Ottimizzazione del processo di essiccazione sotto vuoto di polifenoli, flavanoli e analisi di eliminazione dei radicali DPPH nella buccia dei baccelli e nel guscio dei semi di cacao

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13900 (2023) Citare questo articolo

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L'obiettivo di questo studio era ottimizzare le diverse condizioni di essiccazione sotto vuoto per la buccia dei baccelli di cacao e il guscio delle fave di cacao al fine di migliorare questi sottoprodotti per applicazioni commerciali. Per eseguire l'ottimizzazione, è stata applicata la metodologia della superficie di risposta utilizzando un disegno sperimentale Box-Behnken con 15 esperimenti per i quali sono state stabilite diverse condizioni di temperatura (X1), tempo di asciugatura (X2) e pressione di vuoto (X3). Le variabili di risposta erano il contenuto di polifenoli totali, il contenuto di flavanoli e l'attività di radical scavenging valutata negli estratti dei diversi esperimenti. La temperatura (50–70 °C), il tempo di asciugatura (3–12 ore) e la pressione del vuoto (50–150 mbar) sono state considerate variabili indipendenti. I principali fattori che influenzano le variabili di risposta sono stati la temperatura, seguita dalla pressione del vuoto. Per il contenuto di polifenoli, i valori di risposta ottimali previsti per la buccia di cacao erano di 11,17 mg GAE/g con un limite di confidenza (95%) compreso tra 9,05 e 13,28 mg GAE/g (condizioni ottimali: 65 °C, 8 ore e 75 mbar), mentre per il guscio della fava di cacao il cacao era di 29,61 mg GAE/g con un limite di confidenza (95%) compreso tra 26,95 e 32,26 mg GAE/g (condizioni ottimali: 50 °C, 5 ore e 100 mbar). Pertanto, i risultati di questo studio suggeriscono un elevato contenuto di composti fenolici ottenuti da questi sottoprodotti che mostrano rilevanza come ingredienti funzionali per l’applicazione nell’industria alimentare, nutraceutica e cosmeceutica.

Il cacao (Theobroma cacao L.) è una risorsa vegetale di grande importanza economica per le principali regioni produttrici del mondo. Durante la lavorazione primaria si ottengono pennini, liquore, cacao in polvere e burro di cacao, mentre i sottoprodotti ottenuti durante la prelavorazione e la lavorazione sono bucce di baccelli di cacao e gusci di fave di cacao1, 2. Produzione stimata di fave di cacao (2020/2021) secondo l'Organizzazione Internazionale del Cacao (ICCO) è di circa 5.240 mila tonnellate3. Di questa produzione, solo un decimo verrà utilizzato per la produzione di liquori, burro, dolci o cacao in polvere, mentre la restante biomassa (dall'80 al 90%) viene scartata come sottoprodotto (compresi la buccia delle bacche di cacao, il guscio delle fave di cacao, mucillagini e placenta)4. I gusci delle fave di cacao che si generano durante il processo di tostatura rappresentano tra il 10 e il 17% del peso totale della fava di cacao5. Il recupero dei sottoprodotti del cacao nell’ottica dell’economia circolare è essenziale per promuovere la catena del valore e mitigare gli impatti ambientali. In questo contesto, la promozione di modelli innovativi che utilizzano la buccia del baccello di cacao e il guscio della fava di cacao per la produzione di componenti bioattivi (carboidrati, fibre alimentari, proteine, polisaccaridi, polifenoli, minerali, ecc.), nonché nell'applicazione nei prodotti alimentari ad alto valore aggiunto (bevande, cioccolato, marmellate, oli, insaccati, ecc.) e per la produzione di biocarburanti (biochar, bioetanolo, biogas, biooli, ecc.) sono molto apprezzati6,7,8 .

Diverse classi di polifenoli sono state identificate nel baccello e nel guscio del cacao, tra cui procianidine, flavanoli, flavonoli, acidi fenolici9, 10. Nel guscio del cacao le principali classi di polifenoli sono gli acidi fenolici, tra cui acido gluconico, acido omovanillico, glicoside dell'acido vanillico, ecc. .10. Questi composti presenti nei sottoprodotti del cacao hanno mostrato vari effetti biologici2. Tra le biofunzionalità del guscio del cacao, si ipotizza quello come agente antibatterico, inibendo l'attività contro lo Streptococcus mutans11. Rossin et al.12 hanno riportato un effetto preventivo contro i danni associati all'integrità intestinale dovuti a reazioni ossidative/infiammatorie. I risultati di questo studio riportano che probabilmente il responsabile della protezione dagli effetti avversi è il suo alto contenuto di composti fenolici. Diversi autori hanno riportato che gli estratti del guscio e del baccello del cacao hanno attività antiossidante in vitro attraverso i test DPPH (2,2-difenil-1-picrilhydrazyl), ABTS (2,2′-azino-di-(3-etilbenzotiazolina)) -6-solfonico acido) e FRAP (potere antiossidante ferrico riducente)13, 14. Inoltre, i polifenoli del guscio del cacao sono in grado di inibire la produzione di specie reattive dell'ossigeno, proteggendo le cellule dallo stress ossidativo mediante induzione di perossido di idrogeno nelle cellule endoteliali della vena ombelicale umana14. Nella letteratura scientifica è riportato l’utilizzo di sottoprodotti del cacao ottenuti durante la prelavorazione (baccello di cacao) e la lavorazione (guscio di cacao). L’approccio all’utilizzo di questi sottoprodotti si basa sul rafforzamento della catena del valore e sull’utilizzo dei suoi componenti bioattivi come ingredienti per alimenti funzionali, nutraceutici e cosmeceutici15. Un processo precedente per il recupero dei componenti bioattivi è la stabilizzazione della materia prima attraverso diverse condizioni di essiccazione come l'essiccazione al sole, il forno ad aria forzata, l'essiccazione sotto vuoto, l'essiccazione a infrarossi, l'essiccazione a microonde, ecc.13. I metodi di essiccazione dei sottoprodotti presentano sia vantaggi che svantaggi durante il processo di essiccazione. La rimozione dell'acqua dalle matrici alimentari è un processo complesso che influenza drasticamente il contenuto di componenti bioattivi, nutrienti e proprietà sensoriali, in particolare la forma, il colore, l'aroma e la consistenza dei prodotti disidratati16, 17. Tra la maggior parte dei metodi di essiccazione, l'essiccazione ad aria forzata è ampiamente conosciuto e ampiamente utilizzato come metodo a basso costo per la produzione industriale di alimenti disidratati da frutta, verdura, semi, noci e mandorle18. Inoltre, l’utilizzo di tecnologie convenzionali durante l’essiccazione ha un impatto negativo sulla resa complessiva e incide sulla qualità del prodotto finito19. D’altro canto, l’essiccazione sotto vuoto è considerata una tecnologia alternativa rispetto ai metodi convenzionali che utilizzano temperature più elevate, pertanto l’essiccazione sotto vuoto potrebbe favorire la conservazione dei componenti bioattivi presenti negli alimenti20. Ad esempio, l’impatto del processo di essiccazione sugli antociani e sui fenoli non colorati nei sottoprodotti della vinificazione è molto variabile, rispetto alla liofilizzazione, che è meno drastica per gli antociani e i fenoli non colorati21. Tuttavia, i processi di liofilizzazione non sono molto redditizi per l’industria di trasformazione alimentare a causa dei tempi lunghi e degli elevati costi di processo22. Ad esempio, i risultati dell’essiccazione sotto vuoto della barbabietola rossa a 50 °C e 150 mbar sulle proprietà funzionali erano paragonabili alla liofilizzazione22.

