Generation of added value for non-traditional crops and agri-food waste: Use of novel raw materials to produce biodegradable films, 3D food printing, and dry emulsions with potential industrial applications

Abstract

[eng] increase in the world's population, climate change, and the processes associated with food production and distribution have altered consumption trends, increasing both agricultural and industrial production. This situation has generated a greater demand for plant-based products and raw materials, as well as an increase in the generation of agricultural waste. According to FAO data, this imbalance has contributed to food insecurity that affects more than 40% of the world's population. Aware of this situation, various governmental and non-governmental organizations have evaluated and implemented strategies to reduce this problem. In this context, the valorization of resources through the search for non-commercial crops that can be used as an alternative for obtaining industrially relevant compounds, as well as the transition from a linear to a circular economy that promotes and includes the use of agri-food waste or by-products as raw materials for other processes, has become a priority. Considering the current production needs of biodegradable packaging to replace synthetic ones, as well as the requirements for natural surfactants in the food industry and emerging technologies such as 3D printing that require the incorporation of raw materials to allow their development, this research aimed to valorize non-traditional crops and agri-food waste, implementing them in the production of biodegradable films and evaluating their performance as surfactants and raw materials for 3D food printing with industrial application. Due to the wide range of crops and agri-food by-products with potential for valorization, this work prioritized those that showed the most potential after a literature review. Therefore, products and agri-food waste from the productive chains of Andean tubers such as ulluco and cubio, oilseeds such as chachafruto, fruits such as Tahiti lime, and aromatic plants such as lemongrass were selected. The first part of the work focused on the extraction and physicochemical, morphological, and thermal characterization of the starches obtained from chachafruto, ulluco, and cubio, and their comparison with commercial potato starch. The materials showed starch extraction yields of 9.5%, 26.5%, and 43.2% on a dry basis for chachafruto, cubio, and ulluco, respectively. The wet extraction method demonstrated high efficiency in obtaining starches with a high degree of purity, as evidenced by protein, lipid, and ash contents of less than 1% in all starches. The granule integrity was also confirmed using scanning electron microscopy (SEM) and optical microscopy. On the other hand, the apparent amylose content (AM) was 27.9%, 31.2%, 36.6%, and 32.1% for ulluco, cubio, chachafruto, and potato, respectively. These results demonstrated the potential of these starches for applications such as film production because a high AM promotes retrogradation and leads to the formation of more organized structures. The results associated with the crystallinity of the starches showed that all the materials evaluated presented crystalline polymorphs type B and relative crystallinity values between 16% and 29%, showing an inverse relationship with the AM content. On the other hand, no relationship was observed between particle size and starch pasting properties. The lowest pasting temperature was observed in cubio starch (60.7 °C), followed by potato starches (63.9 °C), ulluco (65.3 °C), and chachafruto (68.2 °C). However, the highest final viscosity was observed in chachafruto starch. Thermal gravimetric analysis (TGA) demonstrated high thermal stability of the starches. On the other hand, the effect of physical modification by annealing (ANN) on the physicochemical properties of ulluco starch was studied. For this modification, the moisture content (50-70%) and the modification time (8-24 h) were selected as process factors, resulting in 13 treatments. In general, no significant changes were observed in the morphology of the starch granules in any treatment. However, parameters such as solubility, water holding capacity (WHC), oil holding capacity (OHC), and gel hardness increased by up to 400%, 28%, 26%, and 128%, respectively, compared to native starch. Regarding gelatinization properties, no differences were observed in the gelatinization temperatures between the modified starch and the native starch. However, an increase in the final viscosity of all starches modified by ANN was achieved, with values between 125% and 220% of the initial value. The potential of the extracted materials to prepare biodegradable films was evaluated in three stages. In the first stage, the viability of native starches and modified ulluco starch at different concentrations to prepare the materials was evaluated. The results obtained in this stage suggested that using chachafruto starch for film preparation was only efficient at a 2% concentration of the material; higher or lower concentrations cannot form a film. Regarding cubio starch, films were produced at concentrations of 2%, 2.5%, and 3% starch. Meanwhile, ulluco starch films were prepared at a concentration of 2.6% for both native and