Struttura e proprietà della pectina e di oligosaccaridi pectinici da sottoprodotti agroalimentari

Abstract

Recentemente, la ricerca sta focalizzando l’attenzione sullo sviluppo di tecnologie e strategie sostenibili per il riutilizzo delle enormi quantità (circa 90 milioni di tonnellate) di rifiuti e sottoprodotti alimentari generati ogni anno nell'Unione Europea. Infatti, tali rifiuti sono caratterizzati da un contenuto chimico abbastanza vario; questo rende i rifiuti un materiale grezzo adatto non solo per essere convertito in mangimi per animali, ma anche per la produzione di composti ad alto valore aggiunto. Il presente lavoro di tesi ha riguardato lo studio delle pectine derivate da rifiuti alimentari, in particolare la loro caratterizzazione, estrazione, trasformazione e riutilizzo. Il lavoro di tesi ha riguardato, da un lato, l'estrazione e la caratterizzazione di pectina da mangimi, prodotti a partire da rifiuti stabilizzati, e d'altra parte, la produzione e la caratterizzazione di oligosaccaridi pectinici (POS), considerati potenziali prebiotici, ottenuti da residui alimentari selezionati. In particolare, le pectine estratte da mangimi sono state caratterizzate per valutare l'effetto dei trattamenti tecnologici sui loro contenuto e struttura. Inoltre, alcuni rifiuti selezionati, in particolare la polpa di barbabietola da zucchero e le bucce di cipolla, sono stati investigati come fonte di POS da utilizzare come additivi per mangimi. Le miscele di POS, estratte dalla polpa di barbabietola da zucchero e separate mediante un reattore a membrana enzimatica, sono state caratterizzate per la loro struttura; in particolare, i principali oligomeri rilevati sono arabinani (DP2-10), ramnogalatturonani (DP3-6) in entrambe le forme libere e acetilate, e poligalatturonani (DP3-7), in entrambe le forme libere e metilate/acetilate. Le miscele di POS sono stati testate per la loro attività prebiotica monitorando la crescita di ceppi di Lattobacilli in presenza di POS nel mezzo di crescita. Gli oligosaccaridi pectici hanno mostrato un effetto di stimolazione sulla crescita microbica in modo ceppo-specifico e concentrazione-specifico, dimostrando di essere un promettente prodotto con proprietà prebiotiche. Inoltre, la tesi ha riguardato lo studio di bucce di cipolla come nuova fonte di POS. Le pectine sono state estratte utilizzando l’agente chelante sodioesametafosfato (SHMP) e idrolizzate in un reattore a membrana enzimatica. Il processo a flusso incrociato continuo attraverso membrana è stato ottimizzato, ottenendo la massima resa in POS ad entrambe le concentrazioni di substrato 25 g/L e 50 g/L. Le frazioni di POS prodotte sono state caratterizzate per la struttura e l'attività prebiotica. L'analisi ha rivelato la presenza di poligalatturonani con DP 2-8 in forma libera, ma anche nella forma acetilata/metilata. Tuttavia, gli esperimenti preliminari per l’attività prebiotica hanno rivelato come le miscele POS abbiano un effetto di inibizione sulla crescita di ceppi di Lattobacilli rispetto all'assenza di campione nel mezzo, effetto questo che potrebbe essere dovuto alla presenza di SHMP nelle frazioni di POS. Tuttavia, la crescita rispetto alla presenza del solo SHMP è stata potenziata dai POS, indicando come questi oligomeri potrebbero effettivamente stimolare la crescita batterica. Pertanto, ulteriori esperimenti sono necessari al fine di valutare la potenziale attività prebiotica di POS da bucce di cipolla. Gli strumenti analitici utilizzati nel presente studio hanno fornito una profonda conoscenza sulla composizione e sulle proprietà funzionali dei mangimi derivati da rifiuti alimentari in termini di contenuto di pectina. Inoltre, la struttura e la composizione chimica di oligosaccaridi pectinici sono state studiate in dettaglio e, dato l'effetto di stimolazione che essi possono esercitare su batteri lattici in modo ceppo-, concentrazione- e fonte-specifico, i POS potrebbero rappresentare un nuovo prodotto promettente nel campo dei prebiotici.

The development of sustainable technologies and strategies for reusing the huge amount (about 90 million tonnes) of food wastes and by-products produced every year in EU has recently become the subject of many research projects. Indeed, food waste contains proteins, fats, sugars, antioxidants, vitamins, polyphenols or fibers with prebiotic properties, making it a suitable raw material for further re-use, such in animal feed or for the production of high-added value compounds. Anyway, its diversity makes its exploitation quite challenging. The present thesis deals with the use of pectin derived from food waste, studying their characterization, extraction, transformation and re-use. This thesis studied, on one hand, the extraction and characterization of pectin in animal feed, produced starting from stabilized wastes, and on the other hand, the production and the characterization of potentially prebiotic pectic oligosaccharides (POS) from selected food wastes. Pectin in animal feed produced from food waste was characterized in order to assess the effect of technological treatments on their content and structure. Furthermore, selected wastes, especially sugar beet pulp and onion skins, were exploited and investigated as source of POS. POS mixtures extracted from sugar beet pulp and separated by using a membrane enzymatic reactor were characterized for their structure; in particular, the main detected oligomers were arabinans (DP2-10), rhamnogalacturonans (DP3-6) in both free and acetylated forms and polygalacturonans (DP3-7), in both free and methylated/acetylated forms. POS mixtures were also tested for their stimulating activity for lactic acid bacteria, monitoring the growth of Lactobacillus strains in presence of POS in the growth medium. The pectic oligosaccharides showed a stimulation effect on the strains growth in a strain-specific and concentration-specific way. The use of onion skins as new source of POS was also investigated. Pectin was extracted by using the chelator sodium hexamethaphosphate (SHMP) and hydrolyzed in a membrane enzymatic reactor. The continuous cross-flow membrane process was optimized, allowing to achieve high POS yields. The produced POS fractions were again characterized in terms of structure and stimulating activity on lactic acid bacteria. The analysis indicated the presence of polygalacturonans with DP from 2 to 8 in the free form but also in the acetylated /methylated form. Preliminary experiments indicated that POS mixtures, due to the presence of SHMP, had an inhibition effect on the growth of Lactobacillus strains, even if the growth, compared with the presence of SHMP alone, was enhanced by the POS. Therefore, more experiments are needed in order to remove SHMP from the extracts and elucidate the true prebiotic activity of POS from onion skins. The analytical tools used in the present study provided a deep knowledge about the functional and compositional properties of animal feed derived from food wastes in terms of pectin content, and allowed to get deep insights in the fine chemical structure and composition of pectic oligosaccharides, obtained from selected food wastes, outlining the links with the techonology of production, from one side, and with the stimulation effect they can exert on lactic acid bacteria, on the other side. The results of this thesis clearly demonstrated that an economically viable, efficient and controllable production of POS is possible starting from food wastes and food by-products, allowing to obtain functional compounds which can potentially be used as additive and integrators for food and feed.