Valorization of agri-food industry by-products through polyphenols applications in fruit processing

Abstract

Among the numerous developments that have taken place in the agri-food sector in recent decades, sustainability and the related concept of circular economy have turned into an area of utmost importance. Although avoiding, or at least minimising, food loss and waste along the supply chain is highly desirable, the processing of raw materials is inevitably linked to the occurrence of side streams, sometimes also referred to as by-products (Schieber, 2017). On one hand, the plant by-products constitute a serious environmental issue because they often emerge seasonally and are prone to microbial decay. On the other hand, they are an abundant source of valuable compounds, including polyphenols, that could be recovered and used as biologically active substances or as natural food ingredients. Enzyme-assisted extraction of polyphenols is considered as a green technology, offering several advantages in comparison to the conventional methods (Gligor et al., 2019).Strawberry is one of the most economically significant berry species with global production (FAOSTAT, 2021) of around 9 million tonnes in 2019. The attractive bright red colour is the major quality attribute strongly affecting consumer acceptance both of fresh and processed strawberries. Unfortunately, accelerated pigment degradation occurs during conventional processing and storage due to the low total content of strawberry anthocyanins (Clifford, 2000) and their inherent heat and light sensitivity (Hayashi et al., 1996). Therefore, retention of strawberry colour has always been a technological challenge. For this reason, synthetic colorants such as ponceau 4R (E 124) have commonly been used for improving the visual appearance of strawberry products. However, synthetic additives are increasingly rejected by consumers, giving preference to ingredients of natural origin (Schieber, 2017). Therefore, substitution of synthetic food colorants by their natural counterparts and/or development of methods to stabilise natural pigments are of utmost importance to meet consumer demands.Co-pigmentation is a colour-stabilising mechanism in which an anthocyanin and another, usually colourless, molecule (co-pigment) form 7 complexes predominately by π-π stacking interactions (Brouillard et al., 2010). Mostly with polyphenols acting as co-pigments, this biological principle is assumed to be responsible for the colour variations that occur within epidermal flower tissues in a pH range where isolated anthocyanins are virtually colourless (Asen et al., 1972). While the significance of co-pigmentation for the colour evolution during red wine aging has been thoroughly investigated (Boulton, 2001), it has not been frequently considered with respect to the anthocyanin stability in fruit processing. In this thesis, new processes for green extraction of polyphenols from agri-food industry by-products (rose petals, rice husk and saffron tepals) were developed on a pilot-plant scale. The polyphenolic composition of the by-product extracts was characterised using LC-MS analyses. Finally, the colour-stabilising effect of the by-product polyphenols, acting as co-pigments, was demonstrated both in model solutions and real food matrices of strawberry anthocyanins.

