ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ. ΣΤΥΛΙΑΝΟΥ Σ. ΣΤΑΥΡΟΥΛΙΑ Πτυχιούχου Χημικού Μηχανικού Α.Π.Θ.

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΤΥΛΙΑΝΟΥ Σ. ΣΤΑΥΡΟΥΛΙΑ Πτυχιούχου Χημικού Μηχανικού Α.Π.Θ. ΧΡΗΣΗ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΛΕΚΤΙΚΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΟΥΣΙΩΝ ΧΡΗΣΙΜΩΝ ΣΤΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΚΑΙ ΦΑΡΜΑΚΩΝ ΑΠΟ ΚΑΤΑΛΟΙΠΑ ΕΛΑΙΟΥΡΓΕΙΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2010

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ i ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ iv ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ vii ΠΡΟΛΟΓΟΣ ix ABSTRACT xi ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 1. ΣΤΟΧΟΙ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ 1 2. ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ 2 3. ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΙΟΠΥΡΗΝΑΣ & ΠΥΡΗΝΕΛΑΙΟ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΛΑΙΟΛΑΔΟΥ ΕΛΑΙΟΠΥΡΗΝΑΣ ΠΥΡΗΝΕΛΑΙΟ ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΛΑΙΟΛΑΔΟΥ ΤΟΚΟΦΕΡΟΛΕΣ ΣΤΕΡΟΛΕΣ ΣΚΟΥΑΛΕΝΙΟ ΕΛΕΥΘΕΡΑ ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ (FFA) - ΤΡΙΓΛΥΚΕΡΙΔΙΑ 22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΤΟ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ Η ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΧΡΗΣΕΙΣ Η ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΟΥ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΤΟ ΙΞΩΔΕΣ ΤΟΥ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΟΥ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ Η ΔΙΑΛΥΤΙΚΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΥΤΙΚΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΟΥ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΣΥΝΔΙΑΛΥΤΕΣ 32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ 34

3 3.1 ΓΕΝΙΚΗ ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΤΟΥ ΣΤΕΡΕΟΥ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ (ΕΛΑΙΟΠΥΡΗΝΑΣ) ΠΑΡΑΛΑΒΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΞΗΡΑΝΣΗ ΘΡΑΥΣΗ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΜΕΓΕΘΩΝ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ ΟΥΣΙΩΝ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΚΟΦΕΡΟΛΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΤΕΡΟΛΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΚΟΥΑΛΕΝΙΟΥ ΚΑΙ ΕΛΕΥΘΕΡΩΝ ΛΙΠΑΡΩΝ ΟΞΕΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΟΥΣΙΩΝ ΑΠΟ ΣΤΕΡΕΟ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΣΤΟ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΟ CO ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ ΤΟΥ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΦΩΤΟΓΡΑΦΗΣΗΣ SEM 49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑ ΟΥΣΙΩΝ ΣΤΟ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΟ CO ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΦΥΤΙΚΩΝ ΕΛΑΙΩΝ ΣΤΟ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΟ CO ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΠΥΡΗΝΕΛΑΙΟΥ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΛΙΠΑΡΩΝ ΟΞΕΩΝ ΣΤΗ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΠΥΡΗΝΕΛΑΙΟΥ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΣΚΟΥΑΛΕΝΙΟΥ ΣΤΟ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΟ CO ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΣΚΟΥΑΛΕΝΙΟΥ 66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΤΟΥ ΕΛΑΙΟΠΥΡΗΝΑ ΜΕ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ 69

4 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 5.2 ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΠΥΡΗΝΕΛΑΙΟΥ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΠΙΕΣΕΩΣ ΧΑΜΗΛΕΣ ΚΑΙ ΥΨΗΛΕΣ ΠΙΕΣΕΙΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΧΑΜΗΛΕΣ ΚΑΙ ΥΨΗΛΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΡΟΗΣ ΔΙΑΛΥΤΗ ΣΥΜΠΑΡΑΣΥΡΜΟΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΚΚΟΜΕΤΡΙΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΠΥΡΗΝΕΛΑΙΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΕΠΙΛΟΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΟΡΙΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ ΕΚΧΥΛΙΣΗ SOHXLET ΕΞΗΓΗΣΗ ΤΗΣ ΚΑΜΠΥΛΗΣ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΣΤΗΝ ΚΑΜΠΥΛΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΤΗΝ ΚΑΜΠΥΛΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΡΟΗΣ SC-CO 2 ΣΤΗΝ ΚΑΜΠΥΛΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΚΚΟΜΕΤΡΙΑΣ ΣΤΗΝ ΚΑΜΠΥΛΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ 85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΗΣ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ ΕΛΑΙΟΥ ΑΠΟ ΕΛΑΙΟΠΥΡΗΝΑ ΜΕ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΤΑ SOVOVA ΠΡΩΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ SOVOVA [1994] ΔΕΥΤΕΡΟ ΜΟΝΤΕΛΟ SOVOVA [2005] 107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΗΣ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ ΤΟΥ ΕΛΑΙΟΠΥΡΗΝΑ ΜΕ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΣΤΟΧΟΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΕΠΙΛΟΓΗ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΠΡΟΣ ΜΕΛΕΤΗ 116

5 7.3.2 ΕΠΙΛΟΓΗ ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΠΡΟΣ ΜΕΛΕΤΗ ΤΟ ΚΛΑΣΜΑΤΙΚΟ ΠΑΡΑΓΟΝΤΙΚΟ ΠΕΙΡΑΜΑ 2 IV ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΒΕΛΤΙΣΤΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΣΤΗΝ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΣΚΟΥΑΛΕΝΙΟΥ 125 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8. ΟΙΚΟΝΟΜΟΤΕΧΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ ΕΛΑΙΟΠΥΡΗΝΑ ΜΕ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΟ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ & ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΚΧΥΛΙΣΤΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΜΕ ΟΡΓΑΝΙΚΟ ΔΙΑΛΥΤΗ ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΜΕ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΟ ΔΙΑΛΥΤΗ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΟΙ ΤΡΟΠΟΙ ΠΑΡΑΛΑΒΗΣ ΣΚΟΥΑΛΕΝΙΟΥ 151 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9. ΣΥΝΟΨΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΣΥΝΟΨΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 161 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10. ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ 164 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 166

6 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1 Κατά μήκος τομή καρπού ελιάς...8 Εικόνα 3-1. Χρωματογράφημα λεπτής στοιβάδας του ασαπωνοποίητου κλάσματος λιπιδίων του εξωκάρπιου (Α) και του ενδοκάρπιου (Β) της ώριμης ελιάς. (1) Υδρογονάνθρακες, (2) καροτένια, (3) τοκοφερόλες και τοκοτριενόλες, (4) γραμμικές και τρι-τερπενικές αλκοόλες, (5) 4-μεθυλοστερόλες, (6) στερόλες, (7) τριτερπενικές διόλες, (8) μεθυλεστέρες τριτερπενικών διολών [Lercker & Rodriguez-Estrada 2000]...41 Εικόνα 3-2. Κομμάτια ελαιοπυρήνα προς φωτογράφηση, μετά την επανθράκωση...50 Εικόνες 3-3 & 3-4. Φωτογραφίες SEM της εξωτερικής και εσωτερικής επιφάνειας του ενδοκαρπίου του πυρήνα της ελιάς...50 Εικόνες 3-5 & 3-6. Φωτογραφίες SEM του εξωτερικού και του εσωτερικού του ενδοσπερμίου του πυρήνα της ελιάς...51 Εικόνες 3-7 & 3-8. τομές του ενδοκαρπίου της ελιάς μετά από κρυογενική κατάψυξη τους...51 Εικόνες 3-9 & Μεγέθυνση στις κυκλικές δομές του ενδοκαρπίου...52 Εικόνες 3-11 & 3-12 Φωτογραφίες SEM κομματιών ενδοκαρπίου σε βιομηχανικό πυρήνα. Η θραύση του καρπού κατέστρεψε τις σφαιρικές δομές...52

