Μελέτη της επίδρασης των παραγόντων εκχύλισης στην ανάκτηση των καροτινοειδών από βιοµηχανικά απόβλητα τοµάτας Ειρήνη Στρατή & Βασιλική Ωραιοπούλου Εργαστήριο Χηµείας & Τεχνολογίας Τροφίµων Σχολή Χηµικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Ηβιοµηχανία προϊόντων τοµάτας επεξεργάζεται παγκοσµίως εκατοµµύρια τόνων τοµάτας Περίπου 4% τηςπρώτηςύληςαποµακρύνεται ως βιοµηχανικό απόβλητο (τσίπουρο), αποτελούµενο κυρίως από φλοιούς και σπόρους Τα παραγόµενα βιοµηχανικά απόβλητα προορίζονται για ζωοτροφές ή απορρίπτονται χωρίς περαιτέρω αξιοποίηση, αν και περιέχουν υψηλής βιολογικής αξίας συστατικά 1 2 Τα καροτινοειδή είναι φυσικές χρωστικές που απαντώνται στην τοµάτα, µε κύριο συστατικό το λυκοπένιο (7-8%), τοοποίοτηςπροσδίδειτοχαρακτηριστικόκόκκινοχρώµα και από την οποία παραλαµβάνεται προκειµένου να χρησιµοποιηθεί στη βιοµηχανία τροφίµων (Ε16d) Οφλοιόςτηςτοµάτας περιέχει έως και φορές περισσότερο λυκοπένιο από τη σάρκα Πρόσφατα το λυκοπένιο έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον των ερευνητών λόγω της χρήσης του ως φυσικής χρωστικής αλλά και ως συστατικού λειτουργικών τροφίµων 3 Χηµεία των καροτινοειδών Είναι παράγωγα πολυακόρεστων υδρογονανθράκων, που διαθέτουν 8 οµάδες ισοπρενίου στο µόριό τους (τετρατερπένια) Το χρώµα των φυσικών καροτινοειδών οφείλεται στους συζυγείς διπλούς δεσµούς που διαθέτουν, οι περισσότεροι τωνοποίωνβρίσκονταισεtrans διαµόρφωση και σταθεροποιούνται µέσω συζυγιακού φαινοµένου 4 Οι υψηλές θερµοκρασίες, η έντονη ηλιακή ακτινοβολία, η παρουσία οξέων και ελεύθερων ριζών αλογόνων, αποτελούν τους κύριους παράγοντες που ευνοούν την ισοµερίωσή τους Τα καροτινοειδή της τοµάτας Παρουσιάζουν χαµηλή ενεργειακώς διεγερµένη κατάσταση και η ενέργεια µεταπτώσεώς τους βρίσκεται στην ορατή περιοχή του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος (4- nm) Phytoene 6 1
Lutein Λόγω της φύσης των καροτινοειδών (υδρόφοβες ενώσεις µε περιορισµένη διαλυτότητα στο νερό), η εκχύλισή τους από τους φυτικούς ιστούς πραγµατοποιείται: Phytofluene Με τη χρήση οργανικών διαλυτών (εξάνιο, πετρελαϊκός αιθέρας, χλωροφόρµιο, αιθανόλη, ακετόνη κ.α. ήκαιµίγµατα αυτών) Neurosporene Με την υπερκρίσιµηεκχύλισηρευστώνπου χρησιµοποιείται κυρίως για την παραλαβή πολύτιµων συστατικών από φυσικές πρώτες ύλες 7 8 Σκοπός της παρούσης εργασίας είναι: ηεφαρµογή της µεθόδου εκχύλισης µε οργανικούς διαλύτες στην παραλαβή των καροτινοειδών από τα βιοµηχανικά απόβλητα τοµάτας. Οι διαλύτες που επιλέχθηκαν ήταν: εξάνιο, ακετόνη, αιθανόλη, οξικός και γαλακτικός. Υλικά και Μέθοδοι Πρώτη ύλη: Βιοµηχανικά απόβλητα τοµάτας (σπόροι και φλοιοί) από τη βιοµηχανία επεξεργασίας τοµάτας ΚΩΠΑΪΣ, τα οποία αποξηράνθηκαν στον ήλιο µέχρι τελικής υγρασίας.3 ±.2% (w/w) και αλέσθηκαν σε µύλο µέχρι τελικού µεγέθους κόκκων 1. mm. Παράµετροι της εκχύλισης που µελετήθηκαν: διάρκεια της εκχύλισης, αριθµός διαδοχικών εκχυλίσεων και θερµοκρασία. 9 1 Πειραµατική πορεία Ζύγιση δείγµατος και ανάµιξη µε διαλύτη (αναλογία 1:1) σε δοχείο εκχύλισης Εκχύλιση υπό ανάδευση (2 στρ././λεπτό) σε υδατόλουτρο σταθερής θερµοκρασίας Παραπροϊόν βιοµηχανικής τοµάτας (τσίπουρο) Ξήρανση στον ήλιο µέχρι τελικής υγρασίας.3 ±.2 % (w/w( w/w) Άλεση µέχρι τελικού µεγέθους 1. mm Προσδιορισµός του καροτινοειδών στα εκχυλίσµατα Τα εκχυλίσµατα των διαλυτών µετρήθηκαν στο µέγιστο µήκος απορρόφησης του λυκοπενίου για κάθε διαλύτη σε φασµατοφωτόµετρο VARIAN DMS 8. Για την κατασκευή της πρότυπης καµπύλης αναφοράς σε κάθε διαλύτη χρησιµοποιήθηκε πρότυπο REDIVIVO (LYCOPENE) 1% FS από DSM Nutritional Products. Παραλαβή εκχυλισµάτων ανά τακτά χρονικά διαστήµατα Φωτοµέτρηση των εκχυλισµάτων στο λmax απορρόφησης λυκοπενίου σε κάθε διαλύτη ιήθηση και επανεκχύλιση Φυγοκέντριση 11 Τα ολικά καροτινοειδή, εκφρασµένα ως mg λυκοπενίου ανά kg ξηρού αποβλήτου τοµάτας, υπολογίσθηκαν από τις παρακάτω εξισώσεις: 12 2
Προσδιορισµός των καροτινοειδών Στα εκχυλίσµατα εξανίου: Στα εκχυλίσµατα της ακετόνης: Στα εκχυλίσµατα του οξικού αιθυλεστέρα: ( A 471 Στα εκχυλίσµατα του γαλακτικού αιθυλεστέρα: Στα εκχυλίσµατα της αιθανόλης:,3) V,3687 W hexane ( A 474 +,1738) V,26 W ( A 473,3) V,2963 W ( A 478 ( A467 ethylacetate,717 W acetone,99) V +,91) V,816 W ethylactate ethanol 13 Ολικά καροτιν(mg/kg) Ολικά καροτιν(mg/kg) 2 1 1 1 8 6 4 2 Επίδραση της διάρκειας εκχύλισης στην 1 1 2 3 4 1 1 2 3 4 Ολικά καροτιν(mg/kg) Ολικά καροτιν(mg/kg) 4 3 2 1 3 2 2 1 1 1 1 2 3 4 1 1 2 3 4 14 Επίδραση της διάρκειας εκχύλισης στην Όλες οι εκχυλίσεις πραγµατοποιήθηκαν σε αναλογία δείγµατος / διαλύτη R =1:1. Η επίδραση του χρόνου µελετήθηκε στην 1 η εκχύλιση σε θερµοκρασία 2 C. Στα εκχυλίσµατα όλων των διαλυτών η συγκέντρωση των καροτινοειδών αυξανόταν αυξανοµένου του χρόνου εκχύλισης µέχρι την πλήρη ανάκτησή τους. Ως βέλτιστος χρόνος εκχύλισης επιλέχθηκε η διάρκεια των 3 min. 1 Πίνακας 1: Ολικά καροτινοειδή εκφρασµένα ως 2 C 17,6 ±,9 23,29 ± 2,23 126,8 ± 8,4 7,86 ± 1,88 31,46 ± 2,1,73 ±,26 6,71 ±,3 1,4 ±,4,9 ± 4,8 1,28 ± 1,12 2,27 ±,66 1,46 ±,18 29,41 ± 2,69 33,69 ± 1,1 9,9 ±,96 2,6 ± 1,82 31,46 ± 2,94 27,7±16,13 16,4 ± 8,24 6,64 ± 4,18 16 Πίνακας 2: Ολικά καροτινοειδή εκφρασµένα ως C 24,47 ± 2,28 7,2 ±,7 2,73 ±,18 34,4 ± 3,16 Πίνακας 3: Ολικά καροτινοειδή εκφρασµένα ως 7 C 29,31 ± 1,7 112,3±1,66 128,74±12,2 1,3 ±,9 2,18 ± 2,8 71,89 ± 1,7 1,43 ±,12 3,13 ± 3, 37,33 ± 2,96 41,27 ± 2,14 194,84±17,1 237,96±16,96 34,2 ± 2,89 163,7 ± 12,63 8,68 ±,9 8,46 ± 4,48 3,1 ±,28 2,78 ± 1,34 46,21 ± 4,12 242,99±18,4 44,16 ± 1,7 19,73 ±,63 13,86 ± 1,31 77,7 ± 3,1 17 137,3±12,3 88, ± 1,86 47,1 ±,82 272,68±1,21 18 3
Επίδραση του αριθµού των εκχυλίσεων στην 8 6 4 2 C 6 H 14 Σηµείο ζέσεως 69 C P'=. 6 4 3 2 1 2 7 CH3CH2OH Σηµείο ζέσεως 78.4 C P'= 4.4 8 6 4 2 2 4 6 2 7 CH 3 COOCH 2 CH 3 Σηµείο ζέσεως 77 C P'= 4.24 19 6 4 3 2 1 2 4 CH3COCH3 Σηµείο ζέσεως 6. C P'=.6 2 8 6 4 2 2 7 CH3CH2OOCCH(OH)CH3 Σηµείο ζέσεως 11-1 C P'= 4. Επίδραση του είδους διαλύτη και της θερµοκρασίας στην ανάκτηση των καροτινοειδών Ολικά καροτιν (mg/kg) 3 2 2 1 1 2 7 ( C) 21 22 Συµπεράσµατα Αριθµός των εκχυλίσεων Κατά το 1 ο στάδιο της εκχύλισης τα καροτινοειδή ανακτήθηκαν σε ποσοστά κυµαινόµενα από 1-74% σε όλους τους διαλύτες και στις επιλεγµένες θερµοκρασίες, σε αντίθεση µε ταεπόµενα στάδια, όπου τα ποσοστά των ανακτηθέντων καροτινοειδών ήταν 18-33% και 4-18% στο 2 ο και 3 ο στάδιο αντίστοιχα. Το είδος του διαλύτη Οι υψηλότερες τιµές σε ολικά καροτινοειδή (194.84 242.99 mg/kg και 16.4-272.68 mg/kg ξηρού αποβλήτου) παρατηρήθηκαν στα εκχυλίσµατα του γαλακτικού αιθυλεστέρα και της αιθανόλης αντίστοιχα, ενώ οι χαµηλότερες ( 2.6-34.4 mg/kg ξηρού αποβλήτου) στα εκχυλίσµατα του εξανίου. 23 24 4
Το είδος του διαλύτη Ηαποτελεσµατικότητα της εκχύλισης επηρεάστηκε από το είδος του διαλύτη. Αυξανόµενης της πολικότητας του διαλύτη (εξάνιο <οξικός <γαλακτικός <αιθανόλη <ακετόνη), αυξήθηκε η, εκφρασµένων σε λυκοπένιο, απότααπόβλητατοµάτας. Στην περίπτωση των ακετονικών εκχυλισµάτων δεν παρατηρήθηκε το αναµενόµενο. Πιθανή εξήγηση: η χρήση λιγότερο πολικών διαλυτών από την ακετόνη µειώνει τα ποσοστά των πολικών ξανθοφυλλών και αυξάνει το ποσοστό της ανάκτησης του λυκοπενίου σε σχέση µε ταολικάκαροτινοειδή. 2 Περιοριστικός παράγοντας για την επιλογή της θερµοκρασίας ήταν το σηµείο ζέσεως κάθε διαλύτη. Η αύξηση της θερµοκρασίας εκχύλισης επηρέασε σε σηµαντικό βαθµό τηνανάκτηση των καροτινοειδών. Ακόµακαισεθερµοκρασία περιβάλλοντος, στα εκχυλίσµατα του γαλακτικού αιθυλεστέρα και της αιθανόλης οι τιµές των ολικών καροτινοειδών κυµαίνονται σε υψηλά επίπεδα. 26 Ευχαριστώ 27