Μελέτη καθαρισμού και ανάκτησης οργανικών συστατικών αποβλήτων ελαιουργείου με τη χρήση φυσικοχημικών διεργασιών και μεμβρανών διαφορετικών ιδιοτήτων και προέλευσης

Abstract

In the current PhD study, a novel method for the simultaneous recovery of a dietary fibre containing material and a phenol rich ethanolic extract from thermally concentrated olive mill wastewater (OMW) was developed. Extraction with acidic hydro-ethanolic mixtures was made on thermally concentrated OMW prior to the isolation of the alcohol insoluble residue (AIR) with condensed (up to 85% v/v) ethanol. Firstly, the effect of prolonged heat processing during concentration on the functional properties of the contained pectin was evaluated. It was shown that a low temperature blanching of OMW for 2-3 h at 60°C, activates endogenous pectin methyl esterase and promotes demethylation, despite the high concentration of phenols. This process resulted in enhanced pectin solubilization, but partial loss of its gelling functionality. An alternative heating process at 80°C resulted in negligible enzyme action and improved gelling properties of the recovered material. Thereafter, the extraction step was investigated with different hydro-ethanolic mixtures and the optimum procedure (5% v/v ethanol and 1% w/v citric acid) with regard to the maximum AIR and fiber recovery was preferred for the rheological assay. The water soluble fraction of AIR (WSAIR) was able to form gels and the viscoelastic properties of the gels were evaluated as a function of galacturonic acid content. Moreover, phenols recovery inside the ethanolic medium was shown to be governed by their solubilization in the hydro-ethanolic mixture, while extraction step with ethanol (5% v/v) and precipitation time were not critical for the recovery. Heating of OMW at 50, 60 and 80°C resulted in the reduction of phenol concentration and antioxidant abilities of the extracts, probably due to induced enzymatic and nonenzymatic reactions at each temperature, respectively. Nevertheless, extracts from the heat treated samples preserved their phenols and antioxidant capacity during storage of 18 weeks. Afterwards, the two assayed materials were recovered with some modifications in the method and utilized as food additives. AIR as well as WSAIR were utilized as fat replacement in low fat meatballs together or separately with carrot and compared with regard to cooking properties. Results indicated that AIR could not be considered as a potential fat replacement in meatballs due to the restricted water holding ability, while WSAIR could be utilized together with carrot fibers, since it was able to improve the cooking properties of the product, by restricting the oil uptake of it during deep fat frying. The ethanolic extract was further concentrated and utilized as additive to produce a “phenol beverage” (1.7% ethanol). This soft drink was shown to possess a total phenol concentration relative to this of 50-100 g olive oil, while its corresponding antioxidant properties were comparable with these of traditional beverages, like green and mountain tea. Ultimately, the separation of the ingredients of two substrates (WSAIR diluted with water and “phenol beverage”) were further investigated with four types of ultrafiltration and one nanofiltration membrane. The membranes of 25 and 100 kDa showed satisfying results with regard to the clarification of pectin in the concentrate stream from cations and phenols. The membrane of 25 kDa was also able to partially separate the heavier fragments of some phenolic classes and simultaneously to sustain the antioxidant properties of the beverage in the permeate stream. Finally, nanofiltration clarified the beverage from cations that passed in the permeate stream, but this process resulted in loss of antioxidant compounds, too.