Avances tecnológicos en la revalorización de productos de la vinificación

Departamento de nutrición y bromatología FACULTAD DE FARMACIA UNIVERSIDAD DE SEVILLA AVANCES TECNOLÓGICOS EN LA REVALORIZACIÓN DE PRODUCTOS DE LA VINIFICACIÓN MARTA ROJAS VERGARA 1 UNIVERSIDAD DE SEVILLA FACULTAD DE FARMACIA TRABAJO FIN DE GRADO GRADO EN FARMACIA AVANCES TECNOLÓGICOS EN LA REVALORIZACIÓN DE PRODUCTOS DE LA VINIFICACIÓN Revisión bibliográfica Alumno: Marta Rojas Vergara Tutores: Francisco José Heredia Mira y María Lourdes González-Miret Martín Departamento: Nutrición y Bromatología, Toxicología y Medicina legal Fecha y lugar de presentación: Por determinar 2 3 RESUMEN La industria vitivinícola genera toneladas de subproductos como son el orujo de uva, las semillas, las lías y el raspón, cuya gestión y eliminación suponen grandes problemas económicos y ambientales debido a su carácter estacional y a determinadas características contaminantes. El propósito de esta revisión fue estudiar la composición de estos subproductos del vino para su aprovechamiento en la industria alimentaria, farmacéutica y cosmética; así como las diferentes técnicas de extracción empleadas para ello. El aprovechamiento de los subproductos es una interesante estrategia ya que permite reducir el impacto ecológico y se fomenta la obtención de nuevos productos de alto valor añadido. Esto supone una oportunidad de negocio rentable, además de realizar un claro beneficio medioambiental. Existen numerosas posibilidades de aprovechamiento de estos subproductos, algunas de ellas se encuentran aún en fase de investigación. Las características y la composición de estos subproductos generados están muy relacionadas con las técnicas de vinificación empleadas, que va a determinar el tipo de valorización al que se puede someter a estos residuos. En la alimentación, los subproductos del vino se utilizan fundamentalmente por su alto poder nutritivo, su riqueza en antioxidantes y por su contenido en fibra dietética. En el campo farmacéutico, se utilizan para mejorar los problemas de circulación sanguínea e incluso por sus beneficios para reducir los niveles de colesterol. Por último, en cosmética se utiliza por su capacidad como antioxidante que previene el envejecimiento cutáneo. Para poder aprovechar los subproductos del vino, es necesario aislar los componentes mediante las distintas técnicas de extracción. PALABRAS CLAVE: subproductos de uva, antioxidante, aprovechamiento, orujo de uva, extracción 4 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ..……………………………………………………………………………………………………5 2. OBJETIVOS ……………………………………………………………………………………………………………..7 3. METODOLOGÍA ………………………………………………………………………………………………………8 4. RESULTADOS .…………………………………………………………………………………………………………9 4.1. Generación de residuos en la industria enológica…………………………………………….9 4.2. Composición de interés de los orujos, raspones, lías y semillas de uva y sus funciones…………………………………………………………………………………………………………9 4.3. Estudios sobre técnicas de extracción de compuestos de interés……………………11 4.4. Actividades biológicas de los compuestos procedentes de residuos de la uva…16 4.5. Aplicaciones de compuestos procedentes de residuos de la uva en las industrias alimentaria, farmacéutica y/o cosmética……………………………………………………….20 5. CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………………………….23 6. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………………………………….…24 5 INTRODUCCIÓN La industria enológica genera enormes cantidades de residuos, cuya gestión y eliminación suponen problemas medioambientales debido a algunas características contaminantes. Los principales subproductos y deshechos que genera el vino son el orujo de uva, las semillas, los raspones y las lías. Dichos residuos aún contienen componentes importantes. El orujo de uva es el residuo sólido que queda después del prensado de la uva fresca y la obtención del mosto para la vinificación. Está compuesto por los hollejos, las semillas y restos de pulpa. Se caracteriza por poseer un alto contenido en compuestos fenólicos, que forman parte de los componentes de la uva y quedan en este residuo tras un proceso de extracción incompleto durante el proceso de vinificación (GonzálezBallesteros et al., 2018). Los polifenoles son compuestos sintetizados por las plantas, que poseen