Bioactive compounds from agri-food by-products. Extraction and application in microencapsulation

Abstract

[eng] The agri-food industry generates a large amount of by-products that represent a significant environmental problem. The objective of this thesis was to propose alternatives for their exploitation in two ways, on the one hand, through the ultrasound-assisted extraction of some of their bioactive compounds and, on the other, through their use in lipid microencapsulation processes. The ultrasound-assisted extraction experiments were carried out considering orange by-products (pulp and peel) as a source of pectins, and mushroom stalks as a source of ergosterol and phenolic compounds with antioxidant activity. The extraction experiments were performed at low temperature (25 °C) and with citric acid at two pHs (1.5 and 2.0) in the case of pectins extraction, and two concentrations of ethanol in water (70 and 96 % v/v) in the case of extractions from mushroom stalks. Extraction experiments with mechanical agitation were used as reference. The yields obtained in the ultrasound-assisted extraction of pectins (542-794 W/L) were 105-147 % and 40-80 % higher than with mechanical stirring (82 rpm) at pH 1.5 and pH 2.0, respectively. The extraction kinetics were satisfactorily simulated with a second-order rate model (mean relative error (MRE) ≤ 7.4 %). In the extractions from mushroom stalks, the yields of the ultrasound-assisted extraction process (182-321 W/L) of ergosterol, phenolic compounds, and the value of the antioxidant activity were 123-200 %, 20-27 %, and 17-25 % higher than with mechanical agitation (130 rpm) in 70 % ethanol; and 16-20 %, 27-46 % and 10-19 % in 96 % ethanol. The extraction kinetics were satisfactorily simulated using the Weibull model (MRE ≤ 7.8 %). The mushroom residue obtained after the extraction of bioactive compounds (mushroom concentrate rich in glucans (~10 g/100 g dm) and proteins (~ 19 g/100 g dm)), and a flour obtained from artichoke bracts (obtained by drying, grinding, and sieving) were used and evaluated in a lipid microencapsulation process by spray drying. These materials were added to oil-in-water emulsions, substituting a commercial emulsifier (Tween®20) and partially replacing a common wall material (maltodextrin). A control emulsion (with Tween®20 and only maltodextrin as wall material) was used as a reference. The emulsions with 5.0 and 7.5 % w/w of the mushroom concentrate showed oil droplets with similar size to those of the control (median diameter of the droplets (d50) ~ 2.4 µm) and better stability than the control (during 48 h). The addition of the artichoke flour to oil-in-water emulsions (1.0-2.0 % w/w) resulted in oil droplets with similar size to those of the control (d50 ~2.7 µm) and better stability than the control (with 2.0 % of artichoke flour) for 24 h. The addition of the mushroom concentrate (5.0 and 7.5 %) and the artichoke flour (2.0 %) improved the stability of the emulsions as a consequence of the increase in viscosity, steric hindrance, and probably a Pickering effect. After spray drying (outlet temperature 96-102 °C) the emulsions with 5.0 % of the mushroom concentrate and 2.0 % of the artichoke flour, a high oil encapsulation efficiency was observed (~89 and ~79 % respectively). The oil encapsulated with the mushroom concentrate and the artichoke flour presented greater oxidative stability than the control, during drying and controlled storage (35 ° C and 50 % relative humidity) for 1 and 2 months, respectively. In conclusion, the extraction of bioactive compounds from agri-food by-products can be intensified through the application of high-power ultrasound. Furthermore, agri-food by-products can be used in lipid microencapsulation by spray drying, taking advantage of their emulsifying and antioxidant capacity.

