Separation of High Added Value Phenolic Compounds from Olive Leaf Extract using Membrane Technology

Abstract

Olive leaves (OL), is considered a by-product of olive tree, which is generated from the cultivation and olive oil production process. The large amount of phenolic compounds present in olive leaves has attracted the interest of researchers and many studies have reported that olive leaves provide beneficial effects such as antioxidant capacity, antihypertensive, cholesterol lowering, cardioprotective, anti-inflammatory and as a coadjuvant in the treatment of obesity. In recent years, different studies were performed for the separation and recovery of these phenolic compounds from olive leaves extract (OLE).Within the framework of this thesis, the major emphasis was given to preparation and application of mixed matrix membranes (MMMs) for phenolic compounds recovery. The work started with the characterization of different olive leaves samples obtained from various cultivars, collection regions, and sampling periods to analyze the variability in their total phenolic compound concentration. It was found that phenolic compounds in olive leaves changed based on the olive cultivar, collection region, and sampling period. Subsequently, the olive tree cultivar, collection region, and sampling period were fixed to minimize the effect of total phenolic compound concentration variation on the performance of the membranes used duringthe filtration of olive leaf extract (OLE). In this study, phenolic compounds were effectively separated from olive leaf extract using a commercial polyethersulfone (PES) flatsheet nanofiltration (NF) membrane. Additionally, MMMs were meticulously prepared to enhance the separation process. Before all NF experiments, OLE was subjected to a preliminary ultrafiltration (UF) process to remove suspended solids and macromolecular compounds, thus allowing to reduce the fouling phenomena in the subsequent NF process. The first approach integrates solvent extraction and membrane separation technique using a commercial polyethersulfone (PES) flat sheet nanofiltration (NF) membrane. Through careful optimization employing a Central Composite Design (CCD), the study determined the optimal parameters: an extraction temperature of 50°C for 90 min and 0.03 g/mL, with ethanol: water, 75%/25 % (v/v). Subsequent nanofiltration at 30 bar demonstrated exceptional performance, indicating a high rejection coefficient for phenolic compounds and flavonoids. The resulting concentrate, rich in oleuropein, showed significant antioxidant capacity, making it invaluable for applications in the food, cosmetic, and pharmaceutical industries. Regarding the approach for separating of polyphenols from OLE extract using MMMs, NF membranes using zinc oxide coated by polyaniline (ZnO-PANI) nanoparticles (NPs) , as well as NF membranes with carbon-based NPs (activated carbon - AC) ,were prepared using a range of NPs concentrations through the phase inversion method. In the case of membrane filled with ZnO-PANI, NPs were self-synthesized, characterized, and incorporated into the PES matrix at varying loadings (0 to 0.6 wt%). ZnO-PANI was used for adsorbing TPC from OLE at different initial adsorbate concentration and different pH levels. Langmuir model described the adsorption of TPC better than Freundlich model. The incorporation of ZnO-PANI significantly enhanced membrane properties, including porosity, pore size, and hydrophilicity, up to 0.2 wt%, resulting in improved permeability. The nanofiltration (NF) performance of the membranes was evaluated for TPC rejection at various pressures (10-30 bar), oleuropein (OLP) rejection at 30 bar, and fouling resistance. MMMs exhibited enhanced permeability compared to unfilled PES membranes. The membrane filled with 0.2 wt% ZnO-PANI displayed the optimal balance between permeate flux and oleuropein rejection. These findings suggested that the prepared ZnO-PANI-based MMMs can effectively separate TPC from OLE, achieving 100% rejection of OLP. In the case of membrane filled with AC, NPs were incorporated in Psf matrix with loadings from 0 to 0.9 wt %. These membranes were characterized by water and OLE filtration experiments and other physiological properties, such as surface and pore morphology by microscopy techniques (SEM and AFM), surface roughness and hydrophilicity. The efficiency ofprepared membranes in separating of TPC from OLE was evaluated under various pressures. The membrane with the best overall performance mainly in terms of OLE filtration was selected for additional investigations into optimizing operational variables (pH, temperature, and pressure) to improve the rejection of TPC. The optimal operating conditions for NF using 0.3% AC-based membranes were around pH 2.7, 25°C and 30 bar for the best TPC rejection. Moreover, under optimized conditions, these membranes achieved 100% oleuropein rejection. These findings suggested that the prepared MMMs can effectively separate TPC from OLE with minimalfouling. Overall, this work demonstrates the potential for the separation and purification of bioactive compounds from OLE using commercial membranes and mixed matrix membranes. The recovery and valorization of high added value phenolic compounds can contribute to health, pharmaceuticals, cosmetics, environmental sustainability, economic growth, research, food preservation, and waste reduction.