uno o más grupos hidróxilos unido a uno o más anillos bencénicos (Vermerris y Nicholson, 2006). En el orujo de uva, los polifenoles que se encuentran en una mayor proporción son los flavonoides. Los subproductos del vino también se caracterizan por su alto contenido en fibra dietética con amplios beneficios para la salud. La creciente demanda de la producción industrial respetuosa con el medio ambiente ha llevado a realizar diversas alternativas para el aprovechamiento de los deshechos durante la vinificación, usándolo como fertilizante o como alimento para animales monogástricos (Arvanitoyannis et al., 2006). Sin embargo, dichas alternativas presentan varios inconvenientes que se desarrollaron tanto en la existencia de compuestos que afectan negativamente al cultivo como en la indigestibilidad que presentan en algunos animales intolerantes a los taninos condensados presentes (García-Lomillo y GonzálezSanJosé, 2017). Por ello, se han desarrollado procedimientos innovadores para reutilizar estos residuos en los sectores de la alimentación, de productos farmacéuticos y de productos cosméticos. La revalorización de estos subproductos del vino proporciona alternativas para reducir la huella ambiental causada por la industria enológica. 6 El potencial de dichos subproductos se basa fundamentalmente en su capacidad como antioxidante y que previenen enfermedades cardiovasculares entre otras. Es necesario purificar el residuo de la vinificación para obtener los compuestos bioactivos aislados, eliminando los componentes inertes e indeseables que pueden interferir en la actividad biológica final, utilizando para ello un método de extracción (Teixeira et al., 2014). Las técnicas de extracción más empleados son la extracción convencional con disolvente verde, la extracción con líquido presurizado, la extracción con fluido supercrítico, la extracción asistida por microondas, la extracción asistida por ultrasonido y la extracción con disolvente eutéctico profundo. 7 OBJETIVOS DE LA REVISIÓN El objetivo general de este Trabajo Fin de Grado es revisar los antecedentes existentes sobre subproductos de la industria vitivinícola y su posible aprovechamiento. Para ello se plantearon como objetivos específicos las siguientes revisiones bibliográficas: - Generación de residuos en la industria enológica - Componentes de interés nutricional y propiedades bioactivas presentes en los orujos, raspones y semillas de uva, y sus funciones - Estudios sobre las técnicas de extracción de compuestos de interés - Aplicaciones de compuestos procedentes de residuos de la uva en las industrias alimentaria, farmacéutica y/o cosmética 8 METODOLOGÍA El título de esta revisión bibliográfica es “Avances tecnológicos en la revalorización de productos de la vinificación”. Las palabras clave principales atendiendo al título de esta revisión bibliográfica han sido: subproductos del vino (wine byproducts), polifenoles de uva (grape polyphenols), fibra dietética (dietary fibre), orujo de uva (grape pomace), industria vitivinícola (wine industry). Se ha realizado un estudio de tipo revisión sistemática de aquellos documentos científicos centrados en los subproductos del orujo dentro de la industria del vino. Dentro de estos documentos encontramos tanto revisiones como artículos referidos a este tema y relacionados. Para llevar a cabo la búsqueda de estos documentos se consultaron las siguientes bases de datos: Pubmed, ScienceDirect, Wiley Online Library, FAOSTAT, Dialnet, Scopus, Scielo. Incluyendo artículos de revistas, libros y obras de consulta. Se limitó por artículos recientes, según el tema, y de distintos idiomas utilizando para la traducción el diccionario Linguee (https://www.linguee.es/ingles-espanol). Se siguieron ciertos criterios de inclusión y exclusión. En primer lugar, se incluyeron todos aquellos documentos que hablaban de los subproductos del vino; de sus beneficios y aplicaciones en el tema de la alimentación, de los cosméticos y de la farmacología; documentos que investiga para su posterior uso contra enfermedades y técnicas para su extracción. Esta primera etapa de búsqueda permitió definir las palabras clave para una siguiente búsqueda más exhaustiva. Con la información analizada, se agrupó la información obtenida sobre los subproductos de la uva y sus prejuicios para el medio ambiente, por otro lado, la información sobre las técnicas para extraer los subproductos de la uva y, por último, la información sobre el aprovechamiento de dichos subproductos de uva en los distintos ámbitos. De estos documentos se extrajo información sobre años de publicación, editores y autores, el país donde se realizaron los distintos estudios, junto con las conclusiones. 