Αναβάθμιση υποπροϊόντων τυποποίησης σταφίδας μέσω (βίο)επεξεργασίας για νέα, προστιθέμενης αξίας, λειτουργικά τρόφιμα, αλκοολούχα ποτά, και ενεργά υλικά συσκευασίας
Loading...
Date
2024-05-01
Authors
Αδαμοπούλου, Βασιλική
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Τα τελευταία χρόνια η επιστημονική κοινότητα, αλλά και η βιομηχανία, έχουν στραφεί στην αναζήτηση αξιοποίησης πλευρικών ροών, υποπροϊόντων και αποβλήτων της αγροτικής και βιομηχανικής παραγωγής, προς προϊόντα προστιθέμενης αξίας. Ειδικότερα οι πλευρικές ροές της παραγωγής τροφίμων μπορεί να παρουσιάζουν ιδιότητες αντίστοιχες με τα εμπορεύσιμα προϊόντα, όμως δεν μπορούν να διατεθούν για εμπορία και αποτελούν φθηνές πρώτες ύλες, με στόχο την παραγωγή νέων τροφίμων και ειδών μεγάλης προστιθέμενης αξίας. Επιπλέον, η ανάγκη για εξασφάλιση της βιωσιμότητας των διεργασιών παραγωγής τροφίμων, με κύριο στόχο τη μείωση των αποβλήτων τους, έχει στρέψει το ερευνητικό και βιομηχανικό ενδιαφέρον στην εύρεση τρόπων για τη βέλτιστη διαχείριση και αξιοποίηση των πρώτων υλών και αποβλήτων.
Η Κορινθιακή σταφίδα αποτελεί σημαντικό εξαγώγιμο ελληνικό προϊόν με υψηλή διατροφική αξία. Κατά την τυποποίησή της προκύπτει μια σχετικά μεγάλη ποσότητα υποπροϊόντος, το οποίο έχει παρόμοια διατροφική αξία με το εμπορεύσιμο προϊόν και παρουσιάζει πολλές δυνατότητες βιοτεχνολογικής αξιοποίησης. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η αξιοποίηση του υποπροϊόντος τυποποίησης Κορινθιακής σταφίδας (ΥΤΚ), υπό την ιδέα του «βιοδιυλιστηρίου», για παραγωγή νέων προϊόντων με υψηλή διατροφική και προστιθέμενη αξία.
Συγκεκριμένα, στόχοι της διατριβής ήταν:
(1) Η ανάπτυξη νέων μεθόδων παραγωγής οινικών προϊόντων, δηλαδή οινικά αποστάγματα και ηδύποτα από ΥΤΚ, και αφρώδεις οίνοι από την τοπική ποικιλία σταφυλιών Σιδερίτης, με έμφαση στην οργανοληπτική και διατροφική τους ποιότητα και στο χαμηλό κόστος παραγωγής.
(2) Η βελτιστοποίηση παραγωγής βακτηριακής κυτταρίνης (ΒΚ) και η in situ τροποποίησή της, από το στέλεχος Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973, σε συνθετικό μέσο Hestrin and Schramm (HS) και σε εκχύλισμα από το ΥΤΚ (ΕΥΤΚ) χαμηλής πυκνότητας, που προκύπτει μετά την παραγωγή των οινικών προϊόντων. Για τη βελτιστοποίηση της παραγωγής ΒΚ μελετήθηκε η επίδραση οργανικών οξέων (κιτρικό οξύ), φαινολικών ενώσεων (γαλλικό οξύ) και βιταμινών (ασκορβικό οξύ, θειαμίνη), σε συνθετικά υποστρώματα (HS) και σε ΕΥΤΚ, με τη Μεθοδολογία Επιφανειακής Απόκρισης με βάση το Σύνθετο Κεντρικό Σχεδιασμό (RSM/CCD), και η πρόβλεψη της απόδοσης παραγωγής της σε φυσικά υποστρώματα που περιέχουν τα παραπάνω συστατικά όπως ο χυμός πορτοκαλιού (ΧΠ), και εκχύλισμα πράσινου τσαγιού (ΕΠΤ).
