Valorization of Marine Biomass for the Development of Biopolymeric Materials and Additives with Functional Properties

Abstract

[ES] Esta tesis doctoral se centró en la valorización de diferentes fuentes de biomasa marina para desarrollar materiales biopoliméricos e ingredientes destinados a la industria alimentaria. Así pues, en la primera parte de la tesis, se llevó a cabo la valorización de la biomasa de diversas especies de algas con el objetivo de identificar compuestos de interés y evaluar su potencial para la producción de materiales biopoliméricos e ingredientes alimentarios ricos en proteínas. Entre estas especies se encontraba R. okamurae, un alga parda invasora que representa una amenaza para los ecosistemas marinos. No obstante, se demostró que esta especie posee un gran potencial como fuente sostenible de compuestos bioactivos, transformando su papel de amenaza en oportunidad. La biomasa de las algas rojas también destacó por su potencial en diversas aplicaciones, incluyendo el desarrollo de materiales rentables y respetuosos con el medio ambiente obtenidos mediante de un procesado mínimo. En este contexto, la composición y la estructura de las paredes celulares de las algas desempeñaron un papel fundamental para entender cómo se comporta cada especie durante el procesado y en las propiedades de las películas resultantes. Además de la producción de materiales, también se estudiaron las algas rojas como fuente de proteínas para el consumo humano. Aunque las algas nativas presentaron una baja digestibilidad, esta mejoró mediante su procesado. No obstante, a pesar de esta mejora en la digestibilidad, el procesado podía inducir la degradación de los aminoácidos más lábiles, lo que repercutía negativamente en la calidad nutricional de las proteínas. En la segunda parte de esta tesis, se exploraron varias especies de algas rojas para extraer agar de forma más eficiente mediante métodos simplificados, y se evaluó la idoneidad de los extractos obtenidos para desarrollar materiales biopoliméricos e hidrogeles para aplicaciones alimentarias. El grado de purificación del agar tuvo un impacto significativo en las propiedades finales tanto de las películas como de los hidrogeles. En el caso de las películas, las fabricadas con agar puro presentaron propiedades superiores; sin embargo, sufrieron cambios significativos en su estructura semicristalina durante el almacenamiento. Por el contrario, las películas derivadas de extractos de agar menos purificados mostraron una mayor estabilidad en el tiempo, sugiriendo su potencial como aditivo para reducir costes y mejorar la estabilidad de las películas de agar puro. En el caso de los hidrogeles, la purificación del agar condujo a la formación de hidrogeles con una resistencia y dureza más altas. Por otro lado, el protocolo de extracción simplificado produjo fracciones de agar menos purificadas que contenían compuestos adicionales como proteínas o polifenoles. Aunque esto dio lugar a hidrogeles menos rígidos y resistentes, podrían ser de interés para la producción de hidrogeles con propiedades bioactivas. En la tercera y última parte de la tesis, se abordó la valorización de los residuos industriales generados tras la extracción de alginato, con el propósito de obtener fracciones de celulosa mediante métodos simplificados para su aplicación en la producción de materiales biopoliméricos. En este contexto, se observó que los residuos de A. esculenta y S. latissima resultaron adecuados para la extracción de fracciones celulósicas, mientras que A. nodosum podría ser más interesante para la producción de extractos ricos en fucoidano. Las fracciones de celulosa con mayor pureza generaron películas con propiedades mecánicas y aspecto visual más deseables. En cambio, las fracciones menos purificadas presentaron una mayor barrera al vapor de agua. De acuerdo con los resultados, se determinó que la simple aplicación de un tratamiento alcalino puede producir fracciones de celulosa que dan lugar a películas con un equilibrio óptimo entre propiedades funcionales y eficiencia económica y medioambiental.

