Development and characterization of functional ingredients from olive pomace : bioactivity and potential application

Atualmente, grande volume dos resíduos gerados ao longo da cadeia alimentar Europeia é produzido durante o processamento alimentar (19-39%). A indústria de extração de azeite não é exceção, gerando anualmente grandes quantidades de subprodutos e resíduos com elevado impacto fitotóxico, mas que são também ricos em diversos compostos bioativos e nutrientes com potencial aplicação como ingredientes alimentares. Assim sendo, é imprescindível a adoção de estratégias de redução do desperdício e de valorização dos subprodutos, no sentido de melhorar a sustentabilidade económica e ambiental da indústria alimentar. Atualmente, o bagaço de azeitona é o subproduto de maior relevo da indústria de azeite e a sua valorização adequada é também o maior desafio do sector para alcançar uma cadeia produtiva sustentável alinhada com os princípios da Bioeconomia Circular. Esta tese visou alcançar uma valorização “zero desperdício” para o bagaço de azeitona, priorizando os produtos de alto valor acrescentado sobre os de baixo valor através da produção e caracterização de ingredientes alimentares, nomeadamente ingredientes em pó ricos em vários compostos bioativos, seguida da validação in vitro das suas atividades biológicas ligadas a benefícios para a saúde, como a prevenção e redução de doenças cardiovasculares, diabetes, problemas intestinais e posterior aplicação no desenvolvimento de alimentos funcionais. Uma estratégia de “desperdício zero” foi alcançada para o bagaço de azeitona. Esta estratégia consiste num procedimento simples de fracionamento, em que se obteve uma fração líquida que revelou um alto teor de hidroxitirosol (513,61-625,76 mg/100 g de peso seco) e uma fração de polpa caracterizada por ser uma boa fonte de fibra alimentar antioxidante. Adicionalmente, obteve-se ainda uma fração de caroços que exibiu valores caloríficos significativamente elevados (18,65-18,94 MJ/kg). Estes resultados validaram o potencial valor acrescentado das frações líquidas e de polpa como ingredientes alimentares e como biocombustível no caso da fração de caroços. Após validação do potencial da fração líquida e de polpa do bagaço de azeitona como ingredientes alimentares, dois novos ingredientes em pó, estáveis e seguros, foram desenvolvidos sem qualquer etapa de extração, nomeadamente um pó enriquecido na fração líquida (LOPP) e um pó enriquecido na fração de polpa (POPP). O LOPP exibiu uma quantidade significativa de manitol (141 g/kg), potássio (54 g/kg) e hidroxitirosol/derivados (5 mg/g). O POPP exibiu uma grande quantidade de fibra alimentar (620 g/kg) associada a um teor significativo de fenólicos (7,41 mg equivalentes de ácido gálico/g fibra) com atividade antioxidante substancial. O POPP também revelou uma composição de ácidos gordos insaturados semelhante à do azeite (76% do total de ácidos gordos), sendo ainda uma fonte razoável de proteína (12%). As suas propriedades funcionais (solubilidade, capacidade de retenção de água e de óleo), capacidade antioxidante e atividade antimicrobiana foram também avaliadas, assim como a sua segurança biológica. Em síntese, a multifuncionalidade e aplicabilidade dos pós de bagaço de azeitona como fortificantes nutricionais, promotores de benefícios para a saúde e conservantes foram atestadas. A digestão simulada in vitro permitiu concluir que os fenólicos e minerais do LOPP foram afetados negativamente pela digestão, no entanto, uma bioacessibilidade significativa de potássio e hidroxitirosol foi verificada ( 57%) e as suas bioatividades foram apenas moderadamente afetadas. Em relação às suas bioatividades, pelo menos metade da atividade antioxidante (capacidade de Resumo x absorção do radical de oxigénio), de inibição da -glucosidase e de inibição da enzima conversora de angiotensina (91,98%) foram retidas e bioacessíveis após a digestão. Por sua vez, a digestão do POPP revelou uma perda significativa de fenólicos na digestão oral (62,48%), mas o papel da fibra como veículo de fenólicos permitiu recuperar uma quantidade significativa de fenólicos no estômago (77,11%) e um índice de bioacessibilidade de pelo menos 50% (tirosol e o seu glucosídeo). A fibra do POPP também interagiu positivamente com os ácidos gordos, diminuindo e facilitando bioacessibilidade dos saturados (5-6%) e dos insaturados (4-11%), respetivamente. Após realização da