Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2067/50372
Title: Synergistic recovery of natural food coloring agents from fruit and vegetable wastes by enzyme-assisted extraction
Other Titles: Recupero sinergetico di coloranti alimentari naturali da ortofrutticoli invenduti mediante estrazione di enzimi
Authors: Lombardelli, Claudio
Keywords: Circular economy;Unsold vegetables;Food colorant;Enzyme-assisted extraction;Carotenoids;Betalains;Color stability;Economia circolare;Frutta e verdura invendute;Colorante alimentare;Estrazione assistita da enzimi;Carotenoidi;Betalaine;Stabilità del colore;AGR/15
Issue Date: 30-Nov-2021
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato. 33. ciclo
Abstract: 
In the European Countries responsible food waste management is becoming a key priority as part of the circular economy, as also emphasized by the recently approved EU law (EU Directive, 2018/851). To our knowledge, studies concerning the use of unsold fruit and vegetable in supermarkets, as alternative source for the recovery of natural food pigments, have not been yet carried out. Thus, the aim of this PhD thesis project is to develop custom-made protocols for the extraction and stabilization of natural food pigments (carotenoids and betalains) from supermarket vegetable wastes, by enzyme assisted extraction (based on the usage of targeted mixed enzymatic activities).
Considering carotenoids, a conservative approach consisting in a tailored enzyme-assisted extraction protocol for the recovery of carotenoid-containing chromoplasts from unsold tomatoes in which lycopene is stable and protected against oxidation, has now been developed. A tailored enzymatic mix based on polygalacturonase, pectin lyase, cellulase and xylanase, has been designed taking into account the polysaccharide composition of the tomato cell wall. The optimal process conditions (temperature, pH, enzymatic mix of total dosage and processing time) have been investigated thorough Response Surface Methodology (RSM). The suitable temperature and pH identified by the RSM analysis were found to be: 45−55 °C at pH 5–5.5. The treatment carried out using the total dosage of 25 U/g for 180 min was the most convenient for maximizing the recovery yield [about 4.30±0.08 (mgLyc/Kgtomato)/U as carotenoid-containing chromoplasts (Chr) and about 5.43±0.04 (mgLyc/Kgtomato)/U as total carotenoids (Free car)].
Furthermore, the 30-day stability of Chr has been investigated, in comparison to Free car, by the kinetic degradation model of carotenoids and by the color attributes with CIELab* parameters (i.e. ΔE; a*/b* and C*), under dark and UV-light exposure at different temperatures (4, 25 and 40 °C). Regardless of the different storage conditions (temperature and UV-light), the lowest pigment degradation rates were found for Chr [0.014 days−1 (25 °C in the dark) - 0.057 days−1 (40 °C under UV-light)] rather than Free car [0.018 days−1 (25 °C in the dark) - 0.071 days−1 (40 °C under UV-
light)]. Furthermore, Chr better retained the colorimetric parameters, especially at 4 °C (ΔE ~ 4.0) and 25 °C (ΔE ~ 4.5) in the dark.
With the same rationale, a green and tailored protocol for the recovery of betalains from unsold red beets as food colorant was developed. The enzyme-assisted extraction protocol was optimized, and the most suitable conditions (in terms of pigment yield and color attributes) for the recovery of betalains appeared to be: 25 U/g total dose of enzymatic mix, temperature 25 °C, and processing time 240 min.
Moreover, the three-months storage stability of betalain extracts was investigated. The extract storability was evaluated by the kinetic degradation model of betacyanins and betaxanthins, as well as by pigment color attributes (CIELa*b* parameters) under dark and UV-light exposure at different temperatures (4, 25 and 40 °C). The effect of UV-light was negligible if the pigment was not exposed to temperatures higher than the room one, since no relevant differences were found between the parameters studied at 4 and 25 °C. Taking into account the visual color, all the investigated color indexes (total color difference, chroma and hue) were mainly affected by temperature, even if mildly high (40 °C), and to a lesser extent by UV-light exposure.

