Βιοτεχνολογική αξιοποίηση και παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας από το ιπποφαές (Hippophae rhamnoides L.) και τα παραπροϊόντα οινοποίησης

Abstract

Phenolic compounds are natural compounds found in most vegetables and fruits. They represent a wide family of high-added value molecules, mainly known for their biological activities, such as antioxidant and antibacterial. There have been several reports on the beneficial effects of these phenolics on human health. The main interest of researchers, that has gained increasing importance nowadays, focuses on the extraction process and isolation of these compounds, from their plant sources.In the last few years, there is a growing interest in the exploitation of agricultural wastes and specifically of winemaking, as these can provide alternative sources for the isolation of phenolic compounds. The main wastes of red and white wine industry are lees and marc. Most of them are eliminated without any treatment into the environment or used as fertilizers.Furthermore, seabuckthorn (Hippophae rhamnoides L.), is known from ancient times, as one of the most important fruit that contains several beneficial ingredients, including polyphenols. Recently, there is a great worldwide attention on the utilization of its components and their use in "functional foods".Based on the above, in this thesis, the determination of the total phenolic content of wine wastes and of seabuckthorn berries (Romanian origin) was firstly attempted. Grape marc, from red and white vinification, (“Malagouzia” local white variety and “Syrah” red variety) and white lees (before fermentation from (“Malagouzia” local white variety), were kindly provided by “Gerovassiliou Domaine”, a wine-making factory in Epanomi (Thessaloniki, Greece), in the vintages 2013, 2014 and 2015. Grape marc and lees were extracted, using several solvents, in a sonicator bath, at constant temperature and time. Optimization of solvent extraction method was also attempted in our study, using Response Surface Methodology (RSM), where the simultaneous effect of three independent variables (pH value, solid to solvent ratio, temperature) was investigated to maximize the recovery of phenolics and their antioxidant activity. Although organic solvents are useful for the extraction of metabolites from plants, further purification in order to selectively obtain concentrated specific components, such as phenolics, can be essential. The method of adsorption, with subsequent desorption, and the method of encapsulation are preferred, among others, by many researchers as quick and low-cost separation techniques.The sorption of phenolic compounds from wine waste samples and from seabuckthorn berries was carried out using different organic and inorganic materials, namely, resins XAD-2, XAD-7 and XAD-16, activated carbon, ash, agar, zeolite and aluminum oxide (alumina). These materials were studied for the adsorptive capacity in phenolic compounds without any treatment, but also after treatment. In case of zeolite and aluminum oxide, with whom the best results were achieved, another series of sorption experiments were conducted, for optimization. The effect of different pH (2.0-10.0), different adsorbent concentration (5-50 g/L extract hardware) and also the effect of contact time (0-120 min) in the process of adsorption were examined. Desorption experiments, for the recovery of phenolic compounds, were conducted with various solutions, such as hydrochloric acid, citric acid, 95% ethanol, and sodium hydroxide. The effect of contact time was also examined here (0-120 min). Furthermore, encapsulation experiments of phenolic compounds, from extracts, were carried out in three different systems. Specifically, the encapsulation of phenolics in calcium alginate beads, in calcium alginate and polyethylene glycol (PEG) beads and in calcium alginate and chitosan beads was attempted and the entrapment efficiency was calculated. The highest efficiencies were achieved by using calcium alginate and chitosan. Also, studies of phenolics release from the beads in various solutions, such as ethanol (70%, at room temperature (25 °C) and under moderate heat (40 °C)), sodium citrate solution and hydrochloric acid solution, were conducted and the kinetic study of their release was estimated.In all cases, analysis and identification of phenolic compounds contained in the initial extracts and in fractions obtained from the selective separation methods, was performed with high performance liquid chromatography (HPLC) and liquid chromatography with mass spectrometry (LC-ESI-MS/MS). The identification of phenolic compounds was based on the combination of retention time, in comparison to UV-Vis absorption spectra and also mass spectra of the corresponding peak, to those of the standard compounds.Moreover, experiments were carried out for the evaluation of biological activities, both for the initial extracts, but also for the primary phenolics identified and recovered from wine wastes and seabuckthorn berries. First of all, the antiradical activity against DPPH and ABTS, and the antibacterial activity against Gram positive, as well as Gram negative strains were determined. Specifically, the bacteria tested were Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis and Bacillus cereus. In addition, the ability of winery wastes and seabuckthorn berries extracts, but also of their isolated phenolic fractions to inhibit human platelet aggregation induced by collagen and ADP, were examined. Finally, inhibition activity of the cyclooxygenase enzymes 1 and 2 (COX-1, COX-2) took place.The evaluation of the biological activities tested revealed interesting results. Therefore, the perspective of phenolics utilization, as high value-added products, may have several applications in food and pharmaceutical industries.

