Estudio de los procesos enzimáticos y fermentativos para la reintroducción de pan desechado en la cadena alimentaria

Abstract

According to the FAO, one-third of food produced for human consumption is lost or wasted annually, leading to significant economic, social, and environmental consequences. Institutions and governments are implementing strategies to reduce food waste to address this issue, aligning with Sustainable Development Goal 12.3 of the United Nations’ 2030 Agenda. The European Commission promotes reducing food waste by reintegrating food by-products into the human food chain, transforming them into valuable compounds. Since bread and bakery products are among the most discarded foods, after fruits and vegetables, this doctoral thesis explores enzymatic and fermentative processes to reintroduce discarded bread into the food supply chain. The research focuses on developing high-value products such as glucose-rich bread hydrolysate and a non-alcoholic, functional fermented beverage. The first phase of the study investigated the enzymatic hydrolysis of bread using α-amylase and glucoamylase, as bread starch, once gelatinized, is an ideal substrate for enzymatic breakdown. The process was optimized by analyzing the effects of pH and temperature to maximize sugar production. A response surface methodology was used to improve liquefaction and saccharification separately, and then both were studied simultaneously. The most efficient approach was simultaneous hydrolysis, achieving higher glucose concentration in less time. The optimal conditions were a pH of 4.51 and a temperature of 64.7°C. These conditions reduced costs, energy consumption, and processing time while increasing the efficiency of food waste utilization. The resulting glucose hydrolysate can serve as a sugar substitute in various food applications. The second phase examined the potential of bread hydrolysate as a substrate for lactic acid bacteria (LAB) and Bifidobacterium fermentation. Three experimental variables were studied: the commercial lactic cultures used, including the LGG starter (Lacticaseibacillus rhamnosus GG) and the mixed BY starter (Bifidobacterium animalis subsp. lactis, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, and Streptococcus thermophilus), the enzymatic hydrolysis (E or NE), and the desalting (DS or S) of the bread flour and water mixture at 20% (w/v). Several parameters were evaluated, including microbial growth, pH, acidity, carbohydrate concentration, organic acids, volatile compounds, water-holding capacity (WHC), and acidification kinetics. Sensory analysis and shelf-life assessment were also conducted. The combination of enzymatic hydrolysis, salt, and LGG resulted in the most effective fermentation process, ensuring better acidification and product stability. Although LGG performed better in terms of fermentation efficiency, the BY starter produced beverages with higher consumer acceptance, particularly regarding texture and flavor. Desalting had a negative impact on microbial metabolism, resulting in higher pH levels and lower acidification rates, likely due to the reduced availability of essential minerals. Conversely, enzymatic hydrolysis improved fermentation by lowering pH, increasing acidity, and enhancing carbohydrate availability, thereby supporting greater microbial growth. During storage, enzyme-treated samples maintained lower pH and higher acidity levels, whereas untreated samples exhibited slight pH increases. The final fermented beverage contained organic acids, particularly lactic and acetic acids, at levels sufficient to ensure microbiological safety. Volatile compounds such as ethanol, acetic acid, acetoin, and diacetyl were also detected. Acetoin and diacetyl, responsible for yogurt and butter-like aromas, were more prominent in enzyme-treated samples. Additionally, the fermentation process facilitated the production of γ-aminobutyric acid (GABA), a bioactive compound with potential health benefits. The results demonstrate that enzymatic and fermentative processes effectively valorize bread waste, producing a microbiologically safe, nutritionally rich, and sensory-appealing beverage. This research contributes to the fight against food waste while offering an innovative alternative in the food and beverage industry.

Según la FAO, un tercio de los alimentos destinados al consumo humano se pierden o desperdician anualmente, lo que genera graves consecuencias económicas, sociales y ambientales. Para mitigar estos efectos, la Comisión Europea ha promovido estrategias para reducir el desperdicio alimentario, priorizando la reintroducción de estos residuos en la cadena alimentaria. En este contexto, el pan es uno de los productos más desperdiciados, después de frutas y verduras. Esta tesis doctoral se centra en la valorización del pan desechado mediante procesos enzimáticos y fermentativos para desarrollar productos de mayor valor añadido, como un hidrolizado de pan rico en glucosa y una bebida fermentada no alcohólica con potencial funcional. En la primera fase del estudio, se evaluó la hidrólisis enzimática del pan mediante α-amilasa y glucoamilasa, ya que su almidón gelatinizado lo convierte en un sustrato óptimo para este proceso. Se optimizaron las condiciones de pH y temperatura para maximizar la producción de azúcares reductores y glucosa. Se analizó la hidrólisis en dos etapas (licuefacción y sacarificación) y de forma simultánea, concluyendo que la hidrólisis simultánea era la más eficiente, permitiendo obtener una mayor concentración de glucosa en menos tiempo. Se determinaron como condiciones óptimas un pH de 4,51 y una temperatura de 64,7 °C. Esto permitió reducir costos, energía y tiempo, además de aprovechar el pan desechado como una fuente viable de edulcorante alternativo en la industria alimentaria. En la segunda fase, se estudió la fermentación del hidrolizado de pan como sustrato para el crecimiento de bacterias ácido-lácticas (BAL) y Bifidobacterium, con el objetivo de desarrollar una bebida fermentada. Se evaluaron tres factores: los cultivos lácticos comerciales empleados, incluyendo el estárter LGG (Lacticaseibacillus rhamnosus GG) y el estárter mixto BY (Bifidobacterium animalis subsp lactis, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus y Streptococcus thermophilus), la realización o no de la hidrólisis enzimática (E o NE), y el desalado o no (DS o S) de la mezcla de harina de pan y agua al 20% (p/v). Se analizaron parámetros como crecimiento microbiano, pH, acidez, carbohidratos, ácidos orgánicos, compuestos volátiles, capacidad de retención de agua y cinética de acidificación. Además, se realizaron análisis sensoriales y de vida útil. La combinación de hidrólisis enzimática y el cultivo LGG resultó ser la más eficiente en términos de acidificación y estabilidad durante el almacenamiento. Sin embargo, las muestras fermentadas con BY fueron mejor valoradas sensorialmente por los consumidores. El desalado afectó negativamente el metabolismo bacteriano y la producción de ácido láctico, mientras que el tratamiento enzimático mejoró la fermentación, redujo el pH y aumentó la acidez total y el crecimiento microbiano. Durante el almacenamiento, las bebidas con tratamiento enzimático mantuvieron niveles de pH más bajos y una mayor acidez a los 15 y 21 días. Las concentraciones de ácido láctico y acético en la bebida fueron suficientes para garantizar su seguridad microbiológica. Además, se generaron compuestos volátiles como etanol, acetoína y diacetilo, responsables de aromas característicos de yogur y mantequilla, especialmente en las muestras tratadas enzimáticamente. El proceso también facilitó la producción de ácido γ-aminobutírico (GABA), conocido por sus beneficios para la salud. Los resultados demuestran que la hidrólisis enzimática y la fermentación son estrategias efectivas para revalorizar el pan desechado, obteniendo una bebida segura, con buen perfil nutricional y sensorial. Esta propuesta no solo contribuye a la reducción del desperdicio alimentario, sino que también ofrece una alternativa innovadora en la industria de bebidas funcionales.