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SCARTI DELLA FILIERA AGROALIMENTARE COME FONTE DI PECTINE

by info@teknoscienze.com
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Botanicals – Nutra Horizons 6/2023

 

ADELE PAPETTI
Dipartimento di Scienze del Farmaco, Università di Pavia | Italia

 

COSA SONO LE PECTINE?

Le pectine sono una classe di eteropolisaccaridi costituiti per circa il 65% da omogalatturonani che formano uno scheletro lineare di molecole di acido galatturonico unite da legame α-1-4 glicosidico e per circa il 35% da una struttura ramificata costituita da ramnogalatturonani, xilogalatturonani e apiogalatturonani (1, 2). A seconda della loro provenienza, possono essere esterificate in maniera più o meno marcata con metanolo e il grado di metossilazione, così come quello di acetilazione, sono strettamente correlati al contenuto di acido galatturonico in quanto rappresentano il numero di gruppi metossile o acetile che possono sostituire i gruppi carbossilici delle molecole di acido galatturonico. Quindi a seconda del grado di esterificazione, è possibile classificare le pectine con grado di metossilazione superiore al 50% o inferiore al 50% (3). Secondo la normativa Europea (Regolamento n. 231/2012) nelle pectine di grado alimentare il contenuto di acido galatturonico deve essere pari ad almeno il 65% (4).

 

COMUNI FONTI DI PECTINE

Le più comuni fonti alimentari di pectine sono ancora oggi rappresentate dalla scorza dei frutti appartenenti al genere Citrus da cui si estraggono con resa differente, dall’11 al 33%, a seconda della tecnica di estrazione utilizzata (5). Infatti, accanto alla più classica estrazione acida, oggi numerose sono le ricerche volte all’impiego di “green technologies” quali, ad esempio, le estrazioni che impiegano ultrasuoni. In questo caso si riduce il consumo di energia poiché gli ultrasuoni favoriscono la penetrazione del solvente di estrazione all’interno della matrice da estrarre, senza però influenzare in alcun modo la qualità della matrice. La resa di estrazione, però, è risultata più bassa rispetto sia a quella ottenuta con la metodica classica che a quella ottenuta con un altro metodo “green” che prevede l’uso di microonde. Negli ultimi anni si sta anche cercando di sostituire l’uso di acidi minerali con l’uso di acidi organici. Infatti, considerato che l’ambiente ottimale di estrazione deve essere acido perché avvenga la reazione di idrolisi, gli acidi acetico e citrico sono quelli che hanno portato ai risultati migliori (Tabella 1) (5).
Tabella 1. Esempi di metodi di estrazione che impiegano acidi diversi (5).
Un’altra classica fonte di pectine è rappresentata dai prodotti di scarto della mela che oggi costituiscono circa il 14% delle pectine in commercio. In questo caso la resa di estrazione varia dal 6 al 22% a seconda del pH dell’ambiente di estrazione, della temperatura applicata e della durata dell’estrazione. L’uso di acidi organici quali il tartarico, malico e citrico, ha portato a rese di estrazione simili a quelle ottenute utilizzando acido cloridrico, intorno al 7-8%. Rese maggiori si sono ottenute utilizzando anche in questo caso l’estrazione assistita da microonde oppure recentemente usando una metodica di estrazione in ambiente acquoso supercritica. Quest’ultima è una tecnologia sicuramente più innovativa dove la temperatura gioca un ruolo fondamentale e può portare all’ottenimento di pectine a basso o ad alto peso molecolare a seconda che si operi intorno a 140-160 °C oppure 100-120°C (6).

 

NUOVE FONTI DI PECTINE

Nell’ultimo decennio molti sono gli studi che riguardano il recupero di pectine da scarti di frutti tropicali come mango, papaia, frutto della passione, banana e jackfruit (7, 8, 9). Sicuramente i fattori principali che possono influenzare le proprietà chimico-fisiche delle pectine estratte da scarti di frutti tropicali e subtropicali includono l’origine del materiale da sottoporre ad estrazione, il grado di maturazione del frutto e la composizione della parte di scarto. In genere si ottengono due diversi tipi di pectine che hanno una distribuzione dei pesi molecolari molto simile e quasi sovrapponibile a quella delle pectine ottenute dagli agrumi. Spesso si può assistere ad una riduzione nel peso molecolare della pectina poiché questa si degrada parzialmente in seguito all’azione di enzimi pectolitici che nel caso di frutti troppo maturi portano alla perdita di residui zuccherini. Nel caso del mango, il grado di metilazione è compreso tra il 57 e 93% circa ad indicare che le pectine che si estraggono dalla buccia sono ad elevato grado di metilazione. In generale, all’aumentare del grado di maturazione aumenta la facilità con cui si riesce ad estrarre pectine perché queste sono legate alle pareti cellulari con legami sempre più deboli (diminuisce la percentuale di legami covalenti) (10).

