ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΤΩΝ ΚΑΡΟΤΕΝΟΕΙΔΩΝ ΑΠΟ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΟΜΑΤΑΣ

Transcript

1 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΤΩΝ ΚΑΡΟΤΕΝΟΕΙΔΩΝ ΑΠΟ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΟΜΑΤΑΣ Ε. Στρατή, Ε. Γώγου, Β. Ωραιοπούλου Εργαστήριο Χημείας & Τεχνολογίας Τροφίμων Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Αθήνα ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα απόβλητα βιομηχανικής επεξεργασίας προϊόντων τομάτας θεωρούνται ως μια σημαντική πηγή παραλαβής φυσικών καροτενοειδών, τα οποία βρίσκουν ευρεία χρήση ως χρωστικές τροφίμων ή ως πρόσθετα για παραγωγή λειτουργικών τροφίμων. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε και συγκρίθηκε η δυνατότητα της ανάκτησης καροτενοειδών με: α) Εκχύλιση μετά από ενζυμική προκατεργασία των αποβλήτων Τα ένζυμα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν κυτταρινάσες και πηκτινάσες που υδρολύουν συστατικά του κυτταρικού τοιχώματος και οδηγούν σε βελτιωμένες αποδόσεις εκχύλισης των καροτενοειδών Στην ενζυμικά υποβοηθούμενη εκχύλιση (ΕΥΕ), η δράση της πηκτινάσης και η χρήση του γαλακτικού αιθυλεστέρα είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της ανάκτησης του λυκοπενίου κατά 9 φορές σε σχέση με απόβλητα τομάτας που δεν είχαν υποστεί ενζυμική κατεργασία. β) Εφαρμογή υψηλής υδροστατικής πίεσης (ΥΥΠ) από ΜΡa σε συνδυασμό με οργανικούς διαλύτες. Η υψηλή υδροστατική πίεση αυξάνει τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας, προκαλεί διάρρηξη των φυτικών κυττάρων και βοηθά στην εκχύλιση των καροτενοειδών. Η εφαρμογή υψηλής υδροστατικής πίεσης (ΥΥΠ) 700 ΜΡa για χρόνο 10 min και μίγμα εξανίου-οξικού αιθυλεστέρα αύξησε την απόδοση σε λυκοπένιο κατά 43% σε σχέση με την απλή εκχύλιση με το ίδιο μίγμα διαλυτών, διάρκειας 30 min. Επιπλέον, η μείωση της αναλογίας όγκου διαλύτη: στερεού αποβλήτου δεν επηρέασε σημαντικά την απόδοση σε ολικά καροτενοειδή. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η βιομηχανία επεξεργασίας τομάτας παράγει σημαντικές ποσότητες αποβλήτων, που αποτελούνται κυρίως από φλοιούς και σπόρους τομάτας, σε ποσοστό που κυμαίνεται από 10-40% της συνολικής ποσότητας της επεξεργασμένης τομάτας. Τα απόβλητα της ελληνικής βιομηχανικής επεξεργασίας προϊόντων τομάτας προορίζονται κυρίως για ζωοτροφές ή λιπάσματα, παρόλο που, λόγω της υψηλής τους περιεκτικότητας σε καροτενοειδή, αποτελούν σημαντική και χαμηλού κόστους πρώτη ύλη παραγωγής φυσικών βιοδραστικών συστατικών. Η εκχύλιση με χρήση οργανικών διαλυτών είναι η πλέον καθιερωμένη μέθοδος ανάκτησης καροτενοειδών στη βιομηχανία τροφίμων, αν και τα βασικά της μειονεκτήματα είναι η κατανάλωση μεγάλων ποσοτήτων διαλυτών, ενίοτε τοξικών για το περιβάλλον, ο παρατεταμένος χρόνος εκχύλισης και η επιπλέον διεργασία απομάκρυνσης του διαλύτη από το τελικό προϊόν. Οι μέθοδοι εκχύλισης μετά από ενζυμική προκατεργασία της πρώτης ύλης έχουν κερδίσει το ενδιαφέρον των ερευνητών, επειδή επιτυγχάνουν ταχύτερη εκχύλιση, αποτελεσματικότερη ανάκτηση των βιοδραστικών συστατικών, χαμηλή κατανάλωση διαλυτών και μειωμένη κατανάλωση ενέργειας, συγκρινόμενες με μη ενζυμικές μεθόδους εκχύλισης. Τα ένζυμα που χρησιμοποιούνται είναι κυτταρινάσες και πηκτινάσες που διασπούν τη δομική ακεραιότητα των κυτταρικών τοιχωμάτων, καθιστώντας τα ενδοκυτταρικά συστατικά περισσότερο εκτεθειμένα στην εκχύλιση.

