Desarrollo e innovación de nuevos productos alimentarios mediante la revalorización de subproductos de frutas y hortalizas
[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Para abordar el desafío de pérdida y el desperdicio de alimentos en toda la cadena de suministro, desde la producción agrícola hasta el consumo final, es imperativo explorar nuevas estrategias que reduzcan esta problemática en el sector agroalimentario. Entre estas estrategias, destacan las iniciativas de revalorización de subproductos. Los residuos generados en este proceso no sólo representan pérdidas económicas significativas, sino que también conllevan impactos ambientales negativos debido al derroche de recursos como la tierra cultivable, el agua y la energía, entre otros insumos fundamentales. Un ejemplo paradigmático de esta problemática es la exclusión de frutas y hortalizas del mercado debido a criterios estéticos, tales como color, forma o tamaño, lo que constituye una forma de desperdicio alimentario. Por otro lado, existe una oportunidad clave para valorizar los residuos agrícolas mediante la utilización de aquellas partes de las plantas que no son convencionalmente comercializadas ni consumidas. De hecho, estos residuos de frutas y hortalizas ofrecen un potencial significativo como fuentes de compuestos bioactivos y saludables, como polifenoles, glucosinolatos, isotiocianatos, vitaminas y fibra, entre otros compuestos beneficiosos para la salud. La fermentación es una de las técnicas más antiguas en el procesamiento de alimentos, en el que se utilizan microorganismos o enzimas para transformar la textura, acidez, aroma, sabor, y prolongar la vida útil y garantizar la seguridad de los alimentos. Esta técnica se diversifica según los microorganismos implicados, dando lugar a una variedad de productos alimenticios en relación con el principal proceso metabólico de los microorganismos participantes. La fermentación alcohólica desarrollada principalmente por levaduras como Saccharomyces cerevisiae¸ es utilizada en la producción de bebidas alcohólicas comunes como el vino y la cerveza, así como en la elaboración de productos de panadería como el pan. Por otro lado, la fermentación láctica, conducida por bacterias ácido-lácticas (BAL), es un proceso común en la industria alimentaria, en la que interviene bacterias del orden Lactobacillales, generando ácido láctico como producto final en el metabolismo de hexosas. Algunas de estas BAL también se consideran probióticas, debido a sus efectos beneficiosos en la salud humana. De esta manera, la fermentación emerge como una vía idónea para transformar subproductos en nuevos alimentos con excelentes propiedades sensoriales, beneficios para la salud y valor nutricional. En esta tesis se propone innovar en la revalorización de subproductos agrícolas como estrategia para desarrollar alimentos con óptimas propiedades organolépticas y enriquecidos en compuestos beneficiosos para la salud. Teniendo en cuenta la definición de pérdida de alimentos establecida por la FAO, se plantea el desarrollo de un nuevo fermentado, al que llamaremos “vino”, obteniendo un vino tranquilo y otro espumoso, utilizando melones de las variedades Okashi® y Jimbee® que no cumplen con los estándares estéticos para su comercialización. A pesar de estas imperfecciones cosméticas, estos melones presentan una pulpa de excelente calidad, con un aroma y un dulzor agradables, siendo, por tanto, un material idóneo para su transformación y reintroducción en el mercado como nuevos productos. En este proceso, el mosto de ambas variedades de melón se enriqueció inicialmente con sacarosa y ácido orgánicos antes de la fermentación alcohólica. Posteriormente, tras la vinificación, los vinos de melón resultantes de las variedades Okashi y Jimbee presentaron una concentración alcohólica cercana a los 10º con una cantidad de azúcar residual de 1,8 y 1,7 g/L, respectivamente, clasificándose como vinos secos. Ambos vinos de melón exhibieron un aumento en compuestos orgánicos volátiles, como ésteres etílicos (hexanoato de etilo, octanoato de etilo y decanoato de etilo) con un Valor de Actividad Olorosa superior a 1 (VAO>1). Este parámetro indica qué compuestos volátiles tienen una contribución sensorial al perfil aromático del producto, considerando su cuantificación y umbrales de olor. Estas contribuciones realzaron el aroma afrutado del vino de melón. El vino Okashi presentó una mayor concentración de compuestos orgánicos volátiles que enriquecieron el perfil aromático, percibiendo aromas florales, como el acetato de fenetilo y el 9-decenoato de etilo. Esta variedad obtuvo una puntuación de 82,8 en el análisis sensorial, siendo preferido en comparación con el vino obtenido con la variedad Jimbee, que obtuvo 68,2 puntos en la prueba sensorial. Por consiguiente, se seleccionó la