Development of a carob functional food

Abstract

In recent years, there has been a noticeable increase in the demand for functional foods characterized by reduced sugar content. This trend is also driven by consumers' commitment to a health conscious lifestyle. The modulation of microbiota equilibrium through prebiotics, such as fructo oligosaccharides (FOS), has emerged as a promising approach for preventing or treating various diseases of the XX century. FOS can be produced through the transfructosylation of sucrose by microbial enzymes. Nevertheless, the synthesis of FOS in the food itself (in situ) has not been widely explored. Carob pulp appears as a promising substrate for FOS production due to its high sucrose content and intrinsic health benefits. Therefore, this work aimed to develop a functional food based on carob pulp enriched with prebiotic FOS. The carob pulp demonstrated great antioxidant properties, containing significant amounts of phenolic and flavonoid compounds. Its sucrose extraction process was optimized by a central composite design (CCD) as follows: carob:water ratio of 1:3, under 46.1 °C for 132 minutes. To synthesize FOS in situ, two approaches were tested: 1) the use of commercial enzyme complexes, and 2) fermentation with microorganisms. The Novozym® 960 enzyme complex was able to produce 0.42 ± 0.01 gFOS/ginitial sucrose with a purity of 29.6 ± 0.3% (w/w). The microbial fermentation with an Aspergillus ibericus was also successful, achieving a FOS yield of 0.35 ± 0.00 gFOS/ginitial sucrose with a purity of 25.9 ± 0.6% (w/w). To enhance FOS purity, a co-cultured strategy of A. ibericus and Saccharomyces cerevisiae was implemented, increasing FOS purity to 35.8 ± 0.3% (w/w) and the yield to 0.53 ± 0.00 gFOS/ginitial sucrose. Carob pulp medium was further supplemented with sucrose and/or aguamiel (a low-cost substrate) to enhance FOS productivity, yielding a remarkable 0.75 ± 0.02 and 0.53 ± 0.02 gFOS/ginitial sucrose, with purities of 45.1 ± 0.8 and 35.0 ± 0.6% (w/w), respectively, in co-fermentation. The use of carob pulp appears as a promising substitute for pure sucrose in FOS production, providing a cost-effective process coupled with enhanced nutritional value and functionality.

Nos últimos anos, registou-se um aumento notável da procura de alimentos funcionais caracterizados por um teor reduzido de açúcar. Esta tendência é também impulsionada pelo empenho dos consumidores na procura de um estilo de vida preocupado com a saúde. A modulação do equilíbrio da microbiota através de prebióticos, como os fruto-oligossacáridos (FOS), surgiu como uma abordagem promissora para a prevenção ou tratamento de várias doenças do século XX. Os FOS podem ser produzidos através da transfrutosilação da sacarose por enzimas microbianas. No entanto, a síntese de FOS no próprio alimento (in situ) não tem sido amplamente explorada. A polpa de alfarroba surge como uma matriz prometedora para a produção de FOS devido ao seu elevado teor de sacarose e benefícios intrínsecos para a saúde. Por conseguinte, este trabalho teve como objetivo desenvolver um alimento funcional à base de polpa de alfarroba enriquecida com prebióticos FOS. A polpa de alfarroba demonstrou grandes propriedades antioxidantes, contendo quantidades significativas de compostos fenólicos e flavonóides. O processo de extração de sacarose da polpa de alfarroba foi otimizado, recorrendo a um desenho experimental, da seguinte forma: razão alfarroba:água de 1:3, a 46,1 °C durante 132 minutos. Posteriormente, os FOS foram produzidos in situ utilizando duas abordagens: 1) complexos enzimáticos comerciais e 2) a fermentação com microrganismos. O complexo enzimático Novozym® 960 foi capaz de produzir 0,42 ± 0.01 gFOS/gsacarose inicial com uma pureza de 29,6 ± 0.3% (p/p). A fermentação microbiana com Aspergillus ibericus, também se demonstrou bem-sucedida, alcançando um rendimento de FOS de 0,35 ± 0,00 gFOS/gsacarose inicial com uma pureza de 25.9 ± 0.6% (p/p). Para aumentar a pureza dos FOS, foi implementada uma estratégia de co-cultura com A. ibericus e Saccharomyces cerevisiae, aumentando a pureza dos FOS para 35,8 ± 0.3% (p/p), e o rendimento para 0.53 ± 0.00 gFOS/ginitial sucrose. O meio de polpa de alfarroba foi ainda suplementado com sacarose e/ou aguamiel (um substrato de custo reduzido) para aumentar a produtividade de FOS, produzindo uns notáveis 0,75 ± 0,02 e 0,53 ± 0,02 gFOS/gsacarose inicial, com purezas de 45,1 ± 0,8 e 35,0 ± 0,6% (w/w), respetivamente, na co-fermentação. O aproveitamento da polpa de alfarroba emerge como um substituto promissor para a sacarose pura na produção de FOS, resultando num processo económico associado a um elevado valor nutricional e funcionalidade.