κιτρικό οξύ και το ανθρακικό νάτριο μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αποδοτικοί, ήπιοι καταλύτες, για την παραγωγή εκχυλισμάτων με υψηλό εμπλουτισμό σε πολυφαινολικές ουσίες, μέσω της εφαρμογής υδροθερμικών επεξεργασιών. Αυτή η ιδιότητα των εν λόγω καταλυτών θα μπορούσε να παρέχει την δυνατότητα εγκαθίδρυσης αειφορικών τεχνολογιών εκχύλισης/ανάκτησης πολυφαινολικών ουσιών, με χρήση περιβαλλοντικώς φιλικών χημικών, συμβατών με τρόφιμα, αντί των συμβατικών και διαβρωτικών θειικού οξέος και υδροξειδίου του νατρίου, έτσι ώστε να επιτευχθούν ισοδύναμες αποδόσεις. Συνεπακόλουθα, παρόμοιες διεργασίες θα μπορούσαν ν’ αποτελέσουν αναπόσπαστο μέρος ευρύτερων στρατηγικών βιοδιύλισης φυτικής βιομάζας, ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για αειφορική αξιοποίηση του WB, μέσα σ’ ένα πλαίσιο κυκλικής οικονομίας.