ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ ΕΝΔΟΓΕΝΩΝ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΤΟΥ ΕΛΑΙΟΛΑΔΟΥ ΣΕ W/O ΝΑΝΟΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ ΕΛΑΙΟΛΑΔΟ ΧΩΡΙΣ ΣΥΝ-ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΗ ΟΥΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΚΑΙ ΤΗΣ ΣΤΑΘΕΡΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥΣ Βασιλική Πολυχνιάτου, ΥΔ Χημ Μηχ Μαρία Κατσούλη, ΥΔ Χημ Μηχ Κωνσταντίνα Τζιά, Καθηγήτρια ΕΜΠ
Γαλακτώματα Τα γαλακτώματα αποτελούνται από δύο μη αναμίξιμα υγρά, το ένα εκ των οποίων βρίσκεται σε διεσπαρμένη μορφή μέσα στο άλλο. Είναι ετερογενή συστήματα ενός υγρού το οποίο διασπείρεται σε ένα άλλο υπό μορφή μικροσκοπικών σταγονιδίων Ενδιαφέρον Εφαρμογές στα τρόφιμα έλαιο-σε-νερό (o/w) νερό-σε-έλαιο (w/o)
Νανογαλακτώματα Γαλακτώματα με μέγεθος σταγονιδίων στη 10<d<500 nm ονομάζονται νανογαλακτώματα Είναι διαφανή ή ημιδιαφανή οπτικά, κινητικά σταθερά και χαρακτηρίζονται από μεγάλη σταθερότητα (ως προς καταβύθιση ή αποκορύφωση) Αποτελούν άριστους φορείς εγκλεισμού και διανομής μη διαλυτών ουσιών (π.χ. βιοενεργών συστατικών) σε τρόφιμα και ποτά Μακρογαλάκτωμα Νανογαλάκτωμα
Μηχανισμοί αποσταθεροποίησης γαλακτωμάτων Τα γαλακτώματα τροφίμων μπορεί να αποσταθεροποιηθούν εξαιτίας διαφόρων φυσικοχημικών μηχανισμών, όπως Διαχωρισμός λόγω ειδικού βάρους Θρόμβωση των σταγονιδίων Συνένωση Ωρίμανση κατά Ostwald Αντιστροφή φάσης
Μέθοδοι Ομογενοποίησης Η διαδικασία κατά την οποία έλαιο και νερό μετατρέπονται σε γαλάκτωμα ή η μείωση της διαμέτρου των σταγονιδίων υπάρχοντος γαλακτώματος ονομάζεται ομογενοποίηση Για το σχηματισμό των νανογαλακτωμάτων απαιτείται είτε επίδραση ενέργειας ή μεγάλη ποσότητα γαλακτωματοποιητή ή ο συνδυασμός τους προκειμένου να μειωθεί το μέγεθος των σταγονιδίων Κύριες μέθοδοι παρασκευής νανογαλακτώματων Ομογενοποιητές υψηλής πίεσης Υπέρηχοι Περιστροφικοί αναδευτήρες Συστήματα μεμβρανών
Προηγούμενες μελέτες σχετικά με νανογαλακτώματα Στα πλαίσια σχετικής διδακτορικής διατριβής έχουν μελετηθεί τα παρακάτω: Επίδραση διαφόρων γαλ/τών καθώς και των αναλογιών τους σε w/o νανογαλακτώματα με βάση το ραφινέ ελαιόλαδο χωρίς την προσθήκη συνεπιφανειοδραστικής ουσίας * 1 Επίδραση των παραπάνω σε συνδυασμό με την προσθήκη ενδογενών συστατικών του ελαιολάδου * 2 Μελέτη εγκλεισμού ελαίου δάφνης σε συστήματα τριπλών o/w/o νανογαλακτωματων * 3 1. Study of Formulation and Stability of Co-surfactant Free Water-in-Olive Oil Nano- and Submicron Emulsions with Food Grade Non-ionic Surfactants, V. Polychniatou, C. Tzia, JAOCS, 2014, 91:1, 79-88 2. Study of the emulsifying and antioxidant ability of olive oil endogenous compounds in co-surfactant free olive oil w/o nanoemulsions with food grade non-ionic surfactants, V. Polychniatou, C. Tzia, FABT, 2015, under submission 3. Effect of Laurus Nobilis (Bay Leaf) essential oil on the formulation, oxidative stability and sensory characteristics of o/w/o olive oil nanoemulsions, V. Polychniatou, C. Tzia, 2012 International Flavor Conference, Spetses, Grece, 28 May - 1 June, 2012.
Πειραματικός Σχεδιασμός Ο στόχος ήταν να αξιολογηθεί η δυνατότητα σχηματισμού και οι φυσικοχημικές ιδιότητες w/o νανογαλακτωμάτων με βάση το έξτρα παρθένο ελαιόλαδο με ενσωμάτωση ενδογενών συστατικών του ελαιόλαδου, χρησιμοποιώντας μη-ιονικούς γαλ/τές χωρίς την προσθήκη συνεπιφανειοδραστικής ουσίας. Είδος γαλ/τή (i) Tween 20, (ii)tween 40 Αναλογία γαλ/τή (i)1%, (ii) 2%, (iii) 4%, (iv) 6% κ.β. Ενδογενές συστατικό (i) γαλλικό οξύ, (ii) καφεϊκό οξύ, (iii) κερσετίνη, (iv) συριγγικό οξύ, (v) βανιλικό οξύ, (vi) ασκορβικό οξύ
Ενδογενές Συστατικό LogP Μοριακός τύπος Γαλλικό οξύ 0.70 Καφεϊκό οξύ 1.15 Κερσετίνη 1.48 Συριγγικό οξύ 1.129 Βανιλικό οξύ 1.43 Ασκορβικό οξύ -1.85
Ιδιότητες που μελετήθηκαν Σταθερότητα (ΕSI%) ESI(%) = 100 (HE (HS + HC))/HE Μέγεθος σταγονιδίων (MDD), Δείκτης διασποράς (PDI) Θολότητα (ΝΤU) DLS (Zetasizer nano-zs 2000, Malvern Instruments Ltd., UK) Hach 2100N, Loveland, CO, USA Χρώμα (Ε) Ιξώδες (cpa) Minolta CR 200, Minolta Corp, Osaka, Japan Brookfield Engineering Laboratories Inc., Stoughton, MA Επιφανειακή τάση (mn/m) Sigma702, Biolin Scientific, Sweden
Παρασκευή Μικρογαλακτωμάτων 1. Ε.Π. Ελαιόλαδο + Γαλ/τή (0-6% w/w, επί του τελικού μίγματος) 40 C ομογενοποίηση για 10 min 2. Προσθήκη υδατικής φάσης (2% w/w επί του τελικού μίγματος) 40 C oμογενοποίηση για 20 min Στην υδατική φάση είχαν διαλυτοποιηθεί προηγουμένως τα ενδογενή συστατικά του ελαιόλαδου σε αναλογία 0,1 % κ.β. CAT Unidrive 1000 homogenizer 12000 rpm
Αποτελέσματα 1-7 - Διαγράμματα Φάσης Αύξηση C(νερού) Η παρασκευή σταθερών νανο/των με ελαιόλαδο χωρίς την προσθήκη συν-επιφ/κής ουσίας είναι εφικτή Ο T20 έδωσε καλύτερα αποτελέσματα από τον T40 Προσθήκη γαλ/τή περισσότερο από 30% οδήγησε σε σχηματισμό γέλης Η προσθήκη ενδογενών συστατικών είχε θετική επίδραση Το βανιλικό, το καφεϊκό και το συριγγικό οξύ περισσότερο δραστικά Η κερσετίνη είχε μηδαμινή έως αρνητική επίδραση στη δημιουργία νανο/των
Αποτελέσματα 2-7 - Επιφανειακή τάση Δείγματα Διαλυμάτων Επιφανειακή τάση ( mn/m) Νερό/γαλλικό οξύ 54,773 Νερό/κερσετίνη - Νερό/βανιλικό οξύ 54,461 Νερό/ασκορβικό οξύ 54,876 Νερό/συριγγικό οξύ 53,281 Νερό/καφεϊκο οξύ 54,102 Νερό 62,774 Η προσθήκη όλων των εξεταζόμενων βιοδραστικών μείωσε την επιφανειακή τάση της υδατικής φάσης. Η προσθήκη του συριγγικού εμφάνισε τη μικρότερη επιφανειακή τάση 53,58 mn/m. Η προσθήκη του βανιλικού οξέος εμφάνισε την αμέσως μεγαλύτερη μείωση της επιφανειακής τάσης
Αποτελέσματα 3-7 - Σταθερότητα Γαλακτωμάτων ESI 120 100 80 60 40 20 0 1% 2% 4% 6% 1% 2% 4% 6% 0% Τween 20 Τween 40 Blank ascorbic gallic syringic guercetin Blank caffeic vanillic H προσθήκη γαλακτωματοποιητή αύξησε τη σταθερότητα Ο Tween 20 προσέφερε μεγαλύτερη σταθερότητα Προσθήκη γαλ/τη 6% οδήγησε σε μέγιστη σταθερότητα. Η προσθήκη βιοδραστικών αύξησε τη σταθερότητα Μεγαλύτερη σταθερότητα πρόσφεραν το βανιλικό και το γαλλικό οξύ
Αποτελέσματα 4-7 - Μέση Διάμετρος Σταγονιδίων MD (nm) 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1% 2% 4% 6% 1% 2% 4% 6% 0% Τween 20 Τween 40 Blank ascorbic gallic syringic guercetin Blank caffeic vanillic Αύξηση αναλογίας γαλ/τή οδήγησε σε μείωση MDD Ο Tween 40 οδήγησε σε μικρότερες MDD Η προσθήκη βιοδραστικών μείωσε τη MDD Το βανιλικό, το γαλλικό οξύ και το ασκορβικό οξύ παρουσίασαν τις μικρότερες τιμές μέσης διαμέτρου σταγονιδίων.
Αποτελέσματα 5-7 - Δείκτης Πολυδιασποράς PDI 1.2 PDI 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1% 2% 4% 6% 1% 2% 4% 6% 0% Τween 20 Τween 40 Blank ascorbic gallic syringic guercetin Blank caffeic vanillic Αύξηση της αναλογίας του γαλ/τή οδήγησε σε μείωση του PDI Η προσθήκη του συριγγικού, γαλλικού και καφεϊκού οξέος οδήγησε σε αύξηση του PDI Η ενσωμάτωση του ασκορβικού οξέος οδήγησε σε μείωση του PDI
Αποτελέσματα 6-7 - Θολότητα 3000 Θολότητα (ΝΤU) 2500 2000 1500 1000 500 0 1% 2% 4% 6% 1% 2% 4% 6% 0% Τween 20 Τween 40 Blank H θολότητα μειώθηκε με την αύξηση της ποσότητας του γαλακτωματοποιητή Ο Tween 40 οδήγησε σε χαμηλότερη θολότητα Η προσθήκη των βιοδραστικών οδήγησε σε αύξηση της θολότητας ascorbic gallic syringic guercetin Blank caffeic vanillic
Αποτελέσματα 7-7 - Ιξώδες Ιξώδες (cp) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1% 2% 4% 6% 1% 2% 4% 6% 0% Τween 20 Τween 40 Blank ascorbic gallic syringic guercetin Blank caffeic vanillic Αυξανομένης της αναλογίας του γαλ/τη παρατηρήθηκε τάση αύξησης του ιξώδους Ο Tween 20 αύξησε τη τιμή του ιξώδους Η προσθήκη βιοδραστικών οδήγησε σε αύξηση του ιξώδους Τα νανογαλακτώματα με καφεϊκό και το συριγγικό οξύ έδωσαν μεγάλες τιμές ιξώδους,
Συμπεράσματα 1-2 Η παρασκευή νανογαλακτωμάτων με βάση το έξτρα παρθένο ελαιόλαδο είναι εφικτή Αύξηση της αναλογίας γαλακτωματοποιητή οδήγησε σε βελτίωση της σταθερότητας και των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των νανογαλακτωμάτων. Ωστόσο η προσθήκη γαλακτωματοποιητή σε αναλογία μεγαλύτερη του 30% οδήγησε σε δημιουργία γέλης Ο Tween 20 ενίσχυσε περισσότερο τη σταθερότητα και τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των γαλακτωμάτων
Συμπεράσματα 2-2 Η προσθήκη βιοδραστικών συστατικών, ενδογενών του ελαιολάδου βελτίωσε τα χαρακτηριστικά των γαλακτωμάτων καθώς και την σταθερότητα τους ενώ μείωσε την επιφανειακή τάση της υδατικής φάσης. Ειδικότερα το βανιλικό, το γαλλικό οξύ και το συριγγικό οξύ προσέφεραν μεγαλύτερη σταθερότητα στα γαλακτώματα όπως είχαμε προβλέψει και από την μελέτη της επιφανειακής τάσης. Η προσθήκη κερσετίνης στην υδατική φάση είχε αρνητική επίδραση στη σταθερότητα και τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των νανογαλακτωμάτων λόγω της χαμηλής διαλυτότητας της τόσο στην υδατική όσο και στην λιπαρή φάση.
Μελέτη υπό εξέλιξη / Προτάσεις Συσχετισμός μεταξύ των μετρούμενων ιδιοτήτων των γαλακτωμάτων και εξαγωγή μοντέλου πρόβλεψης της σταθερότητας τους Μελέτη της διαδικασίας οξείδωσης και του ρόλου της υδατικής φάσης από τη κατανομή του μεγέθους των σταγονιδίων του ελαιόλαδου με χρήση διαφορετικών συγκεντρώσεων νερού. Μελέτες για την αξιολόγηση της οξειδωτικής σταθερότητας αυτών των βιοδραστικών συστατικών σε διαφορετικές συνθήκες αποθήκευσης. Μελέτη για την καλύτερη κατανόηση των φαινομένων που εμπλέκονται στη διεπιφάνεια μεταξύ ελαίου, νερού, φαινολικών/αντιοξειδωτικών συστατικών και γαλακτωματοποιητών. Μελέτη της σταθερότητας του ελαιόλαδου υπό μορφή σταγονιδίων διεσπαρμένα σε ένα σύνθετο υδατικό μέσο.
Ευχαριστώ πολύ για την προσοχή σας!