Utilización del cultivo plurianual de pataca (Helianthus tuberosus L.) para la producción de hidratos de carbono fermentables a partir de los tallos

La pataca (Helianthus tuberosus L.) es una especie de cultivo con un alto potencial en la producción de hidratos de carbono de reserva en forma de polifructanos, especialmente inulina, que se acumulan temporalmente en los tallos en forma de polisacáridos para translocarse posteriormente a los tubérculos, donde son almacenados. Aunque tradicionalmente el producto de interés del cultivo son los tubérculos, que acumulan gran cantidad de hidratos de carbono fermentables (HCF) cuando se recogen al final del ciclo de desarrollo, en este trabajo se pretende evaluar el potencial de la pataca como productor de HCF a partir de los tallos cosechados en el momento de máximo contenido en HCF, mediante un sistema de cultivo plurianual. Se han realizado los siguientes estudios: i) Determinación del momento óptimo de cosecha en ensayos con 12 clones ii) Potencial del cultivo plurianual de la pataca en términos de producción anual de biomasa aérea y de HCF en cosechas sucesivas, iii) Ensayos de conservación de la biomasa aérea, iv) Estimación de los costes de las dos modalidades de cultivo de pataca para producción de HCF y v) Estimación de la sostenibilidad energética de la producción de bioetanol mediante la utilización de los subproductos. Para la determinación del momento óptimo de la cosecha de la biomasa aérea se ensayaron 12 clones de diferente precocidad en Madrid; 4 tempranos (Huertos de Moya, C-17, Columbia y D-19) y 8 tardíos (Boniches, China, K-8, Salmantina, Nahodka, C-13, INIA y Violeta de Rennes). El máximo contenido en HCF tuvo lugar en el estado fenológico de botón floral-flor que además coincidió con la máxima producción de biomasa aérea. De acuerdo con los resultados obtenidos, la cosecha de los clones tempranos se debería realizar en el mes de julio y en los clones tardíos en septiembre, siendo éstos últimos más productivos. La producción media más representativa entre los 12 clones, obtenida en el estado fenológico de botón floral fue de 23,40 t ms/ha (clon INIA), con un contenido medio en HCF de 30,30 % lo que supondría una producción potencial media de 7,06 t HCF/ha. La producción máxima en HCF se obtuvo en el clon Boniches con 7,61 t/ha y 22,81 t ms/ha de biomasa aérea. En el sistema de cultivo plurianual la cantidad de tallos por unidad de superficie aumenta cada año debido a la cantidad de tubérculos que van quedando en el terreno, sobre todo a partir del 3er año, lo que produce la disminución del peso unitario de los tallos, con el consiguiente riesgo de encamado. El aclareo de los tallos nacidos a principios de primavera mediante herbicidas tipo Glifosato o mediante una labor de rotocultor rebaja la densidad final de tallos y mejora los rendimientos del cultivo. En las experiencias de conservación de la biomasa aérea se obtuvo una buena conservación por un período de 6 meses de los HCF contenidos en los tallos secos empacados y almacenados bajo cubierta. Considerando que el rendimiento práctico de la fermentación alcohólica es de 0,5 l de etanol por cada kg de azúcar, la producción potencial de etanol para una cosecha de tallos de 7,06 t de HCF/ha sería de 3.530 l/ha. El bagazo producido en la extracción de los HCF de la biomasa aérea supondría 11,91 t/ha lo que utilizado para fines térmicos supone más de 3 veces la energía primaria requerida en el proceso de producción de etanol, considerando un poder calorífico inferior de 3.832,6 kcal/kg. Para una producción de HCF a partir de la biomasa aérea de 7,06 t/ha y en tubérculos al final del ciclo de 12,11 t/ha, los costes de producción estimados para cada uno de ellos fueron de 184,69 €/t para los HCF procedentes de la biomasa aérea y 311,30 €/t para los de tubérculos. Como resultado de este trabajo se puede concluir que la producción de HCF a partir de la biomasa aérea de pataca en cultivo plurianual, es viable desde un punto de vista técnico, con reducción de los costes de producción respecto al sistema tradicional de cosecha de tubérculos. Entre las ventajas técnicas de esta modalidad de cultivo, cabe destacar: la reducción de operaciones de cultivo, la facilidad y menor coste de la cosecha, y la posibilidad de conservación de los HCF en la biomasa cosechada sin mermas durante varios meses. Estas ventajas, compensan con creces el menor rendimiento por unidad de superficie que se obtiene con este sistema de cultivo frente al de cosecha de los tubérculos. Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) (JA) is a crop with a high potential for the production of carbohydrates in the form of polyfructans, especially inulin, which are temporarily accumulated in the stems in the form of polysaccharides. Subsequently they are translocated to the tubers, where they are finally accumulated. In this work the potential of Jerusalem artichoke for fermentable carbohydrates from stems that are harvested at their peak of carbohydrates accumulation is assessed as compared to the traditional cultivation system that aims at the production of tubers harvested at the end of the growth cycle. Tubers are storage organs of polyfructans, namely fermentable carbohydrates. Studies addressed in this work were: i) Determination of the optimum period of time for stem harvesting as a function of clone precocity in a 12-clone field experiment; ii) Study of the potential of JA poly-annual crop regarding the annual yield of aerial biomass and fermentable carbohydrates (HCF) over the years; iii) Tests of storage of the aerial biomass, iv) Comparative analysis of the two JA cultivation systems for HCF production: the poly-annual system for aerial biomass harvesting versus the annual cultivation system for tubers and v) Estimation of the energy sustainability of the bioethanol production by using by-products of the production chain. In order to determine the best period of time for aerial biomass harvesting twelve JA clones of different precocity were tested in Madrid: four early clones (Huertos de Moya, C-17, Columbia and D-19) and eight late clones (Boniches, China, K-8 , Salmantina, Nahodka, C-13, INIA and Violeta de Rennes). Best time was between the phenological stages of floral buds (closed capitula) and blossom (opened capitula), period in which the peak of biomass production coincides with the peak of HCF accumulation in the stems. According to the results, the early clones should be harvested in July and the late ones in September, being the late clones more productive. The clone named INIA was the one that exhibited more steady yields in biomass over the 12 clones experimented. The average potential biomass production of this clone was 23.40 t dm/ha when harvested at the floral buds phenological stage; mean HCF content is 30.30%, representing 7.06 t HCF/ha yield. However, the highest HCF production was obtained for the clone Boniches, 7.61 t HCF/ha from a production of 22.81 t aerial biomass/ha. In the poly-annual cultivation system the number of stems per unit area increases over the years due to the increase in the number of tubers that are left under ground; this effect is particularly important after the 3rd year of the poly-annual crop and results in a decrease of the stems unit weight and a risk of lodging. Thinning of JA shoots in early spring, by means of an herbicide treatment based on glyphosate or by means of one pass with a rotary tiller, results in a decrease of the crop stem density and in higher crop yields. Tests of biomass storing showed that the method of keeping dried stems packed and stored under cover results in a good preservation of HCF for a period of six months at least. Assuming that the fermentation yield is 0.5 L ethanol per kg sugars and a HCF stem production of 7.06 t HCF/ha, the potential for bioethanol is estimated at 3530 L/ha. The use of bagasse -by-product of the process of HCF extraction from the JA stems- for thermal purposes would represent over 3 times the primary energy required for the industrial ethanol production process, assuming 11.91 t/ha bagasse and 3832.6 kcal/kg heating value. HCF production costs of 7.06 t HCF/ha yield from aerial biomass and HCF production costs of 12.11 t HCF/ha from tubers were estimated at 184.69 €/t HCF and 311.30 €/t HCF, respectively. It can be concluded that the production of HCF from JA stems, following a poly-annual cultivation system, can be feasible from a technical standpoint and lead to lower production costs as compared to the traditional annual cultivation system for the production of HCF from tubers. Among the technical advantages of the poly-annual cultivation system it is worth mentioning the reduction in crop operations, the ease and efficiency of harvesting operations and the possibility of HCF preservation without incurring in HCF losses during the storage period, which can last several months. These advantages might compensate the lower yield of HCF per unit area that is obtained in the poly-annual crop system, which aims at stems harvesting, versus the annual one, which involves tubers harvesting.

