Antioxidant properties and applications of pecan (Carya illinoinensis)

Abstract

At the present time, the environmental challenges are the second concern on a global level, and the first one in some countries. This is one of the main reasons behind the recent boost of new methods of production within the agri-food sector. Adopting a circular economy model, for example, means aiming at reducing, reusing and processing wastes. Wastes and food sub-products are a potential source of bioactive compounds, some of which can have antioxidant properties. In recent years, they have become more relevant in the food and drug industry, since they represent a good alternative in the formulation of functional foods, such as additives or even in the production of drugs.
 The main focus of this thesis was on the pecan shell (Carya illinoinensis) and its fruit. Secondly, the roselle flower (Hibiscus sabdariffa) and the cayenne pepper (Capsicum annuum) were also studied as well. These plants or their extract have antioxidant and, to a lesser extent, antibacterial properties on food.
 Firstly, the total polyphenols content (TPC) and the antiradical activity were identified and analyzed through several methods. Secondly, the potential synergetic effects of these plants in real food environments, such as oil-in-water emulsions, fish and beef patties were evaluated.
 On the other side, active packaging was also part of the study. Films were created from a basis of gelatine, with extracts of the pecan shell and the fruit. The film was characterized and evaluated both in its interaction with the food (hamburger), analyzing the delay in the oxidation, and for its mechanical and physic-chemical properties. Also, the film Poly (α-dodecyl γ-glutamate) (PAAG-12) was formed by adding α-tocopherol (one of the main compounds of the pecan shell) and was compared to the polylactic acid film in similar conditions.
 The process of extrusion of the pecan shell was optimized. The extrudate shell was added as a new ingredient to the development of bread and tortilla production. The extruded pecan shell was encapsulated and its antioxidant activity was evaluated in patties of salmon. At the same time, the fermentation of the original pecan shell and extruded shell with Aspergillus oryzae fungus were studied.
 Along with the antioxidant analysis, an in vitro evaluation was conducted on the antiproliferative activity of the extract from the fruit and shell of the pecan nut, in cultures of cells derived from tumors.
 The results obtained from the pecan shell extract show high levels of TPC and good antiradical activity, similar to the values for the extract of green tea. At the same time, both the fruit and the pecan shell had a positive effect, slowing the formation of hydroperoxides in emulsions.
 The synergy between the fruit of the nut and the roselle flower slowed down the fat oxidation in sardine burgers, thus decreasing the formation of reactive compounds to malondialdehyde and volatile compounds. Similar results were achieved in meat, by the addition of the mix of the pecan shell with the roselle flower and the cayenne pepper.
 Concerning the two types of film developed, the result was positive both in terms of decrease of compounds, generated from the primary oxidation in emulsions, and the secondary oxidation in meat.
 The extrusion of the pecan shell increased significantly the antioxidant properties and up to three times the content of soluble fiber versus the non-extruded pecan shell. The addition of this new ingredient in bread, tortillas and capsules showed favorable results. Moreover, the extracts of both the fruit and the pecan shell showed an anti-proliferative activity in cell cultures derived from tumors.