Μεταξύ των πολυάριθμων εξελίξεων που έχουν σημειωθεί στον αγροδιατροφικό τομέα τις τελευταίες δεκαετίες, η βιωσιμότητα και η συναφής έννοια της κυκλικής οικονομίας έχουν μετατραπεί σε τομέα υψίστης σημασίας. Αν και η αποφυγή ή τουλάχιστον η ελαχιστοποίηση της απώλειας και της σπατάλης τροφίμων κατά μήκος της εφοδιαστικής αλυσίδας είναι ιδιαίτερα επιθυμητή, η επεξεργασία των πρώτων υλών συνδέεται αναπόφευκτα με την εμφάνιση πλευρικών ρευμάτων, που μερικές φορές αναφέρονται και ως υποπροϊόντα (Schieber, 2017). Από τη μια πλευρά, τα φυτικά υποπροϊόντα αποτελούν σοβαρό περιβαλλοντικό ζήτημα γιατί συχνά εμφανίζονται εποχιακά και είναι επιρρεπή σε μικροβιακή αποσύνθεση. Από την άλλη πλευρά, αποτελούν άφθονη πηγή πολύτιμων ενώσεων, συμπεριλαμβανομένων των πολυφαινολών, που θα μπορούσαν να ανακτηθούν και να χρησιμοποιηθούν ως βιολογικά δραστικές ουσίες ή ως φυσικά συστατικά τροφίμων. Η υποβοηθούμενη από ένζυμα εκχύλιση πολυφαινολών θεωρείται ως μια πράσινη τεχνολογία, προσφέροντας αρκετά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους (Gligor et al., 2019).Η φράουλα είναι ένα από τα πιο σημαντικά οικονομικά είδη μούρων με παγκόσμια παραγωγή (FAOSTAT, 2021) περίπου 9 εκατομμύρια τόνους το 2019. Το ελκυστικό έντονο κόκκινο χρώμα είναι το κύριο χαρακτηριστικό ποιότητας που επηρεάζει έντονα την αποδοχή των καταναλωτών τόσο των νωπών όσο και των επεξεργασμένων φραουλών. Δυστυχώς, η επιταχυνόμενη αποικοδόμηση της χρωστικής λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια της συμβατικής επεξεργασίας και αποθήκευσης λόγω της χαμηλής συνολικής περιεκτικότητας σε ανθοκυανίνες φράουλας (Clifford, 2000) και της εγγενούς ευαισθησίας τους στη θερμότητα και στο φως (Hayashi et al., 1996). Επομένως, η διατήρηση του χρώματος της φράουλας ήταν πάντα μια τεχνολογική πρόκληση. Για το λόγο αυτό, συνθετικές χρωστικές όπως το ponceau 4R (E 124) έχουν χρησιμοποιηθεί συνήθως για τη βελτίωση της οπτικής εμφάνισης των προϊόντων φράουλας. Ωστόσο, τα συνθετικά πρόσθετα απορρίπτονται όλο και περισσότερο από τους καταναλωτές, δίνοντας προτίμηση σε συστατικά φυσικής προέλευσης (Schieber, 2017). Ως εκ τούτου, η αντικατάσταση των συνθετικών χρωστικών τροφίμων από τις φυσικές αντίστοιχές τους ή/και η ανάπτυξη μεθόδων σταθεροποίησης των φυσικών χρωστικών είναι υψίστης σημασίας για την κάλυψη των απαιτήσεων των καταναλωτών. Η συν-χρωστική είναι ένας μηχανισμός σταθεροποίησης του χρώματος στον οποίο μια ανθοκυανίνη και ένα άλλο, συνήθως άχρωμο, μόριο (συν-χρωστική ουσία) σχηματίζουν 7 σύμπλοκα κυρίως με αλληλεπιδράσεις στοίβαξης π-π (Brouillard et al., 2010). Κυρίως με τις πολυφαινόλες που δρουν ως συν-χρωστικές, αυτή η βιολογική αρχή θεωρείται ότι είναι υπεύθυνη για τις χρωματικές παραλλαγές που εμφανίζονται στους ιστούς των επιδερμικών ανθέων σε ένα εύρος pH όπου οι απομονωμένες ανθοκυανίνες είναι ουσιαστικά άχρωμες (Asen et al., 1972). Ενώ η σημασία της συν-χρωματισμού για την εξέλιξη του χρώματος κατά τη διάρκεια της παλαίωσης του κόκκινου κρασιού έχει διερευνηθεί διεξοδικά (Boulton, 2001), δεν έχει ληφθεί συχνά υπόψη σε σχέση με τη σταθερότητα της ανθοκυανίνης στην επεξεργασία φρούτων. Σε αυτή τη διατριβή, αναπτύχθηκαν νέες διεργασίες για την πράσινη εκχύλιση πολυφαινολών από υποπροϊόντα της αγροδιατροφικής βιομηχανίας (ροδοπέταλα, φλοιός ρυζιού και τεπάλες σαφράν) σε πιλοτική φυτική κλίμακα. Η πολυφαινολική σύνθεση των εκχυλισμάτων παραπροϊόντων χαρακτηρίστηκε χρησιμοποιώντας αναλύσεις LC-MS. Τέλος, η σταθεροποιητική επίδραση του χρώματος των παραπροϊόντων πολυφαινολών, που δρουν ως συν-χρωστικές, αποδείχθηκε τόσο σε διαλύματα μοντέλων όσο και σε πραγματικές μήτρες τροφίμων ανθοκυανινών φράουλας.