Εκχύλιση φαινολικών ενώσεων από παραπροϊόντα του αρωματικού φυτού Sambucus nigra (σαμπούκος) με χρήση μοντέλων πειραματικού σχεδιασμού

Πιλάτος, Σπυρίδων; Ρούσσος, Ιωάννης

Extraction of phenolic compounds from by-products of the aromatic plant Sambucus nigra using model experimental design

Πτυχιακή εργασία

Author

Πιλάτος, Σπυρίδων

Ρούσσος, Ιωάννης

Date

2023-10-05

Advisor

Τσιάκα, Θάλεια

Εκχύλιση φαινολικών ενώσεων από παραπροϊόντα του αρωματικού φυτού Sambucus nigra (σαμπούκος) με χρήση μοντέλων πειραματικού σχεδιασμού.pdf (2.962Mb)

Keywords

Sambucus nigra (σαμπούκος) ; Αρωματικά φυτά ; Απόσταξη ; Ολικό φαινολικό περιεχόμενο ; Αντιριζική δράση ; Φαινολικές ενώσεις ; Εκχύλιση με υπερήχους ; Αντιοξειδωτική δράση

Abstract

Με το πέρασμα των χρόνων οι εφαρμογές των αρωματικών φυτών σε κλάδους όπως, η βιομηχανία των τροφίμων, των φαρμάκων και των καλλυντικών πολλαπλασιάζονται. Η παραγωγή παραπροϊόντων από την απόσταξη αρωματικών φυτών για την παραλαβή αιθέριων ελαίων, μάλιστα, αποτελεί σημαντική βιομηχανική δραστηριότητα για την εξαγωγή και αξιοποίηση φυτικών ελαίων με αρωματικές και θεραπευτικές ιδιότητες. Η παρούσα πτυχιακή εργασία, επικεντρώνεται στην βελτιστοποίηση της εκχύλισης φαινολικών ενώσεων από παραπροϊόντα του αρωματικού φυτού Sambucus nigra (σαμπούκος) με χρήση μοντέλων πειραματικού σχεδιασμού και στον προσδιορισμό της αντιοξειδωτικής και αντιριζικής δράσης επιλεγμένων εκχυλισμάτων. Αρχικά πραγματοποιήθηκε βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με την ανάγκη αξιοποίησης των παραπροϊόντων που προκύπτουν από την απόσταξη των αρωματικών φυτών, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στο φυτό Sambucus nigra L. και στις βιοδραστικές ενώσεις που περιέχει. Στη συνέχεια, γίνεται ειδική αναφορά στις φαινολικές ενώσεις του σαμπούκου, στις βιολογικές τους ιδιότητες και στις τεχνικές εκχύλισης για την παραλαβή τους. Πιο συγκεκριμένα, στα πλαίσια της παρούσας έρευνας, πραγματοποιήθηκε η βελτιστοποίηση 4 παραμέτρων (περιεκτικότητα αιθανόλης, χρόνος εκχύλισης, ενέργεια υπερήχων, αναλογία διαλύτη/δείγματος) της εκχύλισης με υπερήχους (ultrasound-assisted extraction, UAE) με χρήση του μοντέλου Box-Behnken. Το ολικό φαινολικό περιεχόμενο (total phenolic content, TPC) των εκχυλισμάτων δρόγης σαμπούκου και παραπροϊόντων προσδιορίστηκε με την μέθοδο Folin-Ciocalteu, ενώ η αντιοξειδωτική και η αντιριζική δράση επιλεγμένων εκχυλισμάτων εκτιμήθηκε με τη μέθοδο FRAP και ABTS, αντίστοιχα. Από τη μελέτη των αποτελεσμάτων προέκυψε πως οι βέλτιστες συνθήκες για την παραλαβή εκχυλισμάτων πλούσιων σε φαινολικές ενώσεις ήταν : 54 % v/v περιεκτικότητα σε αιθανόλη στον διαλύτη, 40 λεπτά διάρκεια εκχύλισης, 80% ενέργεια των υπερήχων (W) και 37 mL/g αναλογία διαλύτη/δείγματος, ενώ η περιεκτικότητα αιθανόλης στο διαλύτη της εκχύλισης αναδείχθηκε ο πιο σημαντικός παράγοντας για την ανάκτηση φαινολικών ενώσεων. Όσον αφορά το συνολικό φαινολικό περιεχόμενο, μετά από εφαρμογή της δοκιμής Folin-Ciocalteu, στην ξηρή δρόγη βρέθηκαν 24,3 ± 1,6 mg GAE/g δείγματος ενώ στο παραπροϊόν 39 ± 1 mg GAE/g δείγματος. Το αυξημένο φαινολικό περιεχόμενο του παραπροϊόντος, πιθανόν, οφείλεται στην ήπια διαδικασία της ατμοαπόσταξης σε σύγκριση με άλλες μεθόδους (π.χ. υδροαπόσταξη) κατά την οποία η αύξηση της θερμοκρασίας λόγω του βρασμού του διαλύτη δε γίνεται απευθείας στο δείγμα, καθώς δε βρίσκεται εντός του διαλύτη απόσταξης. Παρόλα αυτά οι θερμοί ατμοί είναι αυτοί που διέρχονται στη συνέχεια από το δείγμα του σαμπούκου, αποστάζοντας τα αιθέρια έλαια και δημιουργώντας το στερεό παραπροϊόν. Η ήπια λοιπόν αυξημένη θερμοκρασία λόγω των ατμών μπορεί να μην καταστρέφει τα φαινολικά της αρχικής δρόγης, αλλά αντιθέτως να διασπά και κάποιους γλυκοζίτες φαινολικών ενώσεων, απελευθερώνοντας ελεύθερες μορφές φαινολικών (είτε οξέα είτε φλαβονοειδή) αυξάνοντας έτσι το φαινολικό περιεχόμενο του παραπροϊόντος.

