Εκχύλιση, ανάλυση και μελέτη βιοδραστικών ενώσεων για την ενίσχυση της διατροφικής αξίας τροφίμων

Abstract

This PhD thesis focused on the optimization of phenolic compound extraction from selected plant materials (parsley, cistus, oregano, tomato, strawberry, pumpkin, grape pomace) with the aim of utilizing them as bioactive ingredients in functional foods. To ensure an efficient and well-documented approach, a combination of statistical experimental designs was applied, using the Box–Behnken Design for preliminary screening and the Central Composite Design for detailed optimization. The extraction method was based on ultrasound-assisted extraction and hydroalcoholic solvents, under conditions that allowed high yields while preserving bioactivity.Analysis revealed significant variations in the phenolic profile and antioxidant capacity among the raw materials, with oregano and cistus exhibiting the highest total phenolic content and strong antioxidant activity. Chromatographic identification highlighted compounds such as caffeic acid, kaempferol, apigenin, luteolin, and catechins, known for their antioxidant and anti-inflammatory properties. Similarly, grape pomace was confirmed as a rich and cost-effective source of polyphenols.The next stage of the research focused on encapsulating the extracts to enhance thermal stability and preserve bioactivity. Accelerated shelf-life testing at 65 °C demonstrated that encapsulated extracts retained >80% of their phenolic content for up to 12 months (in equivalent conditions), in contrast to non-encapsulated extracts, which showed substantial losses within the first days. Application of the extracts to food matrices (breadsticks, cereal bars, biscuits) resulted in an increase in antioxidant activity by an order of magnitude. In vitro digestion (INFOGEST protocol) revealed that encapsulation favored the controlled release of phenolics mainly during the intestinal phase, while the combined strategy of encapsulation and food incorporation further enhanced bioaccessibility, as confirmed by PermeaPad® permeability testing (up to 31.6%). Overall, the results demonstrate that combining advanced extraction, encapsulation, and food incorporation technologies can substantially contribute to the development of functional foods with enhanced nutritional value and validated bioactivity. This work paves the way for further in vivo investigations aimed at fully understanding the bioavailability and metabolic fate of phenolic compounds, thereby strengthening the potential for their commercial exploitation.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στη βελτιστοποίηση της εκχύλισης φαινολικών ενώσεων από επιλεγμένες φυτικές πρώτες ύλες (μαϊντανό, λάδανο, ρίγανη, τομάτα, φράουλα, κίτρινη κολοκύθα, πομάσα σταφυλιού), με στόχο την αξιοποίησή τους για τη διατροφική ενίσχυση τροφίμων. Για την αποδοτικότερη και τεκμηριωμένη προσέγγιση της διαδικασίας εφαρμόστηκε συνδυασμός στατιστικών πειραματικών σχεδιασμών, με χρήση του Box–Behnken Design για προκαταρκτική διερεύνηση και του Central Composite Design για λεπτομερή βελτιστοποίηση. Η μέθοδος εκχύλισης βασίστηκε στην τεχνική της υποβοηθούμενης εκχύλισης με υπερήχους και χρήση υδατοαλκοολικών διαλυτών που υποστηρίζονται από τις αρχές των πράσινων μεθόδων εκχύλισης, και με συνθήκες που επέτρεψαν υψηλή απόδοση και διατήρηση της βιοδραστικότητας. Η ανάλυση έδειξε σημαντικές διαφοροποιήσεις στο φαινολικό προφίλ και την αντιοξειδωτική ικανότητα μεταξύ των πρώτων υλών, με τη ρίγανη και τον λάδανο να παρουσιάζουν τα υψηλότερα επίπεδα ολικών φαινολικών και ισχυρή αντιοξειδωτική δράση. Η χρωματογραφική ταυτοποίηση ανέδειξε ενώσεις όπως καφεϊκό οξύ, καεμφερόλη, απιγενίνη, λουτεολίνη και κατεχίνες, γνωστές για τις αντιοξειδωτικές και αντιφλεγμονώδεις ιδιότητές τους. Αντίστοιχα, η πομάσα σταφυλιού επιβεβαιώθηκε ως πλούσια και οικονομικά αποδοτική πηγή πολυφαινολών. Η επόμενη φάση της έρευνας επικεντρώθηκε στην ενθυλάκωση των εκχυλισμάτων, με στόχο την ενίσχυση της θερμικής σταθερότητας και της βιοδραστικότητας. Η αποθήκευση σε επιταχυνόμενες συνθήκες (65 °C) έδειξε ότι τα ενθυλακωμένα εκχυλίσματα διατήρησαν ποσοστό φαινολικών >80% έως και 12 μήνες (σε ισοδύναμες συνθήκες), σε αντίθεση με τα μη ενθυλακωμένα, τα οποία παρουσίασαν σημαντικές απώλειες από τις πρώτες ημέρες. Η εφαρμογή των εκχυλισμάτων σε τρόφιμα (κριτσίνια, μπάρες δημητριακών, μπισκότα) οδήγησε σε σημαντική αύξηση της αντιοξειδωτικής δράσης, φτάνοντας έως και σε τιμές δέκα φορές υψηλότερες από το αρχικό επίπεδο. Η in vitro πέψη (πρωτόκολλο INFOGEST) έδειξε ότι η ενθυλάκωση ευνόησε την ελεγχόμενη αποδέσμευση φαινολικών κυρίως στην εντερική φάση, ενώ η συνδυαστική στρατηγική ενθυλάκωσης και τροφικής ενσωμάτωσης βελτίωσε περαιτέρω τη βιοπροσβασιμότητα, όπως επιβεβαιώθηκε από δοκιμές διαπερατότητας μέσω μεμβράνης PermeaPad® (έως 31,6%). Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι η συνδυαστική χρήση τεχνολογιών εκχύλισης, ενθυλάκωσης και τροφικής ενσωμάτωσης μπορεί να συμβάλει ουσιαστικά στην ανάπτυξη λειτουργικών τροφίμων με αυξημένη διατροφική αξία και τεκμηριωμένη βιοδραστικότητα. Η μελέτη ανοίγει τον δρόμο για περαιτέρω in vivo έρευνα με σκοπό την πλήρη κατανόηση της βιοδιαθεσιμότητας και των μεταβολικών «οδών» των φαινολικών ενώσεων, ενισχύοντας τις προοπτικές εμπορικής αξιοποίησής τους.