Bioactive compounds from sulphite pulp production streams for applications in functional food and cosmeceutical industries

Abstract

Worldwide emerging trends towards sustainable approaches and the market's ever-glowing interest in safe natural products have prompted the manufacturers to search for alternative sources of raw materials and investing in natural compound recovery from wastes and by-products. At the same time, cost-effective, non-competing and available all-year-round sources are considered to be a challenge, especially in the scope of biologically active compounds, highly sought in medicine, pharmacology and cosmetology. In this context, both major by-products of acidic sulphite pulping process, sulphite spent liquor (SSL) and alkaline extract (AE), can be considered an underutilized natural resource since they are well known to contain ellagic acid (EA), beta-sitosterol (BS) and their derivatives, whose structure and properties have not yet been fully studied. Valorisation and chemical characterisation of such molecules, with paradigmatic biological properties, can meet the demand for high-value natural compound recovery within sustainability and circular economy concepts. Hence, the development of a large-scale production of EA and sterol-based products from industrial streams of acid sulphite pulping of Eucalyptus, and their subsequent evaluation as potential bioactive additives were the focus of this study, contributing to the exploitation of their application in functional food and cosmeceutical industries. A new method for the isolation of BS from alkaline extract (AE) of unbleached sulphite pulp purification was developed. BS was recovered by two-step acidification of AE up to pH 3 under pre-selected conditions, followed by fractionation of the formed precipitate with water-miscible organic solvents, having obtained best results with methanol (>90% purity), followed by BS crystallization induced via addition of water (ca. 10% vol.). The method is adaptable for large-scale industrial production of BS and may represent an important source of high-purity BS-based products. At the same time, approaches with nontoxic food grade solvents (hexane and ethanol) were explored to produce and characterise alternative lipidic products enriched with sterol-derivatives. The lipid composition of hexane and ethanol extracts was assessed by thin-layer chromatography, gas chromatography-mass spectrometry and electrospray ionization mass spectrometry, revealing a dominant sterol fraction mostly composed of phytosterol esters. Among latter, three species were characterized in AE-derived products for the first time. Furthermore, the analysed lipid extracts exhibited potential antidiabetic and anti-inflammatory properties in in vitro inhibitory activity assays towards alfa-amylase, alfa-glycosidase and cyclooxygenase-2, fostering their potential uses in various functional foods and/or cosmetic products. In addition, a new solvent-free eco-friendly method for the recovery of EA from SSL and AE of unbleached sulphite pulp was proposed. EA was isolated from sulphite pulping streams via crystallization from acidified solutions under preselected conditions (80 °C, 24 h, glass crystallizer and high surface-to-volume ratio) followed by washings with acidified water to reduce concomitants, reaching ca. 85–95% (w/w) purity. The latter procedures were also found to achieve an acceptable level of hazardous transitional metal contaminants (As, Cd, Pb and Hg), critically important for food and cosmetic applications. The obtained EA-containing products were also evaluated in a comparative study with other natural and synthetic antioxidants using reaction kinetics with 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) and revealing its remarkable potential for replacing synthetic antioxidants in the health-related and technical areas. The developments related to industrial exploration of proposed products, as well as the new insights in characterization of their main fractions, contribute greatly to availability of high-quality natural products on the market and prompt further advances in the exploration of natural bioactive additives in food and cosmetic applications.

As tendências emergentes em todo o mundo em direção a abordagens sustentáveis e o interesse cada vez maior do mercado em produtos naturais seguros levaram os fabricantes a procurar fontes alternativas de matérias-primas e a investir na recuperação de compostos naturais a partir de resíduos e subprodutos. Ao mesmo tempo, fontes custo-efetivas, não concorrentes e disponíveis todo o ano são consideradas um desafio, especialmente no âmbito dos compostos biologicamente ativos, muito procurados em medicina, farmacologia e cosmetologia. Neste contexto, ambos os principais subprodutos do processo de produção de pasta ao sulfito ácido, o licor de cozimento (LC) e o extrato alcalino (EA), podem ser considerados um recurso natural subutilizado, uma vez que são bem conhecidos por conterem ácido elágico (AE), beta-sitosterol (BS) e seus derivados, cuja estrutura e propriedades ainda não foram totalmente estudadas. A valorização e caracterização química destas moléculas, com propriedades biológicas paradigmáticas, pode responder à procura de recuperação de compostos naturais de elevado valor dentro dos conceitos de sustentabilidade e economia circular. Assim, o desenvolvimento de uma produção em larga escala de produtos à base de AE e esteróis a partir de fluxos industriais de produção de pasta de Eucalyptus ao sulfito ácido, e sua posterior avaliação como potenciais aditivos bioativos foram o foco deste estudo, contribuindo para a exploração de sua aplicação em indústrias de alimentos funcionais e cosmecêuticos. Foi desenvolvido um novo método para o isolamento de BS do extrato alcalino (EA) da purificação de pasta ao sulfito não branqueada. O BS foi recuperado por acidificação do EA em duas etapas até pH 3 sob condições pré-selecionadas, seguida de fracionamento do precipitado formado com solventes orgânicos miscíveis em água, tendo obtido melhores resultados com metanol (>90% de pureza), seguido por cristalização de BS induzida através de adição de água (ca. 10% vol.). O método é adaptável para produção industrial em larga escala de BS e pode representar uma importante fonte de produtos a base de BS de alta pureza. Ao mesmo tempo, abordagens com solventes não tóxicos de qualidade alimentar (hexano e etanol) foram exploradas para produzir e caracterizar produtos lipídicos alternativos, enriquecidos com derivados de esterol. A composição lipídica dos extratos hexânico e etanólico foi avaliada por cromatografia em camada fina, espectrometria de massa por cromatografia gasosa e espectrometria de massa com ionização por eletrospray, revelando uma fração dominante de esterol composta principalmente por ésteres de fitoesterol. Entre estas últimas, três espécies foram caracterizadas pela primeira vez em produtos derivados de EA. Além disso, os extratos lipídicos analisados exibiram potenciais propriedades antidiabéticas e anti-inflamatórias em ensaios de atividade inibitória in vitro para alfa-amilase, alfa-glicosidase e ciclooxigenase-2, promovendo seu potencial uso em diversos alimentos funcionais e/ou produtos cosméticos. Além disso, foi proposto um novo método ecológico, isento de solventes, para a recuperação de AE de LC e EA de pasta ao sulfito não branqueada. AE foi isolado de correntes de pasta ao sulfito através de cristalização em soluções acidificadas sob condições pré-selecionadas (80 °C, 24 h, cristalizador de vidro e alta relação superfície-volume) seguido de lavagens com água acidificada para reduzir concomitantes, atingindo ca. 85–95% (p/p) de pureza. Descobriu-se também que estes últimos procedimentos atingiram um nível aceitável de contaminantes perigosos de metais de transição (As, Cd, Pb e Hg), extremamente importantes para aplicações alimentícias e cosméticas. Os produtos obtidos contendo AE também foram avaliados em um estudo comparativo com outros antioxidantes naturais e sintéticos usando cinética de reação com 2,2-difenil-1-picrilhidrazil (DPPH) e revelando seu notável potencial para substituir antioxidantes sintéticos nas áreas relacionadas à saúde e áreas técnicas. Os desenvolvimentos relacionados com a exploração industrial dos produtos propostos, bem como os novos conhecimentos na caracterização das suas principais frações, contribuem consideravelmente para a disponibilidade de produtos naturais de alta qualidade no mercado e impulsionam novos avanços na exploração de aditivos bioativos naturais em produtos alimentares e aplicações cosméticas.