Spirulina-based processes for sustainable functional food ingredients
- Autores: Silvia Villaró Cos
- Directores de la Tesis: Tomás Valentín Lafarga Poyo (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2025
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Lillian Bouçada de Barros (presid.), José Luis Casas López (secret.), Ingrid Aguiló Aguayo (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biotecnología y Bioprocesos Industriales Aplicados a la Agroalimentación y Medioambiente por la Universidad de Almería
- Menciones:
- Internacional
- Calificación: Sobresaliente Cum Laude
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
En esta tesis doctoral se desarrollaron y validaron procesos basados en Arthrospira platensis, conocida como Spirulina, para la producción de ingredientes funcionales destinados a la industria alimentaria. La investigación tiene un claro enfoque en la sostenibilidad y la economía circular. El trabajo integra la optimización de la producción de microalgas a escala piloto con la valorización integral de la biomasa, proponiendo estrategias que superan limitaciones actuales y diversifican las aplicaciones de la Spirulina en los sectores alimentario y agrícola.
La primera parte de la investigación se centró en identificar y comprender los principales retos que limitan la producción y el uso industrial de Spirulina. Entre ellos se confirmaron el elevado consumo de agua, la limitada productividad de los sistemas abiertos y la aparición de contaminaciones biológicas (p. ej., depredadores u otras microalgas). Para abordar estas limitaciones, se llevaron a cabo ensayos a escala piloto en el sur de España, optimizando parámetros operativos como la tasa de dilución, la profundidad del cultivo y la disponibilidad de nutrientes. Los resultados mostraron que es posible aumentar la productividad y obtener biomasas con un contenido proteico superior al 60% en base a materia seca, junto con destacadas propiedades tecno-funcionales como alta solubilidad en agua y gran capacidad espumante y emulsionante. Estas propiedades avalan su viabilidad para la incorporación en formulaciones alimentarias, aunque el elevado consumo hídrico del proceso puso de manifiesto la necesidad de implementar estrategias de gestión más sostenibles. En este contexto, se evaluaron dos enfoques para reducir la huella hídrica del proceso. En primer lugar, se analizó la viabilidad de usar agua de mar como sustituto parcial (o total) del agua dulce. La microalga demostró su capacidad de adaptación a condiciones salinas, con una productividad ligeramente inferior (alrededor de un 10¿15% respecto al agua dulce), pero manteniendo un perfil nutricional de interés. De hecho, algunas modificaciones en la fracción lipídica y en el contenido de carotenoides, que pueden ser ventajosas para aplicaciones específicas, se atribuyeron al aumento de la salinidad. Estos resultados demostraron que el uso de agua de mar es una estrategia sostenible y realista para reducir la presión sobre los recursos de agua dulce y, al mismo tiempo, disminuir la incidencia de contaminaciones, ya que su presencia en el cultivo con agua de mar fue significativamente menor. La segunda estrategia consistió en reutilizar el medio de cultivo agotado en el sistema. Esta estrategia permitió reducir hasta un 75% la demanda de agua en los ensayos piloto. Sin embargo, la recirculación del medio favoreció la proliferación de microalgas indeseadas, comprometiendo la estabilidad de los cultivos. Para contrarrestar este problema, se implementaron medidas correctivas como el ajuste del pH y la ultrafiltración del medio antes de su reutilización. Ambas estrategias resultaron eficaces, siendo la ultrafiltración particularmente relevante por su capacidad de mejorar la calidad del medio recirculado y reducir el crecimiento de microalgas indeseadas. En conjunto, estas medidas confirmaron que una reducción drástica del consumo de agua en procesos de Spirulina es viable, siempre que se acompañe de estrategias de control específicas.
La segunda parte de la tesis se centró en la valorización integral de la biomasa producida y en el desarrollo de nuevos productos e ingredientes. Las proteínas son la macromolécula más abundante en la Spirulina. Por ello, la primera vía de productos se basó en las proteínas. Debido al creciente interés en los péptidos bioactivos, esta tesis investigó el potencial de las proteínas de Spirulina como fuente de péptidos con actividad biológica. Las proteínas se aislaron mediante un proceso de solubilización/precipitación isoeléctrica y posteriormente se sometieron a hidrólisis enzimática. Los hidrolizados obtenidos mostraron potentes efectos antioxidantes, antihipertensivos y antidiabéticos en ensayos in vitro. La mayor bioactividad se obtuvo usando las proteasas papaína y ficina, logrando inhibiciones superiores al 50% en las actividades de la enzima convertidora de angiotensina y de la dipeptidil peptidasa-IV. La primera está relacionada con la hipertensión y la segunda con la diabetes. Estos resultados confirman que la Spirulina es una fuente prometedora de péptidos funcionales aplicables en el desarrollo de alimentos funcionales y nutracéuticos con beneficios demostrados para la salud. Las proteínas derivadas de Spirulina son una fuente no solo de péptidos bioactivos sino también de aminoácidos esenciales. Por esta razón, se avanzó hacia un modelo de biorrefinería de cero residuos, en el que se evaluó el uso simultáneo de distintas fracciones de biomasa. Los aislados proteicos y la biomasa completa se incorporaron en pasta, logrando incrementos significativos en el contenido proteico (hasta un 25% más que la pasta convencional) y en el perfil de aminoácidos esenciales tras la cocción. Al mismo tiempo, los residuos generados durante la extracción de proteínas se ensayaron como bioestimulantes agrícolas, mostrando efectos positivos en el desarrollo radicular (hasta un 60% de incremento) y en el contenido de clorofila en plántulas, aunque con un ligero efecto negativo sobre la germinación inicial. Esta estrategia demuestra que un único proceso de producción puede abastecer simultáneamente a la industria alimentaria y a la agrícola, maximizando la eficiencia en el uso de recursos.
Otro conjunto de resultados se centró en la utilización de los pigmentos naturales de la Spirulina. En primer lugar, se evaluó la incorporación de biomasa en macarons como estrategia para imitar el color de pigmentos sintéticos. Los resultados confirmaron la estabilidad del color durante el almacenamiento y el procesado, demostrando la viabilidad de usar Spirulina como colorante alimentario natural. Aunque las cantidades añadidas no transfirieron bioactividad antioxidante significativa al producto final, sí respondieron a la creciente demanda de ingredientes seguros y sostenibles. Además, se diseñó una estrategia de extracción secuencial de pigmentos mediante solventes eutécticos naturales (NaDES), que permitió recuperar ficocianinas y clorofilas con alta capacidad colorante en bebidas modelo como ginebra o licor de manzana. La biomasa residual tras la extracción de pigmentos mostró efectos positivos en la germinación de semillas, cerrando así el ciclo de valorización de la Spirulina. Este enfoque refuerza la versatilidad de la Spirulina como fuente de ingredientes de alto valor y su integración en esquemas de economía circular.
En conjunto, los resultados obtenidos en esta tesis ponen de manifiesto que, a pesar de las limitaciones tecnológicas y económicas aún presentes en la producción de Spirulina, muchas de ellas pueden superarse mediante: (i) la optimización de parámetros de cultivo en sistemas abiertos, (ii) la implementación de estrategias sostenibles de gestión hídrica, y (iii) la diversificación de aplicaciones bajo un modelo de biorrefinería integral. Las evidencias experimentales aportadas demuestran que la Spirulina puede consolidarse como una materia prima versátil y competitiva, capaz de suministrar proteínas, pigmentos y compuestos bioactivos de interés para sectores estratégicos como el alimentario y el agrícola. Este trabajo sienta las bases para la futura implantación de procesos industriales basados en microalgas, integrados en biorrefinerías circulares capaces de generar múltiples productos de alto valor con bajo impacto ambiental. La experiencia adquirida a escala piloto y las soluciones propuestas para el ahorro de agua, el control de contaminaciones y la valorización integral constituyen un punto de partida sólido para la transición desde estudios experimentales hacia aplicaciones industriales reales. En este sentido, la Spirulina se posiciona no solo como un ingrediente funcional para la industria alimentaria, sino también como un ejemplo de cómo las microalgas pueden contribuir a modelos productivos más sostenibles y resilientes, alineados con los principios de la bioeconomía y la economía circular.
