Valorización de residuos agroalimentarios para obtención de biopolímeros y aplicación como estrategias de conservación alimentarias

Abstract

La industria agroalimentaria enfrenta el desafío de responder a una creciente demanda alimentaria derivada del aumento poblacional, en un contexto de crisis medioambiental, escasez de recursos, cambio climático y generación masiva de residuos. En este marco, iniciativas como el Pacto Verde Europeo, el Plan de Economía Circular y la Agenda 2030 promueven una transición hacia modelos de producción más sostenibles. Esta transición requiere una evolución desde un modelo económico lineal hacia uno basado en los principios de la bioeconomía circular, que combina el uso responsable de recursos biológicos renovables con estrategias para prolongar el ciclo de vida de productos y reducir la generación de residuos. El sector agroalimentario genera grandes volúmenes de biomasa residual, principalmente en forma de subproductos lignocelulósicos como hojas y tallos, tradicionalmente utilizados con bajo valor añadido. Esta situación ha motivado la búsqueda de estrategias de valorización más sostenibles, como los procesos de biorrefinería, que permiten fraccionar la biomasa para obtener compuestos de alto valor. Entre ellos, la celulosa destaca como uno de los polímeros naturales más abundantes y prometedores, gracias a sus propiedades estructurales y su carácter biodegradable y renovable, especialmente interesante en la sustitución de plásticos convencionales en el sector del envasado. A través de tratamientos específicos como el pasteado, blanqueo y fibrilación mecánica, es posible obtener nanofibras de celulosa (CNF) y lignonanofibras (LNFC), materiales con excelentes propiedades mecánicas, barrera y de funcionalización, adecuados para su uso en materiales de envasado sostenibles. Esta Tesis Doctoral se centra en la valorización de residuos lignocelulósicos procedentes de podas de aguacate y frambuesa para la producción de pastas celulósicas y LNFC, con aplicaciones en envases rígidos, films y recubrimientos comestibles. En la Publicación I, se estudió la producción de pasta celulósica a partir de residuos de frambuesa y el aislamiento de CNF y LNFC mediante pretratamientos catalíticos con TEMPO. Se evaluó cómo el contenido residual de lignina afecta las propiedades funcionales del material, especialmente en su aplicación como refuerzo en matrices de quitosano para la elaboración de films. Se observó una mejora en propiedades mecánicas y barrera. Posteriormente, se aplicaron las LNFC en recubrimientos comestibles para frambuesas frescas, aprovechando su capacidad de bloqueo de radiación UV. Estos recubrimientos demostraron beneficios en la conservación del fruto durante el almacenamiento. En la Publicación II, se analizó la viabilidad de los residuos de poda de aguacate como fuente de fibra celulósica. Las fibras se incorporaron como refuerzo a una matriz termoplástica de polietileno biobasado, utilizando un agente compatibilizante para mejorar la adhesión entre fases. Se optimizó su concentración y se estudiaron las propiedades mecánicas, térmicas y morfológicas de los biocomposites. También se llevó a cabo un análisis micromecánico para entender el comportamiento de la interfase y su influencia en la transferencia de cargas. En la Publicación III, los biocomposites desarrollados fueron evaluados en términos de procesabilidad, termosellabilidad y resistencia estructural para la fabricación de envases rígidos tipo bandeja. Se determinó la concentración óptima de fibra que permitía el termoformado sin comprometer la integridad del material. Además, se evaluó su eficacia como envase para la conservación de alimentos, realizando estudios fisicoquímicos, microbiológicos y de desintegración en suelo. Finalmente, se seleccionó el biocomposite con mejores propiedades para su uso en el envasado de tomates Cherry. Su eficacia se evaluó durante 30 días de almacenamiento, observando mejoras en parámetros como pérdida de peso, color y aspecto visual, lo que demuestra el potencial de estos materiales como alternativa sostenible para el envasado alimentario.

The agri-food industry faces the challenge of meeting a growing food demand driven by global population growth, in a context of environmental crisis, resource scarcity, climate change, and massive waste generation. In response, initiatives such as the European Green Deal, the Circular Economy Action Plan, and the 2030 Agenda for Sustainable Development promote a transition toward more sustainable production models. This transition requires a shift from a linear economic model to one based on the principles of the circular bioeconomy, which combines the responsible use of renewable biological resources with strategies to extend product lifecycles and reduce waste. The agri-food sector generates large volumes of residual biomass, mainly in the form of lignocellulosic by-products such as leaves and stems, which have traditionally been used in low-value applications. This has prompted the search for more efficient and sustainable valorization strategies, such as biorefinery processes, which allow for the fractionation of biomass into high-value compounds. Among these, cellulose stands out as one of the most abundant and promising natural polymers due to its structural properties and biodegradable, renewable nature, especially relevant in replacing conventional plastics in packaging. Through specific treatments such as pulping, bleaching, and mechanical fibrillation, cellulose nanofibers (CNF) and lignocellulose nanofibers (LNFC) can be obtained. These materials offer excellent mechanical, barrier, and chemical functionalization properties, making them ideal for use in sustainable packaging materials. This PhD Thesis focuses on the valorization of lignocellulosic residues from avocado and raspberry pruning for the production of cellulosic pulps and LNFC, with applications in rigid packaging, films, and edible coatings. In Publication I, the chemical characterization and production of cellulosic pulp from raspberry pruning residues were studied. CNF and LNFC were isolated through catalytic pretreatment using 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO). The impact of residual lignin content on the functional properties of the material was evaluated, particularly in its role as reinforcement in chitosan matrices for film production. Improvements in mechanical and barrier properties were observed. Subsequently, LNFC was used in edible coating technologies for fresh raspberries, taking advantage of its enhanced UV-blocking capacity attributed to residual lignin. These coatings demonstrated benefits for fruit preservation during storage. In Publication II, the potential of avocado pruning residues as a source of cellulosic fibers was explored. The chemical composition and morphology of the fibers were analyzed. The fibers were incorporated as reinforcement into a biobased polyethylene thermoplastic matrix, using maleic anhydride-grafted polyethylene as a compatibilizing agent. The concentration of this agent was optimized, and the mechanical, thermal, and morphological properties of the resulting biocomposites were evaluated. A micromechanical study was also conducted to understand the fiber-matrix interface and its role in load transfer. In Publication III, the developed biocomposites were evaluated for processability via thermoforming and heat-sealability, determining the maximum fiber content that allows for the production of rigid tray-type containers without compromising material integrity. Physicochemical and microbiological characterization was performed to assess their suitability for food preservation, as well as their soil disintegration capacity. Finally, the thermoformed biocomposite with the best structural and functional properties was selected for use in cherry tomato packaging. The system’s effectiveness was evaluated over 30 days of storage by monitoring parameters such as color evolution, weight loss, and visual appearance. The results demonstrate the potential of these biocomposites as a sustainable alternative for food packaging applications.