Valorización de podas de olivo mediante la obtención de nanofibras de celulosa y compuestos bioactivos aplicables en la industria agroalimentaria

Abstract

Actualmente, la producción agrícola y la industria agroalimentaria generan una cantidad de residuos orgánicos muy elevada, que suponen un alto coste económico y de recursos. Por tanto, la gestión y valorización de dichos residuos constituye una cuestión crucial y una necesidad para el sector agroalimentario, que avanza hacia un modelo de producción respetuoso con el medio ambiente basado en una economía circular. En este sentido, la biomasa procedente del olivar representa la principal fuente de biomasa producida en Andalucía, cuya superficie de cultivo alcanza aproximadamente las 1.500.000 hectáreas, generando alrededor de 3.000.000 de toneladas de poda al año. Este residuo suele ser quemado en el campo, utilizado como aporte al suelo, como leña o destinada a alimentación animal. A veces, es vendido a un gestor autorizado, suponiendo un coste para el agricultor. La valorización de este residuo constituiría una solución o alternativa a esta pérdida de recursos naturales. En la última década, la demanda de alimentos seguros, naturales y funcionales por parte de los consumidores se ha visto incrementada. En este sentido, los productos basados en la hoja de olivo, ricos en compuestos fenólicos, podrían satisfacer las expectativas de los consumidores. Dichos compuestos, debido a su amplia actividad demostrada antioxidante y antimicrobiana frente a patógenos alimentarios, podrían preservar los alimentos durante su vida útil al ser incorporados como aditivos o ingredientes naturales. Del mismo modo, está reconocido científicamente que los compuestos fenólicos poseen no sólo una finalidad tecnológica en los alimentos, sino también farmacológica en el organismo, con multitud de efectos beneficios para la salud. Por otro lado, la tendencia actual de los consumidores en el sector de los envases alimentarios revela su alto compromiso con el medio ambiente, usando envases alimentarios más ecológicos y medioambientalmente favorables, y reduciendo el empleo de envases plásticos desechables o de un solo uso, que suponen un elevado coste medioambiental dada su baja biodegradabilidad. Por consiguiente, el objetivo de esta Tesis fue la valorización de la poda de olivo mediante la obtención de nanofibras de celulosa y compuestos bioactivos para su posterior aplicación en la industria agroalimentaria. A tal efecto, en primer lugar, se obtuvieron diferentes nanocelulosas a partir pasta celulósica procedente de podas de olivo, mediante un proceso de pasteado respetuoso con el medio ambiente, para posteriormente ser aplicadas como refuerzo en la formulación de films alimentarios (Capítulo 1 y 2). A continuación, se obtuvo un extracto de hoja de olivo y se evaluó su actividad antioxidante y antimicrobiana frente a patógenos alimentarios (Capítulo 3), seguido de una revisión de la actividad antibacteriana del extracto de hoja de olivo (Capítulo 4). Se desarrolló un prototipo de film alimentario funcional y biodegradable mediante la incorporación de extracto de hoja de olivo a una matriz polimérica, con el objetivo de mejorar la vida útil del alimento en contacto con dicho film (Capítulo 5). Por último, se investigaron los efectos de las condiciones gastrointestinales simuladas sobre los polifenoles presentes en la hoja de olivo con el objetivo de establecer su bioaccesibilidad, junto con el efecto prebiótico, durante la fermentación colónica in vitro. Los resultados demostraron que la nanocelulosa procedente de la poda de olivo, al ser aplicada como agente de refuerzo en matrices poliméricas, mejora las propiedades del film alimentario obtenido, mostrando aplicaciones prometedoras en la industria alimentaria. Del mismo modo se acreditó que la hoja de olivo posee una elevada actividad antioxidante y prebiótica, pudiendo ser utilizada como ingrediente/aditivo funcional para el desarrollo de productos alimenticios. Sin embargo, la incorporación del extracto de hoja de olivo en el film no dio lugar a los efectos antioxidantes o antimicrobianos esperados en el alimento bajo las condiciones experimentales ensayadas. Se precisa profundizar en este tipo de investigaciones para estudiar la migración de los compuestos bioactivos, principalmente polifenoles, desde el film/ envase alimentario, y para optimizar las condiciones que favorezcan sus efectos tecnológicos en el alimento.

Currently, agriculture production and the agri-food industry generate a high amount of organic waste, which involves an economic and resources cost. Therefore, the management and use of waste becomes a priority for the sector, which steps forward an environmentally friendly production model and based on a circular economy. In this respect, olive biomass represents the main share of biomass production in Andalusia, where approximately 1,500,000 hectares are cultivated, generating around 3,000,000 tonnes of pruning per year. This residue is usually burnt in the field, although it is eventually used as soil amendment, firewood or animal feed. Sometimes it is sold to an authorised manager, entailing a cost for the farmer. The valorization of this residue would constitute a solution or alternative to the loss of natural resources. In the last decade, consumers´ demand for safe, natural and functional foods, has increased. In this sense, olive-leaf based products, rich in phenolic compounds, could meet modern society expectations. Phenolic compounds, due to their widely demonstrated antioxidant and antimicrobial activity against foodborne pathogens, could preserve foods during their shelf-life when incorporated as natural additives or ingredients. It is also scientifically recognised that phenolic compounds not only have a technological use in foods, but also a pharmacological effect in the human body, with multiple health benefits. On the other hand, current trends among consumers reveal their concern about the environment, using more ecological- and environmentally friendly food packaging, and reducing disposable or single-use plastic packaging, which has a dramatic environmental cost due to its low degradability in nature. Therefore, the aim of this Thesis was the valorisation of olive tree pruning by obtaining cellulose nanofibers and bioactive compounds for their application in the agri-food industry. For this purpose, firstly, different types of nanocellulose were obtained from the cellulose pulp of olive tree pruning, using an environmentally friendly pulping process, with the objective to be applied as a reinforcement material in the formulation of food films (Chapter 1 and 2). Next, an extract from olive leaf was obtained and its composition in phenolic compounds was evaluated, as well as its antioxidant and antimicrobial activity against foodborne pathogens (Chapter 3), followed by a review of the antibacterial activity of olive leaf extracts (Chapter 4). A prototype of functional and biodegradable food film was developed by incorporating olive leaf extract to a polymeric material, with the aim of improving the shelf-life of the food assayed in contact with the film (Chapter 5). Finally, the effects of simulated gastrointestinal conditions on olive leaf polyphenols were investigated to assess their bioaccessibility and prebiotic effect during in vitro human colon fermentation. The results showed that nanocellulose from olive tree pruning, when applied as a reinforcing agent in polymeric matrices, improves the mechanical and barrier properties of the film obtained, with promising applications in the food industry. It was also shown that olive leaf has a high antioxidant and prebiotic activity and can be used as a functional ingredient/additive for the development of food products. However, the integration of olive leaf extract into a polymeric film did not produce the expected antioxidant or antimicrobial effects in the food at the tested conditions. More research is needed to investigate the migration of bioactive compounds, mainly polyphenols, from the film or packaging to foods, and to optimize the conditions that enhance their technological effects in foods.