A new vision for agri-food waste from bell pepper (Capsicum annuum L.) production: a potential source of bioactive compounds

Abstract

Agri-food waste and loss has become a pressing and urgent problem with notable environmental and economic consequences. Among various sectors, the fruit and vegetable industry, particularly the bell pepper industry, stands out as a major contributor to food waste and by-products. This industry generates substantial amounts waste, which presents an opportunity to showcase the potential of the circular economy through valorization of bio- waste. Over the past two decades, there has been a concerted effort to study the biochemical composition of various natural matrices, aiming to discover new functional compounds. Among these, the bell pepper has emerged as a particularly interesting vegetable, in terms of its nutritional value and its biochemical characteristics. However, a significant quantity of waste is generated during production, which is considered an excellent source of bioactive compounds of high interest. These waste fruits and their by-products, namely stalks and seeds, contain a wide range of phytochemicals, including capsaicinoids, phenolic compounds, carotenoids, and vitamins, which exhibit important biological activities such as antioxidant, antimicrobial, and anti-inflammatory. These bioactive compounds hold promise for utilization in food, cosmetic and pharmaceutical industries. Therefore, the valorization of agri-food waste has become an area of great interest in biotechnology and innovation, with beneficial effects not only for the environment but also for the economy and the population. In this sense, the present study aimed to evaluate the proximal and biochemical composition of waste-green, orange, and red fruits of Capsicum annuum L. Additionally, the bioactive potential of the fruit, stalk, and seed hydroethanolic extracts obtained from the waste- colored bell peppers was equally assessed. Moisture, ash, protein, fat, carbohydrate, and energy contents were determined following official AOAC analysis methodologies. The quantification of free sugars was performed using a HPLC-RI system, organic acids by UHPLC-DAD, fatty acids by GC-FID and volatile organic compounds by a GC-MSD system. The phenolic composition of waste- colored bell peppers was determined by HPLC-DAD-ESI/MS. Furthermore, different biological activities (antioxidant, cytotoxicity, antimicrobial) were analyzed through different in vitro assays. Overall, the proximal and chemical assessment revealed that carbohydrates were the predominant macronutrient in the analyzed samples, with fructose standing out as the main free sugar in two different waste-colored bell peppers (orange and red), whilst glucose was the main present free sugar in green bell peppers. Four organic acids were identified in the samples, of which oxalic acid was presented greater content in orange and red bell peppers, whilst malic acid was the most abundant in green bell peppers. Regarding fatty acids, fifteen compounds in total were identified being palmitic acid, linoleic acid, and α-linolenic acid present in major quantities, verifying the prevalence as well of PUFAs. In the assessment of phenolics, twenty- two compounds were identified in waste-colored bell peppers including seven phenolic acids, fourteen flavonoids and one stilbene. Moreover, the analysis of volatile organic compounds revealed the presence of thirty-four compounds, including eight heterocyclic compounds, seven acids, six esters, three alcohols, two amines, two alkanes, one acetal, one aldehyde, one ether, one glyceride, one ketone, one ketose. Concerning the bioactive properties assessment, the extracts of stalks, fruits, and seeds revealed antioxidant capacity, with extracts from waste-green bell peppers presenting the best result (0.36±0.01 mg/mL, 0.44±0.02 mg/mL, and 0.21±0.01 mg/mL, respectively). All the extracts demonstrated no cytotoxicity activity at the maximum concentration tested (GI50>400μg/mL). Fruit extracts demonstrated superior antibacterial activity when compared to extracts of stalks and seeds with best results identified against food contaminants Y. enterocolitica, B. cereus, S. aureus (MIC = 5 mg/mL), and clinical isolates E. faecalis and MRSA (MIC = 5 mg/mL). Furthermore, all the extracts revealed no bactericidal effects for any bacteria up to the maximum concentration tested (MBC>10 mg/mL). In the antifungal activity assessment, the fungal strain A. brasiliensis was the most susceptible to the tested samples, especially against the extracts of the fruits, with waste-red bell pepper demonstrating superior inhibitory effects (MIC = 1.25 mg/mL). Moreover, all the extracts showed no fungicidal effects for both fungal strains up to the maximum concentration tested (MFC>10 mg/mL). In general, this study aimed to valorize waste-colored bell peppers as natural source of bioactive compounds that can be exploited by different industries, through their conversion into value-added products, contributing simultaneously to the implementation of circular economy guidelines.O desperdício e as perdas de alimentos na indústria agrícola tornaram-se um problema premente e urgente, com consequências ambientais e económicos notáveis. Entre vários setores, a indústria agroalimentar, em particular a indústria do pimento, destaca-se como um dos principais contribuidores para a geração de subprodutos