(3) Όσον αφορά την in situ τροποποίηση της ΒΚ, χρησιμοποιήθηκαν νανοδομές φυσικού ζεόλιθου (Zt) και ενεργού άνθρακα (AC) με προσροφημένο θυμαρέλαιο (Th), με στόχο την παραγωγή ενεργών (αντιμικροβιακών) φιλμ συσκευασίας (active food packaging films, APFs) και η εφαρμογή τους σε λευκό τυρί.
(4) Ακόμη, πραγματοποιήθηκαν απομονώσεις και ταυτοποιήσεις μικροοργανισμών, οξικών βακτηρίων, που παράγουν ΒΚ από αυθόρμητες ζυμώσεις οίνων, και ζυμομυκήτων από τις επιφάνειες του ΥΤΚ. Τα νέα απομονωμένα στελέχη με τα καλύτερα χαρακτηριστικά ταυτοποιήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν αντίστοιχα για την παραγωγή ΒΚ και νέων προϊόντων, όπως οι αφρώδεις οίνοι από την τοπική ποικιλία σταφυλιών Σιδερίτης της Αχαΐας.
(5) Τέλος, πραγματοποιήθηκε τεχνοοικονομική ανάλυση για τη βιομηχανική παραγωγή οινικών αποσταγμάτων με πρώτη ύλη το ΥΤΚ.
Από τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής, όσον αφορά την ΒΚ (βελτιστοποίηση της παραγωγής από το στέλεχος K. sucrofermentans DSM 15973 και in situ τροποποίησή της με νανοδομές, και η οποία προσεγγίζεται ως υλικό με ποικίλες εφαρμογές γι’ αυτό και μελετήθηκαν οι φυσικοχημικές ιδιότητες υφής και οι μηχανικές της ιδιότητες), προέκυψε ότι η ΒΚ μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως επιδόρπιο ή τρόφιμο υψηλής διατροφικής αξίας (πλούσιο σε διαιτητικές ίνες/πριβιοτικό τρόφιμο) ή APF. Η μεθοδολογία RSM/CCD αποδείχτηκε αξιόπιστη για την πρόβλεψη και βελτιστοποίηση της απόδοσης της ΒΚ τόσο σε συνθετικά όσο και σε φυσικά υποστρώματα με βάση το ΕΥΤΚ. Συγκεκριμένα, υψηλότερες αποδόσεις ΒΚ επιτεύχθηκαν στα υποστρώματα ΕΥΤΚ, ειδικά σε αυτό που είχε προστεθεί ασκορβικό οξύ, θειαμίνη και γαλλικό οξύ (19,4 g ΒΚ/L), ενώ σε αυτό που είχε προστεθεί ασκορβικό οξύ, κιτρικό οξύ και γαλλικό οξύ η απόδοση ΒΚ ήταν 15,1 g ΒΚ/L. Η απόδοση στα μη ενισχυμένα υποστρώματα ήταν 1,1-5,4 και 11,6-15,7 g/L, σε HS και EYTK, αντίστοιχα. Η καλύτερη απόδοση σε μη ενισχυμένο φυσικό υπόστρωμα (EYTK-ΧΠ-ΕΠΤ, 50/20/30 %), ήταν 5,9 g ΒΚ/L.
