Δρ Ειρήνη Φ. Στρατή 1

Δρ Ειρήνη Φ. Στρατή 1

Βιοδραστικές ουσίες Φυσικά απαντώμενες χημικές ενώσεις ζωικής, θαλάσσιας ή φυτικής προέλευσης, που επιδρούν θετικά στη βελτίωση της υγείας και ευεξίας του ανθρώπινου οργανισμού Πηγές: Τρόφιμα ζωικής προέλευσης (γάλα, κρέας) Τρόφιμα θαλάσσιας προέλευσης (ιχθυηρά, οστρακοειδή, μαλακόστρακα) Τρόφιμα φυτικής προέλευσης (φυτοχημικά) 2

Τρόφιμα φυτικής προέλευσης: φρούτα και λαχανικά δημητριακά βότανα-αρωματικά φυτά ξηροί καρποί βρώσιμοι μύκητες σφενδάμι και προϊόντα μελιού 3

Μεταβολίτης (Metabolite): Κάθε ουσία που αποτελεί μέρος κάποιας χημικής διαδικασίας στον οργανισμό δηλαδή, τα ενδιάμεσα και τελικά προϊόντα του μεταβολισμού. Πρωτογενής μεταβολίτης (Primary metabolite): εμπλέκεται άμεσα στην ανάπτυξη και αναπαραγωγή σχετίζεται συνεπώς με τις ζωτικές λειτουργίες και είναι απαραίτητος για τη ζωή (Υδατάνθρακες, Λιπίδια, Αμινοξέα, Πεπτίδια, Πρωτεΐνες, Ένζυμα) Δευτερογενής μεταβολίτης (Secondary metabolite): Δεν εμπλέκεται άμεσα στην ανάπτυξη και αναπαραγωγή του οργανισμού, η έλλειψή του δεν επιφέρει άμεσο θάνατο, αλλά έχει επιπτώσεις στην ανάπτυξη ή αναπαραγωγή, ιδιαίτερα όταν ελλείπει για μεγάλο χρονικό διάστημα 4

Δευτερογενείς μεταβολίτες των φυτών που προκαλούν φαρμακολογικές και τοξικολογικές επιδράσεις στον άνθρωπο και στα ζώα (Bemhoft, 2010). Διαφοροποιούνται ανάλογα με το είδος του φυτού και παράγονται σε συγκεκριμένα στάδια της ανάπτυξής τους σε συγκεκριμένους ιστούς. Θεωρείται, ότι οι δευτερογενείς μεταβολίτες έχουν εξελιχθεί κατά την προσαρμογή των φυτών, ως μηχανισμοί άμυνας, ακόμα και επικοινωνίας. 5

Liu RH. Health-promoting components of fruits and vegetables in the diet. Adv Nutr. 2013 ;4:384S-392S. 6

4 κύριες κατηγορίες φυτοχημικών 1. Τερπένια (~ 25.000) Καροτενοειδή (35 %) Τερπενοειδή λιμονένιο (εσπεριδοειδή) μυρκένιο (δάφνη) 2. Φαινολικές ενώσεις (~ 8.000) Ελλαγικό, καφεϊκό, φερουλικό οξύ Φλαβονοειδή (65%) Λιγνάνες και φυτοστερόλες 3. Θειόλες, οργανικές θειούχες ενώσεις & συστατικά του γένους Allium Σταυρανθή λαχανικά, κρεμμύδια, σκόρδο, πράσα 4. Αλκαλοειδή (~ 12.000) (πιπερίνη, καψαϊκίνη, κ.α.) 7

1. Παραλαβή και Απομόνωση δευτερογενών μεταβολιτών 2. Ανάλυση και Χαρακτηρισμός εκχυλισμάτων φυσικής προέλευσης 3. Καθορισμός Δομής δευτερογενών μεταβολιτών 4. Σύνθεση αναλόγων και παραγώγων βιοδραστικών φυσικών προϊόντων 8

Αρωματικά-φαρμακευτικά φυτά 9

Περιέχουν υψηλή συγκέντρωση πτητικών συστατικών, που τους προσδίδουν χαρακτηριστική ευχάριστη οσμή Η οσμή οφείλεται σε μίγμα πτητικών ουσιών, (αιθέρια έλαια), πολύπλοκης χημικής σύνθεσης και ελαιώδους σύστασης Στην περιοχή της Μεσογείου και συγκεκριμένα στην Ελλάδα, φύεται μεγάλος αριθμός αρωματικών φυτών 10

Φυτά, που τα δραστικά συστατικά τους, χρησιμοποιούνται για την πρόληψη ή τη θεραπεία ασθενειών 11

Βελτίωση της γεύσης (μπαχαρικά) Αφεψήματα (τσάγια) για λόγους υγείας Βιομηχανία τροφίμων Βιομηχανία φαρμάκων Βιομηχανία καλλυντικών Αρωματοποιϊα Ποτοποιϊα Ζαχαροπλαστική Μελισσοκομία (θυμαρίσιο μέλι) Καλλωπιστική χρήση (καλλιέργειες) 12

Χρήσεις ΑΦΦ Τα Α.Φ.Φ. χρησιμοποιούνται: Νωπά Ξηρά φυτικά υλικά (μετά από συγκομιδή ή σχετική κατεργασία) Προσδίδουν υψηλή προστιθέμενη αξία σε παραγόμενα προϊόντα (συμπληρώματα διατροφής, φυτικά προϊόντα καλλωπισμού, φάρμακα, αρώματα κλπ.) 13

Διάγραμμα ροής της μελέτης των αρωματικών φυτών Επιλογή και συλλογή του φυτικού είδους Ξήρανση Αποθήκευση Τεμαχισμός και κονιοποίηση Παρασκευή φυτικών εκχυλισμάτων Απομόνωση και χαρακτηρισμός βιοδραστικών ουσιών Έλεγχος βιολογικής δράσης in-vitro και in-vivo ανάλυση Αξιολόγηση της εμπορικότητας του προϊόντος και βιομηχανική παραγωγή 14

1. Επιλογή και συλλογή φυτικού είδους 2. Ξήρανση λυοφιλοποίηση 3. Αποθήκευση 4. Τεμαχισμός-Κονιοποίηση 15

Παρασκευή φυτικών εκχυλισμάτων Υγρά ή ρευστά εκχυλίσματα Υγρά παρασκευάσματα, τα οποία λαμβάνονται είτε με εκχύλιση φυτικού υλικού, είτε με διάλυση των αντίστοιχων ξηρών εκχυλισμάτων Ξηρά εκχυλίσματα Είναι ξηρά ή υπό μορφή κόνεων παρασκευάσματα, τα οποία παραλαμβάνονται με εκχύλιση φυτικού υλικού και πλήρη συμπύκνωση του εκχυλίσματος υπό ελαττωμένη πίεση 16

Στόχοι: παραλαβή των επιλεγμένων βιοδραστικών ουσιών από φυτικό τρόφιμο αύξηση της επιλεκτικότητας και της ευαισθησίας των αναλυτικών μεθόδων μετατροπή των βιοδραστικών ενώσεων σε καταλληλότερες μορφές για ανίχνευση και διαχωρισμό ανάπτυξη αναπαραγώγιμης μεθόδου ανεξάρτητη από διαφοροποιήσεις της μήτρας του φυτού 17

Διαβροχή (Maceration) Ανάμιξη του φυτικού υλικού (σε μορφή κόνεως) με διαλύτες διαφορετικής πολικότητας σε θερμοκρασία δωματίου για τουλάχιστον 3 ημέρες, υπό ανάδευση Διαχωρισμός του εκχυλίσματος με διήθηση 18

Πλεονεκτήματα Απλή μέθοδος Κατάλληλη για θερμοευαίσθητα συστατικά Μειονεκτήματα Χρονοβόρος Κατανάλωση μεγάλης ποσότητας διαλυτών Όχι εξαντλητική εκχύλιση Επιτάχυνση της διαδικασίας με χρήση: υπερήχων θέρμανσης συστήματος ανάδευσης 19

Παραμονή του φυτικού υλικού με μέρος του διαλύτη σε αεροσταγώς κλειστό δοχείο Τοποθέτηση σε κατάλληλη συσκευή (εξικμαστήρα) και σταδιακή προσθήκη ποσοτήτων διαλύτη με τέτοιο ρυθμό ώστε η επιφάνεια του φυτικού υλικού να είναι διαρκώς σκεπασμένη με διαλύτη Πλεονεκτήματα: απλή μέθοδος, ασφαλής για θερμοευαίσθητα συστατικά Μειονεκτήματα: Χρονοβόρος Κατανάλωση μεγάλης ποσότητας διαλυτών Η απόδοση και η ποιότητα του εκχυλίσματος εξαρτώνται από τη θερμοκρασία του διαλύτη 20

Έγχυση (Infusion) Απλός τρόπος εκχύλισης στον οποίο το φυτικό υλικό έρχεται σε επαφή για 10 περίπου με νερό ακριβώς πριν βράσει Αφέψηση (Decoction) Μέθοδος παραλαβής κυρίως υδατοδιαλυτών δραστικών συστατικών από φυτά, κατά την οποία το υλικό παραμένει σε επαφή για καθορισμένο χρόνο (συνήθως 10-30 ) με ένα υγρό που βράζει (κατά κανόνα νερό) για να ακολουθήσει διήθηση Παραλαβή των δραστικών συστατικών με δυναμικότερο τρόπο σε σύγκριση με την έγχυση 21

Εκχύλιση Soxhlet Συνεχείς επαναλαμβανόμενες εκχυλίσεις με ορισμένο όγκο οργανικού διαλύτη Συγκριτική μέθοδος αναφοράς για αξιολόγηση εναλλακτικών μεθόδων εκχύλισης 22

Απόσταξη (απόσταξη με νερό, νερό +υδρατμούς, υδρατμούς) Μέθοδος παραλαβής αιθερίων ελαίων και βιοδραστικών ουσιών Εφαρμογή σε ξηρά φυτά που δεν επηρεάζονται από τον ισχυρό βρασμό Πλεονεκτήματα: Φθηνότερη μέθοδος Ταυτόχρονη παραλαβή αρωματικών υδάτων Μειονεκτήματα: Κίνδυνος πολυμερισμού και υδρολύσεως Απώλεια συστατικών πολύ υψηλού σημείου ζέσεως Αλλοίωση χρώματος και οσμής του ελαίου 23

24

Εναλλακτική της συμβατικής εκχύλισης γιατί είναι ταχύτερη και παρέχει μεγαλύτερες αποδόσεις ανάκτησης βιοδραστικών συστατικών με μικρότερη κατανάλωση διαλυτών Αρχή μεθόδου: Δημιουργία φυσαλίδων στο υγρό που απορροφούν ενέργεια από τα ηχητικά κύματα και μέσω ενδόρρηξης /συστολής/ κατάρρευσης των φυσαλίδων, το κυτταρικό τοίχωμα διαρρηγνύεται και προκαλείται η απελευθέρωση των επιθυμητών συστατικών 25

26

Αρχή μεθόδου: Εξάτμιση της εσωτερικής υγρασίας των κυττάρων και ανάπτυξη υψηλής πίεσης στο κυτταρικό τοίχωμα που επιτρέπει την ευκολότερη διείσδυση του διαλύτη εκχύλισης στους ιστούς και την ανάκτηση των επιθυμητών συστατικών Το πλεονέκτημα της εκχύλισης με χρήση μικροκυμάτων σε σχέση με την κλασική είναι ότι το υλικό θερμαίνεται εσωτερικά και εξωτερικά και τα προς ανάκτηση συστατικά εκχυλίζονται αποτελεσματικά με μικρότερη κατανάλωση ενέργειας και διαλύτη 27

28

Τα ένζυμα (κυτταρινάσες, πηκτινάσες και ημικυτταρινάσες) αποικοδομούν τα κυτταρικά τοιχώματα και μεμβράνες φυτικών ιστών και επιτρέπουν την αποτελεσματικότερη απελευθέρωση και εκχύλιση των βιοδραστικών ενώσεων «Πράσινη τεχνολογία» εκχύλισης, λόγω χρήσης νερού και όχι οργανικού διαλύτη 29

Χρήση οργανικών υγρών διαλυτών σε θερμοκρασίες από 50-200 ο C και πιέσεις από 99-148 atm, προκειμένου να επιτευχθεί ταχύς ρυθμός εκχύλισης των βιοδραστικών ενώσεων Υψηλή θερμοκρασία προκαλεί: i. αύξηση της διαλυτοποίησης των ανακτώμενων συστατικών ii. αύξηση των συντελεστών διάχυσης iii. ρήξη δυνάμεων συνοχής μεταξύ συστατικών και υλικού iv. μείωση του ιξώδους του διαλύτη v. ελάττωση της επιφανειακής τάσης vi. ρύθμιση της πολικότητας του διαλύτη 31

Yπερυψηλή πίεση (συνήθως από 100-600 MPa) και χαμηλή θερμοκρασία (συνήθως μέχρι 60 C) Διατήρηση της δραστικότητας και δομής βιοενεργών συστατικών 32

Βασίζεται σε επιλεγμένες ιδιότητες των ρευστών, όπως την πυκνότητα, την ικανότητα διάχυσης, τη διηλεκτρική σταθερά και το ιξώδες Με κατάλληλη μεταβολή της πίεσης και της θερμοκρασίας, προκύπτει ένα υπερκρίσιμο ρευστό Το υπερκρίσιμο ρευστό βρίσκεται σε ενδιάμεση κατάσταση υγρού-αερίου, με πυκνότητα παρόμοια με υγρού και ιξώδες παρόμοιο με αερίου 33

Βελτιωμένες ιδιότητες μεταφοράς σε σχέση με αυτές των υγρών, διότι η πυκνότητά τους ρυθμίζεται με τη μεταβολή της πίεσης και θερμοκρασίας Έχουν σχετικά μικρές επιφανειακές τάσεις με συνέπεια την αποφυγή της αλλοίωσης ευπαθών συστατικών Υπερκρίσιμα ρευστά: αιθυλένιο, μεθάνιο, άζωτο, ξένον ή φθοράνθρακες, με κυριότερο το διοξείδιο του άνθρακα 34

«Αναγνωρισμένο ως ασφαλές» από τους οργανισμούς FDA και EFSA Μη τοξικό, χαμηλού κόστους, διαλυτοποιεί λιπόφιλες ενώσεις, μπορεί να ανακτηθεί εύκολα, παρέχοντας εκχυλίσματα απαλλαγμένα από διαλύτες Χρήση συνδιαλυτών (κυρίως αιθανόλης, λόγω χαμηλής τοξικότητας και καλής αναμιξιμότητας με το CO 2 ) σε μικρές ποσότητες, ώστε να αυξηθεί η διαλυτότητα των συστατικών και η επιλεκτικότητα της μεθόδου 35

(1) Αντλία CO 2, (2) Αντλία ρύθμισης ροής, (3) Εκχυλιστήρας, (4) και (5) Διαχωριστήρες 36

Aρχή μεθόδου: Εφαρμογή σύντομων παλμών (μs) υψηλής τάσης (kv) στην κυτταρική μεμβράνη, αύξηση της διαπερατότητάς της και απελευθέρωση των ενδοκυτταρικών συστατικών 37

Προκατεργασία με χρήση PEF σε μέτριο ηλεκτρικό πεδίο (500 και 1000 V/cm, 10-4 10-2 s) καταστρέφει τη φυτική κυτταρική μεμβράνη με μικρή αύξηση της θερμοκρασίας Ελαχιστοποίηση της υποβάθμισης θερμοευαίσθητων συστατικών Αύξηση της απόδοσης της εκχύλισης βιοδραστικών ενώσεων (πολυφαινολών και ανθοκυανινών) από υποπροϊόντα βιομηχανίας χυμών 38