Τίτλος εργασίας

ΠΕ1: Μελέτη αριστοποίησης της εκχύλισης μικροκυμάτων κενού για τα υπολείμματα χυμοποίησης ροδιού και πορτοκαλιών και παραγωγή συμπυκνωμένων εκχυλισμάτων

ΕΠ1 Διάρκεια: Μήνας Νο1 – Νο9

Φορέας Υλοποίησης

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ
ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΚΑΙ ΒΙΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

fabe.gr ->link

ΟΙ ΣΤΟΧΟΙ ΤΟΥ ΠΕ1

H Εκχύλιση μικροκυμάτων κενού (Microwave assisted extraction, MAE) είναι σύμφωνα με τους Azmir et al (2013) μία καινοτόμος τεχνολογία εκχύλισης που παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα όσον αφορά την εκχύλιση των ευαίσθητων βιοδραστικών συστατικών από φυτικούς ιστούς. Είναι μία τεχνολογία εκχύλισης που είναι εκλεκτική για εκχύλιση οργανικών και οργανομεταλλικών ουσιών χωρίς να τις καταστρέφει και είναι επίσης αναγνωρισμένη σαν «πράσινη» τεχνολογία καθώς δεν χρησιμοποιεί οργανικούς διαλύτες. (Alupului, 2012).

Σύμφωνα με τους Cravottoa et al. (2008) αυτή η εκχύλιση μικροκυμάτων χαρακτηρίζεται από γρηγορότερους χρόνους εκχύλισης, μικρότερο μέγεθος εξοπλισμού, μεγαλύτερη απόδοση και λιγότερη έκθεση των βιοδρασικών συστατικών σε θερμική καταστροφή. Aghdase Sadeghi (2017) παρουσιάζει σε ένα άρθρο ανασκόπησης τα πλεονεκτήματα της ΜΑΕ (Microwave Assisted  Extraction) αναφέροντας ότι οι Manabe et al.  Χρησιμοποίησαν την ΜΑΕ για εκχύλιση πηκτίνης από φλοιό πορτοκαλιού και διεπίστωσαν ότι μπορούσαν να εκχυλίσουν 5% περισσότερη ποσότητα πηκτίνης σε 15 min από αυτή που θα εκχυλιζόταν σε 60 min με συμβατικές μεθόδους.

Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους (Sanchez-Aldana et al, 2013) με χρήση ΜΑΕ σαν εναλλακτική τεχνολογία των συμβατικών τεχνολογιών εκχυλίσεως κερδίζουμε σε χρόνο εκχύλισης, έχουμε υψηλότερο ρυθμό εκχύλισης, καλύτερο προϊόν και χαμηλότερο κόστος, μειωμένη έως και 85 φορές κατανάλωση ενέργειας και πολύ χαμηλότερη ποσότητα αποβλήτων (Hao, L., Han, W., Huang, S., Xue, B, Deng, X. 2002; Yan, M.M., W. Liu, Y.J. Fu, Y.G. Zu and C.Y. Chen et al. 2010).

Η συγκεκριμένη ενότητα εργασίας πρόκειται να εκτελεστεί από την ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας (υπεργολάβος) υπό την επίβλεψη της POLYHEALTH A.E. Η ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας πρόκειται να χρησιμοποιήσει έναντι αμοιβής συγκρότημα βιομηχανικών εκχυλιστήρων που λειτουργούν με την αρχή της υπερσύγχρονης υποβοηθούμενης με μικροκύματα εκχύλισης υπό κενό και οι οποίοι είναι εγκατεστημένοι στην Βόρειο Ελλάδα σε Εργοστάσιο εταιρείας που συνεργάζεται με την ομάδα του ΠΘ.

ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΟΥ ΠΑΚΕΤΟΥ ΕΡΓΑΣΙΑΣ & ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Τα πειράματα εργαστηριακής χωρίς κενό και δυναμικής βιομηχανικής εκχύλισης μικροκυμάτων κενού διεξήχθηκαν στις εγκαταστάσεις της εταιρίας PELLAS NATURE Co.  ΘΕΣΗ ΣΕΡΕΜΕΣ, GR 58200 στο Προάστειο  Έδεσσας (Εικόνα 1) ενώ οι μετρήσεις πολυφαινολών και αντιοξειδωτικής δράσεις πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Μηχανικής Τροφίμων και Βιοσσυτημάτων του ΠΘ.

