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Introducción
La producción mundial de alimentos debe aumentar en un 60 % para 2050 para satisfacer las necesidades de la población [1]; sin embargo, si se continúa con el tipo de producción actual (lineal) en lugar de una economía circular, se generará una mayor cantidad de residuos agroindustrailes (RAI). De acuerdo con la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), 1,300 millones de toneladas de los alimentos producidos son desechados anualmente a nivel mundial, lo que significa pérdidas del 30%, por lo que tales alimentos se convierten entonces en materia prima subutilizada y que podrían ser consumidos [2], [3].
Cuando no reciben un segundo uso, los RAI se convierten en problemas ambientales, económicos, de seguridad alimentaria y sostenibilidad, que comprometen la alimentación y salud de las poblaciones más vulnerables, debido a que estos restos generalmente terminan en vertederos. Es por ello que en búsqueda de soluciones, este tema fue incluido dentro de la Agenda de las Naciones Unidas para el Desarrollo Sostenible 2030; específicamente, a través de la meta 12.3 la cual establece que “De aquí a 2030, reducir a la mitad el desperdicio de alimentos per cápita mundial en la venta al por menor y a nivel de los consumidores y reducir las pérdidas de alimentos en las cadenas de producción y suministro, incluidas las pérdidas posteriores a la cosecha” [4].
Lo anterior con el objetivo de crear alternativas que contribuyan a contrarrestar la problemática de pérdida y desperdicio de alimentos, desde su producción en el cultivo hasta la mesa del consumidor. Por otro lado, la Comisión Europea ha promovido la estrategia de implementación de la economía circular [5], bajo la cual, es prioritario convertir los RAI en un recurso para cerrar el ciclo, evitando que terminen en vertederos o sean incinerados con la subsecuente contaminación del medio ambiente [6].
Una de las estrategias para aprovechar los RAI es su incorporación a la línea de producción o usarlos en una segunda cadena de producción. Dentro de las posibles alternativas de su uso se encuentran la obtención de compuestos bioactivos o nutrientes, los cuales se pueden utilizar como ingredientes para la formulación de alimentos funcionales y nutracéuticos o con funcionalidad tecnológica (figura 1), además de otras opciones como fuentes de proteína alternativa, generación de energía, aplicaciones en industria farmacéutica y cosmética [7], [8].
Los alimentos con mayor producción de residuos son: (1) las raíces, frutas, hortalizas y semillas oleaginosas (40-50%), seguidos del (2) pescado (35%), cereales (30%), carnes y productos lácteos (20%) [2]. Con respecto a los primeros, sus restos comprenden cáscaras, semillas, tallos, bagazo, mazorcas, hojas, salvado, pastas de semillas de la extracción de aceites, entre otros. Dichos restos comúnmente son descartados durante las etapas de pre y post cosecha, almacenamiento, manejo, transporte, procesamiento o por el consumidor final. Este tipo de residuos son también los de mayor producción a nivel mundial y representan una fuente importante de contaminación ambiental [9], [10].
En cuanto a los restos del segundo grupo derivados del consumo y procesamiento de alimentos, estos pueden representar un alto porcentaje del peso del producto [11]; por ejemplo, del mango se descarta aproximadamente 20-64%, aguacate 26% [12] y piña 15% [13]. Sin embargo, existe evidencia de que estas partes descartadas contienen nutrientes remanentes, destacando lípidos, proteínas, carbohidratos, vitaminas, minerales y compuestos fenólicos. Es por ello que el presente trabajo describe los nutrientes y compuestos fenólicos presentes en RAI, incluyendo rendimientos, con el fin de presentar información relevante de las fuentes y vegetales más viables a ser empleadas para la recuperación de dichas moléculas.
Carbohidratos
La fibra dietaria pertenece al grupo de los carbohidratos, forma parte prominente en los RAI y se compone de fibra soluble en agua (pectinas, gomas, mucilagos) y fibra insoluble (celulosas y hemicelulosas). Estas moléculas son carbohidratos indigeribles que no pueden ser hidrolizados por las enzimas intestinales humanas, por lo que son utilizadas y fermentadas por la microbiota, los cuales producen metabolitos benéficos para la salud intestinal y general del consumidor [9]. Los RAI son considerados una buena fuente de fibra, por ejemplo, algunos contienen más del 50%, tales como la cáscara de aguacate con 96.85 g/100 g de la cual 7.46% corresponde a fibra soluble y 89.39% de fibra insoluble [14]. Además, el bagazo de caña de azúcar con 80.7 g/100 g [15], bagazo de acerola con 77 g/100 g [16], cáscara de papa con 76.4 g/100 g [17] y bagazo de naranja con 51.68 g/100 g (44.29 % soluble y 7.39% insoluble) [18]. Particularmente, el bagazo de manzana, bagazo de pepino, bagazo de durazno y bagazo de pimiento rojo contienen cantidades significativas de fibra, con alrededor de 25.28, 22.48, 22.23 y 19.95 g/100 g, respectivamente, lo cual los hace atractivos como fuente para obtención de fibra.
