Propuesta de un proceso de valorización de los residuos producidos en las líneas de confección de hortalizas como ingredientes funcionales para
la industria alimentaria
Claudia Bas-Bellver, Cristina Barrera, Noelia Betoret y Lucía Seguí Instituto de Ingeniería de Alimentos FoodUPV, Universitat Politècnica de València
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Propuesta de un proceso de valorización de los residuos producidos en las líneas de confección de hortalizas como ingredientes funcionales para la industria alimentaria
Claudia Bas-Bellver1, Cristina Barrera1, Noelia Betoret1 y Lucía Seguí1*
1 Instituto de Ingeniería de Alimentos FoodUPV, Universitat Politècnica de València
* lusegil@upvnet.upv.es
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons ReconocimientoNoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
Propuesta de un proceso de valorización de los residuos producidos en las líneas de confección de hortalizas como ingredientes funcionales para la industria alimentaria
1. Introducción
Los procesos actuales de transformación de alimentos deben contar con propuestas de valorización de los residuos generados para reintroducirlos en el ciclo económico. El desarrollo de sistemas alimentarios más sostenibles contribuye a la economía circular y a la consecución de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), propuestos por la Asamblea de las Naciones Unidas. Además, el desarrollo de nuevos procesos para la valorización de los residuos industriales alimentarios presenta la oportunidad de generar valor social y económico, garantizando la continuidad de la actividad agrícola y rural (Scheel, 2016; Goula y Lazarides, 2015).
A nivel mundial, se desperdician o pierden alrededor de un tercio de los alimentos que se producen. Las tasas más altas de desperdicio corresponden al sector de frutas y hortalizas, para los que se sugieren valores de producción de residuos entre el 50-60%, según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO). El 70% del desperdicio de alimentos surge en los sectores doméstico, de servicios de restauración y minoristas, mientras que los sectores de producción y procesado de alimentos contribuyen con el 30% restante (Stenmark et al., 2016).
Los residuos generados durante el procesado de frutas y hortalizas se desechan o infrautilizan, por lo que generalmente son considerados desechos de bajo valor. Sin embargo, estas pérdidas representan un grave problema nutricional, económico y ambiental. Del planteamiento de los ODS y las metas definidas para cada uno de ellos, se desprende que deben garantizarse los patrones de consumo y producción sostenibles, y la coordinación de iniciativas, actividades y proyectos a escala mundial que aborden la pérdida de alimentos y la reducción del volumen de residuos generados en la cadena de producción de alimentos. Sin embargo, el creciente interés del consumidor hacia productos saludables de origen vegetal, unido al cambio en los hábitos de consumo dirigido a productos fáciles de preparar y consumir (preparados en bandejas y IV gama), conlleva en algunos casos a una mayor generación de residuos. En las líneas de confección de frutas y hortalizas se separan trozos o partes dañadas, ricos en compuestos bioactivos, y con un elevado potencial para ser valorizados. Por otro lado, el mayor compromiso de los consumidores por la salud implica una compra más consciente, prefiriendo alimentos poco procesados sin aditivos, colorantes ni conservantes artificiales. Esta tendencia obliga a la industria alimentaria a formular productos con aditivos o ingredientes naturales que aporten esta funcionalidad, o que puedan reducir el uso de aditivos sintéticos. Sin embargo, el empleo de ingredientes vegetales por parte de la industria de alimentos y bebidas sigue siendo limitado, por lo que generar conocimiento de su contenido fitoquímico podría ser útil para ampliar su uso como ingredientes.
