Valorisation of Cistus ladanifer L.: from production to evaluation of raw materials

Data
2022-09-23
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Resumo
A esteva, Cistus ladanifer L. (Cistaceae), é um recurso subvalorizado largamente distribuído na Península Ibérica. Devido à sua abundância, a esteva nunca foi cultivada na sua área de distribuição endémica, mas poderá ser relevante em termos de produção, fito-remediação, ocupação e recuperação de solos, uso ornamental, e investigação. A valorização dos produtos de esteva e a criação de uma cadeia de valor sustentável são necessárias para compensar a gestão dos seus matos naturais ou do seu cultivo. Atualmente, só o óleo essencial e a resina lábdano são valorizados nos setores das fragrâncias e perfumaria, mas, outros extratos e a biomassa de esteva têm sido estudados para serem valorizados. Embora a resina e as sementes de esteva, tradicionalmente, tenham sido usadas medicinalmente e como alimento, respetivamente, não existem estudos que abordem essa valorização. Este trabalho teve como objetivos: testar uma prática de gestão do esteval natural de modo a reduzir a biomassa combustível; testar o cultivo da esteva aplicando a mesma prática de gestão; usar técnicas de cultura de tecidos vegetais in vitro para a propagação clonal de esteva e produção de metabolitos; avaliar o valor nutricional das sementes e avaliar o potencial do lábdano como ingrediente cosmético e medicinal, de modo a contribuir para uma valorização integrada da esteva e contribuir para uma economia circular. O corte a 0,5 m efetuado no verão, no esteval silvestre e no cultivado, mostrou ser adequado para a gestão destes dois tipos de campos de esteva, inibindo a acumulação de biomassa lenhosa combustível e rendendo uma produção anual de biomassa verde fotossintética de 1500 kg/ha (esteval silvestre) e de 5500 kg/ha (esteval cultivado) e uma produção anual de lábdano, para uma colheita no final do verão, de 150 kg/ha (esteval silvestre) e 550 kg/ha (esteval cultivado). Para uma produção significativa de cápsulas e sementes foi necessário um crescimento por dois anos consecutivos tendo, os dois estevais, atingido uma produção de 270 kg/ha de cápsulas e 80 kg/ha de sementes. Por técnicas de cultura in vitro, a partir de segmentos caulinares internodais e segmentos foliares foi possível induzir a regeneração de rebentos (38%: explantes caulinares e 6-benzilaminopurina, BAP), a formação de callus rizogénicos (100%: dois explantes e ácido diclorofenoxiacético, 2,4-D, e BAP) ou a formação de callus com potencialidade para a regeneração de rebentos (100%: explantes caulinares e BAP e ácido 1-naftalenoacético) que poderão ser usados para a produção de metabolitos in vitro. As sementes de esteva mostraram ser uma fonte de proteína (16,2 %), cálcio (238 mg/100g) e zinco (3,22 mg/100g) e uma alta fonte de fibra (20,9%), xiv ácidos gordos insaturados (74%, gordura: 13%), fósforo (452 mg/100g), ferro (5,18 mg/100g) e magnésio (232 mg/100g). A extração de lábdano pelo processo Andaluz (2-11% peso resina seca/material fresco) foi mais eficiente que pelo processo Zamoreano (0-2% peso resina seca/material fresco), ambos produzindo um efluente aquoso com grande quantidade de fenóis (1-12 gGAE/L). As duas resinas renderam cerca de 70% do seu peso em extrato absoluto. O absoluto de lábdano obtido pelo processo Andaluz mostrou ser, principalmente, constituído por diterpenoides e flavonoides enquanto o absoluto de lábdano obtido pelo método Zamoreano mostrou ser constituído, principalmente, por fenilpropanoides, ácidos gordos e diterpenoides. O absoluto Andaluz mostrou atividades de proteção UV (Fator de proteção solar 5) e anti-inflamatória (95% de inibição de produção de NO em células RAW 264.7, a 15 μg/mL), devido principalmente aos flavonoides, o que é relevante para o seu uso como ingrediente em produtos cosméticos, dermocosméticos e medicamentos tópicos, mas mostrou fraca inibição da elastase e atividades antioxidante (DPPH, FRAP, and ABTS), e atividade antimicrobiana unicamente para Staphylococcus aureus ATCC 25923 (MIC 1,2 mg/mL). Este absoluto revelou 70% de inibição da acetilcolinesterase a 0,5 mg/mL, a fração de diterpenos revelou 30% de inibição da α-amilase a 0,5 mg/mL, e o absoluto revelou atividade citotóxica (IC50 (24h de exposição): 77 μg/mL e 53 μg/mL em células HepG2 e CACO2) o que é relevante para sua valorização como ingrediente medicinal e fonte de fármacos. Resumidamente, os estevais podem ser geridos de modo a obter produtos de valor acrescentado como lábdano (p.e., ingrediente cosmético e medicinal), extratos ricos em compostos fenólicos (p.e., aditivos alimentares), sementes (como alimento humano), biomassa verde (p.e., forragem) e restos de cápsulas e biomassa lenhosa (p.e., fonte de energia), ao mesmo tempo que se reduz a produção de biomassa combustível e se mantém a cobertura e recuperação de solos.
