Circa 1.3 miliardi di tonnellate di rifiuti agroalimentari sono prodotti ogni anno, di cui il 38% deriva dai processi di trasformazione nelle industrie alimentari, costituendo un problema non solo etico, ma anche economico, per le aziende che devono gestirne lo smaltimento, ed ambientale, per le pesanti conseguenze che tale fenomeno ha sulla salute dell’uomo e dell’ambiente. Lo smaltimento in discarica, infatti, è responsabile dell’immissione di notevoli quantità di metano atmosferico, che ha un impatto negativo sull'effetto serra. Poiché l’Italia è uno dei maggiori produttori di vino e di olio, il problema della gestione dei sottoprodotti derivanti da tali catene produttive è fortemente dibattuto. Di fronte alla sfida di trasformare i sottoprodotti in risorse utili che possano essere riutilizzate in una prospettiva circolare, questo progetto di ricerca propone l'estrazione di composti bioattivi da sansa esausta di olio d'oliva e vinacce di Aglianico come strategia alternativa per superare i limiti legati all’approvvigionamento di tali composti e allo smaltimento dei rifiuti. A questo scopo, sono state confrontate diverse metodiche estrattive, tra cui la macerazione, l'estrazione assistita da ultrasuoni, l'estrazione assistita da microonde e l'estrazione accelerata con solvente. Seguendo i principi della chimica verde, acqua ed etanolo sono stati scelti come solventi d’estrazione. In prospettiva aziendale, è stata eseguita anche una digestione a 60ºC sulle vinacce, quale metodica facilmente scalabile. Un primo screening ha permesso di selezionato gli estratti più attivi, sulla base del contenuto fenolico totale e dell'attività antiossidante, a seguito del calcolo dell'indice della capacità antiossidante relativa (RACI). Seguendo un approccio bio-assay oriented, questi estratti sono stati testati in vitro su modelli cellulari e caratterizzati chimicamente per delineare il loro profilo fitochimico. Gli estratti di sansa d'oliva non hanno mostrato effetti citotossici su HepG2 e hanno confermato il loro potenziale antiossidante, ripristinando i livelli di ROS basali nelle cellule stressate con terz-butil idroperossido. Tale attività può essere spiegata dal peculiare contenuto di metaboliti specializzati, come emerge dall'analisi HPLC-DAD che ha permesso di identificare e quantificare 7 composti. Tra questi, il 3-idrossitirosolo, con effetti antiossidanti e citoprotettivi ampiamente riconosciuti, e la salidroside, un glicoside del tirosolo, presente nelle olive e mai ritrovato finora nella sansa, noto per l’importante azione adattogena e immunostimolante. Questi risultati evidenziano interessanti prospettive sullo sfruttamento della sansa come fonte a basso costo di composti bioattivi utili per la salute umana. Allo stesso modo, le vinacce derivanti dalla produzione di Aglianico sono state studiate per la prima volta come fonti di composti bioattivi per l'industria farmaceutica, cosmetica e alimentare. L'estrazione semplice e scalabile per digestione in mezzo idroalcolico permette di ottenere estratti ricchi di sostanze bioattive con azione antiossidante, inibitoria nei confronti della tirosinasi e anticancro. Gli estratti idroalcolici di vinaccia hanno mostrato una grande selettività verso le cellule tumorali, senza compromettere la vitalità delle cellule sane. Questo effetto sembra essere dovuto alla generazione di ROS nelle cellule tumorali e fortemente correlato alla presenza di tannini. La caratterizzazione chimica mediante LC-HR-MS/MS ha rivelato una grande varietà di composti dotati di proprietà salutistiche. Inoltre, è presentato il primo full-scan della vinaccia di Aglianico e l’analisi bioinformatica mediante Global Natural Product Social (GNPS) molecular networking ha evidenziato composti sconosciuti con potenziali proprietà antiossidanti e chemiopreventive, mai riportati in letteratura. Questa tesi ha anche dimostrato la fattibilità tecnica del processo, attraverso lo scale-up industriale dello studio di laboratorio e ha valutato gli impatti ambientali del processo attraverso l'analisi del ciclo di vita (LCA), sottolineando che il progetto proposto consente un up-cycling dei sottoprodotti in prodotti di alto valore. Nell'ambito dell'economia circolare, un recupero eco-sostenibile dei composti bioattivi dalle vinacce, come quello proposto in questo studio, aumenterebbe la sostenibilità dell'intero settore, consentendo la reintroduzione di questi sottoprodotti nella catena alimentare come fonte di composti bioattivi da utilizzare in campo nutraceutico, cosmetico e farmaceutico.