E’ interessante notare che l’estrazione assistita da microonde di pectine dalla buccia di banana ha portato a molecole di elevata qualità, seppur la resa di estrazione fosse piuttosto bassa (intorno al 5%) e sicuramente inferiore a quella ottenuta con altri metodi quali la classica estrazione con acido cloridrico (resa del 25% circa). Inoltre, la capacità di queste pectine quando complessate con proteine di dare origine a film edibili molto sottili fa pensare a questa fonte come futura alternativa alle comuni pectine in commercio (7).

 

PRINCIPALI APPLICAZIONI IN CAMPO ALIMENTARE DELLE PECTINE OTTENUTE DA SCARTI ALIMENTARI

Negli ultimi anni le pectine, in quanto polimeri di origine alimentare biodegradabili, sono state molto studiare per la loro capacità di incapsulare composti bioattivi che si possono facilmente degradare durante il processo di digestione perché sensibili all’ambiente gastrico. In questo modo è possibile sviluppare sistemi di rilascio a livello intestinale, ad esempio per polifenoli, oli essenziali, probiotici, per i quali è indispensabile migliorare anche la bioaccessibilità e biodisponibilità (11, 12, 13). Le pectine a basso grado di metilazione sono preferibili a quelle ad alto grado di metilazione come agenti incapsulanti poiché presentano un numero di gruppi carbossilici non esterificati sulla catena galatturonica che possono creare una struttura rigida formando legami con cationi divalenti come Ca e Zn. In questo modo si formano idrogel. In particolare si possono formare legami ionici tra i cationi e i gruppi carbossilici localizzati su due differenti catene che portano alla formazione di una struttura caratteristica del gel, detta “egg box”, che è molto stabile in un ampio range di valori di pH (14).

Le pectine trovano anche impiego nella produzione di packaging biodegradabile e coating edibile finalizzati al miglioramento della conservazione degli alimenti. Infatti, considerata la loro bassissima tossicità, pressoché inesistente, sono molto studiate come possibile alternativa ai comuni materiali a base di petrolio che contengono nocivi contaminanti come bisfenolo e ftalati. In questo contesto le più importanti caratteristiche delle pectine che devono essere tenute in considerazione sono le proprietà meccaniche, l’umidità e le proprietà che fungono da barriera all’ossigeno, tutte legate alla fonte e alla composizione chimica della pectina (contenuto di acido galatturonico e grado di metilazione) (15). Un esempio recente di packaging “intelligente eco sostenibile” è stato sviluppato incorporando nella pectina un estratto derivante da scarti di frutti rossi e valutando la possibilità di utilizzare le antocianine come indicatori di pH nel controllo qualità e freschezza del salmone. L’estratto di mirtillo è quello che ha dato risultati migliori in termini di proprietà meccaniche, densità del film, cambio di colore al variare del pH e capacità antiossidanti (16).

Infine, le pectine possono essere usate come agenti emulsionanti, gelificanti e stabilizzanti. Le proprietà gelificanti sono correlate al grado di metilazione che influenza direttamente il meccanismo di formazione del gel. Le pectine a basso grado di metilazione possono formare facilmente gel, mentre quelle ad elevato grado di metilazione richiedono bassi valori di pH ed elevata concentrazione di zucchero per formare gel (17).

 

…PER CONCLUDERE…

In conclusione, oggi il recupero di pectine da prodotti di scarto agroalimentare è sempre più oggetto di studio da parte dei ricercatori che cercando di sviluppare anche nuove metodiche green. La volontà di raggiungere entro il più breve tempo possibile lo “zero waste” è sicuramente un importante stimolo per tutti nel mettere realmente in pratica quella che è l’economia circolare.

 

