Green processing for bioresources valorization

Abstract

Atualmente, o esgotamento de recursos, o acúmulo de resíduos e as mudanças climáticas são os principais fatores que impulsionam a necessidade de práticas sustentáveis. Algumas das estratégias para a redução do impacto ambiental gerado são o reaproveitamento de biorresíduos industriais, bem como o aumento do uso de recursos subexplorados por processos efetivos/intensificados para obtenção de produtos sustentáveis, ecológicos, seguros e de alta qualidade. A presente tese teve como objetivo desenvolver metodologias eficientes e ecologicamente corretas envolvendo a aplicação de campos elétricos e enzimas, além de solventes de baixo custo e não tóxicos para a valorização de biorecursos subvalorizados, como casca de Pinus pinaster e microalga Spirulina platensis. Os extratos de casca de pinheiro (PBE) apresentaram alta atividade antioxidante, antibacteriana e anti-hiperglicêmica, com baixa citotoxicidade e atividade seletiva contra células cancerosas, pois foram afetados negativamente. Essas propriedades foram atribuídas ao seu perfil fenólico e flavonóide. Além disso, o Aquecimento Óhmico (OH) evidenciou um aumento na extração de compostos fenólicos antioxidantes sem degradação. Os resultados também indicam extração preferencial sob o solvente apropriado, presumivelmente devido à ação do campo elétrico agindo em sinergia com o calor e solventes, promovendo efeitos de eletroporação da membrana. A microencapsulação por spray-drying de PBE utilizando maltodextrina foi eficaz na proteção de compostos fenólicos durante as condições gastrointestinais, controlando sua liberação e aumentando os seus benefícios para a saúde, diminuindo a produção de espécies reativas de oxigênio implicadas no processo de estresse oxidativo associado a algumas patologias. A Spirulina platensis é interessante para a indústria alimentar devido à sua composição geral e alto teor em C-ficocianina (corante azul natural). A presente tese mostrou que campos elétricos moderados associados à temperatura promovem efeitos de desintegração celular e eletroporação melhorando a extração e estabilidade de compostos intracelulares da Spirulina, tendo também um efeito positivo no rendimento de extração de C-ficocianina com tempos de tratamento mais curtos. Uma extração sequencial em múltiplos estágios avaliada por extração térmica convencional, OH, tratamento enzimático (EAE), e suas combinações, evidenciou que a extração combinada de OH e EAE permitiu a recuperação seletiva de ficobiliproteínas na etapa de extração aquosa. Pigmentos, como clorofila e carotenóides, foram extraídos seletivamente com etanol (95%), bem como a fração lipídica da microalga. De modo geral, a tecnologia OH tem potencial para ser uma alternativa "verde", melhorando a extração de compostos intracelulares, além de reduzir o tempo de processo, solventes e consumo de energia, oferecendo a possibilidade de ajustar a seletividade e estabilidade dos compostos extraídos. Além disso, processos integrados que abordem simultaneamente diferentes frações, em direção a uma economia de “desperdício zero”, são desejáveis e podem até ser benéficos para a eficácia de cada fração individual. Os biocompostos obtidos podem ser usados como aditivo tecnológico natural e/ou ingredientes funcionais para aplicações alimentares, cosméticas e farmacêuticas.

Nowadays, resources depletion, waste accumulation and climate change are key factors driving the need for sustainable practices. Some of the strategies for the reduction of generated environmental impact are the reuse of industrial biowastes, as well as increasing the use of underexploited resources by effective/intensified processes to obtain sustainable, ecological, safe and high quality products. The present thesis aimed to develop efficient and environmentally friendly methodologies involving the application of electric fields and enzymes, as well as low cost and non-toxic solvents for the valorization of undervalued bioresources, as Pinus pinaster bark and Spirulina platensis microalgae. Pine bark extracts (PBE) presented high antioxidant, antibacterial and antihyperglycemic activities, with low cytotoxicity and a selective activity against cancer cells as these were negatively affected. These properties were ascribed to their phenolic and flavonoid profile. Moreover, Ohmic Heating (OH) evidenced an increased in the extraction of antioxidant phenolic compounds with no degradation. Results also indicate preferential extraction under the appropriate solvent, presumably due to the action of electric field effects acting in synergy with heat and solvents, promoting membrane electroporation effects. Spray-drying microencapsulation of PBE using maltodextrin was effective in protecting phenolic compounds during gastrointestinal conditions, controlling their delivery and enhancing its health benefits, decreasing the production of reactive oxygen species (ROS) implicated in the process of oxidative stress associated with some pathologies. Spirulina platensis is interesting for the food industry due to its overall composition and high content in C-phycocyanin (natural blue colorant). The present thesis showed that moderated electric fields associated with temperature promotes cell structure disintegration and electroporation effects improving the extraction and stability of intracellular compounds from Spirulina, having also a positive effect on the extraction yield of C-phycocyanin at shorter treatment times. A sequential multi-stage extraction evaluated by conventional thermal extraction, OH, enzymatic treatment (EAE), and their combinations evidenced that the combined OH and EAE extraction allowed selective recovery of phycobiliproteins in the aqueous extraction step. Pigments, such as chlorophyll and carotenoids were selectively extracted with 95% ethanol, as well as the lipid fraction of the microalgae. Overall, OH technology holds the potential to be a "green" alternative, improving intracellular compounds extraction, in addition to reducing the process time, solvents and energy consumption, offering the possibility of tuning the selectivity and stability of the extracted compounds. Moreover, integrated processes simultaneously addressing different fractions, towards a “zero waste” economy, are desirable and may be even beneficial to the effectiveness of each individual fraction. The obtained biocompounds can be used as natural technological additive and/or functional ingredient for food, cosmetic and pharmaceutical applications.