Karakterizacija polifenola komine grožđa dobijenih ekstrakcijom vodenim rastvorima nejonskih surfaktanata i primena ekstrakata u izradi emulzija
Characterization of grape pomace polyphenols obtained by extraction with aqueous solutions of non-ionic surfactants and application of the extracts in the preparation of emulsions
Докторанд
Сазданић, ДаријаМентор
Atanacković Krstonošić, MilicaKrstonošić, Veljko
Чланови комисије
Gojković Bukarica, LjiljanaCvejić, Jelena
Ćirin, Dejan
Mikulić, Mira
Hadnađev, Miroslav
Метаподаци
Приказ свих података о дисертацијиСажетак
Tokom proizvodnje vina stvaraju se velike količine nusproizvoda, od kojih komina čini približno 20-30% ukupne mase obrađenog grožđa. Komina istovremeno predstavlja i ekološki problem i sirovinu bogatu biološki aktivnim jedinjenjima, od kojih posebnu pažnju privlače polifenolna jedinjenja zahvaljujući dokazanom antiinflamatornom, antioksidativnom, antikancerogenom i kardioprotektivnom dejstvu. Iskorišćavanje nusproizvoda koji nastaju tokom proizvodnje vina u svrhu efikasne ekstrakcije polifenola predstavlja predmet interesovanja nauke i industrije. Savremen pristup ekstrakciji polifenola doveo je do razvoja efikasnih i istovremeno ekološki prihvatljivih metoda, budući da su prvobitne, klasične, metode podrazumevale upotrebu velikih količina organskih rastvarača. Metode ekstrakcije polifenola koje uključuju upotrebu vodenih rastvora površinski aktivnih materija u skladu su sa principima ,,zelene’’ hemije i predstavljaju novi pristup klasičnoj čvrsto-tečnoj ekstrakciji. Imajući u vidu sve... prethodno iznešeno, ciljevi rada su bili sledeći: ispitivanje mogućnosti primene različitih tipova nejonskih surfaktanata i binarnih smeša surfaktanata u ekstrakciji polifenolnih jedinjenja iz komine crnog grožđa, upoređivanje efikasnosti ekstrakcije sa efikasnošću konvencionalnih rastvarača, ispitivanje uticaja različitih faktora (koncentracija surfaktanta, kiselost rastvora i odnos zapremine rastvarača i mase komine) na efikasnost ekstrakcije, karakterizacija ekstrakata, izrada modela emulzija sa inkorporiranim ekstraktima komine grožđa uz stabilizaciju surfaktantima upotrebljenim u ekstrakciji, kao i ispitivanje njihove fizičke stabilnosti i reoloških karakteristika. Efikasnost ekstrakcije primenom vodenih rastvora jedanaest nejonskih surfaktanata iz grupa poloksamera, Tween, Brij i Triton surfaktanata, u koncentracijama od 0,5, 1, 2 i 3% (m/V), pri pH vrednostima 3, 4 i 5 i odnosima zapremine rastvarača i mase komine 100:1, 20:1 i 10:1 je ispitana. Kao konvencionalni rastvarači ispitani su destilovana voda, etanol i smeša voda:etanol (1:1). Takođe, ispitana je efikasnost ekstrakcije binarnih smeša surfaktanata Brij S20 i poloksamera 407, uz variranje masenih udela pojedinačnih surfaktanata u smešama (1:9, 1:1, 9:1). Efikasnost ekstrakcije je ispitana in vitro određivanjem sadržaja ukupnih fenola, određivanjem sadržaja pojedinačnih fenola, određivanjem antioksidativnog kapaciteta i praćenjem promena u veličini micela. Surfaktanti koji su identifikovani kao najefikasniji za ekstrakciju polifenola (poloksamer 407, Brij S20 i Tween 60), kao i njihove smeše uz variranje masenih udela pojedinačnih surfaktanata (1:9, 1:1, 9:1), upotrebljeni su potom za izradu modela emulzija tipa ulje u vodi. Izrađene su kontrolne emulzije sa vodom kao kontinualnom fazom, kao i emulzije sa ekstraktom komine kao kontinualnom fazom. Ispitane su sledeće karakteristike emulzija: veličina kapi unutrašnje faze, reološke karakteristike i kriming indeks. Efikasnost ekstrakcije polifenola zavisila je od vrste i koncentracije primenjenih surfaktanata, kao i od uslova ekstrakcije. Među ispitivanim površinski aktivnim materijama, Brij S20 i poloksamer 407 su pokazali najveći potencijal za ekstrakciju polifenola. Efikasnost ovih surfaktanata bila je viša od vode i etanola pojedinačno, a uporediva sa smešom voda:etanol (1:1). Rastvori binarnih smeša Brij-a S20 i poloksamera 407 masenih odnosa 1:1 i 9:1 ispoljili su veću efikasnost ekstrakcije u poređenju sa rastvorima pojedinačnih surfaktanata. Polifenolni profil ekstrakata zavisio je od tipa primenjenog surfaktanta. Takođe, pretpostavljeni su mehanizmi solubilizacije ovih jedinjenja u micelama. Sve izrađene emulzije pokazale su pseudoplastično proticanje i adekvatnu fizičku stabilnost, bez pojave koalescencije. Zapaženo je da su reološke karakteristike i kriming nestabilnost određeni udelom polimernog surfaktanta. Inkorporiranje ekstrakata nije dovelo do narušavanja fizičke stabilnosti i promena u reološkim karakteristikama emulzija. Ovo istraživanje je pokazalo da analizirani surfaktanti, kao i binarne meše surfaktanata, pokazuju potencijal za primenu u okviru efikasne, jednostavne i ekološki prihvatljive metode za ekstrakciju polifenola iz nusproizvoda vinske industrije. Takođe, utvrđeno je da emulzije predstavljaju pogodne nosače polifenola kao aktivnih supstanci, te da su ovako dobijeni ekstrakti pogodni za dalji razvoj proizvoda u farmaceutskoj, kozmetičkoj ili prehrambenoj industriji.
