Μελέτη της παραλαβής πηκτινών από απόβλητα εσπεριδοειδών και της αξιοποίησής τους ως λειτουργικά συστατικά από τη βιομηχανία τροφίμων

Abstract

Το πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής (§ 4.1) ασχολήθηκε με τη μελέτη της δυνατότητας εκχύλισης της πηκτίνης από φλούδες πορτοκαλιών με πράσινες μεθόδους και την αξιοποίησή της ως λειτουργικό συστατικό σε εφαρμογές τροφίμων. Στο πλαίσιο αυτό, αρχικά (§ 4.1.1) πραγματοποιήθηκε παραλαβή πηκτινών από το μεσοκάρπιο ή ολόκληρη την φλούδα πορτοκαλιών, με τη χρήση υδροχλωρικού οξέος ή κιτρικού οξέος ή με τη βοήθεια της ενέργειας μικροκυμάτων ώστε να αξιολογηθεί εάν η πράσινη μέθοδος παραλαβής της πηκτίνης είναι ικανή να φέρει συγκρίσιμα αποτελέσματα απόδοσης παραλαβής και ποιότητας της προκύπτουσας πηκτίνης, σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους όπου χρησιμοποιείται οξύ. Η απόδοση παραλαβής κυμάνθηκε από 11 – 23%, το περιεχόμενο σε γαλακτουρονικό οξύ από 46 – 74%, το εσωτερικό ιξώδες από 0,3 – 0,8 dL/g, και το μοριακό βάρος από 5 – 15 kDa. Όλες οι πηκτίνες που προέκυψαν ήταν υψηλής μεθυλίωσης, καθώς είχαν βαθμό εστεροποίησης (DE) μεγαλύτερο του 50%, και τα υδατικά τους διαλύματα είχαν όξινο pH. Τόσο η πρώτη ύλη όσο οι συνθήκες παραλαβής επηρέασαν τις φυσικοχημικές ιδιότητες των πηκτινών που μελετήθηκαν. Η εκχύλιση με την βοήθεια μικροκυμάτων οδήγησε σε καλές αποδόσεις και για τις δύο πρώτες ύλες. Οι πηκτίνες που προέκυψαν από την μέθοδο αυτή, χαρακτηρίστηκαν από υψηλό DE και περιεχόμενο σε γαλακτουρονικό οξύ. Επίσης, αξιολογήθηκαν και οι πηκτωματοποιητικές και γαλακτωματοποιητικές ιδιότητες των πηκτινών. Σχετικά με τις πρώτες, όλες οι πηκτίνες οδήγησαν σε σχηματισμό πηκτής κατόπιν ψύξης από τους 95°C στους 5°C, που ήταν θερμικά μη αντιστρεπτή. Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των ~40°C, τα μέτρα G' και G'' παρέμειναν πρακτικά σταθερά για όλες τις πηκτές, εκτός από εκείνες των πηκτινών που παρελήφθησαν με την χρήση κιτρικού οξέος, στις οποίες παρατηρήθηκε αύξηση. Ακόμη, όταν οι πηκτές θερμάνθηκαν και επαναψύχθηκαν, παρατηρήθηκε συμπεριφορά θερμικής αναδιάταξης. Συναίρεση καταγράφηκε σε όλες τις πηκτές σε μεγάλο βαθμό. Σχετικά με τα γαλακτώματοποιητικές ιδιότητες των πηκτινών, όλες οι πηκτίνες σχημάτισαν γαλακτώματα με ψευδοπλαστική συμπεριφορά. Τα πιο σταθερά γαλακτώματα, με το υψηλότερο ιξώδες και την χαμηλότερη τιμή αγωγιμότητας ήταν εκείνα που περιείχαν πηκτίνη που παρελήφθη με την χρήση υδροχλωρικού οξέος. Συνολικά, όλες οι πηκτίνες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως συστατικά τροφίμων προσδίδοντας συγκεκριμένες ιδιότητες (π.