Valorización de ingredientes bioactivos del azafrán y sus subproductos florales para aplicarlos en la elaboración de alimentos funcionales

Abstract

El azafrán (Crocus sativus L.) se utiliza principalmente como condimento alimentario por sus características organolépticas relacionadas con sus propiedades colorantes, saborizantes y aromatizantes. Tradicionalmente, el azafrán también se ha utilizado en medicina para tratar diversas enfermedades por sus efectos beneficiosos sobre la salud. La crocetina, la picrocrocina y el safranal, son los principales componentes químicos responsables de estos efectos por sus propiedades antioxidantes, anticancerígenas, antiinflamatorias y antidegenerativas entre otras. Para la producción del azafrán, sólo se utilizan los estigmas florales que, tras un proceso de secado, dan lugar a la especia. El resto de las partes florales no se utilizan y se desechan como residuos. Así, el sistema actual está generando varios cientos de toneladas de residuos florales, ya que para obtener 1 Kg de especia de azafrán se necesitan alrededor de 230.000 flores (≈350 Kg de tépalos), representando una enorme falta de rentabilidad y sostenibilidad. Sin embargo, estudios recientes han demostrado que los subproductos florales del azafrán, como los tépalos, son ricos en compuestos bioactivos. Por tanto, el objetivo principal de la Tesis Doctoral es valorizar tanto el azafrán como sus subproductos florales mediante su uso como fuente de extractos ricos en compuestos bioactivos, además de su aplicación como ingredientes de alto valor añadido en el desarrollo de nuevos alimentos funcionales, convirtiéndose en un recurso agronómico más rentable y sostenible. Para ello, se han caracterizado a nivel físico-químico y funcional, presentando tanto los estigmas como los subproductos florales elevados contenidos en fibra, glucosa, fructosa, ácidos láctico y málico, minerales, principalmente K, Ca y Mg, y ácidos grasos poliinsaturados, siendo el ácido linoleico el más abundante. También mostraron un alto contenido en polifenoles y propiedades antioxidantes. En los estigmas de azafrán se encontraron 25 compuestos volátiles, siendo el safranal el más relevante y en los subproductos florales 55 compuestos volátiles, destacando el ácido acético y la 2(5H)-furanona. Para minimizar el impacto medioambiental de los disolventes orgánicos comúnmente utilizados y mejorar la eficiencia de la extracción, se aplicaron tecnologías respetuosas con el medio ambiente para la extracción de compuestos bioactivos, como son la extracción asistida por microondas, y la extracción asistida por ultrasonidos combinada con disolventes eutécticos profundos naturales (NaDES). Los extractos se caracterizaron, mostrando un elevado contenido en polifenoles y flavonoides totales y una alta actividad antioxidante tanto en los estigmas como en los subproductos florales de azafrán. Los extractos con NaDES se estabilizaron mediante su incorporación en hidrogeles de quitosano/alginato, permaneciendo estable el contenido en polifenoles totales tras la digestión oral y gastrointestinal in vitro. Para su aplicación en alimentación, tanto la harina deshidratada de subproductos florales de azafrán como los extractos acuosos de los estigmas y subproductos florales de azafrán encapsulados con alginato de sodio, se utilizaron para enriquecer diferentes matrices alimentarias (yogures, pan, bebidas). Los resultados mostraron que las formulaciones de yogur enriquecidas con extractos de azafrán encapsulados permitieron una fermentación adecuada, mejorando las propiedades funcionales y antioxidantes que se mantuvieron estables durante 21 días de almacenamiento en refrigeración. Los resultados de la adición de subproductos florales de azafrán deshidratados al 10% en la formulación de panes tradicionales de trigo y espelta aumentó el contenido de fibra dietética, su contenido en minerales y mejoró significativamente el contenido fenólico y la capacidad antioxidante, que se mantuvo estable durante los procesos de digestión oral y gastrointestinal in vitro. Desde el punto de vista sensorial, la adición de los subproductos florales modificó las propiedades organolépticas de los panes, afectando a su cohesión al interrumpir la red del gluten. En cuanto a las bebidas modelo a base de subproductos florales deshidratados, presentaron un alto contenido en compuestos fenólicos, principalmente flavonoles derivados de kaempferol, quercetina e isorhamnetina. En conclusión, esta Tesis Doctoral supone un avance importante aportando información novedosa para el aprovechamiento del azafrán y sus subproductos florales como fuentes naturales prometedoras para el desarrollo de ingredientes funcionales, con nuevas aplicaciones en la industria alimentaria. Tanto su valorización mediante el desarrollo de ingredientes sostenibles para ser utilizados en el desarrollo de nuevos alimentos, como la aplicación de tecnologías de extracción verdes en su producción, generarán impactos económicos positivos para la industria del azafrán y contribuirán a la minimización del impacto medioambiental, haciendo que la producción de azafrán sea más rentable y sostenible