digestão in vitro dos pós de bagaço de azeitona, as frações disponíveis no cólon de ambos os pós exibiram uma composição abundante em compostos associados a potenciais benefícios para a saúde intestinal, nomeadamente fibra e compostos fenólicos e fibra. Assim sendo, procedeu-se a fermentação fecal in vitro das frações não digeridas retidas no cólon após a digestão gastrointestinal simulada in vitro do LOPP e POPP. Os resultados da análise do gene 16S rRNA e dos ácidos gordos de cadeia curta mostraram que estes pós não tiveram um impacto negativo na diversidade da microbiota intestinal e que promoveram uma maior produção de ácidos de cadeia curta (acetato>butirato>propionato) do que os frutooligossacarídeos. A identificação dos metabólitos fenólicos dos pós de bagaço de azeitona por LC-ESI-UHR-QqTOF-MS seguida das análises de clustering supervisionada e clustering hierárquico permitiram avaliar os padrões destes metabólitos ao longo da fermentação fecal in vitro, bem como explicar as potenciais atividades biológicas destes pós no intestino. Ambos os pós apresentaram um conteúdo fenólico e uma capacidade de absorção de radical de oxigénio significativas e capacidade de inibição da adesão de patógenos como o Bacillus cereus (22,03%) e Listeria monocytogenes (20,01%), sobretudo pelo POPP. Por fim, para validar o desempenho dos pós de bagaço de azeitona como ingredientes funcionais, LOPP e POPP foram incorporados em iogurte para aumentar o seu conteúdo em fibra alimentar, hidroxitirosol e ácidos gordos insaturados. A adição de POPP (2%) ao iogurte permitiu cumprir a condição de “fonte de fibra”, por sua vez LOPP (1%) forneceu 5 mg de hidroxitirosol/ derivados num iogurte (120 g). A adição de POPP e azeite juntamente com LOPP ou POPP permitiu uma melhoria do perfil de ácidos gordos insaturados dos iogurtes. Além disso, todos os iogurtes fortificados apresentaram um maior teor de fenólicos e atividade antioxidante. A digestão in vitro reduziu a atividade antioxidante de todas as formulações e mostrou que a incorporação de azeite juntamente com o LOPP e POPP aumentou a bioacessibilidade de hidroxitirosol e do hidroxitirosol glucosídeo, respetivamente. Contudo, todas as formulações com os pós de bagaço de azeitona podem ser consideradas boas fontes de hidroxitirosol, lípidos insaturados e fibras para os consumidores. Em suma, os resultados deste trabalho irão contribuir para a sustentabilidade da indústria do azeite no contexto da bioeconomia circular, através do desenvolvimento de ingredientes de valor acrescentado destinados à indústria alimentar com potencial impacto positivo na saúde, proporcionando ainda um biocombustível sólido.Currently, a large amount of the total European food supply chain waste (between 19 and 39%) is produced during food processing. The olive oil industry is no exception, generating large quantities of by-products and wastes annually with high phytotoxic impact, but also rich in several bioactive compounds and nutrients with potential application as food ingredients. Thus, it is imperative to implement strategies to reduce waste and valorise by-products to improve the food industry's economic and environmental sustainability. Olive pomace is the most prominent by-product of the modern olive oil industry, and its proper valorisation is one of the major obstacles to olive oil industry achieve a sustainable production chain aligned with the principles of the Circular Bioeconomy concept. This project aimed at achieving a “zero waste” valorising approach to olive pomace that prioritised the high over low added-value products, through the production and characterisation of food ingredients, namely high-value powdered ingredients rich in several bioactive compounds, followed by the validation of their biological activities related with health benefits as prevention and reduction of the prevalence of cardiovascular diseases, diabetes and gut disorders and, their application in the development of functional foods. A “zero waste” strategy was achieved for olive pomace. This strategy is based on a feasible fraction approach, and it was obtained a liquid fraction that revealed a high amount of hydroxytyrosol (513.61- 625.76 mg/100 g dry weight) and pulp fraction that was characterised to be a good source of antioxidant dietary fibre. Additionally, it was achieved a stones fraction that exhibited substantial higher heating values (18.65-18.94 MJ/kg). These results supported