7 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1-1. Χημική δομή των κύριων τοκοφερολών και τοκοτριενολών [G. Lercker, M.T. Rodriguez-Estrada 2000]...16 Σχήμα 1-2. Χημική δομή των κύριων φυτοστερολών [Lercker & Rodriguez- Estrada 2000]...18 Σχήμα 1-3. Τρισδιάστατη απεικόνιση του μορίου του σκουαλενίου...21 Σχήμα 1-4. Εστεροποίηση των λιπαρών οξέων και σχηματισμός τριακυλογλυκερολών Σχήμα 3-1. GC FID χρωματογράφημα δείγματος αναφοράς που έχει προετοιμαστεί με αντιδραστήριο MSTFA. Κορυφές: 1) σκουαλένιο, 2) δ- τοκοφερόλη, 3) β-τοκοφερόλη, 4) γ-τοκοφερόλη, 5) 5,7-διμέθυλοτοκόλη (Εσωτερικό Πρότυπο), 6) α-τοκοφερόλη, 9) στιγμαστερόλη, 15) μπετουλίνη (Εσωτερικό πρότυπο) [Lechner et al. 1999]...42 Σχήμα 3-2. RP-HPLC Χρωματογράφημα εκχυλίσματος πυρηνελαίου με SFE 000]...43 Σχήμα 3-3. GC-MS Χρωματογράφημα εκχυλίσματος πυρηνελαίου με SFE. Διακρίνονται οι κορυφές του εσωτερικού προτύπου και της β-σιτοστερόλης...45 Σχήμα 3-4. GC-FID χρωματογράφημα SFE εκχυλίσματος ελαιοπυρήνα. Αναγνωρίζονται οι κορυφές των σημαντικότερων ελεύθερων λιπαρών οξέων, καθώς και η κορυφή του χολεστάνιου (εσωτερικό πρότυπο) και του σκουαλενίου στο τέλος...47 Σχήμα 3-5. GC-MS χρωματογράφημα SFE εκχυλίσματος ελαιοπυρήνα...48 Σχήμα 3-6. GC-MS χρωματογράφημα SFE εκχυλίσματος ελαιοπυρήνα. Παρακολούθηση μόνο των θραυσμάτων του σκουαλενίου και του εσωτερικού προτύπου χολεστάνιο. Οι κορυφές προκύπτουν σε ίδιο χρόνο όπως στο σχήμα Σχήμα 4-1. Πειραματική διάταξη υπολογισμού διαλυτότητας ελαίου στο υπερκρίσιμο CO Σχήμα 5-1. Πειραματική διάταξη υπερκρίσιμης εκχύλισης ελαιοπυρήνα με CO Σχήμα 8-1. Σχέδιο μονάδας εκχύλισης ελαιοπυρήνα με εξάνιο Σχήμα 8-2. Σχέδιο μονάδας υπερκρίσιμης εκχύλισης ελαιοπυρήνα με διοξείδιο του άνθρακα...137

8 Σχήμα 8-3. Εγκατάσταση υπερκρίσιμης εκχύλισης αποστάγματος απόσμησης με διοξείδιο του άνθρακα...153

9 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ Διάγραμμα 2-1. Ορισμός της υπερκρίσιμης φάσης [Brunner 1994]...25 Διάγραμμα 2 2. Τρισδιάστατη απεικόνιση της πυκνότητας του υπερκρίσιμου διοξειδίου του άνθρακα για διάφορες πιέσεις και θερμοκρασίες...29 Διάγραμμα 2 3. Δισδιάστατη απεικόνιση της πυκνότητας του υπερκρίσιμου διοξειδίου του άνθρακα για διάφορες πιέσεις και θερμοκρασίες...29 Διάγραμμα 2-4. Τρισδιάστατη απεικόνιση του ιξώδους του υπερκρίσιμου διοξειδίου του άνθρακα...31 Διάγραμμα 3-1. Ανάλυση μεγεθών υψηλής κοκκομετρίας...38 Διάγραμμα 3-2. Ανάλυση μεγεθών χαμηλής κοκκομετρίας...39 Διάγραμμα 4-1. Διαλυτότητα του πυρηνελαίου στο SC-CO 2 για διάφορες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας κατά την εξίσωση del Valle Αguilera...60 Διάγραμμα 4-2. Πυκνότητα SC CO 2 για διάφορες πιέσεις και θερμοκρασίες Διάγραμμα 4-3. Πειραματική διαλυτότητα του πυρηνελαίου στο SC-CO 2 για διάφορες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας...64 Διάγραμμα 4-4. Διαλυτότητα του σκουαλενίου στο SC-CO2 για διάφορες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας κατά την εξίσωση Chrastil...66 Διάγραμμα 4-5. Πειραματική διαλυτότητα του σκουαλενίου στο SC-CO 2 για διάφορες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας...67 Διάγραμμα 5-1. Καμπύλη εκχύλισης για το πείραμα 18 Φαίνονται τα πειραματικά σημεία, η καμπύλη μοντελοποίησης και οι ευθείες των δύο κύριων φάσεων...79 Διάγραμμα 5-2. Καμπύλες εκχύλισης για την ομάδα πειραμάτων σε σταθερή πίεση 37.5ΜPa, σταθερή ροή διαλύτη 3g/min, 3 διαφορετικές θερμοκρασίες και 2 διαφορετικές κοκκομετρίες...80 Διάγραμμα 5-3. Καμπύλες εκχύλισης για την ομάδα πειραμάτων σε σταθερή πίεση 17.5ΜPa. σταθερή ροή διαλύτη 3g/min, 3 διαφορετικές θερμοκρασίες και 2 διαφορετικές κοκκομετρίες...81 Διάγραμμα 5-4. Καμπύλες εκχύλισης για την ομάδα πειραμάτων σε σταθερή πίεση 37.5ΜPa, σταθερή ροή διαλύτη 6g/min, 3 διαφορετικές θερμοκρασίες και 2 διαφορετικές κοκκομετρίες...82

10 Διάγραμμα 5-5. Καμπύλες εκχύλισης για την ομάδα πειραμάτων σε σταθερή πίεση 17.5ΜPa, σταθερή ροή διαλύτη 6g/min, 3 διαφορετικές θερμοκρασίες και 2 διαφορετικές κοκκομετρίες...82 Διάγραμμα 5-6. Καμπύλες εκχύλισης για την ομάδα πειραμάτων σε σταθερή πίεση 27.5ΜPa, σταθερή ροή διαλύτη 3g/min, 3 διαφορετικές θερμοκρασίες και 2 διαφορετικές κοκκομετρίες...84 Διάγραμμα 5-7. Καμπύλες εκχύλισης για την ομάδα πειραμάτων σε σταθερή πίεση 27.5ΜPa, σταθερή ροή διαλύτη 6g/min, 3 διαφορετικές θερμοκρασίες και 2 διαφορετικές κοκκομετρίες...84 Διάγραμμα 6-1. Πειραματικά σημεία και καμπύλες εκχύλισης για το πείραμα Διάγραμμα 6-2. Πειραματικά σημεία και καμπύλες εκχύλισης για το πείραμα 26d Διάγραμμα 6-3. Πειραματικά σημεία και καμπύλες εκχύλισης για το πείραμα Διάγραμμα 6-4. Απόδοση εκχύλισης πειράματος 18 ως προς τη σχετική ποσότητα χρησιμοποιημένου διαλύτη Διάγραμμα 6-5. Κατανομή μεγεθών των στερεών μικρού μεγεθους του ελαιοπυρήνα Διάγραμμα 6-6. Πειραματικά σημεία (x) και καμπύλη εκχύλισης του πρώτου μοντέλου Sovova (-) ως προς το χρόνο παραμονής (ένας κύκλος εκχύλισης ισούται με χρόνο ίσο με το χρόνο παραμονής) για το πείραμα 34. Ο τίτλος αναφέρει τις συνθήκες εκχύλισης: P=375bar, T=45 o C, w=6g/min και d p =355μm Διάγραμμα 6-7. Πειραματικά σημεία (x) και καμπύλη εκχύλισης του πρώτου μοντέλου Sovova (-) ως προς το χρόνο παραμονής για το πείραμα Διάγραμμα 6-8. Πειραματικά σημεία (x) και καμπύλη εκχύλισης του πρώτου μοντέλου Sovova (-) ως προς το χρόνο παραμονής για το πείραμα Διάγραμμα 6-9. Πειραματικά σημεία (x) και καμπύλη εκχύλισης του πρώτου μοντέλου Sovova (-) ως προς το χρόνο παραμονής για το πείραμα 26d Διάγραμμα Πειραματικά σημεία της εκχύλισης και καμπύλες προσέγγισης με βάση το εξελιγμένο μοντέλο Sovova για το πείραμα 24. Η ευθεία (---) καλύπτει την πρώτη φάση της εκχύλισης. Το μοντέλο προτείνει δύο περιπτώσεις για τη

11 δεύτερη φάση, η μία (-) προϋποθέτει απουσία αλληλεπίδρασης διαλύτη στερεού, ενώ η άλλη (-) προϋποθέτει ότι υπάρχει Διάγραμμα Πειραματικά σημεία της εκχύλισης και καμπύλες προσέγγισης με βάση το εξελιγμένο μοντέλο Sovova για το πείραμα 27c Διάγραμμα Πειραματικά σημεία της εκχύλισης και καμπύλες προσέγγισης με βάση το εξελιγμένο μοντέλο Sovova για το πείραμα Διάγραμμα Πειραματικά σημεία της εκχύλισης και καμπύλες προσέγγισης με βάση το εξελιγμένο μοντέλο Sovova για το πείραμα Διάγραμμα Πειραματικά σημεία της εκχύλισης και καμπύλες προσέγγισης με βάση το εξελιγμένο μοντέλο Sovova για το πείραμα Διάγραμμα 7-1. Τρισδιάστατη απεικόνιση και επιφάνεια απόκρισης των συγκεντρώσεων του σκουαλενίου στο εκχύλισμα για διάφορες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας Διάγραμμα 7-2. Τρισδιάστατη απεικόνιση και επιφάνεια απόκρισης για την επίδραση πίεσης και ροής στη συγκέντρωση του σκουαλενίου στο υπερκρίσιμο εκχύλισμα Διάγραμμα 7-3. Τρισδιάστατη απεικόνιση και επιφάνεια απόκρισης για την επίδραση πίεσης και ροής στην ποσότητα του σκουαλενίου στο υπερκρίσιμο εκχύλισμα Διάγραμμα 7-4. Τρισδιάστατη απεικόνιση και επιφάνεια απόκρισης για την επίδραση πίεσης και θερμοκρασίας στην ποσότητα του σκουαλενίου στο υπερκρίσιμο εκχύλισμα...132

