Resumen de tesis. Integrated Strategies for the Development of a Novel Functional Beverage with Sustainable Production Systems

Abstract

[EN] The sustainable and proper use of planetary resources is a major global concern nowadays; therefore, studying vegetable species and implementing sustainable strategies for proper crop management is extremely necessary. Identifying relevant plans of action at local, national, and international levels, with simultaneous economic, environmental, and social impacts, is essential for achieving sustainable goals and meeting the needs of current and future generations. Physiological and morphological characteristics of vegetable species are strongly influenced by biotic and abiotic factors. Responses to these factors are complex and vary among different vegetable species, impacting primary and secondary metabolism and influencing various phenotypical parameters. These effects extend to the biosynthesis and accumulation of different compounds, such as soluble sugars, carbohydrates, fatty acids, phenolic compounds, terpenes, alkaloids, among others. Complete knowledge and characterization of vegetable species are necessary to increase crop profitability, enhance the added value of crops, and reduce discarded vegetable material. Cynara cardunculus L. (syn. cardoon) is widely distributed in the surrounding countries of the Mediterranean basin, it is used in folk medicine and several traditional recipes. It is appreciated for its rich phytochemical and nutritional composition. The primary objective of this work was to understand how the chemical composition and bioactive properties of C. cardunculus plant parts vary throughout a complete growth cycle, thus allowing us to improve the knowledge of this species and all its constituents, to maximize its full potential. The different cardoon tissues, collected in Greece, were harvested through their development cycle, and extensively characterized for their chemical composition (Chapter 3) and bioactive properties (Chapter 4). Cardoon blades, bracts, heads, seeds, and petioles with principal growth stages between 1 and 9, were studied. The lipidic fraction and the composition of fatty acids, free sugars, tocopherols, and organic acids were analyzed using appropriate chromatographic methodologies for each class of compounds. The hydroethanolic extract of each sample was obtained and characterized for its phenolic composition and bioactive properties. The anti-inflammatory, antiproliferative, antioxidant, and antimicrobial capacities were also studied. All parameters studied were influenced by the date of sample collection, affecting the potential alternative uses in the most varied industrial sectors. Cardoon exhibited a wide variety of phenolic compounds, namely phenolic acids and flavonoids. Samples of heads, blades, bracts, and petioles collected at the time of inflorescence (principal growth stage (PGS) between 5 and 6/7), showed more promising bioactive properties, as well as higher levels of phenolic compounds. Contrary to seeds, where the content of phenolic compounds increased with the growth cycle, samples with PGS 7/8 revealed a greater bioactive potential. The obtained results were analyzed through several statistical methods to understand how the chemical composition and bioactivities of C. cardunculus plant parts vary throughout a complete growth cycle (Chapter 5). The influence of the different seasons on the species was evident, resulting in a clear discrimination between the samples harvested throughout the growth cycle. Additionally, observed fluctuations in chemical composition were consistent with the functions of each vegetable tissue and the different physiological processes in the plant. Despite the wide variety of industrial applications of cardoon, about 60 to 85% of the plant tissues of this species are not properly used, contributing to thousands of tons of waste generated worldwide. Producing countries such as Portugal, Spain, and Italy estimate that approximately 10 to 30 t/ha (62% corresponding to stems and blades and 38% to heads) of dry biomass are generated depending on irrigation and fertilization conditions. The outer stalks and blades of the cardoon plant can be hard and fibrous in texture, so they are often removed and discarded before using the tender inner parts. Thus, the samples with the most promising activities were characterized regarding fiber content to