Revalorización de subproductos vegetales. Efecto del procesado sobre la extracción, estabilidad y bioaccesibilidad de compuestos antioxidantes

Abstract

[spa] El sector agroalimentario debe hacer frente a la creciente presión legislativa y social sobre la mitigación del impacto ambiental de sus actividades y, en este sentido, está abordando grandes retos encaminados a contribuir a la sostenibilidad ambiental. Por tanto, el presente trabajo tiene como objetivos evaluar el potencial de residuos y subproductos vegetales como fuente de compuestos antioxidantes, proponer el uso de una metodología emergente y sostenible como es la de los ultrasonidos de potencia (UdP), para su extracción, y estudiar del efecto del procesado sobre la bioaccesibilidad de estos compuestos. Se ha validado el uso de residuos de naranja como fuente de compuestos antioxidantes y se ha mejorado el proceso de extracción mediante la aplicación de UdP. Se estudiaron las cinéticas de extracción acústica, así como el efecto de la temperatura sobre las mismas, y se compararon con las correspondientes a la extracción convencional mediante agitación mecánica. El uso de UdP permitió utilizar el agua como disolvente de extracción, obteniendo rendimientos de extracción (40-80%) similares a los propuestos en la bibliografía para la extracción con disolventes orgánicos. Los rendimientos de extracción del contenido en polifenoles totales, flavonoides totales y actividad antioxidante (método ABTS), después de 10 min a 25 ºC y densidad acústica de 790 W/L, fueron más elevados (28, 44 y 157% superiores, respectivamente) que los rendimientos obtenidos a las mismas temperaturas mediante extracción con agitación mecánica. Las curvas de extracción de los contenidos de polifenoles y flavonoides totales, y de la actividad antioxidante (método ABTS), de los subproductos de naranja fueron simuladas adecuadamente mediante el modelo de Weibull modificado obteniendo valores del error relativo medio inferiores al 5%, tanto en extracción con agitación mecánica como con ultrasonidos, dentro del rango de temperaturas 5-25 ºC. A continuación, se evaluaron los efectos de la aplicación de distintas técnicas de procesado (congelación, liofilización y secado convectivo) sobre la bioaccesibilidad de los compuestos antioxidantes durante un proceso de digestión in vitro. Estos efectos fueron diferentes según la estructura de la matriz alimentaria. La microestructura y la composición inicial de ambos vegetales, manzana y remolacha, se vieron modificadas tanto por la congelación como por el secado. Estas modificaciones estructurales dieron lugar a cambios de comportamiento de dichos materiales durante el proceso de digestión in vitro. Se comprobó que, en general, el procesado contribuyó a la mejora de la bioaccesibilidad de compuestos con propiedades antioxidantes presentes tanto en la manzana como en la remolacha (bioaccesibilidad ~50% y ~60% mayores, respectivamente, que en muestras sin procesar). El modelo de Weibull permitió describir las transferencias de materias que tuvieron lugar durante el proceso de digestión in vitro, la pérdida de compuestos bioactivos de la matriz sólida (con un ERM<5.3% en manzana y un ERM<7.1% en remolacha), y la ganancia de compuestos antioxidantes, en el caso de remolacha, por el jugo gástrico con un ERM<8.7%. La aplicación del análisis de imagen permitió realizar un análisis cuantitativo del efecto del secado y de la digestión in vitro sobre la microestructura de la matriz alimentaria. El proceso de secado provocó un aumento del número de células por unidad de área, mientras que el proceso de digestión provocó una disminución del número de células por unidad de área. En conclusión, este trabajo contribuye a validar del uso de residuos/subproductos de naranja como fuente de compuestos antioxidantes mejorando su proceso de extracción acuosa mediante la aplicación de UdP, así como, a demostrar el efecto del procesado mediante congelación y secado, sobre la bioaccesibilidad de los compuestos antioxidantes presentes en diferentes matrices alimentarias, como la manzana y la remolacha.