Το πορώδες, η κρυσταλλικότητα και οι αντιοξειδωτικές ιδιότητες των παραγόμενων φιλμ ΒΚ βρέθηκε ότι επηρεάζονται τόσο από τη μέθοδο ξήρανσης (λυοφιλίωση και επαγωγική ξήρανση) όσο και από το χρησιμοποιούμενο υπόστρωμα. Όσον αφορά την in situ τροποποίηση της ΒΚ με νανοδομές, η περιεκτικότητα σε νανοδομή για τη βέλτιστη απόδοση ΒΚ ήταν 0,64 g/L, τόσο για τη νανοδομή Zt-Th (2,56 και 1,47 g ΒΚ/L σε HS και ΕΥΤΚ, αντίστοιχα), όσο και για την AC-Th (1,78 και 0,96 g ΒΚ/L σε HS και ΕΥΤΚ, αντίστοιχα). Τα φάσματα FT-IR επιβεβαίωσαν την παρουσία νανοδομών/Th στις τροποποιημένες μεμβράνες ΒΚ, οι οποίες, μετά από σύγκριση με τις μη τροποποιημένες, είχαν μειωμένη ειδική επιφάνεια (από 5,7 σε 0,2–0,8 m2/g), διάμετρο πόρων (από 264 σε 165-203 Å), όγκο πόρων (από 0,084 σε 0,003-0,01 cm3/g), δείκτη κρυσταλλικότητας (από 72 σε 60-70 %) και μέγεθος κρυστάλλων (από 78 σε 72-76 %). Αυτές οι τιμές (εκτός από το δείκτη κρυσταλλικότητας και το μέγεθος κρυστάλλων), ελαφρώς αυξήθηκαν μετά τη χρήση των μεμβρανών ΒΚ ως APF επικαλύψεις σε λευκό τυρί για 2 μήνες στους 4 °C. Η ανάλυση των μηχανικών ιδιοτήτων έδειξε ότι η προσθήκη νανοδομών είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση της ελαστικότητας, αντοχής σε εφελκυσμό και επιμήκυνσης σε τιμές θραύσης. Τα καλύτερα αποτελέσματα, όσον αφορά τις μικροβιακές αναλύσεις των ΒΚ ως επικαλύψεις τυριού ελήφθησαν στην περίπτωση της μεμβράνης ΒΚ ΕΥΤΚ/AC-Th (δηλ., ΒΚ που παράχθηκε σε ΕΥΤΚ και τροποποιήθηκε με νανοδομή AC-Th).
Όσον αφορά το νέο στέλεχος με ικανότητα παραγωγής ΒΚ, από τις μικροβιολογικές αναλύσεις προέκυψε ότι είναι οξικό βακτήριο και ανήκει στο γένος Acetobacter. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μοριακή ταυτοποίησή του και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ανήκει στο είδος Acetobacter pasteurianus στο οποίο δόθηκε o κωδικός στελέχους E7-4. Το νέο στέλεχος παράγει ΒΚ δίνοντας ενθαρρυντικά αποτελέσματα κατά την ανάπτυξή του σε συνθετικό μέσο HS και ΧΠ με απόδοση 5,01±0,05 g ΒΚ/L, ενώ πραγματοποιήθηκε και βελτιστοποίηση της παραγωγής σε μη ενισχυμένο μείγμα από ΧΠ, ΕΥΤΚ, και ΕΠΤ, με απόδοση 15,4 g ΒΚ/L. Από την μελέτη των φυσικοχημικών ιδιοτήτων της ΒΚ και προέκυψε ότι το πορώδες, η κρυσταλλικότητα και οι αντιοξειδωτικές ιδιότητες των παραγόμενων φιλμ ΒΚ επηρεάζονται τόσο από τη μέθοδο ξήρανσης ΒΚ όσο και από το χρησιμοποιούμενο υπόστρωμα, ενώ από τα φάσματα FT-IR των ΒΚ από τον ΧΠ και το μη ενισχυμένο μείγμα, προέκυψαν χαρακτηριστικές κορυφές που αντιστοιχούν στο κιτρικό οξύ, το γαλλικό οξύ, το ασκορβικό οξύ και τη θειαμίνη. Τέλος, πραγματοποιήθηκε οργανοληπτικός έλεγχος των ΒΚ που παράχθηκαν στα μη ενισχυμένα μείγματα, τόσο από τον K. sucrofermentans όσο και από το νέο στέλεχος A. pasteurianus E7-4, και οι οποίες είχαν κατεργαστεί με μέλι ή σιρόπι σακχαρόζης, ώστε να χαρακτηριστούν ως επιδόρπια τύπου nata. Προέκυψε ότι τα δείγματα ΒΚ που είχαν κατεργαστεί με μέλι ήταν πιο αποδεκτά από τους αξιολογητές.
