Revalorización de residuos agro-industriales de cacao para su aplicación en el desarrollo de sistemas sostenibles y avanzados de envasado activo

Resumen

La creciente presencia de los residuos agro-alimentarios representa un problema social y económico de primera magnitud a nivel mundial con consecuencias de gran alcance para el medio ambiente y la sociedad en general. Se ha indicado que sólo en la Unión Europea (UE) se generan anualmente alrededor de 88 millones de toneladas de residuos alimentarios con una estimación de costes asociados de 143.000 millones de euros. El impacto de los residuos agro-alimentarios en el medio ambiente y en la propia seguridad de los alimentos debe evaluarse cuidadosamente, ya que representa un problema con consecuencias muy perjudiciales para el nivel de vida de los ciudadanos. Con el fin de minimizar el impacto de estos residuos en el medio ambiente, la UE estableció en 2008 la Ley de Residuos y Suelos Contaminados (Directiva 98/2008/CE), que incluye la obligación de los Estados Miembros de promover tanto la prevención de los impactos adversos causados por la eliminación incontrolada de residuos alimentarios como la implementación de buenas prácticas de gestión de residuos y la reducción y recuperación de sub-productos mediante la reutilización y el reciclaje. Se han propuesto diferentes enfoques basados en el concepto de economía circular para minimizar la producción de residuos agro-alimentarios. Recientemente, la bioconversión de sub-productos ha atraído el interés investigador con el desarrollo de nuevas estrategias y/o políticas específicas para gestionar estos residuos de manera más eficiente, reemplazando el enfoque clásico de “tomar, fabricar y eliminar” por el paradigma de la economía circular, consistente en que los residuos se puedan convertir en productos de alto valor añadido o bien en materias primas que permitan iniciar el ciclo. En este contexto, los residuos de biomasa presentan características muy interesantes, como su bajo coste, además de ser renovables y abundantes, lo que los convierten en unos materiales interesantes para diversos procesos industriales. En 2019, la UE produjo alrededor de 3,7 millones de toneladas de chocolate, lo que se ha estimado que representa un montante de alrededor de 18.300 millones de euros. Entre los Estados miembros de la UE, Alemania, Italia y Francia son los principales productores, representando juntos casi dos tercios (64 %) de la producción total de chocolate en la UE en 2019. La producción de chocolate en España supuso 162,2 millones de kilogramos en 2019, situándose en torno al 4 % de la producción total de la UE. Teniendo en cuenta estas cifras, se estima que se produjeron 16 millones de toneladas de biomasa residual durante el procesamiento del chocolate en la UE, basado en el peso seco de la fruta antes mencionado (alrededor del 80 %). La producción de cacao y chocolate representa un gran impacto económico en España. De hecho, la Asociación Española de Dulces (PRODULCE) en su último informe anual correspondiente a la producción y consumo de chocolate en 2018 indicó que la categoría Cacao y Chocolate es el primer contribuyente económico al sector de la golosina (26,3 % del total), mostrando un crecimiento del 3.6 % en 2018 con respecto a los años anteriores. La producción total aumentó un 2,6 %, impulsada por el crecimiento de las exportaciones en un 4,8 %, alcanzando las 87.000 toneladas anuales. Se han localizado 610 empresas del sector del cacao y chocolate en España, el 12 % de las cuales están ubicadas en la Comunidad Valenciana. La cascarilla de cacao (CBS) es el principal residuo producido durante el procesado del chocolate. Teniendo en cuenta el impacto social y económico de esta industria, además de la gran cantidad de CBS producida, se ha seleccionado como principal residuo a valorizar en este trabajo, obteniendo la información necesaria sobre su composición y posibles aplicaciones, así como proponiendo su uso en distintos procesos que permitan generar productos de alto valor añadido. La CBS es un residuo agroindustrial con alto potencial en diferentes campos, como el biomédico, nutricional, producción de materiales o agrícola debido a su elevado contenido en polisacáridos, proteínas, minerales y compuestos antioxidantes. Este residuo puede ser considerado como una alternativa natural a algunos compuestos sintéticos que se utilizan en diversas aplicaciones en la actualidad para contribuir a una producción más sostenible con el medio ambiente. Para conseguir una extracción eficiente de los compuestos a partir de CBS se han desarrollado métodos basados sobre todo en procesos de maceración y extracción sólido-líquido mediante Soxhlet, que implican tiempos de proceso largos, con un consumo importante de recursos y que además favorecen la posibilidad de degradación de los compuestos activos, muchos de ellos de alta volatilidad, debido a los posibles efectos del sobrecalentamiento local. Por ello, se han propuesto diferentes técnicas analíticas que pueden ser utilizadas como alternativas a las técnicas y métodos convencionales de extracción. Entre ellas, cabe destacar la extracción asistida por microondas (MAE), que permite disminuir notablemente los tiempos de extracción, reducir el consumo de solventes y aumentar los rendimientos debido a la interacción de las microondas con la materia. La alta eficiencia de MAE se explica como resultado de una combinación sinérgica de los dos fenómenos de transporte que intervienen en este proceso de extracción ya que los gradientes de calor y de masa tienen lugar en la misma dirección. Las microondas pueden penetrar en ciertos materiales para interactuar con los componentes polares de la muestra generando calor y actuando directamente sobre las moléculas objetivo por conducción iónica y rotación de dipolos. Diferentes factores como el tiempo, la relación entre la masa del residuo y la cantidad de solvente, el tipo de solvente, la temperatura o la potencia aplicada pueden afectar al proceso de extracción. Para evaluar su efecto y poder encontrar las condiciones óptimas de extracción, la metodología de superficie-respuesta (RSM) ha sido propuesta por diferentes autores en la