agroalimentares. Esta indústria gera quantidades substanciais de resíduos proporcionando assim, uma excelente oportunidade para demonstrar o potencial da bioeconomia circular, através da valorização de biorresíduos. Ao longo das últimas duas décadas, tem havido um esforço concertado para estudar a composição bioquímica de várias matrizes naturais, com o objetivo de descobrir novos compostos funcionais. Entre estes, o pimento surgiu como um vegetal particularmente interessante, tanto em termos do seu valor nutricional bem como das suas características bioquímicas. No entanto, durante a sua produção, é gerada uma quantidade significativa de biorresíduos, que são considerados uma excelente fonte de compostos bioativos de alto interesse. Estes biorresíduos (fruto e seus subprodutos) contêm uma ampla gama de fitoquímicos, incluindo compostos fenólicos, capsaicinoides, carotenoides e vitaminas, que exibem importantes atividades antioxidantes, antimicrobianas anti-inflamatórias, entre outras. Estes compostos bioativos são altamente promissores para a sua utilização em diversos setores como a indústria alimentar e farmacêutica. Assim, a valorização do desperdício no setor alimentar tornou-se uma área de grande interesse no âmbito da biotecnologia e inovação, com efeitos benéficos não somente para o ambiente, mas também para a economia e a população. Nesse sentido, o presente estudo teve como principal objetivo avaliar a composição proximal e bioquímica de pimentos laranja, vermelho e verde (Capsicum annuum L.) que foram desperdiçados. Suplementarmente, também foi objeto de estudo o potencial bioativo dos extratos hidroetanólicos obtidos dos diferentes pimentos desperdiçados, incluindo os talos e as sementes. Os teores de humidade, cinzas, proteínas, gorduras, hidratos de carbono e energia foram determinados seguindo metodologias oficiais de análise de alimentos AOAC. A quantificação dos açúcares livres foi realizada utilizando o sistema HPLC-RI, ácidos orgânicos por UHPLC- DAD, ácidos gordos por GC-FID, e compostos orgânicos voláteis por GC-MSD. A composição fenólica das amostras foi determinada por HPLC-DAD-ESI/MS. Além disso, diferentes atividades biológicas (antioxidante, citotoxicidade e antimicrobiana) foram analisadas através de diferentes ensaios in vitro. A composição proximal e química revelou que os hidratos de carbono foram o macronutriente predominante nas amostras analisadas, destacando-se a frutose como o principal açúcar livre em pimentos laranja e vermelho, por outro lado a glucose foi o principal açúcar livre presente nas amostras de pimentos verdes. Quatro ácidos orgânicos foram identificados nas amostras sendo o ácido oxálico o mais abundante em pimentos laranja e vermelho; por outro lado verificou-se a predominância do ácido málico em pimentos verdes. Quanto aos ácidos gordos, foram identificados quinze no total sendo os ácidos palmítico, linoleico e α- linolénico presentes em maiores quantidades nas amostras, verificando a prevalência de ácidos polinsaturados. Na avaliação dos compostos fenólicos, um total de vinte e dois substâncias foram identificados nas amostras, incluindo sete ácidos fenólicos, catorze flavonoides e um estilbenos. A caracterização de compostos voláteis dos pimentos desperdiçados revelou a presença de trinta e quatro substâncias incluindo oito compostos heterocíclicos, sete ácidos, seis esteres, três álcoois, duas aminas, dois alcanos, um acetal, um aldeído, um éter, um glicérido, uma acetona e uma cetose. Relativamente à avaliação das propriedades bioativas, os extratos hidroetanólicos dos frutos, talos e sementes dos pimentos desperdiçados revelaram capacidade antioxidante, sendo o pimento verde aquele que apresentou o melhor resultado (0.36±0.01 mg/mL, 0.44±0.02 mg/mL, e 0.21±0.01 mg/mL, respetivamente). Suplementarmente, todos os extratos demonstraram ausência de atividade citotóxica. Ainda, os extratos dos frutos também demonstraram uma superior capacidade antibacteriana em relação aos extratos dos talos e das sementes, com melhores resultados identificados contra contaminantes alimentares Y. enterocolitica, B. cereus, S. aureus (MIC = 5 mg/mL), e isolados clínicos E. faecalis and MRSA (MIC = 5 mg/mL). Além disso, todos os extratos demonstraram não ser bactericidas para nenhuma bactéria testada até à concentração máxima testada (MBC>10 mg/mL). Na avaliação da atividade antifúngica, a linhagem fúngica A. brasiliensis revelou-se ser a mais suscetível às amostras testadas, especialmente nos extratos dos frutos, sendo o pimento verde aquele que demonstrou efeito inibitório superior (MIC = 1.25 mg/mL). Além disso, nenhum extrato demonstrou capacidade fungicida para ambos os fungos até à concentração máxima testada (MFC>10 mg/mL). De uma forma geral, este estudo teve como objetivo valorizar os pimentos coloridos como fonte natural de compostos bioativos que podem ser explorados por diferentes indústrias através da sua conversão em produtos de valor acrescentado, contribuindo simultaneamente para a implementação de diretrizes da bioeconomia circular.This work is funded by the project “BIOMA – Bioeconomy integrated solutions for the mobilization of the Agro-food market” (POCI-01-0247-FEDER-046112), by “BIOMA” Consortium, and financed by European Regional Development Fund (ERDF), through the Incentive System to Research and Technological development, within the Portugal2020 Competitiveness and Internationalization Operational Program