Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/29893
Title: Revisiting the chemistry of apple pomace: the byproduct of juice concentrates industry
Other Titles: Revisitando a química do bagaço de maçã: o subproduto da indústria de concentrado de sumos
Author: Fernandes, Pedro António Rodrigues
Advisor: Cardoso, Susana Maria de Almeida
Coimbra, Manuel António
Wessel, Dulcineia Maria de Sousa Ferreira
Keywords: Polyphenol
Oxidation
Pectic polysaccharides
Arabinans
Xyloglucans
Extraction
Interaction
Drying
Defense Date: 17-Dec-2019
Abstract: During the extraction of apple juice an insoluble residue, called apple pomace, is generated. Apple pomace represents the fruit cell wall material, identified as a source of polysaccharides and polyphenols. However, apple pomace is mostly discarded by the industries. In the one hand, this occurs because some polysaccharides and polyphenols still correspond to molecules of unknown applications and structures resulting from oxidation phenomena that occur during juice extraction. On the other hand, the industries lack drying methodologies capable of meeting their needs for valorization of apple pomace compounds. The adoption of different extraction and fractionation methodologies gives an overview of the properties and structures of the compounds that can be available from apple pomace after the implementation of a drying process to preserve the byproduct. Based on this hypothesis, apple pomace was subjected to extractions with water, methanol and acetone:water (60:40; v:v), without or with urea, and microwave superheated water extractions to unravel the existence of phenolic structures other than those naturally occurring in the fresh fruit. Additionally, for identification of chemically modified carbohydrates due to polyphenol oxidation, hot water extractions were performed followed by dialysis (12-14 kDa) and ethanol precipitation. Extraction with hot water, methanol and acetone followed by analysis by liquid chromatography allowed to observe the presence of flavan-3-ols, flavonols, dihydrochalcones and hydroxycinamic acids, totaling 5 g/kg of dry apple pomace. Oxidation products of dihydrochalcones and hydroxycinnamic acids were also detected in apple pomace. Alkaline fusion analysis of water-insoluble material demonstrated the occurrence of non-extractable oxidized procyanidins, whose prevalence was 4-fold higher than in native apple polyphenols. Extraction with microwave superheated water followed by ethanol precipitation of the obtained extracts showed that procyanidins were covalently linked to the pectic polysaccharides, xyloglucans and cellulose present in the water-insoluble material and could account for up to 40% of the polyphenols that can be obtained from apple pomace. Solid phase extraction of the hot water-soluble material using C18 cartridges showed that, along with polyphenols, polysaccharides were also extracted, some of them exhibiting a hydrophobic behavior at pH 7 and/or pH 3. Dialysis followed by ethanol precipitation, alongside with glycosidic linkages analysis by gas chromatography, nuclear magnetic ressonance, size-exclusion chromatography, and alkaline fusion, led to the conclusion that polyphenols covalently linked to polysaccharides are responsible for their hydrophobicity, constituting xyloglucan-polyphenols-pectic polysaccharide and arabinan-polyphenol complexes. To understand the formation of polysaccharide-polyphenol complexes established by covalent bonds, the interactions of arabinans with 5-O-caffeoylquinic acid and phloridzin were studied. Through their diffusion along dialysis membranes in the presence or absence of polysaccharide, linear arabinans showed 10-fold and 2-fold greater retention of 5-O-caffeoylquinic acid and phloridzin than branched arabinans suggesting that a higher degree of branching limits polysaccharides interaction with polyphenols. The same trend was observed for the interaction of arabinans with procyanidins by isothermal titration calorimetry, where linear arabinans presented higher affinity constants (Ka 540 M-1) than branched arabinans (Ka 391 M-1). This approach also demonstrated that the occurrence of covalently linked polyphenols to arabinans restricts further interactions with polyphenols (Ka 85 M-1). The analysis of the material that precipitated after interaction between arabinans and procyanidins showed that procyanidins of higher degree of polymerization and less branched polysaccharides tended to form insoluble aggregates. In order to ensure the stability of apple pomace for further extraction of compounds, this byproduct was dried via microwave hydrodiffusion and gravity (MHG) technology using delivery powers of 300-900 W. MHG drying proved to be a three phases process: heating, drying and burning point phase. This methodology presented an estimated 80% energy efficiency, as well as drying times (1-2.6 h) and water flows (5.1-13.9 mL/min) up to 4-fold higher than those verified by hot air drying (3.6-9.9 he 1-3.5 mL/min). Using MHG drying, it was also possible to obtain extracts composed by polyphenols and polysaccharides. The addition of ethanol during the drying process can increase the obtained extract mass. The dried apple pomace was stable for at least 2 years, after which was possible to obtain extracts rich in polyphenols and polysaccharides. In conclusion, the adoption of different extraction and fractionation procedures allowed a better understanding of the structures and chemical properties of the compounds present in apple pomace, especially those derived from oxidation reactions of polyphenols. This, together with the efficient and rapid drying verified for MHG technology, opens new research perspectives and applications that should culminate in the possible mitigation of apple pomace as an agro-industrial residue.
