Local plant-based and hybrid protein foods with the revalorisation of broccoli by-products as a circular economy strategy

• Autores: José Miguel González Peñalver
• Directores de la Tesis: María José Beriáin Apesteguía (dir. tes.), Maite Martínez Aldaya (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 164
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Academica-e
• Resumen
  • español

    Esta tesis doctoral investiga el desempeño ambiental de las estrategias de valorización de subproductos, basadas en los principios de la economía circular y el uso de fuentes locales de proteína vegetal. Para ello, se aplicaron metodologías de evaluación del impacto ambiental, utilizando el análisis de huella de carbono y huella hídrica, en tres áreas clave: (1) la valorización de subproductos del brócoli, (2) la producción de aperitivos veganos a base de guisante y (3) el desarrollo de nuevos prototipos cárnicos, híbridos y vegetales, elaborados con ingredientes locales de Navarra. La primera fase se centró en la recuperación de glucosinolatos, compuestos bioactivos extraídos de subproductos del brócoli. Se realizó un análisis de la huella de carbono y huella hídrica comparando dos escenarios: la producción convencional de brócoli y un escenario adicional con la extracción de glucosinolatos. Aunque este paso extra mejoró la eficiencia en el uso de los recursos, también provocó un aumento en los impactos ambientales debido al excesivo uso de disolventes y bienes, así como a la baja concentración de glucosinolatos en los subproductos, alcanzando un incremento del 37,6% en las emisiones de gases de efecto invernadero y un 4,6% en el uso de agua. Para mejorar la sostenibilidad del proceso, se propusieron estrategias de optimización, como la recuperación de disolventes. Además, se evaluó el desempeño ambiental de un aperitivo a base de guisante producido en Navarra, que presentó una huella de carbono inferior a la registrada para otros productos similares en la literatura y un uso del agua dentro del rango de productos similares. En comparación con alternativas a base de soja, los productos de guisante mostraron un menor uso de agua azul y gris, y presentaron mayor consumo de agua verde, lo que refleja una mayor dependencia de las precipitaciones. Se identificaron estrategias de mejora en el proceso productivo, como la reducción de pérdidas en la cadena de valor y la contratación de fuentes de electricidad renovables, lo que permitiría disminuir la huella de carbono en un 17% (de 0,12 a 0,10 kg CO₂e por cada 100 g de producto) y reducir el consumo de agua verde en un 3%. Para aprovechar los beneficios esperados de los productos a base de guisante y la recuperación de glucosinolatos, se incorporaron estos compuestos en tres prototipos de búrgueres: cárnica, híbrida y vegetal (siendo la matriz proteica vegetal harina de guisante). Estos prototipos fueron mejorados nutricional y tecnológicamente mediante la sustitución de grasa animal por grasa vegetal y su procesamiento mediante alta presión hidrostática y cocción al vacío (sous-vide). Se evaluaron en términos de seguridad microbiológica, composición nutricional, textura, atributos sensoriales y huella de carbono. Los resultados mostraron que las búrgueres vegetales tenían la menor huella de carbono (0,12 kg CO₂e), seguidas de las híbridas (0,87 kg CO₂e) y las cárnicas (1,62 kg CO₂e). Las búrgueres híbridas presentaron una mejor textura en comparación con sus equivalentes cárnicos y vegetales, además de ofrecer un perfil nutricional más equilibrado al combinar beneficios de ingredientes de origen vegetal y animal, posicionándolas como una alternativa viable y sostenible. Esta investigación pone de manifiesto el potencial de los enfoques de economía circular y el uso de ingredientes locales. Sin embargo, subraya la importancia de evaluar el impacto de cada estrategia, ya que algunas prácticas de valorización pueden parecer ambientalmente beneficiosas a nivel teórico, pero no cumplir con las expectativas (por ejemplo, la revalorización de los glucosinolatos cuando implica un elevado uso de disolventes y recursos).

  • English

    This doctoral thesis investigates the environmental performance of by-product valorisation strategies based on circular economy principles and the use of local plant-based protein sources. Environmental impact assessment methodologies, using carbon and water footprint analyses, were applied to evaluate three key areas: (1) the valorisation of broccoli by-products, (2) the production of pea-based vegan snacks, and (3) the development of novel meat, hybrid, and vegan prototypes using local ingredients from Navarra. A central focus was the recovery of glucosinolates, bioactive compounds extracted from broccoli by-products, to enhance the nutritional value of food prototypes in an environmentally sustainable manner. A carbon and water footprint assessment compared two scenarios in Navarra: conventional broccoli production versus an additional glucosinolate extraction step. Although this extra step improved resource efficiency, it also led to an increase in environmental impacts due to the excessive use of solvent and goods and the low concentration of glucosinolates in the by-products, reaching a 37.6% rise in greenhouse gas emissions and a 4.6% increase in water use. Optimisation strategies, such as solvent recuperation, were proposed to improve process sustainability. Additionally, the study assessed the environmental performance of a Navarra-produced pea-based snack, which exhibited lower carbon footprints than those reported in the literature and water usage within the range of similar products. Compared to soy-based alternatives, pea-based snacks had lower blue and grey water usage and higher green water use, reflecting greater reliance on rainfall. Measures such as reducing supply chain losses and incorporating renewable electricity in production could lower the carbon footprint by 17% (from 0.12 to 0.10 kg CO₂e per 100 g) and reduce green water consumption by 3%. To leverage the benefits of pea-based products and glucosinolate recovery, extracted glucosinolates were incorporated into three patty prototypes: meat-based, hybrid, and plant-based (being the vegetable protein matrix pea flour). These prototypes were nutritionally and technologically enhanced by replacing animal fat with vegetable fat and using high-pressure processing and sous-vide cooking. They were evaluated for microbiological safety, nutritional composition, texture, sensory attributes, and carbon footprint. Results showed that plant-based patties had the lowest carbon footprint (0.12 kg CO₂e), followed by hybrid patties (0.87 kg CO₂e), and meat-based patties (1.62 kg CO₂e). Hybrid patties exhibited improved texture compared to their meat and plant-based counterparts and offered a more balanced nutritional profile, positioning them as a viable and sustainable alternative. This research highlights the potential of circular economy approaches and local ingredient utilisation. However, it underscores the importance of impact assessment, as some valorisation strategies may appear sustainable but fail under thorough analysis (e.g. glucosinolates revalorisation when it involves a high use of solvents and resources).