Resumen de tesis. Integrated Strategies for the Development of a Novel Functional Beverage with Sustainable Production Systems | Integrated Strategies for the Development of a Novel Functional Beverage with Sustainable Production Systems

[EN] The sustainable and proper use of planetary resources is a major global concern nowadays; therefore, studying vegetable species and implementing sustainable strategies for proper crop management is extremely necessary. Identifying relevant plans of action at local, national, and international levels, with simultaneous economic, environmental, and social impacts, is essential for achieving sustainable goals and meeting the needs of current and future generations. Physiological and morphological characteristics of vegetable species are strongly influenced by biotic and abiotic factors. Responses to these factors are complex and vary among different vegetable species, impacting primary and secondary metabolism and influencing various phenotypical parameters. These effects extend to the biosynthesis and accumulation of different compounds, such as soluble sugars, carbohydrates, fatty acids, phenolic compounds, terpenes, alkaloids, among others. Complete knowledge and characterization of vegetable species are necessary to increase crop profitability, enhance the added value of crops, and reduce discarded vegetable material. Cynara cardunculus L. (syn. cardoon) is widely distributed in the surrounding countries of the Mediterranean basin, it is used in folk medicine and several traditional recipes. It is appreciated for its rich phytochemical and nutritional composition. The primary objective of this work was to understand how the chemical composition and bioactive properties of C. cardunculus plant parts vary throughout a complete growth cycle, thus allowing us to improve the knowledge of this species and all its constituents, to maximize its full potential. The different cardoon tissues, collected in Greece, were harvested through their development cycle, and extensively characterized for their chemical composition (Chapter 3) and bioactive properties (Chapter 4). Cardoon blades, bracts, heads, seeds, and petioles with principal growth stages between 1 and 9, were studied. The lipidic fraction and the composition of fatty acids, free sugars, tocopherols, and organic acids were analyzed using appropriate chromatographic methodologies for each class of compounds. The hydroethanolic extract of each sample was obtained and characterized for its phenolic composition and bioactive properties. The anti-inflammatory, antiproliferative, antioxidant, and antimicrobial capacities were also studied. All parameters studied were influenced by the date of sample collection, affecting the potential alternative uses in the most varied industrial sectors. Cardoon exhibited a wide variety of phenolic compounds, namely phenolic acids and flavonoids. Samples of heads, blades, bracts, and petioles collected at the time of inflorescence (principal growth stage (PGS) between 5 and 6/7), showed more promising bioactive properties, as well as higher levels of phenolic compounds. Contrary to seeds, where the content of phenolic compounds increased with the growth cycle, samples with PGS 7/8 revealed a greater bioactive potential. The obtained results were analyzed through several statistical methods to understand how the chemical composition and bioactivities of C. cardunculus plant parts vary throughout a complete growth cycle (Chapter 5). The influence of the different seasons on the species was evident, resulting in a clear discrimination between the samples harvested throughout the growth cycle. Additionally, observed fluctuations in chemical composition were consistent with the functions of each vegetable tissue and the different physiological processes in the plant. Despite the wide variety of industrial applications of cardoon, about 60 to 85% of the plant tissues of this species are not properly used, contributing to thousands of tons of waste generated worldwide. Producing countries such as Portugal, Spain, and Italy estimate that approximately 10 to 30 t/ha (62% corresponding to stems and blades and 38% to heads) of dry biomass are generated depending on irrigation and fertilization conditions. The outer stalks and blades of the cardoon plant can be hard and fibrous in texture, so they are often removed and discarded before using the tender inner parts. Thus, the samples