Valorization of Citrus spp. Cultivars cultivated in Sicily for the industrial use of citrus derivatives and in particular for potential alternative uses of essential oils for the enhancement of the island's citrus production

Abstract

[ES] En esta tesis doctoral se discuten una serie de cuestiones científicas relacionadas con a la producción y el procesamiento de algunas especies de cítricos de especial relevancia en Sicilia y en el área mediterránea. Los objetivos se centran en estudiar la trazabilidad y sostenibilidad de la producción de algunas especies de cítricos, así como encontrar nuevas aplicaciones a los subproductos y productos de desecho de la industria, con el fin de mejorar su rentabilidad. Por lo tanto, los temas que se desarrollarán serán los siguientes: caracterización de los compuestos bioactivos presentes en aceites esenciales y en el hidrolato de diferentes especies de cítricos; seguimiento del efecto del estrés hídrico controlado sobre la producción de aceites esenciales en hojas y flores del cv. Sanguinelli de Citrus sinensis y del cv. Clemenules de Citrus reticulata; estudio de los efectos fitotóxicos de los aceites esenciales en cuatro especies arvenses importantes en el área mediterránea, dos monocotiledóneas (Echinochloa crus-galli (L.) P.Beauv. y Avena fatua L.) y dos dicotiledóneas (Amaranthus retroflexus L. y Portulaca oleracea L.) mediante experimentos in vitro e in vivo; estudio del efecto bioestimulantes de las aguas residuales de la industria procesadora de cítricos sobre la comunidad microbiana del suelo; cuantificación de elementos de tierras raras en frutos de limón cultivados en diferentes áreas geográficas, para su posible uso como trazador geoquímico. Los principales resultados obtenidos son la caracterización de diferentes aceites esenciales, de los cuales los producidos por los residuos de la poda podrían ser utilizados como método de extracción de nuevos aceites esenciales con alto rendimiento. También se han encontrado sustancias nutracéuticas y farmacológicas en los hidrolatos industriales de naranja. Por otra parte, el aceite esencial industrial de limón mostró un buen potencial como agente herbicida, siendo, por tanto, de gran interés en la fabricación de herbicidas de origen natural, biodegradables y ecológicos. La aplicación del estrés hídrico controlado después del reposo invernal y, por tanto, en el momento de la brotación incrementó el diámetro final del fruto. La respuesta en el árbol no fue inmediata. La aplicación de hidrolatos de limón, naranja y mandarina al suelo junto al agua de riego, potenció los depósitos de C contribuyendo a aumentar la biomasa y mejoró la actividad microbiana. Estos resultados ponen de manifiesto el papel que los hidrolatos pueden desempeñar en la agricultura sostenible mejorando la fertilidad del suelo. Finalmente, el modelo de elementos de tierras raras podría utilizarse como una herramienta de conexión entre la producción de limón y el suelo del que proviene, contribuyendo, de esta manera, a su caracterización geográfica. En resumen, los resultados obtenidos en esta tesis contribuyen a impulsar el sector cítrico siciliano ya que: proporcionan medios para una agricultura sostenible; aumentan el valor de los subproductos y residuos de la industria; proponen aplicaciones para que el ciclo de producción y transformación sea más rentable y revalorizan los limones sicilianos vinculándolos a su zona de producción.