15 Figura 5: Extracción asistida por ultrasonido (Petigny et al., 2013). 5. Extracción con disolvente eutéctico profundo (DES) Las mezclas eutécticas se obtienen a partir de dos o más materiales naturales sólidos inmiscibles que se calientan y sufren un cambio de fase de sólido a líquido a una temperatura determinada, llamada punto eutéctico, donde se comportan como un líquido puro (Alonso et al., 2018) (figura 6). Figura 6: Diagrama de fase para una mezcla eutéctica (Alonso et al., 2018). Las mezclas eutécticas de bajo punto de fusión (DES) se caracterizan por poseer 16 una toxicidad prácticamente nula, mientras que su biodegradabilidad es muy alta (Alonso et al., 2018). Su preparación es simple además de su bajo coste (Makris, 2018). Todo ello hace que se les considere como disolventes sostenibles (Alonso et al., 2018). Se ha comprobado que el resultado de combinar las técnicas DES y EAU mejora el rendimiento de la extracción de polifenoles más de un 40% (Makris, 2018) . También se ha demostrado que los extractos ricos en polifenoles generados a partir de la técnica DES mostraron una bioactividad superior (Makris, 2018). 4.4. Actividades biológicas de los compuestos procedentes de residuos de uva Investigaciones recientes han demostrado que el orujo de la uva tiene una amplia gama de actividades biológicas, que ofrecen diferentes alternativas (figura 7). Figura 7: Beneficios del orujo de vino Beneficios del orujo de vino Mejora la actividad gastrointenial Actividad antioxidante Actividad contra el cáncer Previene enfermedades cardiovasculares Actividad antibacteriana 17 1.1. Mejora la actividad gastrointestinal El orujo de uva contiene una mayor proporción de fibra dietética. La fibra dietética está formada principalmente por polisacáridos y lignina. Tras la ingestión del orujo de uva se observa que entra en contacto con el epitelio intestinal produciendo un efecto beneficioso en él. La dieta con orujo de vino parece inducir una pérdida de células epiteliales, lo que conlleva a una hipoplasia epitelial. Esta capacidad antiproliferativa ejerce un efecto protector sobre la mucosa intestinal, mejorando con ello la actividad gastrointestinal (López-Oliva et al., 2006). 1.2. Actividad antioxidante Para mitigar la oxidación de los alimentos, se utilizaban antioxidantes sintéticos como butilhidroxianisol (BHA) y butilhidroxitolueno (BHT), pero estos antioxidantes se relacionan con efectos tóxicos, ya que son promotores de tumores (Kahl y Kappus, 1993). Por este motivo y con el aumento de la preocupación por parte del consumidor en el aspecto de una nutrición más ecológica y sana, se buscan cada vez más el uso de aditivos naturales y así poder prescindir de los aditivos sintéticos (Carocho et al., 2015). Entre estos antioxidantes naturales podemos destacar el orujo de uva debido a su alto contenido en compuestos fenólicos. Los estudios in vitro e in vivo demostraron que los flavonoides presentes en el orujo de uva actúan como poderosos antioxidantes y quelantes de metales, inhibiendo la formación del ión superóxido, los factores de transcripción sensibles a redox y las enzimas prooxidantes (Puiggròs et al., 2005). 1.3. Actividad contra el cáncer El cáncer de colon es una de las causas más comunes de muertes en el mundo occidental (Holt et al., 2009). La dieta tiene un papel importante en la prevención 18 del cáncer de colon. Se ha estudiado como afecta el consumo de orujo de vino que contiene fibra dietética rica en proantocianidina en el perfil metabólico sérico o en la expresión génica de la mucosa del colon, mostrando en los resultados el efecto preventivo de éste contribuyendo a reducir el riesgo de cáncer de colon (Lizarraga et al., 2011). 