Antioxidant and phenolic compounds in sweet potato peels and leaves: food applications and health benefits

Tese de doutoramento, Ciências Biotecnológicas (Biotecnologia Alimentar), Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2014

The valorisation of sweet potato (Ipomoea batatas L.) wastes into a food application with health benefits was studied using a product development framework to translate a product concept into a benchtop prototype. A functional beverage with attributes related to oxidative stress protection was developed using sweet potato peel (SPP) and sweet potato leaf (SPL) as components. The developing processes involved the following steps: literature and patent review, preliminary study, key factors screening, extraction optimization and beverage formula optimization. Total phenolic content (TPC) and antioxidant activity was measured by Folin-Ciocalteau method and antioxidant activity by in vitro screening assays. Literature and patent review for the period 2003-2014 identified research gaps on food applications with health benefits for SPL and especially SPP. Text mining analysis on articles abstracts could picture research main themes. A preliminary study using a factorial design revealed that plant part (stems or leaves) presented the largest main significant effect (p < 0.001) on TPC, total flavonoids content (TFC), total antioxidant activity (TAA), reducing power (RP) and ferric reducing activity power (FRAP) while for DPPH scavenging assay, solvent acidification was the most influential factor. Time of extraction had the only significant effect on RP assay, as main effect and interaction with plant part. Solvent: solid ratio and peel cut depth were the key factors identified by a Plackett-Burman design for the aqueous extraction of phenolics of SPP flour. The aqueous extraction conditions of phenolic from SPP flour were modelled by Response Surface Methodology (RSM) and Artificial neural Network (ANN) analysis of a Central composite Design (CCD) experimental plan. Optimized conditions were 60 mL/g for solvent: solid ratio, 30 min for time and 75 ºC for temperature. Predicted responses were 11.87 ± 0.69 mg GAE/g DM for TPC, 12.91 ± 0.42 mg TE/g DM for ABTS and 46.35 ± 3.08 mg TE/g DM for DPPH assay. Beverage formula components SPP aqueous extract (SPPE), SPL water extract (SPLE) and honey solution (HonS) were combined according to a mixture design. The optimized formula obtained by ANN models for the SPP beverage benchtop prototype was 50.0 % of SPPE, 21.5 % of SPLE and 28.5 % of HonS. TPC, FRAP, DPPH assays and SS predicted responses for the optimal formula were 309 mg GAE/L, 476 mg TE/L, 1098 mg TE/L and 12.3 ± 0.8 ºBrix, respectively. Beverage positioned next to commercial vegetable and fruit beverages in terms of antioxidant activity. Knowledge transfer of these findings to food processors may offer an opportunity to transform SPP and SPL from a liability to an asset and promote further research on food application with health benefits.

