Obtenção, encapsulação e aplicação de extrato rico em carotenoides da casca de guaraná (Paullinia cupana)

The trends to upcycle by-products to alleviate the global concern related to population growth and food production expansion keep increasing. Although many strategies in waste management have been developed, it is worthwhile to valorize these by-products with low cost and minor environmental threats. In Brazil, with the biodiversity of the Amazon Region and the prosperous agribusiness, seeking new sources of bioactive compounds that possess economic and environmental merits is crucial. As most bioactive compounds are vulnerable to heat and oxygen, entrapping them into microparticles is a pre-requisite for food applications. Thus, the present study aimed to extract bioactive compounds from guaraná peel, a by-product from the agroindustry, and use them as core materials to develop microparticles that can be incorporated into functional products. In the first section of this work, characterization of the guaraná peels was investigated, including their compositions, such as the content of alkaloids, phenolic compounds, and carotenoids. The extraction conditions were also assessed to establish the optimal parameters for the recovery of pigments (β-carotene and lutein). Under the optimal conditions, the antioxidant capacity of the extracts was measured using in vitro assays. The results indicate guaraná by-products are excellent sources of carotenoids that possess a strong antioxidant capacity and likely bring health-promoting effects. However, as unstable natural pigments, carotenoids are highly susceptible to oxidation and isomerization after extraction. To increase their stability, in the second part of this work, the carotenoid-rich extract was encapsulated by spray drying (SD), chilling (SC), and their combination (SDC) to form microparticles. The physicochemical properties of the microparticles were explored, and their stability was evaluated during 90 days of storage. Scanning electron micrographs revealed spherical shape and size heterogeneity of samples. Moreover, the analysis of thermograms indicated that the carrier material and encapsulation process affect the thermal behavior of the microparticles. Similarly, water sorption data from the samples\' dynamic vapor sorption (DVS) mainly were related to the carrier agents used during encapsulation. Just a few studies approached whether encapsulation could protect the carotenoids under thermo-mechanical stress. Such information correlates with their application, as temperature and shear are mostly used during food production. Thus, the last part of this study conducted pasting processing to simulate the extrusion conditions and produce oatmeal paste enriched with microparticles loaded with carotenoids. After the processing, the influence of microparticles on the pasting properties of the oatmeal paste was evaluated. We found β-carotene retention was higher than those of lutein after treatment. Less severe conditions (temperature and shear) led to higher stability of the carotenoid. This study proposed that the encapsulation and application of carotenoids into food based on oat starch, which was processed at higher temperatures and shear, has the potential to develop functional products. However, incorporating new ingredients can affect the final products sensory properties and the bioactivity of mixed compounds. For this reason, future works specifically on the development of food products with desirable quality attributes and nutritional benefits are essential.A tendência de reaproveitamento de subprodutos para minimizar a tensão global, relacionada ao crescimento populacional e à expansão da produção de alimentos, continua aumentando. Embora muitas estratégias de gestão de resíduos tenham sido desenvolvidas, é necessário valorizar esses subprodutos com baixo custo e menores ameaças ambientais. No Brasil, com a biodiversidade da Amazônia e o próspero agronegócio, é fundamental buscar novas fontes de compostos bioativos que possuam méritos econômicos e ambientais. Como a maioria destes compostos são sensíveis ao calor e ao oxigênio, a encapsulação destes componentes em micropartículas é um pré-requisito para aplicações em alimentos. Assim, o presente estudo teve como objetivo extrair compostos bioativos da casca de guaraná, subproduto da agroindústria, e utilizá-los como matéria-prima para o desenvolvimento de micropartículas que possam ser incorporadas a produtos funcionais. Na primeira seção deste trabalho, foi investigada a caracterização da casca de guaraná, incluindo sua composição, como teor de alcalóides, compostos fenólicos e carotenoides. As condições de extração também foram avaliadas para estabelecer os parâmetros ideais para a recuperação dos pigmentos (β-caroteno e luteína). Nas condições ideais, a capacidade antioxidante dos extratos foi avaliada por meio de ensaios in vitro. Os resultados indicam que os subprodutos do guaraná são excelentes fontes de carotenoides, os quais possuem forte capacidade antioxidante e, possivelmente, ocasionam efeitos promotores da saúde. No entanto, como pigmentos naturais instáveis, os carotenoides são altamente suscetíveis à oxidação e isomerização após a extração. Para aumentar sua estabilidade, na segunda parte deste trabalho, o extrato rico em carotenoides foi encapsulado por spray drying (SD), chilling (SC) e pela combinação das duas técnicas (SDC) para formar micropartículas. As propriedades físico-químicas das micropartículas foram investigadas, e sua estabilidade foi avaliada durante 90 dias de armazenamento. Micrografias eletrônicas de varredura revelaram forma esférica e heterogeneidade de tamanho das amostras. Além disso, a análise dos termogramas indicou que o material carreador e o processo de encapsulamento afetam o comportamento térmico das micropartículas. Da mesma forma, os dados de sorção de água por sorção de vapor dinâmico (DVS) das amostras foram principalmente relacionados aos agentes carreadores usados para a encapsulação. Apenas alguns estudos abordaram se a encapsulação poderia proteger os carotenoides sob estresse termo-mecânico. Essas informações estão relacionadas à sua aplicação, uma vez que a temperatura e o cisalhamento são usados principalmente durante a produção de alimentos. Assim, a última parte deste estudo conduziu um processamento para simular as condições de extrusão e produzir uma pasta de aveia enriquecida com micropartículas carregadas com carotenoides. Após o processamento, avaliou-se a influência das micropartículas nas propriedades da pasta de aveia. Observou-se que a retenção do β-caroteno foi maior do que a da luteína após o tratamento. Condições menos severas (temperatura e cisalhamento) levaram a maior estabilidade dos carotenoides. Este estudo propôs que a encapsulação e aplicação de carotenoides em alimentos à base de amido de aveia, que foi processado em altas temperaturas e cisalhamento, têm potencial para desenvolver produtos funcionais. No entanto, a incorporação de novos ingredientes pode afetar as propriedades sensoriais dos produtos finais e a bioatividade dos compostos. Por este motivo, trabalhos futuros especificamente no desenvolvimento de produtos alimentícios com atributos de qualidade desejáveis e benefícios nutricionais são essenciais