Recovery of polyphenols by extraction and purification technologies from orange and spinach processing residues

Abstract

The residues resulting from orange and spinach processing, composed mainly by peels and seeds; and leaves, respectively, contain relevant amounts of polyphenols, so they can be used as raw material for recovery natural antioxidants. The recovery of polyphenols from orange and spinach residues have been carried out using conventional and innovative technologies. In recent years, a special interest to use environmentally friendly solvents, e.g., water, has been given, which allow the polyphenols extraction from raw material of plant origin. Ethanol and water, are solvents compatible with food, nutraceutical and pharmaceutical applications, suitable for the extraction of polar compounds such as polyphenols. In this thesis, mechanical stirring extraction (MSE) is used as conventional technology; besides, ultrasound-assisted extraction (UAE), microwave-assisted extraction (MAE) and pressurized liquid extraction (PLE) are innovative approaches, for the polyphenol extraction from orange and spinach wastes. In the first instance, the orange and spinach wastes were treated with UAE, MAE and PLE, to evaluate the optimization of polyphenol extraction using ethanol as solvent. UAE was selected for the two matrices, due to its simplicity and low cost, among other reasons, which favoring its industrial scaling-up. The best conditions for UAE orange matrix were ethanol/water/HCl in ratio 60/39.9/0.1 (v/v/v) as the solvent at 25 ºC for an extraction time of 30 min, providing 0.4 mg gallic acid equivalent (GAE) per g fresh weight (fw); and for spinach matrix were ethanol/water/HCl in ratio 80/19.9/0.1 (v/v/v) as the solvent at 25 ºC for an extraction time of 30 min, providing 0.82 mg GAE/g fw. However, UAE was compared to MSE, using water as solvent for the lasts technology. The results obtained were that MSE would be more suitable extraction technique since it´s cheaper than UAE. The selected conditions for orange and spinach wastes extraction were 70 ºC, contact time of 15 min, solid/solvent ratio 1:100 and pH 4 without adjustment for orange waste; and 50 ºC, 5 min, 1:50 and pH 6without adjustment, for spinach residue. Under these conditions, the total phenolic content (TPC) was 1 mgGAE/g fw and 0.8 mg GAE/g fw for orange and spinach, respectively. High pressure liquid chromatography (HPLC) was used for characterization of polyphenols, which is preferred for the separation and quantification of polyphenols in agri-food samples. The HPLC technique was also used for the analyzed of the major polyphenols from orange (e.g., 4-hydroxybenzoic acid, hesperidin) and spinach (e.g., ferulic acid, rutin) wastes and for study of the optimal extraction conditions with the aforementioned extraction techniques. The antioxidant activity of the MSE extracts were evaluated using assays based on 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH), ferric reducing antioxidant power (FRAP) and 2,2`-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic) acid (ABTS). As a result, extracts rich in polyphenols were obtained, with antioxidant activity of 2.27 mg Trolox equivalent (TE)/g for orange and 0.04 mg TE/g for spinach. In addition, the orange and spinach extracts from MSE, were treated by membrane technology for their purification. It was concluded that the transmembrane flux depended on the feed flow rate for MF, UF, NF and RO. The pre-concentration and concentration efficiency were evaluated in terms of TPC and by polyphenols families (hydroxybenzoic acids (HB), hydroxycinnamic acids (HC) and flavonoids (F)), using HPLC analysis. For the orange and spinach matrices, MF could be used for extract clarification; NF could be use for pre-concentrate polyphenols; and RO membranes could be used for concentrate polyphenols. Finally, a review was made focused on the antiviral properties of some polyphenols and their mechanism of action against various types of viruses.

Los residuos resultantes del procesamiento de naranjas y espinacas, compuestos principalmente por piel y semillas; y hojas, respectivamente, contienen cantidades relevantes de polifenoles, por lo que pueden ser utilizados como materia prima para la recuperación de antioxidantes naturales. La recuperación de polifenoles a partir de residuos de naranja y espinaca se ha llevado a cabo utilizando tecnologías convencionales e innovadoras. El etanol y el agua, son disolventes compatibles con aplicaciones alimentarias, nutracéuticas y farmacéuticas, aptos para la extracción de compuestos polares como los polifenoles. En esta tesis se utiliza como tecnología convencional la extracción con agitación mecánica (MSE); además, la extracción asistida por ultrasonidos (UAE), la extracción asistida por microondas (MAE) y la extracción con líquidos presurizados (PLE) son enfoques innovadores para la extracción de polifenoles usando etanol como solvente. UAE fue seleccionada para las dos matrices, debido a su sencillez y bajo costo, entre otras razones que favorecen su escalamiento industrial. Las mejores condiciones para la matriz de naranja con UAE fueron etanol/agua/HCl en proporción 60/39,9/0,1 (v/v/v) como solvente a 25 ºC por un tiempo de extracción de 30 min, proporcionando 0,4 mg de ácido gálico equivalente (GAE) por gramo de peso fresco (fw); y para la matrix de espinaca fueron etanol/agua/HCl en proporción 80/19,9/0,1 (v/v/v) como solvente a 25 ºC por un tiempo de extracción de 30 min, proporcionando 0,82 mg GAE/G fw. Sin embargo, se comparó UAE con MSE, utilizando agua como solvente para la última tecnología. Los resultados obtenidos fueron que MSE sería la técnica de extracción más adecuada ya que es más económica que UAE. Las condiciones seleccionadas para la extracción de los residuos de naranja y espinaca fueron 70 ºC, tiempo de contacto de 15 min, relación sólido/solvente 1:100 y pH 4 sin ajuste para el residuo de naranja; y 50 ºC, 5 min, 1:50 y pH 6 sin ajuste, para el residuo de espinaca. Bajo estas condiciones, el contenido fenólico total (TPC) fue de 1 mg GAE/g fw y 0,8 mg GAE/g fw para naranja y espinaca, respectivamente. Para la caracterización de polifenoles se utilizó cromatografía líquida de alta presión (HPLC). La técnica de HPLC también se utilizó para el análisis de los principales polifenoles de los desechos de naranja (por ejemplo, ácido 4-hidroxibenzoico, hesperidina) y espinaca (por ejemplo, ácido ferúlico, rutina) y para el estudio de las condiciones óptimas de extracción con las técnicas de extracción antes mencionadas. La actividad antioxidante de los extractos de MSE se evaluó mediante ensayos basados en 2,2-difenil-1-picrilhidrazilo (DPPH), poder antioxidante reductor férrico (FRAP) y ácido 2,2`-azino-bis (3-etilbenzotiazolina-6sulfónico) (ABTS). Como resultado se obtuvieron extractos ricos en polifenoles, con actividad antioxidante de 2,27 mg Trolox equivalente (TE)/g para naranja y 0,4 mg TE/g para espinaca. Además, los extractos de naranja y espinaca de MSE, fueron tratados mediante tecnología de membranas para su purificación. Se concluyó que el flujo transmembrana dependía del caudal de alimentación para MF, UF, NF y OI. La recuperación y la eficiencia de la concentración se evaluaron en términos de TPC y por familias de polifenoles (ácidos hidroxibenzoicos, ácidos hidroxicinámicos y flavonoides), mediante análisis HPLC. Para las matrices de naranja y espinaca, se podría utilizar MF para la clarificación del extracto; NF podría usarse para preconcentrar polifenoles; y las membranas de OI podrían usarse para concentrar polifenoles. Finalmente, se realizó una revisión bibliográfica enfocada en las propiedades antivirales de algunos polifenoles y su mecanismo de acción frente a diferentes tipos de virus.