ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΕΛΑΙΟΥ ΑΠΟ ΓΙΓΑΡΤΑ ΟΙΝΟΠΟΙΗΣΗΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΚΑΙ ΑΓΡΟΤΙΚΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΩΝ ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΕΛΑΙΟΥ ΑΠΟ ΓΙΓΑΡΤΑ ΟΙΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΦΟΙΤΗΤΡΙΑΣ ΛΟΛΑ ΔΕΣΠΟΙΝΑΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ : ΑΣΗΜΟΠΟΥΛΟΥ ΑΝΔΡΕΑΝΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ,

2 2

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα Εργαστήρια Τεχνολογίας Βιομηχανιών Τροφίμων και Αγροτικών Βιομηχανιών, του τμήματος Χημικών Μηχανικών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, και Επεξεργασίας και Μηχανικής Τροφίμων του Τομέα Επιστήμης και Τεχνολογίας Τροφίμων, της Σχoλής Γεωπονίας, Δασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος, του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την επίκουρη καθηγήτρια του Τομέα Επιστήμης και Τεχνολογίας Τροφίμων της Σχολής Γεωπονίας, Δασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος, κ. Αθανασία Γούλα, για την ανάθεση του θέματος, αλλά κυρίως για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε, την καθοδήγηση και τις χρήσιμες συμβουλές της καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης αυτής της μελέτης. Θα ήθελα, επίσης, να ευχαριστήσω την καθηγήτρια κ. Ανδρεάνα Ασημοπούλου για την επίβλεψη του θέματος εκ μέρους του τμήματος Χημικών Μηχανικών, τη συνεργασία και τη συμμετοχή της στην επιτροπή εξέτασης της διπλωματικής μου εργασίας. Ακόμη, οφείλω να ευχαριστήσω τη μεταπτυχιακή φοιτήτρια Μαρία Τσιβίκη του Τμήματος Γεωπονίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, για την άριστη συνεργασία, την υπομονή και τη βοήθειά της, τον υποψήφιο διδάκτορα Κυριάκο Καδερίδη και τη μεταπτυχιακή φοιτήτρια του ίδιου Τμήματος Λυγερή Παπαοικονόμου για τις πολύτιμες συμβουλές και επεξηγήσεις τους, όπως επίσης όλους τους συναδέλφους του εργαστηρίου Επεξεργασίας και Μηχανικής Τροφίμων, για το φιλικό κλίμα που δημιούργησαν κατά την εκπόνηση της διπλωματικής μου εργασίας. Τέλος, δεν θα μπορούσα να παραλέιψω να ευχαριστήσω τους φίλους μου που είναι πάντα δίπλα μου και την οικογένειά μου για την αγάπη και τη στήριξη που μου προσέφεραν όλα αυτά τα χρόνια. 3

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα τελευταία χρόνια υπάρχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την εκχύλιση ελαίου από φυτικούς ιστούς και την αξιοποίησή του, λόγω της υψηλής βιολογικής του δράσης και της δυνατότητας χρήσης του στην παραγωγή προϊόντων υψηλής διατροφικής αξίας. Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η αξιοποίηση των στερεών υπολειμμάτων της οινοποίησης και, συγκεκριμένα, η εκχύλιση ελαίου από γίγαρτα και η βελτιστοποίηση αυτής. Οι μέθοδοι που μελετήθηκαν για την εξαγωγή ελαίου είναι αυτή των υπερήχων και των μικροκυμάτων. Ο διαλύτης που χρησιμοποιήθηκε και στις δύο περιπτώσεις είναι το κανονικό εξάνιο. Στόχος ήταν η σύγκριση των μεθόδων εκχύλισης, τόσο μεταξύ τους όσο και με άλλες συμβατικές μεθόδους, καθώς και η μελέτη της επίδρασης των λειτουργικών παραμέτρων στην απόδοση της εκχύλισης. Ειδικότερα, οι λειτουργικές παράμετροι που παίζουν σημαντικό ρόλο στην εκχύλιση με υπερήχους είναι η θερμοκρασία, η ένταση του παλμού των υπερήχων και η αναλογία εξανίου/σκόνης γιγάρτων. Οι τιμές των παραπάνω παραμέτρων κυμάνθηκαν ως εξής: 20 εώς 65 ο C για τη θερμοκρασία, 30 εώς 60% για την ένταση του παλμού και 8:1 εώς 24:1 ml/g η αναλογία εξανίου/σκόνης γιγάρτων. Η μελέτη της επίδρασης έγινε μέσω κατάλληλου πειραματικού σχεδιασμού, που περιελάμβανε 20 πειραματικές δοκιμές, ενώ ο χρόνος εκχύλισης ήταν 15 min και η διάρκεια παλμού/μεσοδιάστημα μεταξύ των παλμών 2/1. Η απόδοση της εκχύλισης κυμάνθηκε μεταξύ 4.8 και 10.88% (g/g σκόνης γιγάρτων). Η μέγιστη απόδοση (10.88%) επιτεύχθηκε σε θερμοκρασία 42.5 ο C, αναλογία διαλύτη/σκόνης γιγάρτων 16:1 ml/g και ένταση παλμού 45%. Η στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι βέλτιστες συνθήκες για την εξαγωγή του ελαίου είναι θερμοκρασία 40 ο C, αναλογία διαλύτη/σκόνης γιγάρτων 24:1 ml/g και ένταση παλμού 30%. Στην εκχύλιση με μικροκύματα οι παράγοντες που μελετήθηκαν ήταν η ισχύς της ακτινοβολίας με εύρος τιμών απο 100 εώς 600 W και η αναλογία εξανίου/σκόνης που κυμάνθηκε μεταξύ 8:1 και 24:1 ml/g. Ο χρόνος εκχύλισης επιλέχθηκε να είναι 5 min και οι τιμές θερμοκρασίας και πίεσης διατηρήθηκαν σταθερές σε όλα τα πειράματα (80 ο C και 75 bar αντίστοιχα). Όμοια με τους υπερήχους, πραγματοποιήθηκε πειραματικός σχεδιασμός και έλαβαν χώρα 13 πειράματα. Η απόδοση της εκχύλισης κυμάνθηκε μεταξύ 2.33 και 13.04% (g/g σκόνης γιγάρτων) και οι τιμές των λειτουργικών παραμέτρων που οδηγούν στη μέγιστη απόδοση (13.04%) είναι W για την ισχύ της ακτινοβολίας και 21.7:1 ml/g για την αναλογία διαλύτη/σκόνης γιγάρτων. Οι βέλτιστες συνθήκες ήταν ισχύς ακτινοβολίας μικροκυμάτων 100 W και αναλογία διαλύτη/σκόνης γιγάρτων 24:1 ml/g, με βέλτιστη απόδοση ίση με 14.18%. 4

5 Η σύγκριση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι η μέθοδος των μικροκυμάτων υπερέχει της μεθόδου των υπερήχων, ενώ η σύγκριση με την κλασική μέθοδο της εκχύλισης με ανάδευση οδήγησε στο συμπέρασμα πως οι τεχνολογίες υπερήχων και μικροκυμάτων υπερτερούν άλλων μεθόδων εκχύλισης, μειώνοντας σημαντικά τον χρόνο εκχύλισης και προσφέροντας πιο ικανοποιητικές αποδόσεις. 5

6 ABSTRACT Great interest has been developing in recent years in the extraction of oil from plant tissues and its utilization due to its high biological activity in the production of high nutritional value products. The objective of this work is to exploit the solid residues of winemaking, by the extraction of grape seed oil and the optimization of the extraction. The methods applied and studied to extract the oil were ultrasound-assisted extraction (UAE) and microwave-assisted extraction (MAE). The solvent, which is used in both cases, is n- hexane. The aim was also to compare the extraction methods with other conventional methods. As well as, the influence of the process variables on the extraction yield was studied. Specifically, the operating parameters that play an important role in the ultrasoundassisted extraction of seed oil are the extraction temperature, the amplitude level, and the hexane/seed ratio. The values of the above parameters were as follows: 20 to 65 C for the temperature, 30 to 60% for the amplitude level and 8:1 to 24:1 ml/g for the ratio of solvent/seeds. An experimental design was developed with 20 experiments. The extraction time was 15 minutes and the pulse duration/pulse interval ratio was 2/1. The yield of the extraction ranged between 4.8 and 10.88% (g/g seed). The maximum yield (10.88%) was obtained at an extraction temperature of 42.5 C, at a 16:1 ml/g hexane/seed ratio and an amplitude level 45%. The statistical analysis of the results showed that the optimum conditions were 40 C temperature, 24:1 ml/g hexane/seed ratio and 30% amplitude level. Under these conditions, the expected yield was 11.55%, while the experimental value was 13.92%. In microwave-assisted extraction, the operating parametres were the radiation power of the microwaves, which was selected to vary between 100 and 600 W, and the hexane/seed ratio, which varied between 8:1 and 24:1 ml/g. The extraction time was 5 min and the values of temperature and pressure were kept constant throughout the experiments (80 C and 75 bar, respectively). An experimental design, similar to the previous one, was carried out and thirteen (13) experiments were performed. The yield of the extraction ranged between 2.33 and 13.04% (g/g seed) and the values of the operating parameters corresponding to the maximum yield (13.04%) were W for the radiation power and 21.7:1 ml/g for the hexane/seed ratio. From the statistical analysis, the optimum conditions were 100 W and 24:1 ml/g hexane/seed ratio. These values led to an optimum yield of 14.18%. 6

7 Comparing the results, it is concluded that the microwave-assisted method is more effective for the extraction of grape seed oil than the ultrasound-assisted method. Moreover, the comparison of the two methods with the conventional extraction by stirring showed that both ultrasound- and microwave-assisted methods are superior reducing the extraction time and obtaining higher extraction yields. 7

8 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΓΙΓΑΡΤΑ ΟΙΝΟΠΟΙΗΣΗΣ Γενικά Οινοποίηση Είδη αποβλήτων οινοποίησης Στερεά απόβλητα οινοποίησης Υγρα απόβλητα οινοποίησης Γίγαρτα Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά γιγάρτων Έλαιο γιγάρτων Χημική σύσταση ελαίου γιγάρτων Βιολογικές δράσεις ελαίου γιγάρτων Χρήσεις ελαίου γιγάρτων Μέθοδοι αξιοποίησης γιγάρτων ΠΑΡΑΛΑΒΗ ΕΛΑΙΟΥ ΑΠΟ ΓΙΓΑΡΤΑ Γενικά Ανάδευση Απόσταξη Μηχανική παραλαβή-πίεση Εκχύλιση Soxhlet Υπερκρίσιμη εκχύλιση Εκχύλιση με υπερήχους Μηχανισμός υπερήχων Παράμετροι εκχύλισης με υπερήχους Εφαρμογές υπερήχων στην εκχύλιση ελαίου από φυτικούς ιστούς Εκχύλιση με μικροκύματα Μηχανισμός μικροκυμάτων Παράμετροι εκχύλισης με μικροκύματα

9 Εφαρμογές μικροκυμάτων στην εκχύλιση ελαίου από φυτικούς ιστούς ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ Γίγαρτα σταφυλιού Εκχύλιση ελαίου από γίγαρτα Εκχύλιση με υπερήχους Εκχύλιση με μικροκύματα Πειραματικός σχεδιασμός εκχύλισης Εκχύλιση με υπερήχους Εκχύλιση με μικροκύματα ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Κατανομή μεγέθους σωματιδίων γιγάρτων Εκχύλιση ελαίου από γίγαρτα με υπερήχους Επίδραση λειτουργικών παραμέτρων στην απόδοση εκχύλισης Βελτιστοποίηση απόδοσης εκχύλισης Εκχύλιση ελαίου από γίγαρτα με μικροκύματα Επίδραση λειτουργικών παραμέτρων στην απόδοση εκχύλισης Βελτιστοποίηση απόδοσης εκχύλισης Σύγκριση μεθόδων εκχύλισης με μικροκυμάτα και υπερήχους ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

10 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 2.1: Πολυφαινόλες και φαινολικά οξέα που βρίσκονται στα γίγαρτα...10 Πίνακας 3.1: Διάμετροι οπών κοσκίνων...27 Πίνακας 3.2: Πειραματικός σχεδιασμός εκχύλισης με τη μέθοδο των υπερήχων...33 Πίνακας 3.3: Πειραματικός σχεδιασμός εκχύλισης με τη μέθοδο των μικροκυμάτων...33 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 2.1: Στάδια οινοποιήσης και παραγωγής αποβλήτων...6 Σχήμα 4.1: Κατανομή μεγέθους σωματιδίων της σκόνης γιγάρτων a) Απλή κατανομή b) Αθροιστική κατανομή...34 Σχήμα 4.2: Κύριες επιδράσεις της θερμοκρασίας (Τ), της αναλογίας διαλύτη/σκόνης (LS) και της έντασης παλμού (Α) στην απόδοση εκχύλισης...37 Σχήμα 4.3: Επιφάνειες απόκρισης επίδρασης της θερμοκρασίας (Τ), της αναλογίας διαλύτη/σκόνης (LS) και της έντασης παλμού (Α) στην απόδοση εκχύλισης...37 Σχήμα 4.4: Βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης ελαίου από γίγαρτα με τη μέθοδο των υπερήχων...40 Σχήμα 4.5: Κύριες επιδράσεις της ισχύος ακτινοβολίας (P) και της αναλογίας διαλύτη/σκόνης (LS) στην απόδοση εκχύλισης...42 Σχήμα 4.6: Επιφάνειες απόκρισης επίδρασης της ισχύος ακτινοβολίας (Ρ) και της αναλογίας διαλύτη/σκόνης (LS) στην απόδοση εκχύλισης...42 Σχήμα 4.7: Αλληλεπιδράσεις της ισχύος ακτινοβολίας (Ρ) και της αναλογίας διαλύτη/σκόνης (LS) στην απόδοση εκχύλισης...43 Σχήμα 4.8: Βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης ελαίου από γίγαρτα με τη μέθοδο των μικροκυμάτων...44 Σχημα 4.9: Θηκόγραμμα με τις αποδόσεις εκχύλισης ελαίου με υπερήχους και μικροκύματα

11 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 2.1: Γίγαρτα...3 Εικόνα 2.2: Προϊόν για πρόσωπο και σώμα από γιγαρτα...12 Εικόνα 2.3: Συσκευή υδροαπόσταξης...15 Εικόνα 2.4: Συσκευή υδροατμοαπόσταξης...16 Εικόνα 2.5: Συσκευή απόσταξης με υδρατμούς...16 Εικόνα 2.6: Συσκευή εκχύλισης Soxhlet...18 Εικόνα 2.7: Διάταξη υπερκρίσιμης εκχύλισης...19 Εικόνα 2.8: Μηχανισμός της λύσης του κυτταρικού τοιχώματος (α) λύση του κυτταρικού τοιχώματος λόγω της δημιουργίας ρωγμής στην κοιλότητα (β) διάχυση του διαλύτη μέσα στη δομή του κυττάρου...21 Εικόνα 2.9: Τρόπος δράσης φυσαλίδας σπηλαίωσης...21 Εικόνα 2.10: Συσκευή εκχύλισης με υπερήχους...22 Εικόνα 2.11: Τα βήματα της εκχύλισης με μικροκύματα...24 Εικόνα 2.12: Συσκευή εκχύλισης με μικροκύματα...25 Εικόνα 3.1: a) Εκχύλιση με κανονική ανάδευση b) Διήθηση και παραλαβή διαλύματος ελαίου-εξανίου c)συμπύκνωση σε περιστροφικό συμπυκνωτήρα κενού...29 Εικόνα 3.2: Συσκευή εκχύλισης άμεσων υπερήχων...30 Εικόνα 3.3: Συσκευή εκχύλισης μικροκυμάτων