modified starches. In general, all native starch treatments showed the formation of morphologically homogeneous structures with some imperfections on their surfaces, which can be associated with good barrier capabilities. In contrast, samples obtained with modified ulluco starch showed cracks on their surfaces. Water vapor permeability (WVP) values ranged from 2.18 ×10-9 to 2.52 × 10-9 g m−1s−1Pa−1, while films prepared with modified starch showed an increase in permeability (2.46 × 10-9 to 3.45 × 10-9 g m−1s−1Pa−1) compared to films obtained with native ulluco starch. High transparency and good thermal resistance were also observed in films with native starches. On the other hand, the modified starch showed a decrease of up to 48% in swelling power but generated an increase of up to 200% in Young’s modulus and 100% in tensile strength compared to films prepared with native ulluco starch. In the second stage, the viability of using essential oils obtained from Tahiti lime waste (TLEO) and lemongrass (LEO) in combination with chitosan for producing biodegradable films was evaluated. For this purpose, six film formulations were prepared: two controls with chitosan concentrations of 1% and 1.5% w/v, two formulations combining the two chitosan concentrations with 1% LEO v/v, and two formulations combining the two chitosan concentrations with 1% TLEO v/v. The addition of essential oils (EO) to the films promoted a 35-50% decrease in crystallinity, associated with an increase in elasticity (16-35%) and a reduction in tensile strength (9.3-29.2 MPa) and Young's modulus (190-1555 MPa) of the films. Regarding optical properties, the opacity of the films with TLEO increased up to 500% and 439% for chitosan concentrations of 1% and 1.5%, respectively. At the same time, the increase in opacity for films prepared with LEO was 357% and 187%. Thermal degradation of the films using TLEO was higher than those using LEO. In the last stage associated with the preparation of biodegradable films, the preparation of edible films from ulluco starch in combination with chitosan was evaluated, and the effect of starch concentration on the physicochemical properties of the materials was evaluated. Different concentrations of ulluco starch (2%, 3%, 4%, and 5%) and a fixed chitosan concentration (1.5%) were used to prepare the films. The biodegradable films showed an increase in solubility from 17.5% to 21.7%, swelling power from 38.9% to 267%, tensile strength from 3.69 MPa to 10.7 MPa, Young's modulus from 18.0 Pa to 652 Pa, and thermal stability as the ulluco starch concentration increased. However, samples with low starch concentrations showed higher elongation at break (36.6%) and better barrier properties (5.61 × 10−11 g m−1s−1Pa−1). Additionally, the viability of unconventional starches as food inks for 3D printing was evaluated. Prints were prepared with different concentrations of ulluco, cubio, and chachafruto starches (8%, 10%, and 12% w/v), and parameters such as microstructure, texture, crystallinity, and rheology of the samples obtained by 3D printing were analyzed. All concentrations used showed printing capability, producing stable structures. For tuber starches, it was observed that concentrations of 8% were the most efficient, which could be due to the high amylose concentration in the samples prepared at 10% and 12%, which increased retrogradation and viscosity of the paste, hindering good printability. On the other hand, prints obtained with chachafruto starch were more efficient at concentrations of 10%. All prints reduced their relative crystallinity but retained the crystalline polymorph type B. Regarding hardness, ulluco prints presented the lowest hardness values, between 0.41 and 0.85 N, followed by those obtained using cubio, 0.59 to 1.72 N, and chachafruto, 0.93 to 2.3 N. Finally, the potential of chachafruto flour (CHF) as a stabilizing agent for an oil-in-water (O/W) emulsion and its impact on the emulsion's physicochemical properties after spray drying were evaluated. For this purpose, emulsions were prepared with different CHF concentrations (2%, 3%, and 4%) and compared to a control emulsion. The results from the creaming index and particle size analyses indicated that the highest emulsion stability, even after 168 h, was achieved with 4% CHF, attributed to its high protein content. The resulting encapsulates exhibited spherical and rough surface morphologies but without holes on the surface. Additionally, low moisture (<5%) and water activity (aw <0.2) contents were associated with excellent powder stability. The encapsulates added with CHF presented good reconstitution properties, mainly characterized by preserving the initial particle size of the emulsions. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) confirmed the absence of chemical interactions during encapsulation, contributing to the high stability. Furthermore, the addition of CHF improved the thermal stability of the encapsulates. In summary, this PhD thesis proposes different alternatives for valorizing crops and agri-food by-products, such as producing biodegradable packaging, surfactants, encapsulants, and raw materials for 3D printing. The findings in this research demonstrate the industrial potential of the products under study and contribute to the value addition to their productive chains.

