Semente de pitaya (Hylocereus undatus [Haw.] Britton & Rose) de resíduo à subproduto: estudo para valorização da semente de pitaya orgânica catarinense

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Alimentos, Florianópolis, 2022.

Esta tese se encontra dividida nos seguintes capítulos: I) Capítulo 1 ? Resíduos alimentares e pitaya: uma breve abordagem. Este capítulo faz uma abordagem sobre a importância e as potencialidades do aproveitamento dos resíduos alimentares, dentro da perspectiva da Economia Circular, levando em consideração o crescimento populacional, o desperdício de alimentos e os impactos ambientais e sua relação com segurança alimentar. Este capítulo também apresenta uma revisão das características, composição e produção das pitayas e aborda a importância social do seu cultivo na cidade de Turvo. Finalmente discute o crescente interesse por produtos elaborados a partir dessa fruta e a potencial geração de resíduos por meio do descarte das sementes provenientes deste processamento. II) Capítulo 2 - Sementes de pitaya Hylocereus undatus: estado da arte. Esta revisão traz um panorama do conhecimento, até o presente momento, sobre as características, composição e as potencialidades funcionais das sementes de pitaya, com enfoque especial na espécie Hylocereus undatus. III) Capítulo 3 - Efeitos dos métodos de separação na cinética de secagem de sementes de pitaya orgânica (Hylocereus undatus [Haw.] Britton & Rose). Este capítulo aborda os estudos realizados com a aplicação dos métodos ácido, térmico e enzimático, objetivando a separação entre semente e polpa, utilizando também, ensaios de microscopia para auxiliar na avaliação. A cinética de secagem foi avaliada e os valores experimentais foram ajustados aos modelos matemáticos e a determinação do coeficiente efetivo de difusão das sementes, para cada método de separação, foi realizada. Os resultados indicaram que todos os tratamentos promoveram a separação polpa-semente e influenciaram na taxa de secagem. Contudo, a separação enzimática foi o método mais eficiente para remover a capsula mucilaginosa do entorno das sementes causando a redução significativa da umidade inicial, com consequente diminuição no tempo de secagem, no período de taxa constante, no coeficiente de difusão e na umidade final da das sementes. Além disso, o período de taxa constante foi responsável por controlar a cinética de secagem e o modelo de Page foi o que melhor se ajustou aos dados experimentais. IV) Capítulo 4 - Propriedades tecnológicas, propriedades térmicas e isotermas de adsorção de umidade de sementes de pitaya orgânica (Hylocereus undatus [Haw.] Britton & Rose). Neste capítulo, as sementes foram caracterizadas quanto a composição proximal e foram avaliadas as suas propriedades tecnológicas por meio da determinação da capacidade de retenção de água e óleo, índice de solubilidade e atividade emulsificante. Foram ainda, avaliadas as propriedades térmicas da semente integral, do tegumento e do endosperma, separadamente, por meio de análise termogravimétrica e calorimetria exploratória diferencial. As isotermas de adsorção de umidade, a 25ºC, das sementes inteiras e moídas foram determinadas pelo método gravimétrico estático e realizada a modelagem matemática dos dados experimentais. As sementes apresentaram elevada concentração de proteínas (24,5 %), lipídeos (30 %) e fibra alimentar (36,8 %), com destaque para a fração de fibras insolúveis (31,1 %). As sementes foram capazes de reter 153 % e 89 % da sua massa em água e em óleo, respectivamente. A termogravimetria evidenciou três picos de perda de massa, com início do processo de degradação a 200 °C. Foram identificadas transições de primeira ordem na semente integral e suas partes nas temperaturas entre ? 42 °C a 205 °C e uma transição vítrea a -1 °C. As isotermas indicaram características higroscópicas das sementes, cujo valor da umidade na monocamada foi de 3,4 e 3,2 gH2O.100 gss-1 para sementes em pó e sementes inteiras, respectivamente, sendo o modelo de GAB o mais adequado para descrever as isotermas de ambas as amostras. V) Capítulo 5 - Caracterização morfológica por microscopia de luz e ensaios de extração em sementes de pitaya orgânica Hylocereus undatus [(Haw.) Britton & Rose]: estudos preliminares. Neste capítulo foram realizados ensaios preliminares de caracterização morfológica das sementes de pitaya por microscopia óptica, por meio da aplicação de diversos protocolos de preparo histológico com a finalidade de obter cortes que permitissem a observação das estruturas, além de estudos preliminares de extração por meio da técnica de Soxhlet, aplicando-se solventes de diferentes polaridades (hexano, etanol, etanol:água e água). O criostato mostrou-se uma técnica importante para definir a localização de compostos lipídicos no tecido celular. Os protocolos com parafina proporcionaram cortes histológicos de melhor qualidade quando comparado à historesina, permitindo a identificação e localização de diversos constituintes da semente como os cotilédones, cutícula, meristema apical da raiz, procâmbio, rafe, meristema apical caulinar, tegumento e embrião. A extração resultou em rendimentos de 10,6 % a 39 %, sendo o etanol:água e o hexano, solventes de polaridade intermediária e apolar, respectivamente, que apresentaram maiores rendimentos de extração para essas sementes. Os resultados deste estudo demonstraram que, embora as sementes de pitaya sejam um resíduo do processamento da fruta, podem ser um potencial ingrediente para a indústria de alimentos. Além da agregação de valor a um subproduto, o uso deste tipo de material promove impactos positivos no desenvolvimento social, contribuindo com a prosperidade de famílias produtoras, cuja produção advém da agricultura familiar. Além disso, vem ao encontro dos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável, contribuindo com a sustentabilidade por meio do incentivo à produção orgânica e da redução de resíduos agro-industriais, buscando fechar o ciclo de processamento da fruta, na perspectiva da Economia Circular. Por fim, o processo empregado nas separações das sementes, por meio da hidrólise enzimática, constitui uma tecnologia que permite facilmente a ampliação de escala (processos enzimáticos são amplamente utilizados na industrias de processamento de frutas) além ser uma tecnologia limpa e sustentável.