0.05, suggesting that the quadratic model properly fit the experimental data./p> 0.05). Šumić et al.25 reported that the temperature (X1) showed significant differences (p < 0.05) during the red currants vacuum drying process for the content of flavonoids and total polyphenols./p> 0.05). In addition, the mathematical models generated were not fit to predict the responses. In fact, the lack of fitness was significant for the polyphenol content variable (p < 0.05), while the p-value was 0.271 and 0.826 for the flavanol content and RSA responses, respectively (Table 6). The factors selected did not show a great effect on the response variables but only a slight influence of drying time on polyphenol content in the linear model. On the other hand, vacuum pressure had no significant effect on the responses either. Rebollo-Hernanz et al.38 reported a high influence of the temperature factor (X1) on polyphenol content, flavanol content, and RSA, with contributions ranging from 37 to 43%. The temperature ranged from 30 to 100 °C during the study. Furthermore, it could be observed that the drying time (X2) did not have a significant influence, with a contribution of 0.1–0.5%. The interaction between temperature and drying time (X1X2) for the three response variables was statistically nonsignificant. As for vacuum pressure (X3), Almeida-Trasviña et al.24 reported that the effect of X3 in the linear model was nonsignificant, both for polyphenol content and RSA./p> 15%, representing 20% of the experiments. Experiments with low moisture percentages had a mean temperature of 67.50 °C and a mean vacuum pressure of 87.50 mbar, whereas those with a high moisture percentage yielded an average drying temperature value of 53.33 °C and a vacuum pressure of 133.33 mbar. These results were similar to those obtained by Šumić et al.25, who reported that an increased vacuum pressure results in slow drying and produces samples with high moisture content. In contrast, when vacuum pressure decreases, the drying process is faster, producing samples with low moisture content. Furthermore, the drying time influenced the moisture content—experiments with values ranging from 5 to 10% yielded an average of 11 h, while those with values ranging from 10 to 15% had a mean of 8.67 h. Moisture content also affected the response variables—experiments with high drying temperatures and low vacuum pressure showed high TPC, TFC, and RSA. Conversely, experiments (4, 6, and 8; Table 2) conducted at low temperature and high vacuum pressure yielded lower values of polyphenol (3.11 mg GAE/g) and flavanol (0.47 mg CE/g) contents as well as an RSA of 0.02 mmol TE/g. Similar results were reported by Almeida-Trasviña et al.24, with lower values for TPC and RSA for temperatures ranging from 32 to 41 °C and a vacuum pressure ranging from ~ 420 to ~ 505 mbar./p> 15% of moisture yielded a mean of 12.74 units. The contribution of coordinate b* (yellowness) to the color of CPH was more relevant, probably due to its carotenoid content. Pico Hernández et al.45 reported a carotenoid content of 64.35 mg/g, using a supercritical fluid extraction system. Taking the correlation values into consideration, parameters L* and b* vs. moisture showed an negative relation (L* vs. moisture: r = − 0.9512; p = 0.0000; R2 = 0.9049) and (b* vs. moisture: r = − 0.9238; p = 0.0000; R2 = 0.8535), while the chromaticity parameter a* vs. moisture showed little or no correlation (a* vs. moisture: r = − 0.1648; p = 0.5572; R2 = 0.0272)./p> 0.05) and the correlation coefficient was greater than 0.9 for CPH, the ANOVA results proved that the models were nonsignificant (p > 0.05). The model for polyphenol content showed a lack-of-fit value (p = 0.046) with a contribution of 71%; the model for flavanol content showed a lack-of-fit value (p = 0.271) with a contribution of 44.9%; and that for RSA showed a lack-of-fit value (p = 0.826) with a contribution of 39.3% for CBS. The mathematical models generated for CPH were fit for experimental data, contrary to those generated for CBS, which showed nonfit values to predict responses./p>