Αξιοποίηση παραπροϊόντων βιομηχανίας ροδιού

Abstract

Pomegranate is one of the most significant sources of phenolic compounds that are mostly concentrated in fruit peels with reported potential health-promoting properties. The processing of pomegranate fruit into juice produces enormous amounts of byproducts, such as peels and seeds, leading to environmental pollution. However, pomegranate peels were found to contain higher amounts of phenolics than the edible fleshy parts and could be a good source for producing high-value antioxidants. Over the last years, food additives represent one of the most interesting and innovative areas in the food industry as the demand of consumers for healthier foodstuffs has increased. The objective of this work was to develop a new method for pomegranate peel application in food industries based on the extraction of phenolic compounds and its subsequent encapsulation. So, two “green” techniques (ultrasound and microwave assisted extraction) were compared in order to optimize the extraction efficiency and the extract properties. Afterwards, the spray drying encapsulation of pomegranate peel phenolic extract was optimized using a new encapsulating agent from orange juice by-products as wall material. Moreover, the stability of the crude and the encapsulated extract at the optimum conditions of extraction and encapsulation was studied. In addition, the obtained extract was used as a functional component in foods. The first part of the research focused on the extraction of pomegranate peel phenolic extract. Initially, a study of pomegranate peel drying was carried out and kinetic drying models were developed. Afterwards, a comparison between microwave- and ultrasound-assisted extraction of phenolics was performed. Although the yield of total phenolics was higher by the microwave method (199,40 versus 119,82 mg GAE/g dry peel for ultrasound extraction), the extract obtained by the ultrasound method was considered to be optimal, as both had approximately the same antioxidant activity (94,77 by ultrasounds versus 94,91% by microwaves), but its production required much lower energy consumption (9,88 versus 48,00 kJ/g) and a smaller, almost half, amount of lower cost solvent (water with solvent/solid ratio 32,2/1 mL/g versus 50% v/v aqueous ethanol with solvent/solid ratio 60/1 mL/g). The analysis of phenolic compounds, following the development of an appropriate HPLC protocol, showed that punicalagin was the dominant phenolic compound in pomegranate peels extract (138,80 and 143,64 mg/g dry peel for ultrasound- and microwave-assisted method, respectively). In the second part of the study, the pomegranate peel extract obtained by ultrasound-assisted extraction at optimum conditions was encapsulated by spray drying aiming to increase its stability during storage. The potential of using orange wastes as a wall material was examined. Thus, an appropriate process for obtaining a wall material from orange by-products was developed, included steps such as washing, boiling, drying and milling. The obtained product was examined for moisture content, water holding capacity, sorption isotherms. Moreover, its glass transition temperature was determined at various moisture content levels. Afterwards, the encapsulation process was optimized for encapsulation efficiency (99,77%) and yield (12,99%), while the product was characterized for moisture content, bulk density, sorption isotherms, glass transition temperature, morphology and controlled release rate of phenolic constituents. In the third part of the research, the stability of the crude and the encapsulated at the optimum conditions phenolic extract was studied under accelerated storage conditions (60 oC for 40 days), in terms of total phenolic content, antioxidant activity and color. The results showed that polyphenols degradation in crude extract was faster than that in encapsulated product, showing the importance of the encapsulation. In addition, the obtained extract was used as a functional component in three different food systems, a solid (cookies), a liquid (fruit juice) and one with fat basis (peanut butter), increasing their total phenolic content and antioxidant activity, which was maintained at high levels throughout the shelf life of the products, reducing their oxidation rate. After sensory evaluation, the results indicated that pomegranate peel extract could be incorporated in cookies without negatively affecting texture and sensory quality.

Το ρόδι είναι μία από τις σημαντικότερες πηγές φαινολικών ενώσεων, που συγκεντρώνονται κυρίως στον φλοιό του. Κατά τη διαδικασία χυμοποίησης του ροδιού, παράγονται υψηλές ποσότητες παραπροϊόντων, μεγάλο μέρος των οποίων εναποτίθενται στο περιβάλλον ως απόβλητα. Ωστόσο, τα παραπροϊόντα αυτά περιέχουν σημαντικές ποσότητες βιοδραστικών συστατικών, όπως φαινολικές ενώσεις, οι οποίες θα μπορούσαν να ανακτηθούν και να χρησιμοποιηθούν στην παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, επιτυγχάνοντας παράλληλα την απορρύπανση των αποβλήτων. Ταυτόχρονα, τα τελευταία χρόνια παρουσιάζεται μία διαρκώς αυξανόμενη ζήτηση των καταναλωτών για τρόφιμα που περιέχουν βιοενεργά συστατικά, τα οποία προέρχονται από φυσικές πρώτες ύλες. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου για την αξιοποίηση του φλοιού ροδιού στη βιομηχανία τροφίμων, βασισμένης σε τεχνικές εκχύλισης και ενθυλάκωσης των φαινολικών του ενώσεων. Για τον σκοπό αυτόν, έγινε συγκριτική εφαρμογή καινοτόμων τεχνικών εκχύλισης (υπέρηχοι, μικροκύματα), με στόχο τη βελτιστοποίηση της απόδοσης εκχύλισης και των ιδιοτήτων του παραγόμενου εκχυλίσματος. Παράλληλα, αναπτύχθηκε κατάλληλη μέθοδος ενθυλάκωσης του φαινολικού εκχυλίσματος χρησιμοποιώντας ένα καινοτόμο μέσο ενθυλάκωσης, τα απόβλητα χυμοποίησης πορτοκαλιού, μετά από ανάπτυξη και βελτιστοποίηση κατάλληλης επεξεργασίας. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε μελέτη της σταθερότητας του ενθυλακωμένου και μη εκχυλίσματος στις βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης και ενθυλάκωσης και ενσωμάτωσή τους σε διάφορα συστήματα τροφίμων, με σκοπό τη βελτίωση των λειτουργικών τους ιδιοτήτων, αλλά και της διατηρησιμότητάς τους. Το πρώτο μέρος της έρευνας επικεντρώθηκε στην παραλαβή φαινολικού εκχυλίσματος από φλοιούς ροδιού. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε μελέτη της ξήρανσης του φλοιού και ανάπτυξη κινητικών μοντέλων ξήρανσης. Στη συνέχεια, έγινε συγκριτική μελέτη της εκχύλισης ολικών φαινολικών με τις μεθόδους των υπερήχων και μικροκυμάτων. Παρόλο που η απόδοση σε ολικά φαινολικά ήταν μεγαλύτερη με τη μέθοδο των μικροκυμάτων (199,40 έναντι 119,82 mg GAE/g ξηρού φλοιού για την εκχύλιση με υπερήχους), θεωρήθηκε βέλτιστο το εκχύλισμα που ελήφθη με τη μέθοδο των υπερήχων, καθώς παρουσίαζε περίπου την ίδια αντιοξειδωτική δράση (94,77 έναντι 94,91% με τη μέθοδο των μικροκυμάτων), αλλά για την παραγωγή του απαιτούνταν πολύ χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας (9,88 έναντι 48,00 kJ/g) και μικρότερη, σχεδόν μισή, ποσότητα διαλύτη χαμηλότερου κόστους (νερό με αναλογία διαλύτη/στερεών 32,2/1 mL/g έναντι 50% v/v υδατική αιθανόλη με αναλογία 60/1 mL/g). Ο χαρακτηρισμός των εκχυλισμάτων, μετά από την ανάπτυξη κατάλληλου πρωτοκόλλου υγρής χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης (HPLC), έδειξε ότι η κυρίαρχη πολυφαινόλη ήταν η πουνικαλαγίνη, σε επίπεδα 138,80 και 143,64 mg/g ξηρού φλοιού, για τη μέθοδο υπερήχων και μικροκυμάτων, αντίστοιχα. Στο δεύτερο μέρος της έρευνας, το φαινολικό εκχύλισμα, που προέκυψε στις βέλτιστες συνθήκες εκχύλισης, ενθυλακώθηκε με ξήρανση ψεκασμού, με στόχο την αύξηση της σταθερότητάς του κατά την αποθήκευση. Εξετάστηκε η δυνατότητα αξιοποίησης των απόβλητων χυμοποίησης πορτοκαλιού ως μέσου ενθυλάκωσης. Έτσι, αναπτύχθηκε κατάλληλη διαδικασία παραλαβής υλικού τοιχώματος από παραπροϊόντα πορτοκαλιού, η οποία περιελάμβανε στάδια όπως πλύσιμο, βρασμό, ξήρανση και άλεση. Το παραχθέν προϊόν εξετάσθηκε ως προς την υγρασία, την ικανότητα συγκράτησης νερού, τις ισόθερμες ρόφησης, ενώ παράλληλα μετρήθηκε η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσής του σε διάφορα επίπεδα υγρασίας. Στη συνέχεια, βελτιστοποιήθηκε η διαδικασία ενθυλάκωσης με ξήρανση ψεκασμού ως προς την αποτελεσματικότητα ενθυλάκωσης (99,77%) και την απόδοση της διεργασίας (12,99%), ενώ παράλληλα το προϊόν χαρακτηρίσθηκε ως προς την υγρασία, τη φαινόμενη πυκνότητα, τις ισόθερμες ρόφησης, τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, τη μορφολογία και τον ρυθμό ελεγχόμενης αποδέσμευσης φαινολικών συστατικών. Στο τρίτο μέρος της έρευνας, πραγματοποιήθηκε μελέτη της σταθερότητας του υγρού και ενθυλακωμένου εκχυλίσματος, κατά την αποθήκευσή τους σε επιταχυνόμενες συνθήκες (60 oC) για 40 ημέρες, με μέτρηση του φαινολικού περιεχομένου, της αντιοξειδωτικής δράσης και του χρώματος. Όπως παρατηρήθηκε, η σταθερότητα του ενθυλακωμένου εκχυλίσματος βελτιώθηκε σημαντικά σε σύγκριση με του υγρού, γεγονός που αποδεικνύει την προστατευτική δράση του υλικού τοιχώματος στην υποβάθμιση των βιοδραστικών ενώσεων. Επιπλέον, υγρό και ενθυλακωμένο εκχύλισμα χρησιμοποιήθηκαν ως πρόσθετα σε τρία διαφορετικά συστήματα τροφίμων, ένα στερεό (μπισκότο), ένα υγρό (φυσικός χυμός) και ένα με λιπαρές ύλες (φυστικοβούτυρο), αυξάνοντας την περιεκτικότητά τους σε ολικά φαινολικά και την αντιοξειδωτική τους δράση, η οποία διατηρήθηκε σε υψηλά επίπεδα σε όλη τη διάρκεια αποθήκευσης των προϊόντων, μειώνοντας τον ρυθμό οξείδωσής τους, χωρίς να επηρεάζονται αρνητικά τα οργανοληπτικά τους χαρακτηριστικά, όπως προέκυψε μετά από κατάλληλη διαδικασία οργανοληπτικής αξιολόγησης.