Técnicas de biorrefinería transforman residuos de zanahoria en materiales de valor añadido como biofilms o ácido láctico
El Instituto de Bioeconomía de la UVa profundiza en los procesos de valorización de residuos orgánicos con el fin de convertirlos en activos de alto valor añadido
Cada año 1 300 millones de toneladas de alimentos (un tercio de la producción mundial) son desechados. Este problema se agrava aún más cuando hablamos de productos vegetales, ya que este tipo de residuos se producen en varias etapas de la cadena de valor y generan, además de un problema económico, otro medioambiental debido a la putrefacción. Los desechos vegetales se caracterizan por tener un alto grado de humedad y una alta carga orgánica, que los hace vulnerables a la actividad microbiana y, por tanto, difíciles de manipular. “Este problema hay que entenderlo de manera global. Debemos encontrar soluciones que nos permitan aprovechar los productos de la manera más eficiente posible. Algunos vegetales muy perecederos, por ejemplo, son un activo de alto valor añadido cuando se comercializan para el consumo humano. Sin embargo, a priori el excedente o los descartes servirían únicamente como fertilizantes (compost) o comida para animales generando grandes pérdidas económicas y emisiones potencialmente contaminantes. Así, debemos buscar procesos que nos permitan reconvertir las toneladas de residuos en activos de alto valor añadido como bioplásticos”, explica Juan García Serna, investigador del Instituto de Bioeconomía de la UVa. Esta reconversión de los residuos permitiría también comenzar a mitigar, y en un futuro llegar a atajar, otros problemas globales como la escasez de materiales, combustibles fósiles o la contaminación derivada del uso de los mismos.
La zanahoria es uno de los tubérculos más importantes cultivados a nivel mundial, con una producción anual de 36 millones de toneladas y un descarte del 30%. Este descarte se debe a tres causas principales: los residuos industriales de pulpa una vez extraído el zumo, el destrío (zanahoria entera o rota que no cumple con el estándar de calidad y se desecha durante su procesado) y las altas exigencias estéticas del mercado (no cumplen con el tamaño, diámetro, longitud o forma requeridos). En este contexto, la tesis doctoral de la investigadora Marta Ramos, dirigida por el propio Juan García Serna del Grupo de Ingeniería de Procesos a Presión de la Universidad de Valladolid, busca una solución a este problema explorando la valorización de biomasa a través de una biorrefinería basada en procesado con agua subcrítica, obteniendo productos de alto valor añadido a partir de residuos. El equipo ha publicado recientemente dos artículos científicos en acceso abierto sobre esta materia en la revista Journal of Cleaner Production.
La segunda vida de la zanahoria
La zanahoria, como muchos otros vegetales, se puede descomponer en una parte sólida y una parte líquida: la pulpa y el zumo. Una vez explotada la hortaliza por parte de la industria alimentaria se obtienen unos subproductos tanto de pulpa como de zumo que podrían llegar a tener una nueva vida tras pasar por procesos de fraccionamiento como la hidrólisis y la ultrafiltración y de estabilización como secado por spray o la liofilización.
La valorización de la pulpa se basa en un proceso de extracción de los compuestos de valor mediante una extracción hidrotermal. Este proceso se sirve de un caudal de agua presurizada entre 140 °C y 180 °C que pasa por un reactor con una carga de biomasa, en este caso la pulpa de la zanahoria. De estos residuos es especialmente interesante extraer azúcares, hemicelulosas y pectinas que son compuestos de gran valor para la economía circular. Pero, ¿qué se puede hacer con estos compuestos? Por un lado, los azúcares son un activo que se puede transformar en bioetanol, por ejemplo, gracias a la fermentación con levadura. Por otro lado, la hemicelulosa debido a su elasticidad podría ser reutilizada para la fabricación de biofilms para la industria alimentaria, tal y como explica García Serna. Para ello ha colaborado en la tesis de Marta Ramos con los profesores Henrick Grenman y Chunlin Xu de la universidad finlandesa Åbo Akademi y con el equipo del profesor Miguel Ángel Rodríguez del CellMat Laboratory UVa que forma parte del citado Instituto de Bioeconomía UVa. Por último, las pectinas presentan múltiples posibilidades tanto en la industria alimenticia, donde se utilizan como espesantes y gelificantes, como en la industria farmacéutica.
Los residuos del zumo de zanahoria, por su parte, también presentan múltiples opciones en cuanto a su reutilización. La valorización del zumo se basa en la recuperación de sus principales componentes, los carotenoides y los azúcares, mediante procesos de ultrafiltración y diafiltración, que consisten en la separación de los componentes del zumo mediante la utilización de membranas (ultrafiltración) y de membranas y agua (diafiltración). Los carotenoides son pigmentos naturales que destacan por sus componentes antioxidantes y por la protección frente a enfermedades cardiovasculares. Además, tienen una gran aplicación en las industrias alimentaria y cosmética. Mientras que los azúcares se pueden valorizar para la obtención de ácido láctico y, como apuntábamos en párrafos anteriores, de etanol mediante procesos fermentativos.
La bioeconomía circular
La Unión Europea y sus Estados miembros se han comprometido, a través de los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas, a reducir a la mitad, de aquí a 2030, el desperdicio de alimentos per cápita y a reducir la pérdida de alimentos en las cadenas de producción y suministro. Además, las nuevas políticas y directivas apuntan hacia la promoción de la sostenibilidad desde a la bioeconomía, la circularidad, la química verde, la reducción de plásticos, cero residuos o protección a la biodiversidad. Por ello, “es imprescindible buscar formas de valorizar los residuos más allá de la cadena de producción. Es decir, si no podemos utilizarlos como alimento para ganado porque no hay suficientes animales o por problemas logísticos, debemos buscar nuevas alternativas y no conformarnos con dejarlos en un vertedero”, apunta Juan García Serna.
En el Instituto de Bioeconomía de la Universidad de Valladolid están consiguiendo avances en esta área gracias, entre otras cosas, a la patente del proceso de extracción hidrotermal multilecho que permite “extraer y fraccionar los compuestos solubles de la biomasa residual y no residual, utilizando agua como solvente y a nivel de laboratorio da la posibilidad de extraer muestras más grandes, en vez de obtener miligramos de muestra extraer gramos”, explica el catedrático de Ingeniería Química.
Bibliografía
Marta Ramos, Andrés Beatriz Aguilera Torre, Juan García-Serna. ‘Hydrothermal production of high-molecular weight hemicellulose-pectin, free sugars and residual cellulose pulp from discarded carrots’, Journal of Cleaner Production. Volume 290, 25 March 2021, 125179. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.125179
Marta Ramos, Andrés Beatriz Aguilera Torre, Juan García-Serna. ‘Production of purified hemicellulose-pectin fractions of different molecular weight from discarded carrots by hydrothermal treatment followed by multistep ultrafiltration/diafiltration’, Journal of Cleaner Production. Volume 321, 25 October 2021, 128923 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128923 (open access)
Marta Ramos, Andrés Beatriz Aguilera Torre, Juan García-Serna. ‘Biorefinery of discarded carrot juice to produce carotenoids and fermentation products’, Journal of Cleaner Production, Volume 323, 10 November 2021, 129139 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.129139 (open access)