As folhas de oliveira (OL) são consideradas um subproduto da oliveira, gerado a partir do cultivo e processo de produção de azeite de oliva. A grande quantidade de compostos fenólicos presentes nas folhas de oliveira tem atraído o interesse dos pesquisadores, e muitos estudos têm relatado que as folhas de oliveira oferecem efeitos benéficos, como capacidade antioxidante, efeito anti-hipertensivo, redução do colesterol, cardioproteção, anti-inflamatório e comocoadjuvante no tratamento da obesidade. Nos últimos anos, diferentes estudos foram realizados para a separação e recuperação desses compostos fenólicos do extrato de folhas de oliveira (OLE). No âmbito desta tese, foi dada ênfase à preparação e aplicação de membranas de matriz mista (MMMs) para a recuperação de compostos fenólicos. O trabalho começou com a caracterização de diferentes amostras de folhas de oliveiraobtidas de várias variedades, regiões de coleta e períodos de amostragem para analisar a variabilidade em sua concentração total de compostos fenólicos. Verificou-se que os compostos fenólicos nas folhas de oliveira mudavam com base na variedade de oliveira, região de coleta e período de amostragem. Posteriormente, a variedade de oliveira, região de coleta e período de amostragem foram fixados para minimizar o efeito da variação na concentração total de compostos fenólicos no desempenho das membranas utilizadas durante a filtração do extrato de folhas de oliveira (OLE). Neste estudo, os compostos fenólicos foram separados com eficácia do extrato de folhas de oliveira usando uma membrana comercial de nanofiltração (NF) de poliétersulfona (PES) em folha plana. Além disso, membranas de matriz mista (MMMs) foram meticulosamente preparadas para aprimorar o processo de separação. Antes de efetuar os testes de NF, o OLE foi submetido a um processo preliminar de ultrafiltração (UF) para remover sólidos suspensos e compostos macromoleculares, permitindo assim reduzir os fenómenos de colmatação no processosubsequente de NF. A primeira abordagem integra a técnica de extração com solvente e separação por membrana usando uma membrana comercial de nanofiltração (NF) de poliétersulfona (PES) em folha plana. Por meio da otimização cuidadosa usando um desenho de experiências do tipo “CompostoCentral” (CCD), o estudo determinou as seguintes condições ótimas: uma temperatura de extração de 50°C por 90 minutos e 0,03 g/mL, com etanol:água, 75%/25% (v/v). A nanofiltração subsequente a 30 bar de pressão demonstrou um desempenho excepcional, coeficiente de rejeição para compostos fenólicos e flavonoides. O concentrado resultante, rico em oleuropeína, mostrou uma capacidade antioxidante significativa, tornando-o inestimável para aplicações nas indústrias de alimentos, cosméticos e farmacêutica. Quanto à abordagem para a separação de polifenóis do extrato de OLE usando MMMs, foram preparadas membranas de NF usando óxido de zinco revestido por nanopartículas de polianilina (ZnO-PANI), bem como membranas de NF com nanopartículas à base de carbono (carvão ativado - CA), utilizando uma variedade de concentrações de nanopartículas através do método de inversão de fase. No caso da membrana preenchida com ZnO-PANI, as nanopartículas foram auto- sintetizadas, caracterizadas e incorporadas na matriz de PES em diferentes cargas (0 a 0,6% em peso). ZnO PANI foi usado para adsorver compostos fenólicos totais (TPC) do OLE em diferentes concentrações iniciais do adsorbato e diferentes níveis de pH. O modelo de Langmuir descreveu melhor a adsorção de TPC do que o modelo de Freundlich. A incorporação de ZnO- PANI melhorou significativamente as propriedades da membrana, incluindo porosidade, tamanhodo poro e hidrofilicidade, até 0,2% em peso, resultando em uma permeabilidade aprimorada. O desempenho de nanofiltração (NF) das membranas foi avaliado para rejeição de TPC em várias pressões (10-30 bar), rejeição de oleuropeína (OLP) a 30 bar e resistência ao fouling. As MMMs exibiram permeabilidade aprimorada em comparação com as membranas de PES não preenchidas. A membrana preenchida com 0,2% em peso de ZnO-PANI apresentou o equilíbrio ideal entre fluxo de permeado e rejeição de oleuropeína. Esses resultados sugeriram que as MMMs à base de ZnO PANI preparadas podem separar efetivamente o TPC do OLE, alcançando100% de rejeição de OLP. No caso da membrana preenchida com CA, as nanopartículas foram incorporadas na matriz de Psf com cargas de 0 a 0,9% em peso. Essas membranas foram caracterizadas por meio de experiências de filtração de água e OLE e outras propriedades físicas, como morfologia de superfície e porosidade por técnicas de microscopia (MEV e AFM), rugosidade de superfície e hidrofilicidade. A eficiência das membranas preparadas na separação de TPC do OLE foi avaliada sob várias pressões. A membrana com o melhor desempenho geral, principalmente em termos de filtração de OLE, foi selecionada para investigações adicionais para otimizar variáveis operacionais (pH, temperatura e pressão) para melhorar a rejeição de TPC. As condições operacionais ideais para NF usando membranas à base de 0,3% de CA foram em torno de pH 2,7,25°C e 30 bar para a melhor rejeição de TPC. Além disso, sob condições otimizadas, essas membranas alcançaram 100% de rejeição de oleuropeína. Esses resultados sugeriram que as MMMs preparadas podem separar TPC do OLE com elevada eficiência e menor grau de colmatação.