Efecto de la adición de ingredientes funcionales en el comportamiento reológico y la textura de puré de patata (Cv. Kennebec) fresco y congelado

El interés creciente en encontrar alimentos precocinados congelados que se asemejen a productos naturales, capaces de superar un procesado con el menor daño, ha generado un aumento en el estudio de nuevos productos en este campo de la investigación. Las características de cada matriz alimentaria, la composición y estructura de los ingredientes, así como el efecto de las interacciones entre ellos, modifica la textura, estructura y las propiedades físicas y sensoriales del alimento, así como su aceptación por el consumidor. En este contexto, la investigación realizada en esta tesis doctoral se ha llevado a cabo en puré de patata considerado como una matriz alimentaria semisólida y se ha centrado en analizar los efectos de la concentración y modificación de la composición en las propiedades reológicas y de textura, en las propiedades físico-químicas y estructurales, así como en los atributos sensoriales de los purés de patata cuando a estos se le añaden diferentes ingredientes funcionales como fibra de guisante, inulina, aceite de oliva, aislado de proteína de soja, ácidos grasos omega 3 y/o sus mezclas. Para ello, se han realizado cuatro estudios donde se determinan las propiedades reológicas mediante ensayos dinámicos oscilatorios y en estado estacionario, los parámetros instrumentales de textura mediante ensayos de extrusión inversa y de penetración cónica, además de los cambios estructurales a través de cromatografía iónica con detector de pulsos amperométrico, cromatografía de gases con detector de ionización de llama y microscopía electrónica de barrido. Conjuntamente, se han evaluado los atributos sensoriales de los diferentes purés generando los descriptores que mejor definen la calidad sensorial del producto, utilizando un panel de jueces entrenados y valorándose la aceptación global de los nuevos productos mediante un panel de consumidores. En un primer estudio, el puré de patata natural congelado elaborado con crioprotectores se enriqueció con fibra dietética insoluble (fibra de guisante), fibra dietética soluble (inulina) y sus mezclas. La fibra de guisante influyó significativa y negativamente en la textura del puré de patata, percibiéndose en el producto un incremento de la dureza y de la arenosidad, mientras que la inulina produjo un ablandamiento del sistema. En un segundo estudio, el puré de patata natural fresco y congelado/descongelado elaborado con y sin crioprotectores, se enriqueció con fibra dietética soluble (inulina), aceite de oliva virgen extra y sus mezclas. La adición de estos dos ingredientes generó un ablandamiento de la matriz del sistema, produciéndose, sin embargo, un efecto sinérgico entre ambos ingredientes funcionales. La inulina tuvo un efecto más significativo en la viscosidad aparente del producto, mientras que el aceite de oliva virgen extra afectó más significativamente a la pseudoplasticidad, al índice de consistencia y a la viscosidad plástica del mismo. El proceso de congelación y descongelación utilizado favoreció la reducción del tamaño de las partículas de inulina haciéndolas imperceptibles al paladar, obteniéndose productos más cremosos y con mayor aceptabilidad global que sus homólogos frescos. En un tercer estudio, el puré de patata natural fresco y congelado/descongelado elaborado con crioprotectores se enriqueció con mezclas de fibra dietética soluble (inulina) y aislado de proteína de soja. Los resultados demostraron que el ciclo de congelación y descongelación realizado no afecta el grado de polimerización de la inulina. La estructura química de la inulina tampoco se vio afectada por la incorporación de la soja. El proceso de congelación/descongelación, así como la adición de concentraciones altas de inulina y bajas de aislado de proteína de soja, favorecen la disminución de la contribución de la componente viscosa en las propiedades viscoelásticas del puré de patata. La cremosidad fue el único atributo sensorial que presentó una correlación lineal significativa entre las puntuaciones otorgadas por panelistas entrenados y no entrenados. Por último, se elaboró un puré de patata natural fresco y congelado/descongelado optimizado con crioprotectores y enriquecido con la suma de ácido docosahexaenoico (DHA, C22:6 n-3) y ácido eicosapentaenoico (EPA, C20:5 n-3) y con ácido α-linolénico (ALA, C18:3 n-3) microencapsulados. El ciclo de congelación y descongelación no afectó al perfil de ácidos grasos