Βελτιστοποίηση πράσινων διαδικασιών εκχύλισης πολυφαινολών και ενσωμάτωση φυτικών εκχυλισμάτων και εύτηκτων διαλυτών σε εδώδιμες μεμβράνες

Abstract

Η μελέτη των δευτερογενών μεταβολιτών σε φυτικά δείγματα προσέλκυε ανέκαθεν ιδιαίτερο ενδιαφέρον εξαιτίας των αξιοσημείωτων ευεργετικών τους ιδιοτήτων. Σε αυτό το πλαίσιο, στόχος της παρούσας μελέτης ήταν, αρχικά, η ανάπτυξη και βελτιστοποίηση πράσινων διαδικασιών εκχύλισης πολυφαινολικών ενώσεων από φυτικά παραπροϊόντα. Στη συνέχεια, το περιεχόμενο σε δευτερογενείς μεταβολίτες χρησιμοποιήθηκε ως χημικός δείκτης για την επίτευξη χημειομετρικής διάκρισης φυτικών δειγμάτων, βάσει των διαφορετικών συνθηκών τους. Στόχος του τελευταίου σταδίου ήταν η ενσωμάτωση εκχυλισμάτων, πλούσια σε βιοδραστικά συστατικά, καθώς και εύτηκτου διαλύτη (deep eutectic solvent, DES) σε εδώδιμη μεμβράνη με βάση τη χιτοζάνη, με απώτερο σκοπό την ενίσχυση της ποιότητας και την αύξηση της διάρκειας ζωής τροφίμων μετά την εφαρμογή του. Σε πρώτο στάδιο, έλαβε χώρα η αξιοποίηση δύο σημαντικών φυτικών παραπροϊόντων της φλούδας αλόης και της φλούδας φραγκόσυκου για την ανάκτηση των πολυφαινολικών τους συστατικών. Η βελτιστοποίηση της μη συμβατικής τεχνικής εκχύλισης υποβοηθούμενης από υπερήχους (ultrasound-assisted extraction, UAE), με χρήση ενός πράσινου, φιλικού προς το περιβάλλον DES ως εκχυλιστικό μέσο, πραγματοποιήθηκε μέσω της μεθοδολογίας επιφανειών απόκριση (response surface methodology, RSM). Για την εύρεση των βέλτιστων παραμέτρων λειτουργίας, μελετήθηκε η επίδραση του λόγου διαλύτη-στερεό, ο χρόνος εκχύλισης και η περιεκτικότητα του διαλύτη εκχύλισης σε DES, ως προς το ολικό φαινολικό περιεχόμενο (total phenolic content, TPC) και την αντιοξειδωτική δράση. Έπειτα, μέσω χρωματογραφικής ανάλυσης διερευνήθηκε η σύσταση των μεμονωμένων φαινολικών συστατικών των δύο εκχυλισμάτων. Στη συνέχεια, με εφαρμογή της εκχύλισης στερεάς-φάσης επιτεύχθηκε ο διαχωρισμός των φαινολικών ουσιών και του DES, σε δύο διαφορετικά κλάσματα, υποδεικνύοντας τη δυνατότητα του DES να επαναχρησιμοποιηθεί. Τέλος, στην περίπτωση της φλούδας φραγκόσυκου, διερευνήθηκε η επίδραση προσθήκης κυκλοδεξτρίνης και κυκλοφρουκτάνης στο μίγμα της εκχύλισης, με τα αποτελέσματα να καταδεικνύουν την αύξηση της εκχυλιστικής ικανότητας των πολυφαινολών. Στο δεύτερο μέρος, εφαρμόστηκε η χημειομετρική προσέγγιση για το διαχωρισμό φυτικών δειγμάτων. Φυτά αλόης διαχωρίστηκαν μέσω της πολυμεταβλητής στατιστικής ανάλυσης ανάλογα με την εποχή συγκομιδής των φύλλων (καλοκαίρι/χειμώνας) τους αλλά και τις συνθήκες καλλιέργειας (έδαφος/γλάστρα) τους. Για την επίτευξη της διάκρισης, χρησιμοποιήθηκαν, ως δείκτες, οι συγκεντρώσεις των ενώσεων με καθαρτική δράση που περιέχονται στο latex του φυτού. Τα δείγματα χαρουπιού και προϊόντων που προέρχονται από το χαρούπι αναλύθηκαν μέσω φασματοφωτομετρικών και χρωματογραφικών μεθόδων για το φαινολικό τους περιεχόμενο, με τα αποτελέσματα να χρησιμοποιούνται ως χημειομετρικοί δείκτες για τον διαχωρισμό των δειγμάτων βάσει της διαφορετικής τους μήτρας. Το κύριο παραπροϊόν του φραγκόσυκου, η φλούδα, αξιοποιήθηκε για τη διάκριση των φραγκόσυκων βάσει της βοτανικής (κίτρινο, πορτοκαλί, κόκκινο, πράσινο και μωβ) και γεωγραφικής τους προέλευσης από χώρες της Μεσογειακής λεκάνης. Ο διαχωρισμός των δειγμάτων βασίστηκε στη σύσταση των φαινολικών ενώσεων καθώς και στην αντιοξειδωτική δράση των εκχυλισμάτων. Τέλος, έλαβε χώρα η ανάπτυξη και βελτιστοποίηση της σύνθεσης μιας καινοτόμας εδώδιμης μεμβράνης, μέσω της RSM. H σύνθεση περιελάβανε εκχυλίσματα φλούδας και gel αλόης, τον DES χλωριούχο χολίνη-κιτρικό οξύ (Choline chloride-citric acid, ChCl-CA) και το βιοπολυμερές χιτοζάνη. Για τη βελτιστοποίηση, η εδώδιμη μεμβράνη εφαρμόστηκε σε βατόμουρα και διερευνήθηκε η επίδραση της στα ποιοτικά χαρακτηριστικά του φρούτου. Στη συνέχεια, η ανεπτυγμένη μεμβράνη μελετήθηκε ως προς τις διαμοριακές της αλληλεπιδράσεις, τη μορφολογία της επιφάνειας, τις μηχανικές της ιδιότητες και άλλα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά, με τα αποτελέσματα να υποδεικνύουν τη δυνατότητα χρήσης της ως ένα εναλλακτικό υλικό συσκευασίας τροφίμων. Παράλληλα, με την εφαρμογή της βέλτιστης εδώδιμης μεμβράνης σε βατόμουρα, αποδείχθηκε η σημαντική αύξηση της διάρκειας ζωής του φρούτου.

The study of secondary metabolites, in plant samples, has always attracted special interest, due to their remarkable beneficial properties. In this framework, the aim of the present study was the development and optimization of green extraction procedures of polyphenolic compounds from plant by-products. Subsequently, the content of secondary metabolites was used as a chemical marker to achieve chemometric discrimination of plant materials, based on their different conditions. The goal of the last part of the study involved the incorporation of plant extracts, rich in bioactive compounds, along with a deep eutectic solvent (DES), into an edible film based on chitosan. This integration aimed to enhance the quality and prolong the shelf life subsequent to its application. The first investigation focused on recovering polyphenolic compounds from two important plant by-products, namely the rind of aloe vera and the peel of prickly pear. The optimization of the non-conventional ultrasound-assisted extraction (UAE), using a green, environmentally friendly DES, as extraction medium, was carried out through response surface methodology (RSM). The effect of the extraction parameters solvent-to-solid ratio, extraction time and DES content, was studied in terms of total phenolic content (TPC) and antioxidant activity. The composition of the individual phenolic components of both optimum extracts was investigated by chromatographic analysis. Through solid-phase extraction, the recovery of phenolics and DES, in different fractions, was achieved, indicating the potential recyclability of DES. For prickly pear peel, the effect of incorporating cyclodextrin and cyclofructan into the extraction mixture was investigated. Findings demonstrated an increase in polyphenol extraction capacity upon the addition of these compounds. In the second part, the chemometric approach was applied to discriminate different plant materials. Aloe plants were separated through multivariate statistical analysis according to the seasonal variation (summer/winter) and cultivation conditions (field/pot). The separation was achieved by using the concentrations of the compounds with laxative effect that are contained in the aloe latex as chemical indicators. Then, carob samples and carob-based products were analyzed by spectrophotometric and chromatographic methods to assess their phenolic content. These results served as chemometric markers for the differentiation of samples according to their matrices. On the other hand, the main by-product of prickly pear, its peel, was used to distinguish prickly pears based on their botanical characteristics (yellow, orange, red, green, and purple) and geographical origin within the Mediterranean basin. Discrimination among samples was performed by evaluating the composition of phenolics and the antioxidant activity of the extracts. Finally, the development and optimization of the composition of an innovative edible coating, through RSM, was achieved. The composition of the film includes the incorporation of aloe rind and gel extracts, the DES choline chloride-citric acid (ChCl-CA) and the biopolymer chitosan. For optimization purposes, the edible coating was applied to blackberries and its effect on the quality characteristics of the fruits was investigated. The developed film was characterized for its intramolecular interactions, surface morphology, mechanical properties, and other physicochemical characteristics. The results highlighted the potential of the edible film as an alternative food packaging material. Meanwhile, the application of the optimal edible coating onto blackberries resulted in a significant increase in the fruit’s shelf life.