A green chemistry approach for the valorization of phenolic compounds found in agro-industrial wastes and by-products according to the circular economy model

Abstract

Phenolic compounds are secondary metabolites exhibiting interesting biological properties, such as antioxidant, anticancer, anti-inflammatory and antimicrobial activities. Their large occurrence in plants, dietary vegetables and fruits implies that agro-industrial wastes and by-products are rich of these valuable compounds. At the same time, the high organic content of these wastes and byproducts makes their disposal an environmental and economic problem. According to the circular economy strategy, they can be considered materials to valorize. In this light, the experimental activity carried out during the PhD program was focused on the valorization of phenolic compounds found in wastes and by-products obtained from olive oil and sweet chestnut processing. In particular, the attention was devoted to tyrosol (Tyr), homovanyllil alcohol (HVa), hydroxytyrosol (HTyr), oleuropein (Ole) and gallic acid (GA). In the first part of the work, lipophilic esters of Tyr, HVa, HTyr and GA were successfully prepared using eco-friendly synthetic procedures. The low cost, ease and safety in the use of the reagents employed in these procedures, make them attractive for the preparation of compounds characterized by relevant biological activities. In a second step, the lipophilization reaction optimized using pure HTyr and GA were applied with satisfactory results to HTyr e GA-enriched extracts obtained, respectively, from Olea europaea L. and Castanea sativa Mill. wastes and by-products through ecofriendly and economically sustainable technologies. The second part was aimed to prepare novel PVA-based films incorporating HTyr and Ole enriched extract, obtained by olive oil waste and by-products (free-oil olive pulp and leaves, respectively). All novel formulations were characterized investigating their morphological, optical and antioxidant properties. Their good performances suggested a potential use in active food packaging to pre-serve oxidative-sensitive food products. In the third part, the research was still focused on using Tyr, HVa and HTyr as building-block for the synthesis of a mini-library of new phosphodiester dimers. These compounds were investigated relatively to different aspects involved in Alzheimer’s disease. In this light, antioxidant activity, ability to inhibit amyloid-β protein aggregation and bio-metlas chelating capacity of dimers were evaluated. Results showed that PDs are promising as anti-Alzheimer’s disease agents.

I composti fenolici sono metaboliti secondari che possiedono interessanti proprietà biologiche, quali antiossidante, antitumorale, antinfiammatoria e antimicrobica. Il fatto che siano significativamente presenti nelle piante, come pure in frutta e verdura, implica che gli scarti e i sottoprodotti dei processi agro-industriali siano ricchi di tali preziosi composti. L’elevato carico organico che caratterizza tali materiali di scarto ne rende problematico lo smaltimento, sia dal punto di vista economico che ambientale. Tuttavia, in accordo con i principi dell’economia circolare, proprio la componente organica li rende una preziosa risorsa da valorizzare. In quest’ottica, l’attività sperimentale condotta durante questo corso di Dottorato si è focalizzata sulla valorizzazione di composti fenolici contenuti in scarti e sottoprodotti di lavorazione dell’olivo e del castagno. In particolare, l’attenzione è stata rivolta a tirosolo (Tyr), alcol omovanillico (HVa), idrossitirosolo (HTyr), oleuropeina (Ole) e acido gallico (GA). La prima parte del lavoro ha consistito nella messa a punto di procedure sostenibili per la reparazione di esteri lipofili di Tyr, HVa, HTyr e GA, composti caratterizzati da importanti proprietà biologiche. Le procedure ottimizzate con HTyr e GA puri sono state in seguito applicate, con risultati soddisfacenti, ad estratti arricchiti in HTyr e GA ottenuti da scarti e sottoprodotti di lavorazione di Olea europaea L. e Castanea sativa Mill, rispettivamente. La seconda parte del lavoro ha avuto come obiettivo la preparazione di nuove formulazioni a base di poli(vinil)alcol in cui sono state incorporate estratti arricchiti in HTyr e Ole ottenuti da scarti e sottoprodotti di lavorazione dell’olivo (sansa e foglie, rispettivamente). Tutte le formulazioni ottenute sono state caratterizzate e sono state studiate le loro proprietà ottiche, morfologiche e antiossidanti. I risultati ottenuti sono stati incoraggianti in relazione ad un potenziale utilizzo di questi materiali come imballaggi alimentari con la funzione di proteggere gli alimenti dai processi ossidativi. Nella terza parte, Tyr, HTyr e HVa sono stati utilizzati come building block per la sintesi di una minilibreria di dimeri fosfodiesterei. I composti ottenuti sono stati studiati in relazione a diversi aspetti coinvolti nel morbo di Alzheimer. Sono stati, pertanto, valutati l’azione antiossidante, la capacità di inibire la formazione delle placche amiloidi e la capacità di chelare bio-metalli. I dimeri preparati si sono dimostrati agenti promettenti per la cura e il trattamento dell’Alzheimer.