Valorization of mixed fruit waste into bioproducts

Abstract

O Brasil consta como o terceiro maior produtor mundial de frutas, resultando na geração de grandes volumes de resíduo rico em biocompostos de valor agregado que estão presentes nas sementes, polpas e cascas que compõem esse tipo de resíduo. Nesse contexto, visando explorar o potencial dessa biomassa como fonte de diferentes compostos ativos, esta tese objetivou a obtenção de D-limoneno, açúcares fermentescíveis e compostos fenólicos, bem como a produção de bioetanol a partir de resíduo de mix de frutas formado por cascas de abacaxi, banana, manga, limão e laranja. Inicialmente foi feita uma revisão bibliográfica sobre as metodologias convencionais (extração sólido-líquido com solvente) e emergentes (extração com líquido pressurizado, assitida por ultrassom, assistida por microondas e de campo elétrico pulsado) de extração de biocompostos de resíduos de frutas e produção de bioetanol. Na sequência, obteve-se D-limoneno por extração em Soxhlet com solvente etanol, com rendimento de cerca de 6,41 mg/g de resíduo, e bioetanol a partir de açúcares fermentescíveis gerados por hidrólise enzimática com celulase, atingindo 63,90 g/L, com fermentação conduzida a 30 °C por 12 horas utilizando Wickerhamomyces sp. UFFSCE-3.1.2, resultando em aproximadamente 7,14 g/L de bioetanol. Por fim, foi feita a otimização da extração de compostos fenólicos totais (CFT) com solvente em banho de agitação Dubnoff e assistida por ultrassom. Na extração em banho de agitação, o maior rendimento foi de 12,43 mg AGE/g de biomassa seca usando razão biomassa:solvente de 1:25 (m/v), concentração de etanol de 50 % (v/v) e temperatura de 50 °C por 10 minutos. Para a extração assistida por ultrassom, condições ótimas de 50 % de potência, razão biomassa:solvente de 1:47 (m/v) e concentração de etanol de 50 % (v/v) por 10 min resultaram em concentração de compostos fenólicos totais semelhante (12,41 mg AGE/g de biomassa seca). O perfil cromatográfico dos extratos foi feito usando Cromatografia Líquida acoplada à Espectrometria de Massas com Ionização por Eletrospray em Tandem (LC-ESI-MS/MS), sendo detectados miricetina, rutina, ácido gálico, quercetina e ácido ferúlico, dos quatorze padrões avaliados pelo método cromatográfico. A atividade antioxidante total (AAT), medida pelo método 2,2-difenil-1-picril-hidrazil (DPPH), foi expressiva em ambos os extratos, sendo maior para o extrato obtido por ultrassom. De modo geral, os resultados demonstram o potencial de aproveitamento do resíduo de mix de frutas como fonte de compostos bioativos de interesse, contribuindo para a valorização da biomassa agroindustrial e para o desenvolvimento de estratégias sustentáveis de reaproveitamento de resíduos.

Abstract: Brazil is the world's third-largest fruit producer, resulting in the generation of large volumes of residues rich in value-added biocompounds present in the seeds, pulp, and peels that constitute this type of waste. In this context, aiming to explore the potential of this biomass as a source of different bioactive compounds, this thesis aimed to obtain D-limonene, fermentable sugars, and phenolic compounds, as well as to produce bioethanol from mixed fruit residue composed of pineapple, banana, mango, lemon, and orange peels. Initially, a literature review was conducted on conventional (solid?liquid solvent extraction) and emerging (pressurized liquid extraction, ultrasound-assisted extraction, microwave-assisted extraction, and pulsed electric field extraction) methodologies for extracting biocompounds from fruit waste and producing bioethanol. Subsequently, D-limonene was obtained by Soxhlet extraction using ethanol as the solvent, yielding approximately 6.41 mg/g of residue, and bioethanol was produced from fermentable sugars generated by enzymatic hydrolysis with cellulase, reaching 63.90 g/L. Fermentation was conducted at 30 °C for 12 h using Wickerhamomyces sp. UFFSCE-3.1.2, resulting in approximately 7.14 g/L of bioethanol. Finally, the extraction of total phenolic compounds (TPC) by solvent extraction in a Dubnoff shaking water bath and ultrasound-assisted extraction was optimized. In the Dubnoff bath extraction, the highest yield was 12.43 mg GAE/g of dry biomass using a biomass-to-solvent ratio of 1:25 (w/v), an ethanol concentration of 50% (v/v), and a temperature of 50 °C for 10 min. For ultrasound-assisted extraction, optimal conditions of 50% power, a biomass-to-solvent ratio of 1:47 (w/v), and an ethanol concentration of 50% (v/v) for 10 min resulted in a similar total phenolic compound concentration (12.41 mg GAE/g of dry biomass). The chromatographic profile of the extracts was determined using Liquid Chromatography coupled with Electrospray Ionization Tandem Mass Spectrometry (LC-ESI-MS/MS), detecting myricetin, rutin, gallic acid, quercetin, and ferulic acid among the fourteen standards evaluated by the chromatographic method. The total antioxidant activity (TAA), measured by the 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) method, was significant in both extracts and was higher for the extract obtained by ultrasound-assisted extraction. Overall, the results demonstrate the potential of mixed fruit residue as a source of bioactive compounds of interest, contributing to the valorization of agro-industrial biomass and the development of sustainable waste reuse strategies.