[cat] L'augment de la població mundial, juntament amb el canvi climàtic i els processos associats a la producció i distribució d'aliments, ha alterat les tendències de consum, resultant en un augment tant en la producció agrícola com en la industrial. Aquesta situació ha generat una major demanda de productes i matèries primeres d'origen vegetal, així com un increment en la generació de residus agrícoles. Aquest desequilibri ha contribuït a una situació d'inseguretat alimentària que, segons dades de la FAO, afecta a més del 40% de la població mundial. Conscients d'aquesta situació, diferents organitzacions governamentals i no governamentals han avaluat i implementat estratègies enfocades a la disminució d'aquesta problemàtica. En aquest context, la revalorització de recursos mitjançant la cerca de cultius no comercials que puguin emprar-se com a alternativa per a l'obtenció de compostos d'interès industrial, així com la transició d'una economia lineal a una circular que promogui i inclogui l'ús de residus o subproductes agroalimentaris com a matèries primeres per a altres processos, s'ha convertit en una prioritat. Considerant les necessitats de producció actual d'envasos biodegradables que substitueixin els sintètics, així com els requeriments de surfactants naturals en la indústria alimentària i les tecnologies emergents com la impressió 3D que requereixen la incorporació de matèries primeres que permetin el seu desenvolupament, aquesta investigació va tenir com a objectiu la revalorització de cultius no tradicionals i residus agroalimentaris, implementant-los en la producció de pel·lícules biodegradables i avaluant el seu rendiment com a surfactants i matèries primeres per a la impressió 3D d'aliments amb aplicació industrial. Degut a l'àmplia gamma de cultius i subproductes agroalimentaris amb potencial per a ser revaloritzats, aquest treball va prioritzar aquells que van mostrar major potencial després d'una revisió de la literatura. Per tant, es van seleccionar productes i residus agroalimentaris procedents de les cadenes productives de tubercles andins com ullucu i cubiu, així com d'oleaginoses com el chachafruto, fruiters com la llima Tahití i plantes aromàtiques com el llimoncillo. La primera part del treball es va centrar en l'extracció i caracterització fisicoquímica, morfològica i tèrmica dels midons obtinguts a partir del chachafruto, ullucu i cubiu i la seva comparació amb midó comercial de patata. Els materials van mostrar rendiments d'extracció de midó de 9.5, 26.5 i 43.2% en base seca per a chachafruto, cubiu i ullucu, respectivament. El mètode d'extracció humida va demostrar una alta eficiència per a l'obtenció de midons amb un alt grau de puresa, com es va comprovar mitjançant continguts de proteïnes, lípids i cendres menors del 1% en tots els midons. A més, la integritat del grànul va ser confirmada mitjançant l'ús de microscòpia electrònica de rastreig (SEM) i microscòpia òptica. D'altra banda, el contingut aparent d'amilopectina (AM) va ser de 27.9, 31.2, 36.6 i 32.1%, per a ullucu, cubiu, chachafruto i patata, respectivament. Aquests resultats van demostrar el potencial d'aquests midons per a aplicacions com l'elaboració de pel·lícules a causa que un alt contingut d'amilopectina promou la retrogradació i condueix a la formació d'estructures més organitzades. Els resultats associats a la cristal·linositat dels midons van demostrar que tots els materials avaluats presentaven alomorfs cristal·lins tipus B i valors de cristal·linositat relativa entre 16 i 29% guardant una relació inversa amb el contingut d'AM. D'altra banda, no es va observar una relació entre la mida de partícula i les propietats de gelificació dels midons. La menor temperatura de gelificació va ser observada en midó de cubiu (60.7°C), seguit pels midons de patata (63.9°C), ullucu (65.3°C) i chachafruto (68.2°C). No obstant això, la viscositat final més alta es va observar en el midó de