Valorization of agri-food waste

Lo sfruttamento indiscriminato da parte dell'uomo delle già limitate risorse naturali ha generato una grave crisi ambientale ed economica. Il riutilizzo dei materiali di scarto si pone al centro del nuovo modello di economia, che da “lineare” diventa “circolare”. Attualmente i rifiuti generati dagli sprechi alimentari rappresentano il principale problema per la gestione delle risorse naturali. Per questo, la transizione verso un'economia circolare genera opportunità di rinnovamento e innovazione soprattutto nelle industrie agroalimentari. La produzione e la trasformazione di legumi decorticati porta alla generazione di una grande quantità di sottoprodotto rappresentato principalmente da tegumenti. I tegumenti di legumi rappresentano un prodotto di alto valore in quanto ricchi di polifenoli e composti bioattivi; pertanto, il loro utilizzo e riutilizzo per una produzione alimentare più sostenibile è incoraggiante. In questo lavoro sono state applicate diverse strategie per valorizzare i tegumenti di lenticchie e riutilizzarli come fonte di composti benefici o come ingrediente per prodotti alimentari innovativi. Per esplorare il valore aggiunto di questo sottoprodotto come fonte di composti funzionali, è stata applicata, per la prima volta a questa matrice, una tecnica sostenibile di estrazione assistita da microonde (MAE) testando diversi solventi di estrazione su due varietà di tegumenti di lenticchie, rosse e verdi. Gli estratti sono risultati promettenti in termini di attività antiossidante e antinfiammatoria/spasmolitica, rispettivamente. I risultati dei test biologici sono stati supportati anche dall’indagine completa sui composti bioattivi in ciascun estratto con l'ausilio della cromatografia liquida accoppiata a spettrometria di massa tandem ad alta risoluzione (LC-HRMS/MS) e strumenti bioinformatici avanzati. In secondo luogo, è stata esplorata la possibilità di valorizzare i tegumenti di lenticchie come nuovo ingrediente per la produzione di un tipico tarallo pugliese arricchito con farina di tegumenti di lenticchie. I tegumenti e il tarallo arricchito sono stati quindi caratterizzati in termini proteomici e metabolomici. È stata inoltre eseguita una analisi differenziale per identificare i composti caratterizzanti derivati dai tegumenti ed una indagine sul profilo proteico allergenico del tarallo finale. In terzo luogo, è stata studiata l'implementazione di microrganismi ed enzimi per migliorare il profilo nutrizionale dei tegumenti di lenticchie. Attraverso analisi LC-HRMS/MS e un sofisticato software per l'identificazione dei metaboliti, sono stati esplorati gli effetti della fermentazione operata dal lievito Wickerhamomyces anomalus e/o l'effetto dell'idrolisi da parte dell'enzima alcalasi sul profilo chimico dei tegumenti di lenticchie. Lo studio nel complesso ha fornito risultati promettenti: in primo luogo, gli estratti di tegumenti di lenticchie ottenuti con tecnica MAE sono risultati ricchi di composti antiossidanti e antinfiammatori con potenziale applicazione nella protezione delle linee cellulari di neuroblastoma (SH-SY5Y) e nella gestione delle malattie infiammatorie intestinali (IBD). In secondo luogo, è stato osservato un profilo nutrizionale migliorato nel tarallo quando è stato incluso il 20% di farina di tegumenti di lenticchie nella ricetta finale; sebbene nel prodotto finale siano state individuate proteine potenzialmente allergeniche. In terzo luogo, sottoporre i tegumenti di lenticchie a fermentazione da parte di microrganismi selezionati ha portato a un aumento del contenuto di composti fenolici rilasciati in soluzione, invece è stato osservato un maggiore rilascio di peptidi bioattivi a seguito del processo di idrolisi operato dell’alcalasi.

Humans' indiscriminate exploitation of the already limited natural resources has generated serious environmental and economic crises. The reuse of waste or by-products represents the foundation of the new model of economy, where ‘linear’ becomes ‘circular’, replacing the system based on ‘extraction, production, and consumption’ with a new system of waste prevention, recovery, and regeneration and a balanced use of raw materials and energy. The recovery of agri-food by-products is part of the zero-waste circular economy. Among others, decorticated legume production and transformation leads to the generation of a large amount of by-products mainly represented by hulls. Hulls represent a high valuable product due to the richness in polyphenols and bioactive compounds thus deserving their use and re-use for a more sustainable food production. In this work different advanced strategies have been applied for reintroducing and valorising lentil hulls in the food chain as source of beneficial compounds or ingredient for implemented products. To explore the added value of this by-product as source of functional compounds, a sustainable microwave-assisted extraction (MAE) approach based on different extraction solvents was firstly applied to green and red lentil hulls. The extracts were found to be promising in terms of antioxidant and anti-inflammatory/spasmolytic activity. The biological assays results were supported also by the complete profiling of the metabolite components of each extract with the aid of liquid chromatography–high resolution tandem mass spectrometry (LC-HRMS/MS) and advanced bioinformatic tools. Second, the possibility to valorise lentil hulls as novel ingredient for producing enriched food at high nutritional value has been explored. Specifically, a revised procedure to produce a typical Apulian tarallo enriched with lentil hulls flour has been designed and optimized. Lentil hulls and the fortified Tarallo were then in-depth characterized at proteomic and metabolomic level and the functional compounds derived from hulls as well as the final allergenic protein profile of the Tarallo have been investigated. Third, the implementation of microorganisms and enzymatic treatment for improving the nutritional profile of lentil hulls thus to obtain a more valuable functional ingredient was also investigated. Through LC-HRMS/MS analysis and sophisticated software for metabolites identification, the effects of fermentation and/or the effect of hydrolyzation on the chemical profile of lentil hulls was explored. Promising results were obtained from the overall study: firstly, the lentil hull extracts obtained after MAE extraction were found rich in antioxidant and anti-inflammatory phytochemicals with potential application in the protection of the neuroblastoma cell line (SH-SY5Y) and in the management of inflammatory bowel disease (IBD). Secondly, an increased nutritional profile was observed in Tarallo snack when a 20% of lentil hulls powder was included in the final recipe; although a certain number of allergenic proteins lentil-derived have been found in the final product. Thirdly, submitting lentil hulls to fermentation by selected microorganism resulted into a consistent increase of the content of phenolic compounds released in solution, while a greater release of bioactive peptides was observed thanks to the alcalase hydrolysis process. The potential of these two strategies to improve the functionality of lentil hulls as ingredient has been demonstrated.