Όσον αφορά τα οινικά προϊόντα, από τις κινητικές των αλκοολικών ζυμώσεων αξιολογήθηκε και συγκρίθηκε η ζυμωτική ικανότητα των εμπορικών στελεχών Saccharomyces cerevisiae BO213 και S. cerevisiae X16 και του αλκοολανθεκτικού και κρυοανθεκτικού στελέχους S. cerevisiae ΑΧΑΖ-1, απομονωμένου από τον Αχαϊκό αμπελώνα. Οι παραγόμενοι ξηροί σταφιδίτες οίνοι εξετάστηκαν ως προς την πτητική οξύτητα (0,17, 0,15 και 0,15 g/L ως οξικό οξύ, αντίστοιχα) και την ολική οξύτητα (6,37, 6,30, και 5,63 g/L ως τρυγικό οξύ, αντίστοιχα), οι οποίες βρέθηκαν σε ικανοποιητικά επίπεδα, ενώ πραγματοποιήθηκε και ανάλυση με HPLC για τον υπολογισμό των σακχάρων (0,93, 1,20, και 0,65 g/L, αντίστοιχα) και της γλυκερόλης (0,66, 0,56, και 0,73 % m/v, αντίστοιχα). Προσδιορισμός σακχάρων έγινε επίσης, σε σιρόπι από ΕΥΤΚ (73,4 % m/m), αλλά και στα παραγόμενα ηδύποτα (12,0, 11,7, και 11,8 % m/v, αντίστοιχα). Προσδιορίστηκε το αφομοιώσιμο Ν του ΕΥΤΚ (183,8 mg N/L), καθώς και η περιεκτικότητα του ΕΥΤΚ, των ξηρών σταφιδιτών οίνων, του σιροπιού και των ηδύποτων σε οργανικά οξέα. Επίσης, προσδιορίστηκε το ολικό φαινολικό περιεχόμενο (ΟΦΠ) του σιροπιού (0,76 mg GAE/g) και των ηδύποτων (108,4 mg GAE/L και 90,9 mg GAE/L, 117,8 mg GAE/L, αντίστοιχα) και η αντιοξειδωτική τους ικανότητα (0,34 mg ΑAE/g για το σιρόπι, και 40,0, 35,0, και 41,7 mg ΑAE/L, για τα ηδύποτα από το κάθε στέλεχος ζυμομύκητα αντίστοιχα. Προσδιορίστηκε η αιθανόλη με GC-FID στους οίνους (14,6, 14,8, και 15,3 % v/v, αντίστοιχα), στα αποστάγματα 1ης (23,9, 23,1, και 21,3 % v/v, αντίστοιχα) και 2ης απόσταξης (42,5, 40,0, και 40,9 % v/v, αντίστοιχα) αλλά και στα ηδύποτα (21,3, 23,3, και 23,2 % v/v, αντίστοιχα), ενώ επιβεβαιώθηκε η απουσία μεθανόλης.