with the most promising activities were characterized regarding fiber content to determine which plant tissue would be the most interesting for use as a functional ingredient (Chapter 5). In this respect, due to their high fiber content, cardoon blades exhibit the highest potential for being reused as a source of dietary fiber, while simultaneously being rich in compounds of great functional activity. Therefore, cardoon blades extract was used to enrich the nutritional and functional properties of a vegetable and fruit-based smoothie, within a zero-waste approach that involved reusing the extracted blades residue as a source of dietary fiber. The obtained functional smoothie was pasteurized by high-pressure processing (550 MPa for 3 minutes, HPP), an emerging non-thermal technology, and through conventional thermal pasteurization (90 ?C for 30 seconds, TP) (Chapter 6). According to the obtained results, cardoon blades were demonstrated to be a promising functional ingredient since it improved the chemical composition of smoothies, as well as their stability over storage. HPP technology showed the ability to preserve the nutritional and chemical composition of the smoothies, thus favoring their bioactive properties. This emerging technology offers an innovative alternative that guarantees quality without compromising nutritional benefits. Despite the enrichment with dietary fiber caused an increase in viscosity, the addition of the extraction residue increased the fiber content which, together with the benefits contributed by the blades extract, allowed for an improvement in the functional properties and fiber stability in the smoothies over shelf life. All the prepared formulations met the microbiological criteria, but the enrichment with cardoon blades resulted in more effective microbiological decontamination, leading to a lower presence of the detected microorganisms. The work developed could have a transformative impact on the food industry and other industrial sectors interested in the products/processes developed. Implementing nonthermal methodologies that ensure the safety of food products, as well as their quality, biochemical composition, and consequent benefits of their consumption, could be an important technological and functional advance. The reuse of nutrients, including fibers, and the recovery of phytochemicals from agricultural by-products would greatly contribute to favor of the bioeconomy and the valorization of alternative crops, as well as their producing countries. This validation could also contribute to expanding the industrial and/or commercial applicability of the technologies used. [ES] La utilizaci?n sostenible y adecuada de los recursos del planeta es una de las mayores preocupaciones globales de hoy en d?a, por lo que el estudio de las especies vegetales y la aplicaci?n de estrategias sostenibles para una gesti?n adecuada de los cultivos son sumamente necesarios. La identificaci?n de planes de acci?n que puedan adoptarse a escala local, nacional e internacional, con repercusiones econ?micas, medioambientales y sociales simult?neas, es esencial para alcanzar objetivos sostenibles y garantizar las necesidades de las generaciones actuales y futuras. Las caracter?sticas fisiol?gicas y morfol?gicas de las especies vegetales est?n muy influidas por factores bi?ticos y abi?ticos. Las respuestas de las especies a estos factores son complejas y presentan caracter?sticas distintas, dependiendo de cada especie vegetal. Estos fen?menos tienen un enorme impacto en el metabolismo primario y secundario, influyendo de manera determinante en casi todos los aspectos fenot?picos. Tambi?n interfieren en la bios?ntesis y acumulaci?n de diferentes clases de compuestos (por ejemplo, az?cares solubles, carbohidratos, ?cidos grasos, compuestos fen?licos, terpenos o alcaloides, entre otros). La caracterizaci?n y el conocimiento m?s completo posible de las especies vegetales son necesarios para ayudar a conseguir una mayor rentabilidad, aumentando el valor de los cultivos y reduciendo el material vegetal desechado. Cynara cardunculus L. (nombre com?n: cardo o cardo comestible) es una planta ampliamente distribuida en los pa?ses de la cuenca mediterr?nea, donde es utilizada en medicina popular y en diversas recetas tradicionales, apreciada por su rica composici?n fitoqu?mica y nutricional. El objetivo principal de este trabajo es comprender c?mo var?an la composici?n qu?mica y las propiedades