12 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1-1. Σύσταση του ελαιοπυρήνα κλασικού τριφασικού ελαιοτριβείου [Niaounakis M. & Halvadakis C.P. 2004]...11 Πίνακας 1.2. Εκατοστιαία σύνθεση του ασαπωνοποίητου κλάσματος του πυρηνελαίου [Κυριτσάκης 1993]...13 Πίνακας 2-1. Σταθερές b ij για την εξίσωση 2-3 [Schonemaker et al. 1987]..28 Πίνακας 2-2. Σταθερές a i της εξίσωσης 2-6 & d ij της εξίσωσης 2-8 [Fenghour et al. 1997]...32 Πίνακας 3-1. Ανάλυση μεγεθών υψηλής κοκκομετρίας...38 Πίνακας 3-2. Ανάλυση μεγεθών χαμηλής κοκκομετρίας...39 Πίνακας 4-1. Πειράματα Διαλυτότητας SC-CO 2 με ελαιοπυρήνα...62 Πίνακας 4-2. Πειραματικά υπολογισμένη διαλυτότητα πυρηνελαίου και σκουαλενίου στο SC-CO Πίνακας 5-1. Πειραματικές συνθήκες μελέτης της υπερκρίσιμης εκχύλισης του ελαιοπυρήνα με CO Πίνακας 5-2. Αποτελέσματα πειράματος Πίνακας 6-1. Προσέγγιση συντελεστών της εξίσωσης Hill...92 Πίνακας 6-2. Προσέγγιση των συντελεστών του πρώτου μοντέλου Sovova. Στη δεύτερη στήλη αναφέρονται οι πειραματικές συνθήκες με τη σειρά «πίεση (bar), θερμοκρασία ( o C), ροή CO 2 (g/min) και μέσο μέγεθος κόκκων (μm)» Πίνακας 6-3. Πειραματικά υπολογισμένη διαλυτότητα του πυρηνελαίου στο υπερκρίσιμο CO 2 και θεωρητική προσέγγιση με βάση την εξίσωση del Valle- Aguilera Πίνακας 6-4. Προσέγγιση συντελεστών του εξελιγμένου μοντέλου Sovova.113 Πίνακας 7-1. Κλασματικός παραγοντικός σχεδιασμός (6-2) Κάθε παράγοντας αντιπροσωπεύεται από ένα γράμμα και κάθε πείραμα από συνδυασμούς γραμμάτων Πίνακας 7-2. Ορισμός παραγόντων και επιπέδων τους προς μελέτη Πίνακας 7-3. Εφαρμογή του κλασματικού παραγοντικού IV σχεδιασμού πειραμάτων Πίνακας 7-4. Επιδράσεις των παραγόντων στη συγκέντρωση του σκουαλενίου στο εκχύλισμα...123

13 Πίνακας 7-5. Επιδράσεις των παραγόντων στην απόληψη κατά την παραλαβή του σκουαλενίου Πίνακας 7-6. Συνθήκες πειραμάτων & απόδοση των πειραμάτων του σχεδιασμού Box-Behnken Πίνακας 7-7. Συγκεντρώσεις σκουαλενίου στα εκχυλίσματα των πειραμάτων Box-Behnken. Η κάθε ανάλυση έγινε εις τριπλούν Πίνακας 7-8. Ποσότητες σκουαλενίου στα εκχυλίσματα των πειραμάτων Box- Behnken με βάση τις συγκεντρώσεις του πίνακα Πίνακας 7-9. Πειραματικές συνθήκες και αποτελέσματα εκχύλισης για τα πειράματα βελτιστοποίησης Πίνακας 8-1. Κόστος επένδυσης για μονάδα εκχύλισης με εξάνιο Πίνακας 8-2. Κόστος επένδυσης για μονάδα εκχύλισης με υπερκρίσιμο CO Πίνακας 8-3. Λειτουργικό κόστος για μονάδα εκχύλισης με εξάνιο Πίνακας 8-4. Λειτουργικό κόστος για μονάδα εκχύλισης με υπερκρίσιμο CO Πίνακας 8-5. Ανάλυση εσόδων για μονάδα εκχύλισης με εξάνιο Πίνακας 8-6. Ανάλυση εσόδων για μονάδα εκχύλισης με υπερκρίσιμο CO Πίνακας 8-7. Κόστος επένδυσης για μονάδα κλασμάτωσης με υπερκρίσιμο CO Πίνακας 8-8. Λειτουργικό κόστος για μονάδα κλασμάτωσης με υπερκρίσιμο CO Πίνακας 8-9. Έσοδα Έξοδα της κλασμάτωσης αποστάγματος απόσμησης

14 Τα βασικά στοιχεία πρωτοτυπίας της διατριβής είναι τα ακόλουθα: Για πρώτη φορά υπολογίστηκε πειραματικά η διαλυτότητα του πυρηνελαίου στο υπερκρίσιμο CO 2, για διάφορες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, όχι απευθείας, αλλά από το στερεό υπόστρωμα στο οποίο απαντάται υπό φυσιολογικές συνθήκες. Εξελίχθηκε εμπειρικό και εφαρμόστηκε θεωρητικό μοντέλο εκχύλισης ελαίων με υπερκρίσιμο διαλύτη, σε διαφορετικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Για πρώτη φορά υπολογίστηκαν οι συντελεστές τόσο της εμπειρικής, όσο και της θεωρητικής προσέγγισης της μοντελοποίησης της διεργασίας για την υπερκρίσιμη εκχύλιση πυρηνελαίου με διοξείδιο του άνθρακα. Βρέθηκαν συνθήκες εκχύλισης όπου μεγιστοποιείται η συγκέντρωση του σκουαλενίου στο εκχύλισμα. Για πρώτη φορά η συγκέντρωση του σκουαλενίου βρέθηκε υπερδεκαπλάσια της συνήθους συγκέντρωσης στο πυρηνέλαιο.

15 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη του κατά πόσο κατάλοιπα ελαιουργείων θα μπορούσαν να προσφέρουν ουσίες χρήσιμες στη βιομηχανία και κατά πόσο αυτές οι ουσίες θα μπορούσαν να απομακρυνθούν από τα κατάλοιπα αυτά με υπερκρίσιμη εκχύλιση. Σε πρώτη φάση μελετούνται τα κατάλοιπα των ελαιουργείων, τα οποία διαχωρίζονται σε δύο φάσεις: i) τη στερεά και ii) την υγρή. Η υγρή φάση των καταλοίπων μελετήθηκε ανεξάρτητα από την παρούσα διατριβή, η οποία επικεντρώνεται στον ελαιοπυρήνα, που αποτελεί τμήμα της στερεής φάσης. Τα φύλλα των ελαιόδεντρων αποτελούν μικρό τμήμα των στερεών καταλοίπων και έχει ήδη μελετηθεί η υπερκρίσιμη εκχύλισή τους, οπότε αποκλείστηκαν από την παρούσα διατριβή. Στον ελαιοπυρήνα υπάρχει πλήθος συστατικών, που ενδιαφέρουν τη βιομηχανία, με κυριότερο το πυρηνέλαιο, το οποίο σχετίζεται άμεσα με τις μονάδες παραγωγής και εξευγενισμού του ελαιολάδου, καθώς αποτελεί σημαντικό κεφάλαιο για την οικονομική επιτυχία τους. Το ίδιο το πυρηνέλαιο αποτελεί πηγή πλήθους σημαντικών ουσιών με ενδεχόμενη χρήση στις βιομηχανίες τροφίμων και φαρμάκων με κυριότερες τη βιταμίνη Ε, τις φυτικές στερόλες, τα λιπαρά οξέα και το σκουαλένιο. Η αναφερόμενη στον τίτλο εκλεκτική εκχύλιση δεν είναι άλλη από την υπερκρίσιμη εκχύλιση με διοξείδιο του άνθρακα. Η εκχύλιση αυτή πλεονεκτεί, όπως θα φανεί, από την κλασικότερη που χρησιμοποιεί οργανικούς και ανόργανους διαλύτες διότι, με τον ίδιο διαλύτη και αλλαγή των συνθηκών εκχύλισης, είναι δυνατή η εκλεκτική εκχύλιση διαφόρων ουσιών. Η υπερκρίσιμη τεχνολογία έχει μόλις την τελευταία εικοσαετία συγκεντρώσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Έχει αναφερθεί ότι τα υπερκρίσιμα ρευστά παρουσιάζουν πυκνότητες που πλησιάζουν αυτές των υγρών, ενώ διατηρούν ιξώδη παρόμοια με αυτά των αερίων. Ο πιο διαδεδομένος υπερκρίσιμος διαλύτης είναι το διοξείδιο του άνθρακα, υλικό σε μεγάλη επάρκεια, με πολύ ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Η συμπεριφορά του στην υπερκρίσιμη εκχύλιση μελετάται διεξοδικά στην παρούσα διατριβή και εξηγούνται οι αλλαγές που παρουσιάζει στην πυκνότητα και το