χ. ρεολογικές, υφής). Στο επόμενο βήμα (§ 4.1.2), πραγματοποιήθηκε παραλαβή πηκτινών από μεσοκάρπια φλουδών πορτοκαλιού με εκχύλιση υποβοηθούμενη από μικροκύματα, υπερήχους ή τον συνδυασμό αυτών, υπό διάφορες πειραματικές συνθήκες. Ο DE των πηκτινών που προέκυψαν κυμάνθηκε από 45-75%. Ακολούθησε μελέτη των ιδιοτήτων δύο επιλεγμένων πηκτινών που προέκυψαν μέσω εκχύλισης με μικροκύματα ή με συνδυασμό υπερήχων-μικροκυμάτων, αλλά και μίας εμπορικής πηκτίνης. Οι παρεληφθείσες πηκτίνες είχαν πιο σκούρο χρώμα, ήταν λιγότερο επιφανειοδραστικές και είχαν μικρότερες τιμές εσωτερικού ιξώδους και ζ – δυναμικού, σε σχέση με το εμπορικό δείγμα πηκτίνης. Τα υδατικά διαλύματα όλων των πηκτινών ήταν Νευτώνεια. Συνολικά, η μέθοδος εκχύλισης που χρησιμοποιήθηκε ήταν καθοριστικής σημασίας για τις ιδιότητες των πηκτινών που προέκυψαν. Κατόπιν, με τις ίδιες τρεις πηκτίνες παρασκευάσθηκαν εδώδιμες μεμβράνες παρουσία εκχυλίσματος δίκταμου ή γλυκάνισου, με στόχο τη διερεύνηση της δυνατότητας αξιοποίησης αυτών για την παρασκευή εδώδιμης συσκευασίας με αντιοξειδωτικές ικανότητες λόγω της παρουσίας του εκχυλίσματος των βοτάνων. Όλες οι μεμβράνες είχαν στατιστικά το ίδιο πάχος (~40 μm) και την ίδια περιεχόμενη υγρασία (~25%). Για τις περιπτώσεις με το ίδιο εκχύλισμα βοτάνου, όλες οι πηκτίνες οδήγησαν σε μεμβράνες με ίδια πυκνότητα (~1,0 και 1,2 g/cm³, για τις μεμβράνες δίκταμου και γλυκάνισου, αντίστοιχα). Σχετικά με τις μηχανικές ιδιότητες, τιμές των 2 – 4,7 Ν και ~77 – 191 kPa καταγράφηκαν για την μέγιστη δύναμη και την ελαστικότητα των μεμβρανών, αντίστοιχα. Η μεμβράνη εμπορικής πηκτίνης με εκχύλισμα γλυκάνισου ήταν η πιο ισχυρή και αυτή με εκχύλισμα δίκταμου, η πιο άκαμπτη. Ακόμη, προσδιορίστηκαν το ολικό φαινολικό περιεχόμενο και η αντιοξειδωτική ικανότητα των μεμβρανών αλλά και των διαλυμάτων σχηματισμού αυτών. Και για τις δυο περιπτώσεις, οι τιμές του ολικού φαινολικού περιεχομένου κυμάνθηκαν από 0,04 – 0,16 mg GAE/0,5 mL εκχυλίσματος, ενώ οι τιμές της αντιοξειδωτικής ικανότητας από ~62 – 91%. Οι μεμβράνες είχαν υψηλότερο φαινολικό περιεχόμενο αλλά χαμηλότερη αντιοξειδωτική ικανότητα σε σχέση με τα διαλύματα σχηματισμού. Συνολικά, και οι δύο πηκτίνες που παρελήφθησαν μέσω πράσινης μεθόδου εκχύλισης οδήγησαν σε σχηματισμό μεμβρανών που για τις περισσότερες υπό μελέτη ιδιότητες δε διέφεραν σε σημαντικό βαθμό από τις μεμβράνες εμπορικής πηκτίνης. Η παρουσία του εκχυλίσματος δίκταμου ή γλυκάνισου επηρέασε σε σημαντικό βαθμό τις παραπάνω παρατηρήσεις. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής (§ 4.2), μελετήθηκε η συμπεριφορά φάσης και η αξιοποίηση μιγμάτων πηκτίνης και πρωτεΐνης. Αρχικά, στην § 4.2.1, η μελέτη αφορούσε στις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων πηκτίνης υψηλής μεθυλίωσης και των μορίων πρωτεΐνης [καζεϊνικό νάτριο (SC), υπερσυμπύκνωμα πρωτεϊνών ορού γάλακτος (WPI) και υπερσυμπύκνωμα πρωτεϊνών αρακά (PPI)], σε διαφορετικές αναλογίες πρωτεΐνης: πηκτίνης (1:1 έως 10:1) κατά τη διάρκεια οξίνισης. Η τελική συγκέντρωση της πηκτίνης ήταν σταθερή (0,1% w/w), ενώ της πρωτεΐνης κυμαινόταν ανάλογα με την αναλογία ανάμιξης των βιοπολυμερών. Η διαδικασία του σχηματισμού συμπλόκων διερευνήθηκε, κατά κύριο λόγο, μέσω της κατασκευής διαγραμμάτων φάσης και της καταγραφής των τιμών ζ – δυναμικού. Στα μίγματα και των τριών πρωτεϊνών, παρατηρήθηκε συνδιαλυτότητα και σχηματισμός διαλυτών και αδιάλυτων συμπλόκων σε συγκεκριμένες περιοχές pH, οι οποίες διέφεραν ανάλογα με τον τύπο πρωτεΐνης, την αναλογία ανάμιξης και το pH. Γενικά, οι μεγαλύτερες αναλογίες βιοπολυμερών οδήγησαν σε μεταβολές φάσης σε υψηλότερες τιμές pH. Επίσης, στην περιοχή pH όπου παρατηρείται ουδετεροποίηση του συνολικού φορτίου του μίγματος βιοπολυμερών, η οποία εντοπίστηκε εντός του εύρους pH 2,5 – 4,5, παρατηρήθηκε μέγιστη απόδοση σχηματισμού αδιάλυτων συμπλόκων. Βάσει του υπολογισμού της ισχύος της ηλεκτροστατικής αλληλεπίδρασης μεταξύ των βιοπολυμερών κάθε μίγματος, προέκυψε πως το μίγμα με SC εκδήλωσε την ισχυρότερη έλξη μεταξύ των βιοπολυμερών, ενώ το μίγμα με PPI, την ασθενέστερη. Κατόπιν, ακολούθησε απομόνωση και μελέτη των αδιάλυτων συμπλόκων που προέκυψαν από συστήματα με αναλογία πρωτεΐνης – πηκτίνης 6:1 και pH 4 για μίγμα πηκτίνης με SC ή WPI, και αναλογία πρωτεΐνης – πηκτίνης 6:1 και pH 3 για μίγμα πηκτίνης με PPI. Το μίγμα με SC σημείωσε την καλύτερη απόδοση απομόνωσης αδιάλυτων συμπλόκων (~92%) ενώ το μίγμα με PPI, την μικρότερη (~8%). Ενδιάμεση τιμή απόδοσης είχε το μίγμα με WPI (~51%). Τα σύμπλοκα είχαν μικρότερες τιμές διαλυτότητας, κινηματικού ιξώδους, πορώδους και ρευστότητας, αλλά μεγαλύτερες τιμές περιεχόμενης υγρασίας, φαινόμενης πυκνότητας, πυκνότητας στοιβάσεως και συνεκτικότητας, σε σχέση με τα μεμονωμένα βιοπολυμερή. Γενικά, παρατηρήθηκε πως, για τις υπό μελέτη ιδιότητες, η συμπεριφορά των μικτών συστημάτων διέφερε σε σχέση με εκείνη των μεμονωμένων βιοπολυμερών. Οι προκύπτουσες διαφορές μεταξύ των συμπλόκων διαφορετικών