Los residuos de origen vegetal (frutas y hortalizas) son perecederos y tienen una vida útil muy corta, por lo que el procesado de estos residuos frescos inmediatamente después de su generación podría reducir notablemente su desperdicio al extender su durabilidad, además de contribuir a preservar o incrementar sus compuestos bioactivos. En la última década, la obtención de polvos de origen vegetal a partir de diferentes matrices vegetales ha cobrado importancia, y se han propuesto como una nueva forma de consumo de estos productos (Karam et al., 2016; Neacsu et al., 2015; Jiang et al., 2013). Los productos en polvo son productos estables, que se presentan en forma concentrada y versátil, que podrían proponerse como
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colorantes, aromatizantes o conservantes, pero que también contribuyen a aumentar el valor nutricional de los alimentos si se utilizan en su formulación, debido a su contenido en fibra y otros compuestos bioactivos (Sagar et al., 2018). La obtención de este tipo de productos a partir de residuos de origen vegetal podría contribuir al desarrollo de dietas nutritivas y seguras con un impacto ambiental reducido, es decir, más sostenibles.
En este trabajo se presentan algunos de los resultados del proyecto RESHORTPOLS (Obtención de polvos de uso alimentario con propiedades funcionales a partir de residuos de las líneas de confección de hortalizas, AGCOOP_D/2018/025), un proyecto de colaboración entre el Instituto de Ingeniería de Alimentos – FoodUPV de la Universitat Politècnica de València (UPV) y la cooperativa agroalimentaria Agrícola Villena (Agrícola Villena, Coop. V), en el contexto del Programa de Desarrollo Rural 2014-2020 de la C. Valenciana, financiado por el Fondo Europeo Agrícola de Desarrollo Rural. El objetivo de este proyecto fue el de desarrollar procesos para obtener ingredientes en polvo con propiedades funcionales, a partir de los residuos generados en las líneas de confección de apio, zanahoria, col y puerro, preparados en bandejas o IV gama. Estas hortalizas se seleccionaron en las líneas de confección de la cooperativa, teniendo en cuenta la facilidad de obtener un residuo limpio con alto potencial de ser valorizado. Anualmente, la cantidad de residuos estimada por la Cooperativa para algunas hortalizas en formato bandeja (puerro, col) está alrededor de 200-250 toneladas por hortaliza, mientras que la cantidad de residuos generados en las líneas de IV gama puede ser superior a las 2500 toneladas/año
2. Procesado de los residuos de hortalizas para la obtención de productos en polvo
Entre los diferentes productos frescos preparados y comercializados por Agrícola Villena Coop. V., los identificados como buenos candidatos para el proyecto fueron la col, puerro y apio, utilizados para preparar bandejas de hortalizas combinadas (lavadas y cortadas) y IV gama lista para el consumo (palitos de zanahoria).
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En las líneas de la cooperativa, el puerro y el apio se lavan con agua corriente y se procesan a mano (cortando con un cuchillo) para separar la parte comestible de la parte que constituirá el residuo. En el caso de la col, las hojas sucias o dañadas se eliminan, y no se realiza lavado. Por su parte, las zanahorias se procesan mecánicamente lavando primero con agua del grifo, se pelan mecánicamente y se cortan en palitos con una cortadora mecánica. Finalmente, los palitos se someten a un segundo lavado, y aquellos que no cumplen con los estándares de calidad se descartan constituyendo el residuo que se procesará en el laboratorio.
A lo largo del proyecto, se estudiaron diferentes variables para cada una de las etapas del proceso. En cuanto al almacenamiento, se planteó el almacenamiento en fresco (F) o en congelación a -22 °C (C). En cuanto a la disrupción del tejido vegetal, los residuos se redujeron a trozos de tamaño inferior a 10 mm (Tro, troceado) o inferior a 5 mm (Triturado, tri), empleando un molino de cuchillas en las condiciones de velocidad, tiempo, y volumen de llenado del equipo necesarios para alcanzar el tamaño deseado. En la Figura 2 se presentan algunos de los productos triturados y troceados obtenidos en las instalaciones de la cooperativa.
