Valorisation of Watermelon and Persimmon Fruit Residues to Obtain Compounds of Interest in Food Applications

Abstract

[ES] El objetivo de esta tesis doctoral ha sido la valorización de los residuos agroindustriales de los frutos de la sandía (Citrullus lanatus) y del caqui (Diospyros kaki Thunb.) para obtener compuestos de alto valor añadido con potenciales aplicaciones tecnológicas en la industria alimentaria. En concreto, la corteza de la sandía y los descartes del caqui se contemplan como una prometedora fuente de pectina, no sólo por la importancia económica de los cultivos, sino también por las interesantes características estructurales de la pectina extraída y sus propiedades funcionales. Además, se sabe que los frutos del caqui son una fuente de compuestos bioactivos que pueden utilizarse para diseñar productos alimentarios más saludables. En la primera parte de esta tesis, se llevó a cabo una metodología de superficie de respuesta para evaluar cómo afectan los diferentes parámetros del proceso a la composición, las características estructurales y el rendimiento de extracción de la pectina de la corteza de la sandía (WRP). A partir de estos resultados, se utilizó una combinación de herramientas reológicas, microestructurales y de dispersión para dilucidar el mecanismo de estabilización de la emulsión de WRP, que fue capaz de retener altas cantidades de aceite de girasol (>60%), evitando la coalescencia y la floculación. A continuación, se evaluó el efecto de la des-ramificación contralada enzimáticamente, la des-esterificación y la eliminación de proteínas, en la composición y la estructura molecular de la WRP, y se analizó en profundidad el potencial de la pectina tratada enzimáticamente para preparar hidrogeles con la adición de CaCl2, con el fin de comprender cómo la estructura de la pectina y la composición del extracto afectaban a la formación y las propiedades del gel. Se observó que las pequeñas cadenas laterales de arabinogalactano presentes en la pectina con bajo grado de esterificación, actuaban como refuerzo, induciendo la formación de redes más densamente empaquetadas y de hidrogeles más fuertes que sus homólogos menos ramificados. La pectina de sandía tratada enzimáticamente y con mejores propiedades de gelificación y rendimiento, se utilizó posteriormente para desarrollar estructuras de aerogeles utilizando secado con CO2 supercrítico. La formación de una estructura compactada durante la formación del aerogel lo convirtió en un buen candidato como sistemas de liberación de compuestos activos. En la segunda parte de la tesis, se estudió la potencial valorización de residuos de biomasa de caqui mediante la extracción de compuestos bioactivos y extractos ricos en pectina y la evaluación de sus propiedades funcionales. Un extracto rico en polifenoles obtenido a escala semi-industrial mostró actividad antiviral y fue capaz de reducir el envejecimiento celular y el contenido de grasa sin afectar al desarrollo del organismo modelo C. elegans. Además, se optimizaron y caracterizaron las condiciones de extracción de ingredientes funcionales a base de pectina y polifenoles, cuya composición dependió de la severidad de las condiciones de extracción. Estos extractos funcionales de pectina mostraron actividad antiviral, probablemente potenciada por la mayor estabilidad de los polifenoles que forman complejos con la pectina y se exploró, de manera exitosa, su aplicación como recubrimiento comestible en arándanos.

