Development and characterization of functional ingredients through valorization of pineapple by-products : production, bioactivity and potential application

As indústrias de processamento de frutas produzem toneladas diárias de resíduos, sendo os subprodutos de abacaxi um dos mais importantes, devido ao tamanho do fruto e, devido ao fato de 60% do peso do seu peso ser descartado como resíduo. A valorização total de subprodutos de abacaxi, por meio da química verde e de tecnologias sustentáveis, visando a obtenção de zero resíduos, é uma das possíveis abordagens para realizar uma valorização integrada destes subprodutos através de uma abordagem de biorrefinaria. O objetivo principal deste trabalho de doutoramento consistiu em utilizar subprodutos do abacaxi (cascas e centros) no desenvolvimento de ingredientes funcionais, desde concentrados de enzimas, extratos prebióticos/ antioxidantes e farinhas funcionais, e caracterizar e validar as atividades biológicas e as capacidades tecnológicas desses novos ingredientes. Primeiro, os centros e cascas do abacaxi foram fracionados gerando dois sumos (frações líquidas) e duas frações sólidas. As frações líquidas do centro representam 5% e da casca 17% do peso total do abacaxi. Ambas as frações líquidas apresentaram alto teor de açúcares simples, representando ca. 65% no caule e ca. de 67% na casca; ambas frações contêm menos de 1% de fibra dietética solúvel. Além disso, foi encontrado alto conteúdo de compostos fenólicos totais ca. 1.3% para a fração líquida do caule e ca. 0.7% para a fração líquida da casca, com elevador teor de vitamina C, associada também a uma elevada atividade antioxidante medida pelos métodos de ABTS e ORAC. Por outro lado, a fração sólida do caule representa ca. 44%, enquanto que a fração sólida da casca representa ca. 38% de abacaxi total, contendo proporções muito diferentes de hidratos de carbono. A fração sólida do caule contém 23% de açúcares simples, 5% de fibra dietética solúvel e 45% de fibra dietética insolúvel, enquanto que fração sólida da casca contém 28% de açúcares simples, 8% de fibra dietética solúvel e 38% de fibra dietética insolúvel, demonstrando um grande potencial como ingrediente rico em fibra. A composição dos hidratos de carbono estruturais mostrou diferenças, principalmente no teor total de celulose e lignina insolúvel. Uma precipitação com polissacáridos foi aplicada às frações líquidas do abacaxi para extrair a principal enzima presente - a bromelaína, uma importante enzima natural que é amplamente aplicada na indústria. A metodologia de separação desenvolvida baseada na precipitação com carragenana, representa uma alternativa natural às metodologias tradicionais de separação. Uma otimização experimental foi aplicada aos subprodutos de abacaxi para definir os valores ótimos responsáveis pela separação da bromelaína. Alto rendimento de recuperação (cerca dos 80%) de bromelaína ativa foi obtida para ambos os sumos, sendo possível extrair 0.26 g de bromelaína a partir de 100 g de subprodutos de abacaxi usando baixas concentrações de polissacarídeo (0.2-0.3%, p/v). Ambas as frações líquidas foram submetidas a um sistema gastrointestinal (TGI) simulado para compreender o impacto na composição dos bioativos presentes. Observou-se um elevado grau de hidratos de carbono digeridos, uma vez que os hidratos carbono de alto peso molecular, após a digestão bucal e duodenal, transformaram-se em moléculas de menor tamanho (tri-, di- e monossacarídeos). O conteúdo total de polifenóis aumentou ao longo do TGI, assim como a atividade antioxidante, medida por ABTS e ORAC, devido à libertação de polifenóis complexados com outras moléculas. A análise de composição de polifenóis mostrou que o ácido clorogénico está em maior concentração, combinado com outros como os ácidos cafeíco, cumárico e ferúlico, principalmente libertados após a digestão com TGI. A fração líquida do caule foi selecionada para estudar o potencial prebiótico, revelando elevada atividade em cinco estirpes probióticas (duas de lactobacilos e três de bifidobactérias). A atividade prebiótica foi medida após cada compartimento do TGI, a qual diminuiu ligeiramente ao longo do sistema. No entanto, a fração residual evidenciou capacidade para modular o crescimento e o metabolismo das estirpes probióticas. As frações sólidas também foram submetidas à simulação do TGI e a fração remanescente foi fermentada in vitro num modelo de fezes humanas. Ambas as frações evidenciaram elevadas concentrações de ácidos ferúlico e cumárico (cascas: 70 mg 100 g-1 e 113 mg 100 g-1 e caules: 95 mg 100 g-1 e 68 mg 100 g-1, respetivamente) que foram detetados após a simulação do TGI, bem como após 48 h de fermentação com microbiota intestinal, demonstrando ter um alto potencial antioxidante durante todas as fases do TGI. A fração sólida do caule promoveu o crescimento de Lactobacillus spp. e Bifidobacterium spp., enquanto a fração sólida da casca promoveu principalmente o crescimento de Lactobacillus spp. O crescimento desses grupos levou à produção de ácidos gordos de cadeia curta (AGCC), principalmente ácido propiónico e acético, que modularam positivamente o metabolismo intestinal. A prova de conceito de um dos ingredientes desenvolvidos foi realizada através da aplicação de bromelaína natural em um processo de amaciamento de um fiambre tradicional. A concentração mais baixa de bromelina (1 mg mL-1) permitiu o amaciamento da carne de porco. Através de um desenho experimental fatorial, os intervalos de valores e as condições ótimas de aplicação de enzima foram selecionadas: 1 mg de bromelaína por mL de salmoura. Os resultados deste trabalho experimental contribuirão para a sustentabilidade das indústrias de processamento de frutas num contexto de economia circular, através do desenvolvimento de ingredientes de valor agregado com impacto bioativo e funcional. Além disso, o desenvolvimento de seis novos ingredientes funcionais, através da aplicação de um processo a jusante integrado com obtenção de resíduos ZERO, ajudará as indústrias de processamento de frutas a implementar soluções de baixo custo, com produtos finais