High-pressure technologies as a green approach for recovering and valorizing bioactive compounds from acerola, soursop, and strawberry agri-industrial by-products

Abstract

A graviola (Annona muricata), acerola (Malpighia emarginata DC) e morango (Fragaria xAnanassa), são processadas na região Nordeste do Brasil e utilizadas para a fabricação de sucos, polpas, sorvetes, doces, entre outros. A agroindústria de frutas produz 30-60% de resíduos (casca, caroço ou sementes e bagaço) que são pouco explorados, embora ricos em fitoquímicos. fluido supercrítico (SFE), água subcrítica (SWE) e assistido por micro-ondas (MAE) em diferentes moléculas e condições operacionais avaliadas comparativamente com a técnica convencional de destruição (Soxhlet-SOX). Os extratos foram avaliados em relação ao conteúdo fenólico total (TPC), a capacidade antioxidante (DPPH, ABTS e FRAP), caracterização química e atividade antiproliferativa (in vitro) contra linhagens de células cancerígenas. Os extratos do semente de graviola, tiveram uma fração lipídica recuperada por SFE (30 MPa/40 ºC), composta por 70,0% de MUFA (ácidos oleico, 10,13-octadecadienoico e linoleico). O valor de TPC (77,3 mg GAE·g-1) foi maior na proteção sequencial (SFE +SWE) e capacidade antioxidante foi superior às extrações simples SFE, SWE e SOX. Foram identificados por LC-ESI-MS/MS, 41 compostos fenólicos, destes 29 foram detectados pela primeira vez, predominantemente ácidos fenólicos e flavonoides. Em relação ao extrato de extração de acerola, foram comparadas extrações SWE a 70, 90, 110 e 130°C utilizando resíduo fresco e seco (8 h; 40 °C). O valor de TPC variou entre (348,3 - 362,0 mg GAE. g-1), seguido de uma redução especial a 90°C e tornando a subir a 110 e 130°C. Mesmo comportamento para atividade antioxidante (DPPH, FRAP e ABTS), devido à neoformação de compostos antioxidantes decorrentes de reações de Maillard e de caramelização associada à manipulação do ácido ascórbico. O perfil fitoquímico foi acessado por UPLC-ESIQTOF-MSE, onde foram identificados, ácido málico, ácido ascórbico e compostos fenólicos (flavonoides), sendo quercetina O-ramnosídeo, quercetina pentosil-O-hexosídeo e kaempferol O-ramnosídeo mais abundantes e intensos nos extratos SWE com amostra fresca a 90°C do que na seca, destacando seu potencial de reaproveitamento. A fração fenólica da sobra do morango foi recuperada por extrações simples (SWE, MAE e SOX) e combinadas com despressurização rápida SP+MAE. O melhor valor de TPC foi para SWE 130°C (269,10 mgGAE. g-1) e atividade antioxidante variaram, para DPPH entre (EC50. 2,53 e 0,47 mg mL-1),ABTS de (438,08 e 1205,16 µmol TE g-1 ), e FRAP de (360,35 - 1010,99 µmol TE g-1). O perfil fitoquímico foi obtido por UPLC-ESI-QTOF-MSE e identificou 16 metabólitos, incluindo ácidos orgânicos, elagitaninos, procianidinas e outros compostos fenólicos que variaram em detalhes e intensidade conforme técnica de extração. Os extratos foram utilizados em ensaios de atividade antiproliferativa contra B16F10, 4T1, SF295, SK-MEL-28, e PC-3 linhagens de células cancerígenas sendo que os extratos de semente de graviola SFE 30MPa 40°C e SWE 130°C foram capazes de reduzir o crescimento tumoral em 35% e 31% para B16F10 e 4T1, respectivamente. A utilização de técnicas de proteção ecologicamente acessíveis, agregam valor a estes resíduos agroindustriais possibilitando aplicações alimentícias, nutracêuticas, farmacêuticas, químicas e cosméticas além de auxiliar na promoção de uma economia circular ao reaproveitar biomassa que seria descartada.

Abstract: Soursop (Annona muricata), acerola (Malpighia emarginata DC), and strawberry (Fragaria x Ananassa) are processed in the Northeast region of Brazil and used for the manufacture of juices, pulps, ice cream, and sweets, among others. The fruit agroindustry produces 30-60% of residues (peel, core or seeds, and bagasse), which are little explored although rich in phytochemicals. Thus, the objective of this study was to recover potentially bioactive compounds by unconventional techniques, such as supercritical fluid (SFE), subcritical water (SWE), and microwave-assisted extraction (MAE) in different combinations and operating conditions, evaluating comparatively with conventional extraction technique (Soxhlet-SOX). The extracts were evaluated for total phenolic content (TPC), antioxidant capacity (DPPH, ABTS, and FRAP), chemical characterization, and antiproliferative activity (in vitro) against cancer cell lines. Soursop seed extracts had the lipid fraction recovered by SFE (30 MPa/40 ºC), composed of 70.0% UFA (oleic, 10,13-octadecadienoic and linoleic acids). The value of TPC (77.3 mg GAE·g-1) was higher in the sequential extraction (SFE +SWE), and antioxidant capacity was superior to the simple extractions SFE, SWE, and SOX. Forty-one phenolic compounds were identified by LC-ESI-MS/MS, of which 29 were detected for the first time, predominantly phenolic acids and flavonoids. Concerning acerola residue extract, SWE extractions at 70, 90, 110, and 130°C using fresh and dry residue (8 h; 40°C) were compared. The TPC value varied (348.3 - 362.0 mg GAE.g-1), followed by a considerable decrease at 90°C and rising again at 110 and 130°C. The same behavior for antioxidant activity (DPPH, FRAP, and ABTS) is due to the neoformation of antioxidant compounds derived from Maillard reactions and caramelization associated with ascorbic acid degradation. The phytochemical profile was accessed by UPLC-ESI-QTOF-MSE, where malic acid, ascorbic acid and phenolic compounds (flavonoids) were identified, with quercetin O-rhamnoside, quercetin pentosyl-O-hexoside and kaempferol O-rhamnoside being the most abundant and intense in the SWE extracts with fresh sample at 90°C than in the dry one, highlighting its reuse potential. The phenolic fraction of the strawberry residue was recovered by simple extractions (SWE, MAE, and SOX) and combined with SP+MAE rapid depressurization. The best TPC value was for SWE 130°C (269.10 mg GAE. g-1) and antioxidant activity varied, DPPH (EC50. 2.53 to 0.47 mg mL-1), ABTS (438.08 to 1205.16 µmol TE g-1), and FRAP (360.35 to 1010.99 µmolTEg-1). UPLC-ESI-QTOF-MSE accessed the phytochemical profile, and 16 metabolites were identified, including organic acids, ellagitannins, procyanidins, and other phenolic compounds that varied in amounts and intensity according to the extraction technique. The extracts were used in antiproliferative activity assays against B16F10, 4T1, SF295, SK-MEL-28, and PC-3 cancer cell lines, and soursop seed extracts SFE 30MPa 40°C and SWE 130°C were able to reduce tumor growth by 35% and 31% for B16F10 and 4T1, respectively. The use of ecologically attractive extraction techniques adds value to these agro-industrial residues, enabling food, nutraceutical, pharmaceutical, chemical and cosmetic applications, as well as helping to promote a circular economy by reusing biomass that would otherwise be discarded.