Συστηματική μελέτη βιοπολυμερών και υδροκολλοειδών από τον καρπό της μπάμιας (Abelmoschus esculentus)

Abstract

In the present thesis an attempt was made, to systematically study the biopolymer/hydrocolloid extract from okra fruit (Abelmoschus esculentus). For this reason, various extraction methods were applied in order to isolate and obtain okra polysaccharides. Okra biopolymers can have numerous applications and their functionality depends on their physicochemical properties. Therefore the main objective of the thesis focuses on the physicochemical characterization of okra extracts. Basic thermodynamic and surface properties of the okra extract were determined using inverse gas chromatography (IGC). An extensive surface characterization of okra hydrocolloid extract was conducted at infinite dilution at three temperatures (40, 50, 60°C). The results demonstrated that the okra extract is an amphoteric matrix of predominantly basic character. Bulk thermodynamic parameters were determined at 90, 100, 110°C. The polymer was insoluble in most organic solvents even at high temperatures with the exception of methanol and chloroform. Furthermore it was observed that total solubility parameter decreases with increasing temperature while the partial solubility parameter due to hydrogen bonding interactions is increased suggesting that the bulk structure of the okra macromolecules assembly is stabilized via hydrogen bonds.The molecular-level thermal properties and the hydrogen bonding interactions of the okra extract in ultra pure water and in dimethyl sulfoxide (DMSO)/water mixtures were investigated by means of micro-differential Scanning Calorimetry (μ–DSC). The role of DMSO is to induce breaking of hydrogen bonds. For this reason the okra fraction was dissolved, respectively, in ultra pure water, DMSO, and DMSO/water mixtures. Dilution experiments were performed in a followed stage as well as the inverse series of experiments. In an aqueous solution, the component polysaccharides of okra mucilage arrange themselves in hydrogen bond-dominated structures, stabilized via pseudo-equilibrium states depending on their thermal history. Furthermore there are good indications that any such supermolecular entities arrange in hexameric structures. This can be supported by both thermochemical and light scattering data.Novel composite materials comprising of okra hydrocolloids and hydroxyapatite of potential interest for the field of bone tissue engineering were prepared using various ratios of the above substances. The results demonstrated that controlled co-precipitation of in situ prepared HAp and extract from okra pods yields solidifiable true porous composite materials.In addition Maillard conjugates were prepared in situ in okra mucilage from the existing populations of protein and polysaccharide. While the raw extracts and the products of milder heat treatments are inefficient emulsifiers at neutral pH, the conjugates prepared upon controlled heating (here 100°C for 6 h), dried hydrocolloid extract from okra fruit can conditionally exhibit very good emulsifying properties.Finally preliminary ex vivo experiments were performed in order to study the okra biopolymer adsorption from the intestinal fluids onto the surface epithelial mucus of the small intestine. For this reason, okra dry extract was dissolved in simulated intestinal fluid in three different concentrations and was incubated on a particular mucus surface from rats gut at four different times. The results showed that the system under study depends on the concentration, providing solid guidelines for subsequent investigation of isothermal adsorption.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν συστηματικά βιοπολυμερή/υδροκολλοειδή από τον καρπό της μπάμιας (Abelmoschus esculentus). Οι πολυσακχαρίτες της μπάμιας απομονώθηκαν με διάφορες μεθόδους εκχύλισης και έπειτα πραγματοποιήθηκε φυσικοχημικός χαρακτηρισμός τους.Οι θερμοδυναμικές ιδιότητες του εκχυλίσματος μελετήθηκαν μέσω της ανάστροφης αέριας χρωματογραφίας (IGC). Ο επιφανειακός χαρακτηρισμός έδειξε ότι η επιφάνειά του βιοπολυμερούς είναι αμφοτερική, με έντονα βασικό χαρακτήρα. Ακολούθησε θερμοδυναμικός χαρακτηρισμός από τον οποίο προέκυψαν θερμοδυναμικές παράμετροι της εσωτερικής του δομής, καθώς και δεδομένα διαλυτότητάς του σε σειρά διαλυτών. Επιπλέον, παρατηρήθηκε ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας η συνολική παράμετρος διαλυτότητας μειώνεται, ενώ η μερική παράμετρος διαλυτότητας λόγω δεσμών υδρογόνου αυξάνεται, γεγονός που υποδηλώνει ότι το μεγαλύτερο μέρος της δομής των μακρομορίων της μπάμιας σταθεροποιείται μέσω δεσμών υδρογόνου.Προκειμένου να μελετηθεί η διαμόρφωση του μορίου στο χώρο και το δίκτυο δεσμών υδρογόνου στο εκχύλισμα, πραγματοποιήθηκε χαρακτηρισμός του, μέσω της διαφορικής μικροθερμιδομετρίας σάρωσης (μ–DSC). Για το λόγο αυτό, ως διαλύτες χρησιμοποιήθηκαν μείγματα νερού με διμεθυλοσουλφοξείδιο (DMSO), το οποίο έχει την ιδιότητα να προκαλεί σχάση των δεσμών υδρογόνου. Πιο συγκεκριμένα, παρασκευάστηκαν διαλύματα DMSO/νερού σε διαφορετικές αναλογίες όγκου και πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις μ–DSC τόσο στα απευθείας παρασκευασθέντα διαλύματα, όσο και στα διαλύματα, κατόπιν σταδιακής ή/και απότομης αραίωσης με προσθήκη νερού, αλλά και σε διαλύματα, κατόπιν σταδιακής αραίωσης με προσθήκη DMSO. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν επιβεβαίωσαν ότι οι πολυσακχαρίτες της μπάμιας σε υδατικό διάλυμα αυτο-οργανώνονται σε δομές που κυριαρχούνται από δεσμούς υδρογόνου, σταθεροποιημένοι, ωστόσο, σε ψευδο-σταθερές καταστάσεις. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώθηκε από τη στατική σκέδαση φωτός και τις μετρήσεις εσωτερικού ιξώδους, οι οποίες συνηγορούν πως πρόκειται για υπερμοριακές δομές, οι οποίες αποτελούνται από μεμονωμένα μακρομόρια που οργανώνονται σε εξαμερείς δομές. Στη συνέχεια, κατασκευάστηκαν σύνθετα υλικά βιοπολυμερών μπάμιας με υδροξυαπατίτη, καθώς το εκχύλισμα μπάμιας παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον είτε για αύξηση της βιοενεργότητας είτε για μεταβολή της μηχανικής και θερμικής συμπεριφοράς οστεϊκών μοσχευμάτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν επιτυχή παρασκευή σύνθετων πορωδών υλικών, επομένως ένα τέτοιο υλικό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως βάση για ανάπλαση πολλαπλών ιστών ή διεπιφάνειας ιστών.Ακολούθησε παρασκευή νέων γαλακτωματοποιητών από εγγενή συστατικά μπάμιας, μέσω των αντιδράσεων Maillard, με συγκεκριμένα πρωτόκολλα κατεργασίας θέρμανσης–χρόνου, και, έπειτα, εξετάστηκε η γαλακτωματοποιητική ικανότητα των νέων αυτών υλικών. Τα προϊόντα μελετήθηκαν ως προς τη σύστασή τους, ενώ οι φυσικοχημικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν έδειξαν ότι το υδροκολλοειδές της μπάμιας, ένας κακός γαλακτωματοποιητής, γίνεται διαμέσου των αντιδράσεων Maillard μεταξύ των ενυπαρχουσών πρωτεϊνών και πολυσακχαριτών του εκχυλίσματος (καλός γαλακτωματοποιητής) και μάλιστα χωρίς καμιά επιπλέον προσθήκη συστατικών, με αποτέλεσμα να αποκτά ιδιαίτερη πρόσθετη αξία το υπό μελέτη υδροκολλοειδές. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν με διεπιφανειακές μετρήσεις.Τέλος, πραγματοποιήθηκαν προκαταρκτικά πειράματα ex vivo, με σκοπό να μελετηθεί η κινητική και θερμοδυναμική ρόφησης του βιοπολυμερούς της μπάμιας από τη μυξίνη της βλέννης του λεπτού εντέρου. Για το λόγο αυτό, τρεις διαφορετικές συγκεντρώσεις ξηρού εκχυλίσματος μπάμιας διαλύθηκαν σε προσομοιωμένο εντερικό υγρό και επωάστηκαν σε τέσσερις διαφορετικούς χρόνους πάνω σε συγκεκριμένη επιφάνεια βλέννης του λεπτού εντέρου αρουραίων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το σύστημα, εξαρτάται από τη συγκέντρωση παρέχοντας, έτσι, καλές ενδείξεις για τη μετέπειτα διερεύνηση των ισόθερμων προσρόφησης.