determine which plant tissue would be the most interesting for use as a functional ingredient (Chapter 5). In this respect, due to their high fiber content, cardoon blades exhibit the highest potential for being reused as a source of dietary fiber, while simultaneously being rich in compounds of great functional activity. Therefore, cardoon blades extract was used to enrich the nutritional and functional properties of a vegetable and fruit-based smoothie, within a zero-waste approach that involved reusing the extracted blades residue as a source of dietary fiber. The obtained functional smoothie was pasteurized by high-pressure processing (550 MPa for 3 minutes, HPP), an emerging non-thermal technology, and through conventional thermal pasteurization (90 ºC for 30 seconds, TP) (Chapter 6). According to the obtained results, cardoon blades were demonstrated to be a promising functional ingredient since it improved the chemical composition of smoothies, as well as their stability over storage. HPP technology showed the ability to preserve the nutritional and chemical composition of the smoothies, thus favoring their bioactive properties. This emerging technology offers an innovative alternative that guarantees quality without compromising nutritional benefits. Despite the enrichment with dietary fiber caused an increase in viscosity, the addition of the extraction residue increased the fiber content which, together with the benefits contributed by the blades extract, allowed for an improvement in the functional properties and fiber stability in the smoothies over shelf life. All the prepared formulations met the microbiological criteria, but the enrichment with cardoon blades resulted in more effective microbiological decontamination, leading to a lower presence of the detected microorganisms. The work developed could have a transformative impact on the food industry and other industrial sectors interested in the products/processes developed. Implementing nonthermal methodologies that ensure the safety of food products, as well as their quality, biochemical composition, and consequent benefits of their consumption, could be an important technological and functional advance. The reuse of nutrients, including fibers, and the recovery of phytochemicals from agricultural by-products would greatly contribute to favor of the bioeconomy and the valorization of alternative crops, as well as their producing countries. This validation could also contribute to expanding the industrial and/or commercial applicability of the technologies used. [ES] La utilización sostenible y adecuada de los recursos del planeta es una de las mayores preocupaciones globales de hoy en día, por lo que el estudio de las especies vegetales y la aplicación de estrategias sostenibles para una gestión adecuada de los cultivos son sumamente necesarios. La identificación de planes de acción que puedan adoptarse a escala local, nacional e internacional, con repercusiones económicas, medioambientales y sociales simultáneas, es esencial para alcanzar objetivos sostenibles y garantizar las necesidades de las generaciones actuales y futuras. Las características fisiológicas y morfológicas de las especies vegetales están muy influidas por factores bióticos y abióticos. Las respuestas de las especies a estos factores son complejas y presentan características distintas, dependiendo de cada especie vegetal. Estos fenómenos tienen un enorme impacto en el metabolismo primario y secundario, influyendo de manera determinante en casi todos los aspectos fenotípicos. También interfieren en la biosíntesis y acumulación de diferentes clases de compuestos (por ejemplo, azúcares solubles, carbohidratos, ácidos grasos, compuestos fenólicos, terpenos o alcaloides, entre otros). La caracterización y el conocimiento más completo posible de las especies vegetales son necesarios para ayudar a conseguir una mayor rentabilidad, aumentando el valor de los cultivos y reduciendo el material vegetal desechado. Cynara cardunculus L. (nombre común: cardo o cardo comestible) es una planta ampliamente distribuida en los países de la cuenca mediterránea, donde es utilizada en medicina popular y en diversas recetas tradicionales, apreciada por su rica composición fitoquímica y nutricional. El objetivo principal de este trabajo es comprender cómo varían la composición química y las propiedades bioactivas de las distintas partes de la planta a lo largo