A batata-doce (Ipomoea batatas L.) tem sido muito utilizada ao longo dos tempos tanto na alimentação humana como na medicina tradicional. As cascas de batata-doce (sweet potato peels, SPP) são consideradas um resíduo na maioria dos processos de transformação do tubérculo. Apesar de consumidas em algumas partes do mundo, as folhas (sweet potato leaves, SPL) não são ainda utilizados na dieta de muitos países. Estes resíduos apresentam potencial para a sua conversão em alimentos funcionais com elevado teor de compostos fenólicos e alta atividade antioxidante. Neste contexto, foi desenvolvido um protótipo de bancada para uma bebida antioxidante à base de SPP com potenciais benefícios para a saúde associados à proteção do stress oxidativo. As etapas do processo de desenvolvimento do novo produto foram: revisão da literatura e de patentes, estudo preliminar, rastreio de fatores-chave, otimização da extração e otimização da formulação. O teor total de compostos fenólicos (total phenolic content, TPC) e a atividade antioxidante foram avaliados respetivamente, pelo método Folin- Ciocalteau e ensaios in vitro. A revisão da literatura e de patentes para o período 2003- 2014 revelou lacunas na investigação, para SPL e especialmente para SPP, em aplicações alimentares com benefícios para a saúde. Da pesquisa realizada nas bases de dados ISI Web of Knowledge e ESPACENET foram selecionados e analisados 122 artigos e 170 patentes. O desenvolvimento de novos produtos e a utilização de ferramentas de design experimental foram hiatos identificados em estudos sobre SPP e SPL. Para SPP, foi ainda identificada a necessidade da análise da atividade antioxidante, da composição em fenólicos e a realização de ensaios pré-clínicos e clínicos. O produto alimentar mais estudado, nos artigos, foi na forma de farinha/pó enquanto que nas patentes foi a bebida. Deste modo, a valorização das SPP e SPL através do desenvolvimento de uma bebida com atividade antioxidante, recorrendo a ferramentas de desenho experimental e análise da atividade antioxidante in vitro, irá preencher lacunas identificadas na investigação. A mineração de textos (texto mining), aplicada aos resumos dos artigos e das patentes, identificou eficazmente os principais temas de investigação. No estudo preliminar foram investigados os efeitos de uma variável de produto (ramas de batata-doce) e de duas variáveis de processo (tempo e solvente de extração) em TPC e no teor de flavonoides (total flavonoid content, TFC) bem como na atividade antioxidante in vitro. Os métodos utilizados na avaliação da atividade antioxidante in vitro foram a atividade antioxidante total (total antioxidant activity, TAA), o poder redutor (reducing power, RP), o poder redutor do ferro (ferric reducing activity, FRAP) e o método de sequestro de radicais livres de 2,2-difenil-1-picrilhidrazila (DPPH). As experiências foram realizadas de acordo com um plano fatorial completo para três fatores: parte da planta (caule ou folhas), tempo (24, 48 ou 72 h) e solvente (não acidificado e acidificado). O fator mais importante influente nas respostas foi a parte da planta seguido do fator solvente. TPC, TFC, FRAP e RP apresentaram uma elevada influência do fator parte da planta enquanto que o solvente apresentou um maior efeito no método DPPH. O tempo de extração teve unicamente influência em RP, tanto como efeito principal como em interação com o fator parte da planta. As atividades antioxidante das folhas foram 1,25 g de equivalentes de ácido ascórbico (ascorbic acid equivalent, AAE)/100 g (peso seco) para TAA e 50,8 g de equivalentes de ácido gálico (galic acid equivalente, GAE,)/100 g para RP. A atividade sequestrante do radical DPPH foi superior à atividade antioxidante medida por FRAP (.i.e., 58,6 e 29,3 mM de equivalentes de Trolox (Trolox equivalent, TE)/g de peso seco, respetivamente). A etapa seguinte, do processo de desenvolvimento, foi o rastreio de fatores chave na extração de compostos fenólicos de farinhas de SPP. Para tal, utilizouse um design experimental de 12 ensaios de Plackett-Burman tendo como variáveis a razão solvente: sólido (10 ou 50 mL/g), o tempo (60 ou 180 min), o pH (2,3 ou 7,0), a profundidade do corte da casca (1,5 ou 3,0 mm), o tamanho das partículas (<600 ou <300 μm), a temperatura (27 ou 40 ºC), o solvente (água destilada ou água do abastecimento público), o tamanho da amostra (0,1 ou 1,0 g) e o nível de agitação (50 ou 200 rpm). Os fatores chave significativos (p <0,05) para TPC foram a razão solvente: sólido (efeito positivo) e a profundidade do corte da casca (efeito negativo). Estes dois fatores apresentaram efeitos de direção, magnitude e significância semelhante para FRAP. Os modelos de regressão obtidos para os resultados de FRAP, transformados pela função raiz quadrada, mostraram a interação entre os fatores profundidade de corte e tamanho da amostra como o terceiro efeito mais influente. A modelação e otimização da extração aquosa de compostos fenólicos, com atividade antioxidante, de farinhas de SPP foram realizadas recorrendo às metodologias de Superfície de Resposta (Response Surface Methodology, RSM) e de Redes Neurais Artificiais (Artificial Neural Network, ANN). A razão solvente: sólido (30 a 60 mL/g), o tempo (30 a 90 min) e a temperatura (25 a 75 ºC) foram combinados de acordo com um plano de experiências de composto central (Central Composite Design, CCD). Os fatores temperatura e a razão solvente: sólido, individualmente e em interação, apresentaram um efeito positivo quer para TPC quer para os métodos ABTS e DPPH. Individualmente, o fator tempo,teve uma influência negativa no método ABTS e, quando combinado com a temperatura, apresentou o mesmo efeito para TPC e para o método ABTS. A direção da influência do fator tempo foi sempre negativa e de magnitude inferior aos efeitos positivos dos outros fatores. As condições de extração ótimas obtidas foram 60 mL/g, 45 min e 75 °C com valores previstos para os métodos TPC, ABTS e DPPH de 11,87 ± 0,69 mg GAE, 12,91 ± 0,42 mg TE e 46,35 ± 3,08 mg TE por g de material seco, respetivamente. O rendimento em compostos fenólicos e as respetivas condições de extração obtidas para SPP foram semelhantes aos conseguidos para as cascas de batata, as cascas de fruta do chá (Camelia sinensis L.) e as cascas de manga (Mangifera pajang Kostern). A etapa final do desenvolvimento do novo produto consistiu na otimização da formulação de uma bebida antioxidante, tendo como componentes um extrato aquoso de SPP (SPPE), um extrato aquoso de SPL (SPLE) e uma solução de mel (HonS). As formulações foram testadas de acordo com um desenho de mistura I-optimal sendo avaliadas pelos métodos TPC, FRAP, DPPH e pelos sólidos solúveis (SS). A modelação dos dados foi realizada pelas metodologias de regressão dos mínimos quadrados (least squared regression, LSR) e ANN. Os componentes apresentaram um efeito positivo para os métodos TPC, FRAP e DPPH na seguinte ordem: SPLE> SPPE> HonS. Foram observados efeitos sinergéticos entre SPPE e HonS, SPLE e HonS e SPPE e SPLE, e todos os efeitos antagónicos foram não significativos (p> 0,05). A formulação ótima da bebida foi obtida pela metodologia ANN tendo como resultado 50,0 % de SPPE, 21,5 % de SPLE e 28,5 % de HonS. Os valores previstos para os métodos TPC, FRAP, DPPH e para SS foram respetivamente 309 mg GAE/L, 476 mg TE/L, 1098 mg TE/L e 12,3 ºBrix, tendo-se obtido resultados idênticos com a utilização dos modelos LSR. O protótipo posicionou-se próximo das bebidas comerciais de frutas e vegetais quanto à sua atividade antioxidante. A transferência de conhecimento destes resultados para a indústria alimentar pode oferecer uma oportunidade para a valorização de SPP e SPL promovendo paralelamente o interesse na investigação em aplicações alimentares com benefícios para a saúde.