Valorization of sugar industry co-product for the production of pectin-based edible coatings for the shelf-life extension of frozen shrimps

Abstract

In this study was conducted the valorization of sugar industry co-products through the development of a biorefinery for the production of biodegradable and bio-based coatings based on pectin, as well as the production of bacterial cellulose. Pectin coatings were manufactured and subsequently applied to frozen shrimp under freeze-thaw cycles, with ascorbic acid serving as a browning inhibitor. Initially, after free sugar extraction of the initial SBP solids, the impact of time (1h, 2h, 3h & 4h) and temperature (60°C, 70°C & 80°C) on pectin extraction with nitric acid was investigated in both the residual solid and the isolated pectin. The yield of pectins varied from 4.6% to 11.7% (w/w) depending on the temperature and the extraction time and the highest pectin yield was noted at 80°C for 4 h. The optimal process chosen for the scale-up was 80°C for 1 h since they provided high pectin yield and significant galacturonic acid content. Subsequently, the SBP residue without free sugars and pectins was subjected to enzymatic hydrolysis, resulted in a hydrolysate with a sugar concentration of 27.3 g/L, with glucose being the predominant sugar (84.9%). The produced SBP hydrolysate was utilized as a carbon source for the production of BC using Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973, achieving a production of 2.1 g/L BC, with a yield 0.06 gBC/gconsumed sugars and productivity of 0.33 g/L/day. Pectin coatings were subsequently prepared by adding three diverse concentrations of ascorbic acid (0.5%, 1% and 2%). The produced coatings were applied to frozen shrimps subjected to freeze-thaw cycles, and their effect on shelf life was assessed through a series of physicochemical analyses. The average L* value did not show statistically significant differences among the shrimps coated with a combination of pectin and AA, but it differed significantly from both the control group and the shrimps coated with pectin alone. In addition, the color difference between control and pectin alone coated samples after 16-day period remains stable, while the color difference between control and pectin with AA coated samples steadily increases. The ImageJ software analyses did not reveal significant differences in either intensity (weighted) or the sum of R+B+G among the samples or across different days. Shrimps coated with a combination of pectin and ascorbic acid received higher scores in the sensory analysis after the midpoint of the sensory analysis duration. The presence of ascorbic acid in all concentrations (0.5%, 1% & 2%) resulted in a reduction in PPO activity.

Στην παρούσα μελέτη πραγματοποιήθηκε αξιοποίηση των παραπροϊόντων της βιομηχανίας ζάχαρης μέσω της ανάπτυξης ενός βιοδιυλιστηρίου για την παραγωγή βιοδιασπώμενων επικαλύψεων με βάση την πηκτίνη, καθώς και την παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης. Παρασκευάστηκαν επικαλύψεις με βάση την πηκτίνη, οι οποίες, στη συνέχεια εφαρμόστηκαν σε κατεψυγμένες γαρίδες υπό κύκλους ψύξης-απόψυξης, με τη προσθήκη ασκορβικού οξέος, το οποίο χρησιμεύει ως αναστολέας της αμαύρωσης. Αρχικά, μετά την ανάκτηση των ελεύθερων σακχάρων από το αρχικό στερεό, διερευνήθηκε η επίδραση του χρόνου (1h, 2h, 3h & 4h) και της θερμοκρασίας (60°C, 70°C & 80°C) στην εκχύλιση της πηκτίνης με νιτρικό οξύ τόσο στο υπολειπόμενο στερεό όσο και στην απομονωμένη πηκτίνη. Η απόδοση σε πηκτίνη κυμαινόταν από 4.6% έως 11.7% (w/w) ανάλογα με τη θερμοκρασία και το χρόνο εκχύλισης και η υψηλότερη απόδοση πηκτίνης σημειώθηκε στους 80°C για 4 h. Η βέλτιστη διαδικασία που επιλέχθηκε για το scale-up ήταν οι 80°C για 1 h, δεδομένου ότι παρείχαν υψηλή απόδοση πηκτίνης και υψηλή περιεκτικότητα σε γαλακτουρονικό οξύ. Στη συνέχεια, το υπόλειμμα SBP χωρίς ελεύθερα σάκχαρα και πηκτίνες υποβλήθηκε σε ενζυμική υδρόλυση, με αποτέλεσμα την παραγωγή υδρολύματος με συγκέντρωση σακχάρων 27.3 g/L, με κυρίαρχο σάκχαρο τη γλυκόζη (84.9%). Το παραγόμενο υδρόλυμα SBP χρησιμοποιήθηκε ως πηγή άνθρακα για την παραγωγή BC χρησιμοποιώντας το βακτήριο Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973, επιτυγχάνοντας παραγωγή 2.1 g/L BC, με απόδοση 0.06 gBC/gκαταναλωθέντων σακχάρων και παραγωγικότητα 0.33 g/L/day. Στη συνέχεια παρασκευάστηκαν επικαλύψεις πηκτίνης με την προσθήκη τριών διαφορετικών συγκεντρώσεων ασκορβικού οξέος (0,5%, 1% και 2%). Οι παραχθείσες επικαλύψεις εφαρμόστηκαν σε κατεψυγμένες γαρίδες που υποβλήθηκαν σε κύκλους κατάψυξης-απόψυξης και η επίδρασή τους στη διάρκεια ζωής αξιολογήθηκε μέσω μιας σειράς φυσικοχημικών αναλύσεων. Η μέση τιμή L* δεν παρουσίασε στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ των γαρίδων που είχαν επικαλυφθεί με συνδυασμό πηκτίνης και ΑΑ, αλλά διέφερε σημαντικά τόσο από το control όσο και από τις γαρίδες που είχαν επικαλυφθεί μόνο με πηκτίνη. Επιπλέον, μετά τη μέρα 16 η διαφορά χρώματος μεταξύ των δειγμάτων control και των δειγμάτων που έχουν επικαλυφθεί μόνο με πηκτίνη παραμένει σταθερή, ενώ η διαφορά χρώματος μεταξύ των δειγμάτων ελέγχου και των δειγμάτων που έχουν επικαλυφθεί με πηκτίνη σε συνδυασμό με ΑΑ αυξάνεται. Οι αναλύσεις του λογισμικού ImageJ δεν έδωσαν σημαντικές διαφορές ούτε όσον αφορά στην ένταση της φωτεινότητας (Intensity (Weighted)), ούτε όσον αφορά στο άθροισμα R+B+G μεταξύ των δειγμάτων ή μεταξύ των διαφορετικών ημερών. Οι γαρίδες που ήταν επικαλυμμένες με συνδυασμό πηκτίνης και ασκορβικού οξέος έλαβαν υψηλότερες βαθμολογίες στην οργανοληπτική ανάλυση μετά το μέσο της διάρκειας της οργανοληπτικής ανάλυσης. Τέλος, η παρουσία του ΑΑ σε όλες τις συγκεντρώσεις (0,5%, 1% & 2%) είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση της ενεργότητας του ενζύμου PPO.