Every year, around 1.3 billion tons of food become waste. According to the Food and Agriculture Organization (FAO) of the United Nations, it corresponds to one third of all food produced for human consumption. About 38% is generated by food industry during manufacturing processes representing one of the major economic issues for the companies. As Italy is one on the major worldwide producers of oil and wine, the problem of the management of deriving by-products is highly debated. The current practice of pomace spreading in lands, indeed, implies high costs to proper storage, large availability of suitable lands, and risks of phytotoxic burden, with great economic and environmental losses. In the challenge of transforming by-products into useful resources that can be re-used in a circular perspective, this research project proposes the extraction of bioactive compounds for nutraceutical purposes from olive oil exhausted pomace and Aglianico wine marc, as a sustainable approach to overcome the current environmental limitations of both natural product supplying and waste disposal. To this aim, different alternative extractive methods have been compared, including maceration, ultrasound-assisted extraction, microwave-assisted extraction, and accelerated solvent extraction. Following the principles of Green Chemistry water and ethanol were selected as extractive solvents. Further, to develop an industrially scalable extraction method, a digestion at 60°C was also carried out on grape marc. A preliminary screening basing on total phenolic content and antioxidant activity has been performed and the Relative Antioxidant Capacity Index (RACI) has been calculated to select the most active extracts. Following a bio-assay oriented approach, in vitro assays and chemical characterization were carried out on these extracts. Olive pomace extracts revealed safe on HepG2 cells, unaffecting cell viability and confirmed their antioxidant potential on intracellular ROS, restoring the basal levels in tert-butyl hydroperoxide-stressed cells. This activity may be explained by results of HPLC-DAD analysis that allows to identify and quantified 7 compounds. Among them, 3-hydroxytyrosol possess widely known antioxidant and cytoprotective effects. Moreover, salidroside, a glycoside of tyrosol, has been identified for the first time. This compound, detectable in olives and known for the great adaptogen and immunostimulating power, has never been found in olive pomace until now, highlighting interesting perspectives on the exploitation of the pomace as low-cost source of health-promoting compounds. In a similar perspective comes the management of Aglianico wine pomaces. To the best of our knowledge, this is the first time that the peculiar phenolic composition of the cv. Aglianico grape was investigated in the whole fraction of their by-products, posing the basis for a full exploitation of winemaking residues as inexpensive, and easily available potential sources of bioactive compounds for the pharmaceutical, cosmetic, and food industries. Simple and scalable extraction by digestion in hydroalcoholic medium allows to obtain extracts rich in phytochemicals and with strong antioxidant, anti-tyrosinase, and anticancer potential. Most of all, wine pomace hydroalcoholic extracts showed a great selectivity towards cancer cells, without affecting healthy cell viability. This effect seems to be mediated by ROS generation in cancer cells and strongly correlated to the presence of tannins. The chemical characterization by LC-HR-MS/MS revealed a great variety of compounds with well-known beneficial properties. In addition, the first full scan of the chemical composition of Aglianico pomace is presented, and bioinformatic analysis through Global Natural Products Social (GNPS) molecular networking highlighted unknown compounds with potential antioxidant and chemopreventive properties, not previously reported in literature. This research project also proved the technical feasibility of the process, through the industrial scale-up of the laboratory study and assessed the environmental impacts of the process through Life Cycle Analysis (LCA), highlighting that the proposed project allows an up-cycling of by-products in high-value products. In the frame of the circular economy, an eco-friendly recovery of bioactive compounds from pomaces, like that proposed in this study, would increase the sustainability of the entire sector, allowing the reintroduction of by-products in food chain as a cheap source of health-promoting compounds to be used in nutraceutical, cosmetic, and pharmaceutical field.

Nutraceutical valorisation of olive oil and Aglianico wine by-product bioactive compounds by means of Green Chemistry and Life Cycle Assessment / Labanca, Fabiana. - (2022 Mar 10).