La fibra de RAI cuenta con diversas aplicaciones potenciales, entre las que figuran su uso como prebiótico, ingrediente de alimentos funcionales, fuente de carbono para producción de enzimas y ácidos orgánicos, material base para mejorar la liberación y entrega de compuestos bioactivos en colon y generación de bioetanol [14]-[19]. Por ejemplo, la pectina, cuyo rendimiento es de 12-32 g/100g, puede ser empleada como aditivo alimentario, gelificante, espesante, estabilizante, para producir alimentos funcionales [20], [21].
Se encuentran también diversos tipos de polisacáridos que han mostrado capacidades tecno-funcionales y diversas bioactividades, destacando la antioxidante, prebiótica, antiinflamatoria, antiobesogénica, antidiabética, inmunomoduladora, hipolipidémica y hepatoprotectora [9], [22]. Por ejemplo, los residuos de alimentos fibrosos como tunas o alcachofas, son fuente de fructanos de tipo inulina [23], [24]. La inulina de la alcachofa en particular ha mostrado efecto prebiótico, al incrementar el crecimiento de cinco especies de Lactobacillus y cuatro de Bifidobacterias, por lo que se ha sugerido su aplicación en formulaciones simbióticas [24]. Algunos polisacáridos son también apreciados por el tipo de monosacáridos que se pueden obtener a partir de ellos para diversos usos industriales; tal es el caso del bagazo de citrón, el cual es fuente de polisacáridos ricos en arabinosa, ácido galacturónico y ramnosa. Los cuales se han sugerido para ser aplicados como aditivos alimentarios en emulsiones para reducir su viscosidad [25]. Los restos de piña son fuente de monosacáridos con potencial de aplicación como ingredientes funcionales con actividad antioxidante [26].
Proteína
La fuente preferida de proteína por la mayoría de la población mundial es la carne; para el 2050 la demanda de carne se estima que será de aproximadamente 400 millones de toneladas [27]. Sin embargo, su sistema de producción se asocia a múltiples afectaciones ambientales, incluyendo emisiones de gases de efecto invernadero, alto uso de recursos como tierra y agua, etcétera [28], por lo que se buscan fuentes de proteína alternativas para satisfacer dicho incremento en su demanda. Dentro de las alternativas más relevantes presentadas por la comunidad científica actual se encuentran la carne cultivada, insectos, carne de origen vegetal, proteína unicelular y la recuperación de péptidos y proteína a partir de diversos residuos [29]. Se destacan las últimas tres opciones ya que pueden ser obtenidas a partir de RAI, mismos que pueden ser empleados para formular sustitutos de carne, así como recuperar derivados proteicos. Además, pueden utilizarse como sustrato para el crecimiento de microorganismos y la posterior obtención de proteína unicelular [8].
Para ser aprovechados como fuente de proteína, los restos agroindustriales deben contenerla en altas concentraciones, ser de calidad (de acuerdo a un perfil de aminoácidos completo o mayormente completo) y estar libre de tóxicos, toxinas o alérgenos [30]. Asimismo, son preferidas aquellas opciones en las que las moléculas sean relativamente fáciles de extraer o que requieran procesos lo más sencillos posibles, además de que permitan el uso de métodos de extracción eficientes y verdes para no generar más afectaciones ambientales.
Entre los residuos con mayor potencial de ser empleados para la obtención de proteínas se encuentran los provenientes de la industria de la soya, oleaginosas y cereales. Los procesos de obtención pueden ser: por extracción, por ácidos o bases, hidrotérmicos, líquidos iónicos, enzimáticos, alcohólicos, salinos, filtración con membranas y procesos de fermentación [31]. Por otra parte, los restos de frutas y verduras pueden ser fuentes de proteína de manera indirecta, al utilizarse como biomasa para la obtención de proteína unicelular [27], [32]. Diversas investigaciones indican que el uso de RAI puede generar 30-45% de proteína a partir de hongos, 40-60% de algas, 45-55% de levaduras y 50-65% de bacterias; por lo que, el uso de microorganismos para la obtención de proteína se convierte en una alternativa prometedora [8], [33].