[cat] El sector agroalimentari ha de fer front a la creixent pressió legislativa i social sobre l’atenuació de l’impacte ambiental de les seves activitats i en aquest sentit, està abordant grans reptes encaminats a contribuir a la societat ambiental. Per tant, el present treball té com objectius avaluar el potencial dels residus i subproductes vegetals com a font de composts antioxidants, proposar l’ús d’una metodologia emergent i sostenible com es la dels ultrasons de potència (UdP), per la seva extracció, y estudiar l’efecte del processat sobre la bioaccessibilitat d’aquest compostos. S’ha validat l’ús de residus de taronja com a font de composts antioxidants i s’ha millorat el procés d’extracció mitjançant l’aplicació UdP. Es varen estudiar les cinètiques d’extracció acústica, així com l’efecte de la temperatura sobre les mateixes, i es varen comparar amb les corresponents a la extracció convencional mitjançant agitació mecànica. L’ús UdP va permetre utilitzar aigua com a dissolvent d’extracció, obtenint rendiments d’extracció (40-80%) semblants als proposants a la bibliografia per l’extracció amb dissolvents orgànics. Els rendiments d’extracció del contingut en polifenols totals, flavonoides totals i activitat antioxidants (mètode ABTS), després de 10 min a 25 ºC i una densitat acústica de 790 W/L varen ser més elevats (28, 44 y 157% superiors, respectivament) que el rendiments obtinguts amb les mateixes temperatures mitjançant extracció amb agitació mecànica. Les corbes d’extracció dels continguts de polifenols i flavonoides totals i de l’activitat antioxidant (mètode ABTS) dels subproductes de taronja varen ser simulades satisfactòriament mitjançant el model de Weibull modificat obtenint valors de l’error relatiu mitja inferiors al 5% tant a l’extracció amb agitació mecànica com amb ultrasons, dins l’interval de temperatures 5-25 ºC. A continuació, es varen avaluar els efectes de l’aplicació de les diferents tècniques de processat (congelació, liofilització i assecatge convectiu) sobre la bioaccessibilitat dels composts antioxidants durant el procés de digestió in vitro. Aquests efectes varen ser diferents segons l’estructura alimentària. La microestructura i la composició inicial d’ambdós vegetals, poma i remolatxa, es varen veure modificades tant per la congelació com per l’assecatge. Aquestes modificacions estructurals varen donar lloc a canvis de comportament de les mostres durant el procés de digestió in vitro. Es va comprovar que, en general, el processat va contribuir a la millora de la bioaccessibilitat de composts amb propietats antioxidants presents tant a la poma com a la remolatxa (bioaccessibilitat ~50% i ~60% superiors, respectivament, que a les mostres sense processar). El model de Weibull va permetre descriure les transferències de massa que varen tenir lloc durant el procés de digestió in vitro, la disminució de composts bioactius de la matriu sòlida (amb un ERM<5.3% en poma i un ERM<7.1% en remolatxa), y un augment de composts antioxidants, en el cas de la remolatxa, en el suc gàstric amb un ERM<8.7%. L’aplicació d’anàlisis d’imatge va permetre un anàlisis quantitatiu de l’efecte de l’assecatge i de la digestió in vitro sobre la microestructura de la matriu alimentària. El procés d’assecatge va provocar un augment del nombre de cèl·lules per unitat d’àrea, mentre que el procés de digestió va provocar una disminució del nombre de cèl·lules per unitat d’àrea. Per concloure, aquest treball contribueix a validar l’ús dels residus/subproductes de taronja com a font de composts antioxidants millorant el seu procés d’extracció aquosa mitjançant l’aplicació d’ultrasons de potència, així com, a demostrar l’efecte del processat mitjançant la congelació i assecatge, sobre la bioaccessibilitat del composts antioxidants presents a diferents matrius alimentàries, com la poma i la remolatxa.

[eng] The agri-food industry must face the growing legislative and social pressure about the mitigation of the environmental impact of its activities and, in this regard, it is addressing major challenges aimed to contribute to environmental sustainability. The purpose of this work is to evaluate the potential of plant residues and by-products as a source of antioxidant compounds, to propose the use of an emerging and sustainable methodology such as power ultrasound for their extraction, and to study the effect of processing on the bioaccessibility of these compounds. The use of orange by-products as a source of antioxidant compounds has been validated, furthermore, the extraction process has been improved by applying power ultrasound. The kinetics of acoustic extraction and the temperature effect on them were studied and compared to those of conventional extraction by mechanical agitation. The use of power ultrasound allowed the use of water as solvent, obtaining extraction yields (40-80 %) similar to those proposed in the literature for the extraction with organic solvents. The extraction yields of total polyphenols, total flavonoids contents, and antioxidant activity (ABTS method), after 10 min at 25 ° C and acoustic density of 790 W/L, were higher (28, 44 and 157 % higher, respectively) that the yields obtained at the same temperature by mechanical agitation assisted extraction. The extraction curves of total polyphenols and total flavonoids contents, and antioxidant activity (ABTS method) from orange by-products were adequately simulated by using the modified Weibull model, obtaining mean relative error (ERM) figures lower than 5 %, both in mechanical and acoustic assisted extraction processes, within the temperature range of 5-25 ºC. Next, the effects of the application of different processing techniques (freezing, lyophilization and convective drying) on the bioaccessibility of the antioxidant compounds during in vitro digestion were evaluated. These effects were different depending on the structure of the food matrix. The microstructure and the initial composition of both apple and beetroot samples changed after freezing and drying processes. These structural modifications resulted in changes in the behavior of these samples during the in vitro digestion process. It was observed that, in general, processing contributed to the improvement of the bioaccessibility of compounds with antioxidant properties present in both apple and beetroot (bioaccessibilities ~ 50% and ~ 60% higher, respectively, than in untreated samples). The Weibull model allowed the description of both mass transfers that took place during the in vitro digestion process, the loss of bioactive compounds from the solid matrix (with an ERM <5.3 % in apple digestion and ERM <7.1 % in beetroot digestion), and the gain of antioxidant compounds, in the case of beetroot digestion with gastric juice with ERM <8.7 %. The application of image analysis allowed a quantitative analysis of the effects of both drying and in vitro digestion. Drying process promoted increases in the number of cells per area unit. In conclusion, this work contributes to the validation of the use of orange residues and by-products as a source of antioxidant compounds, improving the aqueous extraction process through the application of power ultrasound; and to demonstrate the effect of processing by freezing and drying, on the bioaccessibility of the antioxidant compounds present in different food matrix such as apple and beetroot.