chachafruto. D'altra banda, l'anàlisi termogravimètrica (TGA) va demostrar una alta estabilitat tèrmica dels midons. Per altra banda, es va estudiar l'efecte de la modificació física per recuït o "annealing" (ANN) sobre les propietats fisicoquímiques del midó d'ullucu. Per a aquesta modificació es van seleccionar com a factors de procés el contingut d'humitat (50-70%) i el temps de modificació (8-24 h) resultant en un total de 13 tractaments. En general, no es van observar canvis significatius en la morfologia dels grànuls de midó en cap tractament. No obstant això, paràmetres com la solubilitat, la capacitat de retenció d'aigua (WHC), la capacitat de retenir oli (OHC) i la duresa del gel van augmentar fins a un 400, 28, 26 i 128%, respectivament, en comparació amb el midó nativo. Pel que fa a les propietats de gelatinització, no es van observar diferències en les temperatures de gelatinització entre el midó modificat i el midó nativo, però es va aconseguir un augment en la viscositat final de tots els midons modificats per ANN, amb valors entre el 125% i el 220% del valor inicial. L'avaluació del potencial dels materials extrets per a la preparació de pel·lícules biodegradables es va realitzar en tres etapes. En la primera es va avaluar la viabilitat de midons natius i midó d'ullucu modificat en diferents concentracions per a la preparació dels materials. Els resultats obtinguts en aquesta etapa van suggerir que l'ús de midó de chachafruto per a la preparació de pel·lícules només va ser eficient a una concentració del 2% del material, concentracions superiors o inferiors no són capaces de formar pel·lícula. Pel que fa al midó de cubiu, es van produir pel·lícules a concentracions de 2, 2.5 i 3% de midó. Per la seva banda, les pel·lícules de midó d'ullucu es van preparar a una concentració del 2.6% dels midons natius i modificat. En general, tots els tractaments de midons natius van mostrar la formació d'estructures morfològicament homogènies amb algunes imperfeccions en les seves superfícies, el que pot associar-se amb bones capacitats de barrera. Mentre que les mostres obtingudes amb midó d'ullucu modificat van presentar fissures en les seves superfícies. Els valors de permeabilitat al vapor d'aigua (PVA) van oscil·lar entre 2.18 ×10-9 i 2.52 × 10-9 g m−1s−1Pa−1, mentre que les pel·lícules preparades amb midó modificat van mostrar un augment en la permeabilitat (2.46 × 10-9 a 3.45 × 10-9 g m−1s−1Pa−1) respecte a les pel·lícules obtingudes amb midó nativo d'ullucu. També es va observar una alta transparència i una bona resistència tèrmica en les pel·lícules preparades amb midons natius. Pel que fa al midó modificat, es va mostrar una disminució de fins al 48% en el poder de inflor, però va generar un augment de fins al 200% de la rigidesa (YM) i del 100% en la resistència a la tracció en comparació amb les pel·lícules preparades amb midó d'ullucu nativo. En la segona etapa es va avaluar la viabilitat de l'ús d'olis essencials obtinguts de residus de llima Tahití (TLEO) i de llimoncillo (LEO) en barreja amb quitosà per a l'obtenció de pel·lícules biodegradables. Per a això es van preparar sis formulacions de pel·lícules: dos controls amb concentracions de quitosà del 1% i 1.5% v/v, dues formulacions combinant les dues concentracions de quitosà amb un 1% de LEO v/v, i dues formulacions combinant les dues concentracions de quitosà amb un 1% de TLEO v/v. L'addició d'olis essencials (EO) a les pel·lícules va promoure una disminució del 35-50% en la cristal·linositat, associat amb un augment en l'elasticitat (16-35%) i una disminució en la resistència a la tracció (9.3-29.2 MPa) i en el mòdul de Young (190-1555 MPa). Pel que fa a les propietats òptiques, l'opacitat de les pel·lícules amb TLEO va augmentar fins a un 500% i un 439% per a concentracions de quitosà del 1% i 1.5%, respectivament. Mentre que l'augment en l'opacitat per a les pel·lícules preparades amb LEO va ser del 357% i 