Lípidos
Las semillas de diversas frutas son desechadas por la industria agroalimentaria, sin embargo, éstas o sus constituyentes pueden ser empleadas en la elaboración de alimentos funcionales o ser materia prima para formulaciones en las industrias cosmética, farmacéutica y nutracéutica. La presente sección considera solamente lípidos presentes en semillas.
Las semillas acumulan lípidos como reservas energéticas, los cuales se aprovechan con fines nutricionales. Las semillas y sus aceites más comunes son lino, chía, sésamo, girasol y pepitas de calabaza, además constantemente surgen otras, como las de cáñamo y de diversas frutas [34].
Se sabe que las semillas contienen algunos lípidos nutricionalmente importantes, los cuales se utilizan como ingredientes para nutracéuticos y otras aplicaciones [35], siendo algunos de los más relevantes los ácidos grasos esenciales (como los ácidos grasos omega-3), fitoesteroles, carotenoides, escualeno, fosfolípidos y glicolípidos [36].
Las semillas de frutas cuentan también con un alto valor nutricional, aunque su aprovechamiento como suplementos alimenticios u otros productos de relevancia nutricional es aún mínimo, debido en parte a que no están disponibles en el mercado o no son fácilmente accesibles como las semillas antes mencionadas. Su composición lipídica es variable, por ejemplo, el contenido de aceite es de 3.32 a 14.7 % en semillas de aguacate [37] y de 5.2 a 17.2 % en las de limón [38]; las semillas de arándano, fresa y tuna presentan < 10 %; mientras que las de albaricoque, melón, olivo, naranja, durazno y sandía cuentan con > 50 % [39], aunque la mayoría de las semillas de frutas cuentan con aproximadamente un tercio de aceite del peso total (seco). A pesar de esta variabilidad, la composición lipídica de varias semillas de frutas amerita estudios para establecer su impacto sobre la salud y nutrición humana, así como otras áreas que permitan promover su uso con fines alimentarios y otros. También es determinante que previo al empleo de las semillas como fuente de lípidos, se debe evaluar la presencia de compuestos tóxicos como glicósidos cianogénicos, así como taninos u otros constituyentes antifisiológicos que pueden ocasionar alergias, malnutrición o cuadros de diarrea. Por ello, se requieren mayores investigaciones que evalúen su potencial aplicación de manera segura.
Compuestos fenólicos (CF)
Los CF son metabolitos secundarios producidos por las plantas, por lo que su presencia es esperada en los RAI. Los CF pueden ejercer efectos que promueven mejoras a la salud, principalmente mediante mecanismos antioxidantes. Los CF son antioxidantes exógenos que juegan un papel sinérgico importante con el sistema antioxidante endógeno del consumidor, particularmente cuando éste es rebasado en el intento de modular el estrés oxidativo inducido por radicales libres. Es bajo esa condición cuando sus efectos permiten prevenir ciertas patologías asociadas a fenómenos pro-oxidativos [40].
Además de su efecto antioxidante, los CF extraídos de RAI son capaces de promover la salud del consumidor mediante otras acciones, tales como su potencial antiobesogénico [41], anti-inflamatorio [42], anticancerigeno, antiinflamatorio [12], entre otros. Estos efectos justifican porqué su obtención a partir de residuos se ha convertido en un campo de interés actual [43], cuyas aplicaciones se centran en la elaboración de alimentos funcionales y nutracéuticos [42].
Algunos RAI fuente de CF incluyen la cáscara de aguacate, la cáscara de mango, orujo de uva, residuo de café, residuo de la obtención de aceites, restos de frutas tropicales, entre otros [7], [12], [15], [41], [44], [45]. La tabla 1 resume algunos ejemplos de RAI como fuentes de CF (incluidos flavonoides, ácidos fenólicos y sus glucósidos, entre otros), así como de lípidos, proteínas y fibra descritos en las secciones anteriores y los rendimientos de cada uno.
