Sustainable recovery of bioactive compounds from olive oil industrial by-products and potential application in food sector

Sustainability and circular economy principles are pivotal in driving innovations that enhance the valorization of agricultural by-products, including those of the olive oil industry. Olive oil by-products, such as olive leaves, wastewater and pomace, could serve as abundant sources of bioactive compounds with significant antioxidant, antimicrobial, and functional properties. This thesis investigates novel, green, sustainable recovery methods and their application in the food sector to minimize environmental impact and improve food quality. The first study conducted during the doctoral research examined the efficacy of olive leave vinegar (OLV) as a functional ingredient in emulsion-based dressings. The primary focus was on evaluating recovered bioactive compounds' oxidative stability and antioxidant properties. Produced through cold maceration in 6% alcoholic vinegar, OLV shows considerable promise as a sustainable food additive from olive oil industry by-products. Although there was a reduction in the initial phenolic content from 4.2 g/L to 2.7 g/L after two years of storage, OLV's total phenol levels remained high, indicating its ongoing functional potential. Trials involving experimental oil blends with OLV displayed significant antioxidant effects, evidenced by reduced daily peroxide value formation and increased Rancimat induction time. This research underscores OLV's ability to inhibit lipid oxidation through its phenolic compounds, suggesting valuable applications for developing functional food products that offer extended shelf life and enhanced nutritional stability. A study related to that argument published in Foods also focused on formulating healthier mayonnaise using OLV, a soybean and high oleic sunflower oil blend, and soymilk as an egg substitute. The resultant mayonnaise comprises 57% fat, which includes 11% saturated fat, 64% monounsaturated fat, and 23% polyunsaturated fatty acids, alongside an alpha-linolenic acid content of 1.7%. Furthermore, it exhibited significant levels of phenol (68 mg/100 g) and oleuropein (52 mg/100 g), measured based on the fresh weight of the mayonnaise. Sensory evaluations indicated that OLV mayonnaise was rated notably higher in terms of color, aroma, and taste. In addition, it demonstrated superior oxidative stability compared to the control, sustaining a peroxide value of approximately 4.5 meqO2/kg following 12 months of storage, thereby suggesting an extended shelf life. The second aspect of the research involved producing functional beverages from olive pomace. We achieved a noteworthy phenolic content of 600 mg/L CAE using just 300 g/L of fresh pomace, primarily comprising hydroxytyrosol compounds. Air drying the treated pomace led to a 50% reduction in total phenol content compared to freeze drying, while a 30-minute heating treatment proved sufficient for optimal extraction. In studies focused on preserving meat, a novel olive leaf (OL) extract obtained via steam water extraction. This extract displayed remarkable antioxidant activity, demonstrated by DPPH EC50 values of 57.6 μg/mL and 76.5 μg/mL for both OL water and ethyl acetate extracts, respectively. These extracts effectively preserved beef patties by minimizing TBARS values, maintaining levels between 0.52-0.78 mg MDA/Kg under natural atmospheric conditions over a 10-day storage period. It is crucial to note that these findings are reflected in this thesis, though some results have already been published. Furthermore, the effectiveness of xanthan gum-based edible coatings incorporating olive oil by-products, specifically pomace and leave extracts, was evaluated concerning fresh strawberries' shelf life and quality over a 12-day storage period. The application of olive by-product extracts resulted in significant enhancements in strawberry preservation. Microbiological analysis indicated that control samples exhibited high aerobic plate counts of 3.33 ± 0.12 log10 CFU/mL. In contrast, strawberries coated with freeze-dried olive pomace extract (Ex. FD-OP) reduced microbial growth to 1.47 ± 0.25 log10 CFU/mL. The total phenol content in control samples significantly decreased from 124.8 ± 14.1 to 87.5 ± 7.9 mg/100g, while air-dried olive pomace extract (Ex. AD-OP) maintained levels at 105.9 ± 3.4 mg/100g. Furthermore, the physicochemical properties were significantly preserved, as texture analysis indicated that the firmness of control strawberries decreased from 2.07 N to 1.41 N, whereas firmness in Ex. AD-OP-coated strawberries were maintained at 1.92 N. Total soluble solids remained more stable in treated samples, with control groups declining from 9.00 to 7.83 °Brix compared to Ex. FD-OP, which maintained a level of 8.17 °Brix. The study on olive pomace extracts, particularly those in freeze-dried formulations, illustrates their practical application in inhibiting microbial growth and preserving the physicochemical characteristics of strawberries. This research presents a promising and sustainable strategy for post-harvest fruit preservation, with potential implications for the food industry. In the same context, a previous study also showed that the lemon peel essential oil-edible skin coating material (LPEO–ESCMs) has enhanced the antioxidant capacity, antibacterial efficiency, and malondialdehyde level of pear during storage time. It was concluded that 3 % of LPEO–ESCMs improved the overall acceptability of pear fruits. Taken together, the novel insights of guar gum and chitosan-based ESCMs entrapped with LPEO will remain a subject of research interest for researchers in the future. Finally, complementary research has been conducted to evaluate the combined effects of novel nonthermal emerging technologies, such as Ultrasonic Probe Extraction (UP-Ex), Cold Atmospheric Plasma Extraction (PAW), and Surface Barrier Dielectric Discharge (SDBD). The 80% methanol extraction without pretreatment (OL-80% MeOH) yielded the highest TPC (6.36 ± 0.88) GAE among all olive leave extracts, along with superior DPPH inhibition (88.1 ± 0.2%), FRAP activity (345.9 ± 12.2 M Fe3+), and ABTS inhibition (79.1 ± 2.9%). For olive leaves, 30% ethanol without pretreatment (OL-30% EtOH) showed a remarkably high TPCC (5.29 ± 0.10 mg GAE) among all solvent systems. This indicates that lower ethanol concentrations might selectively extract compounds with higher antioxidant activity, whether tested individually or in combination. These findings suggest that olive by-products possess considerable potential as a source of phenolic-enriched extracts, thereby rendering them a valuable natural ingredient for the food industry.