variedad Okashi para el desarrollo de un vino espumoso a base de melón. La producción de vino espumoso de melón a partir de subproductos de la variedad Okashi se escaló en bodega, utilizando un depósito de 350 litros. Al igual que en el experimento anterior, el mosto de melón fue fermentado después de enriquecerlo con sacarosa y ácidos orgánicos. Posteriormente, al finalizar la primera fermentación alcohólica, se procedió a la adición de bentonita, levadura comercial y nutrientes necesarios para iniciar una segunda fermentación en botella. Durante las 10 semanas que duró esta segunda fermentación, se controlaron las características fisicoquímicas y se realizó un análisis exhaustivo de compuestos orgánicos volátiles. Tras la primera y la segunda fermentación alcohólica, la concentración de alcohol se mantuvo estable en 12,3º. El análisis de los aminoácidos y su evolución durante la segunda fermentación evidenció su contribución al perfil aromático a través de la vía metabólica de Ehrlich, donde ciertos aminoácidos se convierten en alcoholes superiores, tales como la fenilalanina en alcohol fenílico, la valina en alcohol isobutílico y la leucina en alcohol isoamílico. Además, se produjo un incremento en la concentración de compuestos orgánicos volátiles tras la primera fermentación, destacando la presencia de alcoholes superiores y ésteres acetato y etílico. Los volátiles acetato de isoamilo, decanoato de etilo, acetato de 3,6-nonadienilo y (E,Z)-nonadien-1-ol mostraron los valores más altos de VAO, contribuyendo así a la complejidad aromática del producto con notas dulces, afrutadas, a plátano, tropicales, nuez y a melón. Al cabo de diez semanas, el vino espumoso obtenido exhibió excelentes cualidades visuales, olfativas y gustativas, siendo evaluado con una puntuación de 92 puntos en el análisis sensorial, lo que confirma su alta calidad y potencial comercial. En una segunda parte de esta tesis, se abordó la revalorización de aquellas partes de la planta de brócoli que carecen de interés comercial o valor en el mercado. En un primer estudio, se utilizó el tallo de brócoli como subproducto para desarrollar un nuevo alimento encurtido rico en BAL y compuestos bioactivos. Para ello, los tallos de brócoli se limpiaron, cortaron en rodajas y se sumergieron en salmuera con un 6% de sal (p/v), envasándose en tarros de cristal. La fermentación espontánea se realizó a cabo a 25 ºC durante 6 días, seguida de un almacenamiento en refrigeración a 4 ºC durante otros 6 días. Durante el proceso de fermentación, se utilizaron dos tipos de aderezos: uno de ellos con dientes de ajo y otro con semillas de mostaza trituradas, el testigo no presentó ningún aderezo. Se realizaron análisis microbiológicos y metagenómicos para monitorizar la evolución de las BAL y su identificación a nivel de género y especie. Los resultados revelaron que, tras los primeros 6 días de fermentación espontánea de los tallos de brócoli, el pH disminuyó por debajo de 4,3 y la población de BAL aumentó a más de 8 log UFC/mL. Los géneros predominantes de BAL fueron Lactobacillus spp. y Leuconostoc spp., en particular especies como Latilactobacillus sakei, Lactobacillus curvatus, Leuconostoc kimchi y Leuconostoc carnosum. Estos resultados confirmaron que la fermentación láctica tuvo lugar durante el proceso. Las especies de BAL identificadas se suelen encontrar en otros alimentos fermentados, y varios autores han confirmado los beneficios para la salud, así como prolongación de la vida útil en los mismos. Tras la fermentación y la conservación en refrigeración, se observó una reducción en el contenido de compuestos fenólicos y glucosinolatos en los tallos fermentados, especialmente en el tratamiento testigo y los aderezados con ajo. En cambio, los compuestos fenólicos en el aderezo de semillas de mostaza se multiplicaron por 15. La disminución de los glucosinolatos se atribuyó a la ruptura del tejido vegetal durante la fermentación, liberándose la enzima mirosinasa, causante de la transformación de los glucosinolatos en isotiocianatos. Por otro lado, el líquido de gobierno del tratamiento con aderezo de mostaza presentaba un mayor contenido en compuestos fenólicos, especialmente ácido sinápico, probablemente debido a la transferencia de estos compuestos desde las semillas al líquido. Por el contrario, el líquido de gobierno mostró la presencia de glucosinolatos y compuestos fenólicos en el aderezo de ajo y en el testigo. Estos resultados sugieren que, durante el proceso de fermentación, los fitoquímicos se transfirieron de la matriz del brócoli al líquido de gobierno. Por otra parte, la menor concentración de glucosinolato en el líquido de cobertura podría indicar que la mirosinasa se libera al líquido de cobertura tras la trituración de las semillas. En cuanto a la calidad sensorial, las rodajas