Tabla 1 Rendimiento y aplicación de proteínas, carbohidratos, lípidos y compuestos fenólicos contenidos en residuos agroindustriales.
| Residuo | Nutriente o compuesto bioactivo | Rendimiento | Aplicación/Beneficio | Ref. |
| Salvado de sésamo | Proteína | 15 g/100 g | Potencial uso en alimentos funcionales Nutrición | [50] |
| Suero de industria de la soya | Proteína y enzimas | 0.3-8.3 g/L | Biotecnología Biotransformación biológica/enzimática Nutrición | [31] |
| Cáscara de plátano, papa y pulpa de zanahoria | Proteína unicelular | Biomasa 12 g/ 100 g (proteína 47.7%) | Ingrediente para formulación de pan, Nutrición | [51] |
| Aguas residuales de cervecería | Proteína unicelular | 27 × 105 ± 0.42 células/mL (64.9% de proteína) | Proteína con siete aminoácidos esenciales y capacidad antioxidante | [52] |
| Bagazo de tomate | Pectina | 31.58 g/100 g | Ingrediente funcional en la industria alimentaria Agente gelificante, espesante y estabilizador | [21] |
| Cáscara de mango | Pectina-compuestos fenólicos | 21.82 g/100 g y 2,426.67 mg EAG/100 g, respectivamente | Películas activas para alimentos susceptibles a oxidación lipídica. Actividad antioxidante y antimicrobiana | [45] |
| Cáscara de pitaya | Pectina | 23.09 g/100 g | Agente gelificante, emulsificante, estabilizante y espesante en alimentos | [53] |
| Cáscara de nuez | Pectina | 12.78 g/100 g | Ingrediente para la formulación de alimentos, cosméticos y fármacos. Capacidad emulsificante, de absorción de agua y aceite y actividad antioxidante | [54] |
| Corazón de piña | Polisacáridos compuestos por monosacáridos: galactosa, glucosa, arabinosa, manosa, ácido galacturónico, ribosa, xilosa, ramnosa y ácido glucurónico | 16.7 g/100 g | Ingrediente de alimentos funcionales. Agente emulsificante y espumante con actividad antioxidante | [26] |
| Cáscara de arroz | Holocelulosa compuesta por: arabinosa 4.4 %, galactosa 1.4 %, glucosa 68.8 %, xilosa 25.6 % | 78 g/100 g | Desarrollo de materiales de empaquetamiento de alimentos con propiedades mejoradas. Nanocristales de celulosa para el desarrollo de biopolímeros | [55] |
| Residuo de café molido | Polisacáridos compuestos por glucosa, manosa, galactosa y arabinosa | 18.25 g/100 g | Industria alimentaria e industrias relacionadas Alta actividad antioxidante e hipoglicémica | [56] |
| Cáscara y pulpa de piña | Polisacáridos compuestos por arabinosa, galactosa, glucosa | 0.8 g/100 g | Actividad antioxidante y gastroprotectora | [57] |
| Semillas, cáscara y pulpa de acerola | 2.54 g/100 g | |||
| Cáscara y pulpa de anacardo | 7 g/100 g | |||
| Semillas de granada (Punica granatum L.) | Aceite: Ácido púnico: 72.8 % Ácido linoleico: 11% Ácido palmítico:5.8 % Ácido oleico:5.4% Ácido esteárico: 5.0% | 25.5 g/100 g | Aplicación tópica del aceite en piel de ratas Efectos quimiopreventivos contra cáncer de piel asociados a la inhibición de la ornitina descarboxilasa | [58] |
| Semillas de manzana variedad New Red StarN | Aceite: Ácido palmítico: 6.60% Ácido palmitoleico: 0.05 Ácido esteárico: 1.96 % Ácido oleico :38.55 | 24.32 g/100 g | Antimicrobiano a una concentración inhibitoria mínima de 0.3 mg/mL Inhibición de microorganismos de importancia alimentaria Escherichia coli, Salmonella sp., Bacillus subtilis | [59] |
| Semillas de anón (Annona squamosa) | Aceite: ácido palmitico:9.92 %, ácido linoleico:20.49 %, ácido oleico: 56.50 %, ácido esteárico 9.14 % | 22.6 g/100 g | Aplicación vía oral Inhibición del crecimiento de células tumorales H22 en ratones Kunming Disminución de la interleucina-6 (IL-6) | [60] |
| Semilla de melón (Cucumis melo L. Inodorus) | Aceite: ácidos grasos saturados 8.82 %, ácidos grasos monoinsaturados: 21.95 % y ácidos grasos poliinsaturados:68.22 % | 34.1 g/100 g | Antiinflamatorio. Estudios in vitro Inhibición de 5-lipoxigenasa | [61] |
| Aguacate (Persea americana) | Ácido palmítico: 18.59 % Ácido palmitoleico: 5.0% Ácido esteárico: 1.5 % Ácido oléico: 49.8 % Ácido linoléico: 20.5 Ácido linolenico:2.4 % | 3.2 g/100 g | Aplicación vía oral Inhibición del crecimiento de células de cáncer de colon y de carcinoma hepatocelular Freno del ciclo celular e inhibición del crecimiento de algunas células cancerosas a través de la estimulación de su apoptosis | [62] |
