Aprovechamiento de los subproductos del brócoli como fuente de compuestos bioactivos

Abstract

La industria agroalimentaria es actualmente uno de principales motores de desarrollo económico en el mundo, siendo la Región de Murcia una potencia en la producción de frutas y hortalizas. El procesamiento de estos productos genera una cantidad ingente de subproductos que, en la mayoría de los casos, no tienen ninguna aplicación en la producción de nuevos alimentos o productos, y son desechados suponiendo un problema medioambiental. Hoy día existen numerosas referencias acerca del potencial que poseen los subproductos de la industria agroalimentaria como fuente importante de compuestos bioactivos, pero apenas se ha explorado este potencial de forma específica en los subproductos del brócoli. Por ello, el principal objetivo de esta Tesis Doctoral se centra en desarrollar un sistema de producción sostenible de ingredientes bioactivos apostando por la valorización de los subproductos del brócoli generados en grandes cantidades por la empresa Agrícola Santa Eulalia S.L, mediante el empleo de tecnologías de extracción respetuosas con el medio ambiente, para su incorporación a la fabricación de nuevos productos con aplicaciones cosméticas y nutracéuticas. Así, una vez triturado y deshidratado el subproducto del brócoli, se desarrolló un diseño experimental basado en el modelo de superficie de respuesta para optimizar y validar los procedimientos de extracción de compuestos bioactivos mediante fluidos supercríticos (SFE) y fluidos presurizados (PLE). La identificación y cuantificación de los compuestos bioactivos se realizó mediante HPLC-DAD, HPLC-MS, GC-MS y espectrofotómetro, determinando, asimismo, la capacidad antioxidante de los extractos obtenidos mediante el método del ABTS. La optimización de la extracción basada en SFE mostró que la temperatura, la presión, el tiempo de procesamiento, el flujo y el porcentaje de etanol influyeron significativamente en la extracción dando como resultado un extracto mucho más rico en compuestos bioactivos totales (β-caroteno, compuestos fenólicos totales, clorofilas, fitoesteroles y α-tocoferol) que los extractos convencionales, lo que a su vez se correlacionó con una mayor actividad antioxidante. Por otro lado, se llevó a cabo la optimización de la extracción de glucosinolatos basado en PLE demostrando la eficiencia de PLE como una alternativa ambientalmente sostenible para extraer glucosinolatos a partir de los subproductos del brócoli. Una vez caracterizados los compuestos bioactivos presentes en los extractos SFE y PLE, se realizaron ensayos de bioactividad in vitro para evaluar si el pretratamiento con los extractos SFE y PLE procedentes de subproductos de brócoli era capaz de reducir el estrés oxidativo causado por la exposición a la luz UV-B en una línea celular de queratinocitos no tumorigénicos (HaCaT) así como un sistema de protección frente a la inflamación intestinal inducida por el lipopolisacárido (LPS) en una línea celular de miofibroblastos sanos de colon (CCD-18Co). Para ello, se determinaron los perfiles de transcripción de genes que codifican para citoquinas proinflamatorias mediante qRT-PCR. Los resultados mostraron que el extracto SFE exhibió un efecto citoprotector sobre los queratinocitos expuestos a la luz UV-B reduciendo eficazmente el contenido intracelular de ROS y revirtiendo significativamente el aumento de las citoquinas proinflamatorias inducidos por la radiación UV-B. Por su parte, el extracto enriquecido en glucosinolatos obtenido mediante PLE presentó propiedades antiinflamatorias en células CCD-18Co estimuladas con LPS, y mostró capacidad potencial para atenuar la producción de algunos marcadores proinflamatorios y de revertir la acumulación intracelular de ROS. Además, ambos extractos resultaron ser efectivos como potenciales agentes terapéuticos para la reparación de heridas en la piel. Estos resultados demuestran que los extractos procedentes de subproductos de brócoli tienen una utilidad potencial como aditivos de productos cosméticos y nutracéuticos. Además, permitirá a la empresa Agrícola Santa Eulalia dar un salto cualitativo en su gama de productos, revalorizando a su vez un subproducto derivado de su propio proceso de producción.

The agri-food industry is currently one of the main engines of economic development in the world, with the Region de Murcia being a power in the production of fruit and vegetables. The processing of these products generates a huge number of by-products that, in most cases, have no application in the production of new foods or products, and are discarded, creating an environmental problem. Nowadays, there are numerous references about the potential of by-products from the agri-food industry as an important source of bioactive compounds, but this potential has hardly been specifically explored in broccoli by-products. For this reason, the main goal of this Doctoral Thesis is focused on developing a sustainable production system of bioactive ingredients, promoting the revalorization of broccoli by-products generated in large quantities by the company Agrícola Santa Eulalia S.L, through the use of environmental friendly extraction technologies, for its incorporation into the manufacture of new products with cosmetic and nutraceutical applications. Thus, once the broccoli by-product was crushed and dehydrated, an experimental design based on the response surface model was developed to optimize and validate the extraction procedures of bioactive compounds using supercritical fluids (SFE) and pressurized fluids (PLE). The identification and quantification of the bioactive compounds was carried out by HPLC-DAD, HPLC-MS, GC-MS and spectrophotometer, determining, also, the antioxidant capacity of the extracts obtained by the ABTS method. SFE-based extraction optimization showed that temperature, pressure, time, flow rate and ethanol percentage significantly influenced the extraction resulting in an extract richer in total bioactive compounds (β-carotene, total phenolic compounds, chlorophylls, phytosterols and α-tocopherol) than conventional extracts, which in turn was correlated with higher antioxidant activity. On the other hand, the optimization of glucosinolates extraction based on PLE was carried out, demonstrating the efficiency of PLE as an environmentally sustainable alternative to extract glucosinolates from broccoli by-products. Once the bioactive compounds present in the SFE and PLE extracts were characterized, in vitro bioactivity was performed to assess whether the pretreatment with the SFE and PLE extracts from broccoli by-products could reduce oxidative stress caused by exposure to UV-B light in a non-tumorigenic keratinocyte cell line (HaCaT) as well as a protection system against intestinal inflammation induced by lipopolysaccharide (LPS) in a healthy colonic myofibroblast cell line (CCD-18Co). For this, the transcription profiles of genes involved in the inflammatory response were determined using qRT-PCR. The results showed that the SFE extract exhibited a cytoprotective effect on keratinocytes exposed to UV-B light by effectively reducing the intracellular ROS accumulation and significantly reversing the increase in proinflammatory cytokines induced by UV-B radiation. On the other hand, the extract enriched in glucosinolates obtained by PLE showed anti-inflammatory properties in CCD-18Co cells stimulated with LPS, and showed potential capacity to attenuate the production of some proinflammatory markers and to reverse the intracellular accumulation of ROS. Furthermore, both extracts were found to be effective as potential therapeutic agents for skin wound repair. These results demonstrate that extracts from broccoli by-products have potential utility as additives to cosmetic and nutraceutical products. In addition, it will allow the company Agrícola Santa Eulalia to make a qualitative leap in its range of products, while revaluing a by-product derived from its own production process.