2 Η εκχύλιση των βιοδραστικών ενώσεων περιγράφεται ως ένα σύνθετο φαινόμενο μεταφοράς μάζας, όπου ο διαλύτης διεισδύει στις φυτικές δομές, διαλύει τα στερεά συστατικά και το διάλυμα διαχέεται μέσω των φυτικών κυττάρων προς την κυρίως μάζα του διαλύτη. Η χρήση της υψηλής υδροστατικής πίεσης (ΥΥΠ) αυξάνει τη διαπερατότητα των κυττάρων και ενισχύει τη διάχυση των συστατικών. Η χρήση της τεχνολογίας υψηλής υδροστατικής πίεσης (ΥΥΠ) στην επεξεργασία των τροφίμων εφαρμόζεται από το 1990, εν τούτοις η εφαρμογή της ΥΥΠ για την εκχύλιση βιοδραστικών ενώσεων από τα τρόφιμα είναι ένα πεδίο προς διερεύνηση και ανάπτυξη. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η διερεύνηση της δυνατότητας της ενζυμικά υποβοηθούμενης εκχύλισης (ΕΥΕ) και της τεχνολογίας υψηλής υδροστατικής πίεσης (ΥΥΠ) ως εναλλακτικών μεθόδων εκχύλισης, προκειμένου να ανακτηθούν τα καροτενοειδή, και ιδιαίτερα το λυκοπένιο, από τα απόβλητα τομάτας. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Χημικά αντιδραστήρια και ένζυμα Οι οργανικοί διαλύτες που χρησιμοποιήθηκαν για τις εκχυλίσεις ήταν αναλυτικού βαθμού καθαρότητας, προμηθευμένοι από τις εταιρείες Fisher Scientific, Sigma Chemical Co. και Fluka Analytical. Για τις αναλύσεις HPLC, χρησιμοποιήθηκαν οι διαλύτες ακετονιτρίλιο, 1- βουτανόλη και διχλωρομεθάνιο, βαθμού καθαρότητας HPLC, από τη Merck. Για την παρασκευή προτύπων διαλυμάτων λυκοπενίου για φασματοφωτομετρικές μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε λυκοπένιο 10% FS από την εταιρεία DSM Nutritional Products, ενώ για την παρασκευή προτύπων διαλυμάτων λυκοπενίου για μετρήσεις HPLC, έγινε χρήση προτύπου αll-trans-λυκοπενίου από Sigma Chemical Co. Για την ενζυμικά υποβοηθούμενη εκχύλιση (ΕΥΕ) χρησιμοποιήθηκαν: α) ένα παρασκεύασμα ενζύμου κυτταρινάσης Aspergillus niger σε σκόνη με την εμπορική ονομασία Cellulyve AN 3500 από Lyven SA (Colombelles, Γαλλία), με ενζυματική δράση 3500 ± 200 U/g και ρη 4-6 (συγκέντρωση 1%) και β) ένα υγρό παρασκεύασμα ενζύμου από Aspergillus aculeatus και Aspergillus niger με ονομασία Pectinex Ultra AFP (10000 PECTU/mL) από τη Novozymes (Bagsvaerd, Δανία). Οργανολογία Η μονάδα υψηλής υδροστατικής πίεσης (ΥΥΠ) που χρησιμοποιήθηκε (Food Pressure Unit FPU 1.01, Resato International BV, Roden, Holland) περιελάμβανε ένα σύστημα έξι δοχείων χωρητικότητας 45 ml έκαστο, με μέγιστη πίεση λειτουργίας 1000 MPa και θερμοκρασία 90ºC. Το ρευστό που μεταδίδει την πίεση ήταν πολυγλυκόλη, κατηγορίας ιξώδους ISO VG 15 (Resato International BV, Roden, Holland). Η θερμοκρασία επεξεργασίας μέσα στα δοχεία επιτυγχάνεται με την κυκλοφορία νερού στον εξωτερικό μανδύα και ελέγχεται από σύστημα ψύξης-θέρμανσης. Το σύστημα Υγρής Χρωματογραφίας Υψηλής απόδοσης (HPLC) ήταν Hewlett Packard Series 1100 (Waldbronn, Germany) και περιλαμβάνει έναν ανιχνευτή συστοιχίας διόδων, μια αντλία, έναν απαερωτή κενού (Agilent 1100 Series Micro Vacuum Degasser) και σύστημα έγχυσης δείγματος (Rheodyne model 7010). Το σύστημα ήταν εφοδιασμένο με μια στήλη C 30 YMC (Tokyo, Japan) (250x4.6 mm ID, 5μm μέγεθος πόρων). Για την ανάλυση HPLC χρησιμοποιήθηκε ως κινητή φάση ακετονιτρίλιο (Α), 1-βουτανόλη (Β), και διχλωρομεθάνιο (C) με το ακόλουθο σύστημα βαθμωτής έκλουσης: 69,3% Α, 29,7% Β και 1,0% C, αρχικά, αυξανόμενο σε 67,2% Α, 28,8 Β% και 4% C σε 10 min, 61,6% Α, 26,4% Β και 12% C σε 20 min, 49% Α, 21% Β και 30% C σε 40 min και σε Α 69,3%, 29,7% και Β 1% C σε 50 min. Ο