187%. La degradació tèrmica de les pel·lícules utilitzant TLEO va ser major que les pel·lícules on es va usar LEO. En l'última etapa associada a la preparació de pel·lícules biodegradables, es va avaluar la preparació de pel·lícules comestibles de midó d'ullucu en barreja amb quitosà i es va avaluar l'efecte de la concentració del midó en les propietats fisicoquímiques dels materials. Per a la preparació de les pel·lícules es van emprar diferents concentracions de midó d'ullucu (2%, 3%, 4% i 5%) i una concentració fixa de quitosà (1.5%). Les pel·lícules biodegradables van mostrar un augment en la solubilitat del 17.5% al 21.7%, en el poder d'inflor del 38.9% al 267%, en la resistència a la tracció de 3.69 MPa a 10.7 MPa, en el mòdul de Young de 18.0 Pa a 652 Pa, i en l'estabilitat tèrmica, tot això amb un augment de la concentració de midó d'ullucu. No obstant això, les mostres amb baixes concentracions de midó van mostrar una major elongació a la ruptura (36.6%) i millors propietats de barrera (5.61 × 10−11 g m−1s−1Pa−1). A més, es va avaluar la viabilitat de midons no convencionals com a tintes alimentàries per a la impressió 3D. Es van preparar impresos amb diferents concentracions de midó d'ullucu, cubiu i chachafruto (8%, 10% i 12% p/v), i es van analitzar paràmetres com la microestructura, textura, cristal·linositat i reologia de les mostres obtingudes per impressió 3D. Totes les concentracions emprades van mostrar capacitat d'impressió produint estructures estables. Es va observar que per a midons obtinguts de tubercles les concentracions del 8% van ser les de millor rendiment, el que va poder obeir a l'alta concentració d'amilopectina en les mostres preparades al 10 i 12% que van augmentar la retrogradació i la viscositat de la pasta impedint una bona imprimibilitat. Per la seva banda, els impresos obtinguts amb midó de chachafruto van ser més eficients a concentracions del 10%. Tots els impresos van reduir la seva cristal·linositat relativa, però van conservar l'alomorf cristal·lí tipus B. Pel que fa a la duresa, els impresos d'ullucu van presentar els valors de duresa més baixos, entre 0.41 a 0.85 N, seguits dels obtinguts emprant ullucu, 0.59 a 1.72 N, i chachafruto 0.93 a 2.3 N. Finalment, es va avaluar el potencial de la farina de chachafruto (CHF) com a agent estabilitzant per a una emulsió oli-en-aigua (O/W) i el seu impacte en les propietats fisicoquímiques de l'emulsió després de la seqüenciació per atomització. Per això, es van preparar emulsions amb diferents concentracions de CHF (2%, 3% i 4%) i es van comparar amb una emulsió control. Els resultats de l'índex de crema i els anàlisis de mida de partícula van indicar que la major estabilitat de l'emulsió, fins i tot després de 168 hores, es va aconseguir amb un 4% de CHF, atribuït a l'alt contingut de proteïnes. Els encapsulats resultants van mostrar morfologies de superfície esfèriques i rugoses, però sense forats en la superfície. A més, baixos continguts d'humitat (<5%) i activitat d'aigua (aw <0.2) es van associar amb una excel·lent estabilitat en pols. Els encapsulats afegits amb CHF van presentar bones propietats de reconstitució, principalment caracteritzades per preservar la mida de partícula inicial de les emulsions. L'espectroscòpia infraroja per transformada de Fourier (FTIR) va confirmar l'absència d'interaccions químiques durant el procés d'encapsulació, contribuint a l'alta estabilitat. A més, l'addició de CHF va millorar l'estabilitat tèrmica dels encapsulats. En síntesi, aquesta tesi ha proposat diferents alternatives per a la valorització de cultius i subproductes agroalimentaris com la producció d'envasos biodegradables, com agents surfactants i encapsulants i com a matèries primeres per a la impressió 3D. Els descobriments obtinguts en aquesta investigació demostren el potencial industrial dels productes en estudi i serveix com a aportació per a l'agregació de valor a les seves cadenes productives