16 ιξώδες του, στις διάφορες θερμοκρασίες και πιέσεις, με έμφαση στο πως αυτές οι ιδιότητες συνδέονται με τη διαλυτική και διαχυτική του ικανότητα. Εκτελούνται πλήθος πειραμάτων υπερκρίσιμης εκχύλισης του ελαιοπυρήνα, με έμφαση στην εφαρμοσμένη πλευρά του θέματος. Γίνεται όμως παράλληλα και η θεωρητική προσέγγιση του φαινομένου, με τελικό αποτέλεσμα τον υπολογισμό των συντελεστών μεταφοράς μάζας, που επιτρέπουν την πρόβλεψη του φαινομένου σε βιομηχανική κλίμακα. Γίνεται αριστοποίηση της διαδικασίας με δύο διαφορετικούς στόχους, είτε την παραγωγή μεγαλύτερης ποσότητας εκχυλίσματος είτε την εκλεκτικότερη εκχύλιση μιας συγκεκριμένης ένωσης στο εκχύλισμα, αποδεικνύοντας παράλληλα ότι οι δύο αυτοί στόχοι είναι αδύνατο να επιτευχθούν μαζί. Γίνεται τέλος η προσέγγιση του κόστους εφαρμογής αυτής της τεχνολογίας στη βιομηχανία, με παράλληλη σύγκριση με την παρούσα τεχνολογία της χρήσης οργανικού διαλύτη στην εκχύλιση. Η διατριβή αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Φυσικής Χημείας του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, στα πλαίσια του προγράμματος BIOLIVE QLK , στο χρονικό διάστημα , υπό την επίβλεψη του καθηγητή Κωνσταντίνου Παναγιώτου τον οποίο και ευχαριστώ ιδιαίτερα για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε και τη γνώση που μου μετέδωσε. Συγγράφηκε από το 2007 έως το Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω το λέκτορα Χαράλαμπο Λάμπρου, τους συναδέλφους υποψήφιους διδάκτορες Χρύσα Μιχαήλωφ, Κώστα Καλογιάννη, Βαρβάρα Τσέρκη, Ιωάννη Τσιβιντζέλη και Βαγγέλη Τζιμπιλή καθώς και τον κ. Μιχάλη Μπριντάκη για την υποστήριξή τους και την προσφορά ιδεών, υλικού και έργου καθ όλη τη διάρκεια της εκπόνησης της διατριβής. Τέλος θα ήθελα να αφιερώσω αυτή τη διατριβή στους γονείς μου και σε όλους τους ανθρώπους που χρειάστηκε να δείξουν υπομονή όλα αυτά τα χρόνια. Αυτή η διατριβή δε θα είχε ολοκληρωθεί ποτέ χωρίς αυτούς.

17 ABSTRACT The ultimate goal of this thesis is the study of whether olive-mill wastes could possibly offer compounds that have industrial use and whether such compounds may be removed from the wastes with supercritical fluid extraction. In order to ascertain this, the wastes of olive-mills are studied, specifically the solid state olive mill wastes, since the water phase has been studied in another thesis. From the solid state wastes, the olive pomace is the compound of interest, since the olive tree leaves are much less in mass and have already been studied elsewhere. Plenty of compounds can be found in the olive pomace, that can be used in the industry, with the main product being olive-pomace oil, which adds to the income of olive oil mills and refineries. Olive-pomace oil can be traded as is, but it also contains many compounds useful to the food and pharmaceutical sectors, mainly tocopherols, sterols, fatty acids and squalene. Selective extraction of these compounds is achieved with supercritical carbon dioxide (SC-CO 2 ) extraction. This extraction is shown to have certain advantages over the standard solvent extraction, which the industry currently uses, since with small changes in the extraction conditions it is possible to extract selectively different compounds from the pomace oil. It is also cleaner and more environmentally friendly as it avoids the use of organic chemicals and it provides a solution to the diminishing population of sharks, whose liver is the current source for squalene. Supercritical fluid extraction has been researched widely over the past twenty years. It has been mentioned that supercritical fluids show densities that are similar to liquids, while keeping their viscosities in the same level as gases. The most common supercritical fluid is carbon dioxide, which can be found in abundance. CO 2 and its properties are studied in this thesis and the way they change over different extraction conditions is shown, with emphasis on their influence over its dissolving and diffusion capability. Supercritical extraction may be central to this thesis, but it s not the only chapter of it. All the necessary steps for the accurate study of the phenomenon are presented, from gathering the pomace to quality and quantity control of the

18 compounds of the final extract. Gas and liquid chromatography for such control can be found herein, along with other techniques, used compounds and conditions. With the use of microscopy, the inside of pomace is presented and thus, the choice for mathematical modeling is explained. Various experiments have been done, with emphasis on the applied science, while the theoretical part is formulated with the determination of the mass transfer coefficients necessary for the prediction of the extraction in large scale. Optimization of the extraction is offered, with two goals in mind, one of oil mass production and another of a specific compound enrichment in the extract. Meanwhile it is proved that these two goals cannot be simultaneously achieved. Finally an effort has been made to determine the cost of the industrial use of this technology, and to compare it with the currently used solvent extraction technology.

19 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1. ΣΤΟΧΟΙ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ Τα κατάλοιπα των ελαιουργείων είναι πολύ χρήσιμα, το καθένα για διαφορετικούς λόγους. Το γεγονός αυτό ισχύει για πλήθος φυτικών και ζωικών υλικών που η σύγχρονη πρακτική κατατάσσει ως κατάλοιπα και που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν, με αποτελέσματα καλύτερα από αυτά των ήδη υπαρχουσών ουσιών. Πρωτοστατεί ίσως σε ενδιαφέρον η ανάπτυξη της παραγωγής καυσίμου από φυτικές ύλες, αλλά, επίσης παρουσιάζει ενδιαφέρον η αντικατάσταση χημικών από φυτικές ουσίες σε καλλυντικά και η αντικατάσταση χημικών από φυτικά εκχυλίσματα ως συντηρητικά τροφίμων. Μία κατεύθυνση στη σύγχρονη τεχνολογία οδηγεί προς τη σταδιακή αλλαγή των επιβλαβών χημικών από τα πιο υγιεινά και φιλικά προς το περιβάλλον φυσικά προϊόντα. Σε εναρμόνιση με αυτήν την κατεύθυνση, στην παρούσα διατριβή γίνεται προσπάθεια να αντικατασταθεί η χρήση του επιβλαβούς και εύφλεκτου χημικού διαλύτη «εξάνιου» για την εκχύλιση του πυρηνελαίου από τον ελαιοπυρήνα, με μία ουδέτερη προς τον άνθρωπο χημική ένωση. Πέραν της περιβαλλοντικής επίπτωσης από τη χρήση αυτού του χημικού, όπως και την επίπτωση στην ασφάλεια και την υγεία των εργαζομένων στα εκχυλιστήρια, υπάρχει και το ενδεχόμενο να παραμείνουν ίχνη του εξάνιου στο πυρηνέλαιο, που, όμως, θα χρησιμοποιηθεί μερικά για την παραγωγή βρώσιμου προϊόντος, όπως συμβαίνει άλλωστε και στην παραγωγή σπορελαίων. Ένας άλλος στόχος της διατριβής είναι η απομόνωση του σκουαλενίου από τον ελαιοπυρήνα. Το σκουαλένιο είναι μια ένωση με ιδιαίτερες εφαρμογές στην τεχνολογία των καλλυντικών και την παραγωγή φαρμάκων, ενώ έχει αναφερθεί ότι έχει ευεργετικές επιδράσεις στην ανθρώπινη υγεία και για αυτό συνίσταται ως διατροφικό συμπλήρωμα. Η εκχύλισή του από φυτικές πρώτες ύλες, όπως ο ελαιοπυρήνας, θα βοηθήσει στην προστασία των καρχαριών, που σταδιακά κινδυνεύουν να γίνουν είδος υπό εξαφάνιση, το ήπαρ των οποίων είναι η κύρια πηγή σκουαλενίου αυτή τη στιγμή.

20 Παράλληλα γίνεται η μελέτη του φαινομένου της υπερκρίσιμης εκχύλισης του ελαιοπυρήνα, παρακολουθούνται οι συνθήκες που το επηρεάζουν, ενώ καταγράφονται οι μεταβολές στα αποτελέσματα και εξηγούνται οι αιτίες που τις προκάλεσαν. Γίνεται έλεγχος αυτών των εξηγήσεων και αποδεικνύεται η ορθότητά τους, σε συνδυασμό πάντοτε με τη βιβλιογραφία. Εφαρμόζεται το υφιστάμενο μαθηματικό μοντέλο πρόβλεψης της υπερκρίσιμης εκχύλισης φυτικών ελαίων, παραμετροποιείται ειδικά για την περίπτωση του ελαιοπυρήνα και προσδιορίζονται οι συντελεστές σχεδίασής του. Προσδιορίζονται με ακρίβεια οι κατάλληλες πειραματικές συνθήκες που οδηγούν στην εκχύλιση του σκουαλενίου σε δεκαπλάσιες συγκεντρώσεις από αυτές που απαντώνται στη βιβλιογραφία, ενώ παράλληλα παρουσιάζονται οι συνθήκες εκείνες που μπορούν να οδηγήσουν σε παραγωγή υπερκρίσιμου εκχυλίσματος σε ποσότητες ίδιες με αυτές του οργανικού εκχυλίσματος. Γίνεται τέλος ο θεωρητικός σχεδιασμός και η κοστολόγηση μιας μονάδας υπερκρίσιμης παραγωγής πυρηνελαίου με υπερκρίσιμα ρευστά, όπου με οικονομικούς όρους διερευνάται η βιωσιμότητά της και η ικανότητα σύγκρισης της με αντίστοιχες υπαρκτές μονάδες παραγωγής πυρηνελαίου με οργανικό διαλύτη. 2. ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ Η υπερκρίσιμη εκχύλιση, ο ελαιοπυρήνας, το σκουαλένιο και οι υπόλοιπες περιεχόμενες στο πυρηνέλαιο ενώσεων, η ανάλυση των ενώσεων αυτών, η μαθηματική μοντελοποίηση της υπερκρίσιμης εκχύλισης ελαίων από σπόρους, ο στατιστικός σχεδιασμός πειραμάτων, ακόμα και η οικονομοτεχνική μελέτη της υπερκρίσιμης εκχύλισης, όλα αυτά έχουν παρουσιαστεί στη διεθνή βιβλιογραφία, όπως θα φανεί στα παρακάτω κεφάλαια. Κανένα από τα προαναφερθέντα δεν είναι καινούριο ζήτημα, σε όλα έχουν εκφρασθεί απόψεις και εξαχθεί αποτελέσματα. Η υπερκρίσιμη εκχύλιση παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον στην έρευνα την τελευταία εικοσαετία, έχοντας βάσεις από πιο πριν. Όπως, μάλιστα, αναφέρεται στο κεφάλαιο 4, ο προσδιορισμός της υπερκρίσιμης φάσης έχει γίνει από το 1869, ενώ το 1879 έγιναν τα πρώτα πειράματα χρήσης της. Έκτοτε λίγα πράγματα έχουν αναφερθεί στο ζήτημα έως το 1980, όπου και το θέμα ξανάρχισε