| Semillas de algodón | Aceite Ácido palmitico: 26.4 % Ácido palmitoleic: 0.66 % Ácido estearico: 3.3 % Ácido oleico: 21.7 % Ácido linoleico: 58.2 Ácido linolénico: 1.0 % | NR | Repelente y pesticida Repelente y altamente letal para ácaros del cocotero | [63] |
| Cáscara de plátano | Compuestos fenólicos 3,146 mg GAE/100 g Flavonoides totales 2,211 mg QE/100 g Actividad antioxidante (DPPH) 82.5 % | Extracción de compuestos bioactivos del polvo de cáscara de plátano Combatir las enfermedades causadas por radicales libres; Propiedades antidiabéticas | [64] | |
| Cáscara de naranja | Ácido elágico 236 mg/100 g Catequina 222 mg/100 g Quercetina 206 mg/100 g | Fuente de carbono de Aspergillus fumigatus Industria alimentaria y farmacéutica Antioxidantes Antibacterianos Actividad anticancerígena | [65] | |
| Pulpa de café | Ácido gálico 7.66 mg/100 g Vainillina 220.83 mg/100 g Catequina 2,443.21 mg/100 g Cumárico 15.64 mg/100 g Cafeico 11.78 mg/100 g Ferúlico 4.52 mg/100 g Actividad antioxidante 11.15 g AAEq./100 g | Extracción de polifenoles de pulpa de café Ayudar a disminuir la incidencia de enfermedades cardiovasculares, cáncer de colon, trastornos hepáticos, obesidad y diabetes | [41] | |
| Orujo de manzana | Quercetina-3-O-galactósido 3137 mg/100 g Quercetina-3-O-ramnósido 2605 mg/100 g Florentina-2-O-glucósido 1596 mg/100 g | Suplementación y/o desarrollo de productos fortificados Propiedades antioxidantes y antivirales Antiinflamatorias | [42] | |
| Orujo de uva | Antocianinas 612 mg/100 g Flavonoles 146 mg/100 g Ácido hidroxicinámico 130 mg/100 g Ácido hidroxibenzóico 330 mg/100 g Flavan-3-oles 1116 mg/100 g | Compostaje de la biomasa de orujo de uva Reguladores del crecimiento para muchas plantas de cultivo vascular, estimulando la absorción de macronutrientes minerales | [66] | |
NR. No reportado
Los restos de cítricos destacan por ser fuentes de CF como naringenina y naringina, los cuales poseen potencial antioxidante y hepatoprotector [46]. Algunos RAI son fuente de CF conjugados con azucares, tales como el orujo de manzana (residuo obtenido del prensado de manzana para obtención de zumo, sidra), en el que se han reportado la presencia de quercetina-3-O-galactósido (3,137 mg/100 g), así como quercetina-3-O-ramnósido (2,605 mg/100 g) y florentina-2-O-glucósido (1,596 mg/100 g) [42].
Por otra parte, los aspectos positivos relacionados con el uso de bioactivos (por ejemplo, CF) en la nutrición de rumiantes [47], han aumentado el interés en el uso de residuos ricos en ellos como ingredientes dietéticos en beneficio de la nutrición animal, así como en la alimentación humana mencionado anteriormente [48]. Al respecto, el ácido ferúlico es un CF adicionado a dietas animales, que ha mostrado un efecto inmunomodulador y mejoras en la calidad de la carne [49].
Conclusión
Las evidencias indican que los RAI son, en general, fuentes de nutrientes y compuestos fenólicos, con porcentajes de recuperación superiores al 50%, como en el caso de las fibras. Esto sugiere su potencial para ser aplicados en la producción de alimentos, debido también a sus características tecnofuncionales, entre las que destacan su capacidad gelificante, emulsificante, estabilizante y espesante, así como su utilización como biomasa para la producción de proteína. Los compuestos fenólicos recuperados de restos de alimentos han mostrado potenciales aplicaciones en la salud, debido a sus efectos antioxidante, anticancerígeno, antiinflamatorio, antidiabético, entre otros. Es por ello que, el empleo de residuos de alimentos para un segundo uso como parte de la economía circular, puede dar alternativas viables para el desarrollo de nuevos alimentos innovadores y nutracéuticos. Sin embargo, aún quedan algunos retos por resolver, tales como el escalamiento y la optimización de los distintos procesos de extracción, que varía con las características y composición del residuo agroalimentario.