Los residuos frescos se recibieron en las instalaciones del Instituto de Ingeniería de Alimentos –Food UPV unas horas después de ser separados de la línea de confección, donde se procesaron directamente o se guardaron en congelación, según se ha descrito anteriormente. Tras la disrupción correspondiente, los residuos se secaron por aire caliente (SAC) en un secador convectivo de planta piloto (Pol-ekoAparatura SPJ, Katowice, Polonia) a diferentes temperaturas (60, 70 °C) y una velocidad del aire de 2 m/s, hasta reducir la actividad del agua (aw) a valores inferiores a 0,3, o bien se sometieron a un proceso de liofilización (LIO), utilizando un liofilizador de planta piloto (LyoQuest-55 laboratory freeze drier, Telstar, Terrasa, Spain) previa congelación a -45 °C. A continuación, se obtuvieron polvos de granulometría fina a partir de los productos deshidratados, empleado un molino de cuchillas (10000 rpm, 2 min, intervalos 30 s). En la Figura 3 se presentan fotografías de algunos de los polvos obtenidos en el presente estudio.
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3. Comportamiento de la matriz vegetal frente al secado por aire caliente
El estudio de las cinéticas de secado permite distinguir entre el tiempo del proceso durante el que el secado está gobernado por las condiciones del aire, de modo que prevalecen el mecanismo de evaporación desde la superficie del producto; del tiempo en el que el producto entra en el periodo de velocidad de secado decreciente, marcado por la humedad crítica, que señala el inicio del control interno de la transferencia de agua y que supone un incremento de la temperatura del producto. Se obtuvieron curvas de secado y de velocidad de secado de todas las matrices vegetales durante el secado por aire caliente a las diferentes temperaturas ensayadas (60 y 70 °C), registrando la masa del producto colocado en las bandejas introducidas en el secador a lo largo del secado. Las curvas de secado también proporcionan información sobre el tiempo de exposición al aire de secado de los diferentes residuos de hortalizas, y de si este tiempo de exposición o duración del secado depende o no de los pretratamientos aplicados.
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Según puede deducirse a partir de las curvas de secado obtenidas, todos los residuos presentaron un comportamiento bastante similar, caracterizado por una prevalencia del periodo de velocidad de secado constante, o cercano a este comportamiento. Este hecho indicaría que el proceso está principalmente controlado por los mecanismos de evaporación superficial, y que inicialmente no existe una influencia significativa de la estructura del lecho formado por el residuo triturado o troceado. En los residuos vegetales estudiados, el contenido de humedad crítica fue inferior al 80% de la inicial en la mayoría de los casos. Mientras el contenido de agua del sólido sea mayor al crítico, el producto podría secarse a una temperatura relativamente elevada sin afectar significativamente a sus propiedades funcionales. En general, a excepción de los residuos de zanahoria, los resultados sugierieron que es recomendable trocear frente a triturar para acortar los tiempos de secado. Se deduce de esto que el triturado podría dar lugar a un lecho menos poroso y por lo tanto menos permeable, lo que reduciría tanto el área superficial en contacto directo con la corriente de aire como la capacidad de ésta para atravesar el residuo triturado, en comparación con el troceado. Por el contrario, en el caso del residuo de zanahoria, el tiempo requerido para reducir el contenido de humedad inicial en un 80% disminuyó de 7 h para muestras troceadas, a 5,8 h para muestras trituradas (a 70 °C). En este caso, puesto que la zanahoria tiene una estructura más rígida que otras hortalizas, el triturado podría haber favorecido la rotura de tales estructuras y la liberación del agua retenida en el interior (Xiao et al., 2009)
4. Propiedades de los ingredientes en polvo obtenidos a partir de residuos de hortalizas
4.1. Propiedades fisicoquímicas
Los parámetros fisicoquímicos de actividad del agua (aw), contenido de humedad (% gramos de agua/100 gramos totales), contenido de sólidos solubles (xss) y tamaño de partícula de los productos en polvo obtenidos se presentan en la Tabla 1.
