APROVECHAMIENTO DE SUBPRODUCTOS DE CULTIVOS DE HIGO CHUMBO (Opuntia ficus-indica L.) Y AGUACATE (Persea americana)

Abstract

[ES] La industria agro-alimentaria se encuentra en constante evolución, adaptándose a las demandas de los consumidores. Un claro ejemplo es el de la industria frutícola, que ha partido de los productos mínimamente procesados, hacia procesos mucho más complejos como las destilaciones, requiriendo mayores cantidades de materias primas. Estos procesos conllevan a la generación de millones de toneladas de residuos frutícolas al año, produciendo en muchos de los casos grandes problemas con impactos medioambientales. No obstante, la riqueza organoléptica y de compuestos nutraceúticos en estos residuos hacen posible su revalorización, haciendo de manera sostenible un cambio sustancial en el impacto negativo medioambiental y generando nuevos productos con repercusiones económicas.

En este contexto, la presente tesis doctoral explora las características nutricionales, sensoriales y nutraceúticas de dos especies frutícolas (Persea americana y Opuntia spp.) y sus subproductos, con la finalidad de generar una caracterización integral y un aprovechamiento de los residuos generados por los cultivos de ambos frutos en las industrias alimentarias (pieles y semillas), así como de especies de Opuntia no utilizadas comercialmente. Esta exploración ha sido posible usando diferentes técnicas analítica, bioquímicas y microbiológicas para llevar a cabo la detección de las posibles alternativas de uso.

Como resultado a las potenciales propiedades de los frutos de aguacates y de los higos chumbos, se decidió realizar una caracterización nutricional de los principales macronutrientes, y debido a la poca información encontrada en Opuntia spp., se realizó la caracterización lipídica, de los azúcares y ácidos orgánicos de los frutos. Posteriormente se evaluaron las propiedades nutraceúticas, por un lado se evaluaron espectrofotométricamente los compuestos bioactivos de ambos subproductos frutícolas mediante distintas técnicas como Folin-Ciocalteu para la determinación de polifenoles totales, Al3Cl3 para determinación de flavonoides totales, y poder reductor, ABTS, DPPH, TBARS y ß-caroteno para la determinación de capacidad antioxidante hidrofílica e lipofílica de los extractos, además, en Opuntia spp. se analizó el contenido de los colorantes betaxantinas y betacianinas.

Por otro lado, mediante el uso de técnicas cromatográficas HPLC-DAD-ESI-MS/MS, se caracterizaron los perfiles polifenólicos (ácidos fenólicos y flavonoides) de ambos subproductos frutícolas, más los perfiles betalainicos de las muestras de higos chumbos. Por último, mediante técnicas microbiológicas y ensayos citotoxicológicos, se comprobó el poder antimicrobiano, antitumoral y hepatotóxico, con ayuda de 16 cepas bacterianas, y fúngicas, 4 líneas celulares tumorales y 1 línea celular sana obtenida a partir de hígado de cerdo, denominada PLP2.

Finalmente, se ha realizado un ensayo de optimización multivariable de extracción de los compuestos bioactivos de Opuntia spp. mediante extracciones asistidas por microondas y ultrasonidos, haciendo uso de un diseño experimental estadístico empleando las herramientas de metodología de respuesta de superficie acopladas a un diseño central compuesto 2^4 con 7 puntos centrales, para la obtención de modelizaciones graficas de los parámetros de respuesta, que ayudan a identificar las condiciones óptimas de los factores de extracción empleados.

En definitiva, estos análisis suponen la obtención de información relevante sobre la extracción de compuestos bioactivos con aplicaciones nutraceúticas y colorantes, que pueden ser añadidos a una amplia gama de productos de las industrias farmacéuticas, cosméticas y alimentarias, para reforzar o mejorar las características y funcionalidades de estos.

[CA] La indústria agroalimentària es troba en constant evolució, adaptant-se a les demandes dels consumidors. Un clar exemple és el de la indústria fructícola, que ha partit dels productes mínimament processats, cap a processos molt més complexos com les destil¿lacions, requerint majors quantitats de matèries primeres. Aquests processos comporten la generació de milions de tones de residus fructícoles a l'any, produint en molts dels casos grans problemes amb impacte mediambientals. No obstant això, la riquesa nutracèutica i organolèptica d'aquests residus fan possible la seua revaloració, fent de manera sostenible un canvi substancial en l'impacte negatiu mediambiental i generant nous productes amb repercussions econòmiques.

En aquest context, la present tesi doctoral explora les característiques nutricionals, sensorials i nutracèutiques de dues espècies fructícoles (Persea americana i Opuntia spp.) i els seus subproductes, amb la finalitat generar una caracterització integral i un aprofitament dels residus generats pels cultius de tots dos fruits en les indústries alimentàries (pells i llavors), així com de les espècies d'Opuntia no utilitzades comercialment. Aquesta exploració ha estat possible usant diferents tècniques analítiques, bioquímiques i microbiològiques per a dur a terme la detecció de les possibles alternatives d'ús.

