Exploración de nuevas fuentes de monoterpenos a partir de residuos agroalimentarios para su transformación en compuestos con aplicaciones en el campo de aromas y fragancias

Abstract

Aquest projecte de recerca està enfocat en l'aprofitament dels residus agroalimentaris per a l'obtenció i / o extracció d'aromes. Aquests residus provenen en gran part de fruites i verdures. D’aquesta forma, són una font important de matèria orgànica, microorganismes i diferents tipus de compostos, entre ells terpens, utilitzats àmpliament en la indústria d'aromes i fragàncies. Normalment, aquests compostos són extrets de fonts naturals, mitjançant diferents processos, dels quals s'obtenen, entre d’altres, olis essencials, oleoresines i destil·lats en petites quantitats amb rendiments baixos, repercutint en l’augment dels preus dels productes finals. Aquest fet, ha provocat que algunes aromes s’obtinguin de forma sintètica per mitjà de processos que no són respectables amb el medi ambient i que a més a més no permeten obtenir un producte final amb el segell d'origen natural que tan valorat és en l'actualitat. Per aquest motiu sorgeix la necessitat de buscar fonts i mecanismes per a l'obtenció d'aquests compostos, sota condicions sostenibles, com en aquest cas, emprant residus provinents de la indústria agroalimentària. El projecte es va dividir en 4 fases. La primera d'elles va consistir en la selecció de fonts alternatives d'aromes. Dins d'aquesta fase es va avaluar el contingut de terpens de diferents residus, mitjançant diferents mecanismes, a escala de laboratori i a escala pre-pilot, d'aquesta última va ser possible obtenir un oli essencial amb un alt contingut de limonè, a més d'altres compostos d'interès per a la indústria d'aromes i fragàncies. Dins de les tècniques utilitzades es destaca l'extracció amb dissolvents i l'extracció mitjançant fluids supercrítics (FSC), que van incloure, també, pretractaments enzimàtics i físics. Per tant, a més a més de seleccionar el residu amb un major contingut de terpens, es va millorar el rendiment d'extracció. La segona fase va consistir en l'aïllament de microorganismes dels residus, específicament fongs filamentosos capaços de produir aromes o biotransformar substrats en compostos d'interès per aquest projecte. Per això, es va avaluar inicialment l'activitat metabòlica dels microorganismes mitjançant la tècnica d'extracció en fase sòlida (SPME). Aleshores, es va permetre seleccionar un grup de microorganismes que van demostrar potencial per produir terpens. Aquests microorganismes van ser identificats mitjançant tècniques genètiques. La tercera fase es va centrar en l'elaboració de medis de cultiu obtinguts a partir de residus agroalimentaris. Per això es van seleccionar dos tipus de residu, sobre els quals es van dur a terme diferents assajos, incloent pre-tractaments enzimàtics. D'aquesta fase en va resultar un medi de cultiu alternatiu que va poder ser aplicat tant en medi sòlid com en medi líquid. La quarta fase va consistir en l'obtenció d'aromes mitjançant la biotransformació de substrats com el limonè i el β-pinè per part dels microorganismes prèviament seleccionats en la segona fase. Per a això, es va realitzar inicialment l'optimització d'algunes de les condicions del procés i posteriorment es va avaluar el potencial d'aquestes soques per biotransformar els substrats a escala laboratori i a escala pre-pilot. Dins dels medis de cultiu emprats, es va incloure d’una banda un medi de cultiu convencional elaborat amb extracte de malta i d’altra banda, el medi de cultiu preparat en la tercera fase a partir de residus. Addicionalment, es va dur a terme la biotransformació del limonè contingut en l'oli essencial obtingut en la primera fase. Amb això es va aconseguir, d'una banda, identificar una font alternativa per a l'extracció d'aromes a partir dels residus agroalimentaris i així mateix, aconseguir un procés per a l'obtenció de compostos d'interès, en el qual, es van emprar els residus directa o indirectament en cadascuna de les seves etapes. Aconseguint valoritzar els residus i complir amb l'objectiu de el projecte.