[spa] El aumento de la población mundial, junto con el cambio climático y los procesos asociados a la producción y distribución de alimentos, ha alterado las tendencias de consumo, resultando en un aumento tanto en la producción agrícola como en la industrial. Esta situación ha generado una mayor demanda de productos y materias primas de origen vegetal, así como un incremento en la generación de residuos agrícolas. Este desequilibrio ha contribuido a una situación de inseguridad alimentaria que, según datos de la FAO, afecta a más del 40% de la población mundial. Conscientes de esta situación, diferentes organizaciones gubernamentales y no gubernamentales han evaluado e implementado estrategias enfocadas a la disminución de esta problemática. En este contexto, la revalorización de recursos mediante la búsqueda de cultivos no comerciales que puedan emplearse como alternativa para la obtención de compuestos de interés industrial, así como la transición de una economía lineal a una circular que promueva e incluya el uso de residuos o subproductos agroalimentarios como materias primas para otros procesos, se ha convertido en una prioridad. Considerando las necesidades de producción actual de envases biodegradable que sustituyan a los sintéticos, así como los requerimiento de surfactantes naturales en la industria alimentaria y las tecnologías emergentes como la impresión 3D que requiere la incorporación de materias primas que permitan su desarrollo, esta investigación tuvo como objetivo la revalorización de cultivos no tradicionales y residuos agroalimentarios, implementándolos en la producción de películas biodegradables y evaluando su desempeño como surfactantes y materias primas para la impresión 3D de alimentos con aplicación industrial. Debido a la amplia gama de cultivos y subproductos agroalimentarios con potencial para ser revalorizados, este trabajo priorizó aquellos que mostraron mayor potencial después de una revisión de la literatura. Por lo tanto, se seleccionaron productos y residuos agroalimentarios procedentes de las cadenas productivas de tubérculos andinos como ulluco y cubio, así como de oleaginosas como el chachafruto, frutales como la lima Tahití y plantas aromáticas como el limoncillo. La primera parte del trabajo se centró en la extracción y caracterización fisicoquímica, morfológica y térmica de los almidones obtenidos a partir del chachafruto, ulluco y cubio y su comparación con almidón comercial de papa (patata). Los materiales mostraron rendimientos de extracción de almidón de 9.5, 26.5 y 43.2% en base seca para chachafruto, cubio y ulluco, respectivamente. El método de extracción húmedo demostró una alta eficiencia para la obtención de almidones con un alto grado de pureza, lo que se comprobó mediante contenidos de proteínas, lípidos y cenizas menores al 1% en todos los almidones. Además, la integridad del gránulo fue confirmada mediante la utilización de microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía óptica. Por otro lado, el contenido aparente de amilosa (AM) fue de 27.9, 31.2, 36.6, y 32.1%, para ulluco, cubio, chachafruto y papa, respectivamente. Estos resultados demostraron el potencial de estos almidones para aplicaciones como la elaboración de películas debido a que un alto contenido de amilosa promueve la retrogradación y conduce a la formación de estructuras más organizadas. Los resultados asociados a la cristalinidad de los almidones demostraron que todos los materiales evaluados presentaron alomorfos cristalinos tipo B y valores de cristalinidad relativa entre 16 y 29% guardando una relación inversa con el contenido de AM. Por otro lado, no se observó una relación entre el tamaño de partícula y las propiedades de gelificación de los almidones. La menor temperatura de gelificación fue observada en almidón de cubio (60.7°C), seguido por los almidones de papa (63.9°C), ulluco (65.3°C) y chachafruto (68.2°C). No obstante, la