Valorization of natural bioactive compounds from wine lees for the development of high value-added products

Abstract

In recent years, it is estimated that more than 190 million tons of agro-industrial by-products are produced globally each year. However, when these by-products are disposed of without further treatment, they are harmful and toxic to the environment and the living organisms. Although these residues can often harm the environment, they are also rich in bioactive compounds. Among the agro-industrial by-products, winemaking by-products, and especially wine lees, are produced on a large scale. Wine lees are the residues that precipitate in wine barrels, consisting mainly of dead yeast cells, organic acids, cellulosic compounds, lignin, proteins, phenolic compounds, and minerals. It is estimated that more than 1.2 million tons of wine lees are produced globally every year. However, they are potentially harmful to the environment due to their high chemical oxygen demand levels. On the other hand, they are rich in bioactive compounds, especially phenolic compounds. Phenolic compounds are well known for their numerous biological activities and health benefits, making the valorization of wine lees a particularly desirable option for the development of high-value-added products and applications. This thesis proposes the valorization of wine lees to produce bioactive extracts with diverse applications, especially in the food and packaging industries. More specifically, the extraction of wine lees using ultrasound-assisted extraction was optimized, and the phenolic profile of the extract was revealed. Moreover, an extensive characterization of the bioactivity of the extract was conducted, including its antioxidant and antimicrobial properties, as well as its inhibitory effect on enzymes of significant biotechnological interest. In addition, the extract was incorporated into chitosan films and encapsulated in alginate beads, aiming at the development of potential food packaging films and functional food ingredients. Furthermore, the extraction of wine lees’ anthocyanins using natural deep eutectic solvents (NADES), as environmentally friendly solvents, was also described. The anthocyanin-rich extract obtained with NADES was used as a functional ingredient for the development of smart pH-responsive chitosan films. The effect of the extract on the mechanical properties of the films and the pH-dependent color-changing response of the films was evaluated. Moreover, the ability of the fortified films to monitor the meat freshness was described. Wine lees were also used as a starting material for the enzyme-catalyzed production of phenolic polymeric products. The enzymatic treatment of the phenolic-rich extract was conducted using a laccase from Trametes versicolor. The polymerization process and the characteristics of the polymeric products were monitored by different spectroscopical and analytical techniques. The thermal stability of the phenolic polymers and their antioxidant activity were also evaluated. Finally, the polymeric products were incorporated into chitosan films to examine their potential use as alternative additives in food packaging applications. Based on the points discussed above, this thesis proposes the valorization of wine lees as a source of phenolic compounds for the development of high-value-added products, promoting the principles of zero-waste, sustainability and circular bioeconomy.