Οι φαινολικές ενώσεις, λόγω των ευεργετικών επιδράσεών τους στην ανθρώπινη υγεία, βρίσκονται στο κέντρο της προσοχής των επιστημόνων και των ερευνητών σε ολόκληρο τον κόσμο. Το κύριο ενδιαφέρον εστιάζεται στη διαδικασία εκχύλισης αυτών των συστατικών από διάφορες πηγές, στις οποίες τα φαινολικά συστατικά είναι οι κυρίαρχοι δευτερογενείς μεταβολίτες. Από τη διαρκή μελέτη της βιβλιογραφίας, προέκυψε ότι έχει ερευνηθεί ένα ευρύ φάσμα δράσεων των πολυφαινολών και τα αποτελέσματα αναδεικνύουν αυτή την ομάδα μορίων ως αντιοξειδωτικά και σε πολλές περιπτώσεις αντιμικροβιακά, καθιστώντας την περαιτέρω διερεύνηση αναγκαία.Παράλληλα, υπάρχει ένα διαρκώς αυξανόμενο ενδιαφέρον για την εκμετάλλευση των αποβλήτων αγροτοβιομηχανίας και συγκεκριμένα της οινοποίησης, καθώς αυτά μπορούν να αποτελέσουν εναλλακτικές πηγές για την απομόνωση φαινολικών ενώσεων. Τα κυριότερα απόβλητα της βιομηχανίας παραγωγής οίνου, ερυθρού και λευκού, είναι οι οινολάσπες και τα στέμφυλα, το μεγαλύτερο μέρος των οποίων μέχρι σήμερα, παραμένει αναξιοποίητο και αποβάλλεται χωρίς καμία επεξεργασία στο περιβάλλον ή χρησιμοποιείται ως λίπασμα στις καλλιέργειες αμπέλου. Το ιπποφαές (Hippophae rhamnoides L.) επίσης, είναι από την αρχαιότητα γνωστό ως ένα από τα σπουδαιότερα φυτά και ο καρπός του εμφανίζει μία πληθώρα ευεργετικών συστατικών, μεταξύ των οποίων και οι φαινολικές ενώσεις. Πρόσφατα έχει κερδίσει ξανά την παγκόσμια προσοχή και κατατάσσεται στα λεγόμενα “υπερτρόφιμα” (super foods), ενώ σημαντικό μέρος της έρευνας στρέφεται στην αξιοποίηση και χρήση των συστατικών του καρπού του ιπποφαούς στα «λειτουργικά τρόφιμα».Με βάση τα παραπάνω, στην παρούσα διατριβή, αρχικά επιλέχθηκε να πραγματοποιηθεί προσδιορισμός του φαινολικού περιεχομένου του αποξηραμένου καρπού του ιπποφαούς (προέλευσης Ρουμανίας) και των αποβλήτων της οινοποίησης. Τα παραπροϊόντα της οινοποίησης, προήλθαν από το “Κτήμα Γεροβασιλείου”, στο πλαίσιο του ερευνητικού προγράμματος «ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ 2011», το οποίο εδρεύει στην Επανομή της Θεσσαλονίκης και συγκεκριμένα ήταν λευκά στέμφυλα και οινολάσπη, προερχόμενη από το στάδιο της 1ης απολάσπωσης της διαδικασίας οινοποίησης λευκών σταφυλιών, από σταφύλια ποικιλίας “Μαλαγουζιά” και ερυθρά στέμφυλα, από σταφύλια ποικιλίας “Syrah”. Όλα ήταν εσοδείας 2013, 2014 και 2015. Για την παραλαβή των ολικών φαινολικών, αρχικά επιλέχθηκε η μέθοδος της εκχύλισης σε θερμοστατούμενο λουτρό υπερήχων, με διάφορους διαλύτες, και ακολούθησε βελτιστοποίηση της διαδικασίας αυτής, με τη μεθοδολογία των επιφανειών απόκρισης (Response Surface Methodology-RSM). Σκοπός της βελτιστοποίησης ήταν η παραλαβή της μέγιστης ποσότητας φαινολικών ενώσεων (mg/g), με τη μέγιστη αντιοξειδωτική δράση (%).