Este proyecto de investigación está enfocado en el aprovechamiento de los residuos agroalimentarios, en su mayoría de frutas y verduras, para la obtención y/o extracción de aromas. Este tipo de residuos representa ser una fuente importante de materia orgánica, microorganismos y diferentes tipos de compuestos, entre ellos los terpenos, utilizados ampliamente en la industria de aromas y fragancias. Normalmente, estos compuestos son extraídos de fuentes naturales, mediante diferentes procesos, obteniéndose aceites esenciales, oleorresinas, destilados etc. Sin embargo, los rendimientos de estos procedimientos son bajos, obligando a subir los precios y encarecer los productos finales. Este hecho, ha provocado que algunos aromas sean obtenidos de forma sintética por medio de procesos que no son amigables con el medio ambiente y que adicionalmente no permiten tener un producto final con el sello de “origen natural” que es tan valorado en la actualidad. Por este motivo surge la necesidad de buscar fuentes y mecanismos para la obtención de estos compuestos, bajo condiciones sostenibles como en este caso, empleando residuos provenientes de la industria agroalimentaria. El proyecto se dividió en 4 fases. La primera de ellas consistió en la selección de fuentes alternativas y la extracción de aromas. Dentro de esta fase se evaluó la obtención de terpenos de diferentes residuos a escala laboratorio y en escala pre-piloto. Resultado de esta última fue la obtención de un aceite esencial con un alto contenido de limoneno, además de otros compuestos de interés en la industria de aromas y fragancias. Para la extracción se evaluaron diversos disolventes y también fluidos supercríticos (FSC)- Se incluyeron además pretratamientos enzimáticos y físicos. Por lo tanto, además de seleccionar el residuo con un mayor contenido de terpenos, se mejoró el rendimiento de extracción. La segunda fase consistió en el aislamiento de microorganismos presentes en los residuos, específicamente hongos filamentosos, capaces de producir aromas o biotransformar sustratos en compuestos de interés en este proyecto. Para esto, se evaluó inicialmente la actividad metabólica de los microorganismos mediante la técnica de extracción en fase sólida (SPME) que permitió seleccionar un grupo de microorganismos que demostraron potencial para producir terpenos. Estos microorganismos fueron identificados mediante técnicas genéticas. La tercera fase se centró en la elaboración de medios de cultivo a partir de los residuos agroalimentarios. Para ello se seleccionaron dos tipos de residuo, con los cuales se llevaron a cabo distintos ensayos que incluyeron pre-tratamientos enzimáticos. De esta fase resultó una alternativa de medio de cultivo que pudo ser aplicado tanto en medio sólido como en medio líquido. La cuarta fase consistió en la obtención de aromas mediante la biotrasnformación de sustratos como limoneno y β-pineno por parte de los microorganismos previamente seleccionados en la segunda fase. Para ello, se realizó inicialmente la optimización de algunas de las condiciones del proceso, posteriormente se evaluó el potencial de estas cepas para biotransformar los sustratos a escala laboratorio y a escala pre-piloto. Dentro de los medios de cultivo empleados se incluyó por un lado un medio de cultivo convencional elaborado con extracto de malta y el medio de cultivo preparado con los residuos en la tercera fase. Adicionalmente se llevó a cabo la biotransformación del limoneno contenido en el aceite esencial obtenido en la primera fase. Con esto se consiguió, por un lado, identificar una fuente alternativa para la extracción de aromas a partir de los residuos agroalimentarios y así mismo un proceso que permitió la obtención de compuestos de interés, en el que se emplearon los residuos directa o indirectamente en cada una de sus etapas consiguiendo revalorizar los residuos y cumplir con el objetivo del proyecto.

This research project is focused on the use of agri-food wastes to obtain or extract aromas. Usually, this kind of wastes come from fruits and vegetables. In that regard, they represent an important source of organic matter, microorganisms and different types of compounds, such as terpenes, widely used in the aroma and fragrance industry. Usually, these compounds are extracted from natural sources, through distinct processes, from which, among others, essential oils, oleoresins and distillates are obtained in small quantities. Since the yields of these procedures are low, the final products are expensive. This situation implied the synthesis of some aromas through processes not environmentally friendly and, additionally, by removing the label of natural origin, highly valued nowadays. For this reason, there is a need to look for sources and mechanisms to obtain these compounds under sustainable conditions, such as this project, by using waste from the agri-food industry. The project was divided in four phases. The first phase consisted in the selection of alternative aroma sources. In this phase, the terpenes content from different residues was evaluated by using distinct procedures at lab-scale and pre-pilot scale. Regarding to pre-pilot scale, it was possible to obtain a high limonene content essential oil, containing also other valuable compounds for aromas and fragrance industries. Among all techniques used, solvent extraction and supercritical fluids extraction (FSC) stood out, whereas enzymatic and physical pretreatments were also tested. For so, in addition to the selection of a higher terpene residue the extraction yield was also improved. The second phase consisted in the isolation of microorganisms from the wastes, specifically filamentous fungi able to produce aromas or biotransform substrates into interesting compounds for this project. Therefore, the metabolic activity of the microorganisms was initially evaluated by using solid phase extraction technique (SPME). Subsequently, a specific group of microorganisms demonstrating abilities to produce terpenes was selected. These microorganisms were identified by using genetic techniques. The third phase was focused on the culture media preparation from agri-food waste. In this regard, two types of residues were selected, carrying out distinct tests such as enzymatic pre-treatments. From this phase, an alternative culture media useful in solid and liquid media was obtained. The fourth phase consisted in the aromas obtention by biotransformation of substrates such as limonene and β-pinene using microorganisms previously selected during the second phase. In that regard, some of the process conditions were initially optimized and the strains were selected depending on the ability to biotransform the substrates on a laboratory and pre-pilot scale. The cultures used were a conventional malt culture medium and the waste culture medium prepared in the third phase. Additionally, the biotransformation of the limonene from the essential oil obtained in the first phase was carried out. In conclusion, it was possible to identify an alternative source of aromas extraction from agri-food waste and achieve a process for obtaining interesting compounds, being the waste used directly or indirectly in each of the stages. Allowing the recovery of waste and fulfilling the main objective of the project.