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η ανάπτυξη μιας μεθόδου για την ταυτόχρονη ανάκτηση ενός υπολείμματος πλούσιου σε εδώδιμες ίνες και ενός αιθανολικού εκχυλίσματος πλούσιου σε φαινόλες, από συμπυκνωμένα απόβλητα ελαιουργείου (W02008/082343). Η εκχύλιση των παραπάνω συστατικών βασίστηκε στη θερμική επεξεργασία με όξινα υδρο-αιθανολικά μίγματα, πριν την απομόνωση του αδιάλυτου υπολείμματος στην αιθανόλη (AIR) σε μίγμα αυτής μέχρι 85% ν/ν. Αρχικά, διερευνήθηκε η επίδραση της παρατεταμένης θερμικής επεξεργασίας στις λειτουργικές ιδιότητες των περιεχομένων πηκτινών. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η επεξεργασία των αποβλήτων σε μέτρια θερμοκρασία (60°C) για 2-3 h, ενεργοποιεί την ενδογενή πηκτινομεθυλεστεράση και προωθεί την από-μεθυλίωση των πηκτινών, παρά την υψηλή συγκέντρωση των φαινολών. Αυτή η διεργασία αύξησε τη διαλυτοποίηση των πηκτινών αλλά ταυτόχρονα μείωσε τις ιδιότητες ζελοποίησής των. Η εναλλακτική θερμική επεξεργασία στους 80°C προκάλεσε αμελητέα ενεργοποίηση του ενζύμου και βελτίωσε τις ιδιότητες ζελοποίησης του ανακτώμενου υλικού. Στη συνέχεια, το στάδιο εκχύλισης μελετήθηκε με διαφορετικά μίγματα. Η βέλτιστη διεργασία (5% ν/ν αιθανόλη και 1% w/v κιτρικό οξύ) σε σχέση με τη μέγιστη ανάκτηση AIR και ινών εφαρμόστηκε στην ανάκτηση του υλικού για τις ρεολογικές δοκιμές. Πιο συγκεκριμένα, το υδατοδιαλυτό κλάσμα του AIR (WSAIR) ήταν ικανό να σχηματίσει ζελέ, ενώ οι ιξωδο-ελαστικές ιδιότητες αυτού εκτιμήθηκαν συναρτήσει της συγκέντρωσης γαλακτουρονικού οξέος (πηκτινών). Επιπλέον, η ανάκτηση φαινολών μέσα στο αιθανολικό μίγμα βρέθηκε ότι εξαρτάται από τη διαλυτοποίηση αυτών μέσα στο προκύπτον υδρο-αιθανολικό μίγμα, ενώ το στάδιο της εκχύλισης με αιθανόλη (5% ν/ν) και ο χρόνος κατακρήμνισης δεν ήταν σημαντικοί παράγοντες για τη διεργασία. Η θέρμανση των αποβλήτων στους 50, 60 και 80°C προκάλεσε τη μείωση της συγκέντρωσης φαινολών και των αντιοξειδωτικών ιδιοτήτων των εκχυλισμάτων, πιθανώς εξαιτίας συνακόλουθων ενζυμικών και μη ενζυμικών αντιδράσεων ανάλογα με τη θερμοκρασία. Εντούτοις, τα εκχυλίσματα των θερμικά επεξεργασμένων δειγμάτων αποβλήτων διατήρησαν σταθερές τις περιεχόμενες φαινόλες και την αντιοξειδωτική τους ικανότητα σε διάρκεια 18 εβδομάδων. Στη συνέχεια, τα τρία προαναφερθέντα υλικά (AIR, WSAIR και αιθανολικό εκχύλισμα) ανακτήθηκαν με μερικές αλλαγές στη μέθοδο και χρησιμοποιήθηκαν ως πρόσθετα τροφίμων. Τα AIR και WSAIR χρησιμοποιήθηκαν ως υποκατάστατα λίπους σε προϊόντα σύγκοπτου κρέατος (κεφτέδες χαμηλών λιπαρών) μαζί ή ξεχωριστά με ίνες καρότου και συγκρίθηκαν σε σχέση με τις ιδιότητες που αποκτά το προϊόν κατά τη ψήση αυτού. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι το AIR δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αυτόν τον σκοπό αφού έχει περιορισμένη ικανότητα συγκράτησης νερού, σε αντίθεση με το WSAIR το οποίο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μαζί με τις ίνες καρότου, καθώς βελτίωσε τις ιδιότητες του προϊόντος, περιορίζοντας την προσρόφηση ελαίου κατά τη διάρκεια τηγανίσματός του σε φριτέζα. Από την άλλη μεριά, το αιθανολικό εκχύλισμα συμπυκνώθηκε περαιτέρω και εφαρμόστηκε ως πρόσθετου για την παραγωγή ενός «ροφήματος φαινολών» (με 1,7% αιθανόλη). Αυτό το ελαφρύ ποτό είχε συγκέντρωση ολικών φαινολών ανάλογη με αυτή 100 g ελαιολάδου, ενώ οι αντίστοιχες αντιοξειδωτικές του ιδιότητες ήταν συγκρίσιμες με αυτές παραδοσιακών ροφημάτων, όπως είναι το πράσινο τσάι και η μαλοτήρα. Τελικά, ο διαχωρισμός των συστατικών των δύο υποστρωμάτων (το WSAIR αραιωμένο με νερό και το «ρόφημα φαινολών») μελετήθηκαν περαιτέρω με τέσσερις τύπους μεμβρανών υπερδιήθησης και μία νανοδιήθησης. Οι μεμβράνες με μοριακό κατώφλι των 25 και 100 kDa έδειξαν ικανοποιητικά αποτελέσματα σε σχέση με το καθαρισμό των πηκτινών στο συμπύκνωμα από τα κατιόντα και τις φαινόλες. Επίσης, η μεμβράνη των 25 kDa ήταν ικανή να διαχωρίσει μερικώς τα «βαρύτερα» κλάσματα μερικών φαινολικών ομάδων και ταυτόχρονα να διατηρήσει τις αντιοξειδωτικές ιδιότητες του ροφήματος στο διήθημα. Εν κατακλείδι, η νανοδιήθηση καθάρισε μερικώς το ρόφημα από κάποια κατιόντα που πέρασαν στο διήθημα, αλλά αυτή η διεργασία προκάλεσε επίσης την απώλεια ορισμένων αντιοξειδωτικών συστατικών.