21 να αποκτά ενδιαφέρον χάρις σε πλήθος παραγόντων, όπως η μηχανολογική εξέλιξη και η διάθεση της εύρεσης φυσικών λιπόφιλων διαλυτών. Η μελέτη της υπερκρίσιμης εκχύλισης ελαίων έχει προχωρήσει αρκετά σε θέματα, όπως η εκχύλιση πολλών διαφόρων αιθέριων ελαίων από φυτά, φρούτα και βότανα καθώς και μερικών ελαίων ευρείας κυκλοφορίας, όπως το σογιέλαιο και το ελαιόλαδο. Το πυρηνέλαιο, όμως, με ελάχιστες εξαιρέσεις [Esquível & Bernardo-Gil G. 1993, Esquível et al. 1999, de Lucas et al. 2003] φαίνεται να μην προκαλεί τόσο μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον. Ακόμα και σε αυτές τις περιπτώσεις, τα όρια για τη μελέτη της εκχύλισης περιορίζονται σε λίγες και χαμηλές πιέσεις κοντά στην κρίσιμη περιοχή και για λίγες θερμοκρασίες, με εξαίρεση τους de Lucas et al. (2003) που, όμως, εστιάζουν τη μελέτη τους περισσότερο στην εκχύλιση της τοκοφερόλης από τον ελαιοπυρήνα. Η παρούσα μελέτη προσδιορίζει με στατιστική ανάλυση τους παράγοντες που επηρεάζουν την υπερκρίσιμη εκχύλιση σε ένα εύρος πιέσεων από τα 12.5MPa μέχρι τα 60MPa, θερμοκρασίες από 40 o C έως 100 o C, ροή διαλύτη από 1.5ml/min έως 6g/min και κοκκομετρίες από τα 355μm έως το φυσικό ελαιοπυρήνα που έχει μέση κοκκομετρία ca. 1200μm. Παράλληλα απορρίπτονται παράγοντες που αποδεικνύεται, ότι δεν επηρεάζουν σημαντικά. Το σκουαλένιο είναι μια ένωση που, όπως φαίνεται, μπορεί να αποτελέσει σημαντικό στόχο για τη βιομηχανία με πολλές εφαρμογές, κυρίως λόγω των ευεργετικών του επιδράσεων στον άνθρωπο. Θεωρείται ότι αποτελεί έναν από τους λόγους, που το ελαιόλαδο κατατάσσεται στα έλαια πολύ υψηλής διατροφικής αξίας. Έχουν γίνει διάφορες έρευνες για τη δυνατότητα παραλαβής του από το συκώτι του καρχαρία, στο οποίο βρίσκεται σε μεγάλη συγκέντρωση, έως την υπερκρίσιμη εκχύλισή του από μερικά φυτά στα οποία μπορεί να απαντηθεί. Γεγονός είναι, όμως, ότι δεν έχει μέχρι τώρα μελετηθεί η απευθείας παραλαβή του από τον ελαιοπυρήνα, στον οποίο μπορεί να βρεθεί σε υψηλές συγκεντρώσεις σε σχέση με άλλα φυτικά υλικά, πολύ δε περισσότερο δεν έχει διερευνηθεί η παραγωγή εκχυλίσματος ελαιοπυρήνα εμπλουτισμένου σε σκουαλένιο. Η μαθηματική προσέγγιση και μοντελοποίηση της υπερκρίσιμης εκχύλισης ελαίων από σπόρους, ενώ ξεκίνησε από διάφορες οπτικές γωνίες, φαίνεται να καταλήγει στο μοντέλο θραυσμένων και άθραυστων κυψελών. Το μοντέλο αυτό υπάρχει από το 1994 [Sovová 1994], αποδείχθηκε ότι ισχύει για πολλούς

22 σπόρους [Marrone et al. 1998, Reverchon et al. 2000, Reverchon & Marrone 2001], δεν έχει γίνει, όμως, αντίστοιχη έρευνα για τον πυρήνα της ελιάς. Στη διατριβή αυτή φαίνεται με ηλεκτρονική μικροσκοπία SEM η δομή του εσωτερικού της ελιάς και εξηγείται ότι και στον ελαιοπυρήνα μπορεί να εφαρμοστεί το συγκεκριμένο μοντέλο. Η διαλυτότητα των ελαίων και λοιπών ουσιών στο υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα είναι επίσης αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας. Το σκουαλένιο του πυρηνελαίου, όμως, έχει μελετηθεί μόνο θεωρητικά, με το πυρηνέλαιο να αντιπροσωπεύεται από τον κυριότερο λιπαρό εστέρα του στο τριαδικό σύστημα «υπερκρίσιμο CO 2 /ελαϊκός μεθυλεστέρας/σκουαλένιο» [Ruivo et al. 2004]. Στα πειράματα διαλυτότητας δεν έγινε προσπάθεια αντικατάστασης του πυρηνελαίου από αντιπροσωπευτική ουσία. Αντίθετα έγινε προσπάθεια προσδιορισμού της πραγματικής διαλυτότητας του σκουαλενίου, όπως αυτή προκύπτει από το σύστημα «υπερκρίσιμο CO 2 /στερεός ελαιοπυρήνας/πυρηνέλαιο/σκουαλένιο» που είναι και η φυσική του κατάσταση. Ενώ η διαλυτότητα των ελαίων στο υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα έχει αναλυθεί, η διαλυτότητα του ίδιου του πυρηνελαίου παρουσιάζει ιδιαιτερότητες που μελετώνται σε βάθος. Το πυρηνέλαιο παρουσιάζει σαφώς αυξημένη διαλυτότητα στον υπερκρίσιμο αυτό διαλύτη, λόγω της παρουσίας σ αυτό υψηλών ποσοστών ελεύθερων λιπαρών οξέων, η επίδραση των οποίων αποδεικνύεται πειραματικά. Επίσης η επίδραση της θερμοκρασίας στην ποσότητα του παραγόμενου εκχυλίσματος αλλάζει καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει. Το γεγονός της «ανάστροφης συμπεριφοράς» αυτής έχει αναφερθεί στο παρελθόν, όχι όμως για την εκχύλιση του πυρηνελαίου, για το οποίο προσδιορίζονται και οι συνθήκες εμφάνισής του. Ο στατιστικός σχεδιασμός πειραμάτων έχει εμφανιστεί περισσότερο από μία εικοσαετία [Montgomery 2001], αλλά λίγοι ερευνητές την εφαρμόζουν στις υπερκρίσιμες εκχυλίσεις. Προτιμάται η παρακολούθηση της βιβλιογραφίας για την εύρεση των συνθηκών που επηρεάζουν ένα πείραμα και την εύρεση των ορίων που ενδιαφέρει αυτές να μελετηθούν ή η συνολική μελέτη του φαινομένου σε όσο γίνεται περισσότερες συνθήκες, απαιτώντας περισσότερο χρόνο και κόστος. Στη διατριβή αυτή η στατιστική χρησιμοποιείται διεξοδικά, τόσο για τη μελέτη και τον προσδιορισμό των σημαντικών παραγόντων που επηρεάζουν την εκχύλιση, όσο και για τον περιορισμό των απαιτούμενων πειραμάτων στα