 Taking advantage of residues like the pecan shell in order to obtain products with an added value represents an environmentally conscious option. Moreover, the synergies between different plants increased the antioxidant and antimicrobial activities, and potentially allowing the replacement of synthetics additives in food. Los problemas relacionados con el medio ambiente constituyen actualmente la segunda preocupación a nivel mundial, y la primera en el caso de muchos países. Éste es uno de los principales motivos que está motivando la adaptación hacia nuevos sistemas de producción en el sector agroalimentario. Por ejemplo, adoptar un modelo de economía circular, que tiene por finalidades la reducción, reutilización y aprovechamiento de sus residuos. Los desechos y subproductos alimentarios constituyen fuentes potenciales de compuestos bioactivos, algunos de los cuales pueden proporcionan propiedades antioxidantes. Ello ha propiciado que en los últimos años adquieran relevancia para las industrias alimentarias y farmacéuticas, al representar una buena alternativa en la formulación de alimentos funcionales, como aditivos alimentarios o incluso en la producción de fármacos. En esta tesis doctoral se ha analizado principalmente la cáscara de nuez pecana (Carya illinoinensis), como también el fruto. Secundariamente se ha trabajado con la flor de hibisco (Hibiscus sabdariffa) y el pimiento (Capsicum annuum). Estos productos, directamente o sus extractos, poseen compuestos con propiedades antioxidantes, capaces de inhibir procesos de oxidación en alimentos, y también, aunque en menor medida, con propiedades bactericidas. Inicialmente, se ha analizado e identificado el contenido de polifenoles totales (CPT) y la actividad antirradicalaria mediante distintos métodos. Posteriormente, se han evaluado posibles efectos sinérgicos de estas plantas en sistemas alimentarios reales, como emulsiones de aceite en agua, hamburguesas de carne y pescado. Otro aspecto a destacar es el trabajo con envases activos. Se han elaborado biofilms a base de gelatina con extractos del fruto y de la cáscara. Se caracterizó y evaluó tanto en la interacción con el alimento (hamburguesa), analizando el retraso en la oxidación, como por sus propiedades mecánicas y físico-químicas. También se ha sintetizado el film Poly (α -dodecyl γ-glutamate) (PAAG-12) con adición de ¿α-tocoferol (uno de los principales compuestos del fruto de la nuez pecana) y se ha comparado con las características, en condiciones similares, del film con ácido poliláctico (PLA). Se ha optimizado el proceso de extrusión de la cáscara de nuez. El extruido se ha añadido como nuevo ingrediente para el desarrollo de productos de panificación. Se ha llevado a cabo la encapsulación de dicho extruido y evaluado la actividad antioxidante en salmón. Así mismo, se ha estudiado la fermentación de la cáscara original y extruida con el hongo Aspergillus oryzae. Además de los análisis antioxidantes comentados, también se ha evaluado in vitro la actividad antiproliferativa de extractos de fruto y cáscara de la nuez pecana en cultivos de líneas celulares derivadas de tumores. Los resultados obtenidos con los extractos de cáscara muestran los niveles mayores de CPT y actividad antirradicalaria, de manera similar a los obtenidos con extractos de té verde. Así mismo, tanto el fruto como la cáscara tuvieron un gran efecto en la disminución de la formación de hidroperóxidos en emulsiones. Por su parte, la sinergia del fruto de la nuez con la flor de hibisco logró una reducción de la oxidación lipídica en hamburguesas de sardinas, disminuyendo la formación de compuestos reactivos al malondialdehído y de compuestos volátiles. Resultados similares se obtuvieron en la carne con la implementación de la mezcla de la cáscara con la flor de hibisco y el pimiento. En cuanto a los dos tipos de films elaborados, el resultado fue positivo tanto en la disminución de compuestos formados por la oxidación primaría en emulsiones como de la oxidación secundaría en carne. 
 La extrusión de cáscara incrementó significativamente la capacidad antioxidante y hasta tres veces más el contenido de fibra soluble con respecto a la cáscara no extruida. La adicción de este nuevo ingrediente en pan, tortilla y cápsulas han mostrado resultados muy favorables, como lo son el aumento de la capacidad antioxidante.
 Adicionalmente, tanto los extractos del fruto como de la cáscara presentaron actividad antiproliferativa en líneas celulares derivadas de tumores.
 Todo lo expuesto supone una alternativa respetuosa con el medio ambiente, permitiendo usar residuos como la cáscara de la nuez pecana para obtener productos con valor añadido. Además, las sinergias encontradas entre las plantas estudiadas han permitido potenciar la actividad antioxidante y antimicrobiana, mostrando un destacable uso potencial como sustitutos de aditivos sintéticos en alimentos.