bioactivas de las distintas partes de la planta a lo largo de un ciclo completo de crecimiento, lo que nos permitir? mejorar nuestro conocimiento de la especie y de todos sus constituyentes para aprovechar al m?ximo todo su potencial. Los distintos tejidos del cardo, recolectados en Grecia, se cosecharon a lo largo de todo su ciclo de desarrollo y se caracterizaron exhaustivamente en cuanto a su composici?n qu?mica (Cap?tulo 3) y sus propiedades bioactivas (Cap?tulo 4). Se estudiaron las hojas, br?cteas, cap?tulos florales, semillas y peciolos del cardo, a lo largo de sus principales etapas de crecimiento (Principal Growth Stages, PGS, fases 1 a 9). La fracci?n lip?dica y la composici?n en ?cidos grasos, az?cares libres, tocoferoles y ?cidos org?nicos se analizaron utilizando las metodolog?as cromatogr?ficas apropiadas para cada clase de compuestos. Se obtuvo tambi?n el extracto hidroetan?lico de cada una de las muestras y se caracteriz? en t?rminos de composici?n fen?lica y propiedades bioactivas. En particular, se estudiaron las capacidades antiinflamatorias, antiproliferativas, antioxidantes y antimicrobianas siguiendo los protocolos respectivos. Todos los par?metros estudiados se vieron influidos por la fecha de recogida de la muestra, influyendo as? sobre el potencial de aplicaciones en distintos sectores industriales. El cardo presentaba una amplia variedad de compuestos fen?licos, concretamente ?cidos fen?licos y flavonoides. Las muestras de los cap?tulos florales, hojas, br?cteas y peciolos recogidas en el momento de la inflorescencia (PGS entre 5 y 6/7) presentaron las propiedades bioactivas m?s prometedoras, as? como niveles m?s elevados de compuestos fen?licos. Sin embargo, en las semillas el contenido de compuestos fen?licos aumentaba con el ciclo de crecimiento, siendo las muestras con PGS 7/8 las que mostraron mayor potencial bioactivo. Los resultados obtenidos se analizaron mediante diversos m?todos estad?sticos para comprender c?mo var?an la composici?n qu?mica y las bioactividades de las distintas partes de la planta a lo largo del ciclo completo de crecimiento (Cap?tulo 5). La influencia de las distintas estaciones sobre la especie fue evidente, lo que se traduc?a en una clara discriminaci?n entre las muestras tomadas en las diferentes etapas. Por otra parte, las fluctuaciones observadas en la composici?n qu?mica eran coherentes con las funciones de cada tejido vegetal y los procesos fisiol?gicos de la planta. A pesar de la gran variedad de aplicaciones industriales del cardo, entre el 60 y el 85 % de los tejidos vegetales de esta especie no se utilizan adecuadamente, lo que contribuye a la generaci?n de miles de toneladas de residuos en todo el mundo. En pa?ses productores, como Portugal, Espa?a e Italia, se estima que se producen alrededor de 10 a 30 t/ha (62 % correspondientes a tallos y hojas, y 38 % a cabezas florales) de biomasa seca, dependiendo de las condiciones de riego y fertilizaci?n. Los tallos y las hojas exteriores de la planta de cardo suelen tener una textura dura y fibrosa, por lo que generalmente se retiran y desechan para utilizar las partes tiernas interiores. Por ello, las muestras con la actividad m?s prometedora se caracterizaron en t?rminos de contenido en fibra para determinar qu? tejido vegetal ser?a el m?s interesante para su uso como ingrediente (Cap?tulo 5). As?, se pudo establecer que las hojas de cardo tienen un gran potencial para ser reutilizadas como fuente de fibra diet?tica, al tiempo que son ricas en compuestos de gran inter?s farmacol?gico. De este modo, se utiliz? el extracto de las hojas de cardo para enriquecer las propiedades nutricionales y funcionales de un batido (smoothie) a base de verduras y frutas, bajo un enfoque de residuo cero, que implicaba tambi?n la adici?n del residuo obtenido tras la extracci?n de las hojas como fuente de fibra diet?tica. El batido funcional preparado se pasteuriz? mediante procesado por alta presi?n (550 MPa durante 3 minutos, HPP), una tecnolog?a emergente no t?rmica, y tambi?n mediante pasteurizaci?n t?rmica convencional (90 ?C durante 30 segundos, TP) (Cap?tulo 6). Los resultados obtenidos pusieron de manifiesto que las hojas de cardo constitu?an un ingrediente funcional prometedor, mejorando la composici?n fitoqu?mica de los batidos, as? como su estabilidad durante el almacenamiento. La tecnolog?a emergente HPP demostr? ser particularmente ?til para preservar la composici?n nutricional y qu?mica