ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΣ ΥΛΕΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΩΝ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΓΙΑ ΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΣ ΥΛΕΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΩΝ «ΠΑΡΑΛΑΒΗ ΠΗΚΤΙΝΗΣ ΚΑΙ ΕΣΠΕΡΙΔΙΝΗΣ ΑΠΟ ΣΤΕΡΕΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΣΠΕΡΙΔΟΕΙΔΩΝ» Λάμπρου Γιώργος Νοέμβριος 2016

2 1. Σκοπός Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι η ενημέρωση των φοιτητών για τις δυνατότητες αξιοποίησης αποβλήτων με παραλαβή υποπροϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Στα πλαίσια αυτού θα πραγματοποιηθεί παραλαβή πηκτίνης και εσπεριδίνης από το στερεό απόβλητο βιομηχανίας εσπεριδοειδών. Για τη διαδικασία αυτή θα γίνει χρησιμοποιηθεί η μέθοδος της διήθησης υπό κενό. Εικόνα 1 Διάταξη διήθησης υπό κενό 2. Βιομηχανία εσπεριδοειδών Κατά την βιομηχανική παραγωγή χυμού πορτοκαλιού, περισσότερο από το μισό του βάρους των χρησιμοποιούμενων πορτοκαλιών αποτελεί αχρησιμοποίητο υπόλειμμα (φλοιοί, σπόροι κλπ.), του οποίου η απομάκρυνση από τη βιομηχανική μονάδα είναι δυσχερής και δαπανηρή. Σύμφωνα με στοιχεία που δημοσίευσε το ΚΑΠΕ για το έτος 2003 στις χώρες της Νότιας Ευρώπης (Ελλάδα, Ιταλία, Ισπανία, Πορτογαλία), παράγονταν κάθε χρόνο κατά μέσο όρο περίπου τόνοι αποβλήτων από τις βιομηχανίες επεξεργασίας εσπεριδοειδών. Μία λύση που εφαρμόζεται συνήθως είναι η ξήρανση των υπολειμμάτων και παρασκευή ζωοτροφών με μεγάλη θρεπτική αξία. 2

3 Εικόνα 2 Ζωοτροφή από στερεό απόβλητο βιομηχανίας εσπεριδοειδών (flakes και pellets) Σε άλλες περιπτώσεις, οι φλοιοί χρησιμοποιούνται ως πρώτη ύλη για την παρασκευή πηκτίνης, οινοπνεύματος, οινοπνευματούχων ποτών, σιροπιών καθώς και για τον πολλαπλασιασμό και τη βιομηχανική παρασκευή ζυμών. Μεταξύ των διαφόρων συστατικών των πορτοκαλιών, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν επίσης τα αιθέρια έλαια,η πηκτίνη και οι γλυκοζίτες (εσπεριδίνη) που περιέχουν. Τα προϊόντα αυτά έχουν υψηλή προστιθέμενη αξία δεδομένου ότι μπορούν να αξιοποιηθούν ως Α ύλες στη βιομηχανία, καλλυντικών, φαρμάκων και τροφίμων. Δεδομένου ότι συνεχίζει να καταλήγουν μεγάλες ποσότητες ανεπεξέργαστών αποβλήτων στο περιβάλλον αποκτά μεγάλη σημασία η ενεργειακή αξιοποίηση των αποβλήτων της χυμοποιείας εσπεριδοειδών με την αναερόβια χώνευση. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι να έχει προηγηθεί η αφαίρεση των αιθέριων ελαίων από το στερεό υπόλειμμα. Το D-limonene όπου περιέχουν σε ποσότητα 90% τα αιθέρια έλαια των πορτοκαλιών αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα για την πορεία της χώνευσης. 3. Θεωρητικό υπόβαθρο 3.1. Εσπεριδίνη H εσπεριδίνη ανήκει στην κατηγορία των φλαβονoειδών, και έχει αυξημένη συγκέντρωση στα λεμόνια και τα πορτοκάλια. Τα φλαβονοειδή αποτελούν μία μεγάλη κατηγορία φαινολικών συστατικών τα οποία εντοπίζονται σε όλο το φυτικό βασίλειο. Έχουν μικρό μοριακό βάρος και αποτελούν δευτερογενείς μεταβολίτες του των φυτών. Δεν σχετίζονται άμεσα με την επιβίωση τους, εντοπίζονται σε όλα τα μέρη του φυτού και αποτελούν ενδογενείς βιολογικούς μηχανισμούς που ενεργοποιούνται σε καταστάσεις καταπόνησης. Αυτό μπορεί να συμβεί λόγω εντομολογικών προσβολών, παθογόνων, τροφοπενίας, 3

4 δυσμενών συνθηκών περιβάλλοντος ανάπτυξης, τραυμάτων φυτικού ιστού κτλ. Ανακαλύφθηκαν το 1938 από τον βραβευμένο με Νόμπελ βιοχημικό Albert Szent-Gyorgi. Σε ανώριμους καρπούς πορτοκαλιάς, οι οποίοι διακρίνονται από τον πράσινο χρωματισμό μπορεί να φτάσει το 14% της μάζας του φρούτου. Χρησιμοποιείται ως πρόσθετο σε σιτηρέσια ζώων και στη φαρμακοβιομηχανία σε συνδυασμό με άλλες δραστικές (πχ διοσμίνη) ή μόνη της. Ανακαλύφθηκε το 1827 από τον Lebreton, αλλά όχι στην καθαρή της μορφή. Εικόνα 3 Εσπεριδίνη Το σημείο τήξης κυμαίνεται από C μέχρι και C. Ο μοριακός τύπος είναι C 18H 34O 15. Έχει χαμηλή διαλυτότητα στο νερό (1gr/50ml), αλλά είναι ευκόλως διαλυτή σε αλκαλικά διαλύματα και την πυριδίνη. Σχηματίζει ανεπίστρεπτή κρυσταλλική δομή με άλλους γλυκοζίτες. Λόγω αυτού επηρεάζεται η διαλυτότητα της και είναι δύσκολο να εξαχθεί σε καθαρή μορφή. Είναι άγευστη και άοσμη. Εικόνα 4 Μόριο εσπεριδίνης Χρησιμοποιείται στην φαρμακευτική σε συνδυασμό με άλλα προϊόντα. Ευρείας χρήσης συνδυασμός της εσπεριδίνης είναι με το φλαβονοειδές διοσμίνη και χρησιμοποιούνται σε φάρμακα που αφορούν το καρδιαγγειακό σύστημα Πηκτίνη Η πηκτίνη είναι πολυσακχαρίτης με πολύπλοκη δομή, βρίσκεται στα τοιχώματα των φυτικών κυττάρων έχει δομικό ρόλο, συμμετέχει στην ανάπτυξη τους και συμβάλει στην άμυνα του φυτού. Είναι ένα πολυμερές του γαλακτουρονικού οξέος όπου ένα ποσοστό των καρβοξυλικών ριζών του (-COOH) έχουν εξουδετερωθεί από τη ρίζα CH3O-. H κατά βάρος περιεκτικότητα της πηκτίνης σε CH3O- είναι ένας βασικός παράγοντας για την ποιότητά της. Έτσι οι πηκτίνες χωρίζονται βάση της περιεκτικότητας 4

5 του σε CH 3O- σε πηκτίνες χαμηλής περιεκτικότητας (<7% CH3O-) και υψηλής περιεκτικότητας (>7% CH 3O-). Οι πηκτίνες χαμηλής μεθυλίωσης έχουν αυξανόμενη διείσδυση στη βιομηχανία τροφίμων και βρίσκουν εφαρμογή σε προϊόντα που περιέχουν χαμηλό ποσοστό ζάχαρης, όπως διαιτητικές μαρμελάδες και διάφορα γλυκά για διαβητικούς. Επίσης χρησιμοποιούνται σαν σταθεροποιητές σε διάφορα προϊόντα γάλακτος όπως παγωτά και γιαούρτια διότι σχηματίζουν ζελέ με ιόντα ασβεστίου. Ο βασικός όγκος των πηκτινών υψηλής μεθυλίωσης χρησιμοποιείται στην παραγωγή μαρμελάδας. Εικόνα 5 Πηκτίνες χαμηλής και υψηλής μεθυλίωσης Έχει εφαρμογές στους βιομηχανικούς κλάδους τροφίμων, ποτών και άλλων. Η σημαντικότητα της στη παρασκευή τροφίμων οφείλεται στην ιδιότητα της πηκτίνης να σχηματίζει γέλη (gel) παρουσία ιόντων Ca 2+ ή διαλύματος με χαμηλό ph. Στη βιομηχανία τροφίμων χρησιμοποιείται για την παρασκευή μαρμελάδων, κατεψυγμένων και ως υποκατάστατο ζάχαρης σε προϊόντα με λίγες θερμίδες. Στη φαρμακοβιομηχανία αξιοποιείται για την μείωση των επιπέδων χοληστερόλης και γαστρεντερικές διαταραχές. Άλλες εφαρμογές της πηκτίνης περιλαμβάνουν τη χρήση σε εδώδιμα φιλμ, ως υποκατάστατο χαρτιού κλπ. Υπάρχει όλο και αυξανόμενη τάση υποκατάστασης των χημικών που χρησιμοποιούνται ως σταθεροποιητές και γαλακτωματοποιητές σε αλοιφές και κρέμες. Στη βιομηχανία καλλυντικών υπάρχει αυξανόμενη ζήτηση από πηκτίνες χαμηλής μεθυλίωσης στα πλαίσια επανεξέτασης των βλαβερών συνεπειών (καρκινογένεση, δερματοπάθειες, αλλεργίες κλπ.) που έχουν παρατηρηθεί από τη συνεχή χρήση των χημικών γαλακτωματοποιητών. Στη φαρμακοβιομηχανία οι πηκτίνες βρίσκουν πολλές και ποικίλες εφαρμογές. Επιπλέον, έχουν θεραπευτικές ιδιότητες και χρησιμοποιούνται ευρέως ως φάρμακα για το στομάχι και το πεπτικό σύστημα γενικότερα. Το μόριο της πηκτίνης έχει χειλικές ιδιότητες και δεσμεύει τα βαρέα μέταλλα, προστατεύοντας και θεραπεύοντας έτσι τις δηλητηριάσεις από βαρέα μέταλλα. 5

6 Εικόνα 6 Πηκτίνη χύδην Πηκτίνες εντοπίζονται σε όλα τα φρούτα και λαχανικά. Χαρακτηριστικός τους ρόλους είναι η συγκράτηση της δομής των φυτικών ιστών εφόσον η συγκεκριμένη ουσία έχει κολλώδη ιδιότητα, κατά συνέπεια συγκρατεί τα κύτταρα. Επίσης δρα ως ρυθμιστής αφυδάτωσης των νέων κυττάρων, προσφέρει προστασία από το ψύχος και σε αυτήν οφείλεται η σκληρότητα των καρπών. Τα μήλα και τα πορτοκάλια περιέχουν αρκετή πηκτίνη, ενώ χαμηλότερη είναι η περιεκτικότητα μαλακών φρούτων όπως κεράσια, σταφύλια και φράουλες. Τυπικά επίπεδα πηκτίνης για μήλα είναι 1%, πορτοκάλια 0,5-3,5% και καρότα 1,4% 4. Εργαστηριακή διαδικασία 4.1 Προετοιμασία Α ύλης Ως πρώτη ύλη χρησιμοποιούνται φλοιοί πορτοκαλιών. Τεμαχίζονται με κατάλληλο κοπτικό μέσο σε κομμάτια επιφάνειας 1x1 cm. Το τεμαχισμένο υλικό εισάγεται σε φιάλη με νερό και θερμαίνεται για διάστημα 15 λεπτών. Με το πέρας της διαδικασίας θέρμανσης παραλαμβάνουμε το υλικό και χωρίζεται σε δύο ίσα μέρη. 4.2 Παραλαβή πηκτίνης Το περιεχόμενο της σφαιρικής φιάλης μετά την απόσταξη χωρίζεται σε δύο μέρη, τα οποία ζυγίζονται. Στο ένα μέρος προστίθενται 2ml πυκνό ΗCl έτσι ώστε το ph του μίγματος να γίνει 1,4. Το μίγμα υπό συνεχή ανάδευση αφήνεται να βράσει για 20 λεπτά. Κατά τη διάρκεια του βρασμού, το μίγμα καθίσταται ολοένα και πυκνότερο λόγω της εκχύλισης της πηκτίνης. Μετά το πέρας του προκαθορισμένου χρόνου, προστίθενται 300mL κρύου νερού υπό ανάδευση. Στη συνέχεια το μίγμα διηθείται υπό κενό. Τα στερεά ξεπλένονται με 200 ml νερό και το διήθημα μεταφέρεται ποσοτικά σε φιάλη 2L. Κατόπιν προστίθενται 300 ml αιθυλικής αλκοόλης 95% οπότε η πηκτίνη καταβυθίζεται ποσοτικά. To μίγμα διηθείται και ξεπλένεται με αιθυλική αλκοόλη ώστε το ph του μίγματος να ανέβει στο 4-4,5. Τέλος 6

7 ξηραίνουμε την πηκτίνη στους 50 o C για 20 λεπτά και εν συνεχεία για 3 ώρες σε φούρνο κενού στους 40 o C. 4.3 Παραλαβή εσπεριδίνης Στο δεύτερο μέρος που παραλαμβάνεται από τη σφαιρική φιάλη της απόσταξης προστίθεται λίγο στερεό Ca(OH)2 μέχρι το ph να φθάσει και να σταθεροποιηθεί στο 11. Με τον τρόπο αυτόν παράγεται η χαλκονική μορφή της εσπεριδίνης η οποία είναι διαλυτή στο νερό προσδίδοντάς το και ένα χάλκινο χρώμα (εκ του οποίου προκύπτει και το όνομα). Στη συνέχεια γίνεται διήθηση του μίγματος υπό κενό. Το συλλεγόμενο διήθημα οξινίζεται με HCl μέχρις ότου το ph του μίγματος να φθάσει το 4,7. Με τον τρόπο αυτό επανασχηματίζεται η εσπεριδίνη η οποία είναι αδιάλυτη στο νερό. Ακολούθως το μίγμα αφήνεται σε θερμοκρασία ο C για 90 λεπτά υπό συνεχή μηχανική ανάδευση. Αυτό συμβαίνει προκειμένου να διευκολυνθεί η κρυστάλλωση της εσπεριδίνης. Στη συνέχεια ακολουθεί απόχυση του υπερκείμενου διαυγούς υγρού ενώ το υπόλοιπο διηθείται υπό κενό. Μετά το τέλος της διήθησης λαμβάνεται με απόξεση το ίζημα της εσπεριδίνης, το οποίο ξηραίνεται στους 80 ο C για 12 ώρες και ακολούθως κονιοποιείται και ζυγίζεται. 4.4 Χαρακτηρισμός ποσοστιαίας απόδοσής % απόδοση = βάρος παραγόμενης πηκτίνης/ βάρος πρώτης ύλης 100 Ερωτήσεις 1 Ποια προϊόντα/αγαθά μπορεί να προκύψουν από την επεξεργασία αποβλήτων εσπεριδοειδών; 2 Από τα δεδομένα που συλλέξατε στην πορεία της άσκησης υπολογίστε τη συνολική απόδοση σε πηκτίνη και σε εσπεριδίνη. 3 Από ποιους παράγοντες εξαρτάται η ποιότητα της πηκτίνης; 4 Αναφέρετε ποιες είναι οι δυνητικές χρήσεις πηκτίνης και εσπεριδίνης στη βιομηχανία. 7

8 Βιβλιογραφία Boskou, D.G., Sources of natural phenolic antioxidants. Trends Food Sci. Technol. 17, CRES, Electrical energy from waste of citrus processing industries [WWW Document]. URL (accessed ). Garg, A., Garg, S., Zaneveld, L.J.D., Singla, A.K., Chemistry and pharmacology of the Citrus bioflavonoid hesperidin. Phyther. Res. 15, Pourbafrani, M., Forgács, G., Sárvári, I., Niklasson, C., Bioresource Technology Production of biofuels, limonene and pectin from citrus wastes. Bioresour. Technol. 101, Ramawat, Kishan Gopal ; Mérillon, J.-M., Natural Products : Phytochemistry, Botany and Metabolism of Alkaloids, Phenolics and Terpenes, Springer. Springer, Berlin. Thakur, B.R., Singh, R.K., Handa, A.K., Rao, M.A., Chemistry and uses of pectin A review. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 37, Tripodo, M.M., Lanuzza, F., Micali, G., Coppolino, R., Nucita, F., Citrus waste recovery: A new environmentally friendly procedure to obtain animal feed. Bioresour. Technol. 91, Wikandari, R., Nguyen, H., Millati, R., Niklasson, C., Taherzadeh, M.J., Wikandari, R., Nguyen, H., Millati, R., Niklasson, C., Taherzadeh, M.J., Improvement of Biogas Production from Orange Peel Waste by Leaching of Limonene. Biomed Res. Int. 2015, 1 6. Wilmsen, P.K., Spada, D.S., Salvador, M., Antioxidant activity of the flavonoid hesperidin in chemical and biological systems. J. Agric. Food Chem. 53,