Antes de su procesado, los residuos mostraron valores de aw en torno a 0,99, lo que indica un elevado riesgo de deterioro. Sin embargo, las operaciones de secado empleadas en la transformación de los residuos en productos en polvo permitieron reducir los valores de aw por debajo del valor objetivo (0,3). En cuanto a tamaño de partícula (Tabla 2), se encontraron diferencias estadísticamente significativas entre los diferentes productos y tratamientos, tanto en el tamaño como en la distribución de las partículas que conforman el polvo. En términos generales, los polvos obtenidos a partir de una matriz vegetal triturada antes de la deshidratación exhiben un tamaño de partícula más pequeño, en comparación con las muestras troceadas. Esta tendencia se invierte en algunos casos al aumentar la temperatura de secado a 70 °C, lo cual podría deberse a la aparición de fenómenos de encostramiento del material vegetal durante el secado, los cuales suelen estar relacionados con mayores velocidades de secado al inicio del proceso (Gulatti y Data, 2015). Se observa, en cualquier caso, que no solo la molienda final, sino también la disrupción previa al secado influye sobre el tamaño de partícula de los polvos debido a que condicionan su respuesta al secado. Los polvos liofilizados presentaron un tamaño de partícula menor, debido a la mayor fragilidad y porosidad de los materiales
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liofilizados, característica típica de los productos deshidratados mediante esta técnica (van Buggenhout et al., 2006).
Tabla 1. Actividad del agua (aw), contenido de humedad (%, gw/100g), contenido de sólidos solubles (Xss) y propiedades antioxidantes de los productos en polvo obtenidos a partir de residuos de zanahoria (Z), apio (A), col (C), puerro (P). SAC: secado por aire caliente, LIO: liofilizado; Tri: triturado, Tro: troceado. Media ± desviación estándar de tres repeticiones.
a,b,c...Letras diferentes indican diferencias estadísticamente significativas con un nivel de confianza del 95% (p-valor<0.05).
Tabla 2. Parámetros característicos del tamaño de partícula de los productos en polvo, obtenidos por vía seca. Media ± desviación estándar. D [4,3]: diámetro volumen equivalente; D [3,2]: diámetro área equivalente; d90, d50 y d10 representan los percentiles de la distribución.
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4.2. Propiedades de interacción con el agua y con el aceite
Los valores de capacidad de hinchamiento (CH), capacidad de atrapar agua (CAA) y capacidad de retención de agua (CRA) resultaron ligeramente superiores en los polvos liofilizados que en sus respectivos obtenidos mediante SAC (Tabla 3). Respecto a la solubilidad, se obtuvieron diferencias estadísticamente significativas entre los polvos de un mismo producto, siendo los valores algo inferiores para los polvos liofilizados que sus respectivos secados por aire caliente. Los polvos no destacaron por su capacidad de interacción con el aceite.
Tabla 3. Propiedades de interacción con el agua y aceite de los residuos vegetales en polvo: CH: capacidad de hinchamiento (mL/g); CAA: capacidad de atrapar agua (g/g); CRA: capacidad de retención de agua (g/g); Solubilidad expresada en g/g; CRAceite: capacidad de retención de aceite (g/g). Media ± desviación estándar de tres repeticiones.
letras diferentes en la misma columna indican diferencias estadísticamente significativas con un nivel de confianza del 95%.
4.3. Propiedades antioxidantes
El procesado de las hortalizas, tanto la operación de secado como la disrupción previa, o las condiciones de almacenamiento, pueden influir en las propiedades antioxidantes de los productos. En algunos casos, estos factores pueden inducir la formación de otros compuestos o formas reactivas con mejores propiedades antioxidantes, lo que contribuye a mantener o incluso mejorar el potencial antioxidante de los productos. Por otro lado, en los productos frescos, el procesado y almacenamiento postcosecha originan pérdidas de compuestos antioxidantes, o bien la formación de compuestos con acción prooxidante que contribuyen a disminuir la capacidad antioxidante (Bernaert et al., 2013a). En las imágenes 5-8 se presentan las propiedades antioxidantes de los residuos de hortalizas y los polvos correspondientes. En concreto, se evaluaron el contenido en fenoles totales (método Folin-Ciocalteau (Singleton et al. 1999) y flavonoides totales (método colorimétrico del cloruro de aluminio (Luximon-Ramma et al., 2002)), así como sus actividades antioxidantes DPPH (Brand-Williams et al., 1995) y ABTS
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(Re et al., 1999). Los productos mostrados en las imágenes 5-8 distinguen entre los almacenados en congelación o procesado fresco. También se separan en sus fracciones blanca y verde el residuo de ajo puerro.