Nutraceutical valorisation of olive oil and Aglianico wine by-product bioactive compounds by means of Green Chemistry and Life Cycle Assessment

LABANCA, FABIANA
2022-03-10

Abstract

Every year, around 1.3 billion tons of food become waste. According to the Food and Agriculture Organization (FAO) of the United Nations, it corresponds to one third of all food produced for human consumption. About 38% is generated by food industry during manufacturing processes representing one of the major economic issues for the companies. As Italy is one on the major worldwide producers of oil and wine, the problem of the management of deriving by-products is highly debated. The current practice of pomace spreading in lands, indeed, implies high costs to proper storage, large availability of suitable lands, and risks of phytotoxic burden, with great economic and environmental losses. In the challenge of transforming by-products into useful resources that can be re-used in a circular perspective, this research project proposes the extraction of bioactive compounds for nutraceutical purposes from olive oil exhausted pomace and Aglianico wine marc, as a sustainable approach to overcome the current environmental limitations of both natural product supplying and waste disposal. To this aim, different alternative extractive methods have been compared, including maceration, ultrasound-assisted extraction, microwave-assisted extraction, and accelerated solvent extraction. Following the principles of Green Chemistry water and ethanol were selected as extractive solvents. Further, to develop an industrially scalable extraction method, a digestion at 60°C was also carried out on grape marc. A preliminary screening basing on total phenolic content and antioxidant activity has been performed and the Relative Antioxidant Capacity Index (RACI) has been calculated to select the most active extracts. Following a bio-assay oriented approach, in vitro assays and chemical characterization were carried out on these extracts. Olive pomace extracts revealed safe on HepG2 cells, unaffecting cell viability and confirmed their antioxidant potential on intracellular ROS, restoring the basal levels in tert-butyl hydroperoxide-stressed cells. This activity may be explained by results of HPLC-DAD analysis that allows to identify and quantified 7 compounds. Among them, 3-hydroxytyrosol possess widely known antioxidant and cytoprotective effects. Moreover, salidroside, a glycoside of tyrosol, has been identified for the first time. This compound, detectable in olives and known for the great adaptogen and immunostimulating power, has never been found in olive pomace until now, highlighting interesting perspectives on the exploitation of the pomace as low-cost source of health-promoting compounds. In a similar perspective comes the management of Aglianico wine pomaces. To the best of our knowledge, this is the first time that the peculiar phenolic composition of the cv. Aglianico grape was investigated in the whole fraction of their by-products, posing the basis for a full exploitation of winemaking residues as inexpensive, and easily available potential sources of bioactive compounds for the pharmaceutical, cosmetic, and food industries. Simple and scalable extraction by digestion in hydroalcoholic medium allows to obtain extracts rich in phytochemicals and with strong antioxidant, anti-tyrosinase, and anticancer potential. Most of all, wine pomace hydroalcoholic extracts showed a great selectivity towards cancer cells, without affecting healthy cell viability. This effect seems to be mediated by ROS generation in cancer cells and strongly correlated to the presence of tannins. The chemical characterization by LC-HR-MS/MS revealed a great variety of compounds with well-known beneficial properties. In addition, the first full scan of the chemical composition of Aglianico pomace is presented, and bioinformatic analysis through Global Natural Products Social (GNPS) molecular networking highlighted unknown compounds with potential antioxidant and chemopreventive properties, not previously reported in literature. This research project also proved the technical feasibility of the process, through the industrial scale-up of the laboratory study and assessed the environmental impacts of the process through Life Cycle Analysis (LCA), highlighting that the proposed project allows an up-cycling of by-products in high-value products. In the frame of the circular economy, an eco-friendly recovery of bioactive compounds from pomaces, like that proposed in this study, would increase the sustainability of the entire sector, allowing the reintroduction of by-products in food chain as a cheap source of health-promoting compounds to be used in nutraceutical, cosmetic, and pharmaceutical field.
