Development of a sustainable method for the extraction of lycopene and β-carotene from food wastes

Abstract

The main objective of the present work is the study of a profitable process not only in the extraction and selective separation of lycopene and β-carotene, two compounds present in tomato, but also in its potential application to food industry wastes. This is one of the industries that produce larger amounts of wastes, which are rich in high value biomolecules with great economic interest. However, the conventional methods used to extract this kind of compounds are expensive which limits their application at large scale. Lycopene and βcarotene are carotenoids with high commercial value, known for their antioxidant activity and benefits to human health. Their biggest source is tomato, one of the world’s most consumed fruits, reason for which large quantities of waste is produced. This work focuses on the study of diverse solvents with a high potential to extract carotenoids from tomato, as well as the search for more environmentally benign solvents than those currently used to extract lycopene and β-carotene from biomass. Additionally, special attention was paid to the creation of a continuous process that would allow the fractionation of the compounds for further purification. Thus, the present work started with the extraction of both carotenoids using a wide range of solvents, namely, organic solvents, conventional salts, ionic liquids, polymers and surfactants. In this stage, each solvent was evaluated in what regards their capacity of extraction as well as their penetration ability in biomass. The results collected showed that an adequate selection of the solvents may lead to the complete extraction of both carotenoids in one single step, particularly acetone and tetrahydrofuran were the most effective ones. However, the general low penetration capacity of salts, ionic liquids, polymers and surfactants makes these solvents ineffective in the solid-liquid extraction process. As the organic solvents showed the highest capacity to extract lycopene and βcarotene, in particular tetrahydrofuran and acetone, the latter solvent used in the development process of fractionation, using to this by strategic use of solvents. This step was only successfully developed through the manipulation of the solubility of each compound in ethanol and n-hexane. The results confirmed the possibility of fractionating the target compounds using the correct addition order of the solvents. Approximately, 39 % of the β-carotene was dissolved in ethanol and about 64 % of lycopene was dissolved in n-hexane, thus indicating their separation for two different solvents which shows the selective character of the developed process without any prior stage optimization. This study revealed that the use of organic solvents leads to selective extraction of lycopene and β-carotene, allowing diminishing the numerous stages involved in conventional methods. At the end, it was possible to idealize a sustainable and of high industrial relevance integrated process, nevertheless existing the need for additional optimization studies in the future.

O principal objetivo do presente trabalho recai no estudo de um processo eficiente para a extração e fracionamento de licopeno e β-caroteno presentes no tomate, bem como na aplicação do processo a resíduos provenientes da indústria alimentar. Esta é uma das indústrias que produz das maiores quantidades de resíduos ricos em biomoléculas com valor acrescentado e com um elevado potencial económico. No entanto, os métodos convencionais para a extração deste tipo de compostos tornam-se dispendiosos, o que inviabiliza a sua aplicação em larga escala. O licopeno e o β-caroteno são carotenóides com elevado valor comercial, conhecidos pela sua atividade antioxidante e efeitos benéficos para a saúde humana. A sua maior fonte é o tomate, um dos frutos mundialmente mais consumidos, razão pela qual as quantidades de resíduos produzidos são consideráveis. Este trabalho centra-se no desenvolvimento de um processo que permita a extração e fracionamento eficientes destes carotenóides a partir do tomate, considerando o uso de solventes mais benignos que os estudados até ao momento. Adicionalmente, foi igualmente desenvolvido o processo de fracionamento em contínuo, considerando a futura aplicação industrial do mesmo. Assim, iniciou-se o presente trabalho com a extração destes dois carotenóides utilizando um conjunto de solventes comuns e alternativos, nomeadamente, solventes orgânicos, sais convencionais, líquidos iónicos, polímeros e surfatantes. Nesta etapa avaliou-se a capacidade de extração de cada um dos solventes. Os resultados obtidos demonstraram que uma seleção adequada do solvente pode conduzir à extração completa dos dois carotenóides numa única etapa de extração, sendo que a acetona e o tetrahidrofurano se revelaram os mais eficazes, sendo os sais, líquidos iónicos, polímeros e surfatantes pouco eficazes no processo de extração sólido-líquido, pela sua geral baixa capacidade de penetração na biomassa. Após demonstrar a elevada capacidade dos solventes orgânicos na extração do licopeno e β-caroteno, nomeadamente tetrahidrofurano e acetona, este último solvente foi usado no desenvolvimento de processo de fracionamento, recorrendo-se para isso ao uso de solventes estratégicos. Este passo foi desenvolvido com sucesso a partir da manipulação das solubilidades de cada um dos compostos de interesse em etanol e n-hexano. Os resultados obtidos confirmaram a possibilidade de fracionamento dos compostos alvo, pela adição ordenada dos solventes. Cerca de 39% do β-caroteno ficou dissolvido no etanol e cerca de 64% de licopeno encontrava-se dissolvido no n-hexano, indicando assim a sua separação para dois solventes distintos o que demonstra o caráter seletivo do processo desenvolvido, sem qualquer etapa prévia de otimização. Este estudo revelou que a utilização de solventes orgânicos conduz à extração seletiva de licopeno e β-caroteno, permitindo a eliminação de inúmeras etapas descritas pelos métodos convencionais. Por fim, foi possível idealizar e desenvolver um processo integrado sustentável e de relevância industrial.