última década. Esta metodología es una herramienta estadística que nos permite desarrollar una serie de experimentos, de manera que se pueda proponer un modelo matemático basado en los datos experimentales que pueda describir el proceso en su globalidad. En este trabajo de investigación se ha aplicado la RSM para obtener las condiciones óptimas de MAE y también, en los procesos de síntesis de nanopartículas que serán desarrollados a continuación. El desarrollo de entidades en la nanoescala ha representado una revolución a nivel de la formulación de materiales con características no conocidas hasta el momento. Las nanopartículas se pueden clasificar en distintos grupos según sus propiedades físicas y químicas. Debido al gran impacto de las nanopartículas en diferentes campos, su síntesis ha sido objeto de numerosos estudios en los últimos tiempos. En este trabajo se ha estudiado la síntesis de nanopartículas de selenio (Se-NPs) y óxido de zinc (ZnO-NPs) mediante una combinación de dos métodos sostenibles de síntesis, por una parte el uso de un extracto natural derivado de CBS y por otra la síntesis asistida por microondas. Se ha indicado que las nanopartículas sintetizadas con microondas presentan propiedades tales como su elevada capacidad antioxidante y antimicrobiana, que pueden resultar de gran interés en el área de envasado de alimentos. La aplicación de energía de microondas a diferentes materiales como metales, óxidos metálicos, polímeros o cerámicos muestra varias ventajas sobre los métodos de calentamiento convencionales. Las microondas producen una microestructura en el material resultante que, de esta forma, presenta propiedades mejoradas, además de mayores rendimientos, ahorro de energía, reducción de costes de fabricación y la posibilidad de obtener nuevos materiales con diferentes propiedades. El uso de síntesis asistida por microondas permite obtener diferentes morfologías y tamaños en función de las condiciones de reacción. Por ejemplo, se ha estudiado el efecto de diferentes precursores metálicos en las propiedades de las ZnO-NPs utilizando las mismas condiciones en la síntesis asistida por microondas. El ZnO preparado a partir de citrato y sulfato de zinc produce nanotubos hexagonales y nanopartículas con morfología esférica, respectivamente. Por otra parte, la síntesis de nanopartículas utilizando reactivos calificados como verdes (por ejemplo, extractos derivados de plantas o microorganismos), ha mostrado un gran potencial debido a las numerosas funcionalidades y aplicaciones que se encuentran en estas nanopartículas. El procedimiento general para producir nanopartículas metálicas utilizando extractos derivados de plantas se basa en la reacción entre estos extractos y las sales metálicas, actuando como agentes biorreductores y precursores, respectivamente. La formación de nanopartículas a partir de estos reactivos se puede separar en diferentes pasos. Inicialmente se da un proceso de nucleación, generalmente debido a varios compuestos presentes en la célula, como los ácidos fenólicos, grupos amida, proteínas, pigmentos o alcaloides. Los procesos involucrados durante la nucleación y el crecimiento de nanopartículas se han descrito a través de la teoría de nucleación de Lamer y vienen seguidos por el crecimiento de las nanopartículas de acuerdo con el modelo propuesto por Ostwald para explicar el cambio en el tamaño de las partículas, aunque también se han propuesto otras teorías para describir este proceso. Finalmente, las nanopartículas obtenidas son estabilizadas por la presencia de compuestos de alto peso molecular, como proteínas o polisacáridos como pectina, almidón o quitosano. Por último, el envasado es un elemento esencial en la conservación de los alimentos, incluyendo el mantenimiento de su calidad y seguridad, al protegerlos de factores externos como el calor, la luz, la humedad, el oxígeno y otros compuestos volátiles, microorganismos, insectos o suciedad. Además de su función principal de protección, los envases han desarrollado en las últimas décadas un papel importante para la comercialización y el suministro de información al consumidor. El aumento actual de la demanda de alimentos naturales por parte de los consumidores ha llevado a las empresas de envasado a estudiar diferentes formas de mejorar su penetración en el mercado ofreciendo nuevos productos con mejoras en sus propiedades además de un aumento en su sostenibilidad medioambiental. En este sentido, el uso de materiales tradicionales, como el polietileno y el polipropileno, a pesar de estar muy extendido, presenta serios problemas ambientales por provenir del petróleo o no ser degradables en condiciones naturales. La búsqueda de nuevos materiales que puedan reemplazarlos es uno de los grandes desafíos para los investigadores en la última década, por lo que el número de publicaciones en este campo se ha incrementado significativamente, especialmente en el uso de polímeros de base biológica y biodegradables para el desarrollo de aplicaciones en el envasado de alimentos. En este contexto, la pectina es un polisacárido natural muy versátil que se puede utilizar para desarrollar diferentes materiales en muchas aplicaciones alimentarias, como agente espesante y gelificante, estabilizador coloidal, texturizador y emulsionante. Estas importantes aplicaciones no se limitan solo al procesado de alimentos, sino también se pueden extender al envasado o al uso de recubrimientos en frutas o verduras frescas. Además, la pectina se puede aplicar en el desarrollo de sistemas avanzados como soporte polimérico en el desarrollo de micro- y nano-cápsulas para la liberación controlada de los compuestos activos. La pectina es soluble en agua e insoluble en disolventes orgánicos. Además, cuando la pectina seca se mezcla con agua, puede hidratarse muy rápidamente, formando grumos consistentes en esferas secas de pectina contenidas en una capa externa altamente hidratada. Varios autores han tenido gran éxito en el desarrollo de nuevos sistemas basados en pectinas, como biopolímero natural que se puede obtener a partir de sub-productos agro-industriales, contribuyendo a la implementación del concepto de economía circular en muchos procesos.