El contenido en fenoles totales generalmente aumentó tras el procesado y, especialmente, en los polvos SAC. La col y la porción verde del puerro presentaron la concentración fenólica más alta. Al igual que en el caso de los fenoles, los flavonoides estaban especialmente presentes en la parte verde del puerro y la col. En lo referente a la actividad antioxidante (AO) por los métodos DPPH y ABTS, de nuevo, las propiedades AO de los residuos y polvos de col y puerro verde fueron más elevadas. En este caso, también la zanahoria, principalmente la no procesada, exhibió propiedades antioxidantes notables. Esta diferencia con el análisis anterior (fenoles y flavonoides) probablemente se debió a los carotenoides, uno de los principales compuestos bioactivos en las zanahorias que no se cuantificarían con los métodos de determinación de fenoles, pero sí contribuirían a su capacidad antioxidante.
Los resultados demostraron que el procesado supuso una mejora de la capacidad antioxidante de los residuos, siendo el efecto de las variables dependiente de la matriz vegetal analizada. El almacenamiento en condiciones de congelación no afectó de forma significativa al puerro y a la col, aunque se evidenció un efecto negativo para la zanahoria y el apio. A excepción del apio, la liofilización no mejoró la capacidad AO del polvo, lo que sugiere que, el secado por aire caliente induciría la formación de compuestos con nuevas propiedades antioxidantes. El triturado o el troceado no afectaron de forma significativa a los antioxidantes de los polvos, para la mayoría de residuos.
de tres réplicas. Las barras indican desviación estándar. a,b,c indican diferencias estadísticamente significativas, para un mismo residuo
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Figura 6. Contenido en flavonoides totales, expresado en mg equivalentes de quercetina (EQ) por gramo de materia seca, en el residuo fresco y en los polvos de zanahoria (Z), apio (A), col (C), puerro porción blanca (Pbl) y puerro porción verde (Pv). C: congelado, F: fresco; SAC: secado por aire caliente, LIO: liofilización; Tri: triturado, Tro: troceado. Valores medios de tres réplicas. Las barras indican desviación estándar. a,b,c indican diferencias estadísticamente significativas, para un mismo residuo.
Figura 7. Resultados de la actividad antioxidante por el método DPPH, expresado en mg de Trólox equivalente (TE) por gramo de materia seca, en el residuo fresco y en los polvos de zanahoria (Z), apio (A), col (C), puerro porción blanca (Pbl) y puerro porción verde (Pv). C: congelado, F: fresco; SAC: secado por aire caliente, LIO: liofilización; Tri: triturado, Tro: troceado. Valores medios de tres réplicas. Las barras indican desviación estándar. a,b,c indican diferencias estadísticamente significativas, para un mismo residuo.
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Figura 8. Resultados de la actividad antioxidante por el método ABTS, expresados en mg de por gramo de materia seca, en el residuo fresco y en los polvos de zanahoria (Z), apio (A), col (C), puerro porción blanca (Pbl) y puerro porción verde (Pv). C: congelado, F: fresco; SAC: secado por aire caliente, LIO: liofilización; Tri: triturado, Tro: troceado. Valores medios de tres réplicas. Las barras indican desviación estándar. a,b,c indican diferencias estadísticamente significativas, para un mismo residuo.