[CAT] L'objectiu d'aquesta tesi doctoral va ser la valorització de residus agroindustrials procedents de fruites de síndria (Citrullus lanatus) i caqui (Diospyros kaki Thunb.) per obtenir compostos d'alt valor afegit amb potencials aplicacions tecnològiques en la indústria alimentària. En concret, l'escorça de síndria i els descarts de caqui es preveuen com una prometedora font de pectina, no només per la importància econòmica dels cultius, sinó també per les interessants característiques estructurals de la pectina extreta i les propietats funcionals relacionades. A més, se sap que les fruites de caqui són una font de compostos bioactius que es poden utilitzar per dissenyar productes alimentaris més saludables. En la primera part d'aquesta tesi es va dur a terme una metodologia de superfície de resposta per avaluar com els diferents paràmetres de procés afecten la composició, les característiques estructurals i el rendiment d'extracció de la pectina de síndria (WRP). A partir dels resultats, es va utilitzar una combinació d'eines reològiques, microestructurals i de dispersió per dilucidar el mecanisme estabilitzador de l'emulsió de WRP, que va ser capaç de retenir altes quantitats d'oli de gira-sol (>60%), evitant la coalescència i la floculació. A continuació, es va avaluar l'efecte del de-brassament enzimàtic controlat, la des-esterificació i l'eliminació de proteïnes sobre la composició i l'estructura molecular del WRP i es va analitzar profundament el potencial de la pectina tractada enzimàticament per preparar hidrogels amb l'addició de CaCl2 per entendre com l'estructura de la pectina i la composició de l'extracte afectaven la formació i les propietats del gel. Es va observar que les petites cadenes laterals d¿arabinogalàctans presents a la pectina amb baix grau d'esterificació, actuaven com a reforç, induint la formació de xarxes més densament empaquetades i hidrogels més forts que els seus homòlegs menys ramificats. Posteriorment es va utilitzar la pectina de l'escorça de síndria tractada enzimàticament amb millors propietats gelificants i rendiment per desenvolupar estructures d'aerogel utilitzant CO2 supercrític. La formació d'una estructura compactada durant la formació d'aerogels la va convertir en un bon candidat per als sistemes de alliberació de compostos actius. En la segona part de la tesi es va estudiar la potencial valorització dels residus de biomassa de caqui mitjançant l'extracció de compostos bioactius i extractes rics en pectina i l'avaluació de les seves propietats funcionals. Un extracte obtingut a escala semi-industrialment ric en polifenols va mostrar una activitat antiviral i va ser capaç de reduir l'envelliment cel·lular i el contingut en greixos sense afectar el desenvolupament de l'organisme model de C. elegans. A més, es van optimitzar i caracteritzar les condicions d'extracció d'ingredients funcionals a base de pectina-polifenol, la composició de la qual depenia de la gravetat de les condicions d'extracció. Aquests extractes funcionals de pectina van mostrar una alta eficiència antiviral, probablement millorada per la major estabilitat dels polifenols com a complexos de pectina. De manera exitosa, es va explorar una potencial aplicació com a recobriment comestible sobre nabius.

[EN] The aim of this doctoral thesis was the valorisation of agro-industrial wastes from watermelon (Citrullus lanatus) and persimmon (Diospyros kaki Thunb.) fruits to obtain high added-value compounds with potential technological applications in the food industry. Specifically, watermelon rind and persimmon discards are envisaged as a promising pectin source, not only because of the economic importance of the crops but also because of the interesting structural features of the extracted pectin and related functional properties. Furthermore, persimmon fruits are known to be a source of bioactive compounds which can be used to design healthier food products. In the first part of this thesis, a response surface methodology was carried out to evaluate how different process parameters affect the composition, structural features and extraction yield of watermelon rind pectin (WRP). Based on the results, a combination of rheological, microstructural and scattering tools was used to elucidate the emulsion stabilizing mechanism of WRP, which was able to retain high amounts of sunflower oil (>60%), avoiding coalescence and flocculation. Then, the effect of controlled enzymatic debranching, de-esterification and protein removal on WRP composition and molecular structure was evaluated and the potential of the enzymatically-treated pectin for preparing hydrogels with the addition of CaCl2 was deeply analysed in order to understand how pectin structure and extract composition affected gel formation and properties. It was observed that the small arabinogalactan side chains present in the pectin with low degree of esterification, acted as a reinforcement, inducing the formation of more densely packed networks and stronger hydrogels than their less-branched counterparts. An enzymatically-treated WRP with better gelling properties and yield was subsequently used to develop aerogel structures using supercritical CO2. The formation of a compacted structure during aerogel formation made it a good candidate for drug delivery systems. In the second part of the thesis, the potential valorisation of persimmon biomass waste through the extraction of bioactive compounds and pectin-rich extracts and the evaluation of their functional properties was studied. A semi-industrially scaled-up polyphenol-rich extract showed an effective antiviral efficiency and it was able to reduce the cellular ageing and fat content without affecting the development of C. elegans model organism. Furthermore, the extraction conditions of functional pectin-polyphenol-based ingredients were optimized and characterized, which composition was dependent on the severity of the extraction conditions. These functional pectin extracts showed high antiviral efficiency, probably enhanced by the higher stability of the polyphenols as pectin complexes. A successful potential application was explored with an edible coating on blueberries.