Durante a extração do sumo de maçã é gerado um resíduo insolúvel denominado bagaço de maçã. O bagaço de maçã representa o material da parede celular do fruto, identificado como fonte de polissacarídeos e polifenóis. No entanto, o bagaço de maçã é maioritariamente descartado pelas indústrias. Por um lado, pelo facto de alguns polissacarídeos e compostos fenólicos corresponderem a moléculas de aplicações e estruturas desconhecidas, resultantes de fenómenos de oxidação que ocorrem durante a extração de sumo. Por outro, as indústrias carecem de metodologias de secagem capazes de corresponder às suas necessidades para valorização dos compostos do bagaço de maçã. A adoção de diferentes metodologias de extração e fracionamento permitem obter uma visão global das propriedades e estruturas dos compostos passíveis de serem recolhidos do bagaço após implementação de um processo de secagem para preservação do subproduto. Com base nesta hipótese, o bagaço de maçã foi submetido a extrações com água, metanol e acetona:água (60:40; v:v), sem ou com ureia, e água superaquecida por micro-ondas com o objetivo de desvendar a existência de outras estruturas fenólicas além daquelas que ocorrem naturalmente no fruto. Adicionalmente, para identificação de carbohidratos quimicamente modificados como consequência da oxidação de polifenóis, foram realizadas extrações com água quente seguidas de fracionamento por diálise (12-14 kDa) e precipitação em etanol. A extração com água quente, metanol e acetona seguida de análise por cromatografia líquida permitiu identificar a presença de flavan-3-óis, flavonóis, di-hidrocalconas e ácidos hidroxicinâmico, totalizando 5 g/kg de bagaço seco. Também foram detectados produtos de oxidação de di-hidrocalconas e ácidos hidroxicinâmicos no bagaço de maçã. A análise por fusão alcalina do material insolúvel em água demonstrou a ocorrência de procianidinas oxidadas não-extractáveis, cuja prevalência foi 4 vezes superior aos compostos fenólicos nativos da maçã. A extração com água superaquecida por micro-ondas seguida de precipitação em etanol dos extratos obtidos mostrou que estas se encontravam covalentemente ligadas aos polissacarídeos pécticos, xiloglucanas e celulose presentes no material insolúvel em água, podendo corresponder até 40% dos compostos fenólicos possíveis de serem obtidos a partir do bagaço de maçã. A extração em fase sólida do material solúvel em água quente, usando cartuchos C18, mostrou que, juntamente com os polifenóis, foram extraídos polissacarídeos, alguns dos quais apresentando um comportamento hidrofóbico a pH 7 e/ou a pH 3. O fracionamento por diálise e precipitação em etanol, e a análise das ligações glicosídicas por cromatografia em fase gasosa, ressonância magnética nuclear, cromatografia de exclusão molecular e fusão alcalina, permitiu inferir que os polifenóis ligados covalentemente aos polissacarídeos são responsáveis pela sua hidrofobicidade, constituindo complexos de xiloglucanas-polifenóis-polissacarídeos pécticos e complexos de arabinanas-polifenóis. Para compreender a formação dos complexos polissacarídeos-polifenóis, estabelecidos por ligações covalentes, foram estudadas as interações de arabinanas com o ácido 5-O-cafeoilquinico e floridzina. Através da sua difusão ao longo de membranas de diálise na presença ou ausência de polissacarídeo, verificou-se que as arabinanas lineares apresentaram 10 a 2 vezes maior retenção do ácido 5-O-cafeoilquinico e da floridzina do que as arabinanas ramificadas sugerindo que um maior grau de ramificação dos polissacarídeos limita a sua interação com os compostos fenólicos. A mesma tendência foi observada para a interação de arabinanas com procianidinas por calorimetria de titulação isotérmica, onde arabinanas lineares apresentaram maiores constantes de afinidade (Ka 540 M-1) do que arabinanas ramificadas (Ka 391 M-1). Esta abordagem demonstrou também que a ocorrência de polifenóis ligados covalentemente a arabinanas restringe possíveis interações adicionais com os polifenóis (Ka 85 M-1). A análise do material que precipitou após interação entre as arabinanas e as procianidinas mostrou que as procianidinas de maior grau de polimerização e os polissacarídeos menos ramificados são as estruturas que tendem a formar os agregados insolúveis. Com o objetivo de garantir a estabilidade do bagaço de maçã para posterior extração de compostos, este subproduto foi secado via tecnologia de micro-ondas por hidrodifusão e gravidade (MHG), utilizando potências de 300-900 W. A secagem por MHG mostrou-se um processo composto por três fases: aquecimento, secagem e ponto de queima. Esta metodologia apresentou uma estimativa de 80% de eficiência energética, bem como tempos de secagem (1-2.6 h) e fluxos de água (5,1-13,9 mL/min) até 4 vezes superiores às verificadas por secagem com ar quente (3,6-9,9 h e 1-3,5 mL/min). Pela técnica MHG foi possível obter em simultâneo com a secagem, extratos constituídos por polifenóis e polissacarídeos. Através da adição de etanol durante o processo de secagem, a massa de extrato foi incrementada. O bagaço secado mostrou-se estável por pelo menos 2 anos, após os quais foi possível obter extratos ricos em compostos fenólicos e polissacarídeos. Em conclusão, a adoção de diferentes mecanismos de extração e de fracionamento permitiu uma maior compreensão das estruturas e propriedades químicas dos compostos presentes no bagaço de maçã, especialmente aquelas derivadas de reações de oxidação dos compostos fenólicos. Isto, em conjunto com a eficiente e rápida secagem verificada pela tecnologia de MHG abre novas perspetivas de investigação e aplicações que podem culminar na possível mitigação do bagaço de maçã como um resíduo agroindustrial.
URI: http://hdl.handle.net/10773/29893
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