23 ελάχιστα δυνατά, όσο και για το σχεδιασμό τρισδιάστατων καμπυλών εκχύλισης και συγκέντρωσης ουσιών στο εκχύλισμα [Began et al. 2000, Henderson et al. 2005]. 3. ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ Το περιεχόμενο της διατριβής αναπτύσσεται στα ακόλουθα 10 κεφάλαια: Στο κεφάλαιο 1 περιγράφονται η παραγωγή του ελαιολάδου, ο ελαιοπυρήνας και οι περιεχόμενες σ αυτόν ουσίες με έμφαση στο πυρηνέλαιο και οι γενικότερες χρήσεις των αποβλήτων των ελαιουργείων. Ακόμα αναφέρονται οι τέσσερις ουσίες που μπορούν να απαντηθούν στο πυρηνέλαιο και που δυνητικά μπορούν να αποτελέσουν στόχο έρευνας, οι τοκοφερόλες, οι στερόλες, το σκουαλένιο και τα ελεύθερα λιπαρά οξέα. Στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται η υπερκρίσιμη κατάσταση και ιδιαίτερα το υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα. Γίνονται υπολογισμοί της πυκνότητας και του ιξώδους του και σχολιάζεται η επίδραση αυτών των παραγόντων στη διαλυτική και τη διαχυτική του ικανότητα. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται παρουσίαση και αιτιολόγηση όλων των πειραματικών τεχνικών προετοιμασίας του πυρηνελαίου έως την εκχύλιση. Επίσης γίνεται επιλογή των μεθόδων ανάλυσης των ουσιών που ενδιαφέρουν. Ακόμα γίνεται παρουσίαση των αποτελεσμάτων της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας της δομής του ελαιοπυρήνα πριν και μετά τη θραύση. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται οι μέθοδοι υπολογισμού της διαλυτότητας μιας ουσίας στο υπερκρίσιμο CO 2, τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά. Μελετώνται η επίδραση συνθηκών όπως η πίεση και η θερμοκρασίας. Μετράται η διαλυτότητα του πυρηνελαίου και του σκουαλενίου του στο υπερκρίσιμο CO 2, για διάφορες πειραματικές συνθήκες, ενώ αποκαλύπτεται η επίδραση της συγκέντρωσης ελεύθερων λιπαρών οξέων στη διαλυτότητα. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται η περιγραφή της διάταξης των πειραμάτων υπερκρίσιμης εκχύλισης του ελαιοπυρήνα. Μελετώνται η επίδραση των τεσσάρων συνθηκών (πίεση, θερμοκρασία, μέγεθος κόκκων και ροή διαλύτη) και το εκχύλισμα μετράται για πολλά χρονικά διαστήματα εκχύλισης. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τα αντίστοιχα της εκχύλισης με οργανικό διαλύτη.

24 Γίνεται και εδώ η μελέτη της επίδρασης των συνθηκών της εκχύλισης, όσον αφορά το παραγόμενο εκχύλισμα. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται η εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων της υπερκρίσιμης εκχύλισης με διοξείδιο του άνθρακα. Βελτιώνεται η εξίσωση του εμπειρικού μοντέλου, ενώ εφαρμόζονται τα δύο μοντέλα θραυσμένων και άθραυστων κυψελών. Προσδιορίζονται οι συντελεστές μεταφοράς μάζας για την περίπτωση του πυρηνελαίου. Στο κεφάλαιο 7 μελετάται η βελτιστοποίηση της υπερκρίσιμης εκχύλισης του πυρηνελαίου. Μετράται με τη χρήση της στατιστικής η επίδραση των παραγόντων που την επηρεάζουν και αποκλείονται οι παράγοντες με μικρή επίδραση. Εκτελείται στατιστικός σχεδιασμός πειραμάτων που επιτρέπει τον προσδιορισμό των βέλτιστων συνθηκών για την παραγωγή εμπλουτισμένου σε σκουαλένιο εκχυλίσματος, καθώς και για τη μεγιστοποίηση παραγωγής εκχυλίσματος. Στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται μια υποθετική μονάδα παραγωγής πυρηνελαίου με υπερκρίσιμο CO 2, βιομηχανικής κλίμακας, υπολογίζεται το κόστος κατασκευής και λειτουργίας της και γίνεται σύγκριση αυτών με υπάρχουσες μονάδες εκχύλισης πυρηνελαίου με εξάνιο. Γίνεται παρουσίαση και κοστολόγηση τρόπων παραλαβής σκουαλενίου που να έχουν οικονομικό ενδιαφέρον, από εναλλακτικές πηγές που σχετίζονται άμεσα με τον ελαιοπυρήνα. Στο κεφάλαιο 9 συνοψίζονται τα συμπεράσματα της διατριβής. Στο κεφάλαιο 10 δίνονται προτάσεις για περαιτέρω μελέτη του αντικειμένου.

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΙΟΠΥΡΗΝΑΣ & ΠΥΡΗΝΕΛΑΙΟ 1.1 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΛΑΙΟΛΑΔΟΥ Ο καρπός της ελιάς, όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα, αποτελείται από πολλά μέρη [Πουτούρης 2007, Κυριτσάκης 1993]. -το εξωκάρπιο ή φλοιό που αποτελείται από μια σειρά επιδερμικών κυττάρων -το μεσοκάρπιο ή σάρκα που αποτελεί το εδώδιμο μέρος και το μέρος που γίνεται η ελαιογένεση, και -το ενδοκάρπιο ή πυρήνα που αποτελείται από λιθώδη κύτταρα. Μέσα στο ενδοκάρπιο υπάρχει το σπέρμα. Παρόλο που υπάρχουν πολλές μέθοδοι εξαγωγής του ελαιολάδου από τον ελαιόκαρπο, όλες έχουν κατά βάση την ίδια γραμμή παραγωγής: α) σπάσιμο του ελαιοκάρπου για τη δημιουργία της ελαιοζύμης και β) μάλαξη της ελαιοζύμης για την απελευθέρωση του ελαιώδους χυμού. Η πρακτική αυτή, εφαρμοσμένη

26 ανέκαθεν, οδηγεί, με τη σημερινή τεχνολογία, στην αποδοτική απομάκρυνση του ελαιολάδου από την ελιά. Η τυπική γραμμή παραγωγής ελαιολάδου [Κυριτσάκης 1993, Niaounakis M. & Halvadakis C.P. 2004] έχει τα εξής στάδια: α) Παραλαβή ελαιοκάρπου β) Τροφοδοσία αποφύλλωση γ) Πλύσιμο δ) Σπάσιμο άλεση ελαιοκάρπου ε) Μάλαξη στ) Παραλαβή του ελαιολάδου από την ελαιοζύμη ζ) Τελικός διαχωρισμός Καθαρισμός ελαιολάδου Μέσα στην ελαιοζύμη βρίσκονται τεμαχίδια από το ξυλώδες ενδοκάρπιο, ελαιώδης χυμός, που προέρχεται από τη συνένωση των μικρών σταγονιδίων του ελαιολάδου και φυτικά υγρά [Κυριτσάκης 1993]. Για το στάδιο της παραλαβής του ελαιολάδου από την ελαιοζύμη έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι, όπως η πίεση και η συνάφεια, αλλά η πλέον διαδεδομένη είναι η φυγοκέντρηση. Οι οριζόντιοι φυγοκεντρικοί διαχωριστές (decanters) που χρησιμοποιούνται στην αγορά είναι είτε δύο είτε τριών φάσεων, με τη μία φάση να είναι πάντα η ελαιώδης. Όταν έχουμε δύο ακόμα φάσεις τότε έχουμε διαχωρισμό της υδατική φάσης (τα φυτικά υγρά) από τα στερεά τεμαχίδια, ενώ όταν έχουμε μόνο μία φάση ακόμα τότε υδάτινα και στερεά απομακρύνονται μαζί. Η ελαιώδης φάση, αναλόγως της ποιότητάς της, είτε συσκευάζεται απ ευθείας είτε επεξεργάζεται προ της συσκευασίας. Η υδατική φάση συνήθως απορρέει σε υδάτινους πόρους είτε προ είτε έπειτα από την επεξεργασία της. Η στερεή φάση συνήθως εκχυλίζεται με οργανικό διαλύτη για την παραλαβή του πυρηνελαίου και του εκχυλισμένου ελαιοπυρήνα. Σύμφωνα με κανονισμό της Ευρωπαικής Ένωσης ΕΚ/1019/2002, οι κατηγορίες ελαιολάδου και πυρηνελαίου είναι οι εξής: 1. Εξαιρετικό παρθένο ελαιόλαδο (extra virgin olive oil): Ελαιόλαδο ανωτέρας κατηγορίας, απευθείας από ελιές και μόνο με μηχανικές μεθόδους, η οξύτητα του οποίου εκφρασμένη σε ελαϊκό οξύ δεν υπερβαίνει τα 0.8g ανά 100g.

27 2. Παρθένο ελαιόλαδο (virgin olive oil): Ελαιόλαδο που παράγεται απευθείας από ελιές και μόνο με μηχανικές μεθόδους, η οξύτητα του οποίου εκφρασμένη σε ελαϊκό οξύ δεν υπερβαίνει τα 2g ανά 100g. 3. Ελαιόλαδο αποτελούμενο από εξευγενισμένα ελαιόλαδα και παρθένα ελαιόλαδα: Έλαιο, που περιέχει αποκλειστικά ελαιόλαδα που έχουν υποστεί εξευγενισμό και έλαια που έχουν παραχθεί απευθείας από ελιές, η οξύτητα του οποίου εκφρασμένη σε ελαϊκό οξύ δεν υπερβαίνει το 1g ανά 100g. Αναφέρεται ειδικά ότι στα εξευγενισμένα ελαιόλαδα η οξύτητα δεν μπορεί να υπερβαίνει τα 0.3g ανά 100g. 4. Πυρηνέλαιο (olive pomace oil): Είτε έλαιο που περιέχει αποκλειστικά έλαια που προέρχονται από επεξεργασία του προϊόντος, που ελήφθη μετά την εξαγωγή του ελαιολάδου και έλαια που ελήφθησαν απευθείας από τις ελιές είτε έλαιο που περιέχει αποκλειστικά έλαια που προέρχονται από επεξεργασία των πυρήνων της ελιάς και έλαια που ελήφθησαν απευθείας από τις ελιές. Στο ανεπεξέργαστο πυρηνέλαιο δεν ορίζεται μέγιστος βαθμός οξύτητας, ενώ στο επεξεργασμένο ο βαθμός αυτός είναι ΕΛΑΙΟΠΥΡΗΝΑΣ Το στερεό υποπροϊόν του φυγοκεντρικού διαχωρισμού της ελαιοζύμης, ο ελαιοπυρήνας, είναι το κυριότερο στερεό υποπροϊόν της παραγωγής ελαιολάδου. Τυπικά ο ελαιοπυρήνας περιέχει τα εξής συστατικά: Πίνακας 1.1: Σύσταση του ελαιοπυρήνα κλασικού τριφασικού ελαιοτριβείου [Niaounakis M. & Halvadakis C.P. 2004] Συστατικά Περιεκτικότητα %(w/w) Υγρασία 48,30 52,17 Λίπη & Έλαια 2,44 5,34 Πρωτεΐνες 3,41 3,45 Ολικά Σάκχαρα 0,98 1,00