the potential value-added of the liquid and pulp fractions from olive pomace as functional food ingredients and as biofuel to stones. After validating the liquid and pulp fraction potential as food ingredients, new two stable and safe, powdered ingredients without any extraction step were developed, namely a liquid-enriched powder (LOPP) and a pulp-enriched powder (POPP). LOPP exhibited a significant amount of mannitol (141 g/kg), potassium (54 g/kg) and hydroxytyrosol/derivatives (5 mg/g). POPP exhibited a high amount of dietary fibre (620 g/kg) associated with a significant amount of bound phenolics (7.41 mg gallic acid equivalents/g fibre dry weight) with substantial antioxidant activity. POPP also revealed an unsaturated fatty acid composition similar to that of olive oil (76% of total fatty acids) and a reasonable source of protein (12%). Their functional properties (solubility, water‐holding and oil‐ holding capacity), antioxidant capacity and antimicrobial activity were also assessed, and their biological safety was validated. The multifunctionality and applicability as nutritional enhancers, health-benefits promoters and preservatives of the olive pomace powders were recognised. The in vitro simulated digestion allowed concluding that phenolics and minerals from LOPP were negatively affected by digestion. However, a significant bioaccessibility of potassium and hydroxytyrosol was verified ( 57%) and its bioactivities were only moderately affected. Regarding its bioactivities, at least half of the antioxidant activity (measured by Oxygen Radical Absorbance Capacity assay), -glucosidase inhibition activity and angiotensin-converting enzyme inhibitory activity (91.98%) were retained and bioaccessible after in vitro digestion. In its turn, POPP digestion Abstract xii revealed a significant loss of phenolics in the oral step (62.48%), but the dietary fibre role as phenolics’ carrier allowed recovering a significant amount of phenolics in the stomach (77.11%) and a bioaccessibility index of at least 50% (mainly for tyrosol and its glucoside). POPP dietary fibre also positively interacts with lipids decreasing the saturated fatty acids bioaccessibility (5-6%) and facilitating the unsaturated fatty acid bioaccessibility (4-11%). After the in vitro digestion system of both olive pomace powders, the colon-available fractions LOPP and POPP exhibited an abundant composition in phenolics, but also dietary fibre with potential gut health benefits as antioxidants, antimicrobial and prebiotic agents. So, the gut's potential beneficial effects were analysed by in vitro faecal fermentation of the undigested fractions retained in the colon after in vitro simulated gastrointestinal digestion. The 16S rRNA gene analysis results showed that LOPP and POPP did not negatively impact gut microbiota diversity. The short-chain fatty acids analysis showed a higher production of these fatty acids (acetate > butyrate > propionate) by LOPP and POPP than by fructooligosaccharides. The identification of phenolic metabolites by LC-ESIUHR-QqTOF-MS followed by supervised cluster and hierarchical clustering analysis allowed to evaluate the metabolite patterns of olive pomace powders phenolics throughout faecal fermentation, explaining the potential biological activities exhibited in the gut by these powders. Both powders showed significant total phenolic content and oxygen radical absorbance capacity during faecal fermentation. But also, mucin‐adhesion inhibition ability against pathogens as Bacillus cereus (22.03%) and Listeria monocytogenes (20.01%), specially POPP. Finally, to validate olive pomace powders' performance as functional ingredients, LOPP and POPP were incorporated into yoghurt to increase its content in dietary fibre, hydroxytyrosol, and unsaturated fatty acids. POPP (2%) and LOPP (1%) addition to yoghurt allowed fulfilling the condition on being a “source of fibre” and provides 5 mg of hydroxytyrosol and derivatives in a standard yoghurt (120 g), respectively. The addition of olive oil, together with olive pomace powders, was also investigated in order to understand the lipids-phenolics interaction, and not only POPP addition improved the yoghurts’ unsaturated fatty acids profile, but the olive oil addition together both olive pomace powders also improved too. Besides that, all yoghurts fortified with olive pomace powders exhibited higher total phenolic content and antioxidant activity. The