ΠΕ1, Εκχυλιστήρες μικροκυμάτων εργαστηριακός

Χρησιμοποιήθηκε ως πρώτη ύλη φλοιός/στερεό απόβλητο χυμοποίησης ροδιού από την ποικιλία Wonderful και φλοιός/ στερεό απόβλητο χυμοποίησης πορτοκαλιού ποικιλίας NAVAL. Tα δύο στερεά απόβλητα λήφθηκαν κατά τη διαδικασία παραγωγής χυμού της εταιρίας Alberta A.E. στην περιοχή του Άργους μεταφέρθηκαν στο Εργαστήριο Μηχανικής Τροφίμων και Βιοσυστημάτων του ΠΘ και μετά από άλεση τους σε μέγεθος 3 mm τοποθετήθηκαν σε πλαστικές σακούλες κενού από πολύ πολυπροπυλένιο (PP) με 2 Kg χωρητικότητα και καταψύχθηκαν μέχρι να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή των εκχυλισμάτων με εκχύλιση κενού υποβοηθούμενη με μικροκύματα.

Ακολούθησαν με εκχυλίσεις μικροκυμάτων με χρήση τόσο εργαστηριακού εκχυλιστήρα όσο και βιομηχανικού μεγέθους εκχυλιστήρα κενού και λήφθηκαν φυσικά εκχυλίσματα τόσο στερεού υπολείμματος ροδιού όσο και πορτοκαλιού τα οποία στην συνέχεια αναλύθηκαν για να προσδιοριστούν οι αντιοξειδωτικές τους ιδιότητες και συγκεκριμένα α) Ολικές πολυφαινόλες με την μέθοδο Folin Ciocalteau β) Ολική αντιοξειδωτική δύναμη IC50 με την μέθοδο DPPH ή ΑΒΤS και γ) ολικά φλαβονοειδή με την μέθοδο του AlCl3.

Τα αποτελέσματα των αντιοξειδωτικών παραμέτρων αναλύθηκαν στην συνέχεια με χρήση στατιστικής βελτιστοποίησης  με την μέθοδο απόκρισης επιφανείας (Response Surface Methodology , RSM) προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες τιμές τους τόσο σε οικονομικό επίπεδο όσο και σε επίπεδο της μέγιστης απόληψης πολυφαινολών και φλαβονοειδών,

Στην συνέχεια με χρήση των βέλτιστων τιμών για τις τρείς παραμέτρους εκχύλισης α) Ισχύος μικροκυμάτων β) Λόγος νερού προς στερεό απόβλητο και γ) Χρόνος εκχύλισης για επίτευξη της του μέγιστου ρυθμού εκχύλισης πραγματοποιήθηκε μαζική παραγωγή εκχυλισμάτων και δοκιμάστηκε η μέγιστη δυνατή συμπύκνωση τους με τεχνολογία αντιστρόφου ωσμώσεως με χρήση σπειροειδών μεβρανών με σκοπό τα τελικά συμπυκνώματα να χρησιμοποιηθούν από την POLYHEALTH A,E,  για την παραγωγή υγρών μικτών εκχυλισμάτων με σκοπό να δοκιμαστούν για εφαρμογές φυτοπροστασίας και επίσης στερεών ενθυλακωμένω σκονών συνεργισμού για εφαρμογές σε τρόφιμα η καλλυντικά.

Τα κυριότερα αποτελέσματα της έρευνας συνοψίζονται παρακάτω:

  • Αν και πραγματοποιήθηκαν επιπλέον μετρήσεις με χρήση εργαστηριακού εκχυλιστήρα μικρού μεγέθους με σκοπό να αξιολογηθεί η χρήση του για πιο εύκολη βελτιστοποίηση διεργασιών στο μέλλον διαπιστώθηκε ότι δεν μπορεί να προσδιοριστούν οι άριστες συνθήκες για βιομηχανική χρήση με τον τρόπο αυτό και απαιτούνται αξιόπιστες δοκιμές κατευθείαν σε βιομηχανική κλίμακα.
  • Οι βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης των ολικών πολυφαινολών στερεού υπολείμματος χυμοποίησης ροδιού με χρήση βιομηχανικού δυναμικού περιστρεφόμενου εκχυλιστήρα μικροκυμάτων κενού βρέθηκαν να είναι:

ΙΣΧΥΣ ΜΙΚΡΟΚΥΜΆΤΩΝ ΣΕ WATT: 4961.07W
ΛΟΓΟΣ ΒΑΡΟΥΣ ΝΕΡΟΥ/ ΣΤΕΡΕΟ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑ ΧΥΜΟΠΟΙΗΣΗ ΡΟΔΙΟΥ: 29.90
ΧΡΟΝΟΣ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ: 119.53 min

