Applicazione della tecnica PEF (Pulsed Electric Field) nella estrazione di polifenoli da by-products agroalimentari

The first applications to foods of Pulsed Electric Field technology (PEF) date back to the 40s and were mainly directed to microbial inactivation. In recent years, however, this technology was also combined with other mild technologies in order to extend its effects. It was used for the pasteurisation of liquid foods such as fruit juices, or to favor the extraction of functional components such as polyphenols. Its principle of working is based on the application of a high intensity electric field on the product placed in a sealed chamber using special electrodes. The field is composed by pulses which duration is comprised between microseconds and milliseconds, and the process can be continuous or discontinuous. A PEF system, in addition to the chamber, is also constituted by an electrical circuit formed by a generator of high voltage pulses, a discharge capacitor, a resistor and an inductor. A cooling system finally ensures that the electrical components do not overheat. The generator and the inductor transform the alternating current into high-voltage pulses, which charge the capacitor, while the resistor ensures that unwanted tensions are not created. A switch allows the discharge of the capacitor on the liquid product to be treated or placed in a liquid through the two electrodes placed in the chamber. The voltage applied to the product is then transferred at each point of the same thanks to the ions present in solution and the treatment is diffused in a homogeneous way. A PEF system allows to define the potentials to be applied (kV/cm), the duration of individual pulses (µs), the number of cycles of the treatment and the frequency (Hz). In relation to the increasing use of this technology the aim of the work was to use a PEF system for the extraction of compounds from two food by-products, the coffee silverskin and the cocoa bean shell, evaluating the efficacy compared to a conventional solvent extraction. The two matrices are in fact rich of polyphenolic substances with antioxidant activity and the recovery of these components can open interesting scenarios to industrial level. By a Central Composite Design (CCD) based on 5 variables (pulse duration, number of cycles, the applied potential, stirring time and percentage of ethanol) and two response parameters (polyphenol content and antioxidant activity) in a first phase has been defined the optimal treatment for each matrix. In the second phase of the work, using the previously defined conditions, has been rated the polyphenolic content and the antioxidant activity of 12 samples of silverskin and 12 of cocoa bean shell. The results obtained have shown that pulsed electric fields have poor influence on the extractability of the polyphenolic components from these matrices and the improvement over the traditional technique is not significant. This is probably due to the type of matrix where the roasting process has already deeply injured cell walls, thus facilitating the subsequent extraction of the present polyphenolic components.

Le prime applicazioni agli alimenti dei campi elettrici pulsati o Pulsed Electric Field (PEF) risalgono agli anni '40 ed erano rivolte soprattutto all'inattivazione microbica. Negli ultimi anni però questa tecnologia è stata abbinata anche ad altre mild technologies al fine di estenderne l'efficacia. Così è stata utilizzata per la pastorizzazione di alimenti liquidi come i succhi di frutta, oppure per favorire l'estrazione di componenti funzionali come i polifenoli. Il suo principio di funzionamento si basa sull'applicazione al prodotto posto in una camera isolata di un campo elettrico ad alta intensità mediante speciali elettrodi. Il campo è di tipo pulsante con impulsi che hanno durata compresa tra i microsecondi ed i millisecondi ed il processo può essere continuo o discontinuo. Un sistema PEF, oltre alla camera, è quindi costituito da un circuito elettrico formato da un generatore di impulsi ad alta tensione, un condensatore di scarica, un resistore ed un induttore. Un sistema di raffreddamento infine assicura che i componenti elettrici non si surriscaldino. Il generatore e l'induttore trasformano la corrente alternata in impulsi ad alta tensione, i quali caricano il condensatore, mentre il resistore assicura che non si creino tensioni indesiderate. Un interruttore permette lo scarico del condensatore sul prodotto da trattare liquido od immesso in un liquido tramite i due elettrodi posti nella camera. La tensione applicata al prodotto viene quindi trasferita in ciascun punto dello stesso grazie agli ioni presenti in soluzione ed il trattamento è diffuso in modo omogeneo. Un sistema PEF consente di definire i potenziali da applicare (in kV/cm), la durata dei singoli impulsi (µs), il numero di cicli del trattamento e la frequenza (Hz). In relazione alla sempre maggiore diffusione di questa tecnica lo scopo del lavoro è stato quello di utilizzare un sistema PEF per l'estrazione di composti da due by-products agroalimentari, la pellicola argentea dei chicchi di caffè (silverskin) e la buccia delle fave di cacao (cocoa bean shell) valutandone l'efficacia rispetto ad una convenzionale estrazione con solvente. Le due matrici sono infatti ricche di sostanze polifenoliche ad attività antiossidante ed il recupero di questi componenti può aprire scenari interessanti a livello industriale. Mediante un Central Composite Design (CCD) basato su 5 variabili (durata della pulsazione, numero di cicli, potenziale applicato, tempo di agitazione e percentuale di etanolo) e due parametri di risposta (contenuto in polifenoli ed attività antiossidante) si è quindi definito, in una prima fase, per ciascuna matrice il processo di trattamento ottimale. Nella seconda fase del lavoro, utilizzando le condizioni precedentemente definite si è valutato il contenuto polifenolico e l'attività antiossidante di 12 campioni di silverskin e 12 di cocoa bean shell. I risultati ottenuti hanno però evidenziato che i campi elettrici pulsati hanno scarsa influenza sulla estraibilità dei componenti polifenolici da queste matrici ed il miglioramento rispetto alla tecnica tradizionale non è significativo. Questo si deve probabilmente al tipo di matrice considerata dove il processo di tostatura ha già profondamente lesionato le pareti cellulari facilitando quindi la successiva estrazione dei componenti polifenolici presenti.