Valorization of grape pomace using green technologies

Renewable and green resources need to be exploited to overcome the depletion and pollution problems caused by fossil resources, while fulfilling growing necessities for energy, food, and raw materials. The transition to a bio-based economy can be the solution for sustainable global development. The concept of circular bioeconomy aims to use biomass wastes and side streams efficiently in the sustainable production of high value products. Grape pomace (GP) is the by-product generated by the wine industry. GP is composed mostly of lignocellulose, also containing proteins, lipids, sugars, and phenolic compounds. These high- value compounds can be recovered and applied in food, cosmetic or pharmaceutical industries. The work presented in this thesis explores the complete valorization of GP using a cascade process, using subcritical water (SBW), for the fractionation of red wine grape pomace (RWGP) into differentiated extracts rich in phenolics, hemicellulose carbohydrates, cellulose carbohydrates, and the recovery of lignin. The phenolic-rich and hemicellulose-rich extracts were obtained using a semi-continuous reactor in a stepwise temperature program. Different temperatures were evaluated and the highest recovery yields were achieved at 100 and 190 ᵒC, respectively for phenolics and hemicellulose. The cellulose and lignin separation was achieved at 280 ᵒC, with the complete hydrolysis of cellulose and the loss of 49 % of lignin. At 250 ᵒC, 70 % was recovered and 90 % of the cellulose was hydrolyzed. The obtained hemicellulose-rich extracts were studied as a source of prebiotics and in the formation of hemicellulose-based films. The extract exhibited prebiotic activity with the lactobacilli tested, having the best performance for Lactobacillus paracasei, with a prebiotic activity score of 0.4. The hemicellulose-based films were also successfully obtained, after a process of optimization and the addition of sorbitol and glycerol, as plasticizers.Another goal of this thesis was to add value to the high amount of sugars readily available in white wine grape pomace. The yeast Rhodotorula babjevae was chosen to grow on this carbon source and produce different high-value products. R. babjevae was able to accumulate up to 23 % (w/w) of lipids with carotenoids (45 mg/100goil), and simultaneously secrete polyol esters of fatty acids (1.1 g/L in spent medium).Devido à escassez e poluição causada pelos recursos fósseis, a exploração de recursos mais sustentáveis, que permitam suprimir as necessidades energéticas, alimentar e de matérias- primas, tornou-se urgente. A transição para uma economia de base biológica pode ser uma solução para um desenvolvimento global sustentável. O conceito de bio economia circular visa a utilização de resíduos de biomassa e subprodutos na produção eficiente e sustentável de produtos de alto valor. As massas vínicas (MV) são o subproduto gerado pela indústria vínica, sendo compostas, maioritariamente, por lignocelulose contendo também proteínas, lípidos, açúcares e compostos fenólicos. A recuperação destes compostos permite a sua aplicação na indústria alimentar, cosmética ou farmacêutica. O trabalho apresentado nesta tese explora a valorização completa das MV usando um processo em cascata com água subcrítica, para o fracionamento das massas vínicas de vinho tinto (MVVT) em extratos diferenciados ricos em compostos fenólicos, hidratos de carbono de hemicelulose e de celulose, bem como na recuperação de lenhina. Os extratos foram obtidos usando um reator semi-contínuo, com um programa temperatura com diferentes patamares. Das diferentes temperaturas testadas, os melhores resultados foram obtidos a 100 e 190 ᵒC, respetivamente para compostos fenólicos e hemicelulose. A separação da celulose e da lenhina foi conseguida a 280 ᵒC, com a hidrólise completa da celulose e a perda de 49 % da lenhina. A 250 ᵒC, recuperou-se 70 % de lenhina e 90 % da celulose foi hidrolisada. Os extratos ricos em hemicelulose obtidos foram estudados como fonte de prebióticos e na produção de filmes à base de hemicelulose. Os extratos apresentaram atividade prebiótica com os lactobacilos testados, apresentando o melhor desempenho com Lactobacillus paracasei, com um score de atividade prebiótica de 0.4. Foi também possível obter filmes à base de hemicelulose após um processo de otimização e da adição de sorbitol ou glicerol, como plasticizantes. Outro objetivo da presente tese era acrescentar valor aos açúcares disponíveis nas massas vínicas de vinho branco. Para crescer nesta fonte de carbono e produzir diferentes produtos de elevado valor, escolheu-se a levedura Rhodotorula babjevae. A levedura foi capaz de acumular até 23 % (w/w) de lípidos com carotenoides (45 mg/100góleo) e, simultaneamente, produzir ésteres de poliol e ácidos gordos (1.1 g/L no meio de cultura)