1.4. Previene enfermedades cardiovasculares El orujo de vino tiene la capacidad de evitar la oxidación de lípidos. Se llevó a cabo un estudio de un suplemento de uva en pacientes tratados con estatinas, que concluyó en una reducción de los marcadores aterogénicos que podría ejercer una cardioprotección adicional más allá del medicamento de referencia (Tomé-Carneiro et al., 2012) 1.5. Actividad antibacteriana Los flavonoides y otros polifenoles presentes en el orujo de uva poseen actividad antibacteriana. (Poveda et al., 2018) Llevó a cabo un estudio del efecto del orujo de vino sobre el porcentaje de inhibir bacterias Gram + y Gram - que producen patologías alimentarias (figura 8). La tasa de crecimiento de las bacterias expuestas a los subproductos del vino se evaluó en concentraciones que oscilaron entre 22.50 y 0.05 mg/mL. 19 Figura 8: Actividad antimicrobiana de semillas de uva (Cobernet Sauvignon) (Poveda et al., 2018). Como se puede observar, los subproductos de la vinificación presentaron una acción antimicrobiana frente a todas las bacterias estudiadas (figura 8). En dicho estudio se emplearon dos técnicas de extracción: − La extracción acelerada con disolventes (ASE), también conocida como extracción con líquidos presurizados (PLE), consiste en una técnica que aísla compuestos bioactivos a partir de matrices de planta (Mustafa y Turner, 2011). − La extracción asistida por ultrasonidos (EAU), los extractos obtenidos por esta técnica resultaron ser los más efectivos para frenar el crecimiento microbiano. El disolvente empleado en esta técnica tiene naturaleza etanólica y esto parece ayudar en el aislamiento de compuestos con propiedades antimicrobianas (Poveda et al., 2018). 20 Los datos del estudio mostraron un mayor porcentaje de inhibición para bacterias con cepas Gram negativa, como es en el caso de E. coli. Mientras tanto, en el caso de S. aureus, que es una bacteria Gram positiva, se observa que presenta un menor porcentaje de inhibición (figura 2). 4.5. Aplicaciones de compuestos procedentes de residuos de la uva en las industrias alimentaria, farmacéutica y/o cosmética A lo largo de estos últimos años, se han observado en distintos estudios los beneficios que aportan los subproductos del vino en ingredientes funcionales en la industria alimentaria, farmacéutica y cosmética. 1.6. Alimentos Los subproductos que se generan en la industria del vino se pueden utilizar en diversos alimentos funcionales, como panadería, bebidas y productos cárnicos, aunque la investigación en este ámbito está aún en proceso. En un estudio se utilizó el orujo de vino para la elaboración de harinas para reposterías, como fuente de fibra dietética y fenoles. Se aplicó en harinas para galletas y el resultado fue muy aceptable dado que mejoró las propiedades sensoriales. Un ensayo de la actividad de eliminación de radicales demostró que los subproductos del vino mejoraron propiedades antioxidantes del bizcocho (Mildner-Szkudlarz et al., 2013). 1.7. Productos cárnicos El almacenamiento y procesamiento de los productos cárnicos industriales presenta serios inconvenientes, ya que la oxidación de lípidos producido por la molienda fina, la incorporación de aire, el contacto con metales y las altas temperaturas, conducen a una pérdida de la calidad en la carne (Gray et al., 1996). La oxidación de lípidos determina dos fases, la oxidación primaria que induce la 21 formación de hidroperóxidos de lípidos, conjugados de dieno y trieno; y la oxidación secundaria que conduce a la formación de compuestos volátiles (Frankel, 1983). Los subproductos del vino presentan una mayor eficacia como antioxidante en concreto en la fase secundaria de oxidación de lípidos (Sánchez-Alonso et al., 2007). Dichos subproductos son efectivos desde niveles muy bajos de concentración, como 10 ppm hasta niveles tan altos como 10% (Rojas y Brewer, 2007). Por lo que son los antioxidantes más idóneos para su uso en carnes. 1.8. Productos lácteos Se ha observado que el orujo de uva en los productos lácteos produce una mejora en la calidad de los quesos procesados y en la extensibilidad de los productos para untar (Zhu et al., 2015). Además demostró que actúa como antioxidante, retrasando la oxidación lipídica y con ello alargando la vida útil de los productos lácteos durante su almacenamiento en refrigerador (Tseng y Zhao, 2013). 