I principi di sostenibilità e di economia circolare sono fondamentali per promuovere innovazioni che valorizzino i sottoprodotti agricoli, compresi quelli dell'industria olearia. I sottoprodotti dell'olio d'oliva, come le foglie di olivo, le acque reflue e la sansa, potrebbero costituire fonti abbondanti di composti bioattivi con significative proprietà antiossidanti, antimicrobiche e funzionali. Questa tesi studia metodi di recupero innovativi, ecologici e sostenibili e la loro applicazione nel settore alimentare per ridurre al minimo l'impatto ambientale e migliorare la qualità degli alimenti. Il primo studio condotto durante la ricerca di dottorato ha esaminato l'efficacia dell'aceto di foglie di olivo (OLV) come ingrediente funzionale nei condimenti a base di emulsione. L'obiettivo principale era valutare la stabilità ossidativa e le proprietà antiossidanti dei composti bioattivi recuperati. Prodotto attraverso macerazione a freddo in aceto alcolico al 6%, l'OLV mostra notevoli potenzialità come additivo alimentare sostenibile derivato dai sottoprodotti dell'industria dell'olio d'oliva. Sebbene dopo due anni di conservazione si sia verificata una riduzione del contenuto fenolico iniziale da 4,2 g/L a 2,7 g/L, i livelli totali di fenoli dell'OLV sono rimasti elevati, indicando il suo potenziale funzionale. Le prove che hanno coinvolto miscele sperimentali di olio con OLV hanno mostrato significativi effetti antiossidanti, evidenziati dalla riduzione della formazione giornaliera del valore di perossido e dall'aumento del tempo di induzione Rancimat. Questa ricerca sottolinea la capacità dell'OLV di inibire l'ossidazione dei lipidi attraverso i suoi composti fenolici, suggerendo applicazioni preziose per lo sviluppo di prodotti alimentari funzionali che offrono una maggiore durata di conservazione e una maggiore stabilità nutrizionale. Uno studio correlato a tale argomento pubblicato su Foods si è concentrato anche sulla formulazione di una maionese più sana utilizzando OLV, una miscela di olio di soia e olio di girasole ad alto contenuto oleico e latte di soia come sostituto dell'uovo. La maionese risultante contiene il 57% di grassi, di cui l'11% di grassi saturi, il 64% di grassi monoinsaturi e il 23% di acidi grassi polinsaturi, oltre a un contenuto di acido alfa-linolenico dell'1,7%. Inoltre, ha mostrato livelli significativi di fenolo (68 mg/100 g) e oleuropeina (52 mg/100 g), misurati in base al peso fresco della maionese. Le valutazioni sensoriali hanno indicato che la maionese OLV ha ottenuto un punteggio notevolmente più alto in termini di colore, aroma e gusto. Inoltre, ha dimostrato una stabilità ossidativa superiore rispetto al controllo, mantenendo un valore di perossido di circa 4,5 meqO2/kg dopo 12 mesi di conservazione, suggerendo quindi una maggiore durata di conservazione. Il secondo aspetto della ricerca ha riguardato la produzione di bevande funzionali a partire dalla sansa di oliva. Abbiamo ottenuto un notevole contenuto fenolico di 600 mg/L di CAE utilizzando solo 300 g/L di sansa fresca, composta principalmente da composti idrossitirosolici. L'essiccazione all'aria della sansa trattata ha portato a una riduzione del 50% del contenuto fenolico totale rispetto alla liofilizzazione, mentre un trattamento termico di 30 minuti si è rivelato sufficiente per un'estrazione ottimale. Negli studi incentrati sulla conservazione della carne, è stato ottenuto un nuovo estratto di foglie di olivo (OL) tramite estrazione con acqua vaporizzata. Questo estratto ha mostrato una notevole attività antiossidante, dimostrata dai valori DPPH EC50 di 57,6 μg/mL e 76,5 μg/mL rispettivamente per gli estratti OL in acqua e in acetato di etile. Questi estratti hanno conservato efficacemente gli hamburger di manzo riducendo al minimo i valori TBARS, mantenendo livelli compresi