Abstract

Over the years, the applications of aromatic plants in industries such as the food, pharmaceutical and cosmetic industries are multiplying. The production of by-products from the distillation of aromatic plants to obtain essential oils is, in fact, an important industrial activity for the recovery and utilization of plant oils with aromatic and therapeutic properties. This thesis focuses on the optimization of the extraction of phenolic compounds from by-products of the aromatic plant Sambucus nigra (elder) using experimental design models and on the determination of the antioxidant and antiradical activity of selected extracts. Initially, a literature review was carried out regarding the need to exploit the by-products resulting from the distillation of aromatic plants, giving particular emphasis to the plant Sambucus nigra L. and the bioactive compounds it contains. Then special reference is made to the phenolic compounds of elder, their biological properties and the extraction techniques for their recovery. More specifically, in the context of the present research, the optimization of 4 parameters (ethanol content, extraction time, ultrasound energy, solvent/sample ratio) of ultrasound-assisted extraction (UAE) was carried out using the Box-Behnken model. The total phenolic content (TPC) of elderberry extracts and by-products was determined by the Folin-Ciocalteu method, while the antioxidant and antiradical activity of selected extracts was assessed by the FRAP and ABTS methods, respectively. From the study of the results, it emerged that the optimal conditions for obtaining extracts rich in phenolic compounds were: 54 % v/v ethanol content in the solvent, 40 min extraction duration, 80 % ultrasound energy (W) and 37 mL/g solvent/sample ratio, while the ethanol content in the extraction solvent emerged as the most important factor for the recovery of phenolic compounds. Regarding the total phenolic content, after applying the Folin-Ciocalteu test, 24.3 ± 1.6 mg GAE/g sample were found in the dry herb while 39 ± 1 mg GAE/g sample was found in the by-product. The increased phenolic content of the by-product is probably due to the mild process of steam distillation compared to other methods (e.g. hydrodistillation) in which the increase in temperature due to the boiling of the solvent does not occur directly in the sample, since it is not immersed in the distillation solvent. However, it is the hot vapors that then pass through the elderberry sample, distilling the essential oils and generating the solid byproduct. Therefore, the mildly increased temperature due to the vapors may not destroy the phenolics of the dry herb, but instead break down some glycosides of phenolic compounds, releasing free forms of phenolics (either acids or flavonoids) increasing, as a result, the phenolic content of the by-product.