4.4. Evolución de las propiedades durante el almacenamiento
La evaluación de los cambios en las propiedades de los productos en polvo durante el almacenamiento es útil para determinar su estabilidad, y permite evaluar la posibilidad de almacenar estos productos durante el tiempo necesario hasta su posterior uso. Con el fin de comprobar la estabilidad de las propiedades de los productos en polvo, se realizó un estudio de almacenamiento durante cuatro meses, en oscuridad, y a temperatura ambiente, periodo durante el cual se evaluaron las propiedades fisicoquímicas humedad, actividad del agua, contenido en sólidos solubles, y propiedades antioxidantes. Los resultados obtenidos revelaron una ligera ganancia de humedad y actividad de agua, así como una pérdida progresiva de parte de las propiedades antioxidantes (fenoles y flavonoides totales, y capacidad antioxidante por los métodos DPPH y ABTS), en las condiciones descritas. La mayor degradación se observó a partir del tercer mes de almacenamiento y las pérdidas pudieron llegar a ser importantes tras el cuarto mes de almacenamiento, para algunas propiedades y residuos en particular. No obstante, en términos generales, las propiedades antioxidantes al final del periodo de almacenamiento fueron suficientes como para poder ser utilizados como ingrediente funcional.
En la Figura 9, se presenta la evolución de los fenoles totales presentes en los polvos de residuos de hortalizas durante los cuatro meses de almacenamiento.
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totales expresado en mg de ácido gálico equivalente por gramo de materia seca (mg EAG/gms) a lo largo de 4 meses de almacenamiento en oscuridad, y a temperatura ambiente. Zanahoria (Z), apio (A), col (C), puerro (P); SAC: secado por aire caliente, LIO: liofilizado; Tri: triturado, Tro: troceado. Valores medios de tres réplicas. Las barras indican desviación estándar.
5. Conclusiones
Los objetivos de desarrollo sostenible propuestos por la Asamblea General de las Naciones Unidas plantean el desarrollo de sistemas alimentarios más sostenibles y hacen referencia a la coordinación de iniciativas, actividades y proyectos en los que se aborde el desperdicio alimentario y el aprovechamiento de los residuos. Las hortalizas, al igual que las frutas, contribuyen notablemente a este desperdicio, constituyendo un grave problema nutricional, económico y ambiental. Así pues, existe una necesidad urgente de desarrollar procesos que permitan su reutilización, mediante la reintroducción de los residuos en el ciclo productivo, contribuyendo así a la economía circular y al desarrollo de sistemas alimentarios más sostenibles. El proyecto que aquí se resume aborda la transformación de los residuos de confección de hortalizas (IV gama y bandejas) en productos en polvo con potencial para ser empleados como ingrediente funcional. Junto con la fibra dietética, los fitoquímicos presentes en los productos de origen vegetal constituyen un recurso en la lucha contra enfermedades no transmisibles como la obesidad y trastornos relacionados, los cuales constituyen un grave problema de salud pública. El proceso propuesto sugiere pretratamientos y etapas de transformación sencillas y escalables, que podrían implementarse en la industria. Los polvos obtenidos podrían usarse en la formulación de alimentos con el fin de aumentar su valor nutricional y contribuir de este modo al desarrollo de dietas más saludables y sostenibles.
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Agradecimientos
Esta investigación fue financiada por la Agencia Valenciana de Fomento y Garantía AgrariaGeneralitat Valencia, bajo el Programa de Desarrollo Rural 2014-2020 (Ayudas para la cooperación en el marco del Programa de desarrollo rural de la Comunitat Valenciana 2014–2020. Experiencias de transformación agroalimentaria innovadoras, especialmente vinculadas a figuras de calidad diferenciada y producción ecológica) y el Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación a través del Fondo Europeo Agrícola de Desarrollo Rural. Proyecto AGCOOP_D/2018/025.
Las autoras quieren agradecer a Agrícola Villena Coop.V por su participación en el proyecto. Desde Agrícola Villena participaron en el proyecto Pilar Bartolomé, Susana Sanjuan y Óscar Cardenal
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