12 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η καλλιέργεια σταφυλιών αποτελεί τη μεγαλύτερη καλλιέργεια φρούτου παγκοσμίως. Περισσότερα από 60 εκατομμύρια τόνοι σταφυλιού παράγονται παγκοσμίως κάθε χρόνο. Σύμφωνα με τα στοιχεία του Διεθνούς Οργανισμού Αμπέλου και Οίνου (OIV), η χώρα μας κατατάσσεται στη δωδέκατη θέση παγκοσμίως όσον αφορά στην ετήσια παραγόμενη ποσότητα οίνου για το έτος 2013, με εκατομμύρια εκατόλιτρα, με το 40% να αποτελεί τον ερυθρό, ενώ το 60% τον λευκό οίνο (Vlyssides et al., 2005). Στην Ευρώπη, ετησίως συλλέγονται 14.5 εκατομμύρια τόνοι αποβλήτων οινοποιείων (Teixeira et al., 2014). Κατά τη διαδικασία της οινοποίησης συλλέγονται παραπροϊόντα οργανικά και ανόργανα ενώ γίνεται και εκπομπή αερίων (Teixeira et al., 2014). Τα απόβλητα οινοποιίας περιλαμβάνουν τα στέμφυλα, τα γίγαρτα και τους βοστρύχους τα οποία είναι κυρίως λιγνινοκυτταρινούχα υπολείμματα, καθώς και την οινολάσπη. Τα οινοποιεία είναι στην πλειοψηφία τους επιχειρήσεις μικρής κλίμακας που δεν έχουν τη δυνατότητα να καλύψουν το κόστος εγκατάστασης συστημάτων επεξεργασίας των στερεών τους αποβλήτων, με αποτέλεσμα να τα διαχειρίζονται με περιβαλλοντικά μηαποδεκτές μεθόδους. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με την αυξημένη ζήτηση για προϊόντα εκχύλισης από φυτά καθιστά απαραίτητη την αξιοποίηση των παραπροϊόντων ή υποπροϊόντων ή αποβλήτων που παράγονται από διάφορες βιομηχανικές διεργασίες. Τα γίγαρτα αποτελούν μια άριστης ποιότητας πρώτη ύλη για την παραγωγή τέτοιων εκχυλισμάτων και υπάρχουν σε σημαντικές ποσότητες σε κάθε οινοπαραγωγό χώρα. Ένα πολύτιμο προϊόν που παράγεται με εκχύλιση από τα γίγαρτα είναι το γιγαρτέλαιο με πληθώρα εφαρμογών στη βιομηχανία καλλυντικών και φαρμακευτικών προϊόντων. Από την Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων το 2012 αναφέρεται ότι το γιγαρτέλαιο χρησιμοποιείται σε 495 καλλυντικά σκευάσματα (Food and Drug Administration (FDA), 2012) και σαν ένα φαρμακευτικό προϊόν διατροφής που συνήθως καταναλώνεται ως συμπλήρωμα διατροφής μαζί με τη βιταμίνη C και Ε. Έίναι πλούσιο σε λιπαρά οξέα, πολυφαινόλες, βιταμίνες και πρωτεϊνες. Για την εκχύλιση ελαίου από γίγαρτα οινοποίησης έχουν εφαρμοσθεί ποικίλες συμβατικές μέθοδοι, όπως η εκχύλιση Soxhlet, η ανάδευση, η εκχύλιση με εφαρμογή πίεσης και η εκχύλιση σε υπερκρίσιμες συνθήκες με CO2. Οι μέθοδοι αυτές απαιτούν μεγάλο χρόνο για την επίτευξη της μέγιστης απόδοσης, το οποίο είναι οικονομικά ασύμφορο. Ο χρόνος εκχύλισης παίζει σημαντικό ρολό στην ποιότητα του ελαίου, καθώς αυτό χαρακτηρίζεται από υψηλό ποσοστό πολυακόρεστων λιπαρών οξέων τα οποία είναι ευαίσθητα σε εκτεταμένη μηχανική καταπόνηση. Έτσι, το ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια εστιάζεται 1

13 στην αναζήτηση της βέλτιστη σχέσης ισορροπίας μεταξύ του χρόνου εκχύλισης και της απόδοσης, έτσι ώστε να είναι οικονομικά συμφέρουσα η εκχύλιση. Το αποτέλεσμα είναι η ανάπτυξη δύο νέων τεχνικών, της εκχύλισης με υπερήχους και της εκχύλισης με μικροκύματα, οι οποίες φαίνεται να πληρούν τις παραπάνω προϋποθέσεις. Τόσο η εκχύλιση ελαίου με υπερήχους όσο και η εκχύλιση με μικροκύματα λαμβάνει χώρα σε σημαντικά μικρότερο χρόνο σε σχέση με τις ήδη χρησιμοποιούμενες μεθόδους, με αποτέλεσμα να παραλαμβάνεται έλαιο καλύτερης ποιότητας και επιπλέον η ποσότητα του εκχυλιζόμενου ελαίου να είναι ίση ή και μεγαλύτερη συγκρινόμενη με τις συμβατικές τεχνικές. Ωστόσο, η εφαρμογή των δύο αυτών καινοτόμων μεθόδων είναι ακόμα περιορισμένη σε γίγαρτα σταφυλιού, σε σχέση με άλλες εφαρμογές παραλαβής ελαίου από σπόρους ροδιού, φύλλα θυμαριού, λεβάντα, βασιλικό, δυόσμο και σπόρους λίνου. Έτσι, το αντικείμενο της παρούσας μελέτης είναι η εκχύλιση ελαίου από γίγαρτα οινοποίησης με τη μέθοδο των υπερήχων και τη μέθοδο των μικροκυμάτων και η βελτιστοποίηση της διεργασίας εκχύλισης σε κάθε περίπτωση. Προκειμένου να επιτευχθεί η βελτιστοποίηση, προσδιορίστηκαν οι αποδόσεις εκχύλισης και μελετήθηκαν οι παράγοντες που επηρεάζουν στατιστικά σημαντικά την απόδοση για κάθε μέθοδο. 2

14 2. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 2.1. ΓΙΓΑΡΤΑ ΟΙΝΟΠΟΙΗΣΗΣ Γενικά Τα γίγαρτα, κοινώς τα κουκούτσια, είναι οι σπόροι και τα όργανα αναπαραγωγής της αμπέλου. Στην εγκάρσια τομή ενός γιγάρτου διαπιστώνεται ότι αυτό αποτελείται από τη σάρκα ή λευκωματώδη ιστό, που προστατεύεται εξωτερικά από το κέλυφος ή επισπέρμιο. Στο εσωτερικό της σάρκας περικλείεται το έμβρυο. Ο λευκωματώδης ιστός είναι πλούσιος σε ουσίες που εξασφαλίζουν την αύξηση του εμβρύου κατά τη βλάστηση του γιγάρτου. Το έμβρυο αποτελείται από κύτταρα πλούσια σε αλατούχες ουσίες, ενώ το κέλυφος ή επισπέρμιο αποτελείται από τρεις χιτώνες όπου κατά τη διάρκεια της περιόδου ωρίμανσης εμπλουτίζεται σε φαινολικά παράγωγα (Τσακίρης, 1998). Εικόνα 2.1: Γίγαρτα ( Τα γίγαρτα αποτελούν το 10% του βάρους των ραγών. Γενικά, είναι πλούσια σε φαινολικά συστατικά (ταννίνες και μονομερείς κατεχίνες), τα οποία συνεισφέρουν στις ταννίνες του κρασιού (5-8%) και περιλαμβάνουν μεγάλες ποσότητες αζωτούχων συστατικών. Περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις ελαιωδών ουσιών (10%) και λιγότερες συγκεντρώσεις ρητινωδών συστατικών. Έχει σημειωθεί ότι οι εγίγαρτες ποικιλίες περιέχουν υψηλότερες συγκεντρώσεις αυξητικών ουσιών και αμπσισικού οξέος σε σχέση με τις αγίγαρτες, καθώς παρατηρείται μεγαλύτερος ρυθμός αύξησης του μεγέθους των ραγών κατά 3

15 την αρχική τους φάση ανάπτυξης και εντονότερη επίσχεση του ρυθμού αύξησης στη δεύτερη φάση. Γενικά, το μέγεθος και η σύνθεση των ραγών επηρεάζεται από την παρουσία των γιγάρτων. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των γιγάρτων τόσο μεγαλύτερου όγκου είναι η ράγα, με συγκριτικά μικρότερες συγκεντρώσεις σε σάκχαρα και νιτρώδη συστατικά, αλλά με μεγαλύτερα επίπεδα οξύτητας (Σουφλερός, 1997). Το μίγμα των στεμφύλων-γιγάρτων έχει ένα εύρος εφαρμογών που περιλαμβάνει τα λειτουργικά τρόφιμα (διαιτητικές ίνες, πολυφαινόλες), τη μεταποίηση τροφίμων (βιοεπιφανειοδραστικά) και τα φαρμακευτικά συμπληρώματα. Η πιο συχνή χρήση των στεμφύλων είναι προς παραγωγή αποσταγμάτων μέσω απόσταξης (π.χ. τσίπουρο) Οινοποίηση Η διαδικασία της οινοποίησης ξεκινά με τη συγκομιδή και τη θραύση. Λόγω της επίδρασής του στη σύσταση των σταφυλιών, ο κατάλληλος συγχρονισμός της συγκομιδής είναι μεγάλης σπουδαιότητας. Τα φρέσκα και πλήρως ωριμασμένα σταφύλια προτιμώνται ως πρώτη ύλη για την οινοποίηση. Η πρόωρη συγκομιδή οδηγεί σε «λεπτά», χαμηλής περιεκτικότητας σε οινόπνευμα κρασιά, ενώ η καθυστερημένη συγκομιδή μπορεί να οδηγήσει σε κρασιά με υψηλή περιεκτικότητα σε αλκοόλ και χαμηλή οξύτητα. Στη θράυση, τα σταφύλια συνθλίβονται και τους αποσπάται το κοτσάνι με τη χρήση θραυστήρα. Ο θραυστήρας αποτελείται από έναν διάτρητο κύλινδρο που περιέχει πτερύγια που περιστρέφονται με 600 έως στροφές/min. Τα σταφύλια καθώς συνθλίβονται πέφτουν μέσα από τις οπές του κυλίνδρου και οι περισσότεροι από τους μίσχους περνούν από το τέλος του. Οι ράγες που περνούν ανάμεσα από τους κυλίνδρους του θλιπτηρίου, σπάζουν και απελευθερώνεται μέρος του χυμού τους. Με κατάλληλη ρύθμιση της ταχύτητας περιστροφής των κυλίνδρων του θλιπτηρίου και της μεταξύ τους απόστασης, αποφεύγεται το σπάσιμο των κουκουτσιών, που θα έδινε στυφή γεύση στο κρασί. Έτσι, οι ζύμες του φλοιού έρχονται σε επαφή με τον ίδιο το χυμό. Ο διαχωρισμός του χυμού, η κατεργασία του μούστου και η αλκοολική ζύμωση, που αποτελούν τα επόμενα στάδια της οινοποίησης, διαφέρουν ανάλογα με τη μέθοδο οινοποίησης. Για το σκοπό αυτό θα μελετηθούν οι δύο πιο διαδεδομένες μέθοδοι που είναι η λευκή και η ερυθρή οινοποίηση. Λευκή οινοποίηση Κατά τη λευκή οινοποίηση, η σταφυλόμαζα που παραλαμβάνεται (χυμός και φλοιοί) οδηγείται στο πιεστήριο, όπου πιέζεται για να εξαχθεί ο χυμός. Ο χυμός οδηγείται κατά 4

16 κανόνα σε ανοξείδωτη δεξαμενή, όπου ψύχεται για κάποιο χρονικό διάστημα. Ακολουθεί η απολάσπωση, κατά την οποία το ψυγμένο γλεύκος διαυγάζεται, μέσω της κατακάθισης σωματιδίων που βρίσκονται σε αιώρηση. Διαρκεί συνήθως από 12 έως 14 ώρες, ανάλογα με το ποσοστό λασπών και προσβλέπει σε κρασιά με καθαρότερο άρωμα, πιο σταθερό χρώμα και λιγότερη ευαισθησία σε οξειδώσεις. Η λευκή οινοποίηση συνεχίζεται με το σημαντικότερο κομμάτι της, την αλκοολική ζύμωση, αφού ο καθαρός πλέον χυμός, μεταγγίζεται στη δεξαμενή ζύμωσης (συνήθως ανοξείδωτη). Μετά το τέλος της, όπου τα σάκχαρα έχουν μετατραπεί σε αλκοόλη, το λευκό κρασί μεταγγίζεται στις δεξαμενές αποθήκευσης ή σε βαρέλια, εάν είναι επιθυμητό το πέρασμα από αυτά (ωρίμανση), ώστε το κρασί να εμπλουτισθεί με άρωμα από τα χαρακτηριστικά του ξύλου και να αποκτήσει πιο «λιπαρή» και πλούσια γεύση. Ερυθρή οινοποίηση Η σταφυλόμαζα (χυμός και φλοιοί) μεταφέρεται σε δεξαμενές (συνήθως ανοξείδωτες), ώστε να ξεκινήσει η αλκοολική ζύμωση. Κατά τη διάρκειά της απελευθερώνεται διοξείδιο του άνθρακα (CO2), που δημιουργεί φυσαλίδες. Με τη βοήθεια των φυσαλίδων, οι φλοιοί ανεβαίνουν στην επιφάνεια των δεξαμενών, σχηματίζοντας μια σχετικά πυκνή μάζα, το «καπέλο». Οι ερυθρές χρωστικές ουσίες (ανθοκυάνες), στις οποίες οφείλεται το κόκκινο χρώμα του κρασιού, όπως και οι ταννίνες, που επηρεάζουν καθοριστικά τη γεύση, τη δομή και την υφή του βρίσκονται στους φλοιούς. Μόνο η επαφή του χυμού με το φλοιό, στη σωστή θερμοκρασία και για συγκεκριμένο χρόνο, δίνει το ποθητό αποτέλεσμα του χρωματισμού. Για τον λόγο αυτό, λαμβάνεται ο χυμός από τον πυθμένα της δεξαμενής και ανακυκλώνεται από την κορυφή της. Με αυτόν τον τρόπο, διαβρέχονται τα στέμφυλα. Ρυθμίζοντας λοιπόν το χρόνο της εκχύλισης, οι ποθητές ουσίες περνάν στο κρασί, το οποίο χρωματίζεται και αποκτά την επιθυμητή γεύση, δομή και υφή. Η εκχύλιση διαρκεί από ελάχιστες ημέρες έως και αρκετές εβδομάδες για τα ερυθρά και 12 ως 24 περίπου ώρες για τα ροζέ κρασιά. Μόλις ο χυμός αποκτήσει επιθυμητό χρώμα και γευστικό χαρακτήρα, απομακρύνεται από τους φλοιούς και, προκειμένου να ολοκληρωθεί η αλκοολική ζύμωση, μεταφέρεται σε άλλον περιέκτη όπως ανοξείδωτη δεξαμενή και/ή βαρέλια για ωρίμαση Είδη αποβλήτων οινοποίησης Απόβλητα παράγονται σε διάφορα στάδια της διαδικασίας παραγωγής του κρασιού. Τα απόβλητα οινοποιείου είναι οι βόστρυχοι, τα γίγαρτα, τα στέμφυλα και τα απόνερα. Αναλόγως των διαφόρων συνθηκών, όπως για παράδειγμα η συγκομιδή των σταφυλιών, τα 5

17 στέμφυλα και τα γίγαρτα μπορεί να αντιπροσωπεύουν περίπου το 20-30% του βάρους των σταφυλιών, εκ των οποίων το 73-90% αποτελούν τα στέμφυλα και το 6-20% τα γίγαρτα (Dwyer et al., 2014; Teixeira et al., 2014; Llobera & Canellas, 2007). Γενικά, τα απόβλητα που προκύπτουν από τα οινοποιεία χαρακτηρίζονται από υψηλή συγκέντρωση οργανικής ουσίας, οξύτητα, δυσάρεστες μυρωδιές και εποχική μεταβλητότητα που περιορίζεται μόνο κατά την περίοδο της συγκομιδής των σταφυλιών (3-4 μήνες ετησίως). O όγκος των αποβλήτων επεξεργασίας σε ένα οινοποιείο εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως το μέγεθος του οινοποιείου, το είδος του κρασιού που παράγεται, τον σχεδιασμό του οινοποιείου, τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται και, κατά κύριο λόγο, την εποχή του χρόνου. H δυναμικότητα ενός οινοποιείου είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας για τον καθορισμό του όγκου των αποβλήτων, δηλαδή όσο μεγαλύτερη η δυναμικότητα παραγωγής, τόσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος των αποβλήτων. Kατά γενικό κανόνα, τα απόβλητα των οινοποιείων παράγονται σε ποσότητα γαλλόνια ανά τόνο σταφυλιών που εκθλίβονται. (το 1 γαλλόνι ισοδυναμεί με περίπου 3.7 L). H μεγαλύτερη ποσότητα αποβλήτων σε ένα οινοποιείο παράγεται κατά την φθινοπωρινή περίοδο της έκθλιψης των σταφυλιών, οπότε χρησιμοποιείται και καθαρίζεται ο εξοπλισμός έκθλιψης, επεξεργασίας και ζύμωσης. H παραγωγή αποβλήτων κατά την περίοδο αιχμής που προαναφέρθηκε μπορεί ενδεχόμενα να είναι 2-πλάσια ή και 3-πλάσια αυτής που αντιστοιχεί σε "κανονική" περίοδο. Σχήμα 2.1: Στάδια οινοποίησης και παραγωγής αποβλήτων. 6

