Study of secondary metabolite profiling of plant extracts obtained by non-conventional techniques and strategies for the development of functional foods exploiting food waste

Resumen

En esta tesis doctoral se desarrolló en el entorno de la economía verde y el reciclaje de residuos alimentarios estudiando diferentes técnicas de extracción no convencionales. En primer lugar, se aislaron polifenoles de matrices complejas producto del desperdicio de alimentos, como son las hojas de Moringa oleifera, mediante extracción asistida por ultrasonidos (UAE). El enfoque de diseño experimental permitió optimizar las mejores condiciones de extracción (MeOH:H2O 50:50, v/v, proporcion 1:60 Sólido/Líquido (S/L), 60°C, 60 min) para obtener un contenido fenólico total (TPC) de 13,4 mg expresados como equivalentes de ácido gálico (GAE)/g de materia seca. Por lo tanto, la caracterización y cuantificación de la fracción de flavonol se llevó a cabo mediante un UHPLC-MS/MS (Cromatografía líquida de ultra alta resolución-espectrometría de masas en tándem) y HPLC-DAD (Cromatografía líquida de alta resolución-espectrofotometría de fila de diodos). Los flavonoles más abundantes fueron las formas glicídicas de quercetina y kaempferol (que van desde 216,4 µg/g de MS de quercetina 3-O-ramnosido a 293,9 µg/g de materia seca de quercetina 3-O- (6 ″ -O-malonil) -β- D-glucósido). Además, las hojas de Lycium barbarum se estudiaron comparando los UAE con la extracción asistida por microondas (MAE), utilizando solventes alcohólicos e hidroalcohólicos. Los UAE metanólicos resultaron en la extracción más eficiente, confirmando que tanto el solvente como la técnica empleada influyeron en la extracción de compuestos bioactivos. Por lo tanto, las hojas de L. barbarum y L. chinense cultivadas en el centro de Italia se extrajeron con la técnica UAE con metanol. La actividad antioxidante se investigó mediante ensayos de captación de radicales libres in vitro como DPPH, ABTS y FRAP. Los análisis cromatográficos (HPLC-DAD) demostraron que el ácido clorogénico y la rutina son los compuestos fenólicos más importantes en L. barbarum, y el ácido clorogénico y el tirosol en L. chinense. Finalmente, se realizó el análisis estadístico multivariante para diferenciar las muestras procedentes de Lycium spp. Estos estudios pusieron de manifiesto la importancia en la elección de la técnica de extracción para aislar compuestos fenólicos y también confirmaron a M. oleifera, L. barbarum y L. chinense como matrices vegetales ricas en antioxidantes, normalmente descartadas por la industria agrícola-alimentaria. Por tanto, estos resultados mejoraron el conocimiento actual sobre la recuperación de compuestos bioactivos a partir de residuos alimentarios para desarrollar productos de valor añadido como nutracéuticos y alimentos funcionales. Por esta razón, se investigó el efecto del MAE doméstico sobre el contenido fenólico y la actividad antioxidante de los extractos de hojas de L. barbarum para estudiar un alimento funcional como las bebidas a base de hierbas. Se realizó un enfoque de diseño experimental considerando la relación S/L, el tiempo de irradiación y la potencia de microondas como variables independientes sobre las respuestas del TPC, la actividad antioxidante y el contenido de ácido clorogénico. Los resultados demostraron que las respuestas se vieron influidas positivamente por la relación S/L y el tiempo, mientras que la potencia de microondas se correlacionó inversamente con las respuestas investigadas. Esta investigación reveló que las condiciones de extracción por microondas deben monitorearse cuidadosamente para obtener extractos acuosos ricos en compuestos bioactivos con alta actividad antioxidante. La comparación con los métodos tradicionales domésticos (decocción e infusión) mostró un contenido fenólico y una actividad antioxidante inesperados al resultar más bajos para el extracto realizado con MAE. De hecho, se encontró que la infusión de hojas de L. barbarum tenía las mejores propiedades funcionales. Este estudio contribuyó a crear conciencia de que las condiciones de preparación de los extractos de hierbas en el hogar afectan fuertemente el estado fisológico y la salud de los consumidores. Hoy en día es de gran interés no solo la extracción de compuestos bioactivos a partir de residuos vegetales, sino también el estudio de su potencial inhibitorio frente a las enzimas digestivas. De hecho, se estudió la actividad inhibidora del extracto metanólico de UAE de hojas de L. barbarum sobre la α-amilasa del páncreas porcino. También se investigó la actividad inhibidora de los ácidos fenólicos aislados. Los ácidos fenólicos se identificaron mediante cromatografía líquida/espectrometría de masas de tiempo de vuelo cuadrupolo de masa precisa (LC-QTOF/MS). Los ácidos clorogénico y salicílico representaron los ácidos fenólicos más abundantes en el extracto de hoja de L. barbarum. El efecto inhibidor frente a la α-amilasa se determinó para compuestos individuales (los ácidos clorogénico, salicílico y cafeico dieron la mayor inhibición) mediante un ensayo in vitro. El extracto de hoja de L. barbarum mostró un efecto inhibidor sobre la α-amilasa apreciable de una manera dependiente de la concentración. Además, los estudios de acoplamiento de los ácidos fenólicos considerados en el sitio activo de la α-amilasa sugirieron un modo de unión conservado que se estabiliza principalmente a través de enlaces H e interacciones de apilamiento π-π. En cuanto al desperdicio de frutas, el orujo de manzana es uno de los desperdicios alimentarios más abundantes que se producen a nivel mundial. Consiste en la parte sólida de la pulpa, piel, pepitas y pecíolo que se obtiene durante la elaboración del zumo de manzana o de la sidra. Así, se produjo orujo de manzana Red Delicious a escala de laboratorio y se realizaron diferentes técnicas de extracción no convencionales para aislar compuestos fenólicos, como UAE, Extracción Ultraturrax (UTE), Extracción Acelerada por Solvente (ASE) y Campo Eléctrico Pulsado (PEF). La UAE demostró ser la técnica de extracción de polifenoles más eficiente cuando se llevó a cabo con EtOH:H2O (50:50, v/v). La floridzina, el principal compuesto fenólico en la manzana, se analizó mediante análisis cromatográfico LC-QTOF/MS, y la extracción con ASE y EtOH:H2O (30:70, v/v) a 40°C, demostró ser la técnica más eficaz en la obtención de floridzina. Los resultados obtenidos confirman que la floridzina podría considerarse un biomarcador para determinar la calidad de numerosos productos de manzana. Por tanto, el orujo de manzana podría considerarse otro desecho de fruta interesante para desarrollar un producto de valor añadido como son alimentos funcionales y nutracéuticos.