Obtención de ingredientes en polvo a partir de tallos de brócoli. Estudio de las etapas de fermentación y secado, y respuesta a la digestión simulada in vitro

Abstract

[ES] La transformación de frutas y hortalizas genera residuos y destríos en cantidades muy elevadas, lo que constituye un problema para las empresas debido a la necesidad de gestionarlos. La reintroducción de estos productos de desecho en la cadena alimentaria es uno de los retos a los cuales se enfrenta la industria, que debe encontrar procesos de valorización con el fin de contribuir a la economía circular y al desarrollo de sistemas alimentarios más sostenibles. Los residuos de frutas y hortalizas son considerados un material de bajo valor, pese a ser una fuente importante de nutrientes y compuestos bioactivos; en particular, el brócoli, al igual que el resto de Brasicas, es rico en compuestos antioxidantes, vitaminas, fibra, compuestos fenólicos y glucosinolatos y sus compuestos de hidrólisis, los isotiocianatos. La obtención de ingredientes en polvo a partir de los residuos hortofrutícolas ha cobrado interés en los últimos años debido fundamentalmente a su estabilidad y versatilidad. Los productos en polvo suelen obtenerse mediante un proceso de desestructuración, secado y molienda que consigue alargar la vida útil del material vegetal, obteniendo así un ingrediente con propiedades nutricionales interesantes que podría encontrar aplicación en la formulación de alimentos, entre otros fines. Por otro lado, la fermentación es un tratamiento tradicional sostenible y seguro, que ha cobrado importancia como estrategia de valorización de residuos. Se considera una de las formas más efectivas de conservar los alimentos debido a la formación de ácidos orgánicos, alcoholes, bacteriocinas y otros compuestos antimicrobianos. Además de los productos metabólicos sintetizados por los microorganismos, la acción enzimática sobre la estructura del material vegetal puede modificar su composición, resultando un producto mejorado desde el punto de vista nutricional. La fermentación con microorganismos probióticos da lugar a un producto rico en este tipo de microorganismos, beneficiosos para la salud si se ingieren en cantidades adecuadas. Finalmente, la digestión simulada in vitro es un procedimiento clave a la hora de determinar el potencial que tiene un alimento para la salud humana, una vez digerido. Mediante este proceso se consigue estimar la cantidad de nutriente, compuesto bioactivo o microorganismo, que se libera a lo largo del tracto gastrointestinal (bioaccesibilidad), y que tiene potencial de ser absorbido y ejercer su efecto beneficioso en el organismo. El presente trabajo fin de grado tiene como objetivo desarrollar ingredientes en polvo a partir de los residuos generados en la producción de brócoli de IV gama (tallos), y evaluar el efecto del procesado, fundamentalmente las etapas de fermentación y secado, así como de la digestión simulada in vitro, sobre las propiedades fisicoquímicas de los polvos obtenidos, incluyendo las propiedades antioxidantes. Para ello, se diseñarán y desarrollarán los procesos de fermentación y secado necesarios para obtener los productos en polvo. El residuo triturado se someterá a una operación de fermentación con Lactobacillus plantarum durante 24 h, y posteriormente se deshidratará por aire caliente a diferentes temperaturas (50, 60, 70 ºC y rampa descendente 70-50 ºC), o liofilización. Adicionalmente, se obtendrán polvos de residuo triturado sin fermentar, con el fin de evaluar el efecto de dicha etapa sobre el producto. Los productos obtenidos se evaluarán en cuanto a sus propiedades fisicoquímicas básicas (actividad del agua, humedad, sólidos solubles totales, tamaño de partícula) y antioxidantes (fenoles totales, flavonoides totales, actividad antioxidante ABTS y DPPH). Finamente, se evaluará la respuesta a la digestión simulada in vitro de los polvos fermentados y no fermentados, analizando la liberación de compuestos antioxidantes durante la digestión, así como la viabilidad de los microorganismos.

[EN] Food waste is a major challenge for the food industry. Waste recovery is seen as an alternative that promotes the circular economy and contributes to more sustainable food systems. Fruit and vegetable waste is generally treated as low-value material, despite being an important source of nutrients and bioactive compounds. Broccoli is rich in vitamins, fibre, phenolic compounds, glucosinolates and their hydrolysis products, isothiocyanates. The production of powdered ingredients from fruits and vegetables has gained interest in recent years due to their stability and versatility, as well as the trend towards obtaining them from waste or edible food waste. On the other hand, fermentation is a unitary operation that allows efficient food preservation thanks to the formation of organic acids and metabolites with antimicrobial and antioxidant properties. In addition, the microorganisms used in fermentation release enzymes that degrade the substrate, thus improving its nutritional composition. The use of probiotic microorganisms could result in a health-promoting product if ingested in adequate amounts. Finally, the functional assessment of a food requires the study of its response to in vitro digestion, which makes it possible to determine its potential once ingested. Thus, the aim of this final degree project is to obtain powders from broccoli stalk residues and to evaluate the effect of processing, mainly the fermentation and drying stages, on the properties of the powdered products obtained, as well as their response to simulated in vitro digestion. For this purpose, the broccoli residue was grinded, pasteurised and subjected to the operations of fermentation with Lactobacillus plantarum (24 h), hot air drying (50, 60, 70 and 70-50 °C) or freeze-drying, and final grinding to obtain a fine powder. Similarly, powdered products were obtained from unfermented residue. The powdered products obtained were characterised in terms of their physicochemical and antioxidant properties: moisture, water activity, total soluble solids, total phenols, total flavonoids, and antioxidant activity by DPPH and ABTS, as well as, in the fermented powders, their probiotic microorganism content. The release of antioxidant compounds during in vitro digestion and the viability of the microorganism were also analysed. The results of the present work confirmed that the operations applied on broccoli stalk allow obtaining powdered products with improved properties depending on the process variables. These are stable and suitable for use as functional ingredients in food fortification. In particular, hot air drying at 60 °C and freeze-drying showed promising results and their response to in vitro simulated digestion confirms their bioaccessibility. Ultimately, powdered products obtained from broccoli waste could be reintroduced into the food chain as functional ingredients. This work relates to the following SDGs of the 2030 Agenda: 2, 3 and 12.