[CA] En esta tesi doctoral es discutixen una sèrie de qüestions científiques relacionades amb la producció i el processament d'algunes espècies de cítrics d'especial rellevància a Sicília i a l'àrea mediterrània. Els objectius, acordats prèviament amb la indústria de cítrics "EuroFood" i finançats pel projecte d'investigació "PON Industrial Ph.D. - a.a. 2016/2017", es centren en estudiar la traçabilitat i sostenibilitat de la producció d'algunes espècies de cítrics, així com de trobar noves aplicacions als subproductes i productes de rebuig de la indústria, amb el fi de millorar la seua rentabilitat. Per tant, els temes que es desenvoluparan seran els següents: caracterització dels compostos bioactius presents en els olis essencials i en el l'hidrolato de diferents espècies de cítrics; seguiment de l'efecte de l'estrés hídric controlat en la producció d'olis essencials en fulles i flors del cv. Sanguinelli de Citrus sinensis i del cv. Clemenules de Citrus reticulata; estudi dels efectes fitotòxicos dels olis essencials de cítrics en quatre espècies arvenses importants en l'àrea mediterrània, dos monocotiledònies (Echinochloa crus-galli (L.) P.Beauv. i Avena fàtua L.) i dos dicotiledònies (Amaranthus retroflexus L. i Portulaca oleracea L.) per mitjà de diferents experiments in vitro i in vivo; estudi de l'efecte bioestimulant de les aigües residuals de la indústria processadora de cítrics sobre la comunitat microbiana del sòl; quantificació d'elements de terres rares en fruits de llima cultivats en diferents àrees geogràfiques, per al seu possible ús com a traçador geoquímic. Els principals resultats obtinguts són la caracterització de diferents olis essencials, dels quals els produïts pels residus de la poda podrien ser utilitzats com a mètode d'extracció de nous olis essencials amb alt rendiment. També s'han trobat substàncies nutracéutiques i farmacològiques en els hidrolats industrials de taronja. D'altra banda, l'oli essencial industrial de llima va mostrar un bon potencial com a agent herbicida, sent, per tant, de gran interés en la fabricació d'herbicides d'origen natural, biodegradables i ecològics. L'aplicació de l'estrés hídric controlat després del repòs hivernal i, per tant, en el moment de la brotació va incrementar el diàmetre final del fruit. La resposta en l'arbre no va ser immediata. L'aplicació de hidrolats de llima, taronja i mandarina al sòl amb l'aigua de reg, va augmentar els depòsits de carbó (C) contribuint a augmentar la biomassa i va millorar l'activitat microbiana. Aquests resultats posen de manifest el paper dels hidrolats en l'agricultura sostenible millorant, d'aquesta manera, la fertilitat del sòl. Finalment, el model d'elements de terres rares podria utilitzar-se com una ferramenta d'enllaç entre la producció de llima i el sòl del què prové, contribuint, d'esta manera, a la seua caracterització geogràfica. En resum, els resultats obtinguts en esta tesi doctoral contribueixen a impulsar el sector cítric sicilià ja que: - proporcionen mitjans per a una agricultura sostenible; - augmenten el valor dels subproductes i residus de la indústria; - proposen aplicacions perquè el cicle de producció i transformació siga de més rendabilitat; - revaloritzen les llimes d'origen sicilià vinculant-les a la seua zona de producció.

[EN] In this doctoral thesis are discussed a series of scientific issues regarding citrus fruits production and processing, species of particular relevance in Sicily and in the Mediterranean area. Objectives and research activities addressed in this thesis were agreed with the citrus industry "EuroFood" and financed by the research project "PON industrial Ph.D. - a.a. 2016/2017". The research project was targeted to study the traceability and sustainability of citrus production, and to find new applications to the by-products and waste products of citrus industry with the objective of appreciate and enhance the Sicilian citrus industry. The following topics are addressed and developed in this thesis: - Characterization of the bioactive compounds present in essential oils (EOs) and in the hydrolate of different citrus species. - Monitoring of the effect of controlled water stress on the production of EOs in leaves and flowers of Citrus sinensis (L.) Osbeck cv. 'Sanguinelli' and Citrus reticulata Blanco cv. 'Clemenules'; -Test the phytotoxic effects of citrus EOs on four important weed species in the Mediterranean area, two monocotyledon (Echinochloa crus-galli (L.) P.Beauv. and Avena fatua L.) and two dicotyledon (Amaranthus retroflexus L., and Portulaca oleraceaL.) by different experiments in vitro and in greenhouse conditions; -Evaluation of the effect as natural biostimulants of wastewaters from citrus processing industry by its application on soil microbial community; -Quantification of rare earth elements in lemon fruits from different geographical areas for its possible use as geochemical tracers applied to lemon production. Different Citrus EOs have been characterized in this study and it has been verified that the oils produced by the pruning waste could be used for the extraction of EOs with high yields. In addition, nutraceutical and pharmacological substances have been found in the orange industrial hydrolates. Industrial lemon EO showed good potential when testing its herbicidal activity. Lemon EO represents a good basis for the development of herbicides of natural origin, biodegradable and eco-friendly. Thanks to the application of water stress after the winter vegetative restart, a conclusion found was that water stress increased the diameter of the fruit and it was observed that the effects of stress were not immediate on citrus trees, but were evident after some time. The study of the application of lemon, orange and mandarin hydrolates in the soil, as irrigation water provided the effects on stable and labile soil C pools, on biomass and microbial activity and on main microbial groups. Overall, hydrolates can play a role in sustainable agriculture because when added to a soil, they improve soil quality and fertility. The Rare Earth Element model could be used as a tool to connect lemon production to the soil where they were produced, for a possible geographical characterization and a direct link between the production and the territory or soil. The results obtained were very interesting because: - they provided the means for sustainable agriculture; - they increased the value of the by-products and waste products of the citrus industry; - they proposed applications for the citrus production and transformation cycle being more sustainable; - they could valorize the Sicilian lemons by linking them to their production area. These results could have practical repercussions in the production cycle of citrus fruits and give a boost to the Sicilian citrus fruit sector.