  • Οι βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης των ολικών φλαβονοειδών στερεού υπολείμματος χυμοποίησης ροδιού με χρήση βιομηχανικού δυναμικού περιστρεφόμενου εκχυλιστήρα μικροκυμάτων κενού βρέθηκαν να είναι:

ΙΣΧΥΣ ΜΙΚΡΟΚΥΜΆΤΩΝ ΣΕ WATT: 4147.76  Watt
ΛΟΓΟΣ ΒΑΡΟΥΣ ΝΕΡΟΥ/ΣΤΕΡΕΟ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑ ΧΥΜΟΠΟΙΗΣΗ ΡΟΔΙΟΥ: 19.32
ΧΡΟΝΟΣ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ: 63.32  min

  • Οι βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης των ολικών πολυφαινολών στερεού υπολείμματος χυμοποίησης πορτοκαλιών με χρήση βιομηχανικού δυναμικού περιστρεφόμενου εκχυλιστήρα μικροκυμάτων κενού βρέθηκαν να είναι:

ΙΣΧΥΣ ΜΙΚΡΟΚΥΜΆΤΩΝ ΣΕ WATT: 5999.997  Watt
ΛΟΓΟΣ ΒΑΡΟΥΣ ΝΕΡΟΥ/ ΝΩΠΟ ΣΤΕΡΕΟ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑ ΧΥΜΟΠΟΙΗΣΗ ΡΟΔΙΟΥ: 26,09
ΧΡΟΝΟΣ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ: 120,00 min

  • Οι βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης των ολικών φλαβονοειδών στερεού υπολείμματος χυμοποίησης πορτοκαλιών με χρήση βιομηχανικού δυναμικού περιστρεφόμενου εκχυλιστήρα μικροκυμάτων κενού βρέθηκαν να είναι:

ΙΣΧΥΣ ΜΙΚΡΟΚΥΜΆΤΩΝ ΣΕ WATT: 2000 Watt
ΛΟΓΟΣ ΒΑΡΟΥΣ ΝΕΡΟΥ/ ΝΩΠΟ ΣΤΕΡΕΟ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑ ΧΥΜΟΠΟΙΗΣΗ ΠΟΡΤΟΚΑΛΙΟΥ: 24.12
ΧΡΟΝΟΣ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ: 53.45 min

  • Η εκχύλιση των ολικών πολυφαινολών ευνοείται από υψηλή ισχύ ενώ η εκχύλιση των ολικών φλαβονοειδών από χαμηλή.
  • Η εκχύλιση των ολικών πολυφαινολών ευνοείται από υψηλό χρόνο ενώ η εκχύλιση των ολικών φλαβονοειδών από σημαντικά χαμηλότερο (περίπου 30% μειωμένο).
  • Εκτός των παραπάνω συνθηκών που εξασφαλίζουν υψηλή ανάκτηση πολυφαινολών και φλαβονοειδών το οποίο αποτελεί προϋπόθεση στην περίπτωση που το απόβλητο της εκχύλισης προορίζεται για α’ ‘υλη ζυμώσεων για αποφυγή ανεπιθύμητης ανάσχεσης ή παρεμπόδισης της λειτουργίας της καλλιέργειας των μικροοργανισμών ζύμωσης, πραγματοποιήθηκε επιπλέον βελτιστοποίηση και σε οικονομικούς όρους (μεγιστοποίηση παραγωγικότητας δηλ. ρυθμού παραγωγής των φυσικών αντιοξειδωτικών) κάτι που αποτελεί και το πιο χρήσιμο κομμάτι της έρευνας για την POLYHEALTH A.E. και οι βέλτιστες συνθήκες δίνονται Πίνακα 1 που ακολουθεί και όταν εφαρμοστούν παρέχουν το επιθυμητό μέγιστο οικονομικό όφελος για την εταιρεία.

    ΟΙ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΑΥΤΕΣ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΑΠΟ ΤΗΝ POLYHEALTH ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΩΝ ΤΑ ΟΠΟΙΑ ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΣΥΝΜΠΥΚΝΩΣΗ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΣΚΟΝΩΝ ΓΙΑ ΔΟΚΙΜΕΣ ΣΕ ΤΡΟΦΙΜΑ & ΚΑΛΛΥΝΤΙΚΑ ΚΑΙ ΤΩΝ ΥΓΡΩΝ ΓΙΑ ΔΟΚΙΜΗ ΣΕ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΦΥΤΟΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ

 

ΠΙΝΑΚΑΣ 1. Οι συνθήκες εκχύλισης για την οικονομικότερη λειτουργία

 