de un ciclo completo de crecimiento, lo que nos permitirá mejorar nuestro conocimiento de la especie y de todos sus constituyentes para aprovechar al máximo todo su potencial. Los distintos tejidos del cardo, recolectados en Grecia, se cosecharon a lo largo de todo su ciclo de desarrollo y se caracterizaron exhaustivamente en cuanto a su composición química (Capítulo 3) y sus propiedades bioactivas (Capítulo 4). Se estudiaron las hojas, brácteas, capítulos florales, semillas y peciolos del cardo, a lo largo de sus principales etapas de crecimiento (Principal Growth Stages, PGS, fases 1 a 9). La fracción lipídica y la composición en ácidos grasos, azúcares libres, tocoferoles y ácidos orgánicos se analizaron utilizando las metodologías cromatográficas apropiadas para cada clase de compuestos. Se obtuvo también el extracto hidroetanólico de cada una de las muestras y se caracterizó en términos de composición fenólica y propiedades bioactivas. En particular, se estudiaron las capacidades antiinflamatorias, antiproliferativas, antioxidantes y antimicrobianas siguiendo los protocolos respectivos. Todos los parámetros estudiados se vieron influidos por la fecha de recogida de la muestra, influyendo así sobre el potencial de aplicaciones en distintos sectores industriales. El cardo presentaba una amplia variedad de compuestos fenólicos, concretamente ácidos fenólicos y flavonoides. Las muestras de los capítulos florales, hojas, brácteas y peciolos recogidas en el momento de la inflorescencia (PGS entre 5 y 6/7) presentaron las propiedades bioactivas más prometedoras, así como niveles más elevados de compuestos fenólicos. Sin embargo, en las semillas el contenido de compuestos fenólicos aumentaba con el ciclo de crecimiento, siendo las muestras con PGS 7/8 las que mostraron mayor potencial bioactivo. Los resultados obtenidos se analizaron mediante diversos métodos estadísticos para comprender cómo varían la composición química y las bioactividades de las distintas partes de la planta a lo largo del ciclo completo de crecimiento (Capítulo 5). La influencia de las distintas estaciones sobre la especie fue evidente, lo que se traducía en una clara discriminación entre las muestras tomadas en las diferentes etapas. Por otra parte, las fluctuaciones observadas en la composición química eran coherentes con las funciones de cada tejido vegetal y los procesos fisiológicos de la planta. A pesar de la gran variedad de aplicaciones industriales del cardo, entre el 60 y el 85 % de los tejidos vegetales de esta especie no se utilizan adecuadamente, lo que contribuye a la generación de miles de toneladas de residuos en todo el mundo. En países productores, como Portugal, España e Italia, se estima que se producen alrededor de 10 a 30 t/ha (62 % correspondientes a tallos y hojas, y 38 % a cabezas florales) de biomasa seca, dependiendo de las condiciones de riego y fertilización. Los tallos y las hojas exteriores de la planta de cardo suelen tener una textura dura y fibrosa, por lo que generalmente se retiran y desechan para utilizar las partes tiernas interiores. Por ello, las muestras con la actividad más prometedora se caracterizaron en términos de contenido en fibra para determinar qué tejido vegetal sería el más interesante para su uso como ingrediente (Capítulo 5). Así, se pudo establecer que las hojas de cardo tienen un gran potencial para ser reutilizadas como fuente de fibra dietética, al tiempo que son ricas en compuestos de gran interés farmacológico. De este modo, se utilizó el extracto de las hojas de cardo para enriquecer las propiedades nutricionales y funcionales de un batido (smoothie) a base de verduras y frutas, bajo un enfoque de residuo cero, que implicaba también la adición del residuo obtenido tras la extracción de las hojas como fuente de fibra dietética. El batido funcional preparado se pasteurizó mediante procesado por alta presión (550 MPa durante 3 minutos, HPP), una tecnología emergente no térmica, y también mediante pasteurización térmica convencional (90 ºC durante 30 segundos, TP) (Capítulo 6). Los resultados obtenidos pusieron de manifiesto que las hojas de cardo constituían un ingrediente funcional prometedor, mejorando la composición fitoquímica de los batidos, así como su estabilidad durante el almacenamiento. La tecnología emergente HPP demostró ser particularmente útil para preservar la composición nutricional y química de los batidos y favorecer sus propiedades