de los batidos y favorecer sus propiedades bioactivas, representando una alternativa innovadora para garantizar la calidad sin comprometer los beneficios nutricionales. Aunque el enriquecimiento con el residuo fibroso provocaba un aumento en la viscosidad, su incorporaci?n, junto con la del extracto de las hojas, permit?a mejorar las propiedades funcionales y el contenido y estabilidad de la fibra en los batidos durante su vida ?til. Todas las formulaciones ensayadas cumpl?an con los criterios microbiol?gicos, pero el enriquecimiento con las hojas de cardo daba lugar a una descontaminaci?n microbiana m?s eficaz, con cuentas m?s bajas de microorganismos. El trabajo realizado podr?a tener un impacto transformador en la industria alimentaria y otros sectores industriales interesados en los productos/procesos desarrollados. La implementaci?n de metodolog?as no t?rmicas que garanticen la seguridad de los productos alimentarios, as? como su calidad y composici?n nutricional y fitoqu?mica, con los consiguientes beneficios de su consumo, supone un importante avance tecnol?gico. La reutilizaci?n de nutrientes, incluyendo la fibra alimentaria, y la recuperaci?n de fitoqu?micos a partir de subproductos agr?colas contribuir?a en gran medida a favorecer la bioeconom?a y a la valorizaci?n de cultivos alternativos, con el beneficio consiguiente para sus pa?ses productores. Esta validaci?n de las tecnolog?as utilizadas debe tambi?n contribuir a diversificar su aplicabilidad industrial y a una mejora en el valor comercial de los productos obtenidos. [POR] A utiliza??o sustent?vel e adequada dos recursos do planeta ? uma das maiores preocupa??es globais da atualidade, pelo que o estudo das esp?cies vegetais e a implementa??o de estrat?gias sustent?veis para uma gest?o adequada das culturas ? extremamente necess?rio. A identifica??o de planos de a??o relevantes que possam ser adotados a n?vel local, nacional e internacional, com simult?neo impacto econ?mico, ambiental e social, ? essencial para atingir objetivos sustent?veis e assegurar as necessidades das gera??es atuais e futuras. As caracter?sticas fisiol?gicas e morfol?gicas das esp?cies vegetais s?o fortemente influenciadas por fatores bi?ticos e abi?ticos. As respostas das esp?cies a esses fatores s?o complexas e com caracter?sticas distintas, dependendo de cada esp?cie vegetal. Estes fen?menos t?m um enorme impacto no metabolismo prim?rio e secund?rio, influenciando fortemente quase todos os par?metros fenot?picos. Interferem tamb?m na bioss?ntese e acumula??o de diferentes classes de compostos (a??cares soluv?is, hidratos de carbono, ?cidos gordos, compostos fen?licos, terpenos, alcaloides, entre outros). O conhecimento e a carateriza??o completa das esp?cies vegetais s?o necess?rios para ajudar a alcan?ar uma maior rentabilidade, aumentando o valor das culturas e reduzindo o material vegetal descartado. Cynara cardunculus L. (cardo) est? amplamente distribu?do nos pa?ses da bacia mediterr?nica, ? utilizado na medicina popular e em v?rias receitas tradicionais, apreciado pela sua rica composi??o fitoqu?mica e nutricional. O principal objetivo deste trabalho foi compreender de que forma a composi??o qu?mica e as propriedades bioativas das diferentes partes da planta variam ao longo de um ciclo completo de crescimento, permitindo assim melhorar o conhecimento da esp?cie e de todos os seus constituintes, para maximizar todo o seu potencial. Os diferentes tecidos do cardo, recolhidos na Gr?cia, foram colhidos ao longo do seu ciclo de desenvolvimento e foram extensivamente caracterizados quanto ? sua composi??o qu?mica (Cap?tulo 3) e propriedades bioativas (Cap?tulo 4). Foram estudadas as l?minas, br?cteas, cap?tulos florais, sementes e pec?olos do cardo, com os principais estados de crescimento (Principal Growth Stages, PGS) entre 1 e 9. A fra??o lip?dica e a composi??o em ?cidos gordos, a??cares livres, tocofer?is e ?cidos org?nicos foram analisadas utilizando as metodologias cromatogr?ficas adequadas a cada classe de compostos. O extrato hidroetan?lico de cada uma das amostras foi obtido e caracterizado quanto ? sua composi??o fen?lica e propriedades bioativas. As capacidades anti-inflamat?ria, antiproliferativa, antioxidante e antimicrobiana foram estudadas seguindo os respetivos protocolos. Todos os par?metros estudados foram influenciados pela data de recolha da amostra, afetando assim o potencial de aplica??es nos mais variados sectores industriais. O