[cat] La indústria agroalimentària genera una gran quantitat de subproductes que representen un important problema mediambiental. L'objectiu d'aquesta tesi va ser proposar alternatives per a la seva valorització per dues vies, mitjançant l'extracció acústica d'alguns dels seus compostos bioactius i mitjançant el seu ús en processos de microencapsulació de lípids. Es van dur a terme experiments d'extracció acústica considerant la polpa i pell de taronja com a font de pectines i les tiges de xampinyons com a font d’ergosterol i compostos fenòlics amb activitat antioxidant. El procés es va dur a terme a una temperatura baixa (25 °C) i amb àcid cítric a dos pHs (1.5 i 2.0) en el cas de l'extracció de pectines i dues concentracions d'etanol en aigua (70 i 96 % v/v) en les extraccions a partir de tiges de xampinyó. Es va prendre com a referència experiments d'extracció amb agitació mecànica. Els rendiments obtinguts en els processos d'extracció acústica de pectines (542-794 W/L) van ser 105-147 % i 40-80 % més elevats que amb agitació mecànica (82 rpm) a pH 1.5 i pH 2.0, respectivament. Les cinètiques d'extracció es van simular adequadament amb un model cinètic de segon ordre (error relatiu mitjà (MRE) ≤ 7.4 %). En les extraccions a partir de tiges de xampinyó, els rendiments del procés d'extracció acústica (182-321 W/L) d’ergosterol, compostos fenòlics i el valor de la capacitat antioxidant van ser 123-200 %, 20-27 % i 17-25 % més elevats que amb agitació mecànica (130 rpm) en etanol 70 %; i 16-20 %, 27-46 % i 10-19 % en etanol 96 %. Les cinètiques d'extracció es van simular adequadament utilitzant el model de Weibull (MRE ≤ 7.8 %). Es va avaluar l'ús del residu de xampinyó obtingut després de l'extracció de compostos bioactius (concentrat de xampinyó ric en glucans (~10 g/100 g b.s) i proteïnes (~19 g/100g b.s)), i d'una farina de bràctees de carxofa (obtinguda mitjançant assecat, molt i tamisat) en un procés de microencapsulació lipídica mitjançant assecat per atomització. Es van addicionar aquests materials a emulsions d'oli en aigua, substituint un emulsionant comercial (Tween®20) i reemplaçant parcialment un material d’encapsulació comú (maltodextrina). Es va usar una emulsió control preparada amb Tween®20 i només maltodextrina com a material de paret. Les emulsions amb 5.0 i 7.5 % p/p de concentrat de xampinyó van presentar gotes d'oli de grandària similar al control (mitjana del diàmetre de gotes (d50) ~2.4 µm) i estabilitat superior al control (durant 48 h). Amb la incorporació de farina de carxofa (1.0-2.0 % p/p) es van obtenir emulsions amb gotes de grandària similar al control (d50 ~2.7 µm) i estabilitat superior al control (amb 2.0 % de farina de carxofa) durant 24 h. L'addició del concentrat de xampinyó (5.0 i 7.5 %) i la farina de carxofa (2.0 %) va millorar l'estabilitat de les emulsions a conseqüència de l'augment de viscositat, impediment estèric i probablement de l'efecte Pickering. Després de l'assecat per atomització (temperatura de sortida 96-102 °C) de les emulsions amb 5.0 % de concentrat de xampinyó i amb 2.0 % de farina de carxofa, es va observar una elevada eficiència d'encapsulació de l'oli (~89 i ~79 %, respectivament). L'oli encapsulat amb el concentrat de xampinyó i la farina de carxofa va presentar major estabilitat oxidativa que el control, durant l'assecat i l'emmagatzematge controlat (35 °C i 50 % d'humitat relativa) per 1 i 2 mesos, respectivament. En conclusió, l'extracció de compostos bioactius a partir de subproductes agroalimentaris es pot intensificar mitjançant l'aplicació d'energia acústica i els subproductes agroalimentaris poden utilitzar-se en processos de microencapsulació lipídica per atomització aprofitant la seva capacitat emulsionant i antioxidant.

