Valorization of emerging raw materials through physical and biological processes for the development of plant-based beverages

Abstract

The demand for plant-based beverages has grown steadily in recent years, driven by factors such as lactose intolerance, animal welfare, lifestyle choices, and environmental and philosophical concerns. This trend has stimulated interest in the use of emerging and underutilized raw materials. The aim of this thesis was to investigate how different physical (soaking, blanching, and roasting) and biological (germination and fermentation) treatments influence the nutritional, technological, and functional properties of plant-based beverages produced from distinct raw materials (sunflower seeds, purple-pericarp landrace corn, and pequi almonds), with the goal of developing innovative, nutritious, and affordable products. In Chapter- Article 1, the effect of germination time (0–96 h) on flours and water-soluble extracts from sunflower seeds was assessed. Germination for 48 h was particularly effective, enhancing total phenolic content in flours (=57%) and reducing sedimentation in beverages (41.5%). In Chapter-Article 2, a symbiotic beverage was developed using germinated purple-pericarp landrace corn, supplemented with Lacticaseibacillus rhamnosus, Lactiplantibacillus plantarum, and xylooligosaccharides (XOS) extracted from corn cobs. The beverage exhibited high microbial viability during 28 days of storage (>108 CFU/mL). Moreover, formulations enriched with sucrose achieved XOS concentrations above 2.5 g per 200 mL serving, while maintaining colloidal stability, underscoring the functional and symbiotic potential of combining water- soluble extracts with XOS. This approach also valorizes landrace seeds and contributes to agrobiodiversity conservation. In Chapter-Article 3, different pretreatments were applied to pequi almonds (soaking, roasting, and blanching) for beverage formulation. Blanching proved most effective, increasing total solids (19%), protein content (43%), and ?-potential (22.4%), while reducing particle size (28.6%) and solid sedimentation (63.5%). Conversely, roasting decreased total phenolics (8%) and antioxidant activity (ABTS: 50%; DPPH: 22%). Overall, the findings of this thesis demonstrate that the strategic use of physical and biological pretreatments in emerging plant sources enables the development of plant-based beverages with improved nutritional, functional, and technological attributes, positioning them as innovative and sustainable market alternatives. Furthermore, this work emphasizes the importance of low-cost plant resources, the valorization of local agrobiodiversity, and the incorporation of agro-industrial coproducts. Keywords: sustainability; nutrition; technology; plant protein.A demanda por bebidas vegetais tem aumentado nos últimos anos devido a fatores como intolerância à lactose, bem-estar animal, estilo de vida, além de questões ambientais e filosóficas, o que tem despertado interesse pelo uso de matérias- primas emergentes e subutilizadas. O objetivo desta tese foi avaliar como diferentes tratamentos físicos (maceração, branqueamento e torrefação) e biológicos (germinação e fermentação) impactam as propriedades nutricionais, tecnológicas e funcionais de bebidas plant-based elaboradas a partir de matérias-primas distintas (semente de girassol, milho crioulo de pericarpo roxo e amêndoa de pequi), visando à obtenção de produtos inovadores, nutritivos e de baixo custo. No Capítulo-artigo 1, avaliou-se o impacto de diferentes tempos de germinação (0 a 96 h) nas farinhas e nos extratos hidrossolúveis obtidos de sementes de girassol. O tempo de 48 horas destacou-se pelo aumento no teor de compostos fenólicos totais nas farinhas (=57%) e pela redução da sedimentação nas bebidas (41,5%). No Capítulo-artigo 2, desenvolveu-se uma bebida à base de milho crioulo de pericarpo roxo germinado, com potencial simbiótico, por meio da adição de Lacticaseibacillus rhamnosus e Lactiplantibacillus plantarum, além de xilooligossacarídeos (XOS) extraídos do sabugo de milho. A bebida apresentou viabilidade microbiana promissora durante 28 dias de estocagem (>108 UFC/mL), e as formulações suplementadas com sacarose atingiram concentrações de XOS superiores a 2,5 g por porção (200 mL). Observou- se ainda manutenção da estabilidade coloidal ao longo do período, evidenciando o potencial funcional e simbiótico da combinação entre o extrato hidrossolúvel e os XOS, além de valorizar sementes crioulas e contribuir para a preservação da agrobiodiversidade. No Capítulo-artigo 3, diferentes pré-tratamentos foram aplicados à amêndoa de pequi (maceração, torrefação e branqueamento) para elaboração de bebida plant-based. Entre os tratamentos, o branqueamento destacou-se por aumentar os sólidos totais (19%), o teor de proteína (43%) e o potencial ? (22,4%), além de reduzir o tamanho das partículas (28,6%) e a sedimentação de sólidos (63,5%). Em contrapartida, a torrefação reduziu o teor de fenólicos totais (8%) e a atividade antioxidante (ABTS: 50% e DPPH: 22%). Os resultados desta tese demonstram que a aplicação estratégica de pré-tratamentos físicos e biológicos em matérias-primas emergentes permite a elaboração de bebidas plant-based com características nutricionais, funcionais e tecnológicas promissoras, capazes de ingressar no mercado como alternativas inovadoras e sustentáveis. Além disso, reforçam a importância do aproveitamento de recursos vegetais de baixo custo, da valorização da agrobiodiversidade local e do uso de coprodutos agroindustriais. Palavras-chave: sustentabilidade; nutrição; tecnologia; proteína vegetal