πρωτεϊνών αποδόθηκαν στην διαφορετική ισχύ των αλληλεπιδράσεων της πηκτίνης με κάθε μία εξ αυτών. Σε επόμενο βήμα (§ 4.2.2), διερευνήθηκε η δυνατότητα δόμησης ηλιελαίου μέσω του σχηματισμού γαλακτωμάτων υψηλής εσωτερικής φάσης (ΗΙΡΕ) παρουσία πηκτίνης υψηλής μεθυλίωσης και πρωτεΐνης SC ή PPI. Γι’ αυτόν τον λόγο, αρχικά, παρασκευάσθηκαν γαλακτώματα με επιλεγμένα μίγματα πρωτεΐνης – πηκτίνης, σε αναλογία 2:1 ή 6:1, με τελική συγκέντρωση πηκτίνης 0,1 %, 0,5% ή 1,0% (w/w), τα οποία και συγκρίθηκαν με γαλακτώματα που περιείχαν μόνο πρωτεΐνη. Όλα τα γαλακτώματα είχαν ψευδοπλαστική συμπεριφορά, με τα γαλακτώματα υψηλότερης συνολικής συγκέντρωσης βιοπολυμερών να οδηγούν σε υψηλότερες τιμές ιξώδους. Τα γαλακτώματα μόνο πρωτεΐνης είχαν μικρότερες τιμές ιξώδους και σταθερότητας από τα γαλακτώματα μικτών συστημάτων ίδιας συνολικής συγκέντρωσης βιοπολυμερών. Ακόμη, τα μίγματα με PPI οδήγησαν σε γαλακτώματα υψηλότερου ιξώδους και μεγαλύτερης σταθερότητας συγκριτικά με τα μίγματα με SC. Συνεπώς, τόσο ο τύπος της πρωτεΐνης που χρησιμοποιήθηκε σε κάθε περίπτωση, όσο και η συγκέντρωση αυτής, αλλά και η παρουσία ή όχι πηκτίνης, επηρέασαν καθοριστικά τις τιμές των ιδιοτήτων που μελετήθηκαν. Έπειτα, βάσει των παραπάνω αποτελεσμάτων, τα μίγματα με αναλογία πρωτεΐνης – πηκτίνης 6:1 και τελική συγκέντρωση πηκτίνης 0,5% ή 1,0% (w/w), επιλέχθηκαν για την παρασκευή ΗΙΡΕ. Τα μίγματα με SC οδήγησαν σε πιο συγκροτημένες δομές, με μικρότερη απώλεια ελαίου, σε σχέση με τα μίγματα με PPI. Σε κάθε περίπτωση, όμως, η απώλεια ελαίου ήταν πολύ μεγάλη (83 – 95 %), γεγονός ενδεικτικό αδύναμων δικτύων και κατ’ επέκταση, ακατάλληλων συνθηκών (π.χ. τύπος, συγκέντρωση και αναλογία βιοπολυμερών, συνθήκες pH) για τον σχηματισμό σταθερών ΗΙΡΕ. Η φύση της πρωτεΐνης καθώς και ο βαθμός αλληλεπίδρασής της με τα μόρια της πηκτίνης φαίνεται να έπαιξαν καθοριστικό ρόλο. Τέλος, τα ίδια μικτά συστήματα βιοπολυμερών αξιοποιήθηκαν και για την παρασκευή εδώδιμων μεμβρανών (§ 4.2.3). Όλες οι μεμβράνες που σχηματίστηκαν είχαν την ίδια πυκνότητα (~1,4 g/cm³). Η υψηλότερη συνολική συγκέντρωση βιοπολυμερών οδήγησε σε μεμβράνες με μεγαλύτερες τιμές βάρους, πάχους, αντοχής, ακαμψίας, διαπερατότητας υδρατμών και θολερότητας. Μεταξύ των δύο μιγμάτων, οι μεμβράνες με SC φάνηκαν να είναι πιο φωτεινές, ισχυρές και άκαμπτες από εκείνες με PPI, κι επιπλέον, είχαν μεγαλύτερη τιμή πάχους και βάρους. Συνολικά, οι ιδιότητες των μεμβρανών καθορίστηκαν τόσο από τον τύπο πρωτεΐνης όσο και από την συνολική συγκέντρωση βιοπολυμερών.