ΙΣΧΥΣ (W) ΛΟΓΟΣ ΧΡΟΝΟΣ (min)
ΡΟΔΙ ΠΟΛΥΦΑΙΝΟΛΕΣ 2048.62 23.11 15.04
ΡΟΔΙ ΦΛΑΒΟΝΟΕΙΔΗ 4008.62 18.08 15.29
ΠΟΡΤΟΚΑΛΙ ΠΟΛΥΦΑΙΝΟΛΕΣ 4484.78 19.619 15.00
ΠΟΡΤΟΚΑΛΙ ΦΛΑΒΟΝΟΕΙΔΗ 2000.00 24.35 15.00

 

  • Οι ολικές πολυφαινόλες και η ολική σντιοξειδωτική δύναμη IC50/DPPH των εκχυλισμάτων στερεού υπολείμματος χυμοποίησης ροδιού και πορτοκαλιού συσχετίζονται άμεσα. Επομένως, η ελάχιστη τιμή IC50/DPPH (μέγιστο της TAC), που έχει συσχετιστεί από την POLYHEALTH A.E. με βάση εκτεταμένες μετρήσεις που διεξήγαγε στο παρελθόν με υψηλή αντιμικροβιακή δράση, προκύπτει στις ίδιες συνθήκες με την αντίστοιχη μέγιστη τιμή ολικών πολυφαινολών οι οποίες όμως υπολογίζονται με πολύ απλούστερη μέτρηση.
  • Η μέγιστη οικονομική συμπύκνωση των εκχυλισμάτων πορτοκαλιού και ροδιού τόσο για το πορτοκάλι όσο και για το ρόδι είναι 5:1 και η άριστη πίεση λειτουργίας είναι 20 bar, Αυτό διότι στην πίεση αυτή όπως προκύπτει έχουμε δυνατότητα εργασίας για 90 min σύνολο καθώς το flux δεν πέφτει κάτω από τα 15 Κg m-2 hr-1  ενώ στην περίπτωση των πιέσεων 30 και 40 bar έχουμε προσέγγιση της ελάχιστης αυτής τιμής  15 Κg m-2 hr-1 πολύ νωρίτερα με αποτέλεσμα η συνολική παραγόμενη ποσότητα συμπυκνωμάτων σε κάθε κύκλο συμπύκνωσης σε πίεση 20 bar να είναι μεγαλύτερη χωρίς να διακυβεύεται η πρόωρη καταστροφή των μεμβρανών και η υπερβολική κατανάλωση των απορρυπαντικών πλύσης. Επιπλέον η πίεση αυτή εξασφαλίζει χαμηλότερη ενεργειακή κατανάλωση και περισσότερη ασφάλεια κατά την λειτουργία.

ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΤΟΥ ΠΕ1

Το ΠΕ1 έχει ολοκληρωθεί με απόλυτη επιτυχία και τα παραδοτέα του έχουν δοθεί την εταιρεία

ΠΕ1.1

Γραπτή έκθεση με αντικείμενο την υποβοηθούμενη με μικροκύματα υπό κενό εκχύλιση υπολειμμάτων χυμοποίησης ροδιού και πορτοκαλιού και την αριστοποίηση της (50-150 σελίδες) ΠΑΡΑΔΟΘΗΚΕ ΤΕΧΝΙΚΗ ΕΚΘΕΣΗ ΜΕΓΕΘΟΥΣ 285 ΣΕΛ.

ΠE1.2

δημοσίευση σε έγκριτο διεθνές περιοδικό για την υποβοηθούμενη με μικροκύματα υπό κενό εκχύλιση υπολειμμάτων χυμοποίησης ροδιού. ΕΧΟΥΝ ΠΑΡΑΧΘΕΙ ΚΑΙ ΔΗΜΟΣΙΕΥΘΕΙ ΔΥΟ ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΕ ΕΓΚΡΙΤΑ ΔΙΕΘΝΗ ΠΕΡΙΟΔΙΚΑ (ΥΠΕΡΒΑΣΗ ΣΤΟΧΟΥ ΚΑΤΑ 100%)

ΠE1.3

δημοσίευση σε έγκριτο διεθνές περιοδικό για την υποβοηθούμενη με μικροκύματα υπό κενό εκχύλιση υπολειμμάτων χυμοποίησης πορτοκαλιού. ΕΧΟΥΝ ΠΑΡΑΧΘΕΙ ΚΑΙ ΔΗΜΟΣΙΕΥΘΕΙ ΔΥΟ ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΕ ΕΓΚΡΙΤΑ ΔΙΕΘΝΗ ΠΕΡΙΟΔΙΚΑ (ΥΠΕΡΒΑΣΗ ΣΤΟΧΟΥ ΚΑΤΑ 100%)