Τέλος, εκτός από οργανοληπτικούς ελέγχους, έγινε και ανάλυση με GC-MS του αρωματικού προφίλ των οινικών αποσταγμάτων και του ηδύποτου που παρασκευάστηκε από το καλύτερο οργανοληπτικά οινικό απόσταγμα. Όσον αφορά τα οινικά αποστάγματα και το ηδύποτο από το στέλεχος S. cerevisiae AXAZ-1 ανιχνεύτηκαν 118, 115 και 123 ενώσεις, για ακινητοποιημένα και ελεύθερα κύτταρα, αντίστοιχα, με κυρίαρχους τους εστέρες, στους οποίους οφείλονται τα χαρακτηριστικά φρουτώδη αρώματα στα προϊόντα αυτά. Στα οινικά αποστάγματα και στο ηδύποτο από το στέλεχος S. cerevisiae ΒΟ213 ανιχνεύτηκαν 111, 108 και 115 ενώσεις, για ακινητοποιημένα και ελεύθερα κύτταρα, αντίστοιχα, με κυρίαρχες τις ανώτερες αλκοόλες, ενώ στα οινικά αποστάγματα και στο ηδύποτο από το στέλεχος S. cerevisiae Χ16 ανιχνεύτηκαν 116, 114 και 120 ενώσεις, για ακινητοποιημένα και ελεύθερα κύτταρα, με κυρίαρχες τις ανώτερες αλκοόλες.
Από τους φλοιούς του ΥΤΚ απομονώθηκε επίσης ένα νέο μικροβιακό στέλεχος. Από τη μικροσκοπική παρατήρηση της αποικίας και της μορφολογίας του νέου μικροοργανισμού, προέκυψε ότι είναι ζυμομύκητας. Πραγματοποιήθηκε ο έλεγχος της ζυμωτικής του ικανότητας σε συνθετικό γλεύκος, και ελέγχθηκε η ζυμωτική του ικανότητα για αλκοολική ζύμωση. Από τα αποτελέσματα αυτά προέκυψε ότι το νέο στέλεχος είχε την ικανότητα να πραγματοποιεί αλκοολική ζύμωση και να την ολοκληρώνει, επομένως, πιθανόν να ανήκει στο γένος Saccharomyces. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ταυτοποίηση του στελέχους και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι πράγματι ανήκει στο είδος S. cerevisiae. Το νέο στέλεχος χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή οίνων βάσης και στη συνέχεια αφρωδών οίνων από την τοπική ποικιλία Σιδερίτης και συγκρίθηκε με ένα εμπορικό στέλεχος το S. cerevisiae 3001 YSEO. Από τις κινητικές των αλκοολικών ζυμώσεων αξιολογήθηκε η ζυμωτική ικανότητα των στελεχών S. cerevisiae 3001 YSEO και του νέου στελέχους σε δυο διαφορετικές θερμοκρασίες (5 και 15 °C). Οι παραγόμενοι οίνοι βάσης και οι αφρώδεις οίνοι εξετάστηκαν ως προς την πτητική οξύτητα (0,50, 0,70, 0,44 και 0,57 g/L ως οξικό οξύ, για το νέο στέλεχος και το S. cerevisiae 3001 YSEO, αντίστοιχα) και την ολική οξύτητα (5,67, 5,68, 6,51 και 6,68 g/L ως τρυγικό οξύ, για το νέο στέλεχος και το S. cerevisiae 3001 YSEO, αντίστοιχα), οι οποίες βρέθηκαν σε ικανοποιητικά επίπεδα, ενώ πραγματοποιήθηκε και ανάλυση με HPLC για τον υπολογισμό των σακχάρων (0,95, 0,60, 1,05 και 0,90 g/L, για το νέο στέλεχος και το S. cerevisiae 3001 YSEO, αντίστοιχα) και της γλυκερόλης (0,41, 0,47, 0,43 και 0,46 % m/v, για το νέο στέλεχος και το S. cerevisiae 3001 YSEO, αντίστοιχα). Επίσης, προσδιορίστηκε το ΟΦΠ (154,3, 176,5, 89,7 και 97,5 mg GAE/L, για το νέο στέλεχος και το S. cerevisiae 3001 YSEO, αντίστοιχα) και η αντιοξειδωτική τους ικανότητα (40,5, 41,4, 28,7 και 30,7 mg ΑAE/L, για το νέο στέλεχος και το S. cerevisiae 3001 YSEO, αντίστοιχα). Προσδιορίστηκε η αιθανόλη με GC-FID στους οίνους βάσης και στους αφρώδεις οίνους (9,43, 9,88, 9,40 και 9,62 % v/v, για το νέο στέλεχος και το S. cerevisiae 3001 YSEO, αντίστοιχα), ενώ διαπιστώθηκε η απουσία μεθανόλης.