In the first part of the present thesis (§ 4.1), the possibility of extracting pectin using green methods and the utilization of the extracted pectin as a functional ingredient in food applications was studied. Thus, pectin was extracted from the albedo or the whole peel of oranges using hydrochloric acid, citric acid or microwave energy in order to evaluate whether the green method of pectin extraction can lead to comparable extraction yield and pectin quality results, compared to conventional methods using acid (§ 4.1.1). Extraction yield ranged from 11 – 23%, galacturonic acid content from 46 – 74%, intrinsic viscosity from 0.3 – 0.8 dL/g, and molecular weight from 5 – 15 kDa. All the isolated pectins were high methoxyl pectins as they had a degree of esterification (DE) greater than 50%. Their aqueous solutions had an acidic pH. Both the raw material and the extraction conditions affected the physicochemical properties of the isolated pectins. Microwave-assisted extraction led to high yields for both raw materials. The pectins obtained from this method were characterized by a high DE and galacturonic acid content. The gelling and emulsifying properties of each pectin were also evaluated. Regarding the former, all pectins led to the formation of a gel upon cooling from 95°C to 5°C, which was thermally irreversible. At temperatures higher than 40°C, both G' and G'' modules were practically constant for all pectin gels, except for those of pectins obtained using citric acid, in which an increase was observed. Furthermore, when the gels were heated and recooled, a thermal annealing behaviour was observed. Great syneresis was observed for all gels. Regarding the emulsifying properties of the isolated pectins, all pectins formed emulsions with pseudoplastic behaviour. The most stable emulsions, with the highest viscosity and the lowest conductivity values were those containing pectin isolated by means of hydrochloric acid. Overall, all pectins may be used as food ingredients offering specific properties, such as rheological and textural. Subsequently, pectins were extracted from orange peel albedos using microwaves, ultrasound, or their combination, under various experimental conditions (§ 4.1.2). The DE of the resulting pectins varied from 45-75%. Two of these pectin (isolated using microwave or ultrasound-microwave extraction) were selected for further studying along with a commercial pectin, for comparison. The experimental pectins had a darker colour, were less surface-active and had lower intrinsic viscosity and ζ-potential values, compared to the commercial pectin. The aqueous solutions of all pectins were Newtonian. Overall, the extraction method was important for the properties of the isolated pectins. Edible films were, then, prepared with the same three pectins in the presence of dittany or anise infusion in order to investigate their exploitation in pectin-based edible packaging with antioxidant properties as a result of the herbal infusions. All films had statistically the same thickness (∼40 μm) and moisture content (∼25%). For the films containing the same herbal infusion, all pectins resulted in films with the same density (~1.0 and 1.2 g/cm³, for the dittany and anise films, respectively). Regarding the mechanical properties, values of ~2 – 4.7 N and ~77 – 191 kPa were recorded for the maximum strength and elasticity of the films, respectively. The film of the commercial pectin in the anise infusion was the strongest, while that in the dittany infusion the stiffest. The total phenolics content and the antioxidant capacity of the films and their forming solutions were recorded. For both films and forming solutions, total phenolics content values ranged from 0.04 – 0.16 mg GAE/0.5 mL, whereas antioxidant capacity values ranged from ~62 – 91%. Films had higher phenolics content but lower antioxidant capacity than their forming solutions. Overall, both pectins obtained through green extraction methods, for the majority of the studied properties, led to films that did not differ significantly from commercial pectin films. The presence of both pectin and herbal infusion significantly affected our observations. In the second part of the present thesis (§ 4.2), the electrostatic interactions between high methoxyl pectin and three selcted proteins [sodium caseinate (SC), whey protein isolate (WPI) and pea protein