Ananas comosus L. bio-waste as a potential source of phenolic compounds with food application

Pineapple (Ananas comosus [L.] Merr.) is one of the much-appreciated fruit and consumed worldwide not only for its nutritional properties, but also for being recognized for its beneficial characteristics with action on consumer health. However, a large percentage of this fruit is represented by the crown leaves and peel that are not consumed and, industrially, are not exploited. In addition, the fruit pulp processing industries generate tons of various waste, which has aroused great economic and environmental concern, since disposal solutions are quite limited. In this sense, the present study aimed to characterize the phenolic profile of the peel and the crown leaves as well as to evaluate its bioactive potential, aiming in the application of the most promising extract in a pastry product as a natural ingredient with potential application in the food industry. The phenolic compounds of both matrices were extracted using a heat-assisted hydroethanolic extraction, and subsequently identified and quantified by high performance liquid chromatography coupled with diode detector and mass spectrometry detector (HPLC-DAD-ESI/MS). Twenty-five phenolic compounds were identified in both extracts, comprising phenolic acids and flavonoids. The main compounds detected were caffeic acid derivatives and glycoside flavones, such as apigenin 6,8-C-diglucoside. The antioxidant activity of the extracts was tested by two in vitro tests: the lipid peroxidation inhibition assay (TBARS) and the oxidative hemolysis inhibition assay (OxHLIA). The antiproliferative activity of both extracts was evaluated in tumor (MCF-7, NCI-H460, AGS and CaCo-2) and non-tumor (VERO) cell lines using the sulforhodamine B method. Finally, the antimicrobial activity was evaluated, testing the potential of both extracts against a panel of six bacteria and six fungi. The results revealed that both extracts showed an excellent performance in terms of bioactive assays and demonstrated that none of the extracts showed toxicity up to the maximum concentration tested (GI50 > 400 μg/mL), proving its application potential as a natural ingredient. Despite the excellent results, the peel extract stood out, presenting an antioxidant and antimicrobial potential superior to that presented by the crown leaves extract, having therefore been selected for being incorporated in a typical Portuguese pastry product, called “súplicas". The effects of incorporating the natural ingredient on the chemical and proximate composition of the "súplicas" were evaluated over different shelf life (0, 3 and 7 days after incorporation) and compared with the traditionally produced product. The proximate composition (ash, fats, proteins, carbohydrates contents and energy value) was determined through official methodologies of food analysis (AOAC), while the individual chemical composition was obtained by quantifying the fatty acid content through Gas Chromatography coupled to a Flame Ionization Detector (GC-FID) and the sugar content by HPLC coupled to a refraction index. Also, the variation in colour parameters (L*, a* and b*) was evaluated in all samples of all times. The results showed that the extract did not cause changes in proximate composition, sugar and fatty acid content and in colour parameters. In turn, the evaluation of the antioxidant activity of the “súplicas” revealed that the incorporation of the extract increased the antioxidant potential of the food product compared to the traditional recipe. Thus, this study confirms the potential application of this pineapple bio-waste as a source of bioactive compounds, aiming at reusing a low-cost natural resource and directly contributing in the environmental and economic impact.O ananás (Ananas comosus [L.] Merr.) é um fruto muito apreciado e consumido mundialmente não só pelas suas propriedades nutricionais, mas também por lhe serem reconhecidas características benéficas com ação na saúde do consumidor. No entanto, grande parte da constituição deste fruto é composto pela coroa de folhas e casca que não são consumidas e, industrialmente, não são exploradas. Além disso, as indústrias de processamento de polpas de frutas geram toneladas de diversos resíduos, o que tem despertado grande preocupação económica e ambiental, uma vez que as soluções de descarte são bastante limitadas. Nesse sentido, o presente estudo teve como objetivo caracterizar o perfil fenólico da casca e da coroa de folhas, bem como avaliar seu potencial bioativo, visando a aplicação do extrato mais promissor num produto de pastelaria como ingrediente natural com potencial aplicação na indústria alimentar. Os compostos fenólicos de ambas as matrizes vegetais foram extraídos por extração hidroetanólica termicamente assistida e posteriormente identificados e quantificados por cromatografia líquida de alta eficiência acoplada a detector de diodo e detector de espectrometria de massa (HPLC-DAD-ESI / MS). Foram identificados vinte e cinco compostos fenólicos em ambos os extratos, distinguidos entre ácidos fenólicos e flavonóides. Os principais compostos detectados foram derivados do ácido caféico e flavonas glicosídicas, nomeadamente a apigenina 6,8-C-diglucosídeo. A atividade antioxidante de ambos os extratos foi avaliada através de dois ensaios in vitro: o ensaio de inibição da peroxidação lipídica (TBARS) e o ensaio de inibição da hemólise oxidativa (OxHLIA). A atividade antiproliferativa de ambos os extratos foi avaliada em linhagens celulares tumorais (MCF-7, NCI-H460, AGS e CaCo-2) e não tumorais (VERO) utilizando o método sulforhodamina B. Por fim, a atividade antimicrobiana foi avaliada, testando o potencial de ambos os extratos contra um painel de seis bactérias e seis fungos. Os resultados revelaram que ambos os extratos apresentaram um excelente desempenho em termos de ensaios bioativos e demonstraram que nenhum dos extratos apresentou toxicidade até a concentração máxima testada (GI50> 400 μg / mL), comprovando seu potencial de aplicação como ingrediente natural. Apesar dos excelentes resultados, o extrato da casca destacou-se, apresentando um potencial antioxidante e antimicrobiano superior ao apresentado pelo extrato da coroa de folhas, sendo consequentemente, selecionado para a incorporação num produto de pastelaria típico português, denominado “súplicas”. Os efeitos da incorporação do ingrediente natural na composição química e centesimal das "súplicas", foram avaliados ao longo de diferentes tempos de prateleira (0, 3 e 7 dias após a incorporação) e comparados com o produto tradicionalmente produzido. A composição centesimal (cinzas, gorduras, proteínas, hidratos de carbono e valor energético) foi determinada através das metodologias oficiais de análise de alimentos (AOAC), enquanto a composição química individual foi obtida pela quantificação do teor de ácidos gordos por Cromatografia Gasosa acoplada a um Detector de Ionização por Chama (GC-FID) e o teor de açúcar por HPLC acoplado a um índice de refração. Adicionalmente, a variação nos parâmetros de cor (L*, a* e b*) foi avaliada em todas as amostras de todos os tempos. Os resultados demostraram que o extrato não causou alterações na composição centesimal, no teor de açúcares e ácidos gordos ou nos parâmetros de cor. Por sua vez, a avaliação da atividade antioxidante das “súplicas” revelou que a incorporação do extrato aumentou o potencial antioxidante do produto alimentar relativamente à receita tradicional. Assim, este estudo confirma a potencial aplicação deste bio-resíduo do ananás, como uma fonte de compostos bioativos, visando o reaproveitando de um recurso natural de baixo custo e contribuindo diretamente no impacto ambiental e económico.Master thesis conducted under the project “BIOMA – Bioeconomy integrated solutions for the mobilization of the Agro-food market” (POCI-01-0247-FEDER-046112), by “BIOMA” Consortium, and financed by European Regional Development Fund (ERDF), through the Incentive System to Research and Technological development, within the Portugal2020 Competitiveness and Internationalization Operational Program