bioactivas, representando una alternativa innovadora para garantizar la calidad sin comprometer los beneficios nutricionales. Aunque el enriquecimiento con el residuo fibroso provocaba un aumento en la viscosidad, su incorporación, junto con la del extracto de las hojas, permitía mejorar las propiedades funcionales y el contenido y estabilidad de la fibra en los batidos durante su vida útil. Todas las formulaciones ensayadas cumplían con los criterios microbiológicos, pero el enriquecimiento con las hojas de cardo daba lugar a una descontaminación microbiana más eficaz, con cuentas más bajas de microorganismos. El trabajo realizado podría tener un impacto transformador en la industria alimentaria y otros sectores industriales interesados en los productos/procesos desarrollados. La implementación de metodologías no térmicas que garanticen la seguridad de los productos alimentarios, así como su calidad y composición nutricional y fitoquímica, con los consiguientes beneficios de su consumo, supone un importante avance tecnológico. La reutilización de nutrientes, incluyendo la fibra alimentaria, y la recuperación de fitoquímicos a partir de subproductos agrícolas contribuiría en gran medida a favorecer la bioeconomía y a la valorización de cultivos alternativos, con el beneficio consiguiente para sus países productores. Esta validación de las tecnologías utilizadas debe también contribuir a diversificar su aplicabilidad industrial y a una mejora en el valor comercial de los productos obtenidos. [POR] A utilização sustentável e adequada dos recursos do planeta é uma das maiores preocupações globais da atualidade, pelo que o estudo das espécies vegetais e a implementação de estratégias sustentáveis para uma gestão adequada das culturas é extremamente necessário. A identificação de planos de ação relevantes que possam ser adotados a nível local, nacional e internacional, com simultâneo impacto económico, ambiental e social, é essencial para atingir objetivos sustentáveis e assegurar as necessidades das gerações atuais e futuras. As características fisiológicas e morfológicas das espécies vegetais são fortemente influenciadas por fatores bióticos e abióticos. As respostas das espécies a esses fatores são complexas e com características distintas, dependendo de cada espécie vegetal. Estes fenómenos têm um enorme impacto no metabolismo primário e secundário, influenciando fortemente quase todos os parâmetros fenotípicos. Interferem também na biossíntese e acumulação de diferentes classes de compostos (açúcares soluvéis, hidratos de carbono, ácidos gordos, compostos fenólicos, terpenos, alcaloides, entre outros). O conhecimento e a caraterização completa das espécies vegetais são necessários para ajudar a alcançar uma maior rentabilidade, aumentando o valor das culturas e reduzindo o material vegetal descartado. Cynara cardunculus L. (cardo) está amplamente distribuído nos países da bacia mediterrânica, é utilizado na medicina popular e em várias receitas tradicionais, apreciado pela sua rica composição fitoquímica e nutricional. O principal objetivo deste trabalho foi compreender de que forma a composição química e as propriedades bioativas das diferentes partes da planta variam ao longo de um ciclo completo de crescimento, permitindo assim melhorar o conhecimento da espécie e de todos os seus constituintes, para maximizar todo o seu potencial. Os diferentes tecidos do cardo, recolhidos na Grécia, foram colhidos ao longo do seu ciclo de desenvolvimento e foram extensivamente caracterizados quanto à sua composição química (Capítulo 3) e propriedades bioativas (Capítulo 4). Foram estudadas as lâminas, brácteas, capítulos florais, sementes e pecíolos do cardo, com os principais estados de crescimento (Principal Growth Stages, PGS) entre 1 e 9. A fração lipídica e a composição em ácidos gordos, açúcares livres, tocoferóis e ácidos orgânicos foram analisadas utilizando as metodologias cromatográficas adequadas a cada classe de compostos. O extrato hidroetanólico de cada uma das amostras foi obtido e caracterizado quanto à sua composição fenólica e propriedades bioativas. As capacidades anti-inflamatória, antiproliferativa, antioxidante e antimicrobiana foram estudadas seguindo os respetivos protocolos. Todos os parâmetros estudados foram influenciados pela data de recolha da amostra, afetando assim o potencial de aplicações nos mais variados sectores industriais. O cardo exibiu uma