[spa] La industria agroalimentaria genera gran cantidad de subproductos que representan un importante problema medioambiental. El objetivo de esta tesis fue proponer alternativas para su valorización por dos vías, mediante la extracción acústica de algunos de sus compuestos bioactivos y mediante su uso en procesos de microencapsulación de lípidos. Se llevaron a cabo experimentos de extracción acústica considerando la pulpa y piel de naranja como fuente de pectinas y los tallos de champiñones como fuente de ergosterol y compuestos fenólicos con actividad antioxidante. El proceso se llevó a cabo a baja temperatura (25 °C) y con ácido cítrico a dos pHs (1.5 y 2.0) en el caso de la extracción de pectinas y dos concentraciones de etanol en agua (70 y 96 % v/v) en las extracciones a partir de tallos de champiñón. Se tomó como referencia experimentos de extracción con agitación mecánica. Los rendimientos obtenidos en los procesos de extracción acústica de pectinas (542-794 W/L) fueron 105-147 % y 40-80 % más elevados que con agitación mecánica (82 rpm) en pH 1.5 y pH 2.0, respectivamente. Las cinéticas de extracción se simularon adecuadamente con un modelo cinético de segundo orden (error relativo medio (MRE) ≤ 7.4 %). En las extracciones a partir de tallos de champiñón, los rendimientos del proceso de extracción acústica (182-321 W/L) de ergosterol, compuestos fenólicos y el valor de la capacidad antioxidante fueron 123-200 %, 20-27 % y 17-25 % más elevados que con agitación mecánica (130 rpm) en etanol 70 %; y 16-20 %, 27-46 % y 10-19 % en etanol 96 %. Las cinéticas de extracción se simularon adecuadamente utilizando el modelo de Weibull (MRE ≤ 7.8 %). Se evaluó el uso del residuo de champiñón obtenido tras la extracción de compuestos bioactivos (concentrado de champiñón rico en glucanos (~10 g/100 g b.s) y proteínas (~19 g/100g b.s)), y de una harina de brácteas de alcachofa (obtenida mediante secado, molido y tamizado) en un proceso de microencapsulación lipídica mediante secado por atomización. Se adicionaron estos materiales a emulsiones de aceite en agua, sustituyendo un emulsionante comercial (Tween®20) y reemplazando parcialmente un material de pared común (maltodextrina). Como control se usó una emulsión con Tween®20 y sólo maltodextrina como material de pared. Las emulsiones con 5.0 y 7.5 % p/p de concentrado de champiñón presentaron gotas de aceite de tamaño similar al control (mediana del diámetro de gota (d50) ~2.4 µm) y estabilidad superior al control (durante 48 h). Con la incorporación de harina de alcachofa (1.0-2.0 % p/p) se obtuvieron emulsiones con gotas de tamaño similar al control (d50 ~2.7 µm) y estabilidad superior al control (con 2.0 % de harina de alcachofa) durante 24 h. La adición del concentrado de champiñón (5.0 y 7.5 %) y la harina de alcachofa (2.0 %) mejoró la estabilidad de las emulsiones como consecuencia del aumento de viscosidad, impedimento estérico y probablemente del efecto Pickering. Después del secado por atomización (temperatura de salida 96-102 °C) de las emulsiones con 5.0 % de concentrado de champiñón y con 2.0 % de harina de alcachofa, se observó una elevada eficiencia de encapsulación del aceite (~89 y ~79 %, respectivamente). El aceite encapsulado con el concentrado de champiñón y la harina de alcachofa presentó mayor estabilidad oxidativa que el control durante el secado y el almacenamiento controlado (35 °C y 50 % de humedad relativa) por 1 y 2 meses, respectivamente. En conclusión, la extracción de compuestos bioactivos a partir de subproductos agroalimentarios puede intensificarse mediante la aplicación de ultrasonidos y los subproductos agroalimentarios pueden utilizarse en procesos de microencapsulación lipídica por atomización aprovechando su capacidad emulsificante y antioxidante.