Strategies for the Valorization of Coffee and Cocoa By-products: Sustainable Production of Healthy Ingredients

Resumen

Los subproductos de café y cacao se producen en grandes cantidades en todo el mundo. Sus aplicaciones actuales se limitan a fines agronómicos y de generación de energía. Estas aplicaciones generan un beneficio limitado para los productores de café y cacao. Asimismo, estos usos suponen un riesgo medioambiental debido a la generación de nuevos residuos. La valorización de los subproductos de café y cacao requiere enfoques novedosos que alcancen la generación cero de residuos y logren un procesamiento sostenible del café y del cacao. Esta Tesis Doctoral se centró en la caracterización química, funcional y tecnológica del pergamino de café, la evaluación de la extracción y caracterización de fitoquímicos de la cáscara de café y de la cáscara de cacao, y el estudio de su bioactividad y mecanismos moleculares utilizando modelos celulares in vitro que reproducen condiciones de síndrome metabólico. Se utilizó la metodología de superficie de respuesta y las redes neuronales artificiales para modelar la influencia de las variables de extracción (temperatura, tiempo, acidez y relación sólido-líquido) en la recuperación de los compuestos fenólicos del pergamino de café, la cáscara de café y la cáscara de cacao. La optimización nos condujo a los mejores parámetros de extracción, que dieron lugar a extractos fenólicos antioxidantes. La presencia de 13 compuestos fenólicos en el pergamino de café se corroboró por el análisis UPLC-MS/MS, siendo los más abundantes los ácidos clorogénico, vanílico, protocatético y p-cumárico. Se observó la presencia de 18 compuestos fenólicos en la cáscara de café, entre ellos los ácidos clorogénico, protocatético, cafeico y gálico, así como el kaemferol-3-O-galactósido. También se confirmó la presencia de 15 compuestos fenólicos en la cáscara del cacao, siendo los más abundantes el ácido protocatético, la procianidina B2, la (−)-epicatequina y la (+)-catequina. Según los estudios quimiométricos, el ácido clorogénico en el pergamino y la cáscara de café y el ácido protocatético en la cáscara de cacao, fueron los responsables de la capacidad antioxidante in vitro de los extractos. Además, estudiamos el pergamino de café como fuente de fibra dietética y su viabilidad como ingrediente saludable en productos extruidos. El pergamino de café (copos, harina, y residuo insoluble en agua) demostró ser una buena fuente de fibra insoluble, compuesta principalmente por xilanos, lignina y celulosa. Estas muestras exhibieron propiedades hipoglucémicas in vitro, incluyendo una alta capacidad de adsorción de glucosa, de disminuir la difusión de la glucosa, y de inhibir la α-amilasa, lo que dio lugar a una menor digestibilidad del almidón; y excelentes propiedades hipolipidémicas in vitro, incluyendo la inhibición de la lipasa pancreática y la unión a colesterol y a sales biliares. El proceso de extrusión favoreció la liberación de compuestos fenólicos de la matriz de la fibra. Los fitoquímicos liberados durante la digestión in vitro aumentaron la capacidad antioxidante y redujeron el estrés oxidativo en las células intestinales. La extrusión mejoró las propiedades hipoglucémicas e hipolipidémicas del pergamino de café. Los extractos acuosos de cascarilla y cáscara de café, y cascarilla de cacao disminuyeron la acumulación de lípidos y mejoraron la función mitocondrial en adipocitos 3T3-L1, sugiriendo la inducción del pardeamiento durante la diferenciación. Además, en macrófagos RAW264.7 estimulados por LPS, los extractos disminuyeron la expresión de iNOS y COX-2 y la secreción de factores proinflamatorios. Los extractos inhibieron la inflamación causada por la interacción macrófago-adipocito, reduciendo la disfunción mitocondrial inducida por la inflamación y la resistencia a la insulina a través de la modulación de las vías insulina/PI3K-AKT, NF-κB/MAPK y AMPK. Los ácidos protocatético, clorogénico y cafeico, y la cafeína, fueron identificados como los principales contribuyentes en la prevención de la inflamación y del estrés oxidativo. Los ácidos gálico y clorogénico se relacionaron con la disminución de la adipogénesis, mientras que la cafeína se asoció al pardeamiento de adipocitos. La capacidad de sensibilización frente a la insulina se asoció principalmente con el ácido protocatético, la (−)-epicatequina y la procianidina B2. En conclusión, el pergamino de café podría utilizarse como fuente de fibra dietética antioxidante, incluyéndose en productos extruidos con mayor liberación de compuestos fenólicos. Los extractos acuosos podrían servir como ingredientes alimentarios o nutracéuticos con potencial para modular marcadores clave asociados a la prevención del síndrome metabólico.