isolate (PPI)] were studied. Firstly, in § 4.2.1, the formation of complexes during acidification, between pectin and the above mentioned proteins, was studied. The protein: pectin ratio varied from 1:1 to 10:1. The final concentration of pectin was constant (0.1% w/w), while that of protein varied according to the biopolymer ratio. Complex formation was investigated by constructing phase diagrams and recording the ζ-potential values. For the mixtures of all three proteins, co-solubility and formation of soluble and insoluble complexes were observed in specific pH ranges, which varied with protein type, mixing ratio, and pH. In general, higher biopolymer ratios led to phase changes at higher pH values. Also, in the pH range of zero net charge of the biopolymer mixture (pH 2.5 – 4.5), a maximum efficiency of insoluble complex formation was observed. Based on the electrostatic interaction strength between the biopolymers of each mixture, the calculated values showed that the SC mixture exhibited the strongest attraction between the biopolymers, whereas the PPI mixture, the weakest. Selected insoluble complexes (protein – pectin ratio 6:1, pH 4 for the mixture of pectin with SC or WPI, or pH 3 for the mixture of pectin with PPI) were, then, isolated and studied. The mixture with SC showed the highest yield of insoluble complexes (~92%), whereas the mixture with PPI, the lowest (~8%). The mixture with WPI had an intermediate yield value (~51%). Overall, the complexes had lower values of solubility, kinematic viscosity, porosity and flowability, but higher values of moisture content, bulk density, tapped density and cohesiveness, than the individual biopolymers. In general, for the studied properties, the behavior of the mixtures differed from that of the individual biopolymers. The differences observed for the different protein complexes were attributed to the different strength of interactions between pectin and each of the proteins. In the next step, the possibility of structuring sunflower oil through the formation of high internal phase emulsions (HIPE) in the presence of high methoxyl pectin and the protein SC or PPI was investigated (§ 4.2.2). Initially, emulsions were prepared with selected protein-pectin mixtures (protein: pectin ratio of 2:1 and 6:1), with a final pectin concentration of 0.1%, 0.5% or 1.0% (w/w), which were compared to emulsions with just the protein. Pseudoplastic behaviour was observed for all emulsions. Emulsions of higher final biopolymer concentration led to higher viscosity values. Protein-only emulsions had lower viscosity and stability values than the emulsions with the mixtures of the same final biopolymer concentration. Moreover, the PPI mixtures resulted in emulsions of higher viscosity and greater stability compared to those with SC mixtures. Therefore, both the protein type and the total biopolymer concentration, as well as the presence or absence of pectin, significantly affected the values of the studied properties. Based on these findings, selected mixtures [protein: pectin ratio of 6:1, final pectin concentration of 0.5% or 1.0% (w/w)] were used for the preparation of HIPE. Mixtures with SC resulted in more compact structures, with less oil loss, than mixtures with PPI. However, for all cases, the oil loss was very high (83 – 95 %), indicating weak networks and inappropriate conditions (e.g. biopolymer type, concentration and ratio, pH conditions) for the formation of stable HIPE. The type of the protein, as well as the extent of its interaction with the pectin molecules, seemed to have played a significant role. Finally, the same mixed biopolymer systems were utilized for the preparation of edible films, the physicochemical properties of which were studied (§ 4.2.3). All films had the same density (~1.4 g/cm³). Films of higher total biopolymer concentration resulted to greater values of weight, thickness, strength, stiffness, water vapor permeability and turbidity. Between the two mixtures, the films with SC had higher thickness and weight values than those with PPI. Additionally, they appeared to be brighter, stronger and stiffer. Overall, the studied film properties were determined both by the protein type and the biopolymer final concentration, highlighting the different interaction strength of pectin with each protein, and thus, the formation of a different network during drying.