in vitro digestion of yoghurts showed that olive oil incorporation together with olive pomace powders increased the bioaccessibility of hydroxytyrosol (LOPP + olive oil) and hydroxytyrosol glucoside (POPP + olive oil). Despite the reduction of antioxidant activity after digestion, the yoghurts formulations with olive pomace powders could be considered suitable carriers to deliver hydroxytyrosol, unsaturated fatty acids and fibre to the consumers. In short, the results from this work will contribute to the sustainability of the olive oil industry in circular bioeconomy context, through the development of value-added ingredients to the food industry with a positive impact in health, offering also a solid biofuel

Ontology based information: (model for the Serbian language)

Основни задатак ове докторске дисертације је истраживање различитих техника и модела који се примењују у екстракцији информација и пружање информатичке подршке за обраду текстова који припадају домену кулинарства и гастрономије. Екстракција информација је подобласт рачунарске лингвистике која обухвата скуп техника обраде природних језика, како би се у текстовима пронашлe релевантне информације, одредила њихова значења и успоставиле релације међу њима. Посебна пажња је посвећена екстракцији информација вођеној онтологијама. Она обухвата задатак препознавањa инстанци концепата онтологије у неструктурираним или полуструктурираним природно‐језичним текстовима и резоновање над препознатим инстанцама на основу правила која су дефинисана у онтологији. Такође обухвата и задатак препознавања инстанци у тексту и њихово правилно придруживање концепту онтологије...The basic goal of this doctoral thesis is a research into different techniques and models which are applied in information extraction, and providing an informatic support in processing of natural language texts from culinary and gastronomy domain. Information extraction is a subfield of computational linguistics which includes techniques for natural languages processing, in order to find relevant information, define their meaning and establish relations between them. A very special attention is given to ontology based information extraction. It consists of the following: recognition of instances of ontology concepts in non‐structured or semistructured texts written in natural language, reasoning over the identified instances based on the rules defined in the ontology, as well as recognition of instances and their use for instantiating the proper ontology concepts..

Mushrooms as a source of high-value bioactive molecules: conversion of ergosterol into vitamin D2, extraction, stabilisation, and a study using bakery products

[ES] Son numerosos los factores que contribuyen a la existencia de riesgo de déficit de vitamina D en la población europea. Este déficit favorece una menor absorción de calcio y fosfato, lo que puede causar varios trastornos de salud graves. Los alimentos naturales (no enriquecidos), por sí mismos, rara vez proporcionan suficiente vitamina D para prevenir el déficit, por lo que alimentos enriquecidos con vitamina D y/o suplementos de vitamina D pueden ayudar a prevenir la carencia cuando la exposición al sol es inadecuada. Sin embargo, la mayoría de los suplementos disponibles utilizan vitamina D que proviene de fuentes sintéticas, por lo que disponer de vitamina D de una fuente natural sería una alternativa para superar los problemas que conlleva el uso de aditivos sintéticos y contribuiría a proporcionar beneficios para la salud. En este sentido, la industria alimentaria está constantemente buscando ingredientes de fuentes naturales debido a sus propiedades multifuncionales, eficacia competitiva y efectos de menor toxicidad. Los hongos han sido una parte esencial de nuestra dieta durante muchos años debido a su rico contenido nutricional y abundancia en biomoléculas, específicamente ergosterol, una provitamina D2. Sin embargo, es necesario llegar a un número más significativo de individuos, por lo que, a la hora de pensar en un grupo de alimentos candidatos a la fortificación, es necesario elegir una matriz alimentaria como los cereales, principalmente el trigo, consumida por un gran porcentaje de la población mundial, y cuya harina se utiliza para desarrollar muchos productos alimenticios en todo el mundo. A lo largo de esta tesis se han propuesto alternativas para solventar alguna de las cuestiones arriba planteadas. Así, con el