Cistus ladanifer L. (Cistaceae) is a widespread underexplored resource, occupying, as dense rockrose shrublands, extensive areas in Iberian Peninsula. Because of its abundance, Cistus ladanifer cultivation was never reported within its endemic area but it may be relevant for production, phytoremediation, soil cover and recuperation, ornamental use, and research purposes. To reimburse natural shrubland management practices and cultivation, valorisation of its products, as raw materials for several industries, and development of a sustainable value chain is a demand. Currently, only essential oil and labdanum resin are valued at some extent, for their aromatic properties in the perfumery and fragrance sectors. Recently, other extracts and biomass have been proposed to be valued for several purposes but there is a gap of scientific works addressing the potential use of labdanum resin for cosmetic/medicinal purposes and of seeds for human consumption despite their traditional use. To contribute for an integrative exploitation of C. ladanifer and a circular economy, this work intended to experiment a non-destructive harvest as management practice for a natural shrubland to reduce fuel load, to experiment cultivation with the same management practice, to use in vitro tissue culture for clonal propagation of C. ladanifer and secondary metabolite production, to assess the nutritional value of C. ladanifer seeds, to evaluate the labdanum resin extraction processes, and to confirm the potential of labdanum resin as a cosmetic and medicinal ingredient. Natural and cultivated shrublands could be properly managed, by harvesting during summer, using a cut at 0.5 m height, inhibiting the production of fire fuel wood biomass, and yielding a photosynthetic biomass yearly production of around 1500 kg/ha (natural shrubland) and 5500 kg/ha (cultivated shrubland) and resin yearly production of around 150 kg/ha (natural shrubland) and 550 kg/ha (cultivated shrubland) if harvest is done later in the Summer. Flowering, capsules, and seeds production needed a two-year growth to be significant and reach production of around 270 kg/ha of capsules and 80 kg/ha of seeds in both natural and cultivated shrublands. Internodal stem segments and basal leaf segments from C. ladanifer showed to be suitable explants for in vitro shoot regeneration (38% using stem explants and 6-benzylaminopurine, BAP) and induction of rhizogenic calli (100% using both explants and 2,4-dichlorophenoxyacetic acid, 2,4-D, and BAP) or calli with potential for shoot regeneration (100% using stem explants and BAP and 1-naphthaleneacetic acid, NAA) that may be used for in vitro production of secondary metabolites. Seeds from C. ladanifer showed to be a source of protein (16.2 xii %), calcium (238 mg/100g), and zinc (3.22 mg/100g), and a high source of fibre (20.9%), unsaturated fatty acids (74%, fat at 13%), phosphorous (452 mg/100g), iron (5.18 mg/100g) and magnesium (232 mg/100g). To extract labdanum resin, the Andalusian process (2-11% weight dry resin/fresh plant) was more efficient than the Zamorean process (0-2% weight dry resin/fresh plant) but both produce an effluent with a high content of phenolic compounds (1-12 gGAE/L) worth to be valorised. Both resins showed an absolute extraction yield of around 70 %. Andalusian resin absolute was mainly composed by labdane-type diterpenoids and methylated flavonoid aglycones whereas Zamorean resin absolute was mainly composed by phenylpropanoids, fatty acids and diterpenoids. Andalusian resin absolute showed UV protection potential (5 Sun Protection Factor) and anti-inflammatory (95% inhibition of NO production from LPS-stimulated RAW 264.7 cells, at 15 μg/mL) activities, mostly associated to flavonoids, relevant for its use in cosmetic, dermocosmetics or topical medicines however, weak elastase inhibition and antioxidant (DPPH, FRAP, and ABTS) activities and low spectrum antimicrobial (only for Staphylococcus aureus ATCC-25923, MIC 1.2 mg/mL) activity were observed. Andalusian absolute showed 70% inhibition of acetylcholinesterase at 0.5 mg/mL, diterpenoid fraction showed 30% inhibition of α-amylase at 0.5 mg/mL, and Andalusian absolute showed cytotoxic activity (IC50, after 24h exposure, 77 μg/mL and 53 μg/mL for HepG2 e Caco-2 cells). These results are relevant for valorisation as medicinal ingredient or source of pharmaceuticals. Cistus ladanifer shrublands may be properly managed to yield valuable raw materials/products such as labdanum resin (e.g., for cosmetic and pharmaceutical industries), phenolic rich extracts (e.g., as food and feed additives), seeds (for the food industry), photosynthetic biomass (e.g., for animal feed purposes), and some capsules remains and wood biomass (e.g., as energy source), while decreasing fire load and risk and maintaining soil cover and recover.
Descrição
This work was produced as original thesis for the degree of Doctor in AgriChains – Agricultural Production Chains: From Fork to Farm at the University of Trás-os-Montes and Alto Douro in accordance with Decree-Law No. 74/2006, of March 24, as amended by Decree-Law No. 107/2008, of June 25, and Decree-Law No. 230/2009 of 14 September. The doctrines presented in this PhD thesis are from the exclusive responsibility of the author.
Palavras-chave
Cistaceae , Cultura de esteva in vitro
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