Carotenoid-based solutions for the replacement of artificial colorants in pastry products

Colour has a great importance in the first consumers’ impression, allowing to infer about the overall quality, the taste, the smell, the texture, and even the safety of foodstuff. For these reasons, there is a massive use of colorants in food products. Among the numerous natural matrices potentially used for the extraction of colouring compounds, the fruits from the genus Solanum represent promising sources of pigments, namely carotenoids. This reason, together with the fact that large amounts of fresh tomato wastes (resulting from crop growing, packaging, processing, storage, and sale) are discarded worldwide, make the recovery of valuable colorant biomolecules from agri-food wastes a crucial step of the circular economy by re-introducing them into the food chain as ingredients. In the present work, ultrasound-assisted methodologies were applied to obtain carotenoid-rich colouring extracts from three varieties of tomato (traditional red tomato - Solanum lycopersicum L., cherry tomato – S. lycopersicum var. cerasiforme, and yellow pear tomato – S. lycopersum 'Beam's Yellow Pear), using green solvents, and HLPC-DAD-ESI/MS to establish the carotenoid profile of each sample. Furthermore, the most promising and bioactive extracts were applied in a commercialized pastry cream to substitute the currently used artificial colorants, and finally an in-depth nutritional, chemical, and bioactive characterization of the obtained products was performed, complemented with their physical attributes, studied at Time 0 and 3 days of storage. Lycopene and β-carotene were the major carotenoids found in tomato extracts. None of the studied samples showed hepatotoxicity (including the artificial colorant), and cherry tomato extract was the one with the highest antioxidant and antimicrobial activity. All the creams coloured with the three tomato extracts revealed a uniform aspect and were stable in terms of structure and colour after the heat resistance test. The colour of the creams revealed no significant change over time; however, the pH levels suffered a growing tendency, except for the cream coloured with yellow pear tomato extract, which presented the most stable pH levels. As expected, the cream with the artificial colorant showed the best texture attributes, since the high quantity of carotenoid-rich extracts needed to achieved the final color lead to a weaker texture. Nevertheless, the cream coloured with cherry tomato extract presented the strongest cohesiveness and work of cohesion, while cream with yellow pear tomato presented the best firmness and consistency.Cherry tomato coloured cream presented the highest amounts of protein, fat, and ash, as also higher energetic value. Three soluble sugars were found, fructose, glucose, and trehalose; and citric acid was the major organic acid detected. Saturated fatty acids were found in the highest percentages in all samples, mainly due to the presence of palmitic acid, being oleic acid the second most abundant fatty acid. Finally, all creams revealed antioxidant properties, similar to the respective extracts, and no toxicity was observed for the VERO cell line. A significant improvement in the antimicrobial activity of the creams was verified, comparing with the extract, especially in the cream coloured with cherry tomato extract. The colouring capacity of these molecules makes them a very attractive target for the industrial sector, since carotenoid-based colorants appear as a valid solution for application in the pastry sector, that greatly relies on yellow/orange artificial colorants.A cor tem uma grande importância na primeira impressão do consumidor, permitindo-lhes inferior sobre a qualidade geral, o sabor, o cheiro e até mesmo sobre a segurança do alimento. Por estas razões, os corantes são massivamente utilizados em produtos alimentares. Entre as inúmeras matrizes naturais potencialmente utilizadas para a extração de compostos corantes, os frutos do género Solanum representam fontes promissoras de pigmentos como os carotenoides. Esta razão, juntamente com o facto de que grandes quantidades de resíduos de tomate fresco (resultantes da produção, embalamento, processamento, armazenamento e venda) são descartadas em todo o mundo, tornam a recuperação de biomoléculas corantes de alto valor acrescentado a partir de resíduos agroalimentares, uma etapa crucial da economia circular através da sua reintrodução na cadeia alimentar como ingredientes. Neste trabalho, foram aplicadas metodologias de extração assistidas por ultrassons para obter extratos corantes ricos em carotenoides a partir de três variedades de tomate (tomate vermelho tradicional - Solanum lycopersicum L., tomate cereja – S. lycopersicum var. Cerasiforme e tomate pêra amarelo – S. Lycopersum 'Beam's Yellow Pear), usando solventes verdes, e HLPC-DAD-ESI/MS para estabelecer o perfil de carotenoides de cada amostra. Posteriormente, os extratos mais promissores e bioativos foram aplicados num creme de pasteleiro comercial de forma a substituir os corantes artificias atualmente usados. Finalmente, foi efetuado um estudo profundo de caracterização nutricional, química e bioativa, bem como dos parâmetros físicos dos cremes, avaliados no tempo 0 e após 3 dias de armazenamento. O licopeno e o β-caroteno foram os principais carotenoides detetados nos extratos de tomate. Nenhuma das amostras estudadas apresentou hepatotoxicidade (incluindo o corante artificial), sendo o extrato de tomate cereja o que apresentou maior atividade antioxidante e antimicrobiana. Todos os cremes corados com os três extratos de tomate revelaram um aspeto uniforme e estabilidade em termos de estrutura e de cor após o teste de resistência ao calor. A cor dos cremes não revelou nenhuma alteração significativa ao longo do tempo; no entanto, os níveis de pH sofreram tendência crescente, exceto para o creme corado com extrato de tomate pêra amarelo, que apresentou os níveis de pH mais estáveis. Como esperado, o creme preparado com o corante artificial apresentou os melhores atributos de textura, uma vez que a grande quantidade de extrato, rico em carotenoides, necessário para atingir a cor final provoca alterações na textura. No entanto, o creme corado com extrato de tomate cereja apresentou maior coesividade e trabalho de coesão, enquanto o creme com tomate pêra amarelo apresentou melhor firmeza e consistência. O creme com extrato de tomate cereja apresentou os teores mais elevados de proteína, gordura e cinzas, além de um valor energético superior. Três açúcares solúveis foram encontrados, frutose, glicose e trealose; e o ácido cítrico foi o principal ácido orgânico detetado. Os ácidos gordos saturados foram os mais abundantes em todas as amostras, principalmente devido à presença do ácido palmítico, sendo o ácido oleico o segundo ácido gordo mais abundante. Por fim, todos os cremes revelaram propriedades antioxidantes semelhantes aos respetivos extratos, não sendo observada toxicidade para a linha celular VERO. Verificou-se uma melhoria significativa na atividade antimicrobiana dos cremes, em comparação com o extrato, principalmente no creme corado com extrato de tomate cereja. A capacidade corante destas moléculas torna-as um alvo muito atrativo para o setor industrial, surgindo os corantes à base de carotenoides como uma solução válida para aplicação no setor da pastelaria, que depende muito dos corantes artificiais amarelo/laranja.This work has been financed by the FEDER-Interreg España-Portugal programme for financial support through the project TRANSCoLAB 0612_TRANS_CO_LAB_2_P; to the European Regional Development Fund (ERDF) through the Regional Operational Program North 2020, within the scope of Project Mobilizador Norte-01-0247-FEDER- 024479: ValorNatural®