[CA] Aquesta tesi doctoral es va centrar en la valorització de diferents fonts de biomassa marina para desenvolupar materials biopolimèrics i ingredients destinats a la indústria alimentària. Així doncs, en la primera part de la tesi, es va dur a terme la valorització de la biomassa de diverses espècies d'algues amb l'objectiu d'identificar compostos d'interés i avaluar el seu potencial per a la producció de materials biopolimèrics i ingredients alimentaris rics en proteïnes. Entre aquestes espècies es trobava R. okamurae, una alga marró invasora que representa una amenaça per als ecosistemes marins. No obstant això, es va demostrar que aquesta espècie posseeix un gran potencial com a font sostenible de compostos bioactius, transformant el seu paper d'amenaça en oportunitat. La biomassa de les algues roges també va destacar pel seu potencial en diverses aplicacions, incloent-hi el desenvolupament de materials rendibles i respectuosos amb el medi ambient obtinguts mitjançant d'un processament mínim. En aquest context, la composició i l'estructura de les parets cel·lulars de les algues van exercir un paper fonamental per a entendre el comportament cada espècie durant el processament i en les propietats de les pel·lícules resultants. A més, també es van estudiar les algues roges com a font de proteïnes per al consum humà. Encara que les algues natives van presentar una baixa digestibilitat, aquesta va millorar mitjançant el seu processament. No obstant això, malgrat aquesta millora en la digestibilitat, el processament podia induir la degradació dels aminoàcids més làbils, la qual cosa repercutia negativament en la qualitat nutricional de les proteïnes. En la segona part d'aquesta tesi, es van explorar diverses espècies d'algues roges per a extraure agar de forma més eficient mitjançant mètodes simplificats, i es va avaluar la idoneïtat dels extractes obtinguts per a desenvolupar materials biopolimèrics i hidrogels per a aplicacions alimentàries. El grau de purificació de l'agar va tindre un impacte significatiu en les propietats finals tant de les pel·lícules com dels hidrogels. En el cas de les pel·lícules, les fabricades amb agar pur van presentar propietats superiors; no obstant això, van patir canvis significatius en la seua estructura semicristal·lina durant l'emmagatzematge. Per contra, les pel·lícules derivades d'extractes d'agar menys purificats van mostrar una major estabilitat en el temps, suggerint el seu potencial com a additiu per a reduir costos i millorar l'estabilitat de les pel·lícules d'agar pur. En el cas dels hidrogels, la purificació de l'agar va conduir a la formació d'hidrogels amb una resistència i duresa més altes. D'altra banda, el protocol d'extracció simplificat va produir fraccions d'agar menys purificades que contenien compostos addicionals com a proteïnes o polifenols. Encara que això va donar lloc a hidrogels menys rígids i resistents, podrien ser d'interés per a la producció d'hidrogels amb propietats bioactius. En la tercera i última part de la tesi, es va abordar la valorització dels residus industrials generats després de l'extracció d'alginat, amb el propòsit d'obtindre fraccions de cel·lulosa mitjançant mètodes simplificats per a la seua aplicació en la producció de materials biopolimèrics. En aquest context, es va observar que els residus de A. esculenta i S. latissima van resultar adequats per a l'extracció de fraccions cel·lulòsiques, mentre que A. nodosum podria ser més interessant per a la producció d'extractes rics en fucoidans. Les fraccions de cel·lulosa amb major puresa van generar pel·lícules amb propietats mecàniques i aspecte visual més desitjables. En canvi , les fraccions menys purificades van presentar una major barrera al vapor d'aigua. D'acord amb els resultats, es va determinar que la simple aplicació d'un tractament alcalí pot produir fraccions de cel·lulosa que donen lloc a pel·lícules amb un equilibri òptim entre propietats funcionals i eficiència econòmica i mediambiental.

[EN] This doctoral thesis focused on the valorization of different sources of marine biomass with the main purpose of developing biopolymeric materials and ingredients for the food industry. Thus, in the first part of the thesis, the valorization of biomass from different algae species was carried out to identify compounds of interest and assess their potential to produce biopolymeric materials and protein-rich food ingredients. Among these species was Ruguloperyx okamurae, an invasive brown seaweed that poses a threat to marine ecosystems. However, this species was shown to have significant potential as a sustainable source of bioactive compounds, transforming its role as a threat into a valuable opportunity. Red seaweed biomass was also highlighted for its potential in a variety of applications, including the development of cost-effective and environmentally friendly materials for food applications obtained through minimal processing. In this context, the composition and structure of the algal cell walls played a crucial role in understanding how each species behaves during processing and in the properties of the resulting films. In addition to the production of biopolymeric materials, red seaweeds were also studied as a source of proteins for human consumption. Although native seaweeds had low digestibility, this was improved through processing. However, it is important to note that, despite the improvement in digestibility, processing could induce the degradation of more labile amino acids, having a negative impact on the nutritional quality of the proteins. In the second part of this thesis, several species of red seaweeds were explored to extract agar more efficiently by simplified methods, and the suitability of the extracts obtained to develop biopolymeric materials and hydrogels for food applications was evaluated. It could be observed that the degree of agar purification had a significant impact on the final properties of both films and hydrogels. In the case of films, those made of pure agar exhibited superior properties; however, they underwent significant changes in their semicrystalline structure during storage. In contrast, those films derived from less purified agar extracts showed greater stability over time, suggesting the potential of less purified agars as additives to reduce costs and improve the stability of pure agar films. Regarding the hydrogels, agar purification led to the formation of hydrogels with significantly higher strength and hardness. On the other hand, the simplified extraction protocol produced less purified agar fractions containing other compounds such as proteins, polyphenols, and minerals. Although this resulted in less rigid and resistant hydrogels, this feature could be advantageous for the production of hydrogels with bioactive properties. In the third and last part of the thesis, the valorization of industrial wastes generated after alginate extraction was addressed, with the purpose of obtaining cellulosic fractions by simplified methods for their application in the production of biopolymeric materials. In this context, it was observed that the residues of Alaria esculenta and Saccharina latissima were suitable for the extraction of cellulosic fractions, while Ascophyllum nodosum might be more interesting for the production of fucoidan-rich extracts. Cellulosic fractions with higher purity produced films with more desirable mechanical properties and visual appearance. Conversely, less purified fractions presented a greater barrier to water vapor. According to the results, it was determined that the simple application of an alkaline treatment could produce cellulosic fractions that resulted in films with an optimal balance between functional properties and economic and environmental efficiency in biopolymeric material production.