Valorização de casca de marmelo como fonte de fibra e compostos bioativos: otimização da extração e avaliação de bioatividades

O marmelo é o fruto de Cydonia oblonga Mill., um membro da família da maçã e da pera (Rosaceae). Este não é apreciado cru devido à sua dureza, amargura e adstringência, mas é amplamente processado noutros produtos alimentares, como a marmelada, sendo a casca ou epicarpo descartado sem valor comercial. Como tal, este trabalho surgiu com o objetivo de avaliar o potencial deste subproduto ser integrado na cadeia de valor alimentar sob a forma de ingredientes alimentares ricos em compostos bioativos e fibra alimentar. Para alcançar este objetivo, foi implementado um desenho de composto central rotativo (DCCR) acoplado à metodologia de superfície de resposta (RSM), combinando as variáveis independentes tempo (1–119 min), temperatura (25–94 °C) e proporção de etanol (0–100%) numa matriz de 20 execuções. Após processamento da amostra, os sobrenadantes das extrações foram denominados de extratos bioativos (EB) e os resíduos sólidos de extratos concentrados em fibra (ECF), sendo a casca de marmelo totalmente aproveitada. Os rendimentos de extração foram determinados por gravimetria e, enquanto os EB foram caracterizados quanto à sua composição em compostos fenólicos, ácidos orgânicos e açúcares livres usando diferentes técnicas de cromatografia líquida, os ECF foram analisados quanto à sua cor e teores de fibra alimentar usando um colorímetro e um método enzimático-gravimétrico, respetivamente. Os resultados experimentais foram usados como variáveis dependentes (ou de resposta) e ajustados a uma equação polinomial quadrática para obtenção de modelos teóricos, os quais foram validados com base em diferentes critérios estatísticos (e.g., R2, R2Adj e falta de ajuste). Estes traduziram as tendências de extração e permitiram determinar as condições ótimas de extração. Os rendimentos de extração de EB e ECF contrabalançaram e variaram de 34,47 a 67,09% (m/m) e de 39,82 a 65,52% (m/m), respetivamente. No EB foi possível identificar 17 compostos fenólicos, incluindo 6 ácidos fenólicos, 9 flavan-3-óis e 2 flavonóis glicosilados, os ácidos oxálico, quínico e málico e os açúcares frutose, glucose e sacarose. O teor total de compostos fenólicos variou de 6,5 a 10,13 mg/g EB. No ponto central do desenho, os flavan-3-óis e os ácidos fenólicos representaram 40,3% e 34,6% da fração fenólica, respetivamente, e os flavonóis corresponderam a 25,1%. Entre os ácidos orgânicos detetados, o ácido málico foi o mais abundante (representando mais 95% do total de ácidos orgânicos), com teores chegando a 6,97 g/100 g EB. Assim, a casca de marmelo surgiu como uma fonte alternativa deste composto utilizado no setor alimentar e farmacêutico. Quanto aos açúcares, a frutose foi o mais abundante (60-79%), seguido pela glucose (11-25%). Estes dois açúcares redutores juntamente com a sacarose representaram 44 a 62,8% dos EB obtidos e, como esperado, os teores mais baixos estiveram associados ao uso de maiores proporções de etanol. Os modelos preditivos permitiram determinar as condições ótimas de processamento para o rendimento de EB (66,4 min, 28,4 ºC e 42,6% de etanol), compostos fenólicos (64,2 min, 88 ºC e 0% etanol) e ácido málico (87,7 min, 92,7 ºC e 54,4% etanol) que permitiram alcançar valores de respostas de 69 ± 2% (m/m), 10,6 ± 0,2 mg/g EB e 7,9 ± 0,3 g/100 g EB, respetivamente. Para os ECF, as maiores proporções de etanol estiveram associadas a maiores rendimentos, mas a menores teores de fibra alimentar (a qual representou 52,5-65,6% dos ECF), o que provavelmente se deveu à maior extração de açúcares solúveis. Além disso, quanto maior a percentagem de açúcares, mais claros (valores de L* mais elevados) foram os ECF. Pelo contrário, os ECF com maior proporção de fibra foram mais escuros, o que também poderá ter resultado do processamento a alta temperatura com 20–50% de etanol. A obtenção de ECF foi promovida por 69,1 min de extração a 61,3 ºC, usando 99,9% de etanol. Já o teor máximo de fibra alimentar (67 ± 1 g/100 g ECF) esteve associado ao processamento a 92,2 ºC com 35,5% de etanol, enquanto o tempo não foi significativo para o intervalo estudado. As condições associadas a máximos de extração de compostos fenólicos e ácido málico foram seguidamente usadas para obtenção de extratos enriquecidos nestes compostos bioativos, o que permitiu validar experimentalmente os modelos preditivos com uma boa concordância entre dados teóricos e experimentais. Depois disso, o potencial conservante destes extratos foi avaliado pela medição da sua atividade antioxidante via inibição da peroxidação lipídica e da hemólise oxidativa e potencial antimicrobiano contra bactérias e fungos associados a contaminações alimentares. Os extratos destacaram-se em vários aspetos comparativamente a aditivos alimentares usados como controlo positivo, principalmente os enriquecidos em ácido málico. Este trabalho mostrou que é possível valorizar a casca de marmelo em ingredientes alimentares bioativos e funcionais, seguindo uma estratégia de “desperdício zero”.Quince is the fruit of Cydonia oblonga Mill., a member of the apple and pear family (Rosaceae). This is not appreciated raw due to its hardness, bitterness and astringency, but it is widely processed into other food products, such as marmalade, with the rind or epicarp being discarded without commercial value. Therefore, this work arose with the objective of evaluating the potential of this by-product to be upcycled into the food value chain in the form of food ingredients rich in bioactive compounds and dietary fiber. To achieve this objective, a central composite rotatable design (CCRD) coupled with response surface methodology (RSM) was implemented, combining the independent variables time (1–119 min), temperature (25–94 °C) and ethanol proportion (0–100%) in a 20-run matrix. After sample processing, the extraction supernatants were named bioactive extracts (BE) and the solid residues as fiber concentrate extracts (FCE), with the quince peel being fully utilized. The extraction yields were then determined by gravimetric methods and, while the BEs were characterized for their composition in phenolic compounds, organic acids and free sugars using different liquid chromatography techniques, the FCEs were analyzed for their color and dietary fiber content using a colorimeter and an enzymatic-gravimetric method, respectively. The experimental results were used as dependent (or response) variables and fitted to a quadratic polynomial equation to obtain theoretical models, which were validated based on different statistical criteria (e.g., R2, R2Adj and lack of fit). These translated the extraction trends and made it possible to determine the optimal processing conditions. The BE and FCE extraction yields counterbalanced and ranged from 34.47 to 67.09% (w/w) and from 39.82 to 65.52% (w/w), respectively. In the BE it was possible to identify 17 phenolic compounds, including 6 phenolic acids, 9 flavan-3-ols and 2 glycosylated flavonols, oxalic, quinic and malic acids, and the sugars fructose, glucose and sucrose. The total content of phenolic compounds varied from 6.5 to 10.13 mg/g BE. At the center point of the design, flavan-3-ols and phenolic acids represented 40.3% and 34.6% of the phenolic fraction, respectively, and flavonols corresponded to 25.1%. Among the detected organic acids, malic acid was the most abundant (representing over 95% of the total organic acids), with contents reaching 6.97 g/100 g BE. Thus, quince peel emerged as an alternative source of this organic compound used in the food and pharmaceutical sectors. Regarding free sugars, fructose was the most abundant (60-79%), followed by glucose (11-25%). These two reducing compounds together with sucrose represented 44 to 62.8% of the obtained BE and, as expected, the lower levels were associated with the use of higher ethanol proportions. The predictive models allowed to determine the optimal processing conditions for BE yield (66.4 min, 28.4 ºC and 42.6% ethanol), phenolic compounds (64.2 min, 88.0 ºC and 0% ethanol) and malic acid (87.7 min, 92.7 ºC and 54.4% ethanol) that permitted reaching the response values of 69 ±2% (w/w), 10.6 ± 0.2 mg/g BE and 7.9 ± 0.3 g/100 g BE, respectively. For FCE, higher ethanol proportions were associated with higher yields, but with lower fiber content (which represented 52.5-65.6% of FCE), which was probably due to the greater extraction of soluble sugars. Furthermore, the higher the percentage of sugars, the lighter (higher L* values) the FCEs were. In contrast, FCEs with a higher proportion of fiber were darker, which could also have resulted from high temperature processing with 20–50% ethanol. Obtaining FCE was promoted by 69.1 min of extraction at 61.3 ºC, using 99.9% ethanol. The maximum dietary fiber content (67 ± 1 g/100 g FCE) was associated with processing at 92.2 ºC with 35.5% ethanol, while time was not significant for the studied range. The conditions associated with maximum extraction of phenolic compounds and malic acid were then used to obtain extracts enriched in these bioactive constituents, which allowed the experimental validation of the predictive models with a good agreement between theoretical and experimental data. After that, the preservative potential of these extracts was evaluated by measuring their antioxidant activity via inhibition of lipid peroxidation and oxidative hemolysis and antimicrobial potential against foodborne bacteria and fungi. The extracts stood out in several aspects compared to food additives used as a positive control, especially those enriched in malic acid. This work showed that it is possible to valorize quince peel in bioactive and functional food ingredients, following a “zero waste” strategy.Trabalho financiado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER) através do Programa Operacional Regional Norte 2020, no âmbito do projeto Mobilizador Norte-01-0247-FEDER-024479: “ValorNatural: Valorização de recursos naturais através da extração de ingredientes de elevado valor acrescentado para aplicações na indústria alimentar”, e através do Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (COMPETE 2020), no âmbito do Projeto POCI-01-0247-FEDER-072241: “IntegraValor: Estratégia integrada de valorização de subprodutos agroalimentares”