objetivo de obtener vitamina D de una fuente natural (hongos - vitamina D2) ha sido necesario desarrollar varias metodologías, desde la producción de hongos hasta la obtención de vitamina D2. Después de obtener la vitamina D2 su estabilización también es esencial, por lo que se han desarrollado metodologías de encapsulación para asegurar que se mantienen sus propiedades cuando se incorpora al producto final. Por otra parte, asumiendo que la vitamina D es esencial para muchas funciones en el organismo, pero principalmente para los huesos, fue necesario validar el concepto de que la vitamina D2 promueve la absorción de calcio. El trabajo llevado a cabo en la presente Tesis doctoral muestra que es posible obtener y estabilizar la vitamina D2 natural de los hongos e incorporarla a una matriz de harina utilizando tecnologías innovadoras de extracción, irradiación y encapsulación. Por otra parte, con el fin de maximizar los compuestos bioactivos presentes en los hongos, se ha realizado un estudio para complementar los sustratos donde se cultivan los hongos con silicato de calcio. Esta suplementación se ha relacionado con una mayor resistencia contra las plagas de insectos. Sin embargo, pocos estudios muestran el impacto de esta suplementación en los diferentes parámetros agronómicos de los hongos de ostra (Pleurotus ostreatus var. florida) o incluso su composición química y bioactividad (actividades antioxidantes, antibacterianas y antifúngicas)

Valorisation de coproduits agricoles pour l’élevage de la mouche-soldat noire, Hermetia illucens (L. 1758) visant l’alimentation du tilapia du Nil Oreochromis niloticus (L. 1758) au Bénin

La disponibilité en protéines animales de qualité est la principale préoccupation pour une population mondiale en pleine croissance. Le déclin graduel des captures de la pêche et la demande accrue d’aliments pour le secteur aquacole ont provoqué une diminution marquée de la disponibilité de la farine de poisson et de l’huile de poisson avec une augmentation de leur prix. La durabilité de ces intrants devient problématique et la recherche de ressources alternatives performantes s’avère imminente. Les farines végétales comme le soja et d’autres plantes terrestres ont été largement introduites dans l’alimentation des poissons. Bien qu’elles soient riches en protéines et en lipides, plusieurs de ces ressources végétales présentent des facteurs antinutritionnels, des niveaux élevés d’acides gras saturés, une carence en acides gras polyinsaturés longues chaînes et connaissent une concurrence avec le secteur de la consommation humaine. De plus, l’empreinte écologique liée à la consommation énergétique et hydrique engendrée par leur production met en péril la durabilité de cette alternative. Une source de protéines précieuse et pérenne est constituée par les insectes. Ils font naturellement partie du régime alimentaire des poissons et possèdent une valeur nutritionnelle élevée. Par rapport aux élevages conventionnels, ils ont une efficacité de conversion élevée et nécessitent beaucoup moins d’eau. L’aptitude des insectes à convertir les déchets en nutriments de haute qualité est bien connue et la mouche-soldat noire (Hermetia illucens L. 1758) est reconnue comme l’un des bioconvertisseurs les plus efficaces. La rapidité de son cycle de développement et son habitude alimentaire polyphage en font un candidat de premier ordre à la substitution de la farine et de l’huile de poisson. Cependant, son profil lipidique est caractérisé par des niveaux élevés en acides gras saturés qui limitent son inclusion dans l’aliment des poissons. Par ailleurs, la production de masse de cette espèce n’est pas encore une activité courante et la littérature en matière de production est encore peu documentée, surtout en Afrique et notamment au Bénin où elle est inexistante. Cette thèse qui s’inscrit dans un programme d’optimisation de la filière de production du tilapia du Nil Oreochromis niloticus (L. 1758) au Bénin s’est intéressée à l’élevage de la mouche-soldat noire à partir de coproduits agricoles locaux pour son incorporation dans les aliments piscicoles. La première partie de ce travail a consisté à réaliser un inventaire des ressources disponibles, potentiellement utilisables pour l’élevage de la mouche-soldat noire. Une enquête a été réalisée et une liste de 22 coproduits d’intérêt constituée de tourteaux, de sons et de résidus organiques a été proposée. Le second volet de