tra 0,52 e 0,78 mg MDA/Kg in condizioni atmosferiche naturali per un periodo di conservazione di 10 giorni. È fondamentale notare che questi risultati sono riportati in questa tesi, anche se alcuni di essi sono già stati pubblicati. Inoltre, è stata valutata l'efficacia dei rivestimenti commestibili a base di gomma xantana che incorporano sottoprodotti dell'olio d'oliva, in particolare estratti di sansa e foglie, in relazione alla durata di conservazione e alla qualità delle fragole fresche durante un periodo di conservazione di 12 giorni. L'applicazione degli estratti dei sottoprodotti dell'oliva ha portato a significativi miglioramenti nella conservazione delle fragole. L'analisi microbiologica ha indicato che i campioni di controllo presentavano un elevato numero di piastre aerobiche pari a 3,33 ± 0,12 log10 CFU/mL. Al contrario, le fragole rivestite con estratto di sansa di oliva liofilizzata (Ex. FD-OP) hanno ridotto la crescita microbica a 1,47 ± 0,25 log10 CFU/mL. Il contenuto totale di fenoli nei campioni di controllo è diminuito significativamente da 124,8 ± 14,1 a 87,5 ± 7,9 mg/100 g, mentre l'estratto di sansa di oliva essiccato all'aria (Ex. AD-OP) ha mantenuto i livelli a 105,9 ± 3,4 mg/100 g. Inoltre, le proprietà fisico-chimiche sono state significativamente preservate, poiché l'analisi della consistenza ha indicato che la durezza delle fragole di controllo è diminuita da 2,07 N a 1,41 N, mentre la durezza delle fragole rivestite con Ex. AD-OP è rimasta a 1,92 N. I solidi solubili totali sono rimasti più stabili nei campioni trattati, con i gruppi di controllo che sono diminuiti da 9,00 a 7,83 °Brix rispetto a Ex. FD-OP, che ha mantenuto un livello di 8,17 °Brix. Lo studio sugli estratti di sansa di oliva, in particolare quelli in formulazioni liofilizzate, illustra la loro applicazione pratica nell'inibire la crescita microbica e preservare le caratteristiche fisico-chimiche delle fragole. Questa ricerca presenta una strategia promettente e sostenibile per la conservazione post-raccolta della frutta, con potenziali implicazioni per l'industria alimentare. Nello stesso contesto, uno studio precedente ha anche dimostrato che il materiale di rivestimento commestibile a base di olio essenziale di buccia di limone (LPEO-ESCM) ha migliorato la capacità antiossidante, l'efficacia antibatterica e il livello di malondialdeide delle pere durante il periodo di conservazione. Si è concluso che il 3% di LPEO-ESCM ha migliorato l'accettabilità complessiva dei frutti di pera. Nel complesso, le nuove intuizioni relative agli ESCM a base di gomma di guar e chitosano intrappolati con LPEO rimarranno oggetto di interesse di ricerca per i ricercatori in futuro. Infine, è stata condotta una ricerca complementare per valutare gli effetti combinati di nuove tecnologie emergenti non termiche, come l'estrazione con sonda ultrasonica (UP-Ex), l'estrazione con plasma atmosferico freddo (PAW) e la scarica dielettrica con barriera superficiale (SDBD). L'estrazione con metanolo all'80% senza pretrattamento (OL-80% MeOH) ha prodotto il TPC (6,36 ± 0,88) GAE più elevato tra tutti gli estratti di foglie di olivo, insieme a un'inibizione DPPH superiore (88,1 ± 0,2%), attività FRAP (345,9 ± 12,2 M Fe3+) e inibizione ABTS (79,1 ± 2,9%). Per le foglie di olivo, l'etanolo al 30% senza pretrattamento (OL-30% EtOH) ha mostrato un TPC notevolmente elevato (5,29 ± 0,10 mg GAE) tra tutti i sistemi di solventi. Ciò indica che concentrazioni inferiori di etanolo potrebbero estrarre selettivamente composti con una maggiore attività antiossidante, sia se testati singolarmente che in combinazione. Questi risultati suggeriscono che i sottoprodotti dell'oliva possiedono un notevole potenziale come fonte di estratti arricchiti di fenoli, rendendoli così un ingrediente naturale prezioso per l'industria alimentare.