viscosidad final más alta se observó en el almidón de chachafruto. Por su parte, el análisis termogravimétrico (TGA) demostró una alta estabilidad térmica de los almidones. Por otro lado, se estudió el efecto de la modificación física por recocido o “annealing” (ANN) sobre las propiedades fisicoquímicas del almidón de ulluco. Para esta modificación se seleccionaron como factores de proceso el contenido de humedad (50-70%) y el tiempo de modificación (8-24 h) resultando en un total de 13 tratamientos. En general, no se observaron cambios significativos en la morfología de los gránulos de almidón en ningún tratamiento. No obstante, parámetros como la solubilidad, la capacidad de retención de agua (WHC), la capacidad de retener aceite (OHC) y la dureza del gel aumentaron hasta en un 400, 28, 26 y 128%, respectivamente, en comparación con el almidón nativo. En cuanto a las propiedades de gelatinización, no se observaron diferencias en las temperaturas de gelatinización entre el almidón modificado y el almidón nativo, pero se logró un aumento en la viscosidad final de todos los almidones modificados por ANN, con valores entre 125% y 220% del valor inicial. La evaluación del potencial de los materiales extraídos para la preparación de películas biodegradables se realizó en tres etapas. En la primera se evaluó la viabilidad de almidones nativos y almidón de ulluco modificado en diferentes concentraciones para la preparación de los materiales. Los resultados obtenidos en esta etapa sugirieron que el uso de almidón de chachafruto para la preparación de películas solo fue eficiente a una concentración del 2% del material, concentraciones superiores o inferiores no son capaces de formar película. Con respecto al almidón de cubio, se lograron producir películas a concentraciones de 2, 2.5 y 3% de almidón. Por su parte, las películas de almidón de ulluco se prepararon a una concentración de 2.6% de los almidones nativo y modificado. En general, todos los tratamientos de almidones nativos mostraron la formación de estructuras morfológicamente homogéneas con algunas imperfecciones en sus superficies, lo que puede asociarse con buenas capacidades de barrera. Mientras que las muestras obtenidas con almidón de ulluco modificado presentaron fisuras en sus superficies. Los valores de permeabilidad al vapor de agua (PVA) oscilaron entre 2.18 ×10-9 y 2.52 × 10-9 g m−1s−1Pa−1, mientras que las películas preparadas con almidón modificado mostraron un aumento en la permeabilidad (2.46 × 10-9 a 3.45 × 10-9 g m−1s−1Pa−1) respecto a las películas obtenidas con almidón nativo de ulluco. También se observó una alta transparencia y una buena resistencia térmica en las películas preparadas con almidones nativos. Por su parte, el almidón modificado mostró una disminución de hasta el 48% en el poder de hinchamiento, pero generó un aumento de hasta el 200% de la rigidez (YM) y del 100% en la fuerza tensil en comparación con las películas preparadas con almidón de ulluco nativo. En la segunda etapa se evaluó la viabilidad del empleo de aceites esenciales obtenidos de residuos de lima Tahití (TLEO) y de limoncillo (LEO) en mezcla con quitosano para la obtención de películas biodegradables. Para lo anterior se prepararon seis formulaciones de películas: dos controles con concentraciones de quitosano del 1% y 1.5% v/p, dos formulaciones combinando las dos concentraciones de quitosano con un 1% de LEO v/v, y dos formulaciones combinando las dos concentraciones de quitosano con un 1% de TLEO v/v. La adición de aceites esenciales (EO) a las películas promovió una disminución del 35-50% en la cristalinidad, asociado con un aumento en la elasticidad (16-35%) y una disminución en la resistencia a la tracción (9.3-29.2 MPa) y en el módulo de Young (190-1555 MPa). En cuanto a las propiedades ópticas, la opacidad de las películas con TLEO aumentó hasta un 500% y un 439% para concentraciones de quitosano del 1% y 