cardo exibiu uma grande variedade de compostos fen?licos, nomeadamente ?cidos fen?licos e flavonoides. As amostras dos cap?tulos florais, l?minas, br?cteas e pec?olos recolhidos na altura da infloresc?ncia (PGS entre 5 e 6/7), apresentaram propriedades bioativas mais promissoras, bem como teores mais elevados de compostos fen?licos. Por?m, nas sementes o teor de compostos fen?licos aumentou com o ciclo de crescimento, sendo as amostras com PGS 7/8 as que apresentaram maior potencial bioativo. Os resultados obtidos foram analisados atrav?s de v?rios m?todos estat?sticos para compreender como a composi??o qu?mica e as bioatividades das partes da planta C. cardunculus variam ao longo do ciclo de crescimento completo (Cap?tulo 5). A influ?ncia das diferentes esta??es do ano na esp?cie foi evidente, resultando numa clara discrimina??o entre as amostras colhidas. Al?m disso, as flutua??es observadas na composi??o qu?mica foram coerentes com as fun??es de cada tecido vegetal e com os diferentes processos fisiol?gicos da planta. Apesar da grande variedade de aplica??es industriais do cardo, cerca de 60 a 85% dos tecidos vegetais desta esp?cie n?o s?o devidamente aproveitados, contribuindo para os milhares de toneladas de res?duos gerados a n?vel mundial. Em pa?ses produtores como Portugal, Espanha e It?lia estima-se que s?o geradas cerca de 10 a 30 t/ha (62% correspondentes a caules e folhas e 38% a cabe?as) de biomassa seca, dependendo das condi??es de rega e fertiliza??o. Os caules e as l?minas exteriores da planta do cardo podem ser duros e de textura fibrosa, pelo que s?o frequentemente removidos e deitados fora antes de se utilizarem as partes interiores tenras. Por isso, as amostras com atividade mais promissora foram caracterizadas quanto ao teor de fibras, para determinar qual tecido vegetal seria o mais interessante para uso como ingrediente funcional (Cap?tulo 5). Constatou-se que as folhas do cardo apresentam grande potencial para serem reutilizadas como fonte de fibras alimentares, sendo simultaneamente ricas em compostos de grande interesse farmacol?gico. Assim, o extrato das l?minas de cardo foi utilizado para enriquecer as propriedades nutricionais e funcionais de um smoothie ? base de vegetais e frutas, sob uma abordagem de desperd?cio zero que envolveu a reutiliza??o do res?duo das l?minas extra?das como fonte de fibra alimentar. O smoothie funcional obtido foi pasteurizado por processamento a alta press?o (550 MPa durante 3 minutos, HPP), uma tecnologia emergente n?o t?rmica, e tamb?m por pasteuriza??o t?rmica convencional (90 ?C durante 30 segundos, TP) (Cap?tulo 6). De acordo com os resultados obtidos, as l?minas de cardo demonstraram ser um ingrediente funcional promissor, uma vez que melhoraram a composi??o fitoqu?mica dos smoothies, bem como a sua estabilidade durante o armazenamento. A tecnologia HPP demonstrou a capacidade de preservar a composi??o nutricional e qu?mica dos smoothies, favorecendo assim as suas propriedades bioativas. Esta tecnologia emergente oferece uma alternativa inovadora que garante a qualidade sem comprometer os benef?cios nutricionais. Embora o enriquecimento com o res?duo fibroso provoque um aumento da viscosidade, a sua incorpora??o, juntamente com a do extrato das l?minas, permitiu melhorar as propriedades funcionais e o conte?do e estabilidade da fibra nos smoothies ao longo do tempo de prateleira. Todas as prepara??es testadas cumpriram os crit?rios microbiol?gicos, mas a fortifica??o com l?minas de cardo resultou em uma descontamina??o microbiana mais eficaz, com menor presen?a dos microrganismos detetados. O trabalho desenvolvido pode ter um impacto transformador na ind?stria alimentar e em outros sectores industriais interessados nos produtos/processos desenvolvidos. A implementa??o de metodologias n?o t?rmicas que garantem a biosseguran?a dos produtos alimentares, bem como a sua qualidade e composi??o nutricional e fitoqu?mica, com os consequentes benef?cios do seu consumo, ? um importante avan?o tecnol?gico. O reaproveitamento de nutrientes, incluindo as fibras alimentares, e a recupera??o de compostos bioativos de subprodutos agr?colas contribuiriam para a promo??o da bioeconomia e a valoriza??o de culturas alternativas, com o consequente benef?cio para os seus pa?ses produtores. Essa valida??o das tecnologias utilizadas dever? igualmente contribuir para ampliar a aplicabilidade industrial e melhorar o valor comercial dos produtos obtidos.