Ακολούθησε η εκλεκτική παραλαβή φαινολικών ενώσεων από τα παραπάνω παραπροϊόντα οινοποίησης και τον καρπό του ιπποφαούς, επιλέγοντας δύο μεθόδους επίσης γρήγορες και οικονομικές, όπως έιναι αυτή της προσρόφησης με διαδοχική εκρόφηση και η μέθοδος του εγκλεισμού σε διάφορα συστήματα υδροπηκτών.Τα προσροφητικά υλικά που επιλέχθηκαν ήταν οργανικά και ανόργανα, όπως οι ρητίνες (XAD-2, -7 και -16), ο ενεργοποιημένος άνθρακας, η στάχτη, το άγαρ, ο ζεόλιθος και το οξείδιο του αργιλίου (αλουμίνα). Τα υλικά αυτά μελετήθηκαν για την προσροφητική τους ικανότητα σε φαινολικές ενώσεις χωρίς καμία επεξεργασία, αλλά και έπειτα από κατάλληλη κατεργασία. Τα καλύτερα αποτελέσματα επιτεύχθηκαν με τη χρήση του κατεργασμένου ζεόλιθου και της κατεργασμένης αλουμίνας. Για τη βελτιστοποίηση της προσρόφησης στα υλικά αυτά, μελετήθηκε η επίδραση που είχαν διάφοροι παράγοντες, όπως το pH (2.0-10.0), η συγκέντρωση του προσροφητικού υλικού (5-50 g υλικού/L εκχυλίσματος) και η επίδραση του χρόνου (0-120 min) στη διαδικασία της προσρόφησης και στην τελική παραλαβή των φαινολικών. Μετά την προσρόφηση, ακολούθησε η διαδικασία της εκρόφησης για την ανάκτηση και παραλαβή των φαινολικών ενώσεων από την επιφάνεια του στερεού προσροφητικού. Μελετήθηκαν διάφορα διαλύματα εκρόφησης, όπως το υδροχλωρικό οξύ, το κιτρικό οξύ, ένα διάλυμα αιθανόλης 95% και τέλος, το υδροξείδιο του νατρίου. Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση του χρόνου στην εκρόφηση (0-120 min).Ακολούθησε ο εγκλεισμός των φαινολικών ενώσεων από τα εκχυλίσματα, σε τρία διαφορετικά συστήματα υδροπηκτών, τα οποία ήταν πηκτή αλγινικού ασβεστίου, πηκτή αλγινικού ασβεστίου και πολυαιθυλενογλυκόλης (PEG) και τέλος σε πηκτή αλγινικού ασβεστίου και χιτοζάνης. Τα υψηλότερα ποσοστά εγκλεισμού (55-95,8%) επιτεύχθηκαν με τη χρήση αλγινικού ασβεστίου και χιτοζάνης σε αναλογίες συγκεντρώσεων 1:3 % w/v. Μελετήθηκαν διάφορα διαλύματα, για την αποδέσμευση των φαινολικών ενώσεων από τα σφαιρίδια της κάθε πηκτής, όπως αιθανόλη 70% σε θερμοκρασία δωματίου (25 οC) και υπό ήπια θέρμανση (40 οC), με απλή ανάδευση και σε λουτρό υπερήχων, διάλυμα κιτρικού νατρίου και τέλος, διάλυμα υδροχλωρικού οξέος. Έγινε επίσης, κινητική μελέτη της αποδέσμευσης, από την οποία προέκυψε ότι η καλύτερη ανάκτηση φαινολικών επιτεύχθηκε με το υδροχλωρικό οξύ (έως 45%) στις πρώτες 6 ώρες.Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις έγινε ανάλυση και ταυτοποίηση των φαινολικών ενώσεων που περιέχονται τόσο στα αρχικά εκχυλίσματα, όσο και στα διάφορα κλάσματα και ενώσεις αυτών, που παραλήφθηκαν από τις διαδικασίες εκλεκτικής απομόνωσης. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε με υγρή χρωματογραφία υψηλή απόδοσης (HPLC) και με υγρή χρωματογραφία με διαδοχική φασματομετρία μαζών (LC-ESI-MS/MS). Η ταυτοποίηση των φαινολικών ενώσεων βασίσθηκε στο συνδυασμό του χρόνου κατακράτησης, των φασμάτων απορρόφησης UV-Vis και κυρίως των φασμάτων μάζας της αντίστοιχης κορυφής. Επίσης, έγινε σύγκριση, όπου ήταν δυνατή, με τα φάσματα μάζας και την HPLC ανάλυση πρότυπων ενώσεων.Σημαντικό μέρος της διατριβής αποτέλεσε το κομμάτι που αφορά στη μελέτη της βιολογικής δράσης, τόσο των αρχικών εκχυλισμάτων, όσο και των κύριων ανακτηθέντων ταυτοποιημένων συστατικών, των αποβλήτων οινοποίησης, αλλά και του καρπού του ιπποφαούς. Για το λόγο αυτό μελετήθηκαν αρχικά εκτενώς η αντιοξειδωτική δράση, ενάντια στις οξειδωτικές ρίζες DPPH και ABTS, και η αντιβακτηριακή δράση ενάντια τόσο σε κατά Gram θετικά, όσο και σε κατά Gram αρνητικά στελέχη. Συγκεκριμένα, τα βακτήρια που μελετήθηκαν ήταν τα Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis και Bacillus cereus. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν ήταν ενδιαφέροντα. Μελετηθήκαν επιπλέον η αντιαιμοπεταλιακή και η αντιφλεγμονώδης δράση, σε πειράματα in vitro, όλων των παραπάνω δειγμάτων. Συγκεκριμένα, η επίδραση των εκχυλισμάτων των αποβλήτων οινοποίησης, αλλά και του καρπού του ιπποφαούς στη συγκολλητικότητα των αιμοπεταλίων του ανθρώπου, σε in vitro πειράματα, προκλήθηκε με κολλαγόνο και διφωσφορική αδενοσίνη (ADP). Τέλος, μελετήθηκε η αναστολή της δραστικότητας των ενζύμων κυκλοοξυγενάση-1 (COX-1) και κυκλοοξυγενάση-2 (COX-2), από όλα τα εκχυλίσματα.Από την αξιολόγηση των βιολογικών δράσεων όλων των δειγμάτων προέκυψαν ενδιαφέροντα συμπεράσματα και προοπτική αξιοποίησης των φαινολικών, ως προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, με εφαρμογές σε βιομηχανίες τροφίμων και φαρμάκων.