Τέλος, εκτός από οργανοληπτικούς ελέγχους, έγινε και ανάλυση με GC-MS του αρωματικού προφίλ, των οίνων βάσης και των αφρωδών οίνων. Όσον αφορά τους ξηρούς οίνους και τον αφρώδη οίνο από το νέο στέλεχος ανιχνεύτηκαν 90 και 91 ενώσεις, αντίστοιχα, με κυρίαρχους τους εστέρες στους ξηρούς οίνους, στους οποίους οφείλονται τα χαρακτηριστικά φρουτώδη αρώματα στα προϊόντα αυτά, ενώ στον αφρώδη οίνο κυριαρχούν οι ανώτερες αλκοόλες. Στους ξηρούς οίνους και τον αφρώδη οίνο από το στέλεχος S. cerevisiae 3001 YSEO ανιχνεύτηκαν 85 και 87 ενώσεις, αντίστοιχα, με κυρίαρχες τις ανώτερες αλκοόλες τόσο στους ξηρούς οίνους όσο και στον αφρώδη οίνο.
Τέλος, προσδιορίστηκε η χημική σύσταση και το αρωματικό προφίλ, για πρώτη φορά, του γλεύκους της τοπικής ποικιλίας Σιδερίτη. Το pH βρέθηκε ίσο με 3,40, ενώ προσδιορίστηκε η ολική οξύτητα (6,13 g/L ως τρυγικό οξύ) και η πτητική του οξύτητα (0,22 g/L ως οξικό οξύ). Πραγματοποιήθηκε ανάλυση με HPLC για τον υπολογισμό των σακχάρων του γλεύκους πυκνότητας 9,92 °Be (19,85 % m/v), ενώ δεν ανιχνεύτηκε γλυκερόλη. Από ανάλυση με GC-FID δεν ανιχνεύτηκε μεθανόλη και αιθανόλη. Επίσης, προσδιορίστηκε το ΟΦΠ (75,7 mg GAE/L) και η αντιοξειδωτική του ικανότητα (18,81 mg ΑAE/L). Προσδιορίστηκε τέλος το αφομοιώσιμο Ν του γλεύκους (166,1 mg Ν/L) και η περιεκτικότητά του σε οργανικά οξέα. Τέλος, έγινε και ανάλυση με GC-MS του αρωματικού του προφίλ και ανιχνεύτηκαν 85 ενώσεις.
Τέλος, πραγματοποιήθηκε τεχνοοικονομική ανάλυση για τη βιομηχανική παραγωγή οινικών αποσταγμάτων από οίνους που παρασκευάστηκαν με ακινητοποιημένα κύτταρα ζυμομύκητα (175 m3/έτος) με πρώτη ύλη το ΥΤΚ (7,5 m3/ημέρα, για 325 ημέρες/έτος), η οποία έδειξε ότι η επένδυση είναι ρεαλιστική και συμφέρουσα. Για μηδενική Καθαρή Παρούσα Αξία (NPV), η Ελάχιστη Τιμή Πώλησης (MSP) εκτιμάται σε 16,66 €/L οινικού αποστάγματος.
Description
Keywords
Αγροτοβιομηχανικά υποπροϊόντα, Βακτηριακή κυτταρίνη, Οινικά αποστάγματα, Ηδύποτα, Αφρώδης οίνος, Αντιμικροβιακά φιλμ συσκευασίας τροφίμων