1.9. Aditivos alimentarios La porción de fibra insoluble tiene la capacidad de absorber los taninos del vino tinto. Al añadir fibra insoluble derivada de los subproductos de la uva en el vino tinto se observaron una reducción en los taninos del vino, eliminándose el 38%. Por lo tanto, pueden emplearse como agentes clarificantes alternativos para los vinos tintos (Guerrero et al., 2013). 1.10. Aplicación cosmética La colagenasa y la elastasa son enzimas proteolíticas relacionadas con el envejecimiento de la piel, se utilizó orujo de uva como inhibidor de la actividad de dichas enzimas. Obteniéndose los mejores resultados con polifenoles hidrófilos de bajo peso molecular que contiene los ácidos fenólicos libres 22 (Wittenauer et al., 2015). En la actualidad, existen productos cosméticos comercializados que utilizan los polifenoles de uva en cremas de día y de noche, cremas matificantes y cremas antiarrugas (Beres et al., 2017). 23 CONCLUSIONES En esta revisión se ha estudiado las funciones biológicas de los compuestos de los subproductos del vino. Los datos obtenidos han permitido identificarlos como agentes responsables de múltiples beneficios tanto a nivel farmacéutico, como cosmético, como en alimentos. Esta línea de investigación queda abierta a la búsqueda de nuevos beneficios. Respecto a las actividades biológicas más relevantes de los subproductos son su capacidad como antioxidantes, como anticancerígenos, como antibacterianos y previenen enfermedades cardiovasculares. A partir de los resultados obtenidos de las diferentes técnicas de extracción que se emplean para la purificación de los residuos de la vinificación, podemos concluir que la extracción de fluidos supercríticos como la mejor alternativa ecológica ya que evita el uso de disolventes tóxicos y la extracción asistida por ultrasonido como el método más rápido porque aumenta la superficie de contacto entre ambas fases Líquida-sólida al reducir el tamaño de las partículas además de mejorar la transferencia de masa. La extracción asistida por microondas es una técnica que minimiza el tiempo y el consumo de solventes, pero se debe realizar a unas temperaturas muy altas, lo cual supone un problema en relación con las condiciones degenerativas. La técnica de extracción que emplea los disolventes obtenidos a partir de materia natural y por lo tanto más económicos es la técnica de extracción con disolventes eutéctico profundo. 24 BIBLIOGRAFÍA - Alonso DA, Baeza A, Chinchilla R, Gómez Lucas C, Guillena G, Marset X, et al. Mezclas eutécticas como alternativa sostenible a los disolventes convencionales en Química Orgánica. Real Sociedad Española de Química; 2018 [cited 2018 Nov 24]; Available from: http://rua.ua.es/dspace/handle/10045/76541 - Arvanitoyannis IS, Ladas D, Mavromatis A. Potential uses and applications of treated wine waste: a review. Int. J. Food Sci. Technol. [Internet]. Wiley/Blackwell (10.1111); 2006 May 1 [cited 2018 Sep 7];41(5):475–87. Available from: http://doi.wiley.com/10.1111/j.1365-2621.2005.01111.x - Azuola R, Vargas Aguilar P. Extracción de sustancias asistida por ultrasonido (EUA). Tecnol. en Marcha, ISSN 0379-3962, ISSN-e 2215-3241, Vol. 20, No. 4, 2007 [Internet]. Editorial Tecnológica de Costa Rica; 2007 [cited 2018 Nov 24];20(4):1. Available from: https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=4835781 - Beres C, Costa GNS, Cabezudo I, da Silva-James NK, Teles ASC, Cruz APG, et al. Towards integral utilization of grape pomace from winemaking process: A review. Waste Manag. [Internet]. 2017 Oct [cited 2018 Sep 4];68:581–94. Available from: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0956053X17305093 - de Campos LMAS, Leimann F V., Pedrosa RC, Ferreira SRS. Free radical scavenging of grape pomace extracts from Cabernet sauvingnon (Vitis vinifera). Bioresour. Technol. [Internet]. Elsevier; 2008 Nov 1 [cited 2018 Nov 23];99(17):8413–20. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852408002502 - Carocho M, Morales P, Ferreira ICFR. Natural food additives: Quo vadis? Trends Food Sci. Technol. [Internet]. 2015 Oct [cited 2018 Sep 7];45(2):284–95. Available from: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0924224415001508 - Frankel EN. Volatile lipid oxidation products. Prog. Lipid Res. [Internet]. Pergamon; 1983 Jan 1 [cited 2018 Sep 7];22(1):1–33. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0163782783900024?via%3