A causa de les potencials propietats dels fruits d'alvocats i de les figues paleres, es va decidir realitzar una caracterització nutricional dels principals macronutrients, i a causa de la poca informació trobada en Opuntia spp., es va realitzar la caracterització lipídica, dels sucres i àcids orgànics dels fruits. Posteriorment es van avaluar les propietats nutracèutiques, d'una banda es van avaluar espectrofotomètricament els compostos bioactius de tots dos fruits mitjançant diferents tècniques com Folin-Ciocalteu per a la determinació de polifenols totals, Al3Cl3 per a la determinació de flavonoides totals, i poder reductor, ABTS, DPPH, TBARS i ß-caroteno per a la determinació de capacitat antioxidant hidrofílica i lipofílica dels extractes. A més, en Opuntia spp. es va analitzar el contingut dels colorants betaxantines i betacianines. D'altra banda, mitjançant l'ús de tècniques cromatogràfiques HPLC-DAD-ESI-MS / MS, es van caracteritzar els perfils polifenòlics (àcids fenòlics i flavonoides) de tots dos fruits, més els perfils betalainics de les mostres de figues de moro. Finalment, mitjançant tècniques microbiològiques i assajos citotoxicològics, es va comprovar el poder antimicrobià, antitumoral i hepatotòxic, amb ajuda de 8 ceps bacterians, 8 ceps fúngics, 4 línies cel·lulars tumorals i 1 línia cel·lular sana obtinguda a partir de fetge de porc, anomenada PLP2 .

Finalment, s'ha realitzat un assaig d'optimització multivariable d'extracció dels compostos bioactius d'Opuntia spp. mitjançant extraccions assistides per microones i ultrasons, fent ús d'un disseny experimental estadístic emprant les eines de metodologia de resposta de superfície acoplades a un disseny central compost 2 ^ 4 amb 7 punts centrals, per a l'obtenció de modelitzacions gràfiques dels paràmetres de resposta, que ajuden a identificar les condicions òptimes dels factors d'extracció empleats.

En definitiva, aquestes anàlisis suposen l'obtenció d'informació rellevant sobre l'obtenció de compostos bioactius amb aplicacions nutracèutiques i colorants, que poden ser afegits a una àmplia gamma de productes de les indústries farmacèutiques, cosmètiques i alimentàries, per reforçar o millorar les característiques i funcionalitats d'aquests.

[EN] Agro-alimentary industries are constantly evolving and adapting to their customer needs, for instance, in the fruit industry, the transition between minimum processed products to more complex process such as distillation has been occurring and increasing, thus, demanding higher volumes of raw materials. All this process and operations lead to millions of tons of fruit by-products generated every year, creating deep environmental issues with high impact most of the times. Nevertheless, revalorization of the by-products it possible due to the nutraceutical and organoleptic characteristics, which brings potential benefits in both, environmental protection and positive economic repercussion in a sustainable manner.

According to the previously mentioned background, this doctoral thesis focus on the nutrimental, organoleptic and nutraceutical characteristics of two different fruits (Persea americana and Opuntia spp.) and their by-products, aiming to develop an integral characterization and revalorization of the by-product produced in the food industries (seeds and peels) from both cultivars. Likewise, the exploitation of non-commercial Opuntia species. The whole exploration was possible due to the use of analytic, biochemical and microbiological techniques, which allowed us to elucidate possible alternatives of usage.

As a result of avocado and prickly pears potential functional properties, a nutritional characterization from the principal macronutrients was performed, additionally, due to the lack of information on Opuntia spp., lipid, sugar and organic acids profiling were also analysed on the edible fruits. Afterwards, nutraceutical properties were assessed, on one hand, bioactive compounds from both fruits by-products were spectrophotometric analysed through different procedures such as, total phenolic profile by Folin-Ciocalteu, total flavonoid content through Al3Cl3 methodology and hydrophilic and lipophilic antioxidant capacity of the extracts via reducing power, ABTS, DPPH, TBARS and ß-carotene bleaching assays, besides, betaxhantins and betacyanins pigments quantification from Opuntia spp. was also performed.

In the other hand, polyphenolic (phenolic acids and flavonoids) profiling in both fruit by-products was performed throughout chromatographic techniques such as HPLC-DAD-ESI-MS/MS, in the same manner, betalainic profile was also analysed on prickly pears. Lastly, applying microbiological techniques and cytotoxic assays, hepatotoxicity, antimicrobial and antitumor activity was tested using a freshly porcine liver extracted cell line (namely PLP2), 16 bacterial and fungus strains and 4 carcinogenic cell lines respectively.

Finally, multivariable ultrasound and microwave-assisted extractions of Opuntia spp. bioactive compounds were optimized, performing an experimental design using statistical tools such as response surface methodology (RSM) coupled to 2^4 central composite design (CCD) with 7 star points, in order to obtain graph modelling of the response parameters, which help to identify the optimal conditions of the extraction factors used.

Summarizing, relevant information on the extraction of bioactive compounds with nutraceutical and colouring applications was achieved through specific analysis, thus, the previously mention phytochemical molecules can then be added to a wide range of products within the pharmaceutical, cosmetic and food industries, to strengthen or improve the characteristics and functionalities of the final products.