3 ρυθμός ροής ήταν 2 ml min-1, η θερμοκρασία της στήλης 25 C και η ανίχνευση διεξήχθη σε 472 nm. Μεθοδολογία Τα απόβλητα επεξεργασίας βιομηχανικής τομάτας, αποτελούμενα από φλοιούς και σπόρους, συλλέχθηκαν από το ελληνικό εργοστάσιο επεξεργασίας τομάτας ΝΟΜΙΚΟΣ. Τα στάδια που περιλαμβάνονται στην εκχύλιση των καροτενοειδών από απόβλητα τομάτας, με χρήση της ενζυμικά υποβοηθούμενης εκχύλισης (ΕΥΕ) και της υψηλής υδροστατικής πίεσης (ΥΥΠ), συνοψίζονται στο Σχήμα 1. Σχήμα 1. Στάδια εκχύλισης καροτενοειδών από απόβλητα τομάτας. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Ενζυμικά υποβοηθούμενη εκχύλιση (ΕΥΕ) καροτενοειδών Η ενζυμική κατεργασία μελετήθηκε σε συνδυασμό με τον διαλύτη εκχύλισης. Ως διαλύτες εκχύλισης χρησιμοποιήθηκαν το εξάνιο,η αιθανόλη, η ακετόνη, ο οξικός αιθυλεστέρας, ο γαλακτικός αιθυλεστέρας και το μίγμα εξάνιου-οξικού αιθυλεστέρα (50:50, v/v). Η ενζυματική κατεργασία διεξήχθη σε επιλεγμένες βέλτιστες συνθήκες που καθορίστηκαν σε προκαταρκτικά πειράματα. Ο χρόνος επώασης ήταν 180 min, και οι ενζυμικές συγκεντρώσεις ήταν 70 U/g αποβλήτου και 122,5 U/g αποβλήτου, με πηκτινάση και κυτταρινάση, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στα Σχήματα 2 και 3. Και τα δύο ένζυμα ήταν αποτελεσματικά ως προς την αύξηση της απόδοσης των αποβλήτων τομάτας σε ολικά καροτενοειδή και στην εκχύλιση του λυκοπενίου, σε σχέση με τα μη ενζυμικά κατεργασμένα, με την πηκτινάση να έχει μικρό προβάδισμα. Η βελτίωση της απόδοσης ήταν διαφορετική με κάθε διαλύτη, με καλύτερα αποτελέσματα με το γαλακτικό αιθυλεστέρα. Πιο συγκεκριμένα, η απόδοση του λυκοπενίου μετά από κατεργασία αποβλήτων τομάτας με πηκτινάση και εκχύλιση με γαλακτικό αιθυλεστέρα αυξήθηκε σχεδόν 9 φορές σε σχέση με εκχύλιση αποβλήτων που δεν ήταν ενζυμικά κατεργασμένα (Σχήμα 3).

4 Περιεκτικότητα σε λυκοπένιο (mg/100g dw) Απόδοση σε ολικά κροτενοειδή (mg/100g dw) 9 ο ΠΕΣΧΜ: Η Συμβολή της Χημικής Μηχανικής στην Αειφόρο Ανάπτυξη PECTINASE CELLULASE UNTREATED 0.01 Σχήμα 2. Ολικά καροτενοειδή (mg/100g dw αποβλήτων τομάτας) που εκχυλίστηκαν με χρήση διαλυτών μετά από ενζυμική κατεργασία PECTINASE CELLULASE UNTREATED 0.01 Σχήμα 3. Περιεκτικότητα σε λυκοπένιο (mg/100g dw αποβλήτων τομάτας) που εκχυλίστηκαν με χρήση διαλυτών μετά από ενζυμική κατεργασία. Εφαρμογή ΥΥΠ στην εκχύλιση των καροτενοειδών Η εκχύλιση των καροτενοειδών με χρήση ΥΥΠ διεξήχθη σε ευρεία κλίμακα πιέσεων από MPa και για χρονικό διάστημα από 1-30 min σε προκαταρκτικά πειράματα. Επιλέχθηκαν πίεση 700 MPa και χρονική διάρκεια 10 min, ως βέλτιστες συνθήκες επεξεργασίας. Η σύγκριση των αποδόσεων για τα ολικά καροτενοειδή και το λυκοπένιο της κλασικής και της εκχύλισης με ΥΥΠ αποβλήτων τομάτας παρουσιάζεται στον Πίνακα 1. Στο Σχήμα 4 φαίνεται η επίδραση της αναλογίας διαλύτη:στερεού αποβλήτου στην απόδοση σε ολικά καροτενοειδή μετά από εκχύλιση με ΥΥΠ. Πίνακας 1. Σύγκριση αποδόσεων για ολικά καροτενοειδή και λυκοπένιο της κλασικής και της εκχύλισης με ΥΥΠ αποβλήτων τομάτας. Διαλύτες Ολικά Περιεκτικότητα καροτενοειδή σε λυκοπένιο ΚΛΑΣΙΚΗ (mg/100g dw) (mg/100g dw) ΕΚΧΥΛΙΣΗ Αιθανόλη 0.366±0.014 a 0.238±0.006 a

5 ΚΛΑΣΙΚΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ Εξάνιο 1.804±0.177 abc 1.510±0.117 b Εξάνιο-Αιθανόλη (50:50) 1.998±0.113 bc 1.379±0.058 b Ακετόνη 2.068±0.233 bc 1.448±0.102 b Εξάνιο-Ακετόνη (50:50) 2.197±0.093 bc 1.582±0.066 b Οξικός αιθυλεστέρας 2.328±0.198 bc 1.653±0.140 b Εξάνιο-Οξικός αιθυλεστέρας (50:50) 2.681±0.212 c 1.723±0.242 b Εξάνιο-Γαλακτικός αιθυλεστέρας (50:50) 5.760±0.489 e 4.608±0.260 d Γαλακτικός αιθυλεστέρας ±1.768 f 8.515±0.723 e ΥΥΠ 700MPA/10 min Αιθανόλη 0.920±0.198 ab 0.714±0.086 a Εξάνιο 2.215±0.047 bc 1.767±0.140 b Εξάνιο-Αιθανόλη (50:50) 1.755±0.148 abc 1.448±0.102 b Ακετόνη 2.317±0.229 bc 1.493±0.170 b Εξάνιο-Ακετόνη (50:50) 2.277±0.161 bc 1.614±0.090 b Οξικός αιθυλεστέρας 2.389±0.174 bc 1.782±0.189 b Εξάνιο-Οξικός αιθυλεστέρας (50:50) 4.401±1.358 d 2.472±0.209 c Εξάνιο-Γαλακτικός αιθυλεστέρας (50:50) 6.464±1.004 e 4.946±0.460 d Γαλακτικός αιθυλεστέρας ±0.891 g 8.072±0.820 e Οι τιμές με διαφορετικούς εκθέτες στην ίδια στήλη διαφέρουν σημαντικά (p<0.05). Σχήμα 4. Επίδραση της αναλογίας διαλύτη:στερεού αποβλήτου (4:1, 6:1, 10:1) στην απόδοση σε ολικά καροτενοειδή μετά από εκχύλιση με ΥΥΠ. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι η ανάκτηση των ολικών καροτενοειδών και του λυκοπενίου από απόβλητα επεξεργασίας τομάτας βελτιώθηκε με τη χρήση ενζύμων. Η εκχύλιση με ΥΥΠ ενίσχυσε σημαντικά την απόδοση σε ολικά καροτενοειδή στον γαλακτικό αιθυλεστέρα και στο μίγμα εξανίου-οξικού αιθυλεστέρα και στο λυκοπένιο στο μίγμα

6 εξανίου-οξικού αιθυλεστέρα. Επιπλέον, στην εκχύλιση με ΥΥΠ μπορεί να μειωθεί ο όγκος επιλεγμένων διαλυτών (αναλογία 4:1) χωρίς να επηρεαστεί σημαντικά η απόδοση. Επομένως και οι δύο τεχνολογίες δίνουν καλύτερα αποτελέσματα από τις συμβατικές μεθόδους εκχύλισης, ιδιαίτερα δε η ΥΥΠ μπορεί να εφαρμοσθεί με μικρότερες ποσότητες οργανικών διαλυτών και σε μικρότερους χρόνους εκχύλισης με προφανή περιβαλλοντικά και οικονομικά ωφέλη.. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Strati I.F. and Oreopoulou V., Effect of extraction parameters on the carotenoid recovery from tomato waste, Int. J. Food Sci Tech, 46:23 29 (2011). [2] Jun, X., Application of high hydrostatic pressure processing of food to extracting lycopene from tomato paste waste, High Pressure Research, 26(1):33-41 (2006).