The winemaking process generates large amounts of by-products, whereas grape pomace residue might account for approximately 20-30% of the mass of total processed grapes. Grape pomace is considered both an environmental issue and a rich source of biologically active compounds, such as polyphenolic compounds, which attract special attention thanks to the demonstrated anti inflammatory, antioxidant, anti-cancer and cardioprotective effects. Тhere is a growing scientific and industrial interest in the valorization of winemaking waste and the effective recovery of polyphenols. The modern approach to the extraction of polyphenols has led to the development of efficient and more environmentally-friendy methods. The methodology suggesting the use of aqueous solutions of surfactants represents a novel approach to the conventional solid-liquid extraction of polyphenols. The aims of this research wеre: investigation of the potential of different types of nonionic surfactants and binary surfactant... mixtures for the extraction of polyphenol compounds from red grape pomace, comparison of the extraction efficiency with the efficiency of conventional solvent, examination of the influence of various factors (surfactant concentration, pH value, and solvent-to- material ratio) on extraction rate, characterization of the extracts, preparation of emulsion models with incorporated extracts of grape pomace, which were stabilized by surfactants used in the extraction, as well as the examination of their physical stability and rheological characteristics. The extraction efficiency of aqueous solutions of eleven non-ionic surfactants belonging to poloxamer, Tween, Brij and Triton surfactant types, in concentrations of 0.5, 1, 2 and 3% (m/V), at pH values of 3, 4 and 5 and solvent- to-material ratios of 100:1, 20:1 and 10:1 was investigated. Water, ethanol and a water:ethanol (1:1) mixture were used as conventional solvents. Also, the binary mixtures of Brij S20 and poloxamer 407 with varying mass fractions of individual surfactants in the mixtures (1:9, 1:1, 9:1) were investigated. The extraction efficiency was tested in vitro by determining the total phenolic content, the content of individual phenols, the antioxidant capacity and monitoring changes in the micelle size. The surfactants that were identified as the most effective for the extraction of polyphenols (poloxamer 407, Brij S20 and Tween 60), as well as their mixtures with varying mass proportions of individual surfactants (1:9, 1:1, 9:1), were used to prepare the oil-in-water emulsions. Control emulsions with water as the continuous phase, as well as emulsions with pomace extract as the continuous phase, were prepared. The dispersion and rheological characteristics as well as creaming index of the emulsions were examined. The efficiency of polyphenol extraction depended on the type and concentration of applied surfactants, as well as on the extraction conditions. Among the tested surfactants, Brij S20 and poloxamer 407 showed the highest potential for polyphenol extraction. The effectiveness of these surfactants was higher than water and ethanol individually, and comparable to the water:ethanol (1:1) mixture. Surfactant mixtures with mass ratios of Brij S20 and poloxamer of 1:1 and 9:1 exhibited higher extraction efficiency compared to individual surfactants. The polyphenolic profile of the extracts was determined by the type of surfactant used. Based on the obtained results of extraction efficiency, chemical structures of surfactants and polyphenolic compounds of pomace, it was assumed the solubilization mechanism of these compounds in micelles. All prepared emulsions showed pseudoplastic behavior and sufficient physical stability without coalescence. Also, it has been noticed that the rheological characteristics and creaming index are determined by the share of polymeric surfactant. Incorporation of extracts did not lead to impairment of physical stability and changes in the rheological characteristics of emulsions. This research showed that the analyzed surfactants and surfactant mixtures exhibit the potential for the application within an effective, simple and environmentally-friendly method for the extraction of polyphenols from winery by-products. Also, it was concluded that emulsions represent suitable carriers of polyphenols as active substances, and that the surfactant-rich grape pomace extracts are suitable for further incorporation in such products in the pharmaceutical, cosmetic or food industry.