de alto valor agregado, o que permite a reintegração do valor económico, com a geração de novos fluxos de receita e o incentivo a uma sociedade mais sustentada.Fruit processing industries produce huge amounts of wastes, being pineapple by-products one of the most important, due to the fruit size and since 60% (w/w) of pineapple is discarded as waste in normal processing. The application of total valorization of pineapple by-products through green chemistry and sustainable technologies, aiming to achieve ZERO waste, is one of the possible approaches to perform an integrated valorization of these by-products through biorefinery concept. The main objective of this Ph.D. research work was to use pineapple by-products in the development of functional ingredients such as enzymes concentrates, prebiotic/ antioxidant concentrates and functional flours, and to characterize and validate biological activities and technological properties of these new ingredients. First, pineapple stems and peels were fractionated generating two crudes juices (liquid fraction) and two solid fractions (press cakes). Stem and peel liquid fractions represented in weight ca. 5% (w/w) and ca. 17% (w/w) of the total pineapple, respectively. Both liquid fractions contain high content of simple sugars, stem liquid fraction ca. 65% and peel liquid fraction of 67% and less than 1% of soluble dietary fibre in both by-products. Moreover, high content of total phenolic compounds was found ca. 1.3% for stem liquid fraction and 0.7% for peel liquid fraction; both fractions also contained high amounts of total vitamin C, which was corroborated by the high antioxidant activity values of ABTS and ORAC assays. On the other hand, the weight of stem press cake represented ca. 44% (w/w) and peel press cake ca. 38% (w/w) of total pineapple, containing very different proportions of carbohydrates. Stem press cake contained ca. 23% (w/w) of simple sugars, ca. 5% (w/w) of soluble dietary fibre and ca. 45% (w/w) of insoluble dietary fibre, while peel press cake, contained ca. 28% (w/w) of simple sugars, ca. 8% (w/w) of soluble dietary fibre and ca. 38% (w/w) of insoluble dietary fibre, showing to have a great potential as a fibre-rich ingredient. Structural carbohydrates composition showed differences mainly for total cellulose content and for insoluble lignin. A green precipitation methodology was applied to pineapple liquid fractions to extract pineapple enzyme – bromelain, an important natural enzyme widely applied in different industries. The developed methodology, based on precipitation with carrageenan, represents an alternative to traditional separation methodologies. An optimization experimental model was applied to pineapple by-products to define the accountable ranges of bromelain separation. High recover yield of active bromelain (ca. 80%) was achieved for both crude juices making possible to obtained ca. 0.26 g of bromelain from 100 g of pineapple by-products using low polysaccharide concentrations (0.2-0.3% w/v). The remaining stem and peel liquid fractions (after enzyme extraction) were submitted to simulated gastrointestinal tract (GIT) conditions. High degree of digested carbohydrates was observed, since carbohydrates of high molecular weight, after mouth and duodenal stages were transformed in smaller molecules of tri-, di- and monosaccharides. The total content of polyphenols increased throughout the GIT, as well as, the antioxidant activity measured by ABTS and ORAC assays, occurring such burst due to the release of polyphenols linked to other molecules. Polyphenols composition showed that chlorogenic acid is present at highest concentration for both fractions, combined with others, such as caffeic, coumaric and ferulic acids mainly released during GIT digestion. The stem fraction was selected to evaluate prebiotic activity, revealing relevant activity upon five probiotic strains (two strains of lactobacilli and three bifidobacteria). The impact of each stage of GIT simulation upon prebiotic activity was measured, showing that the activity slightly reduced throughout the simulated digestion, but still modulated the growth and metabolism of probiotic strains. The solid fractions (peels and stems) were also submitted to the simulation of the gastrointestinal tract to understand the impact of digestion process and residual fraction was submitted to fermentation using an in vitro model of human faeces. For both fractions, high concentrations of ferulic and coumaric acids (peels: 70 mg 100 g-1 and 113 mg 100 g-1, respectively and for stems: 95 mg 100 g-1 and 68 mg 100 g-1, respectively) were detected after the GIT simulation, as well as after 48 h of microbiota fermentation, demonstrating a high antioxidant potential during all stages of GIT. The stem flour promoted in the same extent the growth of Lactobacillus spp. and Bifidobacterium spp., while peel flour promoted mainly the growth of Lactobacillus spp. The growth of such strains led to the production of short chain fatty acids (SCFA), mainly propionic and acetic acids, which positively modulated the gut metabolism. A proof of concept of one of developed ingredients was carried out by the application of bromelain in the process of tenderization in a traditional ham. The lowest bromelain concentration tested (1 mg mL-1) still led to the tenderization of the pork meat. Through an experimental factorial design, the values range and optimum enzyme application conditions were selected: 1 mg of bromelain per mL of brine. The results from this experimental work will certainly contribute for the sustainability of fruit processing industries in a circular economy context through development of value-added ingredients with biological and functional impact. Moreover, the development of six new functional ingredients, through a ZERO waste approach by application of an integrated downstream process will help fruit processing industries to implement low-cost solutions with high value-added final products, which allows the re-integration of economic value, the generation of new revenue streams and encouraging a more sustained society