18 Στερεά απόβλητα οινοποίησης Στα στερεά απόβλητα των οινοποιείων ανήκουν οι φλοιοί σταφυλιών, τα κοτσάνια, τα φύλλα και τα γίγαρτα. Δημιουργούνται κανονικά σε ποσότητα kg ανά τόνο κατεργαζόμενων σταφυλιών, που σημαίνει ότι το 10-15% της κατεργαζόμενης στα θλιπτήρια μάζας απορρίπτεται υπό μορφή στερεών αποβλήτων. Επιπλέον, έχουν ειδικό βάρος γύρω στα 75 lb/ft 3, που διαφέρει ανάλογα με την ποικιλία του σταφυλιού και την απόδοση της μεθόδου έκθλιψης. Tα στερεά αυτά απόβλητα μπορούν στη συνέχεια να προστεθούν σε αμπελώνες ή βοσκοτόπια για την τροποποίηση της σύστασης του εδάφους (λίπασμα). Ένα άλλο στερεό απόβλητο της διαδικασίας της οινοποίησης είναι η οινολάσπη. Ως οινολάσπη ορίζεται: α) το υπόλειμμα που συσσωρεύεται στον πυθμένα των δοχείων που περιέχουν οίνο μετά τη ζύμωση, κατά την αποθήκευση ή μετά από επιτρεπόμενες επεξεργασίες, β) το υπόλειμμα που συσσωρεύεται στα δοχεία τα οποία περιέχουν γλεύκος και γ) το υπόλειμμα που μένει μετά από φιλτράρισμα ή φυγοκέντρηση του προϊόντος της περίπτωσης α και β (Καν. (ΕΚ) 479/2008). Η σύστασή της είναι πλούσια σε β-γλυκάνες, λόγω των ζυμομυκήτων που απέμειναν από τη ζύμωση του οίνου, και σε τρυγικό οξύ και αιθανόλη, προϊόντα τα οποία μπορούν να ανακτηθούν και να αποτελέσουν χρήσιμες πρώτες ύλες για τη βιομηχανία τροφίμων. Η οινολάσπη έχει πληθώρα εφαρμογών καθώς με επεξεργασία μπορούν να προκύψουν πολλά προϊόντα προστιθέμενης αξίας όπως αιθανόλη και τρυγικό οξύ Υγρα απόβλητα οινοποίησης Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, μέχρι και 70% της συνολικής ποσότητας νερού του οινοποιείου καταλήγει σε απόβλητο (Christ & Burritt, 2013). Τα λύματα που παράγονται στα οινοποιεία είναι χαμηλού ph και περιέχουν ανάγοντα σάκχαρα, αιθανόλη, οργανικά οξέα, αλδεΰδες και άλλα προϊόντα της αλκοολικής ζύμωσης, μαζί με σάπωνες και απορρυπαντικά που προέρχονται από διεργασίες καθαρισμού. Επίσης, στα υγρά απόβλητα περιλαμβάνονται και μικρότερου μεγέθους διαλυμένα στο νερό σωματίδια που προέρχονται από διάφορες επεξεργασίες διαχωρισμού υγρού-στερεού (κολλάρισμα, διαύγαση κ.ά.), όπως νεκρά κύτταρα ζύμης και κομμάτια κυττάρων, γαιώδεις προσμίξεις, γη διατόμων και μπετονίτη. Σε σύγκριση με πολλά άλλα απόβλητα γεωργικής προέλευσης, τα απόνερα των οινοποιείων είναι συνήθως χαμηλής περιεκτικότητας σε άζωτο, έλαια και λίπη, δεν 7

19 περιέχουν παθογόνους για τον άνθρωπο μικροοργανισμούς και μπορούν να ανακτηθούν χωρίς χλωρίωση ή περαιτέρω μικροβιακό έλεγχο. Eπειδή το μεγαλύτερο μέρος του οργανικού φορτίου των αποβλήτων οινοποιείων αποτελείται από πολύ ευδιάλυτες, εύκολα βιοδιασπώμενες ουσίες όπως σάκχαρα και αλκοόλη, η χρήση εγκαταστάσεων με κατάλληλη σχεδίαση και λειτουργικότητα μπορεί να παράγει υψηλής ποιότητας απόβλητα χωρίς την ανάγκη χρήσης ακριβού και πολύπλοκου εξοπλισμού για την επεξεργασία της λάσπης Γίγαρτα Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά γιγάρτων Τα γίγαρτα σε σχέση με τα άλλα όργανα του πρέμνου παρουσιάζουν μεγάλη σταθερότητα, δεν μπορούν όμως από μόνα τους να εξυπηρετήσουν σκοπούς ταξινόμησης των ποικιλιών. Ο αριθμός των γιγάρτων στη ράγα κυμαίνεται από 0 εώς 4, συνήθως όμως απαντούν 2-3 γίγαρτα ανά ράγα. Το γίγαρτο μπορεί να χαρακτηρισθεί ως προς το μέγεθος (μικρό, μέτριο, μεγάλο),το σχήμα (απιοειδές, σφαιρικό, ωοειδές), τη μορφή, την ανάπτυξη του ράμφους και της χαλάζας και την παρουσία ή μη της εγκάρσιας ράχης. Ο σπόρος των σταφυλιών περιέχει περίπου 40% ίνες, 16% έλαιο, 14% πρωτείνες και 7% σύνθετες φαινολικές ενώσεις όπως τανίνες και άλλες ουσίες, όπως σάκχαρα και ανόργανα άλατα (Campos et al., 2008). Γενικά, περίπου το 90% των φαινολικών ενώσεων υπάρχουν στo εξωτερικό περίβλημα του σπόρου, ενώ περίπου το 60% του ελαίου βρίσκεται στο ενδοσπέρμιο και το έμβρυο. Η περιεκτικότητα των γιγάρτων σε έλαιο εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποικιλία των σταφυλιών, αν και συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 10 και 16% ξηρού βάρους. Συγκεκριμένα, έχει βρεθεί ότι τα γίγαρτα των κόκκινων σταφυλιών περιέχουν κατά μέσο όρο 14.34% έλαιο, ενώ τα γίγαρτα των λευκών σταφυλιών 14.72%. Το έλαιο αυτό είναι πηγή κορεσμένων και ακόρεστων λιπαρών οξέων, όπως λινολεϊκό, ελαϊκό, παλμιτικό και στεατικό οξύ, σε περιεκτικότητα 65-75%, τα οποία είναι βασικά συστατικά των κυτταρικών μεμβρανών, ενώ η ανάκτηση είναι της τάξης του 94-95%. Τα γίγαρτα χαρακτηρίζονται από αφθονία φαινολικών ενώσεων, όπως φλαβονοειδή (προανθοκυανιδίνες), φαινολικά οξέα (γαλλικό οξύ και ελλαγικό οξύ) και στιλβένια (συνθέσεις ρεσβερατρόλης). Οι βασικοί τύποι φαινολικών που υπάρχουν στα σταφύλια και στα γίγαρτα είναι προανθοκυανιδίνες, ανθοκυανίνες, ρεσβερατρόλη και προκυανιδίνες (αποτελούνται από μονάδες σχηματισμού (+)-κατεχίνης και (α)-επικατεχίνης συνδεδεμένες 8

20 μεταξύ τους με C4-C6 και C4-C8 ενδοφλαβονοειδείς δεσμούς και διάφορους γαλικούς εστέρες) Έλαιο γιγάρτων Aπό τα γίγαρτα των σταφυλιών μπορεί να παραχθεί το γιγαρτέλαιο. Το έλαιο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εδώδιμο προϊόν, συμπλήρωμα διατροφής ή απλά να προστεθεί στη μαγειρική, ενώ χρησιμοποιείται ευρέως σε βιομηχανίες παραγωγής βαφών, καλλυντικών, σαπουνιών. Οι κύριες χώρες παραγωγής γιγαρτελαίου είναι η Γαλλία, η Ισπανία, η Ιταλία, η Χιλή, οι ΗΠΑ και η Αυστραλία. Το περιεχόμενο των γιγάρτων σε έλαιο ποικίλλει όπως αναφέρθηκε παραπάνω μεταξύ 10 και 16%. Επειδή η κύρια επεξεργασία του είναι ίδια με αυτή του πυρηνελαίου, το γιγαρτέλαιο μπορεί να παραχθεί σχετικά εύκολα στα πυρηνελαιουργεία με εγκατάσταση ενός μηχανικού κόσκινου και ενός μύλου. Όμοια με το πυρηνέλαιο, η εκχύλιση γίνεται με εξάνιο. Μετά την όποια επεξεργασία το στερεό φυτικό υπόλειμμα χρησιμοποιείται ως ζωοτροφή ή καύσιμο Χημική σύσταση ελαίου γιγάρτων Το γιγαρτέλαιο είναι πλούσιο σε βιταμίνες, μέταλλα και πρωτεϊνες, καθώς και πολυφαινόλες και λιπαρά οξέα. Αποτελείται κυρίως από τριγλυκερίδια και η σύνθεση λιπαρών οξέων είναι: 0-0.2% μυριστικό οξύ (C14:0), 7-13% παλμιτικό οξύ (C16:0), 3-6% στεατικό οξύ (C18:0), 0-0.9%, παλμιτολεϊκό οξύ (C16:1), 14-25% ελαϊκό οξύ (C18:1), 61-73% λινελαϊκό οξύ (C18:2), 0-0.6% λινολενικό οξύ (C18:3). Τα ακόρεστα λιπαρά οξέα που περιέχονται στο έλαιο των σπόρων σταφυλιών (85-90%), όπως το α-λινολενικό οξύ (ω-3) και το γ-λινολενικό οξύ (ω-6), θεωρούνται απαραίτητα λιπαρά οξέα επειδή δεν μπορούν να παραχθούν από τον άνθρωπο και έχουν υψηλή θρεπτική αξία. Κάποιες από τις φαινολικές ενώσεις που περιέχονται είναι τα φλαβονοειδή συμπεριλαμβανομένων της καμφερόλης, κερκετίνης και μυρικετίνης (Nassiri-Asl & Hosseinzadeh, 2009), μονομερείς, διμερείς, τριμερείς και τετραμερείς προκυανιδίνες και προανθοκυανιδίνες (γνωστές ως ταννίνες) και το ολιγομερές και πολυμερές της φλαβαν-3- όλης. Τα μονομερή που βρέθηκαν είναι η (+)-κατεχίνη και η (-)-επικατεχίνη. Επιπλέον, εστέρες φαινολικών οξέων όπως του γαλλικού οξέος έχουν ταυτοποιηθεί σε γίγαρτα. Η περιεκτικότητα των γιγάρτων σε προανθοκυανιδίνες εξαρτάται σημαντικά από την ποικιλία του σταφυλιού και τη διαδικασία εκχύλισης. 9

21 Πίνακας 2.1: Πολυφαινόλες και φαινολικά οξέα που βρίσκονται στα γίγαρτα. 3-Φλαβανόλες Φλαβόνες Φλαβονόνες Φλαβονόλες Ανθοκυανίνες Φαινολικά οξέα (+)-κατεχίνη (-)-επικατεχίνη 3-Ο-γαλλικός εστέρας της (-)- επικατεχίνης Επικατεχίνη- (4-8) Λουτεολίνη Διοσμετίνη Χρυσίνη Απιγενίνη Ναρινγενίνη Εσπεριδίνη Εριοδικτυόλη Κερκετίνη Μυρικετίνη Ρουτίνη Καμφερόλη Δελφινιδίνη Γαλλικό Πελαργονιδίνη Βανιλλικό Κυανιδίνη Ελλαγικό Πετουνιδίνη Καφεϊκό Μαλβιδίνη Κουμαρικό Φερουλικό Στιλβένια Ρεσβερατρόλη trans-ρεσβερατρόλη Η πρωτεϊνική περιεκτικότητα των σπόρων σταφυλιών ήταν το αντικείμενο πολλών μελετών, οι οποίες ανέφεραν ποικίλες τιμές που κυμαίνονται από 8.44 έως 25.9%. Τα γίγαρτα περιέχουν πρωτεΐνες που είναι παρόμοιες με εκείνες πολλών άλλων φυτικών ειδών. Επίσης,το γιγαρτέλαιο έχει αναλυθεί για το περιεχόμενό του σε καροτενοειδή και βρέθηκε ότι περιέχει λουτεΐνη, ζεαξανθίνη, β-καροτένιο και β-κρυπτοξανθίνη (Hao et al., 2005). Τέλος, έχει βρεθεί ότι περιέχει α-, β-, γ-, δ-τοκοφερόλη και α-, β-, γ-, δ- τοκοτριενόλη Βιολογικές δράσεις ελαίου γιγάρτων Το γιγαρτέλαιο χαρακτηρίζεται από ένα ευρύ φάσμα ευεργετικών για την υγεία ιδιοτήτων, όπως αντιοξειδωτικές και ακτινοπροστατευτικές επιδράσεις (Castillo et al., 2000), πρόληψη του καταρράκτη (Yamakoshi et al., 2002), αντιϋπεργλυκαιμικά αποτελέσματα (Pinent et al., 2004) και αντιφλεγμονώδη δράση (Terra et al., 2007). Το έλαιο των σπόρων σταφυλιού έχει ευεργετικές ιδιότητες για την υγεία που ανιχνεύονται κυρίως με in vitro μελέτες, όπως αντιφλεγμονώδεις, καρδιοπροστατευτικές, αντιμικροβιακές και αντικαρκινικές ιδιότητες που μπορεί να αλληλεπιδράσουν με κυτταρικές και μοριακές οδούς. Αυτές οι επιδράσεις έχουν σχέση με τα συστατικά του ελαίου, κυρίως τοκοφερόλη, λινολενικό οξύ, ρεσβερατρόλη, κβερκετίνη, προκυανιδίνες, καροτενοειδή και φυτοστερόλες. Έχει αποδειχθεί ότι οι προανθοκυανιδίνες που περιέχονται στους σπόρους του σταφυλιού παρέχουν αντιοξειδωτικά, αντικαρκινογόνα και αντιφλεγμονώδη οφέλη (Kondo et al., 2000). Η παρουσία της λειτουργικής ομάδας -ΟΗ στη δομή και η θέση της στον δακτύλιο του φλαβονοειδούς μορίου καθορίζουν την αντιοξειδωτική ικανότητα, καθώς εμποδίζει τις ελεύθερες ρίζες, προλαμβάνει την υπεροξείδωση των λιπιδίων και αναστέλει 10

22 το σχηματισμό προφλεγμονωδών κυτοκινών (Arora et al., 1998). Οι φαρμακολογικές ιδιότητες επιλεγμένων προκυανιδινών σχετίζονται με την αύξηση της τονικότητας και της αντοχής των τριχοειδών αιμοφόρων αγγείων καθώς και με τη μείωση της ευαισθησίας των υγειών κυττάρων σε τοξικούς και καρκινογόνους παράγοντες (Kondo et al., 2000; Maffei et al., 1998). Το γιγαρτέλαιο σχετίζεται επίσης με τη μείωση των πόνων στις αρθρώσεις, καθώς μελέτες αποδεικνύουν ότι η τακτική χρήση αυτού του ελαίου αυξάνει την παραγωγή κολλαγόνου, η οποία είναι απαραίτητη για τη διατήρηση της αντοχής των αρθρώσεων. Είναι εξαιρετικό για το κυκλοφορικό σύστημα και μπορεί να ανακουφίσει τους κιρσούς και τις ευρυαγγείες (Mayer et al., 2008; Molva & Baysal, 2015) έχοντας έτσι αντιφλεγμονώδη χαρακτηριστικά. Η υψηλή περιεκτικότητα σε πολυακόρεστα και ακόρεστα λιπαρά οξέα το καθιστά ένα υψηλής ποιότητας θρεπτικό έλαιο, παρουσιάζοντας ιδιότητες για την πρόληψη καρδιαγγειακών παθήσεων, τη μείωση της λιποπρωτεΐνης χαμηλής πυκνότητας και την αύξηση της λιποπρωτεΐνης υψηλής πυκνότητας (Beveridge et al., 2005; Ozogul et al., 2007). Το λινελαϊκό οξύ που υπάρχει στο γιγαρτέλαιο πιστεύεται ότι είναι ο κύριος λόγος για την αντιδιαβητική δράση του και είναι απαραίτητο για τις κυτταρικές μεμβράνες και το δέρμα (Pinent et al., 2004; Sri Harsha et al., 2015). Το γιγαρτέλαιο έχει επίσης τοξική επίδραση σε ορισμένους παθογόνους μικροοργανισμούς, γεγονός που υποδηλώνει αντιμικροβιακό χαρακτήρα. Στην πραγματικότητα, το έλαιο που εξάγεται από γίγαρτα σταφυλιών είχε ανασταλτική επίδραση στην ανάπτυξη των Staphylococcus aureus και Escherichia coli, Listeria monocytogenes (+), Bacillus cereus, Bacillus subtilis (+), Salmonella typhimurium (-) και Pseudomonas aeruginosa(-). Η αντιμικροβιακή δράση, που σχετίζεται με φαινολικές ενώσεις όπως η ρεσβερατρόλη, προλαμβάνει την πρόκληση οξειδωτικής βλάβης στη βακτηριακή μεμβράνη χωρίς να επηρεάζει τα κύτταρα-ξενιστές. Τέλος, έχει αποδειχθεί ότι το γιγαρτέλαιο βοηθά σε παθήσεις όπως η νόσος του Alzheimer, οι αλλεργίες, το άσθμα, η κακή όραση και επιταχύνει τη συρρίκνωση και το κλείσιμο δερματικών πληγών Χρήσεις ελαίου γιγάρτων Το γιγαρτέλαιο χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία καλλυντικών λόγω των ενυδατικών και όχι μόνο ιδιοτήτων του στο δέρμα. Συγκεκριμένα βρίσκει χρήσεις σε αρωματισμένα έλαια, λάδι μασάζ, λοσιόν για την αποκατάσταση των ηλιακών εγκαυμάτων, 11

23 προϊόντα για τα μαλλιά, κρέμες υγιεινής σώματος, κρέμες χεριών. Έχει αντιγηραντικές ιδιότητες, τονώνει το δέρμα και αποτρέπει τη δράση ορισμένων ενζύμων που καταστρέφουν το κολλαγόνο, την ελαστίνη και άλλα συστατικά του συνδετικού ιστού. Αποτελεί, επομένως, κύριο συστατικό των αντηλιακών, των θεραπειών κατά της ακμής και άλλων δερματικών προϊόντων. Χρησιμοποιείται ευρέως στην αρωματοθεραπεία, σε μίγμα με αιθέρια έλαια, σε λάδι για μασάζ, ενώ ανακουφίζει και συμβάλλει στη γενική φρόντίδα του σώματος. Ταυτόχρονα, το έλαιο από σπόρους σταφυλιού έχει μεγάλη εφαρμογή σε θεραπείες μαλλιών και προϊόντα κατά της πιτυρίδας και της τριχόπτωσης, καθώς προστατεύει τα μαλλιά, τα κάνει πιο λαμπερά και υγιή. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσάζει και η χρήση του ως ένα φαρμακευτικό προϊόν διατροφής που συνήθως καταναλώνεται ως συμπλήρωμα διατροφής μαζί με βιταμίνη C και βιταμίνη Ε. Τέλος, το έλαιο από γίγαρτα σταφυλιού έχει επιδείξει αντιοξειδωτικές και αντιμικροβιακές δραστικότητες μόνο ή σε συνδυασμό με άλλα συστατικά σε διάφορες εφαρμογές τροφίμων όπως τομάτες, προϊόντα αρτοποιίας, νωπό και μαγειρεμένο κρέας, προϊόντα πουλερικών και ψάρια. Για τον λόγο αυτό, τα τελευτάια χρόνια επιδιώκεται η προσθήκη του σε τρόφιμα, με σκοπό τη βελτίωση της συνολικής ποιότητας και την επιμήκυνση της διάρκεια ζωής τους. Εικόνα 2.2: Προϊόν για πρόσωπο και σώμα από γιγαρτα ( Μέθοδοι αξιοποίησης γιγάρτων Λόγω των αντιοξειδωτικών και άλλων χημειοπροστατευτικών ιδιοτήτων των πολυφαινολών, τα εκχυλίσματα από τους φλοιούς και τα γίγαρτα των σταφυλιών χρησιμοποιούνται ολοένα περισσότερο ως βασικά συστατικά από βιομηχανίες τροφίμων και συμπληρωμάτων διατροφής και από βιομηχανίες καλλυντικών, ενώ παράλληλα, μελετάται 12

24 η ανάπτυξη φαρμάκων με βάση συγκεκριμένες δραστικές ουσίες του σταφυλιού. Έτσι, τα γίγαρτα αποτελούν μια άριστης ποιότητας πρώτη ύλη για την παραγωγή εκχυλισμάτων συνήθως με διαλύτη αιθανόλη ή μεθανόλη. Επιπλέον, τα γίγαρτα αξιοποιούνται ως πρώτη ύλη για την παραγωγή γιγαρτέλαιου, όπως ήδη έχει αναφερθεί, το οποίο έχει πολλές εφαρμογές σε βιομηχανίες καλλυντικών και συμπληρωμάτων διατροφής. Σε αυτήν την περίπτωση, η εκχύλιση λαμβάνει χώρα με διαλύτη εξάνιο. Η εκχύλιση βασικών συστατικών (φαινολικών ενώσεων, λιπαρών οξέων, πρωτεϊνών) από τα γίγαρτα μπορεί να πραγματοποιηθεί με διάφορες μεθόδους, όπως οι υπέρηχοι, τα μικροκύματα, η κλασική ανάδευση, η εκχύλιση Soxhlet κ.ά. Πολλές φορές, όμως, λόγω έλλειψης μονάδας επεξεργασίας, ο όγκος των γιγάρτων που προέρχεται από τα μεγάλα συνεταιριστικά ή ιδιωτικά οινοποιεία παραμένει ουσιαστικά αναξιοποίητος, με ένα μικρό μέρος να χρησιμοποιείται είτε ως ζωοτροφή, όσο τα γίγαρτα είναι φρέσκα, είτε ως λίπασμα αφού ζυμωθούν. 13

25 2.2. ΠΑΡΑΛΑΒΗ ΕΛΑΙΟΥ ΑΠΟ ΓΙΓΑΡΤΑ Γενικά Για την παραλαβή ελάιου από γίγαρτα σταφυλιού υπάρχουν και έχουν εφαρμοσθεί διάφορες μέθοδοι. Οι συμβατικές μέθοδοι είναι η εκχύλιση, η απόσταξη και η μηχανική παραλαβή, ενώ παράλληλα μεγάλη εφαρμογή βρίσκουν και νέες τεχνικές, όπως η υπερκρίσιμη εκχύλιση, η εκχύλιση με υπερήχους και με μικροκύματα. Εκχύλιση ονομάζεται η μεταφορά μιας ουσίας από μια φάση στην οποία βρίσκεται με τη μορφή διαλύματος ή αιωρήματος σε μια άλλη υγρή φάση. Οι δύο φάσεις έρχονται σε επαφή, χωρίς πρακτικά να αναμιγνύονται, με σκοπό να είναι δυνατή η μεταφορά ουσιών και ο διαχωρισμός. Η μεταφορά αυτή είναι δυνατή επειδή η ουσία κατανέμεται στις δύο φάσεις με ορισμένη αναλογία. Η εκχύλιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το διαχωρισμό μίγματος υγρών ή στερεών ουσιών. Πραγματοποιείται με υγρούς διαλύτες οι οποίοι διακρίνονται σε ανόργανους, οργανικούς, πολικούς και μη πολικούς. Η διάλυση γίνεται εξαιτίας της ανάπτυξης διαμοριακών δυνάμεων και προκύπτουν δύο φάσεις (υδατική και οργανική), με αποτέλεσμα οι πολικές ουσίες και τα ανόργανα συστατικά να συλλέγονται στην υδατική φάση, ενώ οι μη πολικές ουσίες στην οργανική. O ακριβής τρόπος εκχύλισης εξαρτάται από τη δομή του φυτικού υλικού, την υγρασία που περιέχει και το είδος των συστατικών που πρόκειται να απομονωθούν. Διαφορετικές μέθοδοι εκχύλισης με οργανικούς διαλύτες (κανονική ανάδευση, soxhlet, ακτινοβολία μικροκυμάτων και υπερηχητική ακτινοβολία) έχουν δείξει σημαντικές διαφορές στις αποδόσεις εκχύλισης. Οι νέες τεχνικές εστιάζουν στη μείωση του χρόνου και στη βελτίωση της απόδοση εκχύλισης Ανάδευση Στην εκχύλιση με κανονική ανάδευση το δείγμα και ο διαλύτης αναμιγνύονται με τη χρήση ενός αναδευτήρα για περίπου 4 ώρες. Ως διαλύτες χρησιμοποιούνται κυρίως το εξάνιο, ο πετρελαϊκός αιθέρας, το βενζόλιο και άλλοι οργανικοί διαλυτές και η αναλογία δείγματος - διαλύτη είναι 1/15 (θρυμματισμένοι σπόροι σταφυλιού/εξάνιο). Ακολουθεί συμπύκνωση με σκοπό την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους του διαλύτη και στη συνέχεια ο διαλύτης που απέμεινε εξατμίζεται σε ξηραντήρα. 14

26 Απόσταξη Η μέθοδος της απόσταξης είναι η πιο διαδεδομένη και οικονομική μέθοδος. Υδροαπόσταξη (water distillation) Στην υδροαπόσταξη, το προς απόσταξη φυτικό υλικό τοποθετείται σε σφαιρική φιάλη με νερό, η οποία συνδέεται με ψυκτήρα και με θερμαντική συσκευή. Το χαρακτηριστικό της μεθόδου αυτής είναι ότι το νερό και το φυτικό υλικό είναι σε άμεση επαφή. Στην υδροαπόσταξη πρέπει να αποφεύγεται η υπερθέρμανση του φυτικού υλικού, ώστε να μην συμβαίνει θερμική διάσπαση διαφόρων συστατικών του ελαίου. Όταν το συμπύκνωμα κρυώσει, διαχωρίζεται το έλαιο από το νερό. Τα μειονεκτήματα της μεθόδου είναι: μεγάλος χρόνος, μικρή απόδοση σε έλαιο, παραλαβή κατώτερης ποιότητας ελαίου (Basma et al., 2013; Εικόνα 2.3: Συσκευή υδροαπόσταξης ( Υδροατμοαπόσταξη (water and steam distillation) Στην υδροατμοαπόσταξη, το φυτικό υλικό δεν έρχεται σε άμεση επαφή με το νερό, αλλά τοποθετείται σε πλέγμα που βρίσκεται πιο ψηλά από την επιφάνεια του νερού. Ο ατμός που σχηματίζεται από θέρμανση του νερού, έρχεται σε επαφή με τη μάζα του φυτικού υλικού και παρασύρει το έλαιο. Ακολούθως περνάει από ένα σύστημα ψύξης, όπου ψύχεται και δημιουργείται ένα υγρό από το οποίο διαχωρίζεται το έλαιο από το νερό (Ρούσσης, 2013; Απόσταξη με υδρατμούς (steam distillation) Η μέθοδος αυτή είναι πιο σύγχρονη, μοιάζει με την προηγούμενη και χρησιμοποιείται σε ευρεία κλίμακα από βιομηχανίες για μεγάλες παραγωγές. Η διαφορά με την προηγούμενη μέθοδο είναι ότι δεν υπάρχει νερό στον πυθμένα του άμβυκα. Στην απόσταξη με υδρατμούς, εισάγεται ατμός, ο οποίος παράγεται σε ειδικό ατμολέβητα που περιέχει το φυτικό υλικό και 15

27 ο ατμός παρασύρει το έλαιο. Στην απόσταξη με υδρατμούς ανήκει η συσκευή μικροαπόσταξης-εκχύλισης Likens- Nickerson (Ρούσσης, 2013). Εικόνα 2.4: Συσκευή υδροατμοαπόσταξης ( Η συσκευή αποτελείται από το κύριο σώμα, διαμορφωμένο για οργανικούς διαλύτες ελαφρύτερους του νερού, έναν ψυκτήρα και δύο φιάλες, μια σφαιρική και μια απιοειδή. Το δείγμα τοποθετείται μαζί με νερό (σε αναλογία 1/10) στη σφαιρική φιάλη και ο οργανικός διαλύτης (κυρίως διαιθυλαιθέρας) στην απιοειδή και θερμαίνεται με υδατόλουτρο. Οι σχηματιζόμενοι ατμοί από την σφαιρική φιάλη, που περιέχουν τα πτητικά συστατικά του ελαίου, φθάνουν στο ψυκτήρα, υγροποιούνται και κυλούν στον κύριο χώρο της συσκευής, όπου υπάρχει σε ισορροπία η οργανική και η υδατική φάση. Εκεί τα πτητικά συστατικά εκχυλίζονται από τον οργανικό διαλύτη. Στο τέλος της διαδικασίας (μετά από 1 ώρα τουλάχιστον), όλα τα συστατικά του ελαίου έχουν συγκεντρωθεί στην απιοειδή φιάλη. Επειδή ο ατμός παράγεται σε λέβητα, το φυτικό υλικό δεν θερμαίνεται πάνω από 100 C και κατά συνέπεια δεν υπόκειται σε θερμική υποβάθμιση ( Εικόνα 2.5: Συσκευή απόσταξης με υδρατμούς ( 16

28 Μηχανική παραλαβή-πίεση Στη μέθοδο αυτή, τα έλαια παραλαμβάνονται με μηχανικά μέσα (πιεστήρια) όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στους ξηρούς καρπούς και στους φλοιούς των εσπεριδοειδών. Τα μηχανήματα για τους ξηρούς καρπούς είναι πιεστήρια, που μοιάζουν με αυτά που χρησιμοποιούνται στα ελαιοτριβεία. Τα πιεστήρια είτε ξύνουν είτε τρυπούν τους φλοιούς, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση των ελαίων, που στη συνέχεια διαχωρίζονται από το στερεό υπόλειμμα ( Η εκχύλιση με εφαρμογή πίεσης περιλαμβάνει τη χρήση υγρών διαλυτών σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση, συνδυασμός που αυξάνει την απόδοση εκχύλισης. Η χρήση των διαλυτών σε θερμοκρασίες υψηλότερες του ατμοσφαιρικού σημείου βρασμού τους, προσφέρει αυξημένη διαλυτότητα και βελτιωμένες ιδιότητες μεταφοράς μάζας. Η τεχνική αυτή ονομάζεται pressurized liquid extraction και pressurized solvent extraction. Αν χρησιμοποιηθεί το νερό ως διαλύτης, η τεχνική αναφέρεται ως pressurized hot water extraction, subcritical water extraction ή superheated water extraction (Mustafa & Turner, 2011). Υπάρχει, επιπλέον, και η τεχνική της ψυχρής πίεσης που εξασφαλίζει ότι το προκύπτον έλαιο είναι 100% καθαρό και διατηρεί όλες τις ιδιότητες του φυτού. Η διαφορά είναι ότι εδώ η θερμοκρασία πρέπει να είναι χαμηλή (<80 ο C). Οι σπόροι αναδεύονται αργά, συχνά με περιστρεφόμενο κοχλία που βοηθά το έλαιο να διαχωριστεί από τα στερεά μέρη και να συσσωρευτεί. Μόλις συμβεί αυτό, τα τεμάχια στερεού συνθλίβονται και πιέζονται. Αν η θερμοκρασία, λόγω τριβής, υπερβεί κάποια κρίσιμη τιμή, το έλαιο μπορεί να χάσει μερικές από τις ιδιότητές του (Costagli & Betti, 2015; Janaki & Yamuna Devi, 2015) Εκχύλιση Soxhlet Η συσκευή Soxhlet δίνει τη δυνατότητα επανειλημμένων εκχυλίσεων του στερεού με την ίδια ποσότητα εκχυλιστικού μέσου. Οι θρυμματισμένοι αφυδατωμένοι σπόροι θερμαίνονται σε ένα δοχείο που συνδέεται με έναν συμπυκνωτήρα, ο ατμός συμπυκνώνεται και ρέει πίσω μέσα στο δοχείο, χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικούς οργανικούς διαλύτες (πετρελαϊκό αιθέρα και εξάνιο). Η διάρκεια είναι συνήθως 8 ώρες. Οι διαλύτες στη συνέχεια εξατμίζονται σε ένα ξηραντήριο κενού στους 35 C και τo εκχύλισμα ξηραίνεται μέχρι σταθερού βάρους χρησιμοποιώντας μια ήπια ροή αέριου αζώτου (Zaidul et al., 2006; Abbasi et al., 2008a; Liu et al., 2009). Τα μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι ότι απαιτούνται υψηλής καθαρότητας και υψηλού κόστους οργανικοί διαλύτες, οι οποίοι είναι συνήθως 17

29 επικίνδυνοι και εύφλεκτοι, εκπέμπονται πιθανόν τοξικά αέρια, η εκχύλιση είναι μη επιλεκτική και, τέλος, η όλη διαδικασία είναι επίπονη και χρονοβόρα (Sahena et al., 2009). Εικόνα 2.6.: Συσκευή εκχύλισης Soxhlet ( Υπερκρίσιμη εκχύλιση Κάθε συστατικό σε θερμοκρασία και πίεση πάνω από το κρίσιμο σημείο (το σημείο που αλλάζει φάση) βρίσκεται σε υπερκρίσιμη κατάσταση. Πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία, ένα συστατικό που είναι αέριο δεν μπορεί να υγροποιηθεί παρά την εφαρμογή υψηλής πίεσης. Η κρίσιμη πίεση είναι των ατμών του αερίου σε κρίσιμη θερμοκρασία. Το ρευστό σε υπερκρίσιμο περιβάλλον διατηρεί τις ιδιότητες τόσο της υγρής όσο και της αέριας φάσης. Η υπερκρίσιμη εκχύλιση είναι μια ραγδαία αναπτυσσόμενη μέθοδος διαχωρισμού, χρησιμοποιώντας διαλύτες όπως το διοξείδιο του άνθρακα CO2 σε υπερκρίσιμες συνθήκες (McCabe et al., 2003; Ο μηχανισμός λειτουργίας βασίζεται στην πλήρη απομάκρυνση του CO2 από το εκχύλισμα, με μια απλή εκτόνωση σε ατμοσφαιρική πίεση. Συγκεκριμένα, το υγρό αντλείται σε μια ζώνη θέρμανσης, όπου θερμαίνεται σε υπερκρίσιμες συνθήκες. Ακολούθως, διέρχεται στο δοχείο εκχύλισης και διαλύει το προς εκχύλιση υλικό. Το εκχυλισμένο υλικό ρέει μέσω μίας διάταξης όπου η πίεση μειώνεται σε ατμοσφαιρική και συλλέγεται στο 18

30 δοχείο συλλογής, ενώ το υπερκρίσιμο υγρό μπορεί να ψυχθεί, να συμπιεστεί εκ νέου και να ανακυκλωθεί ή να αποφορτιστεί στην ατμόσφαιρα (Mohamed et al., 2016). Το CO2 και αντίστοιχες ενώσεις που χρησιμοποιούνται στην υπερκρίσιμη εκχύλιση έχουν χαμηλά κρίσιμα σημεία, είναι μη τοξικές, μη αναφλέξιμες, μη ρυπογόνες, χαμηλού κόστους και δεν αφήνουν ίχνη στο εκχυλισμένο προϊόν, καθώς το υπερκρίσιμο υγρό μπορεί να απομακρυνθεί με απλή εκτόνωση (Beveridge et al., 2005; Fiori et al., 2014; Millao & Uquiche, 2016). Τα έλαια που λαμβάνονται με αυτή τη μέθοδο είναι εξαιρετικής ποιότητας και οι αποδόσεις εκχύλισης είναι συγκρίσιμες με αυτές που επιτυγχάνονται χρησιμοποιώντας οργανικούς διαλύτες (Fiori et al., 2014). Βασικό μειονέκτημα της μεθόδου είναι οι υψηλές πιέσεις λειτουργίας, που συνεπάγονται υψηλό κόστος, καθώς επίσης και η πολυπλοκότητά της (McCabe et al., 2003). Εικόνα 2.7: Διάταξη υπερκρίσιμης εκχύλισης ( Εκχύλιση με υπερήχους Οι υπέρηχοι αποτελούν ηχητικά κύματα που χαρακτηρίζονται από υψηλότερη συχνότητα από εκείνη που μπορεί να γίνει αντιληπτή από την ανθρώπινη ακοή. Η φυσιολογική ανθρώπινη ακοή μπορεί να ανιχνεύσει ήχους με εύρος συχνότητας από έως 18 ή 20 khz. Το φάσμα των υπερήχων μπορεί να διαιρεθεί σε δύο υποζώνες, τους υπερήχους υψηλής έντασης με συχνότητα μεταξύ 20 khz και 1 MHz και τους υπερήχους χαμηλής έντασης ή διαγνωστικούς υπερήχους με συχνότητα μεγαλύτερη του 1 MHz, οι οποίοι χρησιμοποιούνται στην ιατροδιαγνωστική απεικόνιση, τη χημική ανάλυση, τον 19

31 ποιοτικό έλεγχο των τροφίμων (ωριμότητα, σύνθεση) και σε μη καταστρεπτικές μεθόδους ανάλυσης. H χρήση υπερήχων υψηλής έντασης αποτελεί για τη βιομηχανία τροφίμων την τελευταία δεκαετία ένα πολύ αποδοτικό μέσο για διεργασίες μεγάλης κλίμακας όπως η γαλακτωματοποίηση, η ομογενοποίηση, η εκχύλιση, η κρυσταλλοποίηση, η αφυδάτωση, η παστερίωση χαμηλής θερμοκρασίας, η απαέρωση, η απενεργοποίηση ενζύμων, η μείωση του μεγέθους σωματιδίων και η τροποποίηση του ιξώδους (Mason et al., 1996) Μηχανισμός υπερήχων Εξ ορισμού οι υπέρηχοι συνιστούν κύματα υψηλής συχνότητας που μεταφέρουν πίεση κατά τη διέλευσή τους σε ένα μέσο. Αυτό έχει ως αποτέλσμα τη δημιουργία περιοχών χαμηλής και υψηλής πίεσης. Η διακύμανση αυτή της πίεσης αναφέρεται ως εύρος πίεσης (amplitude) και είναι ανάλογο της ποσότητας ενέργειας που εφαρμόζεται στο σύστημα. Στην περίπτωση που οι διακυμάνσεις της πίεσης είναι αρκετά υψηλές (3.000 ΜΡa), τότε ένα υγρό μέσο μπορεί να αποδομηθεί με αποτέλεσμα τον σχηματισμό μικροφυσαλίδων αερίου και ατμού. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως σπηλαίωση (cavitation), ενώ οι φυσαλίδες είναι δυνατόν να διασπώνται και να επαναδημιουργούνται συνεχώς επιφέροντας αλλαγές στη δομή του μέσου που υφίσταται την επίδραση των υπερηχητικών κυμάτων. Συχνά, η βίαιη κατάρρευση που συμβαίνει λόγω της μεταβατικής αυτής επαναλαμβανόμενης σπηλαίωσης μπορεί να δημιουργήσει εντοπισμένες υπερθερμίες (>5000 Κ), οι οποίες συνδυαζόμενες με τις ταυτόχρονες εναλλαγές της πίεσης μπορούν να επιφέρουν ένα μεγάλο αριθμό χημικών μεταβολών είτε στο εσωτερικό των φυσαλίδων ατμού, είτε στη διεπιφάνεια με το υγρό μέσο. Συγκεκριμένα, στην εκχύλιση με υπερήχους, το δείγμα τοποθετείται με κατάλληλο οργανικό διαλύτη συνήθως σε λουτρό υπερήχων. Η διάδοση των υπερήχων χαρακτηρίζεται από ελάχιστη συχνότητα 16 khz και προκαλεί κίνηση του υγρού λόγω συμπίεσης και εκτόνωσης. Με την αύξηση της πίεσης επιτυγχάνονται φαινόμενα διείσδυσης και μεταφοράς, ενώ με την αύξηση της θερμοκρασίας επιταχύνονται φαινόμενα διάχυσης και διαλυτοποίησης ( Η επίδραση των υπερήχων αυξάνει την απόδοση της εκχύλισης, επειδή επιτρέπει τη διάρρηξη των κυτταρικών τοιχωμάτων, διευκολύνοντας έτσι τη διάχυση του διαλύτη στη μήτρα του εκχυλιζόμενου υλικού και την απελευθέρωση ενδοκυτταρικών ουσιών (Khan et al., 2010). 20

32 Η εφαρμογή των υπερήχων σε μία επεξεργασία μπορεί να πραγματοποιηθεί με τρεις διαφορετικές τεχνικές: Απευθείας εφαρμογή στο προϊόν Σύζευξη με μια άλλη συσκευή επεξεργασίας Εμβάπτιση σε λουτρό υπερήχων Εικόνα 2.8: Μηχανισμός της λύσης του κυτταρικού τοιχώματος (α) λύση του κυτταρικού τοιχώματος λόγω της δημιουργίας ρωγμής στην κοιλότητα (β) διάχυση του διαλύτη μέσα στη δομή του κυττάρου (Shirsath et al., 2012). Εικόνα 2.9: Τρόπος δράσης φυσαλίδας σπηλαίωσης (Esclapez et al., 2011) Παράμετροι εκχύλισης με υπερήχους Οι παράγοντες που επηρεάζουν τη δράση των υπερήχων κατά τη διάρκεια της εκχύλισης είναι η συχνότητα, η θερμοκρασία, η ένταση παλμού, οι ιδιότητες του υγρού (διαλύτης) και η φύση του δείγματος. Οι ιδανικές συνθήκες σχετίζονται με χαμηλή συχνότητα υπερήχων. Όσον αφορά στη θερμοκρασία, οι απόψεις διίστανται. Η θερμοκρασία προτιμάται να είναι υψηλή, καθώς με την αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνεται η διαλυτότητα και, επομένως, επιταχύνονται η διάχυση και η διαλυτοποίηση. Ωστόσο, σε υψηλή θερμοκρασία, η τάση διάλυσης των μη επιθυμητών συστατικών αυξάνεται, ενώ 21

33 κάποιες θερμοευαίσθητες ενώσεις αποσυντίθενται. Από έρευνες έχει αποδειχθεί ότι αυξανομένης της έντασης των υπερήχων βελτιώνεται η απόδοση της εκχύλισης. Το φαινόμενο δημιουργίας και κατάρρευσης φυσαλίδων σχετίζεται θετικά με την ένταση του παλμού των κυμάτων των υπερήχων, επιταχύνει την αποσύνθεση του κυτταρικού τοιχώματος και την απελευθέρωση των ενώσεων που περιέχονται μέσα στο φυτικό ιστό (Lou et al., 2010). Ο διαλύτης διαδραματίζει σημαίνοντα ρόλο στην εκχύλιση με τη χρήση υπερήχων. Συνήθως, επιλέγονται διαλύτες με χαμηλό ιξώδες. Αν θα είναι πολικός ή μη πολικός εξαρτάται από τη φύση του δείγματος και από τα συστατικά που είναι επιθυμητά να απομονωθούν. Πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στην επιλογή του διαλύτη καθώς και στην αναλογία διαλύτη/στερεού, γιατί οι παράγοντες αυτοί επηρεάζουν σε σημαντικό βαθμό την απόδοση της εκχύλισης. (a) (b) Εικόνα 2.10: Συσκευή εκχύλισης με υπερήχους (a: b: rasound-assistedextraction-uae_ ) Εφαρμογές υπερήχων στην εκχύλιση ελαίου από φυτικούς ιστούς Έχει αποδειχθεί ότι η απόδοση εκχύλισης ελαίου από θυμάρι με χρήση υπερήχων είναι μεγαλύτερη από εκείνη που επιτυγχάνεται με την τεχνική Soxhlet και επιπλεόν η πρώτη ενισχύει την απελευθέρωση αντιοξειδωτικών στην ελαιώδη φάση (Kowalski & Wawrzykowski, 2009). Άλλες εφαρμογές εκχύλισης ελαίων με υπερήχους είναι η εκχύλιση ελαίων από φύλλα θυμαριού (Kowalski & Wawrzykowski, 2009), τσάι (Shalmashi, 2009), σπόρους λίνου (Zhang et al., 2008), σόγια (Li et al., 2004) και λεβάντα (Da Porto et al., 2009). 22

34 Εκχύλιση με μικροκύματα Τα μικροκύματα είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα με ένα εύρος συχνότητας από 300 MHz ως 300 GHz (Ortega-Rivas, 2009). Μπορούν να προκαλέσουν τη θέρμανση με δύο τρόπους οι οποίοι είναι η παλινδρομική αναστροφή των διπόλων και η ηλεκτροφόρηση των ιόντων του δείγματος (Μπλούκας, 2004; Veggi et al., 2013). Η εκχύλιση με μικροκύματα βασίζεται σε αλλαγές στη δομή των κυττάρων του υλικού οι οποίες προκαλούνται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Οι αλλαγές αυτές αυξάνουν το πορώδες της ύλης, ώστε ο διαλύτης μπορεί να εισέλθει εύκολα και η απόδοση αυξάνεται (Στρατή, 2014). Η εκχύλιση εξελίσσεται σε τρεις φάσεις (Veggi et al., 2013): Αρχικά, ο διαλύτης διεισδύει στο εσωτερικό των στερεών και εκεί διαλύει το εκχυλιζόμενο συστατικό. Στη συνέχεια, το επιθυμητό συστατικό μεταφέρεται στην εξωτερική επιφάνεια του στερεού σωματιδίου. Τέλος, από την εξωτερική επιφάνεια του σωματιδίου η ουσία μεταφέρεται στον κύριο όγκο του διαλύματος. Η διαδικασία της εκχύλισης δεν έχει τον ίδιο ρυθμό καθ όλη τη διάρκειά της και για το λόγο αυτό μπορεί να διακριθεί επίσης σε τρεις φάσεις με βάση το ρυθμό με τον οποίο πραγματοποιείται: i. Φάση ισορροπίας: η εκχυλιζόμενη ουσία απομακρύνεται από την επιφάνεια του στερεού σωματιδίου με σταθερή ταχύτητα. ii. Ενδιάμεση, μεταβατική φάση: η ουσία αρχίζει να αντιστέκεται στη μεταφορά μάζας από την επιφάνεια του στερεού προς την κύρια μάζα του διαλύματος. iii. Τελική φάση: η ουσία για να εκχυλιστεί στο διαλύτη πρέπει να ξεπεράσει τις αλληλεπιδράσεις που τη συγκρατούν στο στερεό. Το εκχύλισμα, στη συνέχεια, απομακρύνεται με διάχυση. Η φάση αυτή χαρακτηρίζεται από αργό ρυθμό και θεωρείται ως το περιοριστικό κομμάτι της εκχύλισης. Η εκχύλιση με μικροκύματα ενδείκνυται για την εκχύλιση θερμοευαίσθητων συστατικών, καθώς μπορεί να συνδυάσει μεγάλη απόδοση με μικρή θερμοκρασία (Letellier & Budzinski, 1999). Σαν μέθοδος εκχύλισης διαφέρει από τις συμβατικές μεθόδους στο γεγονός ότι η μεταφορά μάζας και θερμότητας, στις οποίες στηρίζεται, γίνεται προς την ίδια κατεύθυνση, από το εσωτερικό προς το εξωτερικό της ύλης που ακτινοβολείται (Veggi et al., 2013). Η μεταφορά θερμότητας στις συμβατικές μεθόδους γίνεται με την αντίστροφη φορά. Ακόμη, άλλο χαρακτηριστικό των μικροκυμάτων είναι ότι η θερμότητα απορροφάται απ ευθείας από τα υλικά που δέχονται την ακτινοβολία και διασπείρεται σε αυτά. 23

35 Εικόνα 2.11: Τα βήματα της εκχύλισης με μικροκύματα (Letellier & Budzinski, 1999). ΑΒ: εκρόφηση, BC: διάχυση και CD: διαλυτοποίηση, της εκχυλιζόμενης ουσίας Μηχανισμός μικροκυμάτων Στις περισσότερες μεθόδους θέρμανσης (με αγωγή ή συναγωγή), ένα μεγάλο ποσό θερμότητας χάνεται στο περιβάλλον. Με τη χρήση των μικροκυμάτων, η θέρμανση συμβαίνει εκλεκτικά στην ύλη που προορίζεται για θέρμανση, καθώς ο περιέκτης δεν απορροφά θερμότητα. Πρακτικά, δε χάνεται θερμότητα στο περιβάλλον, καθώς το σύστημα είναι κλειστό (Letellier & Budzinski, 1999; Mandal et al., 2009). Τα μικροκύματα προκαλούν θέρμανση με δύο τρόπους, με παλινδρομική αναστροφή των διπόλων και με ηλεκτροφόρηση των ιόντων του δείγματος (Μπλούκας, 2004; Veggi et al., 2013). Η κίνηση αυτή των ιόντων και των διπόλων οφείλεται στο εναλλασσόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που δημιουργεί η ακτινοβολία των μικροκυμάτων. Αυτό αναγκάζει τα δίπολα να προσανατολισθούν, αλλά τελικά η σύντομη εναλλαγή του πεδίου τα αντιστρέφει και προκαλεί τριβές μέσα στο σύστημα (δείγμα) το οποίο προβάλλει αντίσταση. Αντίστοιχα, τα ιόντα λόγω του φορτίου τους τείνουν να μετακινηθούν προς τον αντίθετα φορτισμένο πόλο του πεδίου, αλλά εξαιτίας της εναλλαγής αλλάζουν πάλι κατεύθυνση, γεγονός που οδηγεί σε τριβές. Η θέρμανση των δειγμάτων είναι το αποτέλεσμα των τριβών. Η θέρμανση αυτή οφείλεται περισσότερο στην κίνηση των διπόλων παρά σε αυτή των ιόντων (Μπλούκας, 2004). Πολλές φορές, η κίνηση διπόλων και ιόντων γίνεται ταυτόχρονα (Veggi et al., 2013). Η παραγωγή, όμως, θερμότητας και κατ' επέκταση η αύξηση της θερμοκρασίας ενός δείγματος δεν σταματά ακαριαία τη στιγμή που διακόπτεται η έκθεση του δείγματος στα 24

36 μικροκύματα, καθώς χρειάζεται πάντα κάποιος χρόνος μέχρι τα μόρια του δείγματος να "ηρεμήσουν" και να επιστρέψουν στην αρχική τους κατάσταση (Zeotorzynski, 1995). (a) (b) Εικόνα 2.12: Συσκευή εκχύλισης με μικροκύματα (a: b: Παράμετροι εκχύλισης με μικροκύματα Οι βασικότερες παράμετροι που επηρεάζουν την εκχύλιση με μικροκύματα είναι ο διαλύτης, η ένταση της ακτινοβολίας, ο χρόνος και η φύση του δείγματος. Η επιλογή διαλύτη γίνεται με βάση την ικανότητά του να απορροφά τα μικροκύματα και τη φύση του υποστρώματος. Στην εκχύλιση με μικροκύματα χρησιμοποιούνται συνήθως πολικοί διαλύτες όπως η μεθανόλη, η αιθανόλη, η ακετόνη, το νερό ή μίγματα διαλυτών. Η χρήση του πολικού διαλύτη οδηγεί στην εκχύλιση µεγαλύτερου εύρους συστατικών. Αν θα επιλεγεί μίγμα ή διαλύτης εξαρτάται από τη φύση του υποστρώματος, το κόστος καθώς και το πόσο φιλικό είναι προς το περιβάλλον. Γενικά, τα μίγματα είναι αποτελεσματικότερα όταν το ένα από τα δυο συστατικά τους έχει υψηλή πολικότητα (Letellier & Budzinski, 1999; Shu et al., 2003; Lopez-Avila & Young, 1994). Μία από τις κρισιμότερες παραμέτρους που πρέπει να εξετασθεί κατά τον σχεδιασμό μιας διεργασίας εκχύλισης με μικροκύματα είναι η θερμοκρασία. Η θερμοκρασία δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το σημείο ζέσεως του διαλύτη γιατί οδηγεί σε εξάτμισή του και επομένως σε μείωση της απόδοσης εκχύλισης. Τέλος, ένας άλλος παράγοντας για τον οποίο οι απόψεις των μελετητών διίστανται είναι η υγρασία του δείγματος. Αρκετοί υποστηρίζουν ότι η παρουσία υγρασίας βελτιώνει την ταχύτητα και την αποτελεσματικότητα της εκχύλισης, καθώς βοηθά το διαλύτη να εισχωρήσει καλύτερα και σε μεγαλύτερο βάθος στο δείγμα και, έτσι, λαμβάνεται μεγαλύτερη ποσότητα του ελαίου. Περισσότερες είναι όμως οι 25

37 ενδείξεις για αρνητική επίδραση της υγρασίας στην απόδοση της εκχύλισης. Για τον λόγο αυτόν, επιλέγεται αφυδάτωση του δείγματος πριν την εκχύλιση (Letellier & Budzinski, 1999; Kaufmann & Christen, 2002) Εφαρμογές μικροκυμάτων στην εκχύλιση ελαίου από φυτικούς ιστούς Η εκχύλιση με μικροκύματα εφαρμόζεται επιτυχώς σε εργαστηριακή κλίμακα επειδή είναι ταχύτερη και αποτελεσματικότερη από άλλες μεθόδους εκχύλισης, ενώ παράλληλα απαιτεί μικρότερη πόσοτητα διαλύτη (Pérez-Serradilla et al., 2007). Έχει αναφερθεί ότι η μέθοδος αυτή είναι κατάλληλη για την εκχύλιση φαινολικών συστατικών και επιτυγχάνει υψηλότερες αποδόσεις ανάκτησης πολυφαινολών σε σύγκριση με τις συμβατικές τεχνικές, χωρίς να αλλοιώνεται το αντιοξειδωτικό δυναμικό των εκχυλισμάτων (Spigno & De Faveri, 2009). Τα τελευταία χρόνια λαμβάνουν χώρα όλο και περισσότερες μελέτες που αφορούν στην εκχύλιση ελαίου από φυτικούς ιστούς με τη χρήση μικροκυμάτων. Είναι μια σύγχρονη πράσινη τεχνολογία και αποτελεί μια καλή εναλλακτική λύση για την εξαγωγή αιθέριων ελαίων από αρωματικά φυτα. Συγκεκριμένα, έχει εφαρμοσθεί για εκχύλιση ελάιου από λεβάντα (Da Porto et al., 2009), σπόρους ροδιού (Abbasi et al., 2008), βασιλικό (Ocimum basilicum L.), δυόσμο (Mentha crispa L.) και θυμάρι (Thymus vulgaris L) (Lucchesi et al., 2004; Kusuma & Mahfud, 2016). 26

38 3. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ 3.1. Γίγαρτα σταφυλιού Τα γίγαρτα που χρησημοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία προήλθαν από σταφύλια της ποικιλίας ξινόμαυρο, από την καλή ρίζα του αμπελώνα του οινοποιείου Κυρ-Γιάννη στην περιοχή του Αμύνταιου. Τα γίγαρτα απομονώθηκαν από τις ράγες και τοποθετήθηκαν σε κλίβανο ξήρανσης (Memmert, 854 Schwabach, NrU , Germany) στους 40 ο C για 48 ώρες, ώστε να αφυδατωθούν. Στη συνέχεια, ακολούθησε άλεση των γιγάρτων σε μύλο Storung (Typ A10 Janke & Kunkel, IKA Labortechnik, Staufen, Germany), για χρονικό διάστημα περίπου ενός λεπτού. Σημειώνεται ότι με αύξηση του χρόνου άλεσης, το μέσο μέγεθος των σωματιδίων της σκόνης δεν υφίστατο επιπλέον μείωση. Για τον προσδιορισμό της κατανομής μεγέθους των σωματιδίων, χρησιμοποιήθηκε το δονούμενο σύστημα κοσκίνησης Retax (Labor Siebmaschine, Type LS10, Nr 4082, Germany). Η σκόνη των γιγάρτων επεξεργάστηκε με 6 κόσκινα με διαφορετική διάμετρο οπών, τα όποια είχαν προηγουμένως ζυγισθεί. Χρησιμοποιήθηκαν 100 g σκόνης γιγάρτων και πραγματοποιήθηκε κοσκίνηση για 15 min. Μετά την ολοκλήρωση της κοσκίνισης, έγινε ζύγιση των κοσκίνων με το περιεχόμενό τους. Πίνακας 3.1: Διάμετροι οπών κοσκίνων. DIN Mm No No No No No No Στα κονιoποιημένα γίγαρτα προδιορίστηκε, επίσης, η υγρασία με τη μέθοδο ξήρανσης. Για τον προσδιορισμό της υγρασίας χρησιμοποιήθηκαν ζυγός ακριβείας, κλίβανος ξήρανσης (Memmert, 854 Schwabach, Nr U , Germany) και αφυγραντήρας και έγιναν δύο επαναλήψεις. Ζυγίστηκαν 2 g σκόνης και τοποθετήθηκαν σε δύο κάψες, οι οποίες είχαν προηγουμένως ζυγιστεί. Κατόπιν, κάθε κάψα με αντίστοιχο 27

39 δείγμα τοποθετήθηκε στον κλίβανο στους 105 o C για 3 ώρες και ακολούθως σε αφυγραντήρα για 30 min. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε ζύγιση κάθε κάψας, με το περιεχόμενό της, και ο υπολογισμός της υγρασίας έγινε ως εξής: % υγρασία = (mκ+mδ mτ)/mδ όπου mκ : βάρος κενής κάψας mδ : βάρος δείγματος σκόνης mτ : βάρος κάψας και δείγματος μετά τον αφυγραντήρα 3.2. Εκχύλιση ελαίου από γίγαρτα Στην παρούσα διατριβή, οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για την εκχύλιση του ελαίου ήταν η εκχύλιση με άμεσους υπέρηχους και η εκχύλιση με μικροκύματα. Ως διαλύτης χρησιμοποιήθηκε κανονικό εξάνιο (σ.ζ. 69 o C, πολύ εύφλεκτο, άχρωμο, πυκνότητα 0.66 g/ml, αδιάλυτο στο νερό). Ωστόσο, για λόγους σύγκρισης, πραγματοποιήθηκε και η κλασική μέθοδος εκχύλισης με ανάδευση. Συγκεκριμένα, ζυγίστηκαν 12 g σκόνης και τοποθετήθηκαν με 180 ml διαλύτη εξάνιο σε ποτήρι ζέσεως (αναλογία διαλύτη-δείγματος 15:1) και το ποτήρι καλύφθηκε με διαφανή μεμβράνη. Με τη χρήση μαγνητικού αναδευτήρα πραγματοποιήθηκε εκχύλιση για 4 ώρες σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Σε όλες τις μεθόδους, μετά το πέρας της εκχύλισης, ακολούθησε διήθηση σε χωνί ώστε να ληφθεί ποσότητα ελαίου με εξάνιο, απαλλαγμένο από αιωρούμενα συστατικά. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε συμπύκνωση του μίγματος εξανίου-ελαίου σε περιστροφικό συμπυκνωτήρα κενού (Büchi Rotovapor R114, Waterbath B480, Büchi, Flawil, Switzerland), έτσι ώστε να απομακρυνθεί η μεγαλύτερη ποσότητα του διαλύτη. Η συμπύκνωση γινόταν σε θερμοκρασία 45 o C, με επίπεδο ανοχής ±2 o C, για μία ώρα. Τέλος, το ανακτηθέν έλαιο ξηραινόταν σε κλίβανο (Memmert, 854 Schwabach, Nr U , Germany), σε θερμοκρασία 45 o C για 24 h, έτσι ώστε να απομακρυνθούν τυχόν υπολείμματα διαλύτη. Ακολουθούσε ζύγιση της ποσότητας του λαμβανόμενου ελαιου. Η απόδοση της εκχύλισης υπολογιζόταν από το λόγο της μάζας του ελαίου μετά την ξήρανση προς τη μάζα της σκόνης που χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή του (g ελαίου/g σκόνης γιγάρτων). 28

40 (a) (b) (c) Εικόνα 3.1: a) Εκχύλιση με κανονική ανάδευση b) Διήθηση και παραλαβή διαλύματος ελαίου-εξανίου c) Συμπύκνωση σε περιστροφικό συμπυκνωτήρα κενού Εκχύλιση με υπερήχους Στην παρούσα μελέτη, η επιλογή του διαλύτη και του χρόνου εκχύλισης βασίστηκε σε βιβλιογραφικά δεδομένα για εκχύλιση ελαίου από γίγαρτα σταφυλιού με τη μέθοδο των υπερήχων. Βασικό ρόλο στην εκχύλιση είχαν η αναλογία εξανίου/σκόνης γιγάρτων, η οποία κυμάνθηκε από 8:1 έως 24:1 (ml/g) (8:1, 11.24:1, 16:1, 20.76:1, 24:1 ml/g), η θερμοκρασία, με εύρος τιμών από 20 εως 65 ο C (20, 29.11, 42.5, 55.89, 65 o C), καθώς και η ένταση του παλμού των υπερήχων που κυμάνθηκε από 30 έως 60% (30, 36.07, 45, 53.93, 60). Οι λειτουργικές αυτές παράμετροι έδωσαν διάφορους συνδυασμούς σύμφωνα με τον πειραματικό σχεδιασμό που αναλύεται σε επόμενη παράγραφο. Για κάθε πείραμα, διατηρούνταν σταθερή η ποσότητα διαλύτη (50 ml εξάνιο), ζυγίζονταν τα γραμμάρια της σκόνης ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή αναλογία και 29

41 αναμιγνύονταν σε ποτήρι ζέσεως 150 ml. Μετά την προετοιμασία του μίγματος, ρυθμιζόταν η κατάλληλη ένταση παλμού στον εκχυλιστήρα υπερήχων (VCX-130, Sonics and Materials, Danbury, CT, USA). Η θερμοκρασία εκχύλισης ρυθμιζόταν με εμβάπτιση του ποτηριού σε υδατόλουτρο ή λουτρό πάγου (ανάλογα με τη θερμοκρασία του πειράματος) και ελεγχόταν με θερμοστοιχείο που ήταν διαρκώς εμβαπτισμένο μέσα στο μίγμα. Κατά τη διάρκεια της εκχύλισης, το μίγμα αναδεύονταν συχνά ώστε να αποφευχθούν φαινόμενα δημιουργίας συσσωματωμάτων. Ο χρόνος εκχύλισης κάθε φορά ήταν 15 min. Για την διεξαγωγή των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε ο εκχυλιστήρας άμεσων υπερήχων Sonics & Materials 130 W, 20 khz (VCX-130, Sonics and Materials, Danbury, CT, USA) με Ti-Al-V κεφαλή (13 mm). Η ένταση του παλμού (amplitude) παίρνει τιμές από % της ονομαστικής ισχύς. Η διάρκεια του παλμού καθώς και το μεσοδιάστημα μεταξύ των παλμών αναφέρεται ως on time και off time αντίστοιχα. Η διάρκεια παλμού/μεσοδιάστημα μεταξύ των παλμών που επιλέχθηκε είναι 2/1. Εικόνα 3.2: Συσκευή εκχύλισης άμεσων υπερήχων Εκχύλιση με μικροκύματα Στη συγκεκριμένη μέθοδο, οι παράμετροι που ελήφθησαν υπόψιν και έδωσαν διάφορους συνδυασμούς στον πειραματικό σχεδιασμό που θα αναλυθεί παρακάτω είναι η αναλογία διαλύτη/σκόνης γιγάρτων και η ισχύς της ακτινοβολίας των μικροκυμάτων. Το εύρος τιμών για την αναλογία εξανίου/σκόνης ήταν από 8:1 έως 24:1 ml/g (8:1, 10.3:1, 16:1, 21.7:1, 24:1 ml/g), ενώ οι τιμές της ισχύoς κυμάνθηκαν από 100 εώς 600 W (100, 172.7, 350, 527.3, 600 W). Η εκχύλιση πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια ειδικού θαλάμου μικροκυμάτων Multiwave B30MC030A (AntonPaar, Graz, Austria). Η διάταξη μικροκυμάτων αποτελείται 30

42 από μία συσκευή παραγωγής μικροκυμάτων, το μάγνητρο. Ακόμη, περιλαμβάνει σωλήνες και ανεμιστήρα που οδηγούν τα μικροκύματα και τα κατανέμουν ομοιόμορφα στο θάλαμο, αντίστοιχα, και από ένα δίσκο περιστροφής των δειγμάτων (Μπλούκας, 2004). Ο συγκεκριμένος φούρνος που χρησιμοποιήθηκε έχει δίσκο περιστροφής στον οποίο εφαρμόζει κατάλληλος φορέας που περιέχει έξι δοχεία-κάψουλες. Τα δοχεία συμπληρώνονται με το δείγμα προς εκχύλιση. Ζυγιζόταν κάθε φορά τα γραμμάρια της σκόνης και στη συνέχεια εισάγονταν η απαραίτητη ποσότητα εξανίου, ώστε να επιτυγχάνεται η αναλογία διαλύτη/σκόνης κάθε πειράματος. Λόγω περιορισμών στις ποσότητες κάθε κάψουλας, που πρέπει να τηρούνται για την ορθή λειτουργία της συσκευής, δεν ήταν εφικτό να διατηρηθεί σταθερή η ποσότητα διαλύτη ή διαλυμένης ουσίας σε όλα τα πειράματα. Παρ όλα αυτά, σε 10 από τα 13 συνολικά πειράματα, η ποσότητα σκόνης γιγάρτων ήταν 3 g και η ποσότητα εξανίου υπολογίζονταν σύμφωνα με την αντίστοιχη κάθε φορά αναλογία. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές της συσκευής, σε κάθε κάψουλα η ποσότητα διαλύτη πρέπει να είναι ίδια και να κυμαίνεται από 5 εώς 10 ml και η ποσότητα της σκόνης να μη ξεπερνά τα 0.5 g. Εικόνα 3.3: Συσκευή εκχύλισης μικροκυμάτων. Μετά την προσθήκη της σκόνης γιγάρτων και του εξανίου στις 6 κάψουλες, ακολουθούσε η εισαγωγή αυτών στον φούρνο μικροκυμάτων και η ρύθμιση της ισχύος, που ήταν διαφορετική για κάθε πείραμα. Η θερμοκρασία και η πίεση διατηρούνταν σταθερές σε όλες τις εκχυλίσεις σους 80 ο C και 75 bar, αντίστοιχα. Η διάρκεια της εκχύλισης ορίστηκε στα 5 min, χρόνος ιδανικός για τη μέγιστη απόδοση ελαίου, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία. 31

43 Επιπλέον, εκτός από τη ρύθμιση της πίεσης, της θερμοκρασίας και του χρόνου, λαμβάνονταν υπόψη ο χρόνος ψύξης (cooling time), δηλαδή ο χρόνος που ο φούρνος ψύχει το δείγμα μετά το πέρας της εκχύλισης για ασφάλεια του χειριστή, ώστε η θερμοκρασία να βρίσκεται κάτω των 50 ο C. Λόγω της υψηλής ισχύος ακτινοβολίας, οι θερμοκρασίες στο φούρνο είναι αρκετά υψηλές, οπότε απαιτείται η ψύξη του δείγματος. Ο χρόνος ψύξης ρυθμίστηκε στα 1-2 min για χρόνο εκχύλισης 4-5 min Πειραματικός σχεδιασμός εκχύλισης Ο πειραματικός σχεδιασμός έγινε με βάση τη μεθοδολογία επιφανειών απόκρισης (RSM, Response Surface Methodology). Η μέθοδος δίνει τη σχέση ανάμεσα στην απόκριση (μπορεί να είναι μία ή παραπάνω) και τις παραμέτρους που πρόκειται να μελετηθούν. Στα πειράματα της συγκεκριμένης μελέτης, μεταβλητή απόκρισης ήταν η απόδοση εκχύλισης (Y). Ο σχεδιασμός των πειραμάτων σύμφωνα με τη μέθοδο RSM έγινε με τη βοήθεια του στατιστικού πακέτου Minitab (Release 13 for Windows, Minitab Inc., State College, Pennsylvania) Εκχύλιση με υπερήχους Οι εξεταζόμενες παράμετροι ήταν: η αναλογία διαλύτη/σκόνης γιγάρτων (LS, ml/g) η θερμοκρασία εκχύλισης (T, o C) η ένταση παλμού (Α, %) Ο πειραματικός σχεδιασμός έδωσε 20 πειράματα. Ο συνδυασμός που οδήγησε σε μέγιστη απόδοση επαναλήφθηκε προκειμένου να επιβεβαιωθεί το αποτέλεσμα. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε και ένα επιπλέον πείραμα στις προβλεπόμενες βέλτιστες συνθήκες, προκειμένου να γίνει σύγκριση της θεωρητικής και της πειραματικής τιμής Εκχύλιση με μικροκύματα Για την εκχύλιση με μικροκύματα οι παράγοντες που μελετήθηκαν ήταν οι εξής: η ισχύς της ακτινοβολίας (P, W) η αναλογία διαλύτη/σκόνης γιγάρτων (LS, ml/g) Ο πειραματικός σχεδιασμός έδωσε 13 πειράματα. Όμοια με την εκχύλιση υπερήχων, εκτελέστηκαν επιπλέον δύο πειράματα. Ένα για τις τιμές των παραμέτρων που επέφεραν τη 32

44 μεγαλύτερη απόδοση και ένα για τις βέλτιστες συνθήκες που προέβλεψε η βελτιστοποίση με το πρόγραμμα Minitab. Πίνακας 3.2: Πειραματικός σχεδιασμός εκχύλισης με τη μέθοδο των υπερήχων. Α/Α Αναλογία διαλύτη/σκόνης LS (ml/g) Θερμοκρασία T ( o C) Ένταση παλμού A (%) Πίνακας 3.3: Πειραματικός σχεδιασμός εκχύλισης με τη μέθοδο των μικροκυμάτων. Α/Α Ισχύς ακτινοβολίας P(W) Αναλογία διαλύτη/σκόνης LS (ml/g)

45 4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 4.1. Κατανομή μεγέθους σωματιδίων γιγάρτων Τα αποτελέσματα της κοσκίνισης της σκόνης γιγάρτων παρουσιάζονται στο Σχήμα 4.1. Όπως προκύπτει, το 65% των σωματιδίων της σκόνης έχει μέση διάμετρο ίση με 0.24 mm. Από την αθροιστική κατανομή, υπολογίστηκε ότι 50% των σωματιδίων έχει διάμετρο μέχρι 0.22 mm. a) b) Σχήμα 4.1: Κατανομή μεγέθους σωματιδίων της σκόνης γιγάρτων a) Απλή κατανομή b) Αθροιστική κατανομή. 34

46 Το μέγεθος των σωματιδίων σε μία εκχύλιση στερεού-υγρού έχει διαπιστωθεί ότι επηρεάζει την απόδοση εκχύλισης. Συγκεκριμένα, το μικρό μέγεθος αυξάνει την επιφάνεια επαφής μεταξύ του στερεού και του υγρού διαλύτη, ενώ παράλληλα καθιστά ευκολότερη τη μετακίνηση του διαλύτη στο κέντρο των σωματιδίων, κάτι το οποίο συντελεί στην εκχύλιση μεγαλύτερης ποσότητας ουσίας. Επίσης, το μικρότερο μέγεθος σωματιδίων μειώνει την απόσταση διάχυσης της εκχυλιζόμενης ουσίας από το εσωτερικό του σωματιδίου στην επιφάνειά του (Pinelo et al., 2006). Η μέση διάμετρος των σωματιδίων της σκόνης γιγάρτων που προέκυψε από την εφαρμοζόμενη προκατεργασία θεωρήθηκε ικαοποιητική. Επιπλέον, η υγρασία της σκόνης των γιγάρτων βρέθηκε ίση με 6.25 ± 0.2% σε υγρή βάση Εκχύλιση ελαίου από γίγαρτα με υπερήχους Η απόδοση της εκχύλισης κυμάνθηκε από 4.8 έως 10.88% (g/g σκόνης γιγάρτων). Ο χρόνος εκχύλισης επιλέχθηκε να είναι 15 min, βάσει βιβλιογραφικών δεδομένων που αφορούν στην εκχύλιση ελαίου με υπερήχους από διάφορους φυτικούς ιστούς. Σύμφωνα με τους Kalamara et al. (2015), κατά την εκχύλιση ελαίου από σπόρους ροδιού με υπερήχους, η απόδοση της εκχύλισης ήταν χρονικά εξαρτώμενη και αυξανόταν με τον χρόνο εκχύλισης, ειδικά από τα 2 έως τα 10 min, αλλά με μικρότερο ρυθμό από τα 10 έως τα 40 min. Οι Zhang et al. (2008), που μελέτησαν την εκχύλιση ελαίου από σπόρους λιναριού με τη χρήση υπερήχων, αναφέρουν ότι η επίδραση των υπερήχων είναι πιο αποτελεσματική στα πρώτα 30 min εκχύλισης. Απέδωσαν αυτό το φαινόμενο στο γεγονός ότι τα κύματα των υπερήχων διαρρηγνύουν το κυτταρικό τοίχωμα, με αποτέλεσμα να δημιουργείται μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής μεταξύ του διαλύτη και του υλικού και έτσι να εκχυλίζεται περισσότερο έλαιο. Παρόλα αυτά, καθώς μεγαλώνει η απόσταση που απαιτείται να διανύσουν τα κύματα των υπερήχων, αυτό το φαινόμενο σταδιακά εξασθενεί. Οι Tian et al. (2013), οι οποίοι εκχύλισαν έλαιο από σπόρους ροδιού χρησιμοποιώντας την έμμεση μέθοδο υπερήχων, αναφέρουν ότι η απόδοση σε έλαιο αυξάνεται σημαντικά στα πρώτα 30 min και μετά μειώνεται, ώσπου να φθάσει ένα σημείο ισορροπίας. Απέδωσαν αυτή τη συμπεριφορά στο γεγονός ότι στα πρώτα 30 min, όλοι οι σπόροι του ροδιού διαρρηγνύoνται πλήρως, λόγω του φαινομένου της σπηλαίωσης, με αποτέλεσμα τη διείσδυση του διαλύτη στα κύτταρα (Hemwimol et al., 2006) και τη βελτίωση της μεταφοράς του διαλυμένου στο διαλύτη ελαίου έξω από τη δομή των κυττάρων (Paniwnyk et al., 2001). Σε γενικές γραμμές, ως χρόνος εκχύλισης για επίτευξη μέγιστης απόδοσης μπορεί να θεωρηθούν τα min. Το γεγονός αυτό μπορεί να αποδοθεί στο ότι η διεργασία της 35

47 εκχύλισης συντελείται σε δυο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, χαρακτηριστικό του οποίου είναι ο ταχύς ρυθμός εκχύλισης, πραγματοποιείται η διείσδυση του διαλύτη στη σκόνη των σπόρων και η διάλυση των διαλυτών συστατικών. Το δεύτερο στάδιο περιλαμβάνει τη διάχυση των διαλυμένων συστατικών μέσω του πορώδους των στερεών και τη μεταφορά τους, μέσω του διαλύτη που είναι σε επαφή με τα στερεά, στην κυρίως μάζα του διαλύματος (Goula, 2013). Καθώς τα κύτταρα των σπόρων του ροδιού διαρρηγνύονται, αδιάλυτα στερεά, κυτοσόλη και λιπίδια αποβάλλονται στο εκχύλισμα, με αποτέλεσμα τη μείωση της ικανότητας διείσδυσης του διαλύτη στη δομή των κυττάρων (Liu et al., 2009; Tian et al., 2013). Επιπλέον, ποσότητα ελαίου που έχει εκχυλιστεί επαναπροσροφάται στα διαρρηγμένα κύτταρα, λόγω της μεγάλης ειδικής επιφάνειάς τους, με αποτέλεσμα τη μείωση της απόδοσης της διεργασίας σε έλαιο (Dong et al., 2010). Έρευνες στις οποίες μελετήθηκε η απόδοση εκχύλισης ελαίου από γίγαρτα σταφυλιού με υπερήχους και με άλλες μεθόδους έδειξαν ότι η υποβοηθούμενη με υπερήχους εκχύλιση είναι μια αποτελεσματική εναλλακτική λύση έναντι των συμβατικών εκχυλίσεων (κανονική ανάδευση, Soxhlet, ψυχρή πίεση), για να επιτευχθεί υψηλή απόδοση ελαίου με περιορισμένη κατανάλωση διαλύτη και σε μικρό χρόνο εκχύλισης. Σύμφωνα με τους Da Porto et al. (2013), εκχύλιση με υπερήχους για 30 min οδήγησε σε απόδοση ελαίου σταφυλιού 14%, τιμή συγκρίσιμη με αυτήν της εκχύλισης Soxhlet για 6 h (14.64%). Η αποτελεσματική χρήση των υπερήχων επιβεβαιώνεται και στην παρούσα διπλωματική εργασία, καθώς η απόδοση της εκχύλισης με κανονική ανάδευση που πραγματοποιήθηκε αρχικά για 4 ώρες είναι 8.33% (g/g σκόνης γιγάρτων). Η εκχύλιση με υπερήχους οδήγησε σε μεγαλύτερες αποδόσεις (μέγιστη 10.88% g/g σκόνης γιγάρτων) σε μόλις 15 min. Επομένως, η χρήση υπερήχων οδηγεί σε όμοια ή μεγαλύτερη απόδοση εκχύλισης σε σχέση με άλλες συμβατικές μεθόδους εκχύλισης ελαίου, αλλά κυρίως μειώνει τον απαιτούμενο χρόνο Επίδραση λειτουργικών παραμέτρων στην απόδοση εκχύλισης Σε αυτήν την ενότητα αναλύονται οι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση της εκχύλισης, οι οποίοι είναι η θερμοκρασία (Τ), η αναλογία διαλύτη/σκόνης γιγάρτων (LS) και η ένταση παλμού υπερήχων (Α). Στο Σχήμα 4.2 παρουσιάζονται οι κύριες επιδράσεις των παραπάνω παραμέτρων, ενώ στο Σχήμα 4.3 οι αντίστοιχες επιφάνειες απόκρισης. 36

48 Main Effects Plot for Y% (g/g seed) Data Means T(C) LS(mL/g) 10 8 Mean ,00 29,11 42,50 A(%) 55,89 65,00 30,00 36,07 45,00 53,93 60,00 8,00 11,24 16,00 20,76 24, Σχήμα 4.2: Κύριες επιδράσεις της θερμοκρασίας (Τ), της αναλογίας διαλύτη/σκόνης (LS) και της έντασης παλμού (Α) στην απόδοση εκχύλισης. Surface Plots of Y% (g/g seed) Y 86 Y T 60 8 LS T 10 8 Y A LS A Σχήμα 4.3: Επιφάνειες απόκρισης επίδρασης της θερμοκρασίας (Τ), της αναλογίας διαλύτη/σκόνης (LS) και της έντασης παλμού (Α) στην απόδοση εκχύλισης. 37

49 Όπως παρατηρείται στα Σχήματα 4.2 και 4.3, με αύξηση της θερμοκρασίας η απόδοση της εκχύλισης αυξάνεται μέχρι ένα σημείο και μετά μειώνεται, με αύξηση της αναλογίας εξανίου/σκόνης επίσης αυξάνεται η απόδοση, ενώ με αύξηση της έντασης του παλμού η απόδοση μειώνεται. Αναλυτικότερα, η αύξηση της απόδοσης με αύξηση της θερμοκρασίας μέχρι τους ο C είναι αναμενόμενη, καθώς η αύξηση της θερμοκρασίας ενισχύει τα φαινόμενα διαλυτότητας και διαχυτότητας και έτσι διευκολύνεται η διάχυση του διαλύτη στο κυτταρικό τοίχωμα, με αποτέλεσμα τη γρηγορότερη και αποτελεσματικότερη εκχύλιση. Ωστόσο, σε υψηλές θερμοκρασίες (μεγαλύτερες των ο C), η απόδοση μειώνεται με περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτο το φαινόμενο μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι η πίεση ατμών του διαλύτη αυξάνεται με αύξηση της θερμοκρασίας και η πίεση ατμών έχει μεγάλη επίδραση στην ένταση του φαινομένου της σπηλαίωσης. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες η πίεση των ατμών είναι μικρότερη. Οι υπέρηχοι παράγουν μικροφυσαλίδες, οι οποίες καταρρέουν με σχετικά μεγάλη δύναμη, γεγονός το οποίο βελτιώνει τη διάρρηξη των κυτταρικών ιστών κατά τη διάρκεια της εκχύλισης. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, η πίεση των ατμών είναι υψηλότερη, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται περισσότερες φυσαλίδες, αλλά αυτές καταρρέουν με μικρότερη ένταση, λόγω της μικρότερης διαφοράς πίεσης μεταξύ της εσωτερικής και εξωτερικής δομής των φυσαλίδων (Hromadkova et al., 1999). Η αρνητική επίδραση της θερμοκρασίας στην απόδοση εκχύλισης μπορεί επίσης να αποδοθεί στη μείωση της επιφανειακής τάσης, ως αποτέλεσμα της ανόδου της θερμοκρασίας, η οποία επηρεάζει το σχηματισμό των φυσαλίδων και την κατάρρευσή τους. Γενικά, σε υψηλότερες θερμοκρασίες οι φυσαλίδες καταρρέουν ευκολότερα, με αποτέλεσμα να μειώνεται η ευνοϊκή επίδραση των υπερήχων στη μεταφορά μάζας (Zhang et al., 2008). Η απόδοση της εκχύλισης βελτιώθηκε επίσης με αύξηση της αναλογίας διαλύτη/σκόνης. Είναι γνωστό ότι η κινητήρια δύναμη για τη μεταφορά μάζας, άρα και για την εκχύλιση, είναι η διαφορά συγκέντρωσης μεταξύ του υγρού διαλύτη και της στερεάς σκόνης, η οποία είναι μεγαλύτερη όταν αυξάνεται η αναλογία διαλύτη στερεών. Επομένως, υψηλότερη αναλογία οδηγεί σε εντονότερη ρήξη του φυτικού υλικού, μεγαλύτερη διάχυση ελαίου από τη σκόνη γιγάρτων προς το διάλυμα και, επομένως, μεγαλύτερη απόδοση εκχύλισης. Παρόμοια τάση παρατηρήθηκε και από άλλους ερευνητές (Li et al., 2005; Zhang et al., 2008; Qu et al., 2010; Kalamara et al., 2015). Στα Σχήματα 4.2 και 4.3 παρουσιάζεται επίσης η επίδραση της έντασης παλμού στην απόδοση εκχύλισης. Παρατηρείται ότι σε χαμηλές τιμές της έντασης η απόδοση είναι υψηλότερη και είναι μέγιστη στο 30%. Στη συνέχεια, η απόδοση της εκχύλισης διατηρείται 38

50 σταθερή με αύξηση της έντασης παλμών, ενώ για υψηλές τιμές έντασης, η απόδοση μειώνεται σημαντικά. Ειδικότερα στο 60% αντιστοιχεί η μικρότερη απόδοση των πειραμάτων (4.8% g/g σκόνης γιγάρτων). Το γεγονός αυτό δεν είναι αναμενόμενο, καθώς η αύξηση της έντασης παλμών βελτιώνει το ρυθμό μεταφοράς μάζας. Το είδος και ο αριθμός των φυσαλίδων που δημιουργούνται και καταρρέουν συσχετίζονται θετικά με την ένταση του παλμού των κυμάτων των υπερήχων που μεταφέρονται στο διαλύτη. Η κατάρρευση των φυσαλίδων δημιουργεί ισχυρές δυνάμεις διάτμησης που προκαλούν μικροδίνες, οι οποίες διαρρηγνύουν το κυτταρικό τοίχωμα (Tian et al., 2013). Το φαινόμενο αυτό επιταχύνει τη διείσδυση του διαλύτη στα κύτταρα και την απελευθέρωση των συστατικών από τα κύτταρα στο διαλύτη και ταυτόχρονα βελτιώνει σημαντικά το ρυθμό μεταφοράς μάζας (Lou et al., 2010). Ωστόσο, έχει βρεθεί ότι η μεγάλη αύξηση της έντασης των παλμών συνδέεται με φαινόμενα υποβάθμισης του φυτικού ιστού (Yang et al., 2008; Kaderides et al., 2015) και μπορεί να επιφέρει μείωση της απόδοσης εκχύλισης. Επίσης, σύμφωνα με τους Maran & Priya (2015), η αύξηση της έντασης του παλμού πάνω από 90 W, μπορεί να συντελέσει σε μεγάλη αύξηση του αριθμού φυσαλίδων στη μάζα του διαλύτη κατά την ανάπτυξη των φαινομένων σπηλαίωσης, γεγονός το οποίο μπορεί να περιορίσει την αποτελεσματικότητα της μεταφερόμενης ενέργειας υπερήχων Βελτιστοποίηση απόδοσης εκχύλισης Η επίδραση των εξεταζόμενων λειτουργικών παραμέτρων στην απόδοση της εκχύλισης αναλύθηκε μέσω του σχεδιασμού επιφανειών απόκρισης και του στατιστικού προγράμματος Minitab (Release 13.0). Με τη βοήθεια του στατιστικού προγράμματος Minitab και χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα του πειραματικού σχεδιασμού, εντοπίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες για την απόδοση της εκχύλισης. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.4, η εκχύλιση ελαίου από γίγαρτα με τη μέθοδο υπερήχων αριστοποιείται όταν η θερμοκρασία εκχύλισης είναι 40 ο C, η ένταση παλμών 30% (39 W) και η αναλογία διαλύτη/σκόνης 24:1 ml/g. Ωστόσο, πραγματοποίηση της εκχύλισης για τις παραπάνω βέλτιστες συνθήκες οδήγησε σε ακόμη μεγαλύτερη τιμή απόδοσης από την εκτιμώμενη. Συγκεκριμένα, η απόδοση που προέκυψε ήταν 13.92% g/g σκόνης γιγάρτων. 39

51 Σχήμα 4.4: Βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης ελαίου από γίγαρτα με τη μέθοδο των υπερήχων Εκχύλιση ελαίου από γίγαρτα με μικροκύματα Η απόδοση της εκχύλισης κυμάνθηκε από 2.33 έως 13.04% (g/g σκόνης γιγάρτων). Η χρονική διάρκεια της εκχύλισης επιλέχθηκε να είναι 5 min, χρόνος αρκετός σύμφωνα με τη βιβλιογραφία για την εκχύλιση από φυτικούς ιστούς με τη μέθοδο των μικροκυμάτων. Βέλτιστος χρόνος 5 min παρατηρήθηκε κατά την εκχύλιση μπετακυανινών από φλοιούς κόκκινης pitaya με διαλύτη το νερό (Ferreres et al., 2017), ενώ χρόνος εκχύλισης 3 min βελτίωσε την περιεκτικότητα σε υδρολυόμενες ταννίνες κατά την εκχύλιση με μικροκύματα σε κορμούς Acacia mollissima (Rhazi et al., 2015). Κατά την εκχύλιση φαινολικών από φλοιούς ροδιού με τη μέθοδο των μικροκυμάτων (Papaoikonomou et al., 2016), εξήχθη το συμπέρασμα ότι η επίδραση του χρόνου δεν ήταν σημαντική, ιδιαίτερα με διαλύτη αιθανόλη 50%. Συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε μία μείωση της απόδοσης στα 4 min, η οποία στη συνέχεια σταματούσε και η απόδοση επανερχόταν σε χρόνο 10 ή 20 min, χωρίς όμως να ξεπερνά κατά πολύ την απόδοση των 4 min. Η στασιμότητα στην απόδοση μετά από κάποιο χρόνο, μπορεί να δικαιολογηθεί από τις δύο φάσεις της εκχύλισης κατά τις οποίες η παραλαβή της επιθυμητής ουσίας είναι πιο γρήγορη στην πρώτη φάση (διείσδυση του διαλύτη στα στερεά σωματίδια) και πιο αργή στη δεύτερη φάση (διάχυση της εκχυλιζόμενης ουσίας από τα στερεά σωματίδια στο υγρό) (Goula et al., 2017). Ακόμη, μπορεί να οφείλεται 40

52 στην απελευθέρωση παράλληλα και άλλων ουσιών πέρα από την ουσία στόχο, όπως λιπίδια και αδιάλυτα συστατικά (Dong et al., 2010). Η μείωση της απόδοσης που παρατηρείται έχει αποδοθεί ως ένα βαθμό στην επαναπροσρόφηση της εκχυλιζόμενης ουσίας από τα κατεστραμμένα κύτταρα. Αν αυτό ισχύει, τότε ίσως η αύξηση που ακολουθεί στη συνέχεια, οφείλεται στην αύξηση της θερμότητας που αναπτύσσεται στο σύστημα της εκχύλισης με την πορεία του χρόνου, οπότε οι κυτταρικές δομές καταστρέφονται περαιτέρω και αποδίδουν τις φαινολικές ουσίες που επαναπροσρόφησαν. Η χρήση των μικροκυμάτων συγκριτικά με άλλες μεθόδους εκχύλισης οδήγησε σε μεγαλύτερη απόδοση, μειώνοντας ταυτόχρονα σημαντικά τον χρόνο και την ποσότητα του διαλύτη. Παρόμοια ήταν τα συμπεράσματα κατά την εκχύλιση και άλλων ελαίων από φυτικούς ιστούς. Έλαια που εκχυλίσθηκαν με τη μέθοδο των μικροκυμάτων για 30 min ήταν ποσοτικά (απόδοση) και ποιοτικά (αρωματικό προφίλ) παρόμοια με εκείνα που λαμβάνονται με συμβατική υδρο-απόσταξη για 4.5 h. Σύμφωνα με τους Lucchesi et al. (2004), η μέθοδος των μικροκυμάτων οδηγεί σε έλαιο με υψηλότερες ποσότητες οξυγονούχων ενώσεων και επιτρέπει σημαντική εξοικονόμηση κόστους, από άποψη χρόνου, ενέργειας και φυτικού υλικού Επίδραση λειτουργικών παραμέτρων στην απόδοση εκχύλισης Οι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση της εκχύλισης είναι η ισχύς της ακτινοβολίας (Ρ) και η αναλογία διαλύτη/σκόνης γιγάρτων (LS). Οι κύριες επιδράσεις των παραμέτρων αυτών και οι αντίστοιχες επιφάνειες απόκρισης παρουσιάζονται στα Σχήματα 4.5 και 4.6, αντίστοιχα. Όπως φαίνεται στα Σχήματα 4.5 και 4.6, η απόδοση της εκχύλισης παρουσιάζει αυξομειώσεις με αύξηση τόσο της ισχύος όσο και της αναλογίας διαλύτη/σκόνης γιγάρτων. Σύμφωνα με το Σχήμα 4.5, η απόδοση της εκχύλισης αυξάνεται με αύξηση της ισχύος ακτινοβολίας μέχρι την τιμή W, όπου παρουσιάζει μέγιστο. Στη συνέχεια παρατηρείται μείωση της απόδοσης μέχρι τα 350 W, όπου εμφανίζεται ελάχιστο, και ακολουθεί σημαντική αύξηση της απόδοσης μέχρι την τελική τιμή των 600 W. Η απόδοση της εκχύλισης αυξάνεται σημαντικά από αναλογία διαλύτη/σκόνης 8:1 έως 10.3:1 παρουσιάζοντας μέγιστο σύμφωνα με το Σχήμα 4.5. Ακολουθεί μείωση μέχρι την αναλογία 16:1 και έπειτα αύξηση της απόδοσης μέχρι την κορυφή σε αναλογία 21.7:1. Στη συνέχεια, με περαιτέρω αύξηση της αναλογίας διαλύτη/σκόνης μέχρι 24:1, η απόδοση της εκχύλισης εμφανίζει μια σημαντική μείωση. Σύμφωνα με τις αρχές μεταφοράς μάζας, όταν αυξάνεται η αναλογία διαλύτη στερεών αναμένεται μεγαλύτερη διαφορά 41

53 συγκέντρωσης μεταξύ του υγρού διαλύτη και της στερεάς σκόνης και ενισχύονται έτσι τα φαινόμενα μεταφοράς. Ωστόσο, η μείωση της απόδοσης σε πολύ υψηλές τιμές αναλογίας διαλύτη/σκόνης μπορεί να αποδοθεί στη διάλυση και άλλων ενώσεων που παρεμποδίζουν την εκχύλιση του ελαίου. Σχήμα 4.5: Κύριες επιδράσεις της ισχύος ακτινοβολίας (P) και της αναλογίας διαλύτη/σκόνης (LS) στην απόδοση εκχύλισης. Surface Plot of Y% (g/g seed) vs LS; P 12,5 Y 10,0 25 7,5 20 5, LS P Σχήμα 4.6: Επιφάνειες απόκρισης επίδρασης της ισχύος ακτινοβολίας (Ρ) και της αναλογίας διαλύτη/σκόνης (LS) στην απόδοση εκχύλισης. 42

54 Το γεγονός της μη ομοιόμορφης επίδρασης των παραμέτρων οφείλεται στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των παραγόντων, όπως παρατηρείται και στο Σχήμα 4.6, αλλά κυρίως στο διάγραμμα αλληλεπιδράσεων του Σχήματος 4.7, όπου η μη παραλληλία των γραμμών δηλώνει την παρουσία αλληλεπίδρασης. Interaction Plot for Y% (g/g seed) Data Means P(W) 100,0 172,7 350,0 527,3 600,0 Mean ,0 10,3 16,0 LS (ml/g) 21,7 24,0 Σχήμα 4.7: Αλληλεπιδράσεις της ισχύος ακτινοβολίας (Ρ) και της αναλογίας διαλύτη/σκόνης (LS) στην απόδοση εκχύλισης Βελτιστοποίηση απόδοσης εκχύλισης Η επίδραση των εξεταζόμενων λειτουργικών παραμέτρων στην απόδοση της εκχύλισης αναλύθηκε μέσω του σχεδιασμού επιφανειών απόκρισης και του στατιστικού προγράμματος Minitab (Release 13.0). Με τη βοήθεια του στατιστικού προγράμματος Minitab και χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα του πειραματικού σχεδιασμού, εντοπίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες για την απόδοση της εκχύλισης. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.8, η εκχύλιση ελαιου από γίγαρτα με τη μέθοδο μικροκυμάτων αριστοποιείται, με εκτιμώμενη απόδοση 14.18% (g/g σκόνης γιγάρτων), με ισχύ ακτινοβολίας 100 W και αναλογία διαλύτη/σκόνης 24:1 ml/g. Πράγματι, η απόδοση της εκχύλισης σε έλαιο μετά από εκτέλεση του πειράματος στις παραπάνω βέλτιστες συνθήκες βρέθηκε 13%. Το αποτέλεσμα αυτό είναι πολύ κοντα 43

55 τόσο στην θεωρητική τιμή που εξάγεται από τη στατιστική ανάλυση, αλλά και στη μέγιστη απόδοση των πειραμάτων που ήταν 13.04%. Σχήμα 4.8: Βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης ελαίου από γίγαρτα με τη μέθοδο των μικροκυμάτων Σύγκριση μεθόδων εκχύλισης με μικροκυμάτα και υπερήχους Τόσο η εκχύλιση με μικροκύματα όσο και η εκχύλιση με υπερήχους αποτελούν δύο καινοτόμες μεθόδους που υπερέχουν των συμβατικών μεθόδων εκχύλισης. Τα οφέλη που προσφέρουν αυτές οι δύο νέες τεχνικές έναντι παλαιότερων τεχνικών είναι η αυξημένη απόδοση της εκχύλισης, η κατανάλωση μικρότερης ποσότητας διαλύτη και ο μικρότερος χρόνος εκχύλισης. Η κλασική μέθοδος της κανονικής ανάδευσης για 4 h, που εφαρμόσθηκε στην παρούσα εργασία ως μέθοδος σύγκρισης, είχε ως αποτέλεσμα σημαντικά μικρότερη απόδοση (8.33%). Επίσης, σύμφωνα με τους Da Porto et al. (2013), η εκχύλιση ελαίου γιγάρτων με τη μέθοδο Soxhlet, που συχνά χρησιμοποιείται ως μέθοδος που δίνει την πραγματική ποσότητα ελαίου, οδηγεί σε μία απόδοση της τάξης του 14.64%. Σύμφωνα με το Σχήμα 4.9, το εύρος των τιμών των αποδόσεων με τη μέθοδο των μικροκυμάτων είναι μεγαλύτερο από ότι στην εκχύλιση με υπερήχους. Φαίνεται επίσης, ότι η μέγιστη και η ελάχιστη απόδοση εκχύλισης με μικροκύματα είναι και 2.33% 44