Abstract: his thesis is divided into the following chapters: I) Chapter 1 ? Food waste and pitaya: a brief approach. This chapter approaches the importance and potential of using food waste within the perspective of the Circular Economy, taking into population growth, food waste and environmental impacts and their relationship with food security. This chapter also presents a review of the characteristics, composition, and production of pitayas and addresses the social importance of their cultivation in the city of Turvo. Finally, it discusses the growing interest in products made from this fruit and the potential generation of waste through the disposal of seeds from this processing. II) Chapter 2 - Hylocereus undatus pitaya seeds: state of the art. This review presents an overview of the knowledge to date on the characteristics, composition, and functional potential of pitaya seeds, with a special focus on the species Hylocereus undatus. III) Chapter 3 - Effects of separation methods on drying kinetics of organic pitaya (Hylocereus undatus [Haw.] Britton & Rose) seeds. This chapter carried out studies applying acid, thermal and enzymatic methods, aiming at the separation between seed and pulp, also used microscopy tests to aid in the evaluation. It also evaluated the drying kinetics, and mathematical modeling and determination of the effective seed diffusion coefficient for each separation method, was performed. The results indicated that all treatments promoted pulp-seed separation and influenced the drying rate. However, the enzymatic separation was the most efficient method to remove the mucilaginous capsule from the surroundings of the seeds, which caused a significant reduction in the initial moisture, with a consequent decrease in the drying time, in the constant rate period, in the diffusion coefficient and the moisture content end of the seed. In addition, the constant rate period was responsible for controlling the drying kinetics, and the Page model was the best fit for the experimental data. IV) Chapter 4 - Technological properties, thermal properties, and moisture adsorption isotherms of organic pitaya seeds (Hylocereus undatus [Haw.] Britton & Rose). In this chapter, the seeds were characterized when the proximal composition and their technological properties were evaluated through the determination of the water and oil retention capacity, solubility index, and emulsifying activity. The thermal properties of the whole seed, tegument, and endosperm were also evaluated separately through thermogravimetric analysis and differential exploratory calorimetry. The moisture adsorption isotherms, at 25ºC, of whole and ground seeds, were determined by the static gravimetric method, and mathematical modeling of the experimental data was performed. The seeds showed a high concentration of proteins (24.5%), lipids (30%), and dietary fiber (36.8%), with emphasis on the fraction of insoluble fiber (31.1%). The seeds were able to retain 153% and 89% of their weight in water and oil, respectively. Thermogravimetry showed three mass loss peaks, with the beginning of the degradation process at 200 °C. First-order transitions were identified in the whole seed and its parts at temperatures between ?42 °C to 205 °C and a glass transition at -1 °C. The isotherms indicated hygroscopic characteristics of the seeds, whose moisture value in the monolayer was 3.4 and 3.2 gH2O.100 gss-1 for powdered seeds and whole seeds, respectively, being the GAB model the most adequate to describe the isotherms of both samples. V) Chapter 5 - Morphological characterization by light microscopy and solvent extraction tests on seeds of organic pitaya Hylocereus undatus [(Haw.) Britton & Rose]: preliminary studies. In this chapter, preliminary tests of morphological characterization of pitaya seeds were carried out by optical microscopy, through the application of several histological preparation protocols to obtain sections that allowed the observation of structures, in addition to preliminary studies of extraction using the technique Soxhlet method, applying solvents of different polarities (hexane, ethanol, ethanol: water and water). The cryostat proved to be an important technique for the localization of lipid compounds in cellular tissue. The protocols with paraffin provided histological sections of better quality when compared to historesin, allowing the identification and location of several constituents such as cotyledons, cuticle, root apical meristem, procambium, raphe, stem apical meristem, integument and embryo. The extraction resulted in yields from 10.6 % to 39 %, with ethanol: water, and hexane, solvents of intermediate and nonpolar polarity, respectively, which presented the highest extraction yields for these seeds. The results of this study demonstrated that, although pitaya seeds are a residue from fruit processing, they can be a potential ingredient for the food industry. In addition to adding value to a by-product, the use of this type of material promotes positive impacts on social development, contributing to the prosperity of producing families, whose production comes from family farming. In addition, it meets the Sustainable Development Goals, contributing to sustainability by encouraging organic production and reducing agro-industrial waste, seeking to close the fruit processing cycle, from the perspective of the Circular Economy. Finally, the process used in seed separation, through enzymatic hydrolysis, is a technology that easily allows for scale expansion (enzymatic processes are widely used in the fruit processing industries) in addition to being clean and sustainable technology.