Circa 1.3 miliardi di tonnellate di rifiuti agroalimentari sono prodotti ogni anno, di cui il 38% deriva dai processi di trasformazione nelle industrie alimentari, costituendo un problema non solo etico, ma anche economico, per le aziende che devono gestirne lo smaltimento, ed ambientale, per le pesanti conseguenze che tale fenomeno ha sulla salute dell’uomo e dell’ambiente. Lo smaltimento in discarica, infatti, è responsabile dell’immissione di notevoli quantità di metano atmosferico, che ha un impatto negativo sull'effetto serra. Poiché l’Italia è uno dei maggiori produttori di vino e di olio, il problema della gestione dei sottoprodotti derivanti da tali catene produttive è fortemente dibattuto. Di fronte alla sfida di trasformare i sottoprodotti in risorse utili che possano essere riutilizzate in una prospettiva circolare, questo progetto di ricerca propone l'estrazione di composti bioattivi da sansa esausta di olio d'oliva e vinacce di Aglianico come strategia alternativa per superare i limiti legati all’approvvigionamento di tali composti e allo smaltimento dei rifiuti. A questo scopo, sono state confrontate diverse metodiche estrattive, tra cui la macerazione, l'estrazione assistita da ultrasuoni, l'estrazione assistita da microonde e l'estrazione accelerata con solvente. Seguendo i principi della chimica verde, acqua ed etanolo sono stati scelti come solventi d’estrazione. In prospettiva aziendale, è stata eseguita anche una digestione a 60ºC sulle vinacce, quale metodica facilmente scalabile. Un primo screening ha permesso di selezionato gli estratti più attivi, sulla base del contenuto fenolico totale e dell'attività antiossidante, a seguito del calcolo dell'indice della capacità antiossidante relativa (RACI). Seguendo un approccio bio-assay oriented, questi estratti sono stati testati in vitro su modelli cellulari e caratterizzati chimicamente per delineare il loro profilo fitochimico. Gli estratti di sansa d'oliva non hanno mostrato effetti citotossici su HepG2 e hanno confermato il loro potenziale antiossidante, ripristinando i livelli di ROS basali nelle cellule stressate con terz-butil idroperossido. Tale attività può essere spiegata dal peculiare contenuto di metaboliti specializzati, come emerge dall'analisi HPLC-DAD che ha permesso di identificare e quantificare 7 composti. Tra questi, il 3-idrossitirosolo, con effetti antiossidanti e citoprotettivi ampiamente riconosciuti, e la salidroside, un glicoside del tirosolo, presente nelle olive e mai ritrovato finora nella sansa, noto per l’importante azione adattogena e immunostimolante. Questi risultati evidenziano interessanti prospettive sullo sfruttamento della sansa come fonte a basso costo di composti bioattivi utili per la salute umana. Allo stesso modo, le vinacce derivanti dalla produzione di Aglianico sono state studiate per la prima volta come fonti di composti bioattivi per l'industria farmaceutica, cosmetica e alimentare. L'estrazione semplice e scalabile per digestione in mezzo idroalcolico permette di ottenere estratti ricchi di sostanze bioattive con azione antiossidante, inibitoria nei confronti della tirosinasi e anticancro. Gli estratti idroalcolici di vinaccia hanno mostrato una grande selettività verso le cellule tumorali, senza compromettere la vitalità delle cellule sane. Questo effetto sembra essere dovuto alla generazione di ROS nelle cellule tumorali e fortemente correlato alla presenza di tannini. La caratterizzazione chimica mediante LC-HR-MS/MS ha rivelato una grande varietà di composti dotati di proprietà salutistiche. Inoltre, è presentato il primo full-scan della vinaccia di Aglianico e l’analisi bioinformatica mediante Global Natural Product Social (GNPS) molecular networking ha evidenziato composti sconosciuti con potenziali proprietà antiossidanti e chemiopreventive, mai riportati in letteratura. Questa tesi ha anche dimostrato la fattibilità tecnica del processo, attraverso lo scale-up industriale dello studio di laboratorio e ha valutato gli impatti ambientali del processo attraverso l'analisi del ciclo di vita (LCA), sottolineando che il progetto proposto consente un up-cycling dei sottoprodotti in prodotti di alto valore. Nell'ambito dell'economia circolare, un recupero eco-sostenibile dei composti bioattivi dalle vinacce, come quello proposto in questo studio, aumenterebbe la sostenibilità dell'intero settore, consentendo la reintroduzione di questi sottoprodotti nella catena alimentare come fonte di composti bioattivi da utilizzare in campo nutraceutico, cosmetico e farmaceutico.
By-products; olive oil pomace; wine pomace; Green Chemistry; antioxidant activity; cytotoxicity; Life Cycle Assessment
Nutraceutical valorisation of olive oil and Aglianico wine by-product bioactive compounds by means of Green Chemistry and Life Cycle Assessment / Labanca, Fabiana. - (2022 Mar 10).
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