cette thèse a consisté à développer une unité fonctionnelle de production de la farine de mouche-soldat noire. Les paramètres zootechniques de l’élevage ont été étudiés pour définir les bases adaptées à une production locale. Les paramètres de reproduction optimale établis définissent une densité de charge des adultes de 8500 individus/m3 à 26-27°C en les exposant à au moins 12h de lumière naturelle. Un dispositif d’élevage larvaire adapté au comportement de l’insecte a été conçu à partir de bacs plastiques puis testé. L’élevage des larves a été conduit sur l’association de coproduits broyés et humidifiés à 70%. La densité de charge larvaire optimale définie était de 2g d’aliment par larve. A partir d’une unité de 0,12 m2, environ 400 g de farine de mouche-soldat noire ont pu être produits. La troisième étape de la recherche a consisté à optimiser la qualité des acides gras de la mouche-soldat noire. L’objectif était d’apporter chez l’insecte, à travers l’alimentation, les acides gras polyinsaturés (AGPI) qu’il était incapable de produire, mais qui sont déterminants chez le poisson. Il s’agit des acides linoléique (LA), alpha linolénique (ALA), eicosapentaénoïque (EPA) et docosahexaénoïque (DHA). Les régimes alimentaires des insectes ont été modulés en les enrichissant par incorporation de coproduits végétaux riches en LA et ALA et des abats de poissons contenants des niveaux élevés d’EPA et de DHA. Ces acides gras se sont retrouvés en proportions relativement importantes dans la farine de la mouche-soldat noire à l’exception du DHA qui présentait de faibles valeurs. La quatrième phase de la recherche a consisté à tester l’effet du remplacement total de la farine et de l’huile de poisson par les farines enrichies sur les performances de croissance et la qualité nutritionnelle du tilapia du Nil. Globalement les poissons nourris avec les régimes témoins contenant la farine de poisson et l’huile de poisson présentaient de meilleures performances. Cependant, certains régimes à base de mouche-soldat noire permettaient d’obtenir des croissances similaires aux témoins. Si les poissons ont répondu différemment selon les niveaux d’enrichissement des AGPI, les proportions d’ALA, EPA et DHA dans les poissons étaient satisfaisantes. A partir du précurseur « LA » apporté par l’insecte, O. niloticus est en mesure de synthétiser les AG essentiels comme l’acide arachidonique. La digestibilité des aliments a été affaiblie par les substitutions totales effectuées. Les proportions élevées de chitine dans les prépupes de mouche-soldat noire en sont l’explication plausible. Des pistes de recherche pour éliminer ou réduire son influence ont été suggérées. La dernière partie de cette étude a porté sur une analyse quantitative des effets de l’inclusion de la mouche-soldat noire dans les aliments en pisciculture. L’objectif était de voir si les promesses faites à propos de la mouche-soldat noire en tant que protéine d’avenir pour l’industrie piscicole étaient solides. Les études concernant le sujet ont été analysées et bien qu'aucune conclusion définitive n'ait été tirée, il est possible d'envisager des niveaux élevés de substitution sans compromettre les performances du poisson. Toutefois, la viabilité économique d'une production commerciale de poisson à partir d'aliments à base de la mouche-soldat noire doit être rigoureusement analysée. Les résultats de cette thèse constituent une base d’amélioration des différents aspects d’élevage de la mouche-soldat noire et de son optimisation nutritionnelle pour remplacer efficacement la farine de poisson.Optimisation de la filière de production du tilapia au Bénin par amélioration génétique et stratégie alimentaire innovant

Automatic extraction of ingredient's substitutes

Expert advice on how ingredients can be replaced in recipes is widely available on-line. However, these are general substitution rules, which do not take into account contextual factors such as culture, sensory perception, season, etc. We aim at tuning general rules to particular recipes. From an on-line food encyclopedia we extract explicit substitution rules. We also consider implicit substitution rules, derived by the categorisations in the same source. By applying Latent Dirichlet Allocation (LDA) onto a crawled dataset, we rank ingredients based on their likelihood of being interchangeable, given a recipe. The results show that our statistical approach can approximate manual judgments