Τα τελευταία χρόνια, εκτιμάται ότι παράγονται ετησίως περισσότεροι από 190 εκατομμύρια τόνοι αγροτοβιομηχανικών παραπροϊόντων σε παγκόσμια κλίμακα. Ωστόσο, όταν αυτά τα παραπροϊόντα εναποτίθενται χωρίς περαιτέρω επεξεργασία, είναι επιβλαβή και τοξικά για το περιβάλλον και τους ζωντανούς οργανισμούς. Αν και αυτά τα υπολείμματα μπορούν συχνά να είναι επιβλαβή για το περιβάλλον, είναι επίσης πλούσια σε βιοδραστικές ενώσεις. Μεταξύ των αγροτοβιομηχανικών παραπροϊόντων, τα παραπροϊόντα τα οποία προκύπτουν κατά τη διαδικασία της οινοποίησης, και ιδιαίτερα οι οινολάσπες, παράγονται σε πολύ μεγάλη κλίμακα. Οι οινολάσπες είναι τα υπολείμματα που καθιζάνουν σε βαρέλια κρασιού και αποτελούνται κυρίως από νεκρά κύτταρα ζύμης, οργανικά οξέα, κυτταρινούχες ενώσεις, λιγνίνη, πρωτεΐνες, φαινολικές ενώσεις και μέταλλα. Υπολογίζεται ότι περισσότεροι από 1.2 εκατομμύρια τόνοι οινολασπών παράγονται παγκοσμίως κάθε χρόνο. Ωστόσο, είναι δυνητικά επιβλαβείς για το περιβάλλον λόγω των υψηλών επιπέδων χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (Chemical Oxygen Demand, COD). Από την άλλη πλευρά, οι οινολάσπες είναι πλούσιες σε βιοδραστικές ενώσεις, ιδιαιτέρως σε φαινολικές ενώσεις. Οι φαινολικές ενώσεις είναι γνωστές για τις πολυάριθμες βιολογικές τους δράσεις και τα οφέλη τους για την υγεία, καθιστώντας την αξιοποίηση των οινολασπών μια ιδιαίτερα επιθυμητή επιλογή για την ανάπτυξη προϊόντων και εφαρμογών υψηλής προστιθέμενης αξίας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μία πρόταση για την αξιοποίηση των οινολασπών προς την παραγωγή βιοδραστικών εκχυλισμάτων με διάφορες εφαρμογές, ειδικά στις βιομηχανίες των τροφίμων και της συσκευασίας τροφίμων. Πιο συγκεκριμένα, αρχικά βελτιστοποιήθηκε η εκχύλιση της οινολάσπης μέσω υποβοηθούμενης από υπερήχους εκχύλισης και προσδιορίστηκε το φαινολικό προφίλ του εκχυλίσματος. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε εκτενής χαρακτηρισμός της βιοδραστικότητας του εκχυλίσματος, συμπεριλαμβανομένων των αντιοξειδωτικών και αντιμικροβιακών ιδιοτήτων του, καθώς και των ανασταλτικών του επιδράσεων σε ένζυμα με σημαντικό βιοτεχνολογικού ενδιαφέρον. Επιπλέον, το εκχύλισμα ενσωματώθηκε σε μεμβράνες χιτοζάνης και ενθυλακώθηκε σε σφαιρίδια αλγινικού νατρίου, με στόχο την ανάπτυξη πιθανών μεμβρανών συσκευασίας τροφίμων και λειτουργικών συστατικών τροφίμων. Επιπλέον, περιεγράφηκε η εκχύλιση ανθοκυανινών από την οινολάσπη, χρησιμοποιώντας φυσικούς βαθείς ευτηκτικούς διαλύτες (NADES), ως νεωτερικούς διαλύτες. Το πλούσιο σε ανθοκυανίνες εκχύλισμα που ελήφθη με τη χρήση των NADES χρησιμοποιήθηκε ως λειτουργικό συστατικό για την ανάπτυξη έξυπνων μεμβρανών χιτοζάνης που ανταποκρίνονται στις αλλαγές του pH. Αξιολογήθηκε η επίδραση του εκχυλίσματος στις μηχανικές ιδιότητες των μεμβρανών χιτοζάνης και η εξαρτώμενη από το pH απόκριση της αλλαγής χρώματος των μεμβρανών. Επιπλέον, περιεγράφηκε η ικανότητα των εμπλουτισμένων μεμβρανών να ανιχνεύουν τη φρεσκάδα του κρέατος. Οι οινολάσπες χρησιμοποιήθηκαν επίσης ως αρχική ύλη για την παραγωγή φαινολικών πολυμερικών προϊόντων μέσω ενζυμικής κατάλυσης. Η ενζυμική επεξεργασία του πλούσιου σε φαινολικές ενώσεις εκχυλίσματος, πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τη λακάση από τον μύκητα Trametes versicolor. Η διαδικασία πολυμερισμού και τα χαρακτηριστικά των πολυμερικών προϊόντων αξιολογήθηκαν μέσω διαφορετικών φασματοσκοπικών και αναλυτικών τεχνικών. Αξιολογήθηκε επίσης η θερμική σταθερότητα των φαινολικών πολυμερών και η αντιοξειδωτική τους δράση. Τέλος, τα πολυμερικά προϊόντα ενσωματώθηκαν σε μεμβράνες χιτοζάνης ώστε να προσδιοριστεί η πιθανή χρήση τους ως εναλλακτικά πρόσθετα σε συσκευασίες τροφίμων. Με βάση τα σημεία που συζητήθηκαν παραπάνω, η παρούσα διατριβή προτείνει την αξιοποίηση των οινολασπών, ως πηγής φαινολικών ενώσεων για την ανάπτυξη προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, προωθώντας τις αρχές των μηδενικών αποβλήτων, της βιωσιμότητας και της κυκλικής βιο-οικονομίας.