Saffron (Crocus sativus L.) is used as a spice for its organoleptic characteristics related to its coloring and flavoring properties. Traditionally, saffron has also been used in medicine to treat several diseases for its beneficial effects on health. Crocetin, picrocrocin and safranal are the main chemical components responsible for these effects due to their antioxidant, anticarcinogenic, anti-inflammatory and antidegenerative properties, among others. For the saffron production, only the floral stigmas are used which, after a drying process, give rise to the spice. The rest of the flower is discarded as waste. Thus, the current system is generating several hundred tons of floral waste, since to obtain 1 Kg of saffron spice there are needed about 230,000 flowers (≈350 Kg of tepals), representing a huge lack of profitability and sustainability. However, recent studies have shown that saffron floral by-products, such as tepals, are rich in bioactive compounds. Therefore, the main objective of this Doctoral Thesis is to value both saffron and its floral by-products through their use as a source of bioactive extracts, in addition to their application as high-added value ingredients to develop new functional food products, so that they become a more profitable and sustainable agronomic resource. In order to achieve this aim, saffron and its floral by-products have been characterized at the physical-chemical and functional level, presenting a high content in fiber, glucose, fructose, lactic and malic acids, minerals, mainly K, Ca and Mg, and polyunsaturated fatty acids, being the linoleic acid the major one. They also showed a high concentration in polyphenols and high antioxidant properties. In saffron stigmas, 25 volatile compounds were found, being safranal the most relevant and 55 volatile compounds in saffron floral by-products, highlighting the content of acetic acid and 2(5H)-furanone. To minimize the environmental impact of commonly used organic solvents and to improve extraction efficiency, environmentally friendly technologies were applied for the extraction of bioactive compounds, such as microwave-assisted extraction, and ultrasound-assisted extraction combined with natural deep eutectic solvents (NaDES). The extracts were characterized, showing saffron and its floral by-products a high concentration of total phenolic and flavonoids compounds and a high antioxidant activity. The NaDES-extracts were stabilized by their incorporation into chitosan/alginate hydrogels, remaining stable the total phenolic content after the oral and gastrointestinal in vitro digestion. For their application in food, both dried saffron floral by-products and the encapsulated aqueous extracts of saffron and its floral by-products with sodium alginate, were used to enrich different food matrices (yogurts, bread, beverages). The results showed that yogurt formulations enriched with encapsulated saffron extracts allowed the proper fermentation, improving their antioxidant and functional properties that remained stable during 21 days of refrigerated storage. The results of the addition of dried saffron floral by-products at 10% on the formulation of traditional wheat and spelt breads increased their dietary fiber and mineral composition, and significantly improved their phenolic content and antioxidant capacity, that remained stable during the oral and gastrointestinal in vitro digestion process. From the sensory point of view, the incorporation of saffron floral by-products modified the organoleptic properties of breads, affecting their cohesiveness, interrupting the gluten network. As for the model beverages based on dried saffron floral by-products, they presented a rich content in phenolic compounds, mainly flavonols such as kaempferol, quercetin and isorhamnetin derivatives. In conclusion, this Doctoral Thesis represents an important advance providing novel information for the use of saffron and its floral by-products as promising natural sources for the development of functional ingredients with new applications in the food industry. Both their valorization through the development of sustainable ingredients to be used in the development of new foods, and the application of green extraction technologies in their production, will generate positive economic impacts for the saffron industry and will contribute to the minimization of the environmental impact, making saffron production more profitable and sustainable