Nei Paesi europei la gestione responsabile dello spreco alimentare sta diventando una priorità chiave nell'ambito dell'Economia Circolare, come sottolineato anche dalla normativa UE recentemente approvata (Direttiva UE, 2018/851). In base agli studi bibliografici fatti, non sono ancora stati effettuati studi sull'utilizzo di frutta e verdura invenduta nei supermercati, come fonte alternativa per il recupero di pigmenti alimentari naturali. Pertanto, l'obiettivo di questo progetto di tesi di dottorato è sviluppare protocolli ad hoc per l'estrazione e la stabilizzazione di pigmenti alimentari naturali (carotenoidi e betalaine) da scarti vegetali di supermercati, mediante estrazione assistita da enzimi (basata sull'utilizzo di attività enzimatiche miste mirate).
Considerando i carotenoidi, è stato sviluppato un approccio conservativo consistente in un protocollo di estrazione enzimatica su misura per il recupero di cromoplasti contenenti carotenoidi da pomodori invenduti in cui il licopene è naturalmente stabile e protetto dai processi di ossidazione. Una miscela enzimatica su misura a base di poligalatturonasi, pectin liasi, cellulasi e xilanasi, è stata progettata tenendo conto della composizione polisaccaridica della parete cellulare del pomodoro. Le condizioni ottimali di processo (temperatura, pH, dosaggio totale della miscela enzimatica e il tempo di estrazione) sono state studiate attraverso la Response Surface Methodology (RSM). La temperatura e il pH adatti identificati dall'analisi RSM sono risultati essere: 45-55 °C a pH 5-5,5. Il trattamento effettuato utilizzando il dosaggio totale di 25 U/g per 180 min è stato il più conveniente per massimizzare la resa di recupero [circa 4,30±0,08 (mgLyc/kgtomato)/U (Chr) e circa 5,43±0,04 (mgLyc/kgtomato)/U come carotenoidi totali (Free car)].
Inoltre, la stabilità a 30 giorni di Chr è stata studiata, rispetto a Free car, mediante analisi di degradazione cinetica e mediante analisi colorimetrica prendendo in considerazione alcuni attributi del colore determinati mediante i parametri CIELab* (cioè ΔE; a*/b* e C*), sotto esposizione al buio e ai raggi UV a diverse temperature (4, 25 e 40 °C). Indipendentemente dalle condizioni di conservazione (temperatura e luce UV), i tassi di degradazione più bassi dei pigmenti sono stati riscontrati per Chr [0,014 days-1 (25 °C al buio) - 0,057 days-1 (40 °C sotto luce UV)] rispetto ai Free
car [0,018 days-1 (25 °C al buio) - 0,071 days-1 (40 °C sotto luce UV)]. Inoltre, Chr ha conservato meglio i parametri colorimetrici, specialmente a 4 °C (ΔE ~ 4.0) e 25 °C (ΔE ~ 4.5) al buio.
Con la stessa logica, è stato sviluppato un protocollo green e su misura per il recupero delle betalaine dalle barbabietole rosse invendute. Il protocollo di estrazione enzimatica è stato ottimizzato e le condizioni più adatte (in termini di resa del pigmento e attributi di colore) per il recupero delle betalaine sono risultate essere: 25 U/g (dose totale), 25 °C e tempo di estrazione pari a 240 minuti. Inoltre, è stata studiata la stabilità di conservazione a 90 giorni degli estratti. La conservabilità è stata valutata mediante analisi di degradazione cinetica di betacianine e betaxantine, nonché dagli attributi del colore (parametri CIELa*b*) al buio e/o sotto l'esposizione alla luce UV a diverse temperature (4, 25 e 40 °C). L'effetto della luce UV è risultato trascurabile se il pigmento non viene esposto a temperature superiori a quella ambiente, poiché non si riscontravano differenze rilevanti tra i parametri studiati a 4 e 25 °C. Tenendo conto del colore degli estratti, tutti gli indici cromatici indagati (E, C* e H*) sono stati influenzati principalmente dalla temperatura, anche se moderatamente elevata (40 °C), e in misura minore dall'esposizione ai raggi UV.
Description: 
Dottorato di ricerca in Scienze, tecnologie e biotecnologie per la sostenibilità
URI: http://hdl.handle.net/2067/50372
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