1.5%, respectivamente. Mientras que el aumento en la opacidad para las películas preparadas con LEO fue del 357% y 187%. La degradación térmica de las películas utilizando TLEO fue mayor que las películas donde se usó LEO. En la última etapa asociada a la preparación de películas biodegradables, se evaluó la preparación de películas comestibles de almidón de ulluco en mezcla con quitosano y se evaluó el efecto de la concentración del almidón en las propiedades fisicoquímicas de los materiales. Para la preparación de las películas se emplearon diferentes concentraciones de almidón de ulluco (2%, 3%, 4% y 5%) y una concentración fija de quitosano (1.5%). Las películas biodegradables mostraron un aumento en la solubilidad del 17.5% al 21.7%, en el poder de hinchamiento del 38.9% al 267%, en la resistencia a la tracción de 3.69 MPa a 10.7 MPa, en el módulo de Young de 18.0 Pa a 652 Pa, y en la estabilidad térmica, todo esto con un aumento de la concentración de almidón de ulluco. Sin embargo, las muestras con bajas concentraciones de almidón mostraron una mayor elongación a la rotura (36.6%) y mejores propiedades de barrera (5.61 × 10−11 g m−1s−1Pa−1). Además, se evaluó la viabilidad de almidones no convencionales como tintas alimentarias para la impresión 3D. Se prepararon impresos con diferentes concentraciones de almidón de ulluco, cubio y chachafruto (8%, 10% y 12% p/v), y se analizaron parámetros como la microestructura, textura, cristalinidad y reología de las muestras obtenidas por impresión 3D. Todas las concentraciones empleadas mostraron capacidad de impresión produciendo estructuras estables. Se observó que para almidones obtenidos de tubérculos las concentraciones de 8% fueron las de mejor rendimiento, lo que pudo obedecer a la alta concentración de amilosa en las muestras preparadas a 10 y 12% que aumentaron la retrogradación y la viscosidad de la pasta impidiendo una buena capacidad de impresión. Por su parte, los impresos obtenidos con almidón de chachafruto fueron más eficientes a concentraciones de 10%. Todos los impresos redujeron su cristalinidad relativa, pero conservaron el alomorfo cristalino tipo B. Con relación a la dureza, los impresos de ulluco presentaron los valores de dureza más bajos, entre 0.41 a 0.85 N, seguidos de los obtenidos empleando ulluco, 0.59 a 1.72 N, y chachafruto 0.93 a 2.3 N. Finalmente, se evaluó el potencial de la harina de chachafruto (CHF) como agente estabilizante para una emulsión aceite-en-agua (O/W) y su impacto en las propiedades fisicoquímicas de la emulsión después del secado por atomización. Para esto, se prepararon emulsiones con diferentes concentraciones de CHF (2%, 3% y 4%) y se compararon con una emulsión control. Los resultados del índice de crema y los análisis de tamaño de partícula indicaron que la mayor estabilidad de la emulsión, incluso después de 168 horas, se logró con un 4% de CHF, atribuido al alto contenido de proteínas. Los encapsulados resultantes mostraron morfologías de superficie esféricas y rugosas, pero sin agujeros en la superficie. Además, bajos contenidos de humedad (<5%) y actividad de agua (aw <0.2) se asociaron con una excelente estabilidad en polvo. Los encapsulados adicionados con CHF presentaron buenas propiedades de reconstitución, principalmente caracterizadas por preservar el tamaño de partícula inicial de las emulsiones. La espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) confirmó la ausencia de interacciones químicas durante el proceso de encapsulación, contribuyendo a la alta estabilidad. Además, la adición de CHF mejoró la estabilidad térmica de los encapsulados. En síntesis, esta tesis ha propone diferentes alternativas para la valorización de cultivos y subproductos agroalimentarios como la producción de envases biodegradables, como agentes surfactantes y encapsulantes y como materias primas para la impresión 3D. Los hallazgos obtenidos en esta investigación demuestran el potencial industