Hydroxytyrosol extraction and purification from olive leaves with physicochemical processes

Abstract

Phenolics are substances that occur naturally in the metabolism of plants and are expressed in various components of them such as the leaves, tissues, flowers, and fruit. Some of them are found to be especially beneficial for the human health mainly due to their antioxidant potential, and therefore have attracted a lot of attention. Some ways to acquire them is via chemical synthesis from appropriate precursors, via plant processing and extraction and finally from process wastes on already developed productions. One example is the isolation of antioxidant compounds from olive mill wastes such as the wastewaters from milling. These waters naturally contain polar antioxidants from the olive pulp and can be isolated before being discarded. Antioxidants from these wastes like tyrosol and hydroxytyrosol and their metabolites show great antioxidant capacity and show great market value even in low grades in purity. The present thesis is an attempt to isolate one compound from olive trees leaves, namely hydroxytyrosol, as much as possible with relatively simple physicochemical steps, that can be applied in the concept of an olive refinery. Olive trees leaves have not been studied extensively in terms of hydroxytyrosol isolation, since in olive trees leaves it resides in the form of oleuropein, a glycosylated secoiridoid. The process contains pretreatment steps for the olive leaves, to increase their available-to-solvent surface area, an extraction step for transportation of the compounds in a solution, a chemical step for hydrolysis of oleuropein, an extraction step with organic solvent for selective transfer of hydroxytyrosol in the hydrophobic phase and finally an evaporation step to remove the organic solvent. The process was tested in three scales. In the small scale, different parameters and conditions were varied to find suitable conditions with adequate yield of hydroxytyrosol (e.g. extraction temperature, solvent type and quantity, particle size, time of reaction etc.). In the medium scale, the quantities and some process equipment were changed to serve the larger scale and flat-sheet membranes of various types were used to determine their usefulness in the process and the right place to be incorporated. The third and last scale was semi-pilot and used large tanks and pilot-scale membranes for processing. These were performed to determine the hurdles and reasons for efficiency drop in the larger scale and therefore assist in modifying the process to better serve a simple and affordable scheme. The process that was developed managed high recoveries of hydroxytyrosol (> 40% in most cases) and membranes were found to increase purity but decrease the total yield. The pilot scale suffered from time delays during processing of large quantities with smaller scale equipment and this was detrimental to the concentrations of target compounds that are prone to oxidation. Recoveries in the pilot scale were much smaller than in the two smaller scales and this reflected the need for faster processing and minimizing delays between process steps. Furthermore, the procurement of olive trees leaves could be a serious issue because olive trees leaves from olive oil mill piles contain only traces of these compounds and are probably destroyed due to exposure to heat, sun and moisture that accelerates oxidation processes. The only viable option for feedstock would be fresh olive trees leaves that are picked and dried immediately to maintain their phenolic profile or separation in the field after pruning. This reason makes it more viable as a standalone process rather than one incorporated in olive mills for waste management and extra profit.

Η αποστροφή του κόσμου από τα πετροχημικά έχει ξυπνήσει καινούριες εναλλακτικές στην παραγωγή χημικών, καυσίμων και ενέργειας. Μία από αυτές είναι το μοντέλο του βιοδιυλιστηρίου. Σε αυτό, μια πηγή βιομάζας επεξεργάζεται για την παραγωγή χημικών και ενέργειας με σχεδόν μηδενικά απόβλητα. Το μοντέλο αυτό, ή τουλάχιστον μέρος αυτού μπορεί να βρει εφαρμογές σε ήδη ανεπτυγμένες και καθιερωμένες διεργασίες. Η ελαιοπαραγωγή είναι μία από τις σημαντικότερες οικονομικές δραστηριότητες στην Ελλάδα όπως και στις υπόλοιπες Μεσογειακές χώρες, κυρίως για την παραγωγή ελαιόλαδου. Η ελαιοπαραγωγή περιλαμβάνει σημαντικές πηγές βιομάζας σε όλο τον κύκλο επεξεργασίας από το χωράφι μέχρι το πυρηνελαιουργείο όπως κλαδέματα, φύλλα, ελαιοπυρήνας, πυρηνόξυλο και υδατικά απόβλητα πλούσια σε εκχυλισμένα συστατικά. Τα φαινολικά είναι ουσίες που βρίσκονται σε φυτικούς ιστούς, φύλλα και καρπούς. Πολλά από αυτά παρουσιάζουν αντιοξειδωτικές και άλλες ευεργετικές ιδιότητες για την υγεία και για αυτό έχει δημιουργηθεί μία συνεχώς αναπτυσσόμενη αγορά γύρω από αυτά. Τα φαινολικά της ελιάς παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον καθώς αυτά παρουσιάζουν μεγάλη αντιοξειδωτική ικανότητα και μόνο μερικά μη πολικά καταλήγουν στο τελικό προϊόν που είναι το ελαιόλαδο. Μεγάλες ποσότητες αυτών καταλήγουν στα υδατικά ή παραμένουν στην στερεή φάση όπως στον ελαιοπυρήνα και τα φύλλα ελιάς. Τα 2 κυριότερα φαινολικά είναι η τυροσόλη και υδροξυτυροσόλη, ενώ τα περισσότερα από τα υπόλοιπα είναι μεταβολίτες των πρώτων δύο. Στην παρούσα εργασία έγινε μια προσπάθεια εκμετάλλευσης του φαινολικού περιεχομένου των φύλλων ελιάς με σκοπό τη συμβολή στην ιδέα του βιοδιυλιστηρίου της ελιάς. Πιο συγκεκριμένα, η εργασία εστιάστηκε στην ελαιοευρωπαϊνη, η οποία είναι το κυριότερο συστατικό των φύλλων ελιάς και στην υδρόλυσή της ώστε να παραχθεί υδροξυτυροσόλη, η οποία είναι υπεύθυνη για τη δράση του μορίου της ελαιοευρωπαΐνης, απαλλαγμένη όμως από την πικρή γεύση της πρώτης. Για την παραγωγή εκχυλίσματος πλούσιου σε υδροξυτυροσόλη αναπτύχθηκε διεργασία σε πειραματική κλίμακα με ικανοποιητική απόδοση (15 g υδροξυτυροσόλη/kg φύλλων ελιάς και καθαρότητες έως 40% στο τελικό εκχύλισμα). Στη συνέχεια έγινε προσπάθεια ενίσχυσης της καθαρότητας του εκχυλίσματος με ένα επιπλέον βήμα διήθησης μέσω μεμβρανών, έχοντας ως αποτέλεσμα την αύξηση της καθαρότητας έως 68% σε κάποιες περιπτώσεις αλλά με κόστος τη μείωση στην ανακτώμενη ποσότητα υδροξυτυροσόλης. Τέλος, έγινε προσπάθεια μεταφοράς της διεργασίας σε ημιπιλοτική κλίμακα για παραγωγή ικανοποιητικής ποσότητας εκχυλίσματος, αλλά αυτή τη φορά με αρκετά μειωμένη ανάκτηση και καθαρότητα μέχρι 20% στο τελικό εκχύλισμα, κρίνοντας απαραίτητη την τροποποίηση της διεργασίας σε βαθμό που να εξυπηρετείται η μεγάλη κλίμακα.