28 Κυτταρίνη 17,17 17,57 Ημι-κυτταρίνη 7,48 8,36 Τέφρα 1,60 1,81 Λιγνίνη 1 10,42 Άζωτο κατά Kjeldahl 0,50 0,52 Φώσφορος (εκφρασμένος ως P 2 O 5 ) 0,01 Φαινολικές Ενώσεις 0,29 0,36 Κάλιο (εκφρασμένο ως K 2 O) 0,36 0,42 Ασβέστιο (εκφρασμένο ως CaO) 0,40 0,48 Η ποσότητα των λιπαρών ουσιών, που υπάρχουν στον ελαιοπυρήνα είναι συνάρτηση της ρύθμισης και της απόδοσης του φυγοκεντρικού διαχωριστή. Έτσι, είναι αρκετά συνηθισμένο σε ελαιουργεία που δεν έχουν βελτιστοποιήσει τη γραμμή παραγωγής τους να παράγουν ελαιοπυρήνα με συγκέντρωση σε λιπαρές ύλες έως και 9%κ.β. Όπως αναφέρθηκε, το ποσοστό αυτό εκχυλίζεται με διαλύτη για την παραγωγή του ακατέργαστου πυρηνελαίου. Ο εκχυλισμένος ελαιοπυρήνας έχει μικρότερη περιεκτικότητα σε πυρηνέλαιο (~1%) [Κυριτσάκης 1993] και η κυριότερη χρήση του είναι η καύση σε ειδικούς καυστήρες, καθώς η θερμιδική του αξία βρίσκεται στην περιοχή των 2700Kcal/kg. 1.3 ΠΥΡΗΝΕΛΑΙΟ Το ακατέργαστο πυρηνέλαιο δεν μπορεί να διατεθεί στην κατανάλωση απ ευθείας, λόγω του μεγάλου ποσοστού ελεύθερων λιπαρών οξέων που περιέχει (περίπου 16g ελεύθερων λιπαρών οξέων ανά 100g πυρηνελαίου, Διεθνές Συμβούλιο Ελαιολάδου) [International Olive Oil Council 2001]. Έχει προταθεί [Miyashita & Takagi 1986] ότι η παρουσία καρβοξυλικής ομάδας, όπως αυτής των ελεύθερων λιπαρών οξέων, καταλύει το σχηματισμό ελεύθερων ριζών υποβοηθώντας τη διάσπαση των υπεροξειδίων. Το αποτέλεσμα είναι η γρήγορη υποβάθμιση της ποιότητας του τελικού προϊόντος, με τη μείωση ή καταστροφή ουσιών απαραίτητων για τον άνθρωπο, όπως η βιταμίνη

29 τοκοφερόλη, ο υδρογονάνθρακας σκουαλένιο και τα λιπαρά οξέα λινελαϊκό και λινολενικό. Για το λόγο αυτό το πυρηνέλαιο, όπως και τα παρθένα ελαιόλαδα, που δεν είναι άμεσα κατάλληλα προς εμπορία, εξευγενίζονται, ακολουθείται, δηλαδή, μια σειρά χημικών και φυσικών διεργασιών για τη βελτίωση των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών τους και την αύξηση του χρόνου ζωής τους. Η σειρά αυτή αποτελείται από τα στάδια α) απομάκρυνση των βλεννωδών ουσιών, β) απομάκρυνση των λιπαρών οξέων, γ) απόσμηση και δ) αποχρωματισμό [Κυριτσάκης 1993, Βαγιόκας et al. 1997, Πιστοφίδης et al. 1997]. Στο πρώτο απομακρύνονται κόμμεα και ρητίνες, στο δεύτερο η οξύτητα του ελαίου πέφτει στα αποδεκτά επίπεδα με εξουδετέρωση (σαπωνοποίηση) των ελεύθερων λιπαρών οξέων, στο τρίτο απομακρύνονται οι αλδεΰδες και κετόνες που προκαλούν τη δυσοσμία του ελαιολάδου και στο τέταρτο, συχνά με ενεργό άνθρακα, απομακρύνονται οι χρωμοφόρες ουσίες, που δημιουργούν στον καταναλωτή δυσάρεστη αίσθηση για το προϊόν. Το πυρηνέλαιο περιέχει εστέρες της γλυκερίνης με λιπαρά οξέα, κυρίως το μονοακόρεστο ελαϊκό οξύ (C18:1), αλλά και τα πολυακόρεστα λινελαϊκό (C18:2) και λινολενικό (C18:3). Πέραν όμως από τα τριγλυκερίδια, το πυρηνέλαιο έχει πλήθος δευτερευόντων συστατικών, όπως παρουσιάζεται στον πίνακα 1.2, εφόσον αυτά δεν καταστραφούν κατά την επεξεργασία του ελαιοπυρήνα. Τα συστατικά αυτά (στερόλες, φαινόλες, τοκοφερόλες, χρωστικές, φωσφατίδια) απομακρύνονται από το πυρηνέλαιο κατά τα διάφορα στάδια παραγωγής και εξευγενισμού του, η παρουσία τους, όμως, θα είχε ευεργετική επίδραση στην προστασία του ελαίου ενάντια στους οξειδωτικούς παράγοντες. Σύμφωνα με τους Rastrelli et al. (2002) η σειρά οξείδωσης των συστατικών του ελαιολάδου είναι α) τοκοφερόλες, β) σκουαλένιο, γ) φαινόλες, δ) στερόλες, ε) ελεύθερα λιπαρά οξέα, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι, αν δεν καταστραφούν οι πρώτες, δεν επηρεάζονται οι υπόλοιπες ουσίες. Πίνακας 1.2: Εκατοστιαία σύνθεση του ασαπωνοποίητου μέρους του πυρηνελαίου [Κυριτσάκης 1993] Συστατικά Περιεκτικότητα %(w/w) Σκουαλένιο και άλλοι ασαπωνοποίητοι 12

30 υδρογονάνθρακες Στερόλες 25 Εστέρες στερολών 1 Τριτερπενοειδείς αλκοόλες 10 Ανώτερες λιπαρές αλκοόλες 15 Κηροί 2 Τοκοφερόλες, αντιοξειδωτικά, πτητικά 35 και άλλα συστατικά Η ύπαρξη αυτών των συστατικών είναι και η αιτία της μεγαλύτερης αντοχής του ελαιολάδου και του πυρηνελαίου στο τάγγισμα σε σχέση με άλλα έλαια, καθώς οξειδώνονται πριν από τα λιπαρά οξέα, προστατεύοντάς τα από την οξείδωση. 1.4 ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΛΑΙΟΛΑΔΟΥ Το περιβάλλον του ελαιουργείου αποδέχεται τον όγκο των ανεπιθύμητων συστατικών της παραγωγικής διαδικασίας. Φύλλα, απόνερα πλυσίματος, απόνερα φυγοκέντρισης και εκχυλισμένος ελαιοπυρήνας συνθέτουν ένα μίγμα υψηλού οργανικού φορτίου που χρήζει επεξεργασίας, καθώς ανεπεξέργαστο δύναται να προκαλέσει σημαντικές φθορές στο περιβάλλον. Για τα φύλλα, όταν δεν απορρίπτονται ανεπεξέργαστα, υπάρχει η πρόβλεψη να αναμιγνύονται με χώμα για τη δημιουργία εμπλουτισμένου χώματος [Κυριτσάκης 1993]. Ακόμα, έχει γίνει προσπάθεια να αποχαρακτηριστούν από απόβλητα, με το να μετατρέπονται σε πηγή βιταμινών [de Lucas et al. 2002] με τη χρήση της τεχνολογίας της υπερκρίσιμης εκχύλισης. Για τα απόνερα πλυσίματος υπάρχει ήδη η τεχνολογία της βιολογικής επεξεργασίας και ανακύκλωσης, καθώς περιέχουν χαμηλό φορτίο και αντιμετωπίζονται εύκολα. Για τα απόνερα της φυγοκέντρισης η συνήθης διαδικασία είναι η απόθεσή τους σε λίμνες αποξήρανσης, αλλά υπάρχει και έρευνα στον τομέα της χρησιμοποίησής τους [Lesage-Meesen et al. 2001],

31 καθώς είναι πλούσια σε φαινόλες, τοξικές για το περιβάλλον και χρήσιμες για τον άνθρωπο. Για τον ελαιοπυρήνα, η σύγχρονη τεχνολογία εστιάζει στο λάδι που περιέχει και το εκχυλίζει με τη χρήση οργανικών διαλυτών, εξάνιο κατά κύριο λόγο. Ο εκχυλισμένος ελαιοπυρήνας είτε αποτίθεται σε διαμορφωμένους χώρους, είτε, εφόσον έχει γίνει πρότερη σχεδίαση, χρησιμοποιείται ως καύσιμο. Ο ελαιοπυρήνας, καθώς διαχωρίζεται από το παρθένο ελαιόλαδο, μαζεύεται σε σωρούς που αφήνονται στο εξωτερικό περιβάλλον μέχρι να παραληφθούν από το πυρηνελαιουργείο. Αυτή, όμως, η αντιμετώπισή του, ως παραπροϊόντος μάλλον και όχι ως χρήσιμης πρώτης ύλης, προκαλεί σημαντική υποβάθμιση στα χαρακτηριστικά του ελαίου που περιέχει. Στο εξωτερικό περιβάλλον, το πυρηνέλαιο υφίσταται υδρολυτικό τάγγισμα από την υγρασία του αέρα και οξειδώνεται από την παρουσία φωτός και την υψηλή θερμοκρασία [Κυριτσάκης 1993]. Τέλος, όσον αφορά το πυρηνέλαιο, μελετάται για τις ουσίες που περιέχει και που μπορούν να εκχυλιστούν από αυτό [Esquível & Bernardo-Gil G. 1993, Esquível et al. 1999, Stavroulias & Panayiotou 2005]. Ανεξάρτητα από το ποια μέθοδος εφαρμόζεται στα ελαιουργεία για την επεξεργασία των αποβλήτων της παραγωγής, το σταθερό δεδομένο είναι ότι θεωρούνται απόβλητα ισοδύναμα με αυτά της βαριάς βιομηχανίας, τοξικά και επικίνδυνα για το περιβάλλον, που χρήζουν αναγκαστικής επεξεργασίας. Όπως αναφέρθηκε βέβαια, πολλές από τις ουσίες που περιέχονται στο ελαιόλαδο και το πυρηνέλαιο, έχουν ιδιαίτερες εφαρμογές στη φαρμακευτική βιομηχανία και τη βιομηχανία τροφίμων. Για το λόγο αυτό, η σύγχρονη τεχνολογία μελετά την απομόνωση αυτών των δυνητικά επιβλαβών για το περιβάλλον ουσιών και την αξιοποίησή τους. Οι ουσίες που περιέχονται στο πυρηνέλαιο αναλύονται παρακάτω ΤΟΚΟΦΕΡΟΛΕΣ Οι τοκοφερόλες είναι άχρωμες έως υποκίτρινες ελαιοδιαλυτές ουσίες. Απαντώνται στα φυτικά έλαια και είναι γνωστές με το όνομα βιταμίνη Ε, που στην πραγματικότητα αποτελεί τον γενικό όρο για τοκόλες και τοκοτριενόλες που παρουσιάζουν συμπεριφορά βιταμίνης παρόμοια με αυτή της α-τοκοφερόλης.

32 Σχήμα 1-1. Χημική δομή των κύριων τοκοφερολών και τοκοτριενολών [G. Lercker, M.T. Rodriguez-Estrada 2000]] Η α-τοκοφερόλη είναι το πλέον ενεργό ως βιταμίνη ισομερές με τη β- τοκοφερόλη να πλησιάζει το 40% της α- και τις γ- και δ- να βρίσκονται στο 1-11% σε συγκριτική ισχύ [Fennema 1996, Mendes et al. 2002]. Είναι εξαιρετικά άπολες και παρουσιάζουν σταθερότητα απουσία οξυγόνου, φωτός και θερμότητας [Fennema 1996], παρόλο που έχουν υψηλό σημείο ζέσεως ( ο C) [The Merck Index]. Η απουσία τους από το διαιτολόγιο έχει συνδεθεί με προβλήματα κύησης, αιμόλυση και μυϊκή δυστροφία [Fennema 1996]. Συνηθέστερα χρησιμοποιούνται ως πρόσθετα σε τρόφιμα και ζωοτροφές (71%), στη φαρμακοβιομηχανία (24%) και για την παραγωγή τροφίμων (2%) και καλλυντικών (3%). Η αγορά τους κυμαίνεται στους μετρικούς τόνους ετησίως [Güçlü-Üstündag & Temelli 2004]. Πολύ συχνά προτιμώνται για την υψηλή αντιοξειδωτική τους συμπεριφορά, π.χ. προστίθενται στην επεξεργασία κρέατος, για την αποφυγή

33 σχηματισμού νιτροζοαμινών κατά την προσθήκη νιτρωδών αλάτων [Fennema 1996]. Θεωρούνται πολύ ευεργετικές για το καρδιαγγειακό σύστημα και στην καταπολέμηση του καρκίνου, της γήρανσης του μϋικού και κυτταρικού συστήματος, του καταρράκτη και άλλων εκφυλιστικών ασθενειών [Güçlü- Üstündag & Temelli 2004]. Πάντως μερικοί ερευνητές διαφωνούν με το ότι όλες οι δράσεις τους έχουν αποδειχθεί θετικές [Melcherta et al. 2002]. Στη φύση βρίσκονται συχνά σε ελαιοπαραγωγικούς καρπούς σε διάφορες συγκεντρώσεις. Έχουν καταγραφεί συγκεντρώσεις της τάξεως των 90mg/kg στο ελαιόλαδο [Fennema 1996], ενώ σε άλλα έλαια, όπως το ηλιέλαιο και το βαμβακέλαιο οι αναφερόμενες συγκεντρώσεις είναι σε υψηλότερα επίπεδα (564mg/kg). Οι συγκεντρώσεις αυτές αναφέρονται με επιφύλαξη, καθώς πλήθος ερευνών δίνουν διαφορετικά μεγέθη συγκεντρώσεων τοκοφερολών για τα διάφορα έλαια. Σύγχρονες έρευνες π.χ. δίνουν στο ελαιόλαδο συγκεντρώσεις τοκοφερόλης της τάξεως των mg/kg με το 60% των αναφερόμενων μετρήσεων να δίνει συγκεντρώσεις μεγαλύτερες των 200mg/kg [Psomiadou et al. 2000, Rastrelli et al. 2002]. Όμως, η επεξεργασία που υφίστανται αυτοί οι καρποί για την παραγωγή των ελαίων προκαλεί απώλειες στις θερμοευαίσθητες αυτές ουσίες, που οξειδώνονται πολύ εύκολα. 5% απώλειες έχουν καταμετρηθεί μόνο στην εξουδετέρωση, ενώ άλλο ένα 20% χάνεται στη ραφιναρία λόγω υψηλής θερμοκρασίας, παρά την απουσία οξυγόνου. Στο πυρηνέλαιο, όπου ο καρπός αφήνεται για μεγάλα χρονικά διαστήματα στον ατμοσφαιρικό αέρα, τον ήλιο και τις κλιματικές συνθήκες και που ο καρπός υφίσταται διεργασίες, όπως ξήρανση με θερμό αέρα, οι απώλειες είναι πολύ μεγαλύτερες. Η σύνθεσή τους δεν εκτιμάται ως δύσκολη ή ακριβή [Güçlü-Üstündag & Temelli 2004]. Συνήθως οι φυτικές τοκοφερόλες αποκτώνται από τον εμπλουτισμό ήδη εμπλουτισμένων σε τοκοφερόλες ουσιών. Περισσότερο χρησιμοποιείται το παραπροϊόν της ραφιναρίας «απόσταγμα απόσμησης» διαφόρων ελαίων, συνηθέστερα της σόγιας στην οποία βρίσκονται σε πολύ υψηλή συγκέντρωση (~2400mg/kg) [Ramón & Ramón 2000]. Άλλωστε το σογιέλαιο αποτελεί το λάδι με τη μεγαλύτερη παγκόσμια κυκλοφορία. Στο ελαιόλαδο η οξείδωσή τους επιβραδύνεται από την ύπαρξη και άλλων αντιοξειδωτικών ουσιών, όπως το σκουαλένιο και οι ο-διφαινόλες [Rastrelli et al. 2002].

34 1.4.2 ΣΤΕΡΟΛΕΣ Η στερόλη με τη μεγαλύτερη αναλογία στο πυρηνέλαιο είναι η β- σιτοστερόλη. Η ελάχιστη αναφερόμενη αναλογία β-σιτοστερόλης στο πυρηνέλαιο είναι το 93% του συνόλου των στερολών. Δεύτερη σε συγκέντρωση είναι η καμπεστερόλη, που δεν ξεπερνάει το 4%. Στο φρέσκο πυρηνέλαιο δεν εμφανίζεται στιγμαστερόλη [Lercker & Rodriguez-Estrada 2000], που όμως μπορεί να εμφανιστεί στο ραφιναρισμένο πυρηνέλαιο, όχι όμως σε ποσότητα μεγαλύτερη της καμπεστερόλης [Ranalli et al. 1999]. Στο πυρηνέλαιο ακόμη μπορούν να βρεθούν σε πολύ μικρότερες αναλογίες χοληστερόλη και μπρασσικαστερόλη. Σχήμα 1-2. Χημική δομή των κύριων φυτοστερολών [Lercker & Rodriguez- Estrada 2000] Ο λόγος, για τον οποίο είναι ορισμένες αυτές οι ποσότητες στερολών για κάθε τύπο ελαίου, δεν είναι, διότι κάποιες θεωρούνται ευεργετικές για τον οργανισμό και κάποιες όχι, παρόλο που υπάρχει πλήθος εργασιών να καταδεικνύουν την ευεργετική επίδραση των φυτοστερολών γενικά στον οργανισμό. Ο λόγος είναι, διότι κάθε τύπος λαδιού έχει συγκεκριμένη αναλογία φυτοστερολών, που εξαρτάται από το σπόρο από τον οποίο προήλθε. Φυσικά