del puré de patata. La adición de omega 3 procedente de aceites de lino y pescado microencapsulados mejora los indicadores nutricionales que definen la calidad de la grasa, obteniéndose un producto más saludable. ABSTRACT The growing interest in finding frozen precooked products that are like a natural product and capable of withstanding initial processing with minimum damage and remaining stable during preservation and reheating prior to consumption has generated an increase in studies of new products in this field of research. The characteristics of each food matrix, the composition and structure of the ingredients and the effect of interactions between them alter the texture, structure and physical and sensory properties of the food product and its acceptance by the consumer. In this context, the research conducted in this doctoral thesis was carried out on mashed potato, considered as a semi-solid food matrix, and focused on analysing the effects of concentration and modification of the composition of the mashed potato matrix on the rheological and textural properties, physicochemical and structural properties and sensory attributes of mashed potato when various functional ingredients are added to it, such as pea fibre, inulin, olive oil, soy protein isolate, omega 3 fatty acids and/or mixtures of these ingredients. Four studies were conducted for this purpose. Rheological properties were determined by oscillatory dynamic tests and stationary state tests, and instrumental texture parameters by backward extrusion and cone penetration tests. Structural changes were studied by ion chromatography with pulsed amperometric detector, gas chromatography with flame ionisation detector and scanning electron microscopy. The sensory attributes of the various mashed potato mixtures were evaluated by generating the descriptors that best defined the sensory quality of the products and using a panel of trained judges, and overall acceptance of the new products was evaluated by a panel of consumers. In the first study, frozen natural mashed potato incorporating cryoprotectants was enriched with insoluble dietary fibre (pea fibre), soluble dietary fibre (inulin) and mixtures of the two. Pea fibre had a significant negative influence on the texture of the mashed potato, producing an increase in hardness and granularity, whereas inulin produced a softening of the system. In the second study, fresh and frozen/thawed natural mashed potato prepared with and without cryoprotectants was enriched with soluble dietary fibre (inulin), extra virgin olive oil and mixtures of the two. The addition of these two ingredients generated softening of the matrix of the system, but a synergic effect between the two functional ingredients was produced. Inulin had a more significant effect on the apparent viscosity of the product, whereas extra virgin olive oil had a more significant effect on its pseudoplasticity, consistency index and plastic viscosity. The freezing and thawing process that was used contributed to a reduction in the size of the inulin particles, making them imperceptible to the palate and producing creamier products with greater overall acceptability than their fresh equivalents. In the third study, the fresh and frozen/thawed natural mashed potato incorporating cryoprotectants was enriched with mixtures of soluble dietary fibre (inulin) and soy protein isolate. The results showed that the freezing and thawing process that was performed did not affect the degree of polymerisation of the inulin. The chemical structure of the inulin was also not affected by the incorporation of soy. The freezing and thawing process and the addition of high concentrations of inulin and low concentrations of soy protein isolate favoured a decrease in the contribution of the viscous component to the viscoelastic properties of the mashed potato. Creaminess was the only sensory attribute that presented a significant linear correlation between the scores given by trained and untrained panellists. Lastly, fresh and frozen/thawed natural mashed potato optimised with cryoprotectants was prepared and enriched with the sum of docosahexaenoic acid (DHA, C22:6 n-3) and eicosapentaenoic acid (EPA, C20:5 n-3) and with α-linolenic acid (ALA, C18:3 n-3), microencapsulated. The freezing and thawing process did not affect the fatty acid profile of the mashed potato. The addition of omega 3 obtained from microencapsulated linseed and fish oils improved the nutritional indicators that define the quality of the fat, producing a healthier product.