grande variedade de compostos fenólicos, nomeadamente ácidos fenólicos e flavonoides. As amostras dos capítulos florais, lâminas, brácteas e pecíolos recolhidos na altura da inflorescência (PGS entre 5 e 6/7), apresentaram propriedades bioativas mais promissoras, bem como teores mais elevados de compostos fenólicos. Porém, nas sementes o teor de compostos fenólicos aumentou com o ciclo de crescimento, sendo as amostras com PGS 7/8 as que apresentaram maior potencial bioativo. Os resultados obtidos foram analisados através de vários métodos estatísticos para compreender como a composição química e as bioatividades das partes da planta C. cardunculus variam ao longo do ciclo de crescimento completo (Capítulo 5). A influência das diferentes estações do ano na espécie foi evidente, resultando numa clara discriminação entre as amostras colhidas. Além disso, as flutuações observadas na composição química foram coerentes com as funções de cada tecido vegetal e com os diferentes processos fisiológicos da planta. Apesar da grande variedade de aplicações industriais do cardo, cerca de 60 a 85% dos tecidos vegetais desta espécie não são devidamente aproveitados, contribuindo para os milhares de toneladas de resíduos gerados a nível mundial. Em países produtores como Portugal, Espanha e Itália estima-se que são geradas cerca de 10 a 30 t/ha (62% correspondentes a caules e folhas e 38% a cabeças) de biomassa seca, dependendo das condições de rega e fertilização. Os caules e as lâminas exteriores da planta do cardo podem ser duros e de textura fibrosa, pelo que são frequentemente removidos e deitados fora antes de se utilizarem as partes interiores tenras. Por isso, as amostras com atividade mais promissora foram caracterizadas quanto ao teor de fibras, para determinar qual tecido vegetal seria o mais interessante para uso como ingrediente funcional (Capítulo 5). Constatou-se que as folhas do cardo apresentam grande potencial para serem reutilizadas como fonte de fibras alimentares, sendo simultaneamente ricas em compostos de grande interesse farmacológico. Assim, o extrato das lâminas de cardo foi utilizado para enriquecer as propriedades nutricionais e funcionais de um smoothie à base de vegetais e frutas, sob uma abordagem de desperdício zero que envolveu a reutilização do resíduo das lâminas extraídas como fonte de fibra alimentar. O smoothie funcional obtido foi pasteurizado por processamento a alta pressão (550 MPa durante 3 minutos, HPP), uma tecnologia emergente não térmica, e também por pasteurização térmica convencional (90 ºC durante 30 segundos, TP) (Capítulo 6). De acordo com os resultados obtidos, as lâminas de cardo demonstraram ser um ingrediente funcional promissor, uma vez que melhoraram a composição fitoquímica dos smoothies, bem como a sua estabilidade durante o armazenamento. A tecnologia HPP demonstrou a capacidade de preservar a composição nutricional e química dos smoothies, favorecendo assim as suas propriedades bioativas. Esta tecnologia emergente oferece uma alternativa inovadora que garante a qualidade sem comprometer os benefícios nutricionais. Embora o enriquecimento com o resíduo fibroso provoque um aumento da viscosidade, a sua incorporação, juntamente com a do extrato das lâminas, permitiu melhorar as propriedades funcionais e o conteúdo e estabilidade da fibra nos smoothies ao longo do tempo de prateleira. Todas as preparações testadas cumpriram os critérios microbiológicos, mas a fortificação com lâminas de cardo resultou em uma descontaminação microbiana mais eficaz, com menor presença dos microrganismos detetados. O trabalho desenvolvido pode ter um impacto transformador na indústria alimentar e em outros sectores industriais interessados nos produtos/processos desenvolvidos. A implementação de metodologias não térmicas que garantem a biossegurança dos produtos alimentares, bem como a sua qualidade e composição nutricional e fitoquímica, com os consequentes benefícios do seu consumo, é um importante avanço tecnológico. O reaproveitamento de nutrientes, incluindo as fibras alimentares, e a recuperação de compostos bioativos de subprodutos agrícolas contribuiriam para a promoção da bioeconomia e a valorização de culturas alternativas, com o consequente benefício para os seus países produtores. Essa validação das tecnologias utilizadas deverá igualmente contribuir para ampliar a aplicabilidade industrial e melhorar o valor comercial dos produtos obtidos.