Green technologies for the extraction of bioactive compounds from added value agro-food by-products

Abstract

Fruit and vegetable industries generate substantial amounts of agro-industrial by-products that remain underutilized even though they may contain valuable bioactive compounds (BCs). This doctoral thesis investigated how different Green Extraction Technologies (GETs) can be integrated to support the recovery of BCs from value-added agri-food by-products, that derive from juice industry, with emphasis on pomegranate and citrus derived residues. GETs were systematically optimized by using statistical tools of Design of Experiments (DoE) and Response Surface Methodology (RSM), in accordance to maximizing process yield and the recovery of BCs from the by-products. Initially, pomegranate seed oil and the effects of different drying technologies on its quality were assessed. Then, the study focused on pomegranate seed waste (PSW), where indirect ultrasound-assisted extraction (US) was optimized through DoE and RSM and robust predictive models were generated. Moreover, Pulsed Electric Fields (PEF), direct ultrasound (US) and sequential PEF-US treatment were applied to assess any possible complementary effect on BCs recovery. Finally, the developed extraction approaches were applied to citrus residues, including lemon, mandarin, and orange pulp and seeds, to assess their transferability and matrix-dependent behavior. Overall, this thesis highlights the potential of pomegranate and citrus by-products as sources of valuable BCs and demonstrates that sustainable valorization requires not only green technologies, but also their rational optimization, combination, and adaptation to each matrix.

Οι βιομηχανίες του αγροδιατροφικού τομέα είναι υπεύθυνες για την παραγωγή υποπροϊόντων σε σημαντικά μεγάλες ποσότητες που, αν και συχνά διαθέτουν σημαντικές ποσότητες βιοδραστικών ουσιών, παραμένουν συνήθως αναξιοποίητα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερεύνησε πράσινες τεχνολογίες εκχύλισης για την ανάκτηση βιοδραστικών συστατικών από υποπροϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας, με προερχόμενα από βιομηχανίες χυμοποίησης με έμφαση σε υποπροϊόντα ροδιού και εσπεριδοειδών. Οι τεχνολογίες αυτές βελτιστοποιήθηκαν συστηματικά με την χρήση των στατιστικών εργαλείων Σχεδιασμού Πειραμάτων (DoE) και Μεθοδολογία Επιφανειακής Απόκρισης (RSM) με στόχο την παράλληλη μεγιστοποίηση της απόδοσης της τεχνολογίας και της ανάκτησης βιοδραστικού περιεχομένου των υποπροϊόντων. Αρχικά, οι σπόροι ροδιού αξιολογήθηκαν ως πηγή ελαίου ροδιού, ενώ μελετήθηκε η επίδραση διαφορετικών τεχνικών ξήρανσης στην ποιότητα του. Στη συνέχεια, η μελέτη επικεντρώθηκε στο βιομηχανικό υπόλειμμα σπόρων ροδιού, όπου η εκχύλιση με υποβοήθηση υπερήχων (έμμεσα) βελτιστοποιήθηκε μέσω DoE και RSM, αναδεικνύοντας τη σημασία των προβλεπτικών μοντέλων για τη βελτίωση της ανάκτησης βιοδραστικών συστατικών και τη μείωση περιττών πειραματικών δοκιμών. Επιπλέον, βελτιστοποιήθηκαν τεχνολογίες εκχύλισης των παλμικών ηλεκτρικών πεδίων, άμεσους υπερήχους και διαδοχική εφαρμογή αυτών, η οποία ενίσχυσε την ανάκτηση βιοδραστικών συστατικών από το υπόλειμμα ροδιού. Τέλος, οι τεχνολογίες εφαρμόστηκαν σε υπολείμματα λεμονιού, μανταρινιού και πορτοκαλιού, αξιολογώντας τη μεταφερσιμότητα και την εξάρτηση της εκχύλισης από τη μήτρα. Συνολικά, η διατριβή αναδεικνύει τη δυνατότητα αξιοποίησης υποπροϊόντων ροδιού και εσπεριδοειδών ως πηγών βιοδραστικών συστατικών.