Riferimenti bibliografici

  1. M. M. Mostafa, E. Ali, M. Gamal, M. A. Farag. How do coffee substitutes compare to coffee? A comprehensive review of itsquality characteristics, sensory characters, phytochemicals, health benefits and safety. Food Bioscience 2021, 43, 101290. https://doi.org/10.1016/j.fbio.2021.101290
  2. A. Gani, S. Wani, F. Masoodi, G. Hameed. Whole-grain cereal bioactive compounds and their health benefits: A review. Journal of Food Processing and Technology 2012, 3(3), 146–156. https://doi.org/10.4172/2157-7110.1000146
  3. A. Din, M. F. J. Chughtai, M. R. K. Khan, A. Shahzad, A. Khaliq, M. A. Nasir. Nutritional and functional perspectives of barley β-glucan. International Food Research Journal 2018, 25(5), 1773–1784.
  4. N. A. Mohd Jamil, J. R. Al-Obaidi, N. Mohd Saleh, N. N.Jambari. Comparative nutritional and toxicity analyses of beverages from date seed and barley powders as caffeine-free coffee alternatives. International Food Research Journal 2022, 29(4), 786-795. https://doi.org/10.47836/ifrj.29.4.06.
  5. D. F. Montanuci, L. M. M. Jorge, R. M. M. Jorg, Influence of roasting temperature of barley on the powder characteristics and preparation of tea. Cereal Chemistry 2015, 93(1), 20–24. https://doi.org/10.1094/CCHEM-04-15-0074-R
  6. B.McKevith. Nutritional aspects of cereals. Nutrition Bulletin 2004, 29(2), 111–142. https://doi.org/10.1111/j.1467-3010.2004.00418.x
  7. M. Samsonowicz, E. Regulska, D. Karpowicz, B. Leśniewska. Antioxidant properties of coffee substitutes rich in polyphenols and minerals. Food Chemistry 2019, 278, 101–109. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2018.11.057.
  8. S. Bartłomiej, R. K. Justyna, N. Ewa. Bioactive compounds in cereal grains–occurrence, structure, technological significance and nutritional benefits–a review. Food Science and Technology International 2012, 18(6), 559–568. https://doi.org/10.1177/1082013211433079
  9. D. Komes, A. Bušic´, A. Vojvodic´, A. Belšcˇak‑Cvitanovic´, M. Hruškar. Antioxidative potential of different coffee substitute brews affected by milk addition. European Food Research Technology 2015, 241, 115–125. https://doi.org/0.1007/s00217-015-2440-z
  10. G. Baeza, B. Sarriá, L. Bravo, R. Mateos. Polyphenol content, in vitro bioaccessibility and antioxidant capacity of widely consumed beverages. Journal of the Science and Food Agriculture 2018, 98, 1397–1406. https://doi.org/10.1002/jsfa.8607
  11. D. O. Carvalho, L. M. Gonçalves, L. F. Guido. Overall antioxidant properties of malt and how they are influenced by the individual constituents of barley and the malting process. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety 2016, 15(5), 927–943. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12218
  12. M. A. Majcher, D. Klensporf-Pawlik, M. Dziadas, H. H. Jeleń. Identification of aroma active compounds of cereal coffee brew and its roasted ingredients. Journal of Agricultural and Food Chemistry 2013, 61, 2648−2654. https://doi.org/10.1021/jf304651b
  13. D. Tagliazucchi, A. Bellesia. The gastro‑intestinal tract as the major site of biological action of dietary melanoidins. Amino Acids (2015) 47:1077–1089. https://doi.org/10.1007/s00726-015-1951-z
  14. S. Antonietti, A. M. Silva, C. Simões, D. Almeida, L. M. Félix, A. Papetti, F. M. Nunes. Chemical composition and potential biological activity of melanoidins from instant soluble coffee and instant soluble barley: a comparative study. Frontiers in Nutritrion 2022, 9, 825584. https://doi.org/10.3389/fnut.2022.825584
  15.  S. Gorjanović, D. Komes, J. Laličić-Petronijević, F. T. Pastor, A. Belščak-Cvitanović, M. Veljović, L. Pezo, D. ŽSužnjević. Antioxidant efficiency of polyphenols from coffee and coffee substitutes-electrochemical versus spectrophotometric approach. Journal of Food Science and Technology 2017, 54(8), 2324–2331. https://doi.org/10.1007/s13197-017-2672-y
  16. A. Papetti, M. Daglia, C. Aceti, M. Quaglia, C. Gregotti, G. Gazzani. Isolation of an in vitro and ex vivo antiradical melanoidin from roasted barley. Journal of Agricultural and Food Chemistry 2006, 54, 1209-1216. https://doi.org/10.1021/jf058133x
  17. A. Papetti, C. Pruzzo, M. Daglia, P. Grisoli, A. Bacciaglia, B. Repetto, C. Dacarro, G. Gazzani. Effect of barley coffee on the adhesive properties of oral streptococci. Journal of Agricultural and Food Chemistry 2007, 55, 278-284. https://doi.org/10.1021/jf062090i
  18.  M. Stauder, A. Papetti, M. Daglia, L. Vezzulli, G. Gazzani, P. E. Varaldo, C. Pruzzo. Inhibitory activity by barley coffee components towards Streptococcus mutans biofilm. Current Microbiology 2010, 61, 417–421. https://doi.org/10.1007/s00284-010-9630-5
  19. Y. Zeng, X. Pu, J. Du, X. Yang, X. Li, Md. S. Nabi Mandal, T. Yang, J. Yang. Molecular mechanism of functional ingredients in barley to combat human chronic diseases. Oxidative Medicine and Cellular Longevity 2020, Article ID 3836172, 26 pages. https://doi.org/10.1155/2020/3836172
  20. H. Correia, S. Peneiras, N. Levchook, E. Peneiras, T. Levchook, J. Nayyar. Effects of a non-caffeinated coffee substitute on functional dyspepsia. Clinical Nutrition ESPEN 41 (2021) 412e416. https://doi.org/10.1016/j.clnesp.2020.10.009

 

Biografia

Adele Papetti è laureata in Chimica e Tecnologia Farmaceutiche nel 1994, nel 1998 ha conseguito il diploma di Specializzazione in Farmacia Industriale e nel 2001 il titolo di Dottore di Ricerca in Chimica Farmaceutica e conseguito il Diploma di Formazione Superiore. Dal 2006 al 2018 ha ricoperto il ruolo di Ricercatore a tempo indeterminato e dal 2018 è Professore Associato in Chimica degli Alimenti.

 

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