de tallo de brócoli fermentado obtuvieron una evaluación excelente, tanto con aderezo como sin él. Un último estudio se llevó a cabo centrado en la revalorización de las hojas de brócoli. En este caso, se desarrolló una bebida lactofermentada a partir de hojas de brócoli con Lactiplantibacillus plantarum. El propósito principal fue utilizar la fermentación como una técnica de extracción asistida de compuestos bioactivos presentes en las hojas de brócoli, como ácidos fenólicos, flavonoides e isotiocianatos. En primer lugar, se procedió a limpiar y cortar las hojas de brócoli, colocándose en un biorreactor. Se utilizó un diseño experimental Box-Behnken para optimizar el proceso de fermentación y conseguir un alto contenido en compuestos fenólicos, capacidad antioxidante y BAL. La fermentación optimizada se estableció a 27,7 ºC, durante 4 días, utilizando una proporción de 100 g de hojas de brócoli en 1 litro de agua, incrementando a 8 log UFC/mL la población de BAL. Esto resultó en un alto contenido en en polifenoles, indicando una transferencia efectiva de los compuestos bioactivos desde las hojas de brócoli al líquido (bebida) durante la fermentación. Posteriormente, el fermentado optimizado fue sometido a un tratamiento de pasteurización (72 ºC durante 15 segundos) o sujeto a alta presión hidrostática (APH, 200 y 400 MPa, durante 10 ó 1 minutos). Se incluyó una bebida fermentada, sin tratamiento adicional como testigo. Se realizó un estudio de vida útil durante 49 días para evaluar la calidad microbiológica y el contenido fitoquímico. Los resultados mostraron que tras los tratamientos térmico y APH a 400 MPa, la población de BAL disminuyó significativamente, mientras que el testigo y el tratamiento de APH a 200 MPa se mantuvieron estables. Se identificaron varios ácidos fenólicos y flavonoides, incluyendo isómeros de ácido clorogénico y feruloil quínico, así como la cuantificación de sulforafano, indol-3-carbinol y ascorbigeno. El tratamiento de APH a 400 MPa mostró la mejor estabilización de los compuestos fenólicos individuales durante la refrigeración, mientras que el APH a 200 MPa también demostró estabilidad y niveles similares al testigo. La pasteurización aumentó los compuestos fenólicos debido a la transferencia cinética durante el tratamiento de alta temperatura y corta duración. El tratamiento de APH a 200 MPa mostró el mayor contenido en sulforafano con una concentración de 4,38 a 8,82 mg/L a lo largo del almacenamiento en refrigeración. En términos de potencial antidiabético, el tratamiento de APH a 200 MPa demostró una inhibición consistente de -amilasa y -glucosidasa durante el almacenamiento refrigerado en comparación con el resto de los tratamientos. Este último desarrollo en la elaboración de una bebida lactofermentada ha sido patentado y se encuentra en fase de examen. El proceso implica el lavado, corte y fermentación de subproductos del género Brassica, utilizando cepas de BAL, tales como Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus casei, Lactobacillus plantarum y/o Lactobacillus rhamnosus. La fermentación se lleva a cabo durante un periodo de 1 a 5 días, a temperaturas que oscilan entre los 15 y 38 ºC, utilizando un rango entre 50 a 100 gramos de subproducto por litro de agua. Tras completarse la fermentación, la bebida puede someterse a diferentes tratamientos de conservación, como la pasteurización (72 ºC durante 15 segundos) o la aplicación de altas presiones hidrostáticas (200 a 600 MPa, durante 1 a 10 minutos). Este proceso patentado abre la puerta a una bebida funcional con alto potencial para la promoción de la salud. Estos avances y desarrollos posibilitan la transformación de estos subproductos en alimentos útiles y beneficiosos para la salud, además de ser aceptables organolépticamente. Este enfoque contribuye a la diversificación económica del sector agrícola mediante el desarrollo de productos de valor añadido.[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. To address with food loss and waste from farm to fork, it is imperative that new lines of development are explored to reduce these residual generations in the agri-food sector, such as by-product valorisation. This results in economic losses and environmental impacts due to the underutilisation use of land, water, energy, and other inputs. An example of food waste is associated with the specific requirements for colour, shape, and size, known as cosmetic qualities, of fruit and vegetables. Another way of valorising agricultural waste is related to those parts of plants that are neither marketable nor commonly consumed. Both fruit and vegetable wastes could be an excellent source to exploit for their aromatic profile and for health-promoting compounds such as polyphenols, glucosinolates, isothiocyanates, vitamins, fibre, among others. Fermentation is one of the oldest techniques in food processing, using microorganisms or enzymes to change the texture, acidity, aroma, flavour, digestibility and extend the shelf-life and safety of foods. Depending on the microorganisms involved in the bioprocess, fermentation in different food products can be classified according to the main metabolic process of the microorganisms. Alcoholic fermentation, mainly by yeasts such us Saccharomyces cerevisiae¸ is responsible for some common alcoholic beverages such as wine and beer, and bakery products such as bread. Lactic acid fermentation by lactic acid bacteria (LAB) is another common fermentation involving the order Lactobacillales, which produce lactic acid as an end product of their hexose metabolism. Some of these LAB, are also considered to be probiotics because of their claim to promote human health promotion. Fermentation is a useful method for converting by-products into new products that possess desirable sensory properties, functional health benefits, and nutritional value. This thesis proposes new products derived from agricultural loss and waste as a means of developing foods that are rich in health-promoting compounds and possess excellent organoleptic characteristics. Considering the FAO’s definition of food loss, an example of the revaluation of food loss is the development of a new still and sparkling wine using Okashi® and Jimbee® melon cultivars that do not meet the strict cosmetic standards of the market. Despite their imperfections, these melons have good flesh quality, with a pleasant aroma and sweetness, and are a valuable source for transforming and reintroducing them into the market as new products. Therefore, before alcoholic fermentation, sucrose and organic acid were added to enrich the must of both melon cultivars. Following vinification, the alcohol concentration of Okashi and Jimbee melon wines was closed to 10º, and the amount of residual sugar content was 1.8 and 1.7 g/L, respectively, classifying these wines as dry wines. Both melon wines exhibited an increase in ethyl esters, such as ethyl hexanoate, ethyl octanoate, and ethyl decanoate with an Odour Activity Value greater than 1 (OAV>1). The OAV parameter indicates that the volatiles contribute to the aroma profile of the product, considering their quantification and odour thresholds. Therefore, these contributions enhanced the fruity aroma in the melon wine. The Okashi wine contained additional volatile chemicals that added a floral aroma, such as phenethyl acetate and ethyl 9-decenoate. In the sensory analysis, the Okashi cultivar scored 82.8 points, making it the preferred choice for melon-based wine over Jimbee cultivar, which scored 68.2 points in the sensory test. For this reason, the Okashi cultivar was selected for the development of a sparkling melon-based wine. A second development to produce sparkling melon wine from Okashi by-products was scaled up in a winery (350-litre tank). As in the previous experiment, melon must was fermented after being enriched with sucrose and organic acids. At the end of the first alcoholic fermentation, bentonite, commercial sparkling yeast, and nutrients were added for a second bottle fermentation. Throughout the 10-week of second fermentation, physico-chemical characteristics and volatile organic compound analysis were monitored. After the first and second alcoholic fermentation, the alcohol concentration remained stable at 12.3º. The analysis of amino acids and their evolution during secondary fermentation demonstrated their contribution to the aromatic profile through the Ehrlich pathway, where some amino acids were metabolised into fusel alcohol, such as phenylalanine into phenyl alcohol, valine into isobutyl alcohol and leucine into isoamyl alcohol. Furthermore, there was an increase in volatile organic compounds after the first fermentation, mainly in higher alcohols, acetate, and ethyl esters. The volátiles compounds with the highest OAV values were isoamyl acetate, ethyl decanoate, 3,6- nonadienyl acetate and (E,Z)-nonadien-1-ol. These compounds, contribute to sweet, fruity, banana, tropical, nutty, and melon-like aromas. After 10 weeks, the final product had excellent visual, olfactory and taste qualities, scoring 92 points in the sensory analysis. The second part of this thesis investigates the revalorisation of broccoli waste, specially focusing on agricultural biomass waste that is not marketable and or considered as valuable. In the first study, broccoli stalks were used as a by-product to develop a new pickled-style food that is rich in lactic acid bacteria and bioactive compounds. The broccoli stalks were cleaned, sliced, and then immersed in a brine solution containing 6% salt (w/v). Subsequently, the product bottled in glass jars. The fermentation process was conducted spontaneously for 6 days at a temperature of 25 ºC, followed by refrigeration for other 6 days at 4 ºC. During fermentation, two dressings were used: one containing garlic clove, other with crushed mustard seeds, and undressed samples were used as controls. Microbiological and metagenomic analyses were conducted to monitor the lactic acid bacteria (LAB) and identify them at the genus and species level. After spontaneous fermentation of broccoli stalks, the pH dropped below 4.3 and the LAB population increased to over 8 log CFU/ml. Thus, after 6 days of fermentation, the dominant genera were Lactobacillus spp. and Leuconostoc spp. including species such as Latilactobacillus sakei, Lactobacillus curvatus, Leuconostoc kimchi, and Leuconostoc carnosum. These results confirmed that lactic fermentation occurred during the process. The LAB species identified are related to other fermented foods, and several authors have claimed that these foods have health benefits in the case of metabolic problems, as well as preventive and shelf-life extending qualities. After fermentation and refrigeration, the levels of phenolic compounds and glucosinolates decreased in the control and garlic dressing fermented stalks. In contrast, the phenolic content in the crushed mustard dressing increased 15-fold. The fact that the covering liquid of the mustard dressing groups contained more phenolic compounds, especially sinapic acid, was significant. For glucosinolates, the breakdown of plant tissue releases the enzyme myrosinase, which hydrolyses glucosinolate to isothiocyanate and is the cause of the decrease in the fermented broccoli stalks. In contrast, the garlic dressing and the control both revealed the presence of glucosinolate and phenolic compounds in the covering liquid. These results suggest that phytochemicals were transferred from the matrix to the liquid during the fermentation process. On the other hand, the lower concentration of glucosinolate in the covering liquid may indicate that myrosinase is released into the covering liquid after seed crushing. The fermented broccoli stem slices had excellent overall sensory quality, whether served with or without dressing. The final study in this thesis concerns to the revalorisation of broccoli leaves, which are typically considered useless and unmarketable. The study involves the development of a lactofermented beverage of broccoli leaves using Lactiplantibacillus plantarum. The aim of this study was to use fermentation as an assisted extraction of bioactive compounds in broccoli leaves, such as phenolic acids, flavonoids, and isothiocyanates. Firstly, broccoli leaves were cleaned and cut before being placed in a bioreactor. A Box-Behnken experimental design was carried out to optimise the fermentation process to achieve the highest phenolic content, antioxidant capacity and LAB levels. Therefore, the optimised fermentation was conducted at 27.7 ºC, for 4 days, using a ratio of 100 g of broccoli leaves in 1 litre of water. This resulted in a high LAB (8 log CFU/mL) and polyphenol content accompanied by a high LAB content. This suggested that the bioactive compounds from the broccoli leaves were transferred to the liquid (beverage) during fermentation. Secondly, the optimised beverage was submitted under different treatments: Pasteurisation (72 ºC for 15 seconds) and high hydrostatic pressure (HHP) processes at 200 and 400 MPa, for 10 and 1 minutes, respectively. A control without treatment was also included. A shelf-life of 49-days was conducted to assess microbiological safety and phytochemical content. The LAB population decreased significantly with thermal and HHP 400 MPa treatments, while the control and HHP 200 MPa treatments remained stable. Several phenolic acids and flavonoids were identified, including chlorogenic and feruloyl quinic acid isomers. Sulforaphane, indol-3-carbinol and ascorbic acid isothiocyanates were also quantified. The best stabilisation of individual phenolic compounds during refrigeration was observed with HHP 400 MPa, while HHP 200 MPa also showed stability and similar levels to the control. Additionally, pasteurisation increased phenolic compounds due to kinetic transfer during high temperature short time treatment. During refrigeration storage, the sulforaphane content of HHP 200 MPa ranged from 4.38 to 8.82 mg/L, which was the highest among all treatments. Compared to other treatments, HHP 200 MPa maintained stable (poly)phenolic concentrations throughout the refrigeration period. Additionally, HHP 200 MPa consistently inhibited α-amylase and α-glucosidase, indicating its potential as an antidiabetic agent.
Tecnología de los alimentos, Industria agroalimentaria, Alimentación funcional, Sostenibilidad, Bioeconomía, Economía circular
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