«Μελέτη της Χρήσης Φυτικών Πολυφαινολών ως Αντιοξειδωτικών & Αντιμυκητιακών Παραγόντων σε Ζωοτροφές» Αρ. Κουπονιού:

Transcript

1 «Μελέτη της Χρήσης Φυτικών Πολυφαινολών ως Αντιοξειδωτικών & Αντιμυκητιακών Παραγόντων σε Ζωοτροφές» Αρ. Κουπονιού: VETHELLAS Α.Ε.Β.Ε. Υπεύθυνος έργου Δρ. Δημήτριος Καντάς Εργαστήριο Διατροφής Ζώων Τμήμα Ζωικής Παραγωγής Λάρισα, 2011

2 Τίτλος έργου: Μελέτη της Χρήσης Φυτικών Πολυφαινολών ως Αντιοξειδωτικών και Αντιμυκητιακών Παραγόντων σε Ζωοτροφές. 1. Εισαγωγή Η επιχείρηση VET HELLAS Α.Ε.Β.Ε. ιδρύθηκε το έτος 1993 με έδρα την Λάρισα και έχει ως αντικείμενο δραστηριότητας την παραγωγή προσθέτων ζωοτροφών. Η εταιρεία διαθέτει σύγχρονο εργοστάσιο στην βιομηχανική περιοχή Λάρισας και εξάγει τα προϊόντα της σε αγορές της Ευρώπης. Είναι γνωστό ότι οι εταιρείες παραγωγής ζωοτροφών αντιμετωπίζουν προβλήματα με την οξείδωση του προϊόντος και χρησιμοποιούν χημικά αντιοξειδωτικά (π.χ. ΒΕΤ) τα οποία η εταιρεία VET HELLAS είναι υποχρεωμένη να εισάγει στη συνταγή των προσθέτων ζωοτροφής που παράγει. Στις επιδιώξεις της επιχείρησης ήταν η πραγματοποίηση ερευνητικής εργασίας σε συνεργασία με το Εργαστήριο Διατροφής Αγροτικών Ζώων Τμήμα Ζωϊκής Παραγωγής του ΤΕΙ Λάρισας με σκοπό την υποκατάσταση των χημικών αυτών με άλλα όπως φυσικά αντιοξειδωτικά και κυρίως με πολυφαινόλες (ενθυλακωμένες ή μη) φυτικής προέλευσης όπως π.χ, από φύλλα ελιάς ή διάφορα φυτά. Η δοκιμή των αντιοξειδωτικών αυτών έγινε σε διάφορες ζωοτροφές των οποίων μετρήθηκε η αντοχή στην οξειδωτική τάγγιση με την μέθοδο RANCIMAT ή των ελευθέρων ριζών Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε και εκτίμηση πιθανού οφέλους παρεμπόδισης ανάπτυξης ευρωτομυκήτων, λόγω παρουσίας των δραστικών πολυφαινολών, για μείωση του κινδύνου από τις μυκοτοξίνες. Η προστιθέμενη αξία ποπροέκυψε οφείλεται στην παραγωγή καινοτόμων υλικών προστατευτικών για τη ζωοτροφή με διπλή δράση κάτι που αναμένεται να αυξήσει το τζίρο της εταιρείας. 1.1 Η σημασία των βοτάνων και των αρωματικών φυτών στην κτηνοτροφία. Μετά την απόφαση της ευρωπαϊκής ένωσης για κατάργηση της χρήσης των αντιβιοτικών και των συνθετικών αντιοξειδωτικών δημιουργήθηκε η πρόκληση για την βιομηχανία να βρει κατάλληλες εναλλακτικές λύσεις. Οι αμφιβολίες για την ασφάλεια των συνθετικών αντιοξειδωτικών οδήγησαν στη μελέτη της τοξικότητας σε αρκετά είδη ζώων. Τα BHA (βουτυλουδροξυανισόλη, Butylated Hydroxyanisole), BHT (βουτυλουδροξυκινόνη, Butylated Hydroxytoluene),ΤΒΗQ (τετραβουτυλουδροξυκινόνη, Tertiary Butylated Hydroquinone) και PG (γαλλικός 1

3 προπυλεστέρας, propylgalate) είναι ασφαλή μόνο σε συγκεκριμένα επίπεδα χρήσης. Έχει βρεθεί ότι παρουσιάζουν αντιμικροβιακή δράση και σε συγκεντρώσεις που δεν ξεπερνούν τα 0,02% των λιπαρών συστατικών του τροφίμου θεωρούνται ασφαλή για τον καταναλωτή. Τα παραπάνω αντιοξειδωτικά αδρανοποιούν τόσο τις βλαστικές μορφές όσο και τα σπόρια των μυκήτων και των θετικών κατά Gram βακτηρίων ενώ για την αναστολή των αρνητικών κατά Gram βακτηρίων απαιτούνται μεγαλύτερες συγκεντρώσεις της αντιοξειδωτικής ουσίας. Έχει βρεθεί πως η βουτυλουδροξυανισόλη αναστέλλει τη δράση των βακτηρίων Staphylococcus aureus, Salmonella typhimurium, Vibrio parahaemolyticus και Clostridium perfringens καθώς και την εκβλάστηση των σπορίων των βακτηρίων και ιδιαίτερα του Clostridium botulinum των τύπων Α και Β (Μπόσκου, 1983). Τα κυριότερα μειονεκτήματα των αντιοξειδωτικών είναι ότι είναι αδιάλυτα στο νερό και έχουν υψηλό κόστος. Αντιοξειδωτικά. Είναι ουσίες που προστίθενται είτε στα λίπη είτε στα τρόφιμα που περιέχουν λιπαρή ύλη για να επιβραδύνουν την οξείδωση και να καταστήσουν τα τρόφιμα εύληπτα για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (Μπόσκου, 1983 ) Επιθυμητές ιδιότητες αντιοξειδωτικών. 1. Να είναι αποτελεσματικά ακόμα και σε μικρή ποσότητα. 2. Να μην έχουν καμιά βλαβερή επίδραση στην υγεία ανθρώπων και ζώων. 3. Να μην προσδίδουν δυσάρεστη οσμή και γεύση. 4. Να είναι ελάχιστα λιποδιαλυτά. 5. Να είναι σταθερά ως ενώσεις. Τα πιο γνωστά αντιοξειδωτικά που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία τροφίμων: 1. Βουτυλιωμένη υδροξυανισόλη. 2. Βουτυλιωμένο υδροξυτολουόλιο. 3. Εστέρες του γαλλικού οξέος όπως ο προπυλικός, ο οκτυλικός και ο δωδεκυλικός. 4. Η δι-τρι-βουτυλο- υδροκινόνη. 2

4 Παρακάτω δίνονται οι συντακτικοί τύποι των κυριότερων αντιοξειδωτικών. Τοκοφερόλες. Γαλλικό προπύλιο Ομάδες ουσιών με αντιοξειδωτική δράση. Η αντιοξειδωτική δράση των αρωματικών φυτών μας ενδιαφέρει άμεσα όσον αφορά τις ζωοτροφές λόγω του ότι επιτυγχάνουμε καλύτερη ποιότητα και επιμηκύνεται η διάρκεια μιας ζωοτροφής κατά την αποθήκευση μέχρι τη χρήση της. Η παρουσία των πολυφαινολικών ουσιών όπως τα φλαβονοειδή προσδίδουν αυτή την αντιοξειδωτική δράση. Οι ουσίες αυτές υποδιαιρούνται σε ισοφλαβόνες, φλαβανόλες, φλαβανόνες (Farmer, 2007). Άλλη γνωστή ομάδα είναι τα καροτινοειδή και οι τοκοφερόλες. Οι τοκοφερόλες μπορούν να θεωρηθούν ως φυσικά αντιοξειδωτικά. Είναι γνωστά τέσσερα ομόλογα: η α, β, γ και δ-τοκοφερόλη των οποίων η αντιοξειδωτική τους ικανότητα αυξάνεται από το α- ομόλογο προς το δ, αντίθετα με τη βιταμινική τους δράση που ελαττώνεται κατά την ίδια σειρά. Οι τοκοφερόλες δρουν ως βιολογικά αντιοξειδωτικά στα φυτά και τους ζωικούς ιστούς. Στα διάφορα στάδια επεξεργασίας των ελαίων χάνεται ένα σημαντικό μέρος των τοκοφερολών. Αυτό που μένει όμως συμβάλλει στην αύξηση του ορίου συντήρησης του εξευγενισμένου ελαίου. Τα αιθέρια έλαια είναι πολύτιμα φυσικά προϊόντα, τα οποία χρησιμοποιούνται ως πρώτες ύλες σε πολλά πεδία, όπως στην αρωματοθεραπεία, στα καρυκεύματα, τη διατροφή κτλ. Το αιθέριο έλαιο του τσαγιού χρησιμοποιείται σε αραιωμένη μορφή για τη θεραπεία τραυμάτων, 3

5 εγκαυμάτων, τσιμπημάτων και μυκητιακών μολύνσεων. Ο δυόσμος χρησιμεύει για την καταπολέμηση εντόμων, καθώς και της ναυτίας. Η λεβάντα έχει αντιφλεγμονώδεις και κατευναστικές ιδιότητες και βοηθά στη θεραπεία εγκαυμάτων. Επίσης, έχει ισχυρές μικροβιοκτόνες ιδιότητες. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας στο δέρμα των ζώων, μέσω διαφόρων σαμπουάν ή ειδικών σπρέι. Ο ευκάλυπτος έχει βακτηριοκτόνες και αντιμυκητιακές ιδιότητες και χρησιμοποιείται για τη θεραπεία αναπνευστικών δυσλειτουργιών (Nowak, 2000). Ακόμη, παρεμποδίζει την εξάπλωση μεταδοτικών ασθενειών και λειτουργεί ως εντομοαπωθητικό. Η τελευταία ιδιότητά του δίνει καλύτερα αποτελέσματα, αν ο ευκάλυπτος συνδυαστεί με το αιθέριο έλαιο του φυτού κέδρου και του δυόσμου. Τέλος, το δενδρολίβανο βρασμένο χρησιμοποιήθηκε ευρύτατα ως ρόφημα κατά των πονοκεφάλων, ενώ συνιστώνται επαλείψεις με αιθέριο έλαιο δενδρολίβανου στο μέτωπο ή στο κεφάλι για τις χρόνιες περιπτώσεις ημικρανίας. Θεωρείται, επίσης, ιδανικό για τη θεραπεία της τριχόπτωσης και για την τόνωση του τριχωτού της κεφαλής και αποτελεί κύριο συστατικό πολλών προϊόντων, που αφορούν στην περιποίηση των μαλλιών. Τα αιθέρια έλαια τράβηξαν την προσοχή των επιστημόνων να μελετήσουν τις ιδιότητες τους έτσι ώστε να οδηγηθούν στην πλήρη γνώση της δράσης τους και να δημιουργηθεί μια νέα προοπτική στη χρησιμοποίηση τους. Τα αιθέρια έλαια είναι μίγματα από πολλά συστατικά. Καθένα από αυτά συνεισφέρει στις ιδιότητες του. Γι αυτό μια λεπτομερής γνώση της χημικής τους σύστασης είναι απαραίτητη αν θέλουμε να τα χρησιμοποιήσουμε σωστά. Τα αιθέρια έλαια παρουσιάζουν αντιμικροβιακές, αντιμυκητιακές, αντιοξειδωτικές, αντικαρκινικές ιδιότητες καθώς επίσης δρουν και στο ανοσοποιητικό σύστημα (Σκουμπρής, 1988 ). Τα αιθέρια έλαια είναι πολυσύνθετα μίγματα οργανικών ουσιών που η σύνθεσή τους διαφέρει στα διάφορα είδη ή και ποικιλίες φυτών. Το χαρακτηριστικό τους άρωμα είναι η συνισταμένη όλων των συστατικών του, από τα οποία μερικά παίζουν σπουδαίο ρόλο στο τελικό άρωμά του. Έτσι, σε μερικά αιθέρια έλαια η παρουσία ενός συστατικού σε αναλογία 1% ή και μικρότερη, έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή του αρώματος, π.χ. το αιθέριο έλαιο που περιέχουν οι φλούδες του λεμονιού. Γενικά, τα συστατικά των αιθέριων ελαίων χωρίζονται σε δυο μεγάλες ομάδες, στα οξυγονούχα και στα μη οξυγονούχα. Στα πρώτα περιλαμβάνονται οι αλκοόλες, οι αλδεΰδες, οι κετόνες, οι φαινόλες, τα οξέα, οι εστέρες, κ.α. που είναι συστατικά στα οποία οφείλεται το χαρακτηριστικό άρωμα των αιθέριων ελαίων. Στα δεύτερα περιλαμβάνονται οι υδρογονάνθρακες που είναι τα υπόλοιπα συστατικά των αιθέριων ελαίων, αφού η συμβολή τους στο άρωμά 4

6 τους είναι μικρή ή μηδαμινή. Τα κυριότερα από τα οξυγονούχα συστατικά είναι: η λιναλοόλη, γερανιόλη, κιτρονελλόλη, νερόλη, τερπιενόλη, πινεόλη, κιτράλη, κιτρονελλάλη, μυρτενάλη, σαφρανάλη, μενθόνη, πουνεγόνη, καρβόνη, πιπεριτόνη, καμφορά, θυμόλη, καρβακρόλη, ανηθόλη, ευγενόλη, τα διάφορα οργανικά οξέα ενωμένα συνήθως με αλκοόλες σε εστέρες, ο οξικός γερανυλεστέρας, βοξικός λυναλυλεστέρας, οξικός κιτρονελλυλεστέρας, οξικός μεθυλεστέρας, κ.α. Από όλα τα παραπάνω συστατικά εκείνα που συμβάλλουν πιο πολύ στο άρωμα των αιθέριων ελαίων είναι οι εστέρες. Εξάλλου από τα μη οξυγονούχα συστατικά τα κυριότερα είναι τα μονοκυκλικά και δικυκλικά τερπένια (λεμονένιο, πινένιο, καμφένιο, κ.α.). Τα αιθέρια έλαια όπως αναφέραμε αποτελούνται από οξυγονούχα και μη συστατικά. Τα κυριότερα από τα οξυγονούχα συστατικά είναι: Αλκοόλες. Είναι ενώσεις που προκύπτουν από τους υδρογονάνθρακες με αντικατάσταση 2, 3 ή και περισσότερων ατόμων υδρογόνου από υδροξύλιο. Οι συχνότερα απατώμενες στα αιθέρια έλαια είναι η λιναλοόλη, γερανιόλη, νερόλη, μενθόλη, πιπεριτόλη, καρβεόλη κτλ. Αλδεϋδες. Είναι καρβονυλικές ενώσεις στις οποίες ο ένας δεσμός της καρβονυλικής ομάδας(>c=o) διατίθεται για να ενωθεί με άτομο υδρογόνου και ο άλλος με αλκύλιο. Οι συχνότερα απαντώμενες στα αιθέρια έλαια είναι η κιτράλη, κιτρονελλάλη, φελλανδράλη, μυρτενάλη, σαφρανάλη κτλ. Κετόνες. Είναι καρβονυλικές ενώσεις στις οποίες οι δυο δεσμοί της καρβονυλικής ομάδας διατίθενται για να ενωθούν με αλκύλια. Οι συχνότερααπαντώμενες στα αιθέρια έλαια είναι η μενθόνη, πουλεγόνη, καρβόνη, πιπεριτόνη, καμφορά κτλ. Φαινόλες. Είναι υδροξυενώσεις που προκύπτουν όταν υδρογόνο του αρωματικού πυρήνα αντικατασταθεί από υδροξύλιο. Οι συχνότερα απαντώμενες στα αιθέρια έλαια είναι η θυμόλη, καρβακρόλη, ανηθόλη, ευγενόλη κτλ. Οι πολυφαινόλες έχουν χημειοπροστατευτική δράση. Κύριο χαρακτηριστικό τους ως προς τη χημική δομή τους είναι ότι περιέχουν μία ή περισσότερες φαινολικές ομάδες. Στις πολυφαινόλες ανήκουν ενώσεις που έχουν απλή φαινολική δομή, καθώς επίσης και ενώσεις που έχουν περισσότερο πολύπλοκη δομή και αποτελούνται από πολλές και διαφορετικές χημικές ομάδες (π.χ τανίνες). 5

7 Εστέρες. Eίναι αυτοί που συμβάλουν περισσότερο στο άρωμα των αιθέριων ελαίων (π.χ οξικός μεθυλεστέρας, οξικός λιναλυλεστέρας, οξικός γερανυλεστέρας, οξικός κιτρονελλυλεστέρας κτλ.) Από τα μη οξυγονούχα συστατικά τα κυριότερα είναι τα μονοκυκλικά και δικυκλικά τερπένια (λεμονένιο, πινένιο, καμφένιο κτλ). Τα τερπένια προκύπτουν με πολυμερισμό του ισοπρενίου. Τα τερπένια κάτω από ειδικές συνθήκες μπορούν να σχηματίζουν ενδομοριακούς δακτυλίους. Στα τερπένια, επειδή είναι ακόρεστες ουσίες, η οξείδωση και ρητινοποίηση γίνονται εύκολα με την επίδραση του αέρα και του φωτός, με αποτέλεσμα να καταστρέφεται η ποιότητα των αιθέριων ελαίων. Για το λόγο αυτό κυκλοφορούν στο εμπόριο αιθέρια έλαια από τα οποία έχουν απομακρυνθεί μέρος ή όλα τα τερπένια. Αυτά λέγονται αποτερπενιωμένα ή συμπυκνωμένα αιθέρια έλαια. Η αποτερπενίωση, γίνεται με κλασματική απόσταξη, ή με αιθυλική αλκοόλη ή άλλο διαλυτή, όπου διαλύονται οι οξυγονούχες ουσίες. 1.2 Μέθοδοι Εισαγωγής Πολυφαινολών - Βιβλιογραφική Ανασκόπηση. Με τον όρο πολυφαινόλες χαρακτηρίζεται μια μεγάλη ετερογενής ομάδα ενώσεων με κοινό χαρακτηριστικό ότι φέρουν ένα ή περισσότερα υδροξύλια συνδεδεμένα απευθείας σε ένα ή περισσότερους αρωματικούς ή και ετεροκυκλικούς πυρήνες. Σήμερα είναι γνωστές περισσότερες από 8000 πολυφαινόλες. Στη διεθνή βιβλιογραφία έχει επικρατήσει με τον όρο «πολυφαινόλες» να νοείται μια μεγάλη ομάδα ενώσεων με ένα ή περισσότερα υδροξύλια απ' ευθείας συνδεδεμένα σε έναν ή περισσότερους αρωματικούς δακτυλίους. Επίσης, οι πολυφαινόλες είναι είτε απλά μόρια όπως τα φαινολικά οξέα, είτε υψηλά πολυμερισμένες ενώσεις όπως οι ταννίνες. Ανευρίσκονται κυρίως στη συζευγμένη τους μορφή, είτε μεθυλιωμένες είτε ως γλυκοζίτες. Το υδατανθρακικό τμήμα μπορεί να είναι είτε μονοσακχαρίτης, είτε δισακχαρίτης ή ακόμη κι ολιγοσακχαρίτης. Η γλυκόζη είναι ο πιο κοινός εκπρόσωπος των σακχάρων, αν και απαντώνται επίσης γαλακτόζη, ραμνόζη, ξυλόζη και αραβινόζη, καθώς και γλυκουρονικό και γαλακτουρονικό οξύ. Οι PP μπορούν επίσης να είναι ενωμένες με καρβοξυλικά και οργανικά οξέα, αμίνες και λιπίδια. Οι πολυφαινόλες διακρίνονται τουλάχιστον σε 10 κατηγορίες (Harborne, 1989) ανάλογα με τη βασική χημική δομή τους. Από τις σημαντικότερες κατηγορίες είναι αυτή των φλαβονοειδών, η οποία διακρίνεται περαιτέρω σε 13 υποκατηγορίες διαθέτοντας επί συνόλου περισσότερα από 5000 μέλη. 6

8 Οι κυριότερες τάξεις πολυφαινολικών ενώσεων Οι πολυφαινόλες παράγονται ως προϊόντα δευτερογενούς μεταβολισμού των φυτών. Συνήθως συναντώνται στη φύση συνδεδεμένες με υδατάνθρακες μέσω των υδροξυλίων τους. Τα συζευγμένα σάκχαρα μπορεί να είναι μονοσακχαρίτες, δισακχαρίτες ή και ολιγοσακχαρίτες. Το πιο κοινό σάκχαρο που απαντάται είναι η γλυκόζη. Άλλα σάκχαρα είναι: γαλακτόζη, ξυλόζη, ραμνόζη, αραβινόζη, γλυκουρονικά οξέα κ.α Οι φαινόλες είναι γνωστές στη βιβλιογραφία και σαν πολυφαινόλες ή πολυφαινολικές ενώσεις. Αναλυτικότερα φαινολικές ενώσεις ονομάζονται οι ουσίες οι οποίες αποτελούνται από ένα βενζολικό δακτύλιο ο οποίος περιέχει απευθείας ενωμένες μία ή 7

9 περισσότερες υδροξυλομάδες. Στα φυτά έχουν βρεθεί περισσότερες από 4000 διαφορετικές φαινολικές ενώσεις (Χριστοφορίδου Σ. 2001). Οι φαινόλες είναι ευαίσθητες στο φως και την υψηλή θερμοκρασία, ενώ έχουν αντιοξειδωτική δράση, λόγω του φαινολικού τους δακτύλιου. Η αντιοξειδωτική ικανότητα των φαινολών εκτός των άλλων προσδίδει και προστατευτικές ιδιότητες έναντι ασθενειών που πλήττουν τον άνθρωπο. Από επιδημιολογικές μελέτες γνωρίζουμε ότι η Μεσογειακή δίαιτα, πλούσια σε κατανάλωση λαδιού συμβάλει στη μείωση καρδιαγγειακών παθήσεων και την εμφάνιση συγκεκριμένων μορφών καρκίνου οι οποίες είναι αυξημένες στις βόρειες Ευρωπαϊκές χώρες σε σχέση με τις νότιες Μεσογειακές (Briante., Febbraio., Nucci., 2003). Πέρα από τις προστατευτικές ιδιότητες των φαινολών μπορούν να δημιουργήσουν και σοβαρά προβλήματα στην υγεία. Μετά από κατάποση έχουν αναφερθεί παθήσεις όπως γαστροεντερικές ενοχλήσεις, προβλήματα στο συκώτι και τα νεφρά, νευρικοί σπασμοί, αρρυθμίες στην καρδιά, καρδιαγγειακό κλονισμό ακόμα και θάνατο. Η χαμηλότερη αναφερόμενη δόση με συνέπεια το θάνατο ήταν 4,8 g από κατάποση μέσα σε 10 λεπτά. Έχουν γίνει μελέτες ακόμη για καρκινογένεση σε ποντίκια αλλά αποτελέσματα για τους ανθρώπους δεν υπάρχουν μέχρι στιγμής. Προβλήματα μπορούν να δημιουργηθούν ακόμη και όταν έρθει σε επαφή με το δέρμα όπως ερεθισμός, εγκαύματα ακόμη και νέκρωση ιστών. Όρια για δερμική έκθεση δεν υπάρχουν. [Enviromental health criteria forphenol, Παρόλο αυτά, πολλές επιστημονικές εργασίες αποδεικνύουν την χρησιμότητα αυτών των ενώσεων στην ανθρώπινη υγεία, αφού παρουσιάζουν αντιοξειδωτική, αντικαρκινική και καρδιοπροστατευτική δράση και θα μπορούσαν κάλλιστα να χρησιμοποιηθούν στις βιομηχανίες τροφίμων, φαρμάκων και καλλυντικών (Vermerris and Nickolson, 2006), (Shahidi and Naczk, 2004) 8

10 Οι κυριότερες κατηγορίες φυτικών φαινολικών παραγώγων (Harborne 1980). 9

11 Τα μεταβολικά μονοπάτια της παραγωγής των φαινολικών ενώσεων (Harborne 1980). Απλές Φαινόλες και Φλαβονοειδή. Οι απλές φαινόλες όπως η φαινόλη, η θυμόλη, η κρεσόλη, η ορκινόλη, η ρεζορκινόλη, η υδροκινόνη και διάφορα παράγωγα όπως η αρμπουτίνη και η σησαμόλη, είναι ευρέως διαδεδομένες στη φύση. Φαινολικά παράγωγα όπως ταυδροξυβενζοϊκά ή φαινολικά οξέα (βανιλλικό, γαλλικό) και οι αλδεϋδες, όπως η βανιλλίνη, απαντούν σε ανώτερα φυτά και φτέρες. Ανευρίσκονται στη φύση ελεύθερες ή και με τη μορφή μεθυλο- και αιθυλο- εστέρων και γλυκοζιτών (Harborne, 1989). Τα φαινυλοπροπανοειδή και τα υδροξυκιναμμικά οξέα είναι ενώσεις μικρού μοριακού βάρους, με σπουδαιότερους εκπροσώπους το π-κουμαρικό, το καφεϊκό και το σιναπικό, καθώς και τα παράγωγά τους. Οι ναφθοκινόνες αποτελούνται από 10 άτομα άνθρακα, oι ξανθόνες αποτελούνται από 13 άτομα άνθρακα, ενώ τα στιλβένια από 14 άτομα άνθρακα. Οι κιναμμικές αλκοόλες, όπως η σιναπική αλκοόλη, αποτελούν το κύριο συστατικό των λιγνινών ενώ οι χρωμόνες είναι λιγότερο γνωστές από τις κουμαρίνες, οι οποίες βρίσκονται υπο τη μορφή γλυκοζιτών (π.χ. σκοπολετίνη). Τα φλαβονοειδή είναι ευρέως διαδεδομένα στη φύση και περιλαμβάνουν φλαβονόλες, φλαβόνες, φλαβανόνες, κατεχίνες (φλαβανόλες) και χαλκόνες. Η γενική δομή των φλαβονοειδών φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα ενώ η κατάταξη τους βάσει Harborne στο αμέσως επόμενο. 10

12 Βασική δομή και σύστημα αρίθμησης των φλαβονοειδών Κατάταξη φλαβονοειδών τροφίμων 11

13 Τα φλαβονοειδή έχουν σχετικά μικρά μοριακά βάρη και είναι γενικά ευδιάλυτα, ανάλογα με την πολικότητα και τη χημική τους δομή (βαθμός υδροξυλίωσης, γλυκοζυλίωσης, ακυλίωσης, κλπ.). Οι διαφορές μεταξύ των επιμέρους τάξεων συνίστανται στο δακτύλιο πυρόνης (παρουσία ή απουσία διπλού δεσμού ή 3-υδροξυ ή 2-οξο ομάδων) και στον αριθμό των υδροξυλίων στους δακτύλιους Α και Β (Vinson, 1998). Μεταξύ αυτών η φλαβόνη λουτεολίνη και η φλαβονόλη κερκετίνη, είναι οι πιο κοινές ενώσεις, οι οποίες ανευρίσκονται σε πληθώρα φυτών. Οι φλαβονόλες συναντώνται ως Ο-γλυκοζίτες, ενώ οι Ο-γλυκοζίτες και οι C-γλυκοζίτες των φλαβονών είναι πολύ κοινοί (Hermann, 1988). Φλαβανόνες όπως η εσπεριδίνη, απαντώνται ως Ο- αλλά και ως C-γλυκοζίτες. Οι ανθοκυανίνες (γλυκοζίτες ανθοκυανιδινών) όπως π.χ. της κυανιδίνης, είναι η πιο σημαντική ομάδα υδατοδιαλυτών φυτικών χρωστικών και είναι υπεύθυνες για το χρώμα των λουλουδιών και των καρπών των ανώτερων φυτών. Οι πολυμερείς χρωστικές που προκύπτουν με συμπύκνωση των ανθοκυανιδινών με διάφορα άλλα φλαβονοειδή, δίνουν και το χρώμα του κόκκινου κρασιού (Mazza, 1995). Ταννίνες Οι ταννίνες είναι ενώσεις μεσαίου έως υψηλού μοριακού βάρους. Είναι υδροξυλιωμένα μόρια, ικανά να σχηματίζουν αδιάλυτα σύμπλοκα με υδατάνθρακες και πρωτεΐνες. Σε αυτή τους την ιδιότητα οφείλεται η στυφή γεύση τροφών πλούσιων σε ταννίνες που σχηματίζουν ιζήματα με πρωτεΐνες του σιέλου. Οι ταννίνες κατηγοριοποιούνται σε δύο κύριες ομάδες: Τις υδρολυόμενες, που περιέχουν γαλλικό οξύ και τις συμπυκνωμένες ταννίνες, πολυμερή των φλαβονοειδών. Υδρολυόμενες ταννίνες: Οι υδρολυόμενες ταννίνες αποτελούνται από γαλλικό οξύ ή εξαϋδροξυ-διφενικό οξύ εστεροποιημένο με μία πολυόλη, που είναι κυρίως η γλυκόζη (Porter, 1989). Η συμπύκνωση των μεταβολιτών αυτών δημιουργεί πολυμερή υψηλού μοριακού βάρους. Η πιο γνωστή υδρολυόμενη ταννίνη είναι το ταννικό οξύ. Συμπυκνωμένες ταννίνες: Οι συμπυκνωμένες ταννίνες ή προανθοκυανιδίνες είναι πολυμερή υψηλού μοριακού βάρους. Προκύπτουν από πολυμερισμό μίας φλαβαν-3-όλης (κατεχίνη, επικατεχίνη, κλπ.) με ένα μόριο φλαβαν-3,4-διόλης ή λευκοανθοκυανιδίνης. Η οξειδωτική συμπύκνωση πραγματοποιείται μεταξύ του 12

14 άνθρακα C του ετεροκυκλικού δακτυλίου και των ανθράκων C ή C των γειτονικών μονάδων (Porter, 1989). Αξίζει να σημειωθεί ότι οι προανθοκυανιδίνες και οι υδρολυόμενες ταννίνες χαμηλού μοριακού βάρους είναι διαλυτές σε διάφορους διαλύτες (νερό και οργανικούς), ενώ οι υδρολυόμενες υψηλού μοριακού βάρους ταννίνες είναι αδιάλυτες. Επιπλέον, αδιάλυτες παραμένουν και οι ταννίνες που σχηματίζουν σύμπλοκα με πολυσακχαρίτες ή πρωτεΐνες του κυτταρικού τοιχώματος Ακινητοποίηση Ενζύμων - Ιδιότητες ακινητοποιημένων ενζύμων. Ακινητοποίηση ονομάζεται η διαδικασία σύνδεσης ενός ενζύμου σε κάποιο αδιάλυτο υλικό-υπόστρωμα στήριξης, με τέτοιο τρόπο, ώστε το ένζυμο να συνεχίσει να διατηρεί τις καταλυτικές του ιδιότητες. Κατά κανόνα οι ιδιότητες των ακινητοποιημένων ενζύμων διαφέρουν από αυτές των αντιστοίχων διαλυτών. Οι ιδιότητες των ενζύμων καθορίζονται από τη διαμόρφωση του πρωτεϊνικού μορίου στο χώρο και κατά συνέπεια οι παρατηρούμενες διαφορές εξαρτώνται από το ίδιο το ένζυμο, το υλικό στήριξης, τη μέθοδο και τις συνθήκες ακινητοποίησης. Η συνολική πορεία ακινητοποίησης μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στις κινητικές σταθερές, στη συμπεριφορά του ενζύμου ως προς το ph και τη θερμοκρασία, ακόμα και στην εξειδίκευσή του. Κατά την ακινητοποίηση των ενζύμων παρατηρείται μείωση του βαθμού συγγένειας ενζύμου - υποστρώματος (αύξηση της Km) και μερική ή ολική απενεργοποίηση του ενζυμικού μορίου (μείωση της Vmax), λόγω των δομικών αλλαγών που προκαλεί η διαδικασία της ακινητοποίησης. Το ένζυμο μπορεί να δεσμευτεί στο φορέα με τέτοιο τρόπο, ώστε το πρωτεϊνικό μόριο να βρίσκεται σε μίαανενεργή διαμόρφωση χάνοντας ένα μέρος ή το σύνολο της καταλυτικής του ικανότητας, ή προκαλώντας μερική ή ολική δέσμευση του ενεργού κέντρου και μείωση της ικανότητας πρόσβασης από το υπόστρωμα. Φαινόμενα διάχυσης κατά τη μεταφορά των προϊόντων ή των αντιδρώντων από ή προς το πρωτεϊνικό μόριο (ανομοιογενή κατανομή του υποστρώματος και/ή των προϊόντων μεταξύ του υλικού στήριξης και του περιβάλλοντος διαλύματος) μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά τις παρατηρούμενες κινητικές παραμέτρους. Αλλαγές στις κινητικές παραμέτρους των ακινητοποιημένων ενζύμων μπορούν επίσης να προκληθούν από διάφορες ιοντικές, υδρόφοβες ή οποιουδήποτε τύπου αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ενζύμων και του υλικού στήριξης. Το φορτίο των υποκαταστατών μπορεί επίσης να μεταβάλει τη 13

15 σταθερά Km, αν και γενικά οι παρατηρούμενες αλλαγές είναι αμελητέες. Οι φυσικές μέθοδοι ακινητοποίησης ασκούν μικρότερη επίδραση στην καταλυτική συμπεριφορά του ενζύμου σε σχέση με τις χημικές. Ο λόγος είναι ότι με τη φυσική μέθοδο ακινητοποίησης το ένζυμο διατηρεί την αρχική του διαμόρφωση σε αρκετά μεγάλο βαθμό σε αντίθεση με τη χημική μέθοδο, όπου επέρχεται σημαντική τροποποίηση αυτού. Αυτό που παρατηρείται είναι μείωση του βαθμού συγγενείας (affinity) μεταξύ ενζύμου και υποστρώματος και σε αρκετές περιπτώσεις πλήρης απενεργοποίηση του μορίου. Το φαινόμενο αποδίδεται σε στερεοχημικές παρεμποδίσεις, που προκαλούνται από την ακινητοποίηση και το είδος του υλικού στήριξης, που έχει σαν αποτέλεσμα το ένζυμο να μην έχει κατάλληλο προσανατολισμό ώστε να μπορούν τα μόρια του υποστρώματος να εντοπίσουν το ενεργό κέντρο. Υπάρχουν περιπτώσεις που η ακινητοποίηση του ενζύμου γίνεται από το ενεργό κέντρο, οπότε το μόριο χάνει μέρος ή ολόκληρη την καταλυτική του ιδιότητα. Η βέλτιστη τιμή ph στην οποία τα ακινητοποιημένα ένζυμα παρουσιάζουν τη μέγιστη ταχύτητα αντίδρασης, μπορεί να λάβει διαφορετικές τιμές από αυτήν του διαλυτού ενζύμου. Η μεταβολή αυτή είναι ανάλογη με τη φύση του υλικού στήριξης, τη μέθοδο ακινητοποίησης, το περιβάλλον εργασίας και το ένζυμο που χρησιμοποιείται. Όπως όλες οι πρωτεΐνες, τα ένζυμα είναι ευαίσθητα στη θερμική αποικοδόμηση, είτε βρίσκονται σε διαλυτή μορφή είτε ακινητοποιημένα σε κάποιο υλικό στήριξης, λόγω των αλλαγών στην τεταρτοταγή δομή τους ή λόγω της οξείδωσης ορισμένων ομάδων σε υψηλές θερμοκρασίες. Στις περισσότερες περιπτώσεις έχει αποδειχτεί, ότι η ταχύτητα απενεργοποίησης και αποικοδόμησης των ακινητοποιημένων ενζύμων είναι μικρότερη από αυτήν των διαλυτών, λόγω της αυξανόμενης ακαμψίας του μορίου, η οποία παρέχει αυξανόμενη αντοχή στις αλλαγές της τεταρτοταγούς δομής κατά τη θέρμανση. Οι τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί για την ακινητοποίηση βιολογικά ενεργών ουσιών (ένζύμων, αντιγόνων/αντισωμάτων, βακτηρίων, ιστών) βασίζονται σε φυσικές ή χημικές μεθόδους ή σε συνδυασμούς αυτών. Οι κύριες φυσικές μέθοδοι είναι η προσρόφηση (adsorption) σε μη υδατοδιαλυτό φορέα, η ενθυλάκωση (encapsulation) σε αδρανείς μεμβράνες και η παγίδευση (gel entrapment) σε μη υδατοδιαλυτές πηκτές 14

16 πολυμερών. Οι πιο διαδεδομένες τεχνικές χημικής ακινητοποίησης είναι η διαμοριακή σύνδεση (cross-linking) των ενζυμικών μορίων και η ομοιοπολική (covalent binding) σύνδεση σε ενεργοποιημένο φορέα. Η διαμοριακή σύνδεση μέσω διλειτουργικών υποκαταστατών (bifunctional agents) συνδυάζεται συνήθως με προσρόφηση ή παγίδευση των ενζύμων. Η παραπάνω ομαδοποίηση των μεθόδων ακινητοποίησης είναι συμβατική αφού κάθε μία από αυτές έχει πολλές παραλλαγές και σε αρκετές περιπτώσεις η ακινητοποίηση ενός ενζύμου είναι αποτέλεσμα συνδυασμού των μεθόδων αυτών. Είναι δύσκολο, να καταγραφεί το πλήθος των ενζύμων και των τεχνικών που εφαρμόζονται ή έχουν εφαρμοστεί μέχρι σήμερα για την ακινητοποίηση τους. Στο παρών εγχειρίδιο θα αναφερθούν οι κυριότερες τεχνικές, οι αρχές στις οποίες στηρίζονται, τα πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί κατά την εφαρμογή τους Προσρόφηση (adsorption). Η προσρόφηση των βιομορίων πάνω σε μη υδατοδιαλυτούς φορείς είναι η απλούστερη μέθοδος ακινητοποίησης. Η σύνδεση του ενζύμου με το μη υδατοδιαλυτό υλικό γίνεται μέσω ιοντικών, πολικών ή υδρόφοβων δεσμών ή δεσμών υδρογόνου ή μέσω π-ηλεκτρονιακών αλληλεπιδράσεων. Η ακινητοποίηση επιτυγχάνεται κατά την επαφή υδατικού διαλύματος του ενζύμου με το προσροφητικό μέσο για κάποια χρονική περίοδο, μετά την πάροδο της οποίας η περίσσεια του ενζύμου απομακρύνεται από το διάλυμα. Διάφορα υλικά, όπως το διοξείδιο του τιτανίου, νάυλον μεμβράνες τροποποιημένες με τεταρτοταγή αμμωνιακά άλατα, πηκτή διοξειδίου του πυριτίου (silica gel), αλουμίνα, κατιονικές και ανιονικές ιονανταλλακτικές ρητίνες (CM-cellulose, DEAE- Sephadex, Dowex 50), κεραμικά υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την ακινητοποίηση μεγάλου αριθμού ενζύμων. Το προσροφητικό υλικό πρέπει να έχει υψηλή προσροφητική χωρητικότητα, μεγάλη συγγένεια με το προσροφούμενο βιομόριο και να μην προσροφά τα προϊόντα αντίδρασης ή τους αναστολείς του ενζύμου. Τέλος το βιομόριο πρέπει να προσροφάται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να διατηρεί το μεγαλύτερο ποσοστό της ενεργότητας του. 15

17 Τα προσροφούμενα βιομόρια διατηρούν πολύ υψηλό ποσοστό ή σχεδόν όλη την αρχική τους ενεργότητα ανάλογα με τη φύση των αναπτυσσόμενων δεσμών, οι οποίοι δεν προκαλούν καταστροφή των ενεργών κέντρων. Έχει επίσης αποδειχτεί ότι η μέγιστη προσρόφηση των ενζύμων επιτυγχάνεται κοντά στο ισοηλεκτρικό σημείο της πρωτεΐνης. Η προσρόφηση πρωτεϊνών στην επιφάνεια ενός υλικού είναι μία αντιστρεπτή διαδικασία, γι αυτό οι συνθήκες παρασκευής και λειτουργίας (ph, ιοντική ισχύς, θερμοκρασία, διαλύτης), πρέπει να διατηρούνται σταθερές. Αλλαγές των συνθηκών λειτουργίας μπορούν να προκαλέσουν την εκρόφηση του ενζύμου με αποτέλεσμα τη μείωση της ενζυμικής του δραστικότητας. Σχηματική απεικόνιση της ακινητοποίησης ενζύμου μέσω προσρόφησης Ενθυλάκωση (encapsulation) Σε αυτή τη μέθοδο χρησιμοποιείται μία αδρανής μεμβράνη για την ακινητοποίηση του βιομορίου στην επιφάνεια του μεταλλάκτη. Το περιβάλλον του ενζύμου προσομοιάζει με διάλυμα μόνο που είναι περιορισμένο σε χώρο Σχηματική απεικόνιση της ακινητοποίησης ενζύμου μέσω ενθυλάκωσης Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι: 1. επιτυγχάνεται στενή επαφή ανάμεσα στο ένζυμο και το μεταλλάκτη. 2. είναι εύκολα εφαρμόσιμη. 3. σταθερότητα σε μεταβολές του ph, της θερμοκρασίας και της ιοντικής ισχύος 16

18 Οι μεμβράνες που χρησιμοποιούνται συνήθως σε αυτή τη μέθοδο είναι: 1) οξικής κυταρρίνης (cellulose acetate) 2) πολυκαρβονικές (polycarbonate). 3) κολλαγόνο (collagen) 4) νανοσωματίδια CaCO Παγίδευση (entrapment) Η παγίδευση ενός βιομορίου σε πηκτή πολυμερούς (gel) είναι μία άλλη φυσική μέθοδος ακινητοποίησης και συνίσταται στην παρασκευή πηκτής πολυμερούς από διάλυμα του μονομερούς, που συμπεριέχει το βιομόριο. Στην περίπτωση αυτήν το βιομόριο παγιδεύεται μέσα στο τρισδιάστατο πλέγμα του πολυμερούς. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται περισσότερο είναι το πολυακρυλαμίδιο, η πολυβινυλοαλκοόλη, ηλεκτροπολυμερισμένα υμένια (πολυπυρρόλιο) κ.α. Σχηματική απεικόνιση της ακινητοποίησης ενζύμου με παγίδευση Η παγίδευση σε πηκτή πολυμερούς είναι μία ήπια μέθοδος ακινητοποίησης, όπως η προσρόφηση, επειδή τα βιομόρια δε σχηματίζουν χημικούς δεσμούς με το υλικό ακινητοποίησης ή μεταξύ τους. Τα μειονεκτήματα της μεθόδου είναι η περιορισμένη διάχυση υποκαταστατών υψηλού μοριακού βάρους, όπως τα νουκλεϊνικά οξέα, η οποία συνεπάγεται υψηλούς χρόνους απόκρισης και χαμηλά ποσοστά μετατροπής και η συνεχής απώλεια της ενζυμικής ενεργότητας λόγω της εκρόφησης του ενζύμου από το τρισδιάστατο πλέγμα του πολυμερούς. Η εκρόφηση του ενζύμου οφείλεται στην ανομοιογένεια του πλέγματος και παρατηρείται κυρίως κατά τα πρώτα στάδια της χρήσης του. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να ξεπεραστεί, αν η παγίδευση συνδυαστεί με διαμοριακή σύνδεση των βιομορίων με τη χρησιμοποίηση διαφόρων δι-λειτουργικών (bifunctional agents) υποκαταστάτων όπως η γλουταραλδεύδη. Τέλος σε αρκετές περιπτώσεις έχει αναφερθεί απώλεια της ενζυμικής ενεργότητας λόγω της δράσης ελευθέρων ριζών, οι 17

19 οποίες δημιουργούνται κατά τον σχηματισμό των πολυμερών Διασταυρούμενη ή διαμοριακή σύνδεση (cross-linking) Η μέθοδος διαμοριακής σύνδεσης χρησιμοποιείται συχνά και πολλές φορές συνδυάζεται με τις μεθόδους προσρόφησης και παγίδευσης προκειμένου να περιοριστεί η εκρόφηση του ενζύμου από το υλικό ακινητοποίησης που συχνά παρατηρείται στις φυσικές μεθόδους ακινητοποίησης. Βεβαίως η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτούσια για την ακινητοποίηση ενζύμων σε διάφορα υλικά στήριξης. Η πιο διαδεδομένη χρήση της μεθόδου διαμοριακής σύνδεσης είναι στην παρασκευή ενζυμικών μεμβρανών, με διλειτουργικά αντιδραστήρια, τα οποία με το ένα άκρο τους δεσμεύουν το βιομόριο και με το άλλο μπορούν να συνδεθούν με την πηκτή πολυμερούς ή με άλλα βιομόρια ή με την επιφάνεια ενός ηλεκτροδίου. Απεικόνιση της ακινητοποίησης ενζύμου με διασταυρούμενη σύνδεση. Τα ευρύτερα χρησιμοποιούμενα διλειτουργικά αντιδραστήρια είναι η γλουταραλδεΰδη, η διαζωβενζιδίνη, το εξαμεθυλενο-δι(ιωδοακεταμίδιο) και το δις- (Ν-υδροξυσουκιννιμιδυλο)-διθειοδιπροπιονικό οξύ. Σε πολλές περιπτώσεις η χρήση των παραπάνω αντιδραστηρίων συνδυάζεται με ένα πρωτεΐνικό φορέα, όπως η αλβουμίνη. Έχει παρατηρηθεί ότι η παρουσία της αλβουμίνης αυξάνει την ενζυμική ενεργότητα και το χρόνο ζωής του προκύπτοντος παρασκευάσματος. Τα πλεονεκτήματα της διαμοριακής σύνδεσης είναι η απλότητα και οι ισχυροί δεσμοί σύνδεσης του βιομορίου με το υλικό στήριξης. Σοβαρό μειονέκτημα της μεθόδου είναι η ευαισθησία των βιομορίων στα αντιδραστήρια σύνδεσης. Συχνά παρατηρείται ελάττωση ή ολική απώλεια της ενζυμικής ενεργότητας λόγω των χημικών μεταβολών, που υφίστανται τα ενεργά κέντρα των ενζύμων. 18

20 Ομοιοπολική σύνδεση (covalent bonding). Η μέθοδος βασίζεται στη δημιουργία ομοιοπολικών δεσμών ανάμεσα στις λειτουργικές ομάδες των ενζύμων και των υλικών στήριξης. Η μέθοδος αυτή συνίσταται στην ακινητοποίηση του βιομορίου πάνω στην επιφάνεια ενεργοποιημένου μη υδατοδιαλυτού υλικού. Κατά την ομοιοπολική σύνδεση τα βιομόρια βρίσκονται σε μία κατάσταση, που μοιάζει με το φυσικό τους περιβάλλον με αποτέλεσμα να παρουσιάζουν υψηλή ενεργότητα, μεγάλους χρόνους ημιζωής και έχουν το πρόσθετο πλεονέκτημα της μη αντιστρεπτής πορείας ακινητοποίησης κατά τη μεταβολή διαφόρων παραμέτρων όπως το ph, η ιοντική ισχύς, η θερμοκρασία και ο διαλύτης. Η πορεία ακινητοποίησης με ομοιοπολική σύνδεση περιλαμβάνει τρία βασικά στάδια: 1) Ενεργοποίηση της επιφάνειας του υλικού στήριξης, 2) Ομοιοπολική σύνδεση του βιομορίου και 3) Απομάκρυνση της μη ακινητοποιημένης ποσότητας του βιομορίου. Η ομοιοπολική σύνδεση του βιομορίου γίνεται απ ευθείας ή μέσω ενός διλειτουργικού αντιδραστηρίου (π.χ γλουταραλδεϋδης), το οποίο έχει ήδη συνδεθεί στην επιφάνεια του υλικού στήριξης. Οι ενεργές ομάδες των ενζύμων, που συμμετέχουν σε τέτοιες αντιδράσεις είναι η ε-αμινομάδα της λυσίνης, το αμινο- και καρβοξυ- τελικό άκρο της πεπτιδικής αλυσίδας, η β- και γ- καρβοξυλομάδα του ασπαρτικού και του γλουταμινικού οξέος, η υδροξυλική ομάδα της σερίνης και της θρεονίνης, η φαινολική ομάδα της τυροσίνης, η σουλφυδρυλική ομάδα της κυστεϊνης, η ινδολική ομάδα της τρυπτοφάνης, η ιμιδαζολική ομάδα της ιστιδίνης και η γουανιδική ομάδα της αργινίνης. Η δραστικότητα των σπουδαιότερων από τις παραπάνω ομάδες με τα πιο συνήθη αντιδραστήρια ομοιοπολικής σύνδεσης. Τα υλικά στήριξης επιλέγονται ανάλογα με τη διαλυτότητά τους, το είδος των ενώσεων που φέρουν στην επιφάνεια τους, τη χωρητικότητα τους και το βαθμό διόγκωσης τους στον συγκεκριμένο διαλύτη. Τα πιο διαδεδομένα υλικά στήριξης είναι η πορώδης ύαλος, το νάυλον, διάφορα παράγωγα της κυτταρίνης, η αγαρόζη, το Sephadex, το πολυακρυλαμίδιο, το πολυστυρόλιο, οι επιφάνειες των ηλεκτροδίων (γραφίτη, χρυσού, λευκόχρυσου), οξείδια μετάλλων (ΤiΟ2) κ.α.. Μειονέκτημα της μεθόδου όπως και στην περίπτωση της διαμοριακής σύνδεσης είναι η απώλεια της ενζυμικής ενεργότητας λόγω των αντιδράσεων σύνδεσης. Ως προς τις φυσικές μεθόδους ακινητοποίησης η μέθοδος υστερεί σε απλότητα, αφού οι αντιδράσεις ενεργοποίησης 19

21 των υλικών στήριξης είναι χρονοβόρες και σε ορισμένες περιπτώσεις απαιτούν την χρήση ακριβών αντιδραστηρίων. Απεικόνιση της ακινητοποίησης ενζύμου με ομοιοπολική σύνδεση Υλικά Στήριξης για την Ακινητοποίηση των Ενζύμων. Το υλικό στήριξης, πάνω στο οποίο γίνεται η ακινητοποίηση, παίζει σημαντικό ρόλο, αφού η αλληλεπίδραση του με το ένζυμο επηρεάζει σημαντικά τη σταθερότητα και τις κινητικές του ιδιότητες. Μεταξύ άλλων πρέπει να μελετηθεί η χωρητικότητα του υλικού στήριξης, το φορτίο της επιφανείας, οι διαστάσεις και η χημική του σταθερότητα, οι αλληλεπιδράσεις του με το μητρικό υλικό του δείγματος, το κόστος και η δυνατότητα προμήθειας και αναγέννησής του. Η υψηλή ενεργότητα του ενζύμου ανά μονάδα βάρους ή επιφανείας του υλικού στήριξης αποτελεί σαφές πλεονέκτημα. Η χωρητικότητα του υλικού στήριξης σχετίζεται με τον αριθμό των θέσεων, που μπορούν να ενεργοποιηθούν. Τα χαρακτηριστικά ροής του υλικού παίζουν επίσης σπουδαίο ρόλο, ιδιαίτερα στην περίπτωση των αντιδραστήρων πακεταρισμένης κλίνης. Σε αντίθεση με τα περισσότερα οργανικά υλικά, τα χαρακτηριστικά ροής των ανόργανων υλικών είναι πολύ καλά. Ως προς τα χαρακτηριστικά ροής τα υλικά ακινητοποίησης κατατάσσονται ως εξής: Ανόργανα >>> Kυτταρίνη > Πολυακριλαμίδιο >>> Sephadex, Sepharose. Στην παρουσίαση των υλικών ακινητοποίησης, που ακολουθεί, αναφέρονται λεπτομερώς οι βασικότερες μέθοδοι ενεργοποίησης των πιο διαδεδομένων υλικών στήριξης. Οι μέθοδοι αυτές δεν είναι συγκεκριμένες για το κάθε υλικό, αλλά για τις εξωτερικές του ομάδες (-NH2, -COOH, -OH, -SH) και κατά συνέπεια μπορούν να εφαρμοστούν σε κάθε υλικό. Η επιλογή στην παρουσίαση είναι συμβατική, βάση της δημοτικότητας της κάθε 20

22 μεθόδου σε ένα συγκεκριμένο υλικό. Οι συνήθως καλύτερες μέθοδοι ακινητοποίησης, σε σχέση με την εξωτερική ομάδα του υλικού στήριξης είναι: -NH2 (γλουταραλδεύδης/αλβουμίνης, ισοθειοκυανικών εστέρων, διαζώτωσης), -COOH (καρβαδιϊμιδίων) -OH (τροποποιημένα σιλάνια, βρωμοκυανίου, χλωροκυανουριδίου) Είναι, λοιπόν, φανερό ότι η επιλογή του κατάλληλου τύπου αντίδρασης πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψη και να ρυθμίζεται ανάλογα με τον τύπο του ενζύμου, που πρόκειται να ακινητοποιηθεί και το υλικό στήριξης Ανόργανα υλικά στήριξης Το πιο κοινό υλικό ακινητοποίησης είναι η πορώδης ύαλος (Controlled Pore Glass, CPG), που προέρχεται από βοριοπυριτικά υλικά, που περιέχουν σε υψηλό ποσοστό SiO2 και σε μικρότερο B2O3. Τα CPG παρέχουν υψηλή απόδοση ακινητοποίησης, έχουν πολύ καλά χαρακτηριστικά ροής και διατίθενται σε μεγάλη ποικιλία, μεγέθους πόρων ( Angstrom), αριθμού πόρων ανά cm2 επιφανείας (mesh 20-80, , , ) και υλικού ενεργοποίησης (σιλανοποιημένα, αμινοπροπυλικά, ισοθειοκυανικά ) Κυτταρίνη. Η κυτταρίνη είναι ένας γραμμικός (ινώδης) πολυσακχαρίτης, που αποτελείται από 8-15x103 μόρια γλυκόζης συνδεδεμένα μεταξύ τους με (1 4)-βγλυκοζιτικούς δεσμούς. Κάθε μόριο γλυκόζης έχει τρία ελεύθερα υδροξύλια. Κατά τη μερική ή ολική νίτρωση (HNO3/H2SO4) ή ακετυλίωση (οξικός ανυδρίτης/h2so4) της κυτταρίνης, λαμβάνονται τα παράγωγα της (τρι-)νιτρικής ή (τρι-)οξικής κυτταρίνης, τα οποία σε μορφή μεμβρανών χρησιμοποιούνται ευρέως για την ακινητοποίηση βιομορίων ή ως φράγματα διάχυσης (difusional barriers). Συνθετικά παράγωγα της κυτταρίνης με (C2H5)2+NH-CH2CH2-O- (διαιθυλαμινοαιθυλο-, DEAE), -OOC-CH2-Ο- (καρβοξυμεθυλο-, CM), m-αμινοβενζυλοξυμεθυλο- (m- ABOM), π-αμινοβενζυλο-, αμινοαιθυλο- (AE-) και τριαιθυλοαμινοαιθυλο- (TEAE), είναι διαθέσιμα στο εμπόριο και χρησιμοποιούνται ευρέως ως υλικά ακινητοποίησης. Ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο παράγωγο μπορούν να εφαρμοστούν διάφορες μέθοδοι ακινητοποίησης. Ευρέως χρησιμοποιούμενες είναι η μέθοδος της διαζώτωσης και της γλουταραλδεύδης για τα άμινο παράγωγα της, ενώ για τη φυσική 21

23 κυτταρίνη (-ΟΗ), η μέθοδος του BrCN και του χλωροκυανουριδίου (τριαζινικά παράγωγα), όπως φαίνεται στο σχήμα Άγαρ(οζη), Sepharose. Το άγαρ είναι πολυσακχαρίτης και αποτελείται από διάφορα συστατικά, όπως την όξινη καρραγενάση και την ουδέτερη αγαρόζη. Η τελευταία αποτελείται από D-γαλακτόζη και από ομάδες της 3,6-ανυδρο-Lγαλακτόζης. Πηκτές αγαρόζης σε μορφή σφαιριδίων (beads), συγκέντρωσης 2-10%, ονομάζονται Sepharose (Pharmacia, LKB, π.χ. Sepharose 4B είναι πηκτή 4% σε αγαρόζη) και διατίθενται σε διάφορες ενεργοποιημένες μορφές, όπως CNBr- Sepharose 4B, εποξυ-sepharose 6B ή σε συνδυασμό με βραχίονες (spacer arms) έξι ατόμων άνθρακα, όπως το 1,6-διαμινοεξάνιο (AH-Sepharose 4B με ελεύθερα -NH2 άκρα και CH-Sepharose 4B με ελεύθερα -COOH άκρα). Οι βραχίονες κρατούν το ένζυμο μακριά από το υλικό στήριξης και χρησιμοποιούνται προκειμένου να αποφευχθεί η στερεοχημική παρεμπόδιση των ενζύμων. Η ακινητοποίηση των βιομορίων μπορεί να γίνει με την εφαρμογή διαφόρων μεθόδων ανάλογα με την εξωτερική ομάδα του εκάστοτε παραγώγου Άμυλο, Δεξτρίνη (Sephadex). Το άμυλο είναι ένας από τους πιο συχνά χρησιμοποιούμενους πολυσακχαρίτες και βρίσκεται σε μορφή μίγματος διαλυτής αμυλόζης (20%) και αδιάλυτης αμυλοπηκτίνης (80%). Μερική υδρόλυση της αμυλοπηκτίνης οδηγεί σε μίγμα ολιγοσακχαριτών, τις δεξτρίνες. Οι δεξτρίνες είναι παράγωγα ποικίλης σύνταξης με περισσότερους (1 6)-α-δεσμούς και λιγότερους (1 2)-α-δεσμούς. Η χημική κατεργασία των δεξτρινών με επιχλωρουδρίνη (C3H5OCl) παρέχει το γνωστό με την εμπορική του ονομασία υλικό, Sephadex (Pharmacia LKB), το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως ως υλικό πλήρωσης χρωματογραφικών στηλών και ως υλικό ακινητοποίησης, μετά την ενεργοποίηση του με BrCN Ακρυλικά συμπολυμερή. Τα συμπολυμερή διαφόρων υδρόφιλων ακρυλικών μονομερών (ακρυλικού οξέος, ακρυλαμιδίου, μεθακρυλικού οξέος) είναι τα πιο διαδεδομένα υλικά ακινητοποίησης στην κατηγορία των συνθετικών πολυμερών. Παράγωγα του πολυακρυλαμιδίου διατίθενται με διάφορες εμπορικές ονομασίες όπως: Bio-Gel CM (ακρυλαμίδιο/ακρυλικό οξύ), 22

24 Bio-Gel P (ακρυλαμίδιο/ν,ν -μεθυλενο-δις-ακρυλαμίδιο), Enzaryl AA (ακρυλαμίδιο/p-νιτροακρυλαμίδιο/ν,ν -μεθυλενο-δις-ακρυλαμίδιο), Enzaryl AH (ακρυλαμίδιο/n-ακρυλοϋλο-ν -t-βουτυλοξυκαρβονυλο υδραζίνη). Τα υλικά αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ακινητοποίηση μέσω διαζώτωσης, διαλυτών καρβαδιιμιδίων και γλουταραλδεύδης. Λόγω της υψηλής υδροφιλικότητας τους τα ακρυλικά πολυμερή αποτελούν ένα καλό υλικό ακινητοποίησης Nylon. Οι κυριότεροι τύποι εμπορικά διαθέσιμων μεμβρανών αυτού του τύπου είναι οι εξής: Biodyne A: Αμφοτερική μεμβράνη πάχους 120 μm με διάμετρο πόρων 0,2 μm με υψηλή ικανότητα δέσμευσης βιομορίων η επιφάνεια της οποίας περιέχει 50% αμινικές και 50% καρβοξυλικές ομάδες με ισοηλεκτρικό σημείο σε ph 6,5. Biodyne B: Θετικά φορτισμένη μεμβράνη πάχους 120 μm με διάμετρο πόρων 0,45 μm της οποίας η επιφάνεια της οποίας φέρει υψηλό ποσοστό τεταρτοταγών αμμωνιακών ομάδων. Το θετικό της φορτίο διατηρείται σε ph 3-10 και ευνοεί τη δέσμευση αρνητικά φορτισμένων πρωτεϊνών, μέσω ισχυρών ιοντικών δεσμών. Biodyne C: Αρνητικά φορτισμένη μεμβράνη πάχους 120 μm με διάμετρο πόρων 0,45 μm. Η επιφάνεια της οποίας περιέχει 100% καρβοξυλικές ομάδες. Το αρνητικό της φορτίο διατηρείται σε ph 3-10 και ευνοεί την δέσμευση βασικών πρωτεϊνών. Immunodyne ABC: Προκατεργασμένη (pre-activated) μεμβράνη πάχους 120 μm με διάμετρο πόρων 0,45 μm. Παρουσιάζει υψηλή ικανότητα δέσμευσης βιομορίων, μέσω ομοιοπολικών δεσμών που αναπτύσσονται κυρίως, μεταξύ των τελικών ΝΗ2 άκρων τους και των ενεργών ομάδων που υπάρχουν στην ενεργοποιημένη επιφάνειά της Ζελατίνη. Η ζελατίνη είναι φυσική, διαλυτή πρωτεΐνη, η οποία παράγεται με μερική υδρόλυση του κολλαγόνου που απαντά στα οστά, το δέρμα, τους τένοντες και τα νεύρα ζώων. Αποτελεί άοσμη, άγευστη και σχεδόν άχρωμη ένωση. Είναι επίσης γνωστή και ως προσθετική ουσία E441. Η ζελατίνη τήκεται όταν θερμαίνεται και στερεοποιείται όταν ψύχεται, ενώ ανάμειξη της με νερό σχηματίζει ένα ημι-στερεό 23

25 κολλοειδές ζελέ. Έχει σημείο τήξης κοντά στους 37 οc και αυτό συμβάλει στην απομίμηση της αίσθησης που προκαλεί στο στόμα η τήξη του λίπους. Έχει αναφερθεί ότι μέσω ενσωμάτωσης ζελατίνης παρασκευάστηκε επαλειφόμενο προϊόν με 5% λίπος (Καλογερόπουλος, 2006). Η ζελατίνη αποτελεί ιδανική υποψήφια ουσία για την παραγωγή μικροσφαιριδίων, αφού έχει χαμηλό κόστος, δυνατότητες παρασκευής μεμβρανών και σχηματισμού σωματιδίων και επίσης διατίθεται σε μη πυρογενές μορφή (σημαντική προϋπόθεση για ενέσιμα σκευάσματα). Αναφέρεται ότι το χαρακτηριστικό γνώρισμα της βιοσυμβατότητας της ζελατίνης, επιτρέπει την προστασία του ενεργού συστατικού φαρμάκου, όταν χρησιμοποιείται ως φορέας. Διαλύματα τα οποία επικαλύπτονται εξωτερικά με ζελατίνη, θεωρούνται επιρρεπή στο σχηματισμό σταυροειδών δεσμών μεταξύ και εντός των μορίων της ζελατίνης σε μια σχέση που εξαρτάται από το χρόνο, τη θερμοκρασία και την υγρασία. Εξαιτίας αυτής της τάσης, η χρήση της ζελατίνης σε φαρμακευτικά σκευάσματα θεωρείται, από μερικούς ερευνητές, αμφισβητίσιμη (Saxena, et al., 2005). Έχει αναφερθεί ότι η ζελατίνη διαλύεται γρήγορα σε υδατικό περιβάλλον, οπότε δυσχεραίνεται η παραγωγή συστημάτων μεταφοράς φαρμάκων στο πλάσμα στα επιθυμητά επίπεδα για περίοδο 1 με 3 μήνες. Λαμβάνοντας υπόψη το χαρακτηριστικό αυτό, συμπεραίνουμε ότι για την μείωση της διαλυτότητας του πολυμερούς, απαιτούνται διαδικασίες σχηματισμού σταυροδεσμών (π.χ. επεξεργασία με γλουταραλδεΰδη και φορμαλδεΰδη), ώστε να απελευθερώνεται η δραστική ουσία σε θερμοκρασία δωματίου μέσω του σχηματισμού αδιάλυτων δικτύων στην επιφάνεια του μικροσφαιριδίου. Παρόλα αυτά η δημιουργία των σταυροδεσμών, μπορεί να οδηγήσει σε τοξικές παρενέργειες (ως αποτέλεσμα του υπολείμματος του παράγοντα) ή σε ανεπιθύμητες αντιδράσεις με τις ενεργές ουσίες. Επομένως, θα ήταν προτιμότερο να στραφεί η αναζήτηση στην εύρεση κατάλληλων συνθηκών θερμικής επεξεργασίας της ζελατίνης (σκλήρυνσης), ώστε να λαμβάνονται μερικώς διαλυτά ή αδιάλυτα μικροσφαιρίδια και να εξασφαλίζεται ο έλεγχος της απελευθέρωσης του φαρμάκου στον οργανισμό (Esposito, et al., 1996). Κύριες τεχνικές χρήσεις Αποτελεί το κάλυμμα των φαρμακευτικών καψουλών ώστε να διευκολύνει την κατάποση. Αποτελεί ιδανικό υπόστρωμα για την παραγωγή μικροσφαιριδίων. 24

26 Αποτελεί επίσης καλυπτικό μέσο και υλικό σχηματισμού σωματιδίων, είναι φθηνή και διατίθεται σε μη πυρογενή μορφή. Χρησιμοποιείται ως μεταφορέας, μέσο επικάλυψης ή διαχωρισμού για άλλες ουσίες, όπως για παράδειγμα τη μετατροπή του β-καροτενίου σε υδατοδιαλυτή ένωση. Διαθέτει ικανότητα σχηματισμού τοιχωμάτων δηλαδή έμφυτη ικανότητα ενθυλάκωσης, για αιθανολικά διαλύματα ή πτητικές αρωματικές ουσίες, όταν χρησιμοποιηθεί η μέθοδος ξήρανσης με ψεκασμό (FDA, 1990; Grobben et al., 2004). Συμβάλλει στη διατήρηση της γεύσης και της οσμής των αρωματικών ενώσεων που εγκλείονται, βελτιώνοντας έτσι την ποιότητα του προϊόντος. Μέσω της χρησιμοποίησης της τεχνολογίας καψουλών ζελατίνης, περιορίζονται σοβαρά προβλήματα μόλυνσης τροφίμων κατά την παραγωγή, μειώνεται ο χρόνος που απαιτείται για καθαρισμό και δεν χρησιμοποιούνται εξειδικευμένες διατάξεις. Με τη χρήση καψουλών ζελατίνης: Διευκολύνεται ο έλεγχος της μερίδας, των προστιθέμενων συστατικών και της ακρίβειας βάρους κατά τη ζύγιση. Επίσης μειώνονται τα εναπομείναντα απορρίμματα κατά την παρασκευή. Επιμηκύνεται ο χρόνος ζωής (αποθήκευση). Διατηρείται η φρεσκάδα και βελτιώνεται η ποιότητα του προϊόντων. Η τεχνική αυτή επιτρέπει την αποθήκευση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και σε ενθυλακωμένα συστατικά τα οποία διαφορετικά θα έπρεπε είτε να ψυχθούν, είτε να καταψυχθούν. Βελτιώνεται η εμφάνιση. Διατίθενται σε πληθώρα σχημάτων και χρωμάτων. Παρέχουν ποικιλία διαστάσεων. Συστατικά που περικλείονται σε πολύ μικρές ποσότητες όπως χρωστικές ουσίες και αρωματικές ενώσεις, ελέγχονται με μεγαλύτερη προσοχή και ευκολία σε κάψουλες και οι καταναλωτές τις χειρίζονται εύκολα. Διευκολύνεται η κατάποση. Μέσω του εγκλεισμού βιοδραστικών συστατικών στα μικροσφαιρίδια, βελτιώνεται η απελευθέρωση των συστατικών αυτών. Οι κάψουλες ζελατίνης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υποκατάστατα τροφίμων. Σε περιπτώσεις όπου τα γνήσια τρόφιμα δεν μπορούν να 25

27 χρησιμοποιηθούν εξαιτίας του περιορισμένου χρόνου ζωής, όπως για παράδειγμα τα φρούτα, μπορούν να αντικατασταθούν με πολτό φρούτων εγκλεισμένο σε ζελατίνη. Η τεχνική αυτή εξασφαλίζει επιμήκυνση στην αποθήκευση και διατήρηση. Όταν τα περισσότερα προϊόντα διατίθενται σε μορφές μη ανακυκλώσιμες, η ικανότητα της ζελατίνης να διασπάται πλήρως στον ανθρώπινο οργανισμό, θεωρείται σημαντικό πλεονέκτημα τόσο για την βιομηχανία όσο και για τον καταναλωτή (Moorhouse & Grundon, 1994). Η ζελατίνη έχει χρησιμοποιηθεί για τον εγκλεισμό συστατικών των τροφίμων. H λυοφιλίωση διαλύματος ζελατίνης οδηγεί στο σχηματισμό μικροσφαιριδίων που περιέχουν στο εσωτερικό τους το εγκλεισμένο συστατικό (Takahiro et al., 2001). Στο Παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται η πορεία σχηματισμού μικροσφαιριδίων ζελατίνης, παρουσία της πολυαιθύλενογλυκόλης ως βοηθητικό συστατικό. Η αποτελεσματικότητα του εγκλεισμού σχετίζεται σημαντικά με το μέγεθος των σφαιριδίων και το μέγεθος διανομής. Με αυτό τον τρόπο συμπεραίνεται ότι για να επιτευχθεί αποτελεσματικόςεγκλεισμός, απαιτούνται στερεής φάσης μικροσφαιρίδια με μέση διάμετρο μικρότερη από 5 μm και μέγιστη διάμετρο μικρότερη από 10 μm. Τα συγκεκριμένα μικροσφαιρίδια ζελατίνης θα ήταν χρήσιμα για τη μελέτη και ανάπτυξη ποικίλων συστημάτων μεταφοράς φαρμάκων και δραστικών ενώσεων. 26

28 Σχηματική παρουσίαση της πορείας για την παρασκευή μικροσφαιριδίων ζελατίνης. Τα μικροσφαιρίδια ζελατίνης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον εγκλεισμό όχι μόνο μορίων αλλά και ολόκληρων κυττάρων (Payne et al., 2002). Αναφέρεται ότι η ζελατίνη έχει χρησιμοποιηθεί για τον εγκλεισμό οστεοβλαστών από κύτταρα του στρώματος του νωτιαίου μυελού αρουραίων και βρέθηκε ότι διατήρησαν την ικανότητα πολλαπλασιασμού τους. Ο προσωρινός εγκλεισμός κυττάρων σε μικροσφαιρίδια ζελατίνης, μπορεί να λειτουργήσει και ως προστατευτικός μηχανισμός για τα κύτταρα από περιβαλλοντικές επιδράσεις. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με άλλα μέσα ενθυλάκωσης, με σκοπό τον αποτελεσματικότερο εγκλεισμό και μεταφορά συστατικών των τροφίμων. Έτσι η ζελατίνη έχει χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με σακχαρόζη, αραβικό κόμμι και άλλα μέσα υδατανθακικής φύσης. Στις περιπτώσεις αυτές απαιτείται περεταίρω διερεύνηση για την εύρεση της βέλτιστης αναλογίας των δύο ή περισσοτέρων μέσων που οδηγούν στην επίτευξη αποτελεσματικής ενθυλάκωσης. Για παράδειγμα αναφέρεται ότι το αποτελεσματικότερο μέσο για τον εγκλεισμό του λιμονένιου, που αποτελεί την κύρια αρωματική ένωση στο έλαιο πορτοκαλιού, μέσω της εφαρμογής λυοφιλίωσης, είναι ένα μίγμα που περιέχει ζελατίνη- σακχαρόζη- αραβικό κόμμι σε αναλογίες 1:1:1 (Kaushik & Roos, 2006). Το λιμονένιο έχει ενθυλακωθεί ως μίγμα με διάφορες αρωματικές ενώσεις σε αραβικό κόμμι, άμυλο, κυκλοδεξτρίνες, κόμμι ζελάνης και σε 27

29 μίγμα μαλτοδεξτρίνης με αραβικό κόμμι, μέσω ξήρανσης με ψεκασμό. Η μικροενθυλάκωση σε ζελατίνη χρησιμοποιείται για την ενθυλάκωση φαρμάκων για την επιμήκυνση του χρόνου απελευθέρωσης της δραστικής ουσίας (Arida et al., 2006; Changa et al.,,2006). Ο ρυθμός απελευθέρωσης της δραστικής ουσίας που είχε υποστεί μικροενθυλάκωση, μπορεί να είναι έως 100 φορές χαμηλότερος, συγκρινόμενος με την απελευθέρωση του μη εγκλεισμένου. Τα αποτελέσματα αυτά, υποδεικνύουν ότι μέσω της δημιουργίας εξωτερικών πολυμερών περιβλημάτων σε κρυσταλλικές δομές της φαρμακευτικής ένωσης, μπορεί να επιτευχθεί παράταση στο χρόνο απελευθέρωσης της συγκεκριμένης ουσίας. H ζελατίνη έχει χρησιμοποιηθεί και για τον εγκλεισμό προπολης με Παρασκευή μικροσφαιριδίων ζελατίνης που περιέχουν πρόπολη μέσω ξήρανσης με ψεκασμό (Bruschia et al., 2003). Αναφέρεται ότι διατηρήθηκε η αντιβακτηριακή δραστικότητα της πρόπολης έναντι του Staphylococcus aureus. Η χρησιμοποίηση των μικροσφαιριδίων ζελατίνης με πρόπολη, θα ήταν χρήσιμη για την ανάπτυξη σκευασμάτων, τα οποία θα ήταν απαλλαγμένα από την έντονη και δυσάρεστη γεύση και οσμή του αιθανολικού εκχυλίσματος πρόπολης Τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την επιβεβαίωση του εγκλεισμού. Θεωρητικά, οποιαδήποτε μέθοδος, χρησιμοποιηθεί για να διαπιστωθούν οι μεταβολές στις φυσικοχημικές ιδιότητες που παρατηρούνται στο σχηματιζόμενο σύμπλοκο σε σχέση με την ενεργή φάση και το μέσο εγκλεισμού, μπορεί να αξιοποιηθεί για την επιβεβαίωση του σχηματισμού του συμπλόκου εγκλεισμού και για τον καθορισμό της στοιχειομετρίας των συμπλόκων. Οι μεταβολές που παρατηρούνται στις φυσικοχημικές ιδιότητες του φορέα και της ουσίας που θα υποστεί μικροενθυλάκωση, περιλαμβάνουν αλλαγές στη διαλυτότητα, στη χημική δραστικότητα και σταθερότητα, στην απορρόφηση στο φάσμα του ορατού και υπεριώδους φωτός, στο φθορισμό, χημικές αλλαγές που παρατηρούνται μέσω του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR), μεταβολές στην συγκράτηση του διατροφοδραστικού συστατικού (π.χ. όπως συμβαίνει στην υγρή χρωματογραφία), μεταβολές στις τιμές σταθερών ιονισμού ηλεκτρολυτών καθώς και μεταβολές κατά τις ποτενσιομετρικές μετρήσεις. Ακολούθως αναφέρονται οι σημαντικότερες τεχνικές που χρησιμοποιούνται στο χαρακτηρισμό των συμπλόκων εγκλεισμού. Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (Nuclear Magnetic Resonance (NMR). Η φασματοσκοπία NMR όταν εφαρμοστεί στην μελέτη του 28

30 εγκλεισμού μορίων στην κοιλότητα των κυκλοδεξτρινων μπορεί να παρέχει πληροφορίες σχετικά με: Το σχηματισμό του συμπλόκου λόγω μετατόπισης των κορυφών των εσωτερικών Η-3 και Η-5 υδρογόνων της β-κυκλοδεξτρίνης. Συνήθως το φάσμα του ελεύθερου συστατικού συγκρίνεται με το φάσμα του συστατικού παρουσία του μέσου εγκλεισμού. Τη στοιχειομετρία του συμπλόκου εγκλεισμού. Τη δομή του συμπλόκου στο διάλυμα. Μέσω του φάσματος 1H-NMR μπορούν να ληφθούν λεπτομέρειες όσον αφορά στο ποια πρωτόνια του εγκλειόμενου μορίου εντοπίζονται εσωτερικά της κοιλότητας της β-κυκλοδεξτίνης, στην περίπτωση που το μέσο εγκλεισμού είναι η κυκλοδεξτρίνη. Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry (DSC). Μεταξύ των προαναφερόμενων τεχνικών, η μελέτη των θερμικών ιδιοτήτων του συμπλόκου εξετάζεται με λεπτομέρεια. Οι θερμικές ιδιότητες μπορούν να μελετηθούν με τη μέθοδο DSC. Η τεχνική αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί: Για την επιβεβαίωση σχηματισμού του συμπλόκου εγκλεισμού. Για τη μελέτη της χημικής σταθερότητας των διατροφο-δραστικών συστατικών σε συνθήκες οξείδωσης, μέσω συνεχής ροής οξυγόνου στο συστατικό (Clas et al., 1999). Παρέχει επίσης, ποσοτικές πληροφορίες σχετικά με τις εξώθερμες και ενδόθερμες αντιδράσεις καθώς και τις αλλαγές στη θερμοχωρητικότητα ως αποτέλεσμα της μεταβολής της θερμοκρασίας ή του χρόνου. Η θερμότητα που απαιτείται για τη διατήρηση του δείγματος και του δείγματος αναφοράς στην ίδια θερμοκρασία καταγράφεται σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία. Τα συστατικά μπορεί να παρουσιάζουν τις παρακάτω θερμικές συμπεριφορές: τήξη, κρυστάλλωση, βρασμό, εξάχνωση, αφυδάτωση, μετάπτωση στερεού-στερεού καθώς και υαλώδης μετάπτωση. Χρησιμοποιώντας για την ξήρανση, τεχνικές όπως η λυοφιλίωση ή η ξήρανση με ψεκασμό, το τελικό προϊόν είναι άμορφο και χαρακτηρίζεται από τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης. Στη θερμοκρασία αυτή (Tg ), τα υλικά μαλακώνουν εξαιτίας 29

31 του μεγάλου εύρους συντονισμένης μοριακής κίνησης (Soottiantawat et al., 2004). Η μέθοδος DSC μπορεί να εφαρμοστεί για την επιβεβαίωση του σχηματισμού του συμπλόκου εγκλεισμού. Η εξαφάνιση των θερμικών συμβάντων στα μόρια που συμπλοκοποιούνται με εγκλεισμό, αποτελεί απόδειξη εγκλεισμού. Όταν το μόριο που εγκλείεται σχηματίσει σύμπλοκο με την κυκλοδεξτρίνη, τότε δεν μπορεί να υπάρξει αλληλεπίδραση με άλλα συστατικά, αφού δεν υπάρχει ξένη κρυσταλλική δομή για να απορροφήσει ενέργεια. Χρησιμοποιώντας τη DSC σάρωση σε διαφορετικούς ρυθμούς οξείδωσης, μπορούμε να λάβουμε πληροφορίες σχετικά με την κινητική της οξείδωσης (Cibulková et al., 2005). Έχει εφαρμοστεί ως μέθοδος παρακολούθησης της οξειδωτικής σταθερότητας από πολλούς ερευνητές. Ο Cross (1970), ήταν ο πρώτος που την εφάρμοσε, χρησιμοποιώντας ισόθερμες συνθήκες με διαβίβαση οξυγόνου, για τη μελέτη της οξείδωσης των ελαίων. Η μέθοδος DSC έδειξε πολύ καλή συσχέτιση με άλλες μεθόδους επιταχυνόμενης οξείδωσης όπως είναι η μέθοδος ενεργού οξυγόνου (Cross, 1970) και η μέθοδος οξειδωτικής σταθερότητας, OSI, με την εφαρμογή του Oxidative Stability Instrument (Tan et al., 2002). Αέρια Χρωματογραφία σε συνδυασμό με Φασματοσκοπία Μάζας (GC- MS). Για να επιτευχθεί η ταυτοποίηση των προστιθέμενων διατροφο-δραστικών συστατικών με τη μέθοδο GC συγκρίνονται οι χρόνοι κατακράτησής τους με αυτούς των καθαρών πρότυπων. Για την ποσοτικοποίηση συγκρίνεται το εμβαδό της κορυφής με το εμβαδόν της κορυφής του προτύπου. Η κατακράτηση ορίζεται ως το ποσό της εγκλειόμενης ουσίας στο σύμπλοκο μετά την επεξεργασία του προς το ποσό της ουσίας που προστέθηκε για να σχηματιστεί το σύμπλοκο (Jeon et al., 2003). Στην αέρια χρωματογραφία ανάστροφης φάσης (Inverse Gas Chromatography) το μέσο εγκλεισμού βρίσκεται σε μη ενεργοποιημένο υλικό επίστρωσης της στήλης το οποίο συνδέεται με τον εισαγωγέα και το σύστημα ανίχνευσης. Αυτή η μέθοδος αρχικά αναπτύχθηκε από τους Smisrod και Guillet για τη μελέτη του σημείου υαλώδους μετάπτωσης των πολυμερών. Οι Delarue και Giampaoli (2000), εφάρμοσαν τη μέθοδο αυτή ώστε να διερευνήσουν την κατακράτηση των αρωματικών ουσιών σε σχέση με τη φύση του τροφίμου. Η αέρια χρωματογραφία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη της οξειδωτικής σταθερότητας της ουσίας μέσω υπολογισμού του χρόνου σχηματισμού των προϊόντων οξείδωσης. Οι Soottitantawat et al. (2004), μελέτησαν την οξειδωτική σταθερότητα του D- λιμονένιου, το οποίο είχε εγκλειστεί μέσω ξήρανσης με ψεκασμό, μέσω του υπολογισμού του 1,2 εποξειδίου του λιμονενίου, με τη μέθοδο της αέριας χρωματογραφίας. 30

32 Υγρή Χρωματογραφία Υψηλής Πίεσης (HPLC). Η υγρή χρωματογραφία υψηλής πίεσης ανάστροφης φάσης, (Reversed-phase HPLC), μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον ακριβή και ποσοτικό καθορισμό του ελεύθερου διατροφοδραστικού συστατικού (Rozou & Antoniadou, 2004). Το κλάσμα του συστατικού το οποίο απελευθερώνεται από το σύμπλοκο κυκλοδεξτρίνης θεωρείται σημαντική παράμετρος. Φασματομετρία μάζας (Mass spectrometry). Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται ώστε να επιβεβαιωθεί ο σχηματισμός ενός συμπλόκου εγκλεισμού. Η πλήρης ανάλυση φάσματος του διαλύματος του συμπλόκου παρουσιάζει κορυφή m/z, που ανταποκρίνεται στο σύμπλοκο εγκλεισμού. Οι Naidu et al. (2004), επιβεβαίωσαν το σχηματισμό του συμπλόκου εγκλεισμού μελοξικάμης-κυκλοδεξτρίνης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Electrospray Ιonization Μass Spectrometry (ESI-MS). Άλλες τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την επιβεβαίωση του εγκλεισμού είναι η φασματοσκοπία υπέρυθρου, οι ακτίνες Χ, η ποτενσιομετρία και οι επιδράσεις στην διαπερατότητα των συστατικών μέσω των συνθετικών μεμβρανών (Loftsson et al., 2003). Στην βιβλιογραφία έχει αναφερθεί επίσης η χρήση της Τιμής Ανισιδίνης (Anisidine Value), η οποία χρησιμοποιείται για την ποιοτική εκτίμηση του μικροεγκλεισμού, εάν η ουσία που εγκλείεται μπορεί να οξειδωθεί (Heinemann & Franke, 1999). Επίσης εφαρμόζεται η μέθοδος Light Scattering, η οποία δίνει πληροφορίες για μεγάλα συναθροίσματα (μυκήλλια) τα οποία σχηματίζονται κατά τον εγκλεισμό (Mele et al., 1998). Με τη χρησιμοποίηση του Υπεριώδες Φάσματος (UV), το διατροφοδραστικό συστατικό παρουσιάζει διαφορετικό προφίλ παρουσία του μέσου εγκλεισμού (Rozou & Antoniadou, 2004). Επίσης, μέσω της FT-IR φασματομετρίας, επιβεβαιώνεται ο σχηματισμός του συμπλόκου εγκλεισμού (Lajos & Szejtli 2004). Και τέλος, η μέθοδος Ηλεκτρονικής Μικροσκόπησης Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy), εφαρμόζεται για τη διερεύνηση της εξωτερικής δομής της σκόνης κατά την αποθήκευση (Soottitantawat et al., 2004). 31

33 1.3 Μέθοδοι Ενκαψυλίωσης Πολυφαινολών για Προστασία τους. Ο εγκλεισμός (ενθυλάκωση, encapsulation) είναι μία μέθοδος η οποία χρησιμοποιείται ευρέως στη φαρμακευτική βιομηχανία για την μεταφορά φαρμάκων, ενώ στη τεχνολογία τροφίμων χρησιμοποιείται κυρίως για τη μεταφορά αρωματικών ενώσεων. Μπορεί επίσης να εφαρμοσθεί για τον εγκλεισμό λειτουργικών συστατικών, δηλαδή συστατικών που έχουν θετικές επιπτώσεις στην υγεία του ανθρώπου. Η παροχή προστασίας από ασθένειες διαμέσου της δίαιτας αποτελεί μια μοναδική ευκαιρία για τα λειτουργικά τρόφιμα. Συχνά τα προϊόντα αυτά αποτελούν νέα πρόκληση για την τεχνολογία τροφίμων. Σε πολλές περιπτώσεις η εφαρμογή του μικροεγκλεισμού μπορεί να ξεπεράσει τα προβλήματα που προκύπτουν από την ενσωμάτωση των συστατικών αυτών μέσα σε διατροφικά συστήματα, όπως πχ. τη σταδιακή υποβάθμισή τους, χάνοντας έτσι τις ιδιότητές τους ή ακόμη την πιθανότητα να καταστούν επικίνδυνα λόγω οξειδωτικών αντιδράσεων. Ακόμη τα συστατικά αυτά μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τα συστατικά που βρίσκονται στο τρόφιμο μειώνοντας τη βιοδιαθεσιμότητά τους ή αλλάζοντας το χρώμα ή τη γεύση του προϊόντος (Schooyen, 2001). Με το μικροεγκλεισμό περιβάλλονται μικρά στερεά σωματίδια, υγρά σταγονίδια ή αέρια με μια μορφή καλύμματος (Βetrolini et.al.,2001, Schrooyen, et.al, 2001) και ένα υγρό συστατικό μπορεί να μετατραπεί σε στερεή σκόνη. Οι βασικοί στόχοι του εγκλεισμού στη χημεία των τροφίμων είναι: 32

34 1. Ο διαχωρισμός συστατικών 2. Η μείωση την τοξικότητας ενός υλικού 3. Η αλλαγή των επιφανειακών ιδιοτήτων ενός υλικού 4. Η μείωση της ευφλεκτότητας των υγρών 5. Η αύξηση στην διάρκεια αποθήκευσης 6. Η επικάλυψη της δυσάρεστης γεύσης συγκεκριμένων συστατικών 7. Η μείωση της υποβάθμισης και παραγωγή τοξικών προϊόντων λόγω οξειδωτικών αντιδράσεων 8. Η αύξηση της διαλυτότητας συστατικών σε συγκεκριμένο μέσο Στην τεχνολογία του εγκλεισμού το συστατικό που εγκλείεται αναφέρεται ως πυρηνικό υλικό, ενεργή φάση, ή εσωτερική φάση. Το υλικό που περιβάλλει το εγκλεισμένο συστατικό αναφέρεται ως βάση εγκλεισμού, μεταφορέας, κάλυμμα (Gibbs, et.al, 1999). Γενικά οι τεχνικές που οδηγούν στο σχηματισμό τοιχώματος γύρω από το εγκλεισμένο συστατικό, εγγυώνται ότι δεν παρατηρούνται διαρροές και διαβεβαιώνουν ότι οι ανεπιθύμητες ουσίες παραμένουν εκτός. Στις περισσότερες περιπτώσεις ο εγκλεισμός οδηγεί σε τελικό προϊόν με τη μορφή στερεής σκόνης, συνήθως η μέθοδος περιλαμβάνει σύστημα απομάκρυνσης του νερού από το διάλυμα ή το αιώρημα του συμπλόκου (Beristain et.al, 1996). Οι πιο γνωστές τεχνικές εγκλεισμού, που περιγράφονται στην βιβλιογραφία είναι: spray drying (ξήρανση με ψεκασμό) Lyophilization or freeze-drying (λυοφιλίωση ή ξήρανση με κατάψυξη) spray cooling ή spray chilling (ψύξη με ψεκασμό) co-crystallization (συγκρυστάλλωση) αbsorption (απορρόφηση) spinning disk (περιστρεφόμενος δίσκος) rapid expansion of supercritical solution (ταχεία εκτόνωση υπερκρίσιμου διαλύματος) liposome entrapment (εγκλεισμός με λιποσώματα) fluidized bed (ρευστοποιημένη κλίνη) extrusion (εξώθηση ή εκβολή), 33

35 formation of inclusion complex (σχηματισμός συμπλόκων εγκλεισμού) (Szente & Szejtli, 2004). Η παρασκευή στερεών διασπορών με δυσδιάλυτες ουσίες και υδρόφιλους φορείς (drug carriers) έχει αναφερθεί ήδη από το Σήμερα η ερευνητική κοινότητα ταξινομεί τις στερεές διασπορές σε τρεις βασικές κατηγορίες (Vasconelos et al., 2007): Στερεές διασπορές πρώτης γενιάς Το 1961 οι Sekiguchi και Obi (Sekiguchi & Obi, 1961) ανέπτυξαν μια πρακτική τεχνική μορφοποίησης για την αύξηση της βιολογικής διαθεσιμότητας δυσδιάλυτων φαρμακευτικών ουσιών. Τα συστήματα αυτά αργότερα ονομάστηκαν στερεές διασπορές (Chiou & Riegelman, 1971). Στην εργασία τους περιγράφεται ο σχηματισμός ευτηκτικών μιγμάτων μέσω της τήξη των φαρμακευτικών ουσιών σε υδρόφιλους φορείς. Συγκεκριμένα, ασχολήθηκαν με την παρασκευή στερεών διασπορών της σουλφαθειαζόλης και της χλωραμφαινικόλης (Sekiguchi & Obi, 1961) χρησιμοποιώντας ως φορέα ουρία. Τα παραπάνω αναφερόμενα συστήματα εμφάνισαν σημαντική αύξηση στο ρυθμό αποδέσμευσης της φαρμακευτικής ουσίας και υψηλότερη βιοδιαθεσιμότητα σε σχέση με τις συμβατικές μορφές χορήγησης των ίδιων ουσιών. Η αύξηση αυτή αποδόθηκε στη βελτίωση της διαβρεκτικότητας και στη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων της ουσίας (Sekiguchi & Obi, 1964). Ορισμένα χρόνια αργότερα, οι Levy (Levy, 1963) και Kaning (Kaning, 1964) παρασκεύασαν στερεά διαλύματα (μέσω μοριακής διασποράς) φαρμακευτικών ουσιών χρησιμοποιώντας μαννιτόλη. Η αύξηση του ρυθμού διάλυσης και της βιοδιαθεσιμότητας αποδόθηκαν στη γρήγορη διάλυση του φορέα (Goldberg et al., 1966). Όλες οι παραπάνω περιπτώσεις διασπορών, οι οποίες μπορούν να χαρακτηριστούν ως στερεές διασπορές πρώτης γενιάς, παρασκευάστηκαν με τη βοήθεια κρυσταλλικών φορέων. Στερεές διασπορές δεύτερης γενιάς Στο τέλος της δεκαετίας του 1960 διαπιστώθηκε ότι το βασικό μειονέκτημα των κρυσταλλικών στερεών διασπορών (παρά τη θερμοδυναμική τους σταθερότητα) ήταν η σχετικά χαμηλή αύξηση του ρυθμού διάλυσης που προκαλούσαν (Simonelli et al., 1969; Chiou & Riegelman, 1969; Urbanetz, 2006). Για το λόγο αυτό μια νέα 34

36 κατηγορία στερεών διασπορών προέκυψε (χαρακτηρίστηκαν αργότερα ως στερεές διασπορές δεύτερης γενιάς) στην οποία ο φορέας ήταν κάποιο άμορφο ή ημικρυσταλλικό πολυμερές. Στις περιπτώσεις αυτές, η ουσία διασπείρεται σε μοριακό επίπεδο και με ακανόνιστο τρόπο μέσα στον άμορφο φορέα ή το άμορφο κομμάτι του (Vilhelmsen et al., 2005). Οι πολυμερικοί φορείς που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή διασπορών 2ης γενιάς μπορούν να είναι είτε πλήρως συνθετικά πολυμερή είτε φυσικά πολυμερή. Πλήρως συνθετικά πολυμερή που έχουν χρησιμοποιηθεί είναι η πολυβινυλοπυρρολιδόνη (PVP) (van Drooge et al 2006; Simonelli et al., 1969; Karavas et al., 2006; Pokharkar et al., 2006; Lloyd et al., 1999) και η πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG) (Prabhu et al., 2005; Urbanetz & Lippold, 2005; Guyot et al., 1995, Yao et al., 2005), ενώ φυσικά πολυμερή για τον ίδιο σκοπό είναι η υδροξυπροπυλομεθυλοκυτταρίνη (HPMC) (Ohara et al., 2005; Won et al., 2005) η αιθυλοκυτταρίνη (Desai et al., 2006; Ohara et al., 2005) κ.α. Στην περίπτωση των στερεών διασπορών δεύτερης γενιάς οι υπό εξέταση ουσίες βρίσκονται σε κατάσταση υπερκορεσμού εξαιτίας της διαλυματοποίησης μέσα στο φορέα (Urbanetz & Lippold, 2005; Vilhelmsen et al., 2005; Tanaka et al., 2005). Τα συστήματα αυτά είναι σε θέση να μειώσουν το μέγεθος των σωματιδίων της δραστικής ουσίας, να διαλύσουν ή συνδιαλύσουν την ουσία, να αυξήσουν τη διαβρεκτικότητα και να βελτιώσουν τη διασπορά της μέσα στο φορέα (Chiou & Riegelman, 1971; Karata et al., 2005). Το σημαντικότερο μειονέκτημα αυτής της κατηγορίας είναι η ανακρυστάλλωση των ουσιών με αποτέλεσμα να παρατηρούνται μεγάλες διακυμάνσεις στο ρυθμό διάλυσης και (κατά συνέπεια) στη βιοδιαθεσιμότητα των ουσιών. Στερεές διασπορές τρίτης γενιάς Πρόσφατα αποδείχθηκε ότι ο ρυθμός διάλυσης μιας δυσδιάλυτης ουσίας μπορεί να βελτιωθεί εάν ο φορέας εμφανίζει επιφανειαδραστικότητα (surface activity) ή αυτογαλακτοματοποιητικές ιδιότητες (self-emulsifying). Συνεπώς, προέκυψε μια νέα κατηγορία στερεών διασπορών (3η γενιά), στην οποία χρησιμοποιούνται ως φορείς επιφανειδραστικές ουσίες ή μείγμα πολυμερών με επιφανειοδραστικά. Οι στερεές διασπορές αυτής της κατηγορίας έχουν ως στόχο να ξεπεράσουν τα σημαντικά προβλήματα που εμφανίζουν οι δύο παραπάνω κατηγορίες (να αυξήσουν το ρυθμό διάλυσης και να σταθεροποιήσουν τη δραστική ουσία στις στερεές διασπορές). 35

37 Βασικό μειονέκτημα των διασπορών αυτής της κατηγορίας είναι η περιορισμένη ποσότητα επιφανειοδραστικού που μπορεί γενικά να χρησιμοποιηθεί στην παρασκευή σκευασμάτων. Διαγράμματα φάσεων Για την πλήρη κατανόηση των στερεών διασπορών είναι αναγκαία η περιγραφή των δια γραμμάτων φάσεως καθώς και των διαφορών μεταξύ στερεού διαλύματος, στερεής διασποράς και ευτηκτικού μείγματος (Leuner & Dressman, 2000). Η φάση, ορίζεται κάποιο από τα μέρη ενός σύνθετου συστήματος, ομοιογενές κατά τη χημική σύσταση και τις φυσικές ιδιότητες, διαχωρισμένο από τα υπόλοιπα με οριακές επιφάνειες (Κατσάνος, 1993). Ένα διάγραμμα φάσεων δείχνει τον αριθμό των φάσεων που παρευρίσκονται, τη σύστασή τους και το σχετικό ποσό από κάθε φάση ως συνάρτηση της θερμοκρασίας της πίεσης και της συνολικής σύστασης του υλικού (Leuner & Dressman, 2000). Τα διαγράμματα φάσεων ταξινομούνται σε μονομερή, διμερή και υψηλότερης τάξης (τριμερή, τετραμερή κ.α.) ανάλογα με τον αριθμό των καθαρών συστατικών που συμμετέχουν σε αυτά (Moffatt et al., 1964). Στο μονομερές διάγραμμα ο άξονας των τετμημένων χρησιμοποιείται για την πίεση ενώ στα διαγράμματα μεγαλύτερης τάξης χρησιμοποιείται για τη σύσταση (η πίεση θεωρείται σταθερή ίση με 1 atm) (Leuner & Dressman, 2000). Διαγράμματα φάσεων για μονομερή (Ι), διμερή (ΙΙ) και τριμερή (ΙΙΙ) συστήματα. 36

38 Ευτηκτικά μείγματα Ένα απλό ευτηκτικό μείγμα αποτελείται από δύο συστατικά τα οποία είναι πλήρως αναμείξιμα στην υγρή φάση αλλά μόνο σε πολύ περιορισμένο βαθμό στη στερεή κατάσταση. Όταν ένα μείγμα από δύο συστατικά Α και Β συγκέντρωσης Ε ψυχθεί, τα συστατικά του κρυσταλλώνονται ταυτόχρονα ενώ στις υπόλοιπες αναλογίες (εκτός από τις περιοχές του στερεού διαλύματος (SS)) κάποιο από τα συστατικά κρυσταλλώνεται πριν από το άλλο. Ευτηκτικά μείγματα στερεής φάσης συνήθως παρασκευάζονται από τη γρήγορη ψύξη τήγματος των δύο συστατικών με σκοπό τη δημιουργία ενός φυσικού κρυσταλλικού μείγματος. Όταν ένα μείγμα σύστασης Ε αποτελούμενο από μία δυσδιάλυτη φαρμακευτική ουσία και έναν υδρόφιλο φορέα διαλυθεί σε υδατικό διάλυμα, ο φορέας, που διαλύεται γρήγορα αποδεσμεύοντας κρυστάλλους δραστικής ουσίας, οδηγεί στο σχηματισμό μεγαλύτερης επιφάνειας επαφής, αυξάνοντας το ρυθμό διάλυσης της ουσίας, βελτιώνοντας κατά συνέπεια τη βιοδιαθεσιμότητά της (Goldberg et al., 1966). Στερεά διαλύματα Τα στερεά διαλύματα (μπορούν να συγκριθούν με τα υγρά διαλύματα) εμφανίζουν μόνο μία φάση ανεξάρτητα από τον αριθμό των συστατικών που αποτελούνται. Στην περίπτωση των στερεών διαλυμάτων το μέγεθος των σωματιδίων της δυσδιάλυτης ουσίας ελαττώνεται σημαντικά (μοριακές διαστάσεις) (Goldberg et al., 1965). Γενικά τα στερεά διαλύματα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως εξής: A. Βάσει της αναμειξιμότητά τους. Σύμφωνα με την αναμειξιμότητά τους τα στερεά διαλύματα μπορούν να διαχωριστούν σε συνεχή (continuous) και ασυνεχή (discontinuous) (Leuner & Dressman, 2000). Στην πρώτη περίπτωση τα συστατικά του διαλύματος είναι αναμείξιμα σε όλες τις αναλογίες σύστασης. Θεωρητικά αυτό σημαίνει ότι ο δεσμός μεταξύ των μορίων των δύο συστατικών είναι ισχυρότερος από το δεσμό μεταξύ όμοιων μορίων. Στη δεύτερη περίπτωση (ασυνεχή στερεά διαλύματα) η διαλυτότητα του κάθε συστατικού στα υπόλοιπα είναι περιορισμένη. Παρακάτω δίνεται η περιοχή του στερεού διαλύματος (συμβολίζεται με SS (Solid Solution)) σε 37

39 ένα τυπικό διμερές διάγραμμα φάσεως. Για πρακτικούς λόγους έχει προταθεί από τον Goldberg και τους συνεργάτες του ότι ο όρος στερεό διάλυμα πρέπει να χρησιμοποιείται μόνον όταν η αμοιβαία διαλυτότητα των δύο συστατικών ξεπερνά το 5% (Goldberg et al., 1965). Κατά συνέπεια, το κατά πόσον ένα στερεό διάλυμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως σκεύασμα δεν εξαρτάται μόνον από τις διαλυτότητες των συστατικών τους, αλλά και από την απαραίτητη θεραπευτική δόση της δραστικής ουσίας. B. Βάσει του τρόπου με τον οποίο τα μόρια της δραστικής ουσίας κατανέμονται στον φορέα. Η κατανομή των μορίων της δραστικής ουσίας στον φορέα μπορεί να γίνει με τρεις τρόπους: 1) με υποκατάσταση (substitutional), 2) με κατάληψη των διακένων (interstitial) και 3) άμορφα (amorphous) Κατανομής των μορίων της δραστικής ουσίας στον φορέα: Α) με υποκα- τάσταση, Β) με κατάληψη των διακένων και Γ) άμορφα Στην πρώτη κατηγορία τα στερεά διαλύματα έχουν κρυσταλλική δομή και τα διαλυόμενα μόρια της δραστικής ουσίας είτε μπορούν να υποκαταστήσουν τα μόρια του πολυμερούς στο κρυσταλλικό πλέγμα είτε να προσαρμοστούν στα διάκενα μεταξύ αυτών. Η αντικατάσταση μπορεί να γίνει μόνον όταν το μέγεθος των διαλυόμενων μορίων διαφέρει κατά λιγότερο από 15% από το μέγεθος των μορίων του πολυμερούς. Στη δεύτερη περίπτωση τα διαλυμένα μόρια καταλαμβάνουν τα διάκενα μεταξύ των μορίων του πολυμερούς στο κρυσταλλικό πλέγμα. Όπως και στην προηγούμενη περίπτωση το μέγεθος των μορίων των δύο συστατικών παίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη στερεού διαλύματος (η διάμετρος των μορίων της δραστικής δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη από το 0,59 της διαμέτρου του 38

40 πολυμερούς). Επιπλέον ο όγκος των μορίων της δραστικής ουσίας πρέπει να είναι μικρότερος από το 20% του συνολικού διαλύματος. Τέλος, στα άμορφα στερεά διαλύματα τα μόρια της δραστικής ουσίας διασπείρονται σε μοριακό επίπεδο αλλά με ακανόνιστο τρόπο (Leuner & Dressman, 2000). Μέθοδοι παρασκευής Οι βασικές μέθοδοι παρασκευής στερεών διασπορών είναι η διασπορά της δραστικής ουσίας σε τετηγμένο φορέα και η διάλυση του φορέα και της δραστικής ουσίας σε κοινό διαλύτη (Vasconcelos et al., 2007). Μέθοδος τήξης Σύμφωνα με τη μέθοδο της τήξης, μετά την πλήρη τήξη του φορέα η δραστική ουσία διασπείρεται στο τήγμα το οποίο εν συνεχεία ψύχεται και οδηγείται για περεταίρω επεξεργασία (πλήρωση καψακίων, δημιουργία δισκίων κ.α.). Η διαδικασία μπορεί να εκτελεστεί και σε μείγματα φορέα-δραστικής απευθείας. Ο τρόπος ψύξης και στερεοποίησης των τηγμένων μειγμάτων επηρεάζει την τελική στερεή κατάσταση του συστήματος, και επομένως για την ψύξη των διασπορών έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές όπως είναι: η χρήση πάγου σε λουτρό (Sekiguchi & Obi, 1964; Pokharkar et al., 2006), η χρήση ανοξείδωτου υποδοχέα με ρεύμα ψυχρού αέρα (Chiou & Riegelman, 1969), η στερεοποίηση σε τρυβλία τύπου Petri και θερμοκρασία περιβάλλοντος μέσα σε ξηραντήρα (Li et al., 2006; Owusu-Ababio et al., 1998), η τοποθέτηση υποδοχέων από αλουμίνιο πάνω σε ξηρό πάγο (Timko & Lordi, 1979), η καταβύθιση σε υγρό άζωτο (Yao et al., 2005) και η απλή τοποθέτηση σε ξηραντήρα (Vippagunta et al., 2006; Lin & Cham, 1996). Οι Sekiguchi και Obi ήταν οι πρώτοι που χρησιμοποίησαν τη μέθοδο της τήξης για την παρασκευή στερεών διασπορών θειοθειαζολίου σε διάφορους φορείς (ασκορβικό οξύ, ακεταμίδιο, νικοτιναμίδιο, νικοτινικό οξύ, και ουρία) με τήξη των μειγμάτων φαρμάκου-φορέα (Sekiguchi & Obi, 1961). Σε όλες τις περιπτώσεις, εκτός από το ακεταμίδιο, οι θερμοκρασίες τήξης ήταν μεγαλύτερες από 110 C (πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία για την αποικοδόμηση της ουσίας). Υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από 100 C) χρησιμοποιήθηκαν επίσης και από τον Goldberg και τους συνεργάτες του στο σύστημα ακεταμινοφαίνης - ουρίας, γκρισεοφουλβίνης - σουκινικού οξέος, και χλωραμφαινικόλης-ουρίας (Goldberg et al., 1966). Μειονεκτήματα της μεθόδου, πέρα από τη χρήση υψηλών θερμοκρασιών (Serajuddin, 1999) είναι η μερική μόνο 39

41 αναμειξιμότητα μεταξύ φαρμάκου-φορέα (Taylor and Zografi, 1997) και η αδυναμία εφαρμογής της σε βιομηχανική κλίμακα παραγωγής. Για την αντιμετώπιση των παραπάνω προβλημάτων έχουν προταθεί αρκετές παραλλαγές της μεθόδου: Η τεχνική της εξώθησης τήγματος: Η τεχνική αυτή περιλαμβάνει την εξώθηση υπό θέρμανση με μεγάλες ταχύτητες περιστροφής φυσικού μείγματος και φορέα για ένα μικρό χρονικό διάστημα. Το προκύπτον προϊόν ψύχεται σε θερμοκρασία δωματίου και οδηγείται σε περαιτέρω επεξεργασία (Pouton, 2006). Μείωση στη θερμοκρασία λειτουργίας μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση διοξειδίου του άνθρακα ως πλαστικοποιητή (Verreck et al., 2007). Η μέθοδος MeltrexTM: Το σημαντικό στοιχείο στη συγκεκριμένη τεχνολογία είναι η χρήση ενός ειδικού δικόχλιου (twin screw) εξωθητή με την προσθήκη δύο ανεξάρτητων δεξαμενών στις οποίες η θερμοκρασία μπορεί να διαφέρει κατά πολλούς βαθμούς Κελσίου. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η μείωση του χρόνου έκθεσης της δραστικής ουσίας σε υψηλές θερμοκρασίες επιτρέποντας τη συνεχή ροή του μείγματος. Μέσω της τεχνικής, αποφεύγονται προβλήματα οξείδωσης και υδρόλυσης των συστατικών (Vasconcelos et al., 2007). Η τεχνική της συσσωμάτωσης τήγματος (melt agglomeration): Η τεχνική επιτρέπει τη δημιουργία στερεών διασπορών σε συμβατικούς αναμεικτήρες με προσαρμοσμένα εργαλεία κοπής. Η παρασκευή των διασπορών γίνεται είτε με την προσθήκη του τετηγμένου φορέα που περιέχει (διεσπαρμένη ή διαλυμένη) τη δραστική ουσία στα υπόλοιπα προθερμασμένα έκδοχα (Gupta et al 2002, Seo et al., 2003), είτε με την προσθήκη του τετηγμένου φορέα στο προθερμασμένο μείγμα της δραστικής με τα υπόλοιπα έκδοχα (Vasconcelos et al., 2007), ή τέλος, με τη θέρμανση όλων των συστατικών (φορέας, δραστική, υπόλοιπα έκδοχα) κοντά ή πάνω από τη θερμοκρασία τήξης του φορέα (Seo et al., 2003). 40

42 1.4 Τεχνικές Ξήρανσης με Ψεκασμό για την Ενκαψυλίωση Πολυφαινολών - Χρησιμοποιούμενες Συνθήκες. Παρακάτω περιγράφονται οι δύο μέθοδοι που χρησιμοποιούνται ευρύτατα και χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία για την ξήρανση του διαλύματος και του γαλακτώματος του εγκλειόμενου συστατικού: η μέθοδος ξήρανσης με ψεκασμό και η λυοφιλίωση Η μέθοδος spray drying Ο όρος ξήρανση (drying) αναφέρεται κυρίως στην αφαίρεση μικρών σχετικά ποσοτήτων νερού από στερεά ή ημιστερεά υλικά. Η αφαίρεση υγρασίας από αέρια αποδίδεται κυρίως με τους όρους αφύγρανση (dehumidification) και προσρόφηση (absorption), ενώ ο όρος εξάτμιση (evaporation) αναφέρεται συνήθως στην αφαίρεση μεγάλων ποσοτήτων νερού από διαλύματα. Στις διεργασίες ξήρανσης είθισται να δίνεται έμφαση στο αποξηραμένο τελικό προϊόν και, στις περισσότερες περιπτώσεις, η ξήρανση επιτυγχάνεται με αφαίρεση υγρασίας σε θερμοκρασίες κατώτερες του σημείου βρασμού, ενώ στην εξάτμιση η αφαίρεση υγρασίας γίνεται στο σημείο βρασμού του διαλύματος. Η μελέτη της ξήρανσης και οι υπολογισμοί για το απαιτούμενο μέγεθος του ξηραντήρα περιλαμβάνουν πολλών ειδών επιμέρους προβλήματα από τα πεδία της ρευστό μηχανικής, της φυσικοχημείας επιφανειών και της δομής στερεών, καθώς και προβλήματα μεταφοράς θερμότητας και μάζας. Σε πολλές περιπτώσεις τα εκτυλισσόμενα φαινόμενα είναι αρκετά πολύπλοκα και η γνώση που υπάρχει γύρω από αυτά είναι περιορισμένη, με αποτέλεσμα οι ποσοτικές εκτιμήσεις στον σχεδιασμό του ξηραντήρα να καθίστανται πρακτικά αδύνατες. Η μέθοδος Spray drying (ξήρανση με ψεκασμό) είναι μια ευρέως διαδεδομένη τεχνική που χρησιμοποιείται για τη ξήρανση υδατικών ή οργανικών διαλυμάτων της βιομηχανίας τροφίμων. Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη συντήρηση τροφίμων ή ως απλή μέθοδος ταχείας ξήρανσης (Βetrolini et al., 2001). Eφαρμόζεται εκτεταμένα για την παρασκευή σκόνης γάλακτος, ορού γάλακτος, παγωτού, βουτύρου, τυριού, παιδικών τροφών με πρώτη ύλη το γάλα, καφέ, χυμών φρούτων, το αλεύρι, και τον αραβόσιτο. Επίσης εξασφαλίζει την μείωση του βάρους και όγκου. Ο αριθμός των προϊόντων στα οποία εφαρμόζεται αυτή η μέθοδος συνεχίζει να επεκτείνεται, έτσι ώστε σήμερα η ξήρανση με την τεχνική αυτή συνδέεται με πολλά προϊόντα που χρησιμοποιούμε καθημερινά. Αποτελεί και την κυρίαρχη τεχνολογική μέθοδο στον τομέα του μικροεγκλεισμού (Heinzelmann and Franke, 1999). Η μέθοδος περιλαμβάνει εξάτμιση του νερού από μια τροφή μέσω ανάμειξης του μέσου 41

43 ψεκασμού και ξήρανσης. Το μέσο ξήρανσης είναι ο αέρας. Η ξήρανση συνεχίζει μέχρι να επιτευχθεί το επιθυμητό ποσοστό υγρασίας στα σωματίδια ψεκασμού και το προϊόν ακολούθως διαχωρίζεται από τον αέρα. Το μείγμα που υπόκειται ξήρανση μπορεί να είναι διάλυμα, γαλάκτωμα, μέσο διασποράς ή αιώρημα. Η ξήρανση με εκνέφωση πραγματοποιείται με τη χρήση των ξηραντήρων εκνέφωσης. Η πρώτη ύλη (διάλυμα, γαλάκτωμα, μέσο διασποράς ή αιώρημα) εισάγεται εντός του θαλάμου ξήρανσης υπό την μορφή λεπτών σταγονιδίων που έρχονται σε άμεση επαφή με ρεύμα θερμού αέρα για σύντομο χρονικό διάστημα. Τα σταγονίδια παράγονται με τη βοήθεια εκνεφωτή που περιστρέφεται με μεγάλη ταχύτητα. Ο χρόνος παραμονής στο θάλαμο ξήρανσης είναι 1-20 δευτερόλεπτα. Ο ξηραντήρας αποτελείται από: σύστημα θέρμανσης και κυκλοφορίας αέρα για την επίτευξη την απαιτούμενης θερμοκρασίας και ταχύτητας του εκνεφωτή για την παραγωγή υγρών σφαιριδίων του απαιτούμενου μεγέθους, θάλαμο στον οποίο έρχονται σε στιγμιαία επαφή τα σταγονίδια με το θερμό αέρα, σύστημα συλλογής, διαχωρισμού και μετακίνησης του προϊόντος ξήρανσης. Τα κυριότερα στάδια της ξήρανσης με εκνέφωση είναι: η είσοδος του προϊόντος, το φιλτράρισμα, η ψύξη, η αποθήκευση, προθέρμανσης στους o C, η προσυμπύκνωση περίπου στους 43 o C έως 42%, η είσοδος θερμού αέρα, ο διαχωρισμός της σκόνης από τον αέρα και η συσκευασία της σκόνης (Αρβανιτογιάννης, 2004). Ο πιο κοινός τύπος συσκευής spray dryer (ξηραντήρας ψεκασμού) είναι η open-cycle, co-current φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχηματικό διάγραμμα συσκευής spray drying 42

44 Μια απλή περιγραφή της μεθόδου έγκειται στα εξής στάδια. Η διαδικασία ξεκινά με το σχηματισμό ενός υδατικού φορέα. Η ουσία ή το μίγμα ουσιών που θα υποστεί ξήρανση γαλακτωματοποιείται σε έναν φορέα και εισέρχεται στο θάλαμο της συσκευής, με μεγάλη πίεση θερμού αέρα, μέσω ενός ατμοποιητή και τα σωματίδια θερμαίνονται άμεσα. Ακολούθως σχηματίζεται ένα φιλμ στην επιφάνεια του σταγονιδίου επιβραδύνοντας τη διάχυση της ύλης ενώ επιτρέπει στα μόρια ύδατος να μεταναστεύσουν γρήγορα στην επιφάνεια και να εξατμιστούν. Ελέγχοντας τη θερμοκρασία εισαγωγής, το ρυθμό εισαγωγής του γαλακτώματος και την ψύξη του εξατμιστή, η θερμοκρασία του σταγονιδίου δεν πρέπει να ξεπερνά τους 100 ο C. Τα σωματίδια που έχουν υποστεί ξήρανση αφαιρούνται με τρόπο που εμποδίζει την υπερθέρμανσή και την καύση τους. Οι προϋποθέσεις που πρέπει να πληρούνται για ένα ιδανικό φορέα εγκλεισμού στη διαδικασία spray drying περιλαμβάνουν, υψηλό βαθμό διαλυτότητας, μειωμένο ιξώδες, ιδιότητες γαλακτωματοποίησης, ιδιότητες ξήρανσης, μη υγροσκοπικό χαρακτήρα, ήπια γεύση, να μην είναι δραστικός, και να έχει χαμηλό κόστος. Φορείς που χρησιμοποιούνται ευρέως είναι: Τροποποιημένο άμυλο Aραβικό κόμμι Μαλτοδεξτρίνες Πρωτεΐνες γάλακτος Ζελατίνη που έχει υποστεί υδρόλυση Τροποποιημένες κυτταρίνες Η συσκευή ξήρανσης με ψεκασμό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μικρή ή μεγάλη παραγωγή προϊόντων ξήρανσης ανάλογα με το σχεδιασμό της. Μπορούν να επιτύχουν χωρητικότητα εξάτμισης μέχρι 7000 kg/ώρα. Έστω και αν το κόστος του εξοπλισμού είναι αρκετά υψηλό, το κόστος συντήρησης είναι χαμηλό εξαιτίας των λιγοστών τμημάτων που αφαιρούνται και της χρησιμοποίησης ανθεκτικών υλικών. Η καθαρότητα των προϊόντων διατηρείται αφού τα τρόφιμα δεν έρχονται σε άμεση επαφή με την επιφάνεια του εξοπλισμού μέχρι να ξηραθούν, ελαχιστοποιώντας έτσι προβλήματα προσκόλλησης και διάβρωσης. 43

45 Το σύστημα λειτουργίας είναι απλό και επίσης εξασφαλίζεται χαμηλή πυκνότητα προϊόντος (Nonhebel and Moss, 1971). Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται η μορφή της σκόνης έτσι όπως αυτή εξέρχεται από το θάλαμο του spray drier. Σκόνη μετά από spray drying Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι ότι παρέχει τη δυνατότητα παρασκευής πολύ λεπτών σκόνων με σφαιρικούς κόκκους και μέσο μέγεθος της τάξης των μικρών (μm) χρησιμοποιώντας απλές πρώτες ύλες χωρίς την μεσολάβηση χημικών αντιδράσεων. Επίσης λόγω της χρήσης διαλυμάτων η ανάμιξη των ιοντικών μέσων που μετέχουν στην παρασκευή είναι άριστη, κάτι που αποτελεί ισχυρό πλεονέκτημα σε σύγκριση με μεθόδους που χρησιμοποιούν αντιδράσεις στερεάς κατάστασης. Επειδή τα ιόντα που μετέχουν βρίσκονται σε πολύ μικρή απόσταση μετά την απομάκρυνση του νερού, ευνοούνται αντιδράσεις που ακολουθούν κατά την κρυστάλλωση όπως είναι η διαλυτοποίηση ιόντων προσθήκης στο μητρικό κρυσταλλικό πλέγμα που σχηματίζεται Kρυοξήρανση ή Λυοφιλίωση. Η διεργασία της ξήρανσης με κατάψυξη (λυοφιλίωση, freeze drying/lyophilisation) είναι μια ιδιαίτερα εξελιγμένη μέθοδος αφυδάτωσης τροφίμων. Χρησιμοποιείται με επιτυχία για την αφυδάτωση ευαίσθητων, υψηλής αξίας τροφίμων όπως καφές, φράουλας, γαρίδων μανιταριών και ορισμένες φορές τεμαχισμένων τροφίμων όπως το κρέας. Τα προϊόντα μετά την αφυδάτωσή τους διατηρούν κατά μεγάλο ποσοστό 44

46 την αρχική γεύση και άρωμα, γεγονός που ήταν αδύνατο με τις κλασικές μεθόδους αφυδάτωσης. Η αρχή στην οποία βασίζεται η λυοφιλίωση είναι ότι κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες χαμηλής τάσης ατμών, ο πάγος μπορεί να εξαχνωθεί χωρίς απαραίτητα να προηγηθεί τήξη. H λέξη λυόφιλο αφορά στο γεγονός της ταχύτατης ενυδάτωσης αυτών των προϊόντων. Η κρυοξήρανση των τροφίμων εξυπηρετεί δύο σκοπούς: αφενός τα προϊόντα μπορούν να διατηρηθούν για μεγάλο χρονικό διάστημα, μια και έχει απομακρυνθεί σε ποσοστό μέχρι και 98% - η υγρασία και έχει περιοριστεί πολύ η μικροβιακή αλλοίωση, αλλά αφετέρου και γιατί περιορίζεται έτσι το βάρος και ο όγκος του προϊόντος. Είναι προφανές ότι σε περίπτωση υγρών προϊόντων, συμφέρει από άποψη κόστους να αποθηκεύεται και να μεταφέρεται αποξηραμένο υλικό, το οποίο ανακτά την αρχική του μορφή με προσθήκη νερού στον τόπο προορισμού ή/καικατανάλωσής του. Η κρυοξήρανση τροφίμων έχει δώσει επίσης λύση στο πρόβλημα του περιορισμού όγκου και βάρους για τις τροφές των αστροναυτών! Για παράδειγμα, ένα χιλιόγραμμο φράουλες που έχουν υποστεί κρυοξήρανση αντιστοιχεί σε δέκα κιλά «κανονικής» φράουλας, ενώ από ποσότητα 3 kg κρέατος από κοτόπουλο προκύπτει 1 kg αποξηραμένου υλικού. Ένα από τα πιο γνωστά και διαδεδομένα προϊόντα, που παράγονται με κρυοξήρανση, είναι ο «στιγμιαίος» καφές. Αρχικά, από τον ψημένο κοκκώδη καφέ παρασκευάζεται το ρόφημα, που στη συνέχεια ψύχεται στους -40 C. Το παγωμένο στερεό υφίσταται λειοτρίβηση μέχρι το επιθυμητό μέγεθος και το κοκκώδες στερεό τοποθετείται σε θάλαμο, όπου θερμαίνεται ελαφρά κάτω από κενό, απομακρύνεται το παγωμένο νερό, και παραλαμβάνεται το τελικό προϊόν, που είναι οι ευδιάλυτοι κόκκοι του καφέ. Στη διεργασία της ξήρανσης, υγρασία ενός υλικού απομακρύνεται από αυτό με θέρμανση, και το υλικό διοχετεύεται στο επόμενο στάδιο της διαδικασίας ή αν είναι στο τελικό στάδιο της παραγωγής, συσκευάζεται: με αυτόν τον τρόπο παρασκευάζονται πολλά από τα αποξηραμένα ή αφυδατωμέναπροϊόντα που κυκλοφορούν στην αγορά. Υπάρχουν όμως και προβλήματα σ αυτή τη διεργασία. Ορισμένες ουσίες υφίστανται παραμορφώσεις ή/και φθορές κατά την ξήρανση, επίσης, ορισμένες ουσίες δεν μπορούν να θερμανθούν στην απαιτούμενη θερμοκρασία, γιατί υπάρχει κίνδυνος να υποστούν αλλοιώσεις ή, ειδικά στα τρόφιμα, 45

47 μεταβολές στα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά τους, που να τα καθιστούν δυσάρεστα και ανεπιθύμητα. Τέλος, με την απλή ξήρανση μόνο το 90%-95% της υγρασίας μιας ουσίας μπορεί να απομακρυνθεί. Σε ευαίσθητες σε αλλοιώσεις ουσίες, όπως π.χ. στα τρόφιμα, το υπολοιπόμενο νερό είναι αρκετό για να διατηρηθεί μια μικρή μεν αλλά υπαρκτή ενζυμική ή/και μικροβιακή δραστηριότητα, με αποτέλεσμα τη βαθμιαία αλλοίωση του προϊόντος. Ένας εναλλακτικός τρόπος ξήρανσης αυτών των ευαίσθητων υλικών είναι να ψυχθούν σε χαμηλή θερμοκρασία, και στη συνέχεια το νερό να απομακρυνθεί από αυτά με εξάχνωση. Η διεργασία αυτή ονομάζεται κρυοξήρανση ή λυοφιλίωση και βρίσκει ευρύτατη εφαρμογή σε διάφορους βιομηχανικούς κλάδους, όπως για παράδειγμα στη συντήρηση τροφίμων και την παρασκευή φαρμάκων και φαρμακευτικών ειδών (πρωτεΐνες, εμβόλια, κ.ά.). Αναφέρονται επίσης και άλλες, πιο «εξωτικές» και λιγότερο παραγωγικές εφαρμογές, όπως είναι η συντήρηση αρχαιολογικού ή/και αρχειακού υλικού Αρχή της κρυοξήρανσης. Κάτω από το τριπλό σημείο (Τ, Ρ) μια ουσία μεταβαίνει από τη στερεή στην αέρια φάση απευθείας, με εξάχνωση, χωρίς να περάσει από το στάδιο της υγρής φάσης. Συνεπώς, προκειμένου να ξηρανθεί μια ουσία, μπορούμε να ακολουθήσουμε την εξής διαδικασία: αρχικά, ψύχουμε την ουσία, οπότε το περιεχόμενο σ αυτή νερό παγώνει. Στη συνέχεια, την τοποθετούμε σε αεροστεγή χώρο όπου μειώνεται η πίεση σε σημείο κάτω από το τριπλό σημείο του νερού (ή γενικότερα του διαλύτη, σε περίπτωση που έχει χρησιμοποιηθεί άλλο υγρό). Βασική διάταξη κρυοξήρανσης. Στη χαμηλή αυτή πίεση, το νερό απομακρύνεται με εξάχνωση και απομακρύνεται με κατάλληλο συμπυκνωτή παγίδα υδρατμών, ενώ ταυτόχρονα το υλικό ψύχεται, δεδομένου ότι για την εξάχνωση του νερού απαιτείται η αντίστοιχη λανθάνουσα θερμότητα εξάχνωσης. Συνήθως για την επιτάχυνση της διεργασίας το υλικό 46

48 θερμαίνεται ελαφρά. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ότι το τριπλό σημείο του νερού είναι σε θερμοκρασία ΤΤΣ = 0 C και πίεση ΡΤΣ Pa (= 4.58 mm Hg). Έστω ότι μια ποσότητα νερού ψύχεται σε θερμοκρασία κάτω των 0 C και ότι η πίεσή του είναι κάτω από την πίεση ΡΤΣ, δηλαδή το νερό βρίσκεται στον χώρο αριστερά από την καμπύλη «Α-ΤΣ» του Σχήματος Θερμαίνοντας στη συνέχεια το νερό, χωρίς μεταβολή της πίεσης, προσεγγίζουμε την καμπύλη «Α-ΤΣ», οπότε το νερό περνάει από την στερεή στην αέρια φάση (εξάχνωση) χωρίς να παρεμβληθεί η υγρή φάση. Στην πράξη, ακολουθείται ένας διαφορετικός τρόπος απομάκρυνσης της υγρασίας: ο θάλαμος, μέσα στον οποίο έχει τοποθετηθεί το υλικό, επικοινωνεί με άλλον θάλαμο, όπου επικρατεί ακόμα χαμηλότερη θερμοκρασία, και οι υδρατμοί τείνουν να φύγουν από το ξηραινόμενο υλικό και να αποτεθούν στην πιο κρύα επιφάνεια. Τριπλό σημείο νερού. Σημειώνεται ότι σε πολλά υλικά το νερό βρίσκεται σ αυτά με δυο μορφές: το «ελεύθερο» και το «δεσμευμένο» ή κρυσταλλικό νερό και η κρυοξήρανση γίνεται σε δύο φάσεις. Ο στόχος της πρώτης φάσης είναι να παγώσει και να απομακρυνθεί το «ελεύθερο» νερό. Ο ρυθμός με τον οποίο ψύχεται το υλικό επηρεάζει το μέγεθος των κρυστάλλων πάγου, που σχηματίζονται: αν η ψύξη είναι ταχεία, οι κρύσταλλοι είναι μικροί, ενώ αν η ψύξη γίνει αργά και σταδιακά, οι κρύσταλλοι είναι μεγαλύτεροι. Το μέγεθος των κρυστάλλων του πάγου επηρεάζει και τη δομή του προϊόντος, που προκύπτει από την κρυοξήρανση: από υλικό με λεπτοκρυσταλλικό πάγο προκύπτει ξηρό υλικό με μικρούς πόρους, ενώ από μεγαλοκρυσταλλικό πάγο προκύπτει υλικό με μεγάλους πόρους. 47

49 Μερικά υλικά ξηραινόμενα σχηματίζουν επιφανειακά ένα λεπτό στρώμα («πέτσα»), που μειώνει τον ρυθμό εξάχνωσης και παρεμποδίζει τη διεργασία. Σ αυτές τις περιπτώσεις, συνήθως προτιμούνται μικροί περιστρεφόμενοι θάλαμοι, ώστε να μην μπορεί να σχηματιστεί αυτό το επιφανειακό στρώμα στο υλικό. Σε δεύτερη φάση, το υλικό θερμαίνεται ελαφρά και απομακρύνεται και το κρυσταλλικό ή «δεσμευμένο» νερό. Στη φάση αυτή, συνήθως, εφαρμόζεται η χαμηλότερη δυνατή πίεση. Στην περίπτωση κρυοξήρανσης διαλυμάτων, το υλικό πρέπει να ψυχθεί σε θερμοκρασία τόσο χαμηλή ώστε να προκύπτει αποκλειστικά στερεή φάση, δηλαδή να είναι χαμηλότερη από το τυχόν χαμηλότερο ευτηκτικό σημείο (Τευτ), που είναι πιθανό να σχηματίζουν τα συστατικά του διαλύματος. Υπάρχουν όμως και ουσίες, που όταν στερεοποιούνται δεν σχηματίζουν κρυστάλλους, αλλά άμορφο υλικό, οπότε η αντίστοιχη οριακή θερμοκρασία, κάτω από την οποία πρέπει να ψυχθεί το υλικό είναι η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Τg, glass transition temperature), που εξαρτάται από τη σύσταση του άμορφου παγωμένου προϊόντος. Όσο υπάρχει «ελεύθερο» νερό, η θερμοκρασία του θαλάμου πρέπει να διατηρείται κάτω από τη θερμοκρασίατου ευτηκτικού ή/και του υαλώδους σημείου. 48

50 Συνθήκες κρυοξήρανσης. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται η χαρακτηριστική σχηματική διάταξη της κρυοξήρανσης, που περιλαμβάνει τον κύριο θάλαμο, την ψυχόμενη ατμοπαγίδα με την ψυκτική μονάδα και την αντλία κενού. Ψυχόμενος Θάλαμος. Ο ψυχόμενος θάλαμος πρέπει να είναι αεροστεγής, να διαθέτει κατάλληλο άνοιγμα για την εύκολη πρόσβαση στο εσωτερικό του και στο υλικό, και να αντέχει στην εξωτερική ατμοσφαιρική πίεση (101.3 kpa = 1 atm). Συμπυκνωτής. Ο ψυχόμενος συμπυκνωτής πρέπει αφενός να βρίσκεται σε κατάλληλη θέση, ώστε να διέρχονται από αυτόν οι υδρατμοί, και αφετέρου να έχει τη δυνατότητα «απόψυξης», ώστε να απομακρύνεται ο σχηματιζόμενος πάγος, ενδεχομένως χωρίς διακοπή της διεργασίας. Στις συσκευές μικρής κλίμακας οι θάλαμοι είναι ξεχωριστοί και προσαρτώνται στον ψυκτικό θάλαμο με ειδικές βαλβίδες, που επιτρέπουν την απομόνωση των θαλάμων, έτσι ώστε να είναι δυνατή η απομάκρυνση του σχηματιζόμενου πάγου, χωρίς να διακόπτεται το κενό στους θαλάμους. Αντληση ατμών. Η απομάκρυνση των υδρατμών από τον χώρο της κρυοξήρανσης επιταχύνει τον ρυθμό της διεργασίας. Η απομάκρυνση αυτή επιτυγχάνεται με μια αντλία κενού. Η αντλία κενού πρέπει να μπορεί να διατηρεί την πίεση μέσα στον θάλαμο κάτω από τα Pa (= 4 mm Hg). Συνήθως, συνιστάται η πίεση στον θάλαμο να διατηρείται μεταξύ 4 Pa και 40 Pa (0.03 < Ρ < 0.3mm Ηg). Ψυκτικό σύστημα. To ψυκτικό σύστημα συνήθως παρέχει δύο επίπεδα ψύξης (με δύο διαφορετικά κυκλώματα), ένα σε θερμοκρασία κάτω των -5 C (για το υλικό) και το άλλο σε πολύ χαμηλότερη θερμοκρασία (από -40 C έως 60 C) για την 49

51 απομάκρυνση των υδρατμών. Σημειώνεται επίσης ότι στην αρχή της διεργασίας πολλά υλικά έχουν την τάση να σχηματίσουν αφρό ή ακόμα και να βράσουν. Γι αυτόν τον λόγο είναι προτιμότερο να προψύχεται το υλικό, πριν τοποθετηθεί στον θάλαμο της συσκευής κρυοξήρανσης. Θέρμανση. Για να εξαχνωθεί μια ποσότητα νερού, πρέπει να απορροφήσει ορισμένη ενέργεια, που αντιστοιχεί στη λανθάνουσα θερμότητα εξάχνωσης. Για μικρές ποσότητες υλικού, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η απαιτούμενη ενέργεια παραλαμβάνεται είτε από το ίδιο το υλικό, το οποίο έτσι ψύχεται, είτε από το περιβάλλον μέσα από τα τοιχώματα της συσκευής. Για μεγάλες ποσότητες υλικού είναι αναγκαία η θέρμανσή του με άλλα μέσα, αλλιώς μειώνεται σταδιακά ο ρυθμός της κρυοξήρανσης. Συνήθως, η παροχή της απαιτούμενης ενέργειας εξασφαλίζεται με θέρμανση του χώρου με ηλεκτρικές αντιστάσεις, που είναι συχνά ενσωματωμένες στα ράφια. Τα περισσότερα δοχεία, μέσα στα οποία τοποθετείται το υλικό μέσα στον θάλαμο, είναι γυάλινα, κι επειδή το γυαλί έχει χαμηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, η θέρμανση του υλικού και η εξάχνωση προχωρούν αργά. Για να επιταχυνθεί η διαδικασία, σε ορισμένες συσκευές κυκλοφορεί εσωτερικά θερμό αδρανές αέριο (π.χ. άζωτο), με αποτέλεσμα να αυξηθεί ο ρυθμός μετάδοσης θερμότητας και συνεπώς και της διεργασίας. Σημειώνεται ότι σε τέτοια περίπτωση πρέπει να ελέγχεται η πίεση μέσα στον θάλαμο, ώστε να παραμένει κάτω από την τάση ατμών του πάγου. Eπομένως για την πραγματοποίηση της ξήρανσης με κατάψυξη απαιτούνται τα ακόλουθα: 1. Tα προϊόντα να είναι αρχικά κατεψυγμένα κατά προτίμηση σε θερμοκρασία μικρότερη των 40 o C για επίτευξη καλής ποιότητας αποξηραμένων προϊόντων. 2. Να υπάρχει υψηλό κενό, δηλαδή πίεση χαμηλότερη τουλάχιστον από την πίεση του τριπλού σημείου (4,58 mm Hg) και συνήθως < 0,2-0,5 mm Hg. Το κενό δημιουργείται καταρχήν με αντλία κενού. 3. Να παρέχεται μεγάλο ποσό ενέργειας για την πραγματοποίηση της εξάχνωσης. Η ενέργεια αυτή είναι εύκολο να παρασχεθεί ακόμη και από το 50

52 περιβάλλον γιατί υπάρχει μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ περιβάλλοντος (πχ 20 o C) και προϊόντος στον ξηραντήρα (-40 o C). Η θέρμανση γίνεται με αγωγή μέσω θερμαινόμενων πλακών. 4. Λόγω της εξάχνωσης του πάγου δημιουργούνται πολύ μεγάλες ποσότητες υδρατμών που πρέπει να αφαιρεθούν πριν εισέλθουν στην αντλία κενού. 5. Για την καλύτερη μεταφορά της θερμότητας στο παγωμένο προς ξήρανση προϊόν θα πρέπει το προϊόν να είναι αρκετά λεπτό ή σε μεγάλη διασπορά ή να έχει μικρό πάχος, γεγονός που κάνει τη μέθοδο αυτή αρκετά αναποτελεσματική για ξήρανση μεγάλων ποσοτήτων (Καραθάνος, 2006). Διαφορές λυοφυλίωσης με ξήρανσης με αέρα Οι βασικές διαφορές της λυοφιλίωσης και της συνηθισμένης ξήρανσης με θερμό αέρα, είναι οι εξής: 1. Επιτυχής ξήρανση για τα περισσότερα τρόφιμα, αλλά πρακτικά εφαρμόσιμη γι αυτά που είναι δύσκολο να αποξηρανθούν με άλλες μεθόδους 2. Επιτυχής ξήρανση για μαγειρεμένα και ωμά κρέατα 3. Οι θερμοκρασίες είναι κάτω από το σημείο πήξης του νερού 4. Η ξήρανση γίνεται σε ελαττωμένη πίεση ( Pa) 5. Εξάχνωση του νερού από το στρώμα του πάγου 6. Ελάχιστη μεταφορά διαλυτών ουσιών 7. Ελάχιστες δομικές βλάβες ή συρρίκνωση 8. Γρήγορη και πλήρης αποκατάσταση μετά από ενυδάτωση 9. Τα πορώδη αποξηραμένα σωματίδια έχουν πολύ χαμηλότερη πυκνότητα από το αρχικό τρόφιμο 10. Η γεύση και η οσμή είναι συνήθως αναλλοίωτες 11. Το χρώμα είναι συνήθως κανονικό 12. Τα θρεπτικά στοιχεία διατηρούνται σε μεγάλο βαθμό 13. Το κόστος είναι γενικά υψηλό, ως και 4 φορές μεγαλύτερο από τη συνηθισμένη ξήρανση (Fellows, 2000). 51

53 1.5 Μέθοδοι Εκχύλισης Πολυφαινολών από Διαθέσιμους Φυτικούς Φορείς. Οι κυριότερες μέθοδοι παραλαβής των αιθέριων ελαίων από τους φυτικούς ιστούς είναι: I. Εκχύλιση με τη χρήση οργανικού πτητικού διαλύτη όπως για παράδειγμα αιθανόλη 80% (0.1% HCl) η οποίας η οποία χρησιμοποιείται για την εκχύλιση της σκόνης που προέρχεται από την ξήρανση του φυτικού ιστού με τη βοήθεια υγρού αζώτου. Για τον ίδιο σκοπό μπορεί να χρησιμοποιηθεί και οξικός αιθυλεστέρας υπό βρασμό και πίεση. II. Υδροαπόσταξη με συσκευή τύπου Clevenger. Κατά την υδροαπόσταξη το φυτικό μέρος (νωπό, κατεψυγμένο ή ξηρό) μεταφέρεται σε δοχείο που πληρώνεται με νερό και τοποθετείται σε θερμαινόμενη εστία. Οι υδρατμοί που παράγονται συμπυκνώνονται και συλλέγονται σε ένα δοχείο στο οποίο διακρίνονται δυο φάσεις (ανώτερη= καθαρό αιθέριο έλαιο και κατώτερη= μείγμα αιθερίου ελαίου νερού). Η υδροαπόσταξη είναι η μέθοδος που χρησιμοποιείται κυρίως σε βιομηχανική κλίμακα, λόγω του χαμηλού κόστους, της εύκολης μεταφοράς, της απλότητας και της δυνατότητας απόσταξης ολόκληρων τμημάτων φυτικού ιστού η οποία με άλλη μέθοδο θα ήταν αδύνατη. Κύρια μειονεκτήματα της είναι ο μεγαλύτερος χρόνος, η μικρή απόδοση σε αιθέριο έλαιο και τέλος η κακή ποιότητα του αιθέριου ελαίου λόγω της αποσύνθεσης που λαμβάνει χώρα κατά την θέρμανση. III. Απόσταξη με υδρατμούς του νωπού φυτικού υλικού. Τα πλεονεκτήματα της είναι η παραλαβή καλής ποιότητας αιθέριου ελαίου, η ικανότητα απόσταξης μεγάλων ποσοτήτων από όλα σχεδόν τα αρωματικά φυτά, εκτός από τα άνθη και τα κονιοποιημένα υλικά. IV. Εκχύλιση με υπερκρίσιμα ρευστά ( Supercritical Fluid Extraction,SFE) Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή το διοξείδιο του άνθρακα (κατάλληλο για τρόφιμα) βρίσκεται στον κύλινδρο ο οποίος τροφοδοτεί τη συσκευή, περνώντας από το σύστημα ψύξης για να αποκτήσει την απαιτούμενη θερμοκρασία. Το διοξείδιο του άνθρακα συμπιέζεται με τη βοήθεια μιας 52

54 εμβολοφόρου αντλίας υψηλής πίεσης (σε προεπιλεγμένη πίεση 68, 102, ή 306 atm) και διοχετεύεται σε έναν κλίβανο, έτσι ώστε να αποκτήσει τη θερμοκρασία των 5, 27, ή 40 C και να ρεύσει μέσω ενός κάθετα τοποθετημένου εξολκέα. Ένας υδροθάλαμος βοηθά στη διατήρηση της καθορισμένης θερμοκρασίας, ενώ το CO2 περνώντας μέσα από τον εξολκέα που περιέχει το δείγμα παρασύρει το αιθέριο έλαιο και το κατευθύνει σε ειδική στήλη όπου εξατμίζεται το CO2 με αποτέλεσμα το αιθέριο έλαιο να παραμένει και να συλλέγεται. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου αυτής είναι, η μικρή της διάρκεια (1-2 ώρες), η ευελιξία της και η αποτελεσματικότητα αφού ρυθμίζοντας τις τιμές της πίεσης και της θερμοκρασίας του CO2 μπορεί να αυξηθεί η απόδοση. Το υπερκρίσιμο υγρό απομακρύνεται εύκολα από την εκχυλιζόμενη ουσία ως αέριο σε ΚΣ, ενώ οι χρησιμοποιούμενοι διαλύτες είναι μη τοξικοί, αδρανείς και φιλικοί προς το περιβάλλον. Μειονεκτήματα αποτελούν το κόστος της συσκευής και το εξειδικευμένο προσωπικό που απαιτείται για τη χρήση της. Εκχύλιση με υπερκρίσιμα ρευστά. V. Μικροεκχύλιση στερεάς φάσης (SPME). Χαρακτηριστικές ίνες της SPME που χρησιμοποιούνται για την παραλαβή των αιθερίων ελαίων είναι (i) polydimethylsiloxane (100μm,PDMS), polydimethylsiloxane/divinylbenzene (65μm,PDMS/DVB), (ii) divinylbenzene/carboxentm/polydimethylsiloxane 53

55 (50/30 μm StableFlex, DVB/CAR/PDMS), και (iii) Carbowax/divinylbenzene (65 μm,cw/dvb). Πριν από την ανάλυση εφαρμόζεται ένας ελαφρύς θερμικός καθαρισμός των ινών σε GC (πχ 30 min σε 250οC) και επίσης πραγματοποιείται η ανάλυση ενός μάρτυρα Για τη μέθοδο χρησιμοποιούνται φιαλίδια των 10 ml που καθαρίζονται με τη χρήση υπερήχων και ακετόνης. Στη συνέχεια 1 gr φρέσκου (ή κατεψυγμένου) ή 0,5 gr ξηρού δείγματος τοποθετούνται στα φιαλίδια και αφού προσαρμοστεί το ειδικό κάλυμμα PTFE/silicon septa, θερμαίνονται για 10 min στους 30οC και στη συνέχεια εφαρμόζεται η μέθοδος SPME για 5 min στους 30οC. Για την εκχύλιση πολυφαινολών από μαστιχόδεντρα ακολουθήθηκε η παρακάτω διαδικασία: Σε δοκιμαστικό σωλήνα με βιδωτό πώμα ζυγίζεται ποσότητα ίση με 1g (±10mg) απο το 1 ο δείγμα μαστίχας και προστίθεται μίγμα μεθανόλης-νερού [60:40 (v/v), 6mL]. Ο δοκιμαστικός σωλήνας πωματίζεται κι ακολουθεί ισχυρή ανακίνηση σε συσκευή Vortex για 5min. Το υπερκείμενο παραλαμβάνεται με πιπέτα Pasteur και 41 μεταφέρεται σε δεύτερο δοκιμαστικό σωλήνα. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται άλλες δύο φορές. Το συνολικό εκχύλισμα (18mL) φυγοκεντρείται στις 3000 στροφές για 10min. Το υπερκείμενο παραλαμβάνεται και εξατμίζεται σε ρεύμα αζώτου υπό θερμοκρασία 35 C (υδρόλουτρο). Η διαδικασία επαναλαμβάνεται 15 φορές και το σύνολο των ξηρών υπολειμμάτων από την εκχύλιση των 15g της μαστίχας διαλυτοποιείται σε 3mL μεθανόλης HPLC-grade (5g/mL). Παράλληλα, με την ίδια διαδικασία εκχυλίζονται 30g μαστίχας από το 2 ο δείγμα, όπου όμως το μίγμα διαλυτών εξατμίζεται με τη βοήθεια περιστροφικού εξατμιστήρα. Το συνολικό ξηρό υπόλειμμα επαναδιαλύεται σε 6mL μεθανόλης χρωματογραφικής καθαρότητας (δ/μα 5g/mL). Τέλος, 1g από κάθε δείγμα εκχυλίζεται βάσει της άνωθεν πορείας και το μίγμα διαλυτών σε κάθε περίπτωση εξατμίζεται με ρεύμα αζώτου και αραιώνεται σε τελικό όγκο 1mL μεθανόλης καθαρότητας HPLC (1g/mL) για να ακολουθήσει ο προσδιορισμός του συνολικού φαινολικού περιεχομένου με τις μεθόδους Folin Ciocalteau και DPPH. 54

56 Τα υλικά και αντιδραστήρια που χρησιμοποιείθηκαν για την εκχύλιση πολυφαινολών από μαστιχόδεντρα ήτα τα εξής: Κρύσταλλοι μαστίχας 1 ου δείγματος (διαθέσιμο στο εμπόριο), Κρύσταλλοι μαστίχας 2 ου δείγματος (εσοδείας 2002 που προσφέρθηκε από την Ένωση Μαστιχοπαραγωγών Χίου), απιονισμένο νερό, μεθανόλη αναλυτικής καθαρότητας, μεθανόλη χρωματογραφικής καθαρότητας (HPLC grade). Τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν αναλυτικός ζυγός (OHAUS), ακρίβειας τεσσάρων δεκαδικών ψηφίων, αναδευτήρας Vortex, επιτραπέζια φυγόκεντρος (Hermle 2320), περιστρεφόμενη συσκευή εξάτμισης (rotary evaporator) και υδρόλουτρο. 55

57 1.6 Μέθοδοι Μέτρησης Ολικών Πολυφαινολών σε Βιολογικά Υλικά Προσδιορισμός ολικών φαινολών με τη μέθοδο Folin-Ciocalteau. Για τον προσδιορισμό του ολικού πολυφαινολικού περιεχομένου σε φυσικά προϊόντα, εφαρμόζονται φωτομετρικές τεχνικές όπως οι Folin-Ciocalteau και Prussian Blue που βασίζονται στην «αναγωγική δράση» παρουσία πολυφαινολικών ομάδων (Balentine et al., 1997). Οι μέθοδοι αυτές είναι εξαιρετικά χρήσιμες αφού επιτρέπουν την εκτίμηση του συνόλου των πολυφαινολικών συστατικών ενός φυσικού προϊόντος, συμπεριλαμβανομένων και αυτών που δεν έχουν μέχρι σήμερα ταυτοποιηθεί. Αρχή της μεθόδου. Η μέθοδος βασίζεται σε χρωματομετρική οξειδοαναγωγική αντίδραση με την οποία προσδιορίζεται το συνολικό φαινολικό περιεχόμενο του δείγματος, χωρίς διαχωρισμό μεταξύ μονομερών, διμερών και μεγαλύτερων φαινολικών συστατικών. To αντιδραστήριο FC είναι διάλυμα σύνθετων πολυμερών ιόντων που σχηματίζονται από φωσφο-μολυβδαινικά και φωσφο-βολφραμικά ετεροπολυμερή οξέα. Τα φαινολικά ιόντα οξειδώνονται με ταυτόχρονη αναγωγή των ετεροπολυμερών οξέων (P W O H4 P W O, H2 P Mo O H6 P Mo O ). Το προϊόν είναι σύμπλεγμα μολυβδαινίου-βολφραμίου (Mo-W) χαρακτηριστικής μπλε χρώσης που απορροφά στο ορατό (725nm). Η αλκαλικότητα ρυθμίζεται με κορεσμένο διάλυμα Na CO (35%, w/v) που δεν διαταράσσει τη σταθερότητα του FC 2 3 και του προϊόντος της αντίδρασης αφενός, αφετέρου αποτελεί προϋπόθεση παρουσίας των φαινολικών ιόντων. Για παράδειγμα, σε σωληνάριο φυγοκέντρησης ζυγίζονται 5 g δείγματος και προστήθενται 5 ml εξανίου και 5 ml μίγματος μεθανόλης-νερού (60:40, v/v). Ακολούθεί φυγοκέντρηση στις στροφές ανά λεπτό (rpm) για 10 λεπτά σε φυγόκεντρο. Το πολικό κλάσμα παραλαμβάνεται προσεκτικά από την κάτω στιβάδα του σωληναρίου με τη βοήθεια μικροσιφωνίου. Ποσότητα 0,2 ml από το πολικό κλάσμα αραιώται με νερό εντός ογκομετρικής φιάλης των 10 ml, προσθέτωντας 0,5 ml αντιδραστηρίου Folin-Ciocalteau και, μετά την παρέλευση τριών λεπτών, 1 ml κορεσμένου διαλύματος ανθρακικού νατρίου. 56

58 Το περιεχόμενο της φιάλης συμπληρώνεται με νερό και η φιάλη τοποθετείται σε σκοτεινό χώρο. Μετά από παρέλευση ακριβώς μιας ώρας μετριέται σε φασματόμετρο UV-Vis η απορρόφηση του περιεχομένου της φιάλης στα 725 nm έναντι λευκού δείγματος (Gutfinger, 1981; Tsimidou et al., 1992). Κατασκευάζεται καμπύλη αναφοράς με τη βοήθεια διαλυμάτων καφεϊκού οξέος και τα αποτελέσματα εκφράζοντα συμβατικά σε mg καφεϊκού οξέος/kg ελαίου (caffeic acid equivalents, CAE). Οι τιμές που δίνονται είναι ο μέσος όρος τριών προσδιορισμών. Γίνεται έλεγχος της επαναληψιμότητας της μεθόδου: x ± CV % = 108,8 ± 4,2 % (n=6). Στην περίπτωση του προσδιορισμού πολικών φαινολών στο υπόλειμμα του ηθμού μετά τη διήθηση δηλαδή στα Α.Σ.Σ. ακολουθείται η εξής διαδικασία: Ορισμένη ποσότητα (40 g) διηθήθηκε υπό κενό σε χωνί Βüchner με διηθητικό χαρτί Whatmann grade 1 και μετά το πέρας της διήθησης ο ηθμός πλένεται με πετρελαϊκό αιθέρα για την απομάκρυνση των λιπιδίων και εκχυλίζεται με 5 ml μίγματος μεθανόλης-νερού (60:40, v/v). Έπειτα τηρείται η ίδια διαδικασία όπως παραπάνω Μέθοδος Βιομηχανικής Χρωματογραφίας σε Ρητίνες Ιστορική αναδρομή. Η ανακάλυψη και η εξέλιξη της ιοντικής χρωματογραφίας είναι αποτέλεσμα της ανάπτυξης δύο διαφορετικών τομέων: α) των ιονανταλλακτικών ρητινών και β) της χρωματογραφίας. Η πρώτη αναφορά στη διεθνή βιβλιογραφία όπου συνδυάζεται η τεχνική της χρωματογραφίας με ιονανταλλακτικό μηχανισμό διαχωρισμού έγινε το 1937 από τους T. Taylor και H. Urey, οι οποίοι χρησιμοποίησαν ζεόλιθους ως πληρωτικό υλικό, με σκοπό τον εμπλουτισμό δειγμάτων σε επιλεγμένα ισότοπα στοιχείων. H ανακάλυψη της χρωματογραφίας αποδίδεται στο Ρώσο βοτανολόγο Μ. Tswett, ο οποίος το 1906 δημοσίευσε το διαχωρισμό φυτικών χρωστικών, με κινητή φάση πετρελαϊκό αιθέρα και πολική στερεή φάση, εντός κατακόρυφης υάλινης στήλης, ορίζοντας παράλληλα τη χρωματο-γραφία ως εξής: η χρωματογραφία είναι 57

59 μία μέθοδος, στην οποία τα συστατικά ενός μίγματος διαχωρίζονται σε μία στήλη προσρόφησης, που είναι μέρος ενός συστήματος ροής. Τα επόμενα 25 χρόνια δεν υπάρχουν αναφορές σχετικές με τη χρωματογραφία, μέχρι που οι R. Κuhn, A.Winterstein και Ε. Lederer το 1931 χρησιμοποίησαν οξείδια του πυριτίου, του αργιλίου και του μαγνησίου ως προσροφητικά υλικά για το διαχωρισμό καροτενίων. Το 1941 οι A. Martin και R. Synge στην προσπάθειά τους να διαχωρίσουν αμινοξέα, εισάγουν την ιδέα της υγρής-υγρής χρωματογραφίας, δηλαδή υγρή κινητή φάση σε συνδυασμό με υγρή στατική φάση επί στερεού υποστρώματος, η οποία βασίζεται στο μηχανισμό της κατανομής και παράλληλα εισάγουν την έννοια των θεωρητικών πλακών. Η θεωρία των θεωρητικών πλακών οδηγεί το Van Deemter το 1956 στην περιγραφή των θερμοδυναμικών και κινητικών διαδικασιών κατά τη διάρκεια ενός χρωματογραφικού διαχωρισμού και στην εξαγωγή εξισώσεων που σχετίζουν την ταχύτητα ροής της κινητής φάσης με τον αριθμό των θεωρητικών πλακών. Το 1952 οι A. Martin και R. Synge τιμούνται με το βραβείο Nobel, την ίδια χρονιά που οι A. Martin και A. James δημοσιεύουν την πρώτη εργασία στην οποία χρησιμοποιείται ως κινητή φάση αέριο και επομένως επινοούν την τεχνική της αερίου χρωματογραφίας. Πέντε χρόνια αργότερα το 1957, ο M. Golay, υπό την εταιρεία Perkin-Elmer Corp., έπειτα από μελέτες καταλήγει στο συμπέρασμα ότι οι διαχωρισμοί της αερίου χρωματογραφίας βελτιώνονται σημαντικά με τη χρήση στηλών μεγάλου μήκους (90 έως 180 m) και μικρής εσωτερικής διαμέτρου (0,25 mm) και έτσι εισάγονται στο εμπόριο οι τριχοειδείς στήλες αερίου χρωματογραφίας.. Το 1959 οι P. Flodin και J. Porath εισάγουν την τεχνική της χρωματογραφίας αποκλεισμού κατά μέγεθος, χρησιμοποιώντας ως υλικό πλήρωσης στηλών διακλαδισμένους πολυσακχαρίτες. Στις αρχές της δεκαετίας του 1960, άρχισε μία προσπάθεια βελτίωσης των διαχωρισμών της υγρής χρωματογραφίας, η οποία στην εξέλιξή της οδήγησε στη διαμόρφωση της χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης, όπως είναι γνωστή σήμερα. Ο J. Giddings, πρώτος μεταξύ άλλων, αναγνώρισε την ανάγκη κατασκευής πληρωτικών 58

60 υλικών μικρών σωματιδίων, τα οποία να είναι ανθεκτικά στη χημική διάβρωση και στις υψηλές πιέσεις. Η σημαντικότερη εξέλιξη προς αυτήν την κατεύθυνση έγινε από τον J. Kirkland, ο οποίος το 1969 δημοσίευσε την κατασκευή πληρωτικού υλικού από σφαιρίδια μεμβράνης, τα οποία αποτελούνται από στερεό πυρήνα μεγέθους μm επικαλυμμένο με υγρή στιβάδα πάχους 2μm (pellicular particles) και το 1973 την κατασκευή πληρωτικού υλικού από πορώδη σωματίδια οξειδίου του πυριτίου, διαμέτρου 10 μm, χημικώς τροποποιημένα με αντιδράσεις σιλανισμού. Από τη δεκαετία του 1970 και έπειτα υπήρξε μία συνεχής βελτίωση των συστημάτων υγρής χρωματογραφίας, κυρίως σε τρεις τομείς: α) οι στήλες έγιναν περισσότερο ανθεκτικές στη χημική διάβρωση και στις υψηλές πιέσεις και απέκτησαν μικρότερες διαστάσεις και μικρότερο μέγεθος σωματιδίων, β) οι αντλίες απέκτησαν καλύτερη ακρίβεια στη ροή της κινητής φάσης και γ) οι ανιχνευτές απέκτησαν μεγαλύτερη ακρίβεια και ευαισθησία. Αποτέλεσμα των παραπάνω εξελίξεων είναι η βελτίωση των διαχωρισμών (οξύτερες κορυφές, αύξηση θεωρητικών πλακών κ.τ.λ.), με συνέπεια η υγρή χρωματογραφία να αποκαλείται πλέον χρωματογραφία υψηλής απόδοσης. Η ιστορία των συνθετικών ιονανταλλακτικών ρητινών ξεκινά το 1935, όταν οι Β. Adams και E. L. Holmes παρασκεύασαν την πρώτη συνθετική ιονανταλλακτική ρητίνη, η οποία ήταν ένα συμπολυμερές φαινολών, φαινυλοδιαμινών και φορμαλδεΰδης και η οποία εμφάνιζε σημαντικά μεγαλύτερη χημική σταθερότητα έναντι των φυσικών ιονανταλλακτικών υλικών, όπως είναι οι ζεόλιθοι.το επόμενο σημαντικό βήμα έγινε το 1944, όταν ο D Alelio κατοχύρωσε πατέντα που αφορούσε τον τρόπο χημικής τροποποίησης ρητινών πολυστυρενίου για την εισαγωγή δραστικών ιονανταλλακτικών θειικών ομάδων. Το 1947, οι S. Mayer και E. Tompkins δημοσιεύουν στο J.Am. Chem. Soc. τη φυσικοχημική θεμελίωση του μηχανισμού της ιονανταλλαγής, ως διαδικασία διαχωρισμού ιόντων εντός χρωματογραφικής στήλης. Ένα χρόνο αργότερα, οι S. Moore και S.Stein δημοσιεύουν το διαχωρισμό και ποσοτικό προσδιορισμό των αμινοξέων με την τεχνική της υγρής χρωματογραφίας με μηχανισμό ιονανταλλαγής και φωτομετρική ανίχνευση, με βάση το έγχρωμο προϊόν της αντίδρασης των αμινοξέων, μετά τη στήλη, με νινυδρίνη. Για την εργασία αυτή τιμήθηκαν το 1972 με το βραβείο Nobel. 59

61 Στο τέλος του 1971, η Dow Chemical Company ξεκινά έρευνα σχετικά με: α) την κατασκευή αγωγιμομετρικού ανιχνευτή, ως γενικού ανιχνευτή για τον ποσοτικό προσδιορισμό ανόργανων ιόντων σε συστήματα χρωματογραφίας, β) την ανάπτυξη ρητινών για την από-μάκρυνση των ιόντων των εκλουστικών υγρών, χωρίς την απομάκρυνση των προς προσδιορισμό ιόντων ή την αρνητική επίδραση στο χρωματογραφικό διαχωρισμό και γ) την κατασκευή πληρωμένων στηλών χρωματογραφίας με πληρωτικό υλικό ιονανταλλακτικές ρητίνες. Η έρευνα κατέληξε στη δημοσίευση το 1975 από τους H. Small, T.S. Stevens και W. C. Bauman του πρώτου ποσοτικού προσδιορισμού ιόντων με την τεχνική της ιοντικής χρωματογραφίας και στην εμπορική διάθεση το ίδιο έτος του πρώτου ιοντικού χρωματογράφου (Model 10 IC) από την εταιρεία Dionex Corporation. To 1979 οι D. T. Gjerde, J. S. Fritz και G. Schmuckler χρησιμοποιώντας στήλες μικρής χωρητικότητας, δημοσιεύουν τον πρώτο προσδιορισμό ιόντων με αγωγιμομετρική ανίχνευση χωρίς την καταστολή της αγωγιμότητας υποβάθρου, εισάγοντας την τεχνική της μη καταστελλόμενης ιοντικής χρωματογραφίας (nonsuppressed ion chromatography), η οποία έγινε αρχικώς εμπορικά διαθέσιμη από την εταιρεία Wescan Company και στη συνέχεια από τις Shimadzu, Waters, Metrohm κ.α. To 1984, για πρώτη φορά μέθοδος προσδιορισμού βασισμένη στην τεχνική της ιοντικής χρωματογραφίας γίνεται επισήμως αποδεκτή (ASTM προσδιορισμός ανιόντων στο νερό). To 1982 εισάγεται ο καταστολέας κοίλης ινώδους μεμβράνης και το 1985 ο καταστολέας μικρομεμβράνης, ο οποίος, εξαιτίας του μικρότερου πάχους της μεμβράνης (<0,075 mm), είχε αυξημένη ικανότητα καταστολής, επιτρέποντας τη χρήση βαθμιδωτής έκλουσης, πυκνότερων διαλυμάτων έκλουσης και στηλών μεγαλύτερης χωρητικότητας. Σημαντική ώθηση στις δυνατότητες της ιοντικής χρωματογραφίας έδωσε ο συνδυασμός για πρώτη φορά από τον R. Williams το 1983 της ιοντικής χρωματογραφίας με φωτομετρικό ανιχνευτή, αποδεικνύοντας παράλληλα ότι ο προσδιορισμός νιτρικών, βρωμιούχων και νιτρωδών ιόντων είναι πιο ευαίσθητος με φωτομετρικό ανιχνευτή στο υπεριώδες σε σχέση με τον αγωγιμομετρικό ανιχνευτή. Ένα χρόνο πριν, οι H. Small και Τ. Miller εισήγαγαν την 60

62 έννοια της έμμεσης φωτομετρικής ανίχνευσης, δηλαδή τη χρησιμοποίηση εκλουστικών ιόντων που απορροφούν στο υπεριώδες για την έκλουση ιόντων που δεν απορροφούν στο υπεριώδες, με αποτέλεσμα τη λήψη χρωματογραφήματος με αρνητικές κορυφές. Το 1986, χρησιμοποιείται για πρώτη φορά ο παλμικός αμπερομετρικός ανιχνευτής σε εφαρμογή ιοντικής χρωματογραφίας. Το 1990 η εταιρεία Dionex Cor. παρουσιάζει την πρώτη στήλη ιονανταλλακτικής ρητίνης πλήρως συμβατή με οργανικούς διαλύτες, ανοίγοντας το δρόμο για προσδιορισμούς οργανικών οξέων καιαμινών. Την ίδια χρονιά αναφέρεται η πρώτη εφαρμογή ιοντικής χρωματογραφίας με ανιχνευτή φασματομετρίας μαζών. Το 1992 εισάγεται o καταστολέας με ηλεκτρολυτική παραγωγή του υγρού καταστολής, καταργώντας την ανάγκη για συνεχή εξωτερική παροχή του. Η ιοντική χρωματογραφία παραμένει μέχρι σήμερα μία εξελισσόμενη τεχνική, με συνεχείς βελτιώσεις σε τομείς όπως η αύξηση της ανιχνευσιμότητας και της αξιοπιστίας των προσδιορισμών, η μείωση του κόστους και των απαιτούμενων προκατεργασιών και η μείωση του ολικού χρόνου ανάλυσης Αρχή της μεθόδου. Τα συστατικά διαχωρίζονται καθώς διέρχονται από τη στατική φάση της στήλης, με τη βοήθεια της κινητής φάσης που αποτελείται από διαλύτες κατάλληλης πολικότητας για το διαχωρισμό. Από τη σύγκριση του χρόνου έκλουσης με αυτούς προτύπων ουσιών σε όμοιες χρωματογραφικές συνθήκες γίνεται ο προσδιορισμός του κάθε συστατικού. Οι ρητίνες ιονανταλλαγής είναι εν γένει το υλικό επιλογής για την πλήρωση στηλών ιοντικής χρωματογραφίας. Μια ιονανταλλακτική ρητίνη αποτελείται από τρία κυρίως τμήματα: α) ένα μη διαλυτό οργανικό ή ανόργανο υπόστρωμα, β) δραστικές ιονανταλλακτικές ομάδες (functional groups) και γ) αντισταθμιστικά ιόντα αντιθέτου φορτίου προς τις ιονανταλλακτικές ομάδες (counter ions), έτσι ώστε να διατηρείται η ηλεκτρική ουδετερότητα. Οι ρητίνες ιονανταλλαγής πρέπει επίσης να διαθέτουν τα εξής χαρακτηριστικά ποιότητας προκειμένου να είναι κατάλληλες ως υλικό πλήρωσης στηλών ιοντικής χρωματογραφίας: 61

63 α) ταχύτητα ανταλλαγής των ιόντων όσο το δυνατόν μεγαλύτερη, β) χημική σταθερότητα σε ευρεία περιοχή ph, γ) καλή μηχανική αντοχή και αντίσταση σε μεγάλες μεταβολές της οσμωτικής πίεσης και δ) αντίσταση στην αποσύνθεση κατά την πλήρωση και τη ροή της κινητής φάσης. Μια ποικιλία υλικών έχει χρησιμοποιηθεί ως υπόστρωμα ιονανταλλακτικών ρητινών. Το υλικό που κυριαρχεί πλέον στις σύγχρονες στήλες ιοντικής χρωματογραφίας είναι τα οργανικά συμπολυμερή του στυρενίου, ενώ χρησιμοποιείται και η πηκτή διοξειδίου του πυριτίου. Η χημική σταθερότητα είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα των οργανικών πολυμερών σε σχέση με την πηκτή διοξειδίου του πυριτίου, που παρουσιάζει ευαισθησία σε αλκαλικό περιβάλλον Ανάλυση πολυφαινολών με HPLC. Η χρωματογραφική ανάλυση, γνωστή συνήθως ως χρωματογραφία, περιλαμβάνει σειρά τεχνικών φυσικού διαχωρισμού και προσδιορισμού των συστατικών μείγματος ανόργανων ή οργανικών ουσιών. Ο διαχωρισμός επιτυγχάνεται με κατανομή των συστατικών μεταξύ δύο φάσεων, μιας στατικής και μιας κινητής, που βρίσκονται στη χρωματογραφική στήλη, και βασίζεται στις διαφορές που υπάρχουν σε ορισμένες ιδιότητες των συστατικών ενός μείγματος, όπως είναι το σημείο ζέσεως, η πολικότητα, τα ηλεκτρικά φορτία, το μέγεθος των μορίων κ.α. Οι διαφορές αυτές διαφοροποιούν τη σχετική φυσικοχημική συγγένεια κάθε συστατικού προς τις δύο φάσεις της χρωματογραφικής στήλης. Έτσι, η κινητή φάση διερχόμενη μέσα από τη στατική, προκαλεί διαφορετική μετατόπιση επάνω σε αυτήν των συστατικών του μείγματος, τα οποία διαχωρίζονται μεταξύ τους και συνήθως εξέρχονται από τη στήλη σε διαφορετικές χρονικές στιγμές (Κουπάρης & Χατζηιωάννου, 1997). Η Υγρή Χρωματογραφία Υψηλής Απόδοσης, γνωστή ως High Performance Liquid Chromatography (ΗPLC), αποτελεί εξέλιξη της κλασικής χρωματογραφίας στήλης. Αναπτύχθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1970 και η ταχύτατη εδραίωσή της στο χώρο της ενόργανης ανάλυσης βασίστηκε στην ανακάλυψη νέων υλικών πλήρωσης, καθώς και στην ευκολία που παρείχαν οι συνδεδεμένοι σε σειρά ανιχνευτές. Ουσιαστικά αποτελεί εξέλιξη της κλασικής χρωματογραφίας με τη διαφορά ότι χρησιμοποιούνται μικρόκοκκα υλικά πλήρωσης των στηλών, οπότε και 62

64 αναπτύσσονται μεγάλες πιέσεις. Στο τέλος της δεκαετίας αναπτύχτηκε η υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης αντίστροφης φάσης η οποία έλυσε ολοκληρωτικά το πρόβλημα διαχωρισμού παρόμοιων συστατικών. Στη δεκαετία του 1980 εμφανίστηκαν νέες τεχνικές οι οποίες βελτίωσαν το διαχωρισμό, την ανίχνευση, τον ποιοτικό και τον ποσοτικό διαχωρισμό των ενώσεων, ενώ παράλληλα η ανάπτυξη των υπολογιστών διευκόλυνε ουσιαστικά την αυτοματοποίηση της συγκεκριμένης τεχνικής, (Κουπάρης & Χατζηιωάννου, 1997). Η HPLC είναι μια δυναμική διεργασία προσρόφησης (adsorption). Tα προς ανάλυση μόρια, κατά την κίνησή τους μέσω του πορώδους υλικού πλήρωσης της στήλης τείνουν να αλληλεπιδρά-σουν με θέσεις της προσροφητικής επιφάνειας, ενώ ο διαχωρισμός των συστατικών ενός μείγματος βασίζεται στη διαφορετική κατανομή τους ανάμεσα στη στατική και την κινητή φάση. Χρωματογραφία αντίστροφης φάσης Η πιο συνηθισμένη μορφή HPLC στη φαρμακευτική ανάλυση σκευασμάτων είναι η HPLC αντίστροφης φάσης (RP). Στη χρωματογραφία αντίστροφης φάσης η κινητή φάση είναι πιο πολική από τη στατική. Συνήθως η στατική φάση αποτελείται από υδρογονάνθρακες (C8 και C18) χημικά συνδεδεμένους με το υπόστρωμα, ενώ η κινητή φάση αποτελείται από μείγμα οργανικών διαλυτών με νερό (Κουντουρέλης, 1997). Μεταξύ των μορίων του προσδιοριζόμενου συστατικού και της κινητής φάσης αναπτύσσονται ασθενείς μη εκλεκτικές αλληλεπιδράσεις van der Waals. Οι προσδιοριζόμενες ενώσεις διαχωρίζονται με βάση το βαθμό της υδρόφοβης αλληλεπίδρασής τους με τη στατική φάση, και έτσι όσο πιο πολικό είναι κάποιο μόριο τόσο πιο γρήγορα εκλούεται από τη χρωματογραφική στήλη (Παπαδογιάννης & Σαμανίδου, 2001). Η RP-HPLC χρησιμοποιείται σήμερα σε μεγάλη έκταση. Με τη μέθοδο αυτή επιτυγχάνεται γρηγορότερη αποκατάσταση ισορροπίας και χρησιμοποιούνται μικρότερες ποσότητες οργανικών διαλυτών. Η επιλογή των υλικών πλήρωσης της στήλης για την RP-HPLC γίνεται με γνώμονα το είδος του δείγματος που πρόκειται να αναλυθεί, τη διαλυτότητά του σε διάφορες εκλουστικές φάσεις, την εκλεκτικότητα κ.α. Υδατοδιαλυτά δείγματα συνήθως αναλύονται με αντίστροφη φάση C18 ή ODS (octadecylsilane) ενώ ενώσεις οι οποίες είναι λιγότερο πολικές και διαλύονται μόνο σε οργανικούς διαλύτες χωρίζουν και αναλύονται καλύτερα σε λιγότερο υδρόφοβα υλικά (π.χ. υλικά που περιέχουν στην επιφάνειά τους CN) (Παπαδογιάννης, 2004). Τα συνηθέστερα υλικά πλήρωσης στην RP-HPLC έχουν ως βάση την πηκτή του 63

65 διοξειδίου του πυριτίου με ελεύθερες σιλανολικές (-SiOH) και σιλοξανικές ομάδες (- Si-O-Si). Η κατεργασία της πηκτής του διοξειδίου του πυριτίου με οργανοχλωροσιλάνια και οργανο-αλκοξυ-σιλάνια οδηγεί στην εισαγωγή διαφόρων ομάδων, όπως όκτυλο (-C8), δεκαόκτυλο (-C18), φαίνυλο (-Ph), κύανο (-CN) και άλλων αλκυλοάζωτο-ομάδων (R-N+(CH3)). Στη δεσμευμένη πηκτή του SiO2 επιτυγχάνεται μεγαλύτερη προσρόφηση των ενώσεων και συνήθως καλύτερος διαχωρισμός (Braithwaite & Smith, 1996).Μία απλή διάταξη ενός συστήματος HPLC αποτελείται από τα εξής μέρη: 1) τις φιάλες αποθήκευσης των διαλυτών, 2) την αντλία υψηλής πίεσης, 3) το σύστημα εισαγωγής του δείγματος, 82 4) τη χρωματογραφική στήλη, 5) τον ανιχνευτή και 6) τη μονάδα επεξεργασίας και καταγραφής των δεδομένων. Στο ακόλουθο σχήμα δίνεται μια τυπική διάταξη ενός συστήματος HPLC. Σχηματική διάταξη υγρής χρωματογραφίας υψηλής πίεσης. Επιπλέον μπορούν να προστεθούν και άλλα τμήματα, βελτιώνοντας την απόδοση της τεχνικής όπως είναι (Braithwaite & Smith, 1996): Το σύστημα εισαγωγής του δείγματος μπορεί να αποτελείται από βαλβίδα σταθερού όγκου για έγχυση του δείγματος ή από αυτόματο δειγματολήπτη. Η χρωματογραφική στήλη μπορεί να βρίσκεται σε ειδικό θερμοστατούμενο φούρνο, εξασφαλίζοντας μεγαλύτερη επαναληψιμότητα στις μετρήσεις. Στον πρώτο ανιχνευτή μπορεί να συνδεθεί σε σειρά και δεύτερος ανιχνευτής. 64

66 Με τη σύνδεση και δεύτερης χρωματογραφικής στήλης σε σειρά επιτυγχάνεται καλύτερος διαχωρισμός, ενώ με μια προστήλη αμέσως πριν τη χρωματογραφική στήλη αυξάνεται ο χρόνος ζωής της τελευταίας. Χαρακτηριστικά απόδοσης χρωματογραφήματος Ο σκοπός μιας χρωματογραφικής μεθόδου είναι συνήθως ο επιτυχής διαχωρισμός των συστατικών του προς εξέταση δείγματος. Η ικανότητα αυτή μπορεί να αποδοθεί ποσοτικά με τη χρήση συγκεκριμένων χρωματογραφικών παραμέτρων (Κουντουρέλλης, 1997). Χρόνος και συντελεστής κατακράτησης Ο χρόνος κατακράτησης (retention time, tr), είναι το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί από την εισαγωγή του δείγματος στη συσκευή έως το χρόνο κατά τον οποίο καταγράφεται το μέγιστοτης κορυφής (Gunzler, 1996; Currell, 2000). Στο ακόλουθο η πρώτη κορυφή αντιστοιχεί σε συστατικό που δεν αλληλεπιδρά με τη στατική φάση μέσα στη στήλη και για αυτό κινείται με την ταχύτητα της κινητής φάσης (Currell, 2000). Ο χρόνος κατακράτησης του συστατικού που δε συγκρατείται στη στήλη χαρακτηρίζεται ως νεκρός χρόνος (void time, tm). Ο χρόνος που βρίσκεται ένα συστατικό στη στατική φάση δίνεται από τον προσαρμοσμένο χρόνο κατακράτησης: tr-tm. Γραφική απεικόνιση ενός τυπικού χρωματογραφήματος. Ο συντελεστής κατακράτησης (capacity factor, k) εκφράζει την κλασματική καθυστέρηση που οφείλεται στη διαδικασία διαχωρισμού. Αυτή ισούται με το λόγο των χρόνων που βρίσκονται στην στατική και κινητή φάση αντίστοιχα: 65

67 όπου: k: συντελεστής κατακράτησης, tr: χρόνος κατακράτησης (sec), tm: νεκρός χρόνος (sec). Ο συντελεστής κατακράτησης δεν επηρεάζεται από μικρές διακυμάνσεις στις χρωματογραφικές συνθήκες, εξαρτάται όμως άμεσα από τη σύσταση της κινητής φάσης. Μικρές τιμές k δείχνουν ότι οι ενώσεις συγκρατούνται ελάχιστα από τη στήλη και εκλούονται με μικρή διαφορά χρόνων, γεγονός που οδηγεί σε μη ικανοποιητικό διαχωρισμό. Μεγάλες τιμές k βελτιώνουν το χρωματογραφικό διαχωρισμό, αλλά οδηγούν σε μεγάλο χρόνο ανάλυσης και στη λήψη ευρέων κορυφών που ανιχνεύονται δύσκολα. Γενικά θεωρείται ότι η ποιότητα του διαχωρισμού είναι ικανοποιητική όταν 1 < k < 20. Αριθμός θεωρητικών πλακών Η αποτελεσματικότητα της στήλης (column efficiency) είναι το μέτρο της ικανότητάς της να δίνει οξείες κορυφές ανεξάρτητα του χρόνου κατακράτησης. Η ικανότητα αυτή εκφράζεται με τον αριθμό των θεωρητικών πλακών Ν (plate number) (Gunzler, 1996). Με την παράμετρο αυτή συνήθως χαρακτηρίζεται το πάχος μιας χρωματογραφικής κορυφής. Στην καθημερινή πράξη χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της απόδοσης της στήλης και του ομοιόμορφου πακεταρίσματός της για τη μέτρηση του βαθμού φθοράς της και γενικά την καλή λειτουργία της (Κουντουρέλλης, 1997). Η τιμή των θεωρητικών πλακών υπολογίζεται από τη σχέση: όπου: N: αριθμός θεωρητικών πλακών, tr: χρόνος κατακράτησης (sec), WH και WB: εύρος της κορυφής στο μισό ύψος της και στη βάση αντίστοιχα (sec). 66

68 Εξ ορισμού μια θεωρητική πλάκα είναι ο απαιτούμενος όγκος της στήλης μέσα στον οποίο αποκαθίσταται ισορροπία μεταξύ της στατικής και της κινητής φάσης. Παρόλο που στήλες με μεγάλο αριθμό θεωρητικών πλακών δίνουν στενές κορυφές και γενικά καλούς διαχωρισμούς, ενδέχεται να προκαλούν υψηλές πιέσεις στο σύστημα (Κουντουρέλλης, 1997). Σχήμα και συμμετρία κορυφών Το ιδανικό σχήμα μιας χρωματογραφικής κορυφής περιγράφεται από την κανονική καμπύλη Gauss όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα (Gurrel, 2000). Προσέγγιση χρωματογραφικής κορφής με καμπύλη Gauss.85 Συχνά οι κορυφές παρουσιάζουν μια μορφή ουράς. Η ασυμμετρία μιας κορυφής μπορεί να καθοριστεί βάσει της αναλογία του μισού πλάτους της κορυφής από τον παράγοντα ουράς (tailing factor-t) ο οποίος υπολογίζεται από το 5% του ύψους της κορυφής ή/και τον παράγοντα ασυμμετρίας (asymmetry factors As) ο οποίος υπολογίζεται από το 10% του ύψους κορυφής. Συνήθως οι κορυφές που εκλούονται αργότερα από τη στήλη έχουν μεγαλύτερη ουρά, με αποτέλεσμα το ύψος να είναι μικρότερο και συνεπώς τα όρια ανίχνευσης αυτών των κορυφών να είναι υψηλότερα (Braithwaite & Smith, 1996). Οι τιμές του παράγοντας ασυμμετρίας, για ιδανικές κορυφές, είναι από 0,9 μέχρι 1,2. Μεγάλες τιμές έχουν ως αποτέλεσμα να παρουσιάζονται ατελή χρωματογραφήματα. Για αντίστροφες στατικές φάσεις η παρουσία κορυφών με ουρά σημαίνει ότι ο αριθμός των OH ομάδων που δεν έχουν αντιδράσει με την υγρή στατική φάση είναι υπερβολικά μεγάλος (Κουντουρέλλης, 1997) 67

69 Συνάρτηση βελτιστοποίησης χρωματογραφήματος Η συνάρτηση βελτιστοποίηση χρωματογραφήματος (chromatographic optimization function, COF) αποτελεί μια συμπυκνωμένη μαθηματική σχέση για την αξιολόγηση της ποιότητας του χρωματογραφήματος (Glajch et al., 1980). Η COF έχει την ικανότητα να μειώνει τα δεδομένα αξιολόγησης από ένα μεμονωμένο χρωματογράφημα σε έναν μόνον αριθμό: όπου: COF: εξίσωση βελτιστοποίησης χρωματογραφήματος, A και Β: συντελεστές βαρύτητας των υπό μελέτη παραμέτρων, Rsi και Rsid: διαχωριστική ικανότητα του ζεύγους κορυφών i, και η επιθυμητή διαχωριστική ικανότητα (συνήθως ίση με 1,5), αντίστοιχα, tm και tl: επιθυμητός χρόνος κατακράτησης της τελευταίας κορυφής και πραγματικός χρόνος, αντίστοιχα (sec). Ένας καλός διαχωρισμός (Rs > 1,5) με μικρό χρόνο κατακράτησης για την τελευταία κορυφή του χρωματογραφήματος (επιθυμητό αποτέλεσμα) δίνει μεγάλες τιμές COF. Αντίθετα, μεγάλη σε χρόνο ανάλυση με κακό διαχωρισμό θα δώσει μικρές τιμές (ενδεχομένως και αρνητικές). Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι η COF μπορεί να εφαρμοστεί μόνο στις περιπτώσεις εκείνες όπου η σχετική σειρά έκλουσης παραμένει σταθερή ανεξάρτητα από τις μεταβολές των συνθηκών διεξαγωγής (Glajch et al., 1980). Βελτιστοποίηση αναλυτικής μεθόδου Η ευρεία τεχνολογική πρόοδος η οποία σημειώνεται την τελευταία δεκαετία σε όλους τους τομείς της επιστήμης καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη νέων, σύγχρονων μεθοδολογιών σε κάθε επιστημονικό πεδίο. Ειδικότερα όσον αφορά τη χρωματογραφία, η ανάγκη ανάπτυξης νέων χρωματογραφικών μεθόδων ενδέχεται να είναι αποτέλεσμα διαφόρων παραγόντων, οι βασικότεροι από τους οποίους είναι οι παρακάτω (Χατζημιχαλάκης, 2004): 68

70 1. Ανυπαρξία κατάλληλης μεθόδου για τη συγκεκριμένη ένωση σε εξειδικευμένο υπόστρωμα δείγματος. 2. Εμφάνιση καινούργιας εξελιγμένης οργανολογίας, η χρήση της οποίας ενδέχεται να οδηγήσει σε βελτίωση των ήδη υπαρχουσών μεθόδων. 3.Ανάγκη ανάπτυξης εναλλακτικών μεθόδων για επιβεβαίωση αποτελεσμάτων από μεθόδους οι οποίες ήδη υπάρχουν για νομικούς ή επιστημονικούς σκοπούς. 4. Ανάγκη βελτιστοποίησης ήδη υπαρχουσών μεθόδων σε τομείς όπως : _ Αξιοπιστία (ακρίβεια και επαναληψιμότητα). _ Κόστος. _ Χρονική διάρκεια. _ Ευαισθησία (ως προς τη συγκεκριμένη ένωση). _ Εκλεκτικότητα. _ Προβλήματα επιμόλυνσης. Σε γενικές γραμμές τα κύρια στοιχεία τα οποία πρέπει να χαρακτηρίζουν μια νέα αναλυτική μέθοδο διαχωρισμού είναι: 1) η ταυτοποίηση των προσδιοριζόμενων ενώσεων, 2) ο ποσοτικός προσδιορισμός των ενώσεων σε χαμηλές συγκεντρώσεις, με ικανοποιητική ακρίβεια και επαναληψιμότητα, 3) η απλότητα στη χρήση, 4) το μειωμένο κόστος ανάλυσης, 5) η δυνατότητα αυτοματοποίησης σε συνδυασμό με δυνατότητα ταυτόχρονης επεξεργασίας υψηλού αριθμού δειγμάτων, 6) ο μικρός χρόνος προκατεργασίας δείγματος και 7) η άμεση αποθήκευση των αποτελεσμάτων σε ηλεκτρονική μορφή Η σωστή ανάπτυξη μιας νέας αναλυτικής μεθόδου διαχωρισμού περιλαμβάνει τα εξής στάδια (Χατζημιχαλάκης, 2004): I. Σωστή οργάνωση και τήρηση αρχείων: Το στάδιο αυτό περιλαμβάνει τη συλλογή πληροφοριών για τις ιδιότητες των προσδιοριζόμενων ουσιών. II. Καθορισμός απαιτήσεων: Το στάδιο αυτό περιλαμβάνει τον προκαθορισμό των απαιτήσεων όσον αφορά συγκεκριμένες παραμέτρους. Οι παράμετροι οι οποίες λαμβάνονται υπόψη είναι: όρια ανίχνευσης, εκλεκτικότητα, γραμμικότητα, εύρος γραμμικής περιοχής, ακρίβεια, επαναληψιμότητα, χρόνος ανάλυσης, κόστος ανάλυσης, βαθμός δυσκολίας, αριθμός δειγμάτων που δύνανται να επεξεργαστούν και περιορισμοί στη λειτουργία οργάνων. 69

71 III. Βιβλιογραφική επισκόπηση: Στο στάδιο αυτό επιβάλλεται η συνολική ενημέρωση όσον αφορά τις ήδη υπάρχουσες μεθόδους στο συγκεκριμένο πεδίο, καθώς και τις ενώσεις τις οποίες επιδιώκεται ο προσδιορισμός. IV. Επιλογή μεθόδου - Στήσιμο διάταξης και αρχικές δοκιμές: Η ανάλυση συνήθως ξεκινάει με συνθήκες οι οποίες έχουν ήδη περιγραφεί στη βιβλιογραφία. V. Βελτιστοποίηση: Κρίνοντας από τα πρώτα αποτελέσματα, στο στάδιο αυτό προσαρμόζονται οι διάφοροι παράμετροι. VI. Επίδειξη λειτουργίας με πρότυπα διαλύματα - Αξιολόγηση με πραγματικά δείγματα: Στο στάδιο αυτό επιβεβαιώνεται η μεθοδολογία η οποία έχει αναπτυχθεί, χρησιμοποιώντας πρότυπα δείγματα. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνονται και αξιολογούνται με χρήση πραγματικών δειγμάτων. Ανάπτυξη χρωματογραφικής μεθόδου Κατά την ανάπτυξη μιας χρωματογραφικής μεθόδου ανάλυσης είναι αναγκαίο να προσδιοριστούν οι βέλτιστες συνθήκες διαχωρισμού σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα. Μία πρώτη κατάταξη των βασικών παραμέτρων διαχωρισμού μπορεί να γίνει βάσει των χαρακτηριστικών ιδιοτήτων των προς ανάλυση ουσιών, (όπως είναι το Μοριακό Βάρος (ΜΒ), η διαλυτότητα κ.α.). Στον ακόλουθο πίνακα δίνεται η επιλογή των συνθηκών για την ανάλυση συστατικών με ΜΒ μικρότερο από 2000 (Παπαδογιάννης, 2004). Επιλογή συνθηκών για ανάλυση με υγρή χρωματογραφία υψηλής πίεσης. 70

72 Σε μία μελέτη ανάλυσης με HPLC ο προσδιορισμός του είδους της ανάλυσης (π.χ. αντίστροφης ή κανονικής φάσης) και της κινητής φάσης (π.χ. νερό ή μείγμα αλκοόλης-νερού) αποτελούν μόνο το πρώτο βήμα για τη βελτιστοποίηση του συστήματος. Η επιλογή του είδους της στήλης που θα χρησιμοποιηθεί, η ταχύτητα ροής της κινητής φάσης, ο συνολικός χρόνος ανάλυσης, η θερμοκρασία της στήλης, η επιλογή του κατάλληλου οργανικού διαλύτη και οι αναλογίες των επιμέρους συστατικών στο μείγμα (εάν υπάρχει) της κινητής φάσης είναι ορισμένες από τις παραμέτρους βελτιστοποίησης που πρέπει να ληφθούν υπόψη. Συνεπώς, γίνεται αντιληπτό πως η ανάπτυξη μιας μεθόδου ανάλυσης με HPLC αποτελεί ένα πολυπαραγοντικό πρόβλημα βελτιστοποίησης. Μέχρι σήμερα έχουν γίνει σημαντικές προσπάθειες για την εύρεση συστηματικών μεθόδων προσδιορισμού των βέλτιστων συνθηκών ανάλυσης. Μία από αυτές, ίσως και η πιο διαδεδομένη για τον προσδιορισμό του είδους και της σύστασης της κινητής φάσης, αποτελεί το ισοσκελές τρίγωνο του Snyder (Snyder et al., 1993). Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, η βέλτιστη κινητή φάση προσδιορίζεται βάσει της εκλεκτικότητας των διαλυτών που την αποτελούν. Παρά τα σημαντικά τους πλεονεκτήματα, μέθοδοι όπως η προηγούμενη εξακολουθούν να μην είναι σε θέση να αντιμε-τωπίσουν την ανάπτυξη μιας HPLC μεθόδου ως ένα καθολικό πρόβλημα βελτιστοποίησης. Για τον λόγο αυτό το ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια στρέφεται προς τη στατιστική. Συστηματικές μέθοδοι βελτιστοποίησης χρωματογραφήματος Η συνηθισμένη τακτική για τον προσδιορισμό των βέλτιστων συνθηκών διαχωρισμού περιλαμβάνει τη διερεύνηση σε διάφορα επίπεδα της βέλτιστης τιμής ενός παράγοντα τη φορά (μέθοδος OFAT). Αυτού του είδους οι τεχνικές απαιτούν πολύ χρόνο και μεγάλο αριθμό πειραμάτων (μέχρι και 50 ή 100) χωρίς να διασφαλίζουν ότι η τελική επιλογή είναι και η βέλτιστη. Η εναλλακτική λύση επίλυσης των παραπάνω προβλημάτων, οι συστηματικές μέθοδοι βελτιστοποίησης (π.χ. στατιστικός πειραματικός σχεδιασμός) αποτελούν ένα εργαλείο για την εύρεση της βέλτιστης τιμής μιας συγκεκριμένης απόκρισης (ή αποκρίσεων) ή του καλύτερου δυνατού συμβιβασμού μεταξύ των πλησιέστερα στις βέλτιστες αποδεκτές τιμές συνδυασμών των εξεταζόμενων παραμέτρων. Σε αυτές τις μεθόδους, η πορεία για την εύρεση της βέλτιστης λύσης, περιλαμβάνει την ταυτόχρονη εναλλαγή όλων των επιλεγμένων προς βελτιστοποίηση παραγόντων σύμφωνα με ένα προκαθορισμένο πειραματικό σχέδιο. Τα βήματα που πρέπει να ακολουθήσει κανείς όταν χρησιμοποιεί μια 71

73 συστηματική μέθοδο βελτιστοποίησης σε διαχωρισμούς με HPLC είναι τα εξής (Siouffi & Phan-Tan-Luu, 2000): 1. Καθορισμός του προβλήματος: Ο αναλυτής πρέπει να ξεκαθαρίσει το πρόβλημα που αντιμετωπίζει. Πρέπει να ελέγξει αν πιο απλές τεχνικές ανάλυσης μπορούν να αποδώσουν στον ίδιο βαθμό με την επιλεγμένη. Στη συνέχεια, πρέπει να προσδιορίσει το είδος της χρωματογραφίας (κανονική ή αντίστροφη φάση), το είδος του ανιχνευτή κ.α. 2. Επιλογή των παραγόντων βελτιστοποίησης: Η επιλογή των παραγόντων βελτιστοποίησης γίνεται σύμφωνα με την ιδιαιτερότητα της κάθε ανάλυσης. Συνήθως σε ένα διαχωρισμό με HPLC περιλαμβάνονται παράγοντες όπως το είδος και η σύσταση της κινητής φάσης, ο ρυθμός ροής της κινητής φάσης, το ph της κινητής φάσης, το είδος της χρωματογραφικής στήλης και η θερμοκρασία λειτουργίας. 3. Επιλογή των επιπέδων εξέτασης: Αφού καθοριστούν οι παράγοντες βελτιστοποίησης, ορίζονται τα επίπεδα εξέτασής τους. Συνήθως αυτά καθορίζονται από προκαταρτικά πειράματα μέσω των οποίων ελέγχονται οι τυχόν αλλαγές στην ποιότητα του χρωματογραφήματος όπως για παράδειγμα η αλλαγή θέσης των κορυφών έκλουσης. 4. Επιλογή των αποκρίσεων: Η επιλογή των κατάλληλων αποκρίσεων πρέπει να γίνεται σύμφωνα με τα επιθυμητά κριτήρια αξιολόγησης της ποιότητας της ανάλυσης. Αυτή η επιλογή δεν είναι απλή και εξαρτάται πάντοτε από το είδος των ουσιών που αναλύονται. Χαρακτη-ριστικές αποκρίσεις σε αναλύσεις με HPLC αποτελούν η διαχωριστική ικανότητα (Rs), ο συνολικός χρόνος έκλουσης, η ασυμμετρία των κορυφών κ.α. 5. Επιλογή του κατάλληλου τύπου πειραματικού σχεδιασμού: Ο τύπος του σχεδιασμού που επιλέγεται εξαρτάται από τον αριθμό των παραγόντων βελτιστοποίησης. Συνήθως παραγοντικοί σχεδιασμοί (πλήρεις ή κλασματικοί) χρησιμοποιούνται για την εύρεση των σημαντικών παραγόντων διαχωρισμού, ενώ σχεδιασμοί επιφανειών απόκρισης (response surface designs) όπως ο κεντρικός σύνθετος σχεδιασμός (CCD) ή ο Plackett-Burman επιλέγονται για την εύρεση των βέλτιστων λύσεων. 6. Αξιολόγηση των αποτελεσμάτων του σχεδιασμού: Τα αποτελέσματα μετά τη διεξαγωγή των πειραμάτων (δηλαδή οι μετρούμενες αποκρίσεις) επεξεργάζονται 72

74 με διάφορους τρόπους (στατιστική, νευρωνικά δίκτυα κ.α.) και αξιολογούνται οι κύριες επιδράσεις και οι αλληλεπιδράσεις των παραγόντων. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα προσδιορίζεται η βέλτιστη λύση με τη βοήθεια μαθηματικών (π.χ. συνάρτηση επιθυμίας, ελαχιστοποίηση της Ευκλείδειας απόστασης, γενετικοί αλγόριθμοι κ.α.) ή γραφικών (π.χ. ισομετρικά διαγράμματα) μεθόδων. Γενικά η αξιολόγηση μιας αναλυτικής μεθόδου περιλαμβάνει μελέτες για την ακρίβεια, την επαναληπτικότητα, την εξειδίκευση, τη γραμμικότητα, το εύρος, τα όρια ανίχνευσης και ποσοτικού προσδιορισμού και την ανθεκτικότητα της μεθόδου (Παπαδογιάννης & Σαμανίδου, 2001). Ακρίβεια: Η ακρίβεια είναι μια ποιοτική έννοια. Εκφράζει το βαθμό συμφωνίας των αποτελεσμάτων που παράγονται από τη μέθοδο, με την πραγματική τιμή, ή μια παραδεκτή ως πραγματική τιμή. Ουσιαστικά αναφέρεται στην απόκλιση μεταξύ της μέσης ευρεθείσας τιμής και της πραγματικής. Ποσοτικά η ακρίβεια εκφράζεται με το σχετικό σφάλμα μέτρησης. Επαναληπτικότητα: Η επαναληπτικότητα εκφράζει το βαθμό συμφωνίας μεταξύ των αποτελεσμάτων όταν η διαδικασία εφαρμόζεται κατ επανάληψη σε πολλαπλά δείγματα. Η επαναληπτικότητα μπορεί να χωριστεί σε τρεις κατηγορίες: 1) Επαναληψιμότητα (repeatability), η οποία αντανακλά τις διακυμάνσεις εντός μιας μικρής χρονικής περιόδου με τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας (μαθηματικά εκφράζεται από τη σχετική τυπική απόκλιση RSD (Relative Standard Deviation) ή τον συντελεστή διακύμανσης CV (Coefficient of variance). 2) Ενδιάμεση επαναληψιμότητα (intermediate precision) ορίζεται ως μακροπρόθεσμη διακύμανση των αποτελεσμάτων των μετρήσεων και προσδιορίζεται συγκρίνοντας τα αποτελέσματα μιας ανάλυσης σε ένα εργαστήριο με την πάροδο του χρόνου (αντικειμενικός σκοπός της αξιολόγησης της ενδιάμεσης επαναληψιμότητας είναι να επιβεβαιώσει ότι στο ίδιο εργαστήριο η μέθοδος θα δώσει τα ίδια αποτελέσματα). 3) Αναπαραγωγιμότητα (reproducibility) εκφράζει την επαναληπτικότητα των αποτελεσμάτων μεταξύ εργαστηρίων με σκοπό την επιβεβαίωση ότι η μέθοδος δίνει τα ίδια αποτελέσματα σε διαφορετικά εργαστήρια. 73

75 Εξειδίκευση: Η USP ορίζει την εξειδίκευση μιας μεθόδου ως την ικανότητα να μετρά επακριβώς ένα συστατικό παρουσία παρεμποδίσεων, όπως έκδοχα, εναντιομερή, μητρικές και θυγατρικές ενώσεις και προϊόντα αποικοδόμησης. Γραμμικότητα και εύρος: Η γραμμικότητα μιας αναλυτικής μεθόδου ορίζεται η ικανότητα υπολογισμού των αποτελεσμάτων άμεσα, ή με προκαθορισμένες μαθηματικές μετατροπές, σε αναλογία με τη συγκέντρωση των προσδιοριζόμενων συστατικών ενός δείγματος σε συγκεκριμένο εύρος συγκεντρώσεων. Το εύρος είναι το διάστημα ανάμεσα στη χαμηλότερη και την υψηλότερη συγκέντρωση του συστατικού για το οποίο έχει αποδειχθεί ότι η αναλυτική μέθοδος έχει ένα κατάλληλο επίπεδο ακρίβειας, επαναληψιμότητας και γραμμικότητας. Όριο ανίχνευσης (LOD) και ποσοτικής αποτίμησης (LOQ): Πολλές φορές ως ευαισθησία αναφέρεται η ικανότητα μιας μεθόδου να παρουσιάζει αξιοπιστία σε ελαττωμένες συγκε-ντρώσεις του συστατικού. Στην περίπτωση αυτή ως κριτήρια χρησιμοποιούνται τα LOD και LOQ. Το LOD είναι η χαμηλότερη συγκέντρωση συστατικού η οποία μπορεί να ανιχνευθεί πάνω από τη βασική γραμμή θορύβου του ανιχνευτή στην πιο ευαίσθητη ρύθμιση του οργάνου, αλλά όχι απαραίτητα να προσδιοριστεί και ποσοτικά, ενώ το LOQ είναι η μικρότερη εισαγόμενη ποσότητα που παρέχει επαναληπτικές μετρήσεις. Ανθεκτικότητα: Επαληθεύει την ικανότητα της μεθόδου να δρα αποτελεσματικά στην αντιμετώπιση μεταβολών σε λειτουργικές και περιβαλλοντικές συνθήκες. Αποτελεί ένδειξη της αναπαραγωγιμότητας των αποτελεσμάτων της μεθόδου που αποκτήθηκαν από ανάλυση δειγμάτων κάτω από ποικίλες συνθήκες όπως διαφορετικά εργαστήρια, αναλυτές, όργανα, διάφορα αντιδραστήρια, χρόνος ανάλυσης, θερμοκρασίες κτλ. Ευρωστία: Εξετάζει την επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων στα αποτελέσματα της ανάλυσης. Για τον προσδιορισμό της ευρωστίας της μεθόδου ένας αριθμός χρωματογραφικών παραμέτρων (π.χ. ταχύτητα ροής, θερμοκρασία στήλης, όγκος εισερχόμενου δείγματος, μήκος κύματος ανίχνευσης ή σύσταση 74

76 κινητής φάσης) διαφοροποιούνται εντός ρεαλιστικού εύρους και προσδιορίζεται η ποσοτική επίδραση των μεταβολών. Σε ότι αφορά στο διαχωρισμό, την ταυτοποίηση και τον ποσοτικό προσδιορισμό πολυφαινολών στα φυσικά προϊόντα, τα τελευταία χρόνια εφαρμόζονται σχεδόν αποκλειστικά μέθοδοι αναλυτικής χρωματογραφίας. Κατόπιν αποδοχής του Οργανισμού Αναλυτικής Χημείας (Association of Official Analytical Chemists, AOAC), η υγρή χρωματογραφία υψηλής πίεσης-ανάστροφης φάσης (reserved- phase high pressure liquid chromatography, RP-HPLC) σε συνδυασμό με ανιχνευτή υπεριώδους- ορατού (ultraviolet- visible, UV- Vis), αποτελεί την πρώτιστη μέθοδο ανάλυσης, για δεδομένες αναλύσεις (Romani et al., 1999). Ο προσδιορισμός πραγματοποιείται με τη σύγκριση των εξαγόμενων κορυφών με αυτές προτύπων (standard) ουσιών. Με RP-HPLC, συνδυασμένη με ηλεκτροχημικό ανιχνευτή και κινητή φάση ακετονιτρίλιο- οξικό οξύ, έχει δειχθεί ότι μπορούν ταυτόχρονα να διαχωριστούν και ποσοτικοποιηθούν οι κύριες φαινολικές ενώσεις, όπως π.χ. αυτές που παραλαμβάνονται από εκχύλιση ελαιολάδου (Akasbi et al., 1993). Το 1998 περιγράφηκε η ποσοτικοποήση τεσσάρων κατεχινών και καφεΐνης σε εκχυλίσματα τσαγιού με κινητή φάση ακετονιτρίλιο-οξικό οξύ (Bronner et al., 1998). Παρόμοια, τα επίπεδα των κερκετίνης, κεμπφερόλης, μυρισετίνης και λουτεολίνης σε εκχύλισμα τσαγιού μετρήθηκαν με RP-HPLC χρησιμοποιώντας κινητή φάση μεθανόλη-φωσφορικό οξύ ή ακετονιτρίλιο-φωσφορικό οξύ. Πολλά ακόμη RP-HPLC συστήματα έχουν εφαρμοστεί στην προσπάθεια μέτρησης φαινολικών ενώσεων. Έτσι, το 1999 ο Brenes και οι συνεργάτες του με εφαρμογή HPLC χαρακτήρισαν σε παρθένα ελαιόλαδα της Ισπανίας απλές φαινόλες, όπως το βανιλικό οξύ, και τη βανιλίνη και φλαβονοειδή, ενώ για την ταυτοποίηση της χημικής δομής μιας νέας ένωσης (4-ακετοαιξυαίθυλο-1, 2-διυδροξύ-βενζόλιο) εφαρμόστηκαν MS και φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (nuclear magnetic resonance, NMR). Όμοια, με MS και NMR βρέθηκαν στο ελαιόλαδο οι λιγνάνες (+)- 1-ακετοξυπινορεσινόλη και (+)-πινορεσινόλη, μείζονα συστατικά του παρθένου ελαιόλαδου και μόνο (Owen et al., 2000). 75

77 Εκτός από τη RP-HPLC/UV-Vis ή ηλεκτροχημικό ανιχνευτή, έχουν εφαρμοστεί συστήματα όπως η υγρή χρωματογραφία με ανιχνευτή υπερύθρου (infared liquid chromatography, IR-LC) (Visser et al., 1997) και υγρή χρωματογραφία με ανιχνευτή κυκλικού διχρωϊσμού (circular dichroism liquid chromatography, CD-LC) (Bringaman et al., 1999). Τέλος, αξίζει να σημειωθεί πως τα τελευταία χρόνια η ανάπτυξη κι εξέλιξη της υγρής χρωματογραφίας-φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (LC-NMR) αποτελεί ένα σημαντικό εργαλείο για το διαχωρισμό και την ταυτοποίηση σε πολύπλοκα φυτικά εκχυλίσματα της χημικής δομής άγνωστων φαινολικών συστατικών, εκτός των μεγαλομοριακών ταννινών Η μέθοδος CGC-MS. Αντίστοιχα με την υγρή χρωματογραφία, υπάρχει και η αέρια χρωματογραφία, (Gas Chromatography) όπου ονομάζεται η μέθοδος χρωματογραφίας στήλης, η οποία εκτελείται με τη βοήθεια ενός συγκροτήματος οργάνων (συσκευή αέριου χρωματογράφου). Ως κινητή φάση χρησιμοποιούνται αδρανή αέρια (άζωτο ή ήλιο), υπό ελεγχόμενη θερμοκρασία, ενώ η στατική φάση αποτελείται από πυριτική πηκτή ή στερεό προσροφητικό μέσο που συνιστά τη στερεή ή φέρουσα φάση με μόνιμη επικάλυψη υγρής φάσης (Aνδρικόπουλος, 1999). Με τη μέθοδο GLC οι χρωματογραφικοί προσδιορισμοί γίνονται με την αρχή της κατανομής (Gas-Liquid Chromatography GLC), ενώ με τη μέθοδο GSC με την αρχή της προσρόφησης (Gas- Solid Chromatography GSC). Τέλος, οι χρωματογραφικοί διαχωρισμοί μπορούν να γίνουν με συνδυασμό κατανομής-προσρόφησης. Η συσκευή CGC αποτελείται από διάφορα όργανα και εξαρτήματα, τα οποία συνδεδεμένα λειτουργούν ως ενιαίο συγκρότημα. Τα βασικότερα από αυτά είναι: Οι φιάλες των αερίων της κινητής φάσης (carrier gases), He ή Ν 2 και των αερίων που απαιτούνται για τη λειτουργία των ανιχνευτών (π.χ. Η 2 και αέρας για τον ανιχνευτή φλόγας ιονισμού (FID). Οι φιάλες αυτές (οβίδες) είναι σιδερένιοι κύλινδροι με ρυθμιστές πίεσης. 76

78 Ο θάλαμος εισαγωγής του δείγματος (injector). Στο θάλαμο αυτό εισάγεται το δείγμα υπό μορφή διαλύματος με ειδική σύριγγα. Ο θάλαμος έχει υψηλή θερμοκρασία ρυθμιζόμενη με θερμοστάτη. Το δείγμα εξαερώνεται στον εισαγωγέα και τα αέρια της κινητής φάσης το παραλαμβάνουν και το οδηγούν μέσα από τη στήλη προς τον ανιχνευτή. Η στήλη ανάλυσης (column) μέσα στο θάλαμο θέρμανσης (oven). Στο εσωτερικό του βρίσκεται ειδικά συσκευασμένο υπό πίεση (packed) το προσροφητικό υλικό επί του οποίου θα γίνει ο διαχωρισμός των συστατικών του δείγματος, ενώ η στήλη θερμαίνεται προηγουμένως σε καθορισμένη θερμοκρασία για το κάθε είδος ανάλυσης. Ο φούρνος (oven) με τους θερμοστάτες για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας του και τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά μέρη. Σε αυτόν μέσα βρίσκεται η στήλη και η θερμοκρασία του ρυθμίζεται μέχρι και ο C. Ο ανιχνευτής (detector), για την ανίχνευση των διαχωρισμένων συστατικών του δείγματος. Ανάλογα με τη μέθοδο ανίχνευσης κάθε εκλουόμενη κορυφή παράγει ένα ηλεκτρικό σήμα το οποίο μεταβιβάζεται στον υπολογιστή. Το φασματόμετρο μάζας (mass spectrometer) είναι ένας ανιχνευτής μέσω του οποίου καταγράφονται τα φάσματα μάζας των διαχωρισμένων συστατικών και χρησιμοποιούνται για την ταυτοποίηση τους. Το σύστημα επεξεργασίας των δεδομένων, αποτελούμενο από τον ολοκληρωτή (integrator) ή τον υπολογιστή (computer), για την επεξεργασία των αποτελεσμάτων και από τον καταγραφέα (recorder), για την καταγραφή του χρωματογραφήματος. Aρχή της μεθόδου. Με τρόπο ανάλογο της υγρής χρωματογραφίας, τα συστατικά μεταβαίνουν από τον εισαγωγέα στη στήλη και διαχωρίζονται με τη βοήθεια του φέροντος αερίου και της θερμοκρασίας του φούρνου. Επιπρόσθετα, για την αύξηση της πτητικότητας και σταθερότητας ορισμένων συστατικών συχνά απαιτείται παραγωγοποίηση αυτών. Σε ότι αφορά στο φασματόμετρο μάζας της συσκευής CGC, η διαδικασία περιλαμβάνει το βομβαρδισμό του συστατικού με δέσμη 77

79 ηλεκτρονίων μεγάλης ενεργείας έτσι ώστε αποβάλλεται από το μόριο της ένωσης ένα e -. Ως εκ τούτου, λαμβάνεται το φάσμα της ένωσης, χαρακτηριστικό για αυτήν. Ανάλυση των πολυφαινολών με CGC-MS Κατά κοινή ομολογία, ο συνδυασμός αέριας χρωματογραφίας- φασματομετρίας μάζας (gas chromatography mass spectrometry, GC-MS), θεωρείται βασικό εργαλείο για την ανάλυση του φαινολικού περιεχομένου φυσικών προϊόντων, καθώς είναι μια εξαιρετικά ευαίσθητη μέθοδος, κατάλληλη για τον προσδιορισμό πτητικών ενώσεων, από τη CGC. Στην περίπτωση των πολικών φαινολών εφαρμόζονται μέθοδοι παραγωγοποίησης για την αύξηση της πολικότητας και σταθερότητας των ενώσεων. Η πιο διαδεδομένη μέθοδος δημιουργίας παραγώγων είναι η μέθοδος δημιουργίας τριμέθυλοσιλυλαιθέρων με BSTFA παρουσία καταλύτη TMCS. Παράλληλα, σε ότι αφορά την εξέλιξη της φασματομετρίας μάζας (mass spectrometry, MS) επιτρέπεται πλέον η ταυτοποίηση πολικών μορίων όπως οι πολυφαινόλες. Έχει γίνει αποδεκτό, πως η απευθείας ανάλυση ολικού εκχυλίσματος πράσινου τσαγιού με φασματομετρία μάζας-ανιχνευτή ιοντισμού ελάχιστα μπορεί να οδηγήσει σε ταυτοποίηση πολυφαινολών κι άλλων μικροσυστατικών, χωρίς να έχει προηγηθεί ανάλυση HPLC (Poon et al., 1998). Την ίδια εποχή, αναπτύχθηκαν διάφορες τεχνικές φασματομετρίας μάζας με ιοντισμό για τον προσδιορισμό ήδη γνωστών κατεχινών του τσαγιού, οι οποίες οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι καλύτερα αποτελέσματα είναι δυνατό να παραληφθούν, αν με φασματομετρία μάζας αναλυθούν συστατικά του εκχυλίσματος απομονωμένα μετά από ανάλυση HPLC (Miketova et al., 1998). Από τους ίδιους ερευνητές απεδείχθει πως ο ποσοτικός προσδιορισμός πολυφαινολών μπορεί να είναι πολύ ακριβής με υγρή χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας ιοντισμού με ηλεκτροψεκασμό (liquid chromatography-electrospray ionization mass spectrometry, LC-ESIMS). Δημιουργία τριμέθυλοσιλυλαιθέρων με BSTFA παρουσία καταλύτη TMCS 78

80 1.6.5 Άλλες τεχνικές. Με φασματομετρία μάζας-χημικό ιοντισμό σε ατμοσφαιρική πίεση (atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry, ΑPCI-MS) έχουν ανιχνευθεί σαφώς σε μεθανολικό εκχύλισμα ελαιολάδου τυροσόλη και υδροξυτυροσόλη, ελενολικό οξύ, οι αγλυκόνες διακετοξυ-λιγστροσίδης και διακετοξυ-ολευρωπαΐνης και η 10-υδροξυ-ολευρωπαΐνη. Επίσης, με MS-ΑPCI-MS έχουν προσδιοριστεί ποσοτικά η ολευρωπαΐνη και τα ισομερή της σε μεθανολικό εκχύλισμα ελαιολάδου χωρίς προηγούμενο διαχωρισμό από τις άλλες φαινολικές ενώσεις (Caruso et al., 2000). Μια εξίσου νέα και πρωτοποριακή τεχνική, αποτελεί η τριχοειδής ηλεκτροφόρηση, με κύρια πλεονεκτήματα την ταχύτητα και την ευκολία για τον προσδιορισμό των φαινολικών συστατικών του τσαγιού (Horie and Kohata, 1998). Παρά το γεγονός ότι στη μελέτη αυτή τα αποτελέσματα δεν ήταν απόλυτα ακριβή, το βασικό πλεονέκτημα της τριχοειδούς ηλεκτροφόρησης είναι ο σχετικά μικρός χρόνος ανάλυσης (περίπου 10min σε αντίθεση με την HPLC στην οποία απαιτούνται 30min για την έκλουση των πολυφαινολών). Η μέθοδος DPPH. Η μέθοδος DPPH (1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl) είναι μια μέθοδος εκτίμησης του πολυφαινολικού περιεχομένου που βασίζεται στη μέτρηση της ικανότητας δέσμευσης ελευθέρων ριζών. Στην ικανότητα αυτή των πολυφαινολών, αποδίδεται η αντιοξειδωτική τους δράση, με αποτέλεσμα η μέθοδος αυτή να δίνει μετρήσεις της συνολικής αντιοξειδωτικής ικανότητας των πολυφαινολών του εκχυλίσματος αυτού. Αποτελεί in vitro τεχνική και πλεονεκτεί ως προς το ότι η δέσμευση των ελευθέρων ριζών του DPPH από τις πολυφαινόλες του δείγματος και η φασματοφωτομέτρηση του συνολικού διαλύματος αντίδρασης (π.χ. εκχύλισμα-dpph) δεν είναι χρονοβόρες διαδικασίες. Οι φωτομετρήσεις πραγματοποιούνται περίπου μια ώρα μετά την παρασκευή του διαλύματος στα nm. Μεγαλύτερη απορόφηση σημαίνει και μεγαλύτερη ικανότητα δέσμευσης των ελευθέρων (κατά τα άλλα σταθερών) ριζών του DPPH, άρα και μεγαλύτερη αντιοξειδωτική δράση. Η ικανότητα αυτή του δεσμευτικού παράγοντα στηρίζεται στην προσφορά ενός ατόμου υδρογόνου κάθε φορά, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση του βαθμού δέσμευσης ελευθέρων ριζών. 79

81 1.6.6 Είδη Χρωματογραφίας. Φάσεις : Στατική Στερεό Υγρό Ακινητοποιημένο Κινητή Υγρό Αέριο Υπερκρίσιμο ρευστό Κινούμενη φάση: αέριο υγρό Αέρια Χρωματογραφία Υγρή Χρωματογραφία TLC χαρτιού στήλης (απλής& HPLC) Στατική φάση: Υγρό Στερεό Υγρό Στερεό Χρωμ. αερίου/ Χρωμ. αερίου/ Χρώμα.υγρού/ Χρώμα υγρού/ υγρού στερεού υγρού στερεού φ/χημ.φαινομ: Κατανομή προσρόφηση κατανομή διάχυση σε πίκτη ιοντοανταλλαγή προσρόφηση 80

82 a) Μηχανισμός διαχωρισμού Προσρόφησης Κατανομής Ιοντοανταλλαγής Μοριακού Αποκλεισμού Συγγένειας Εικόνα 4: Ταξινόμηση Ειδών Χρωματογραφίας. b) Φύση κινητικής φάσης: Υγρή Αέρια Υπερκρίσιμη Ρευστή c) Διάταξη της στατικής φάσης: Στήλης Επίπεδη d) Διεργασία ανάπτυξης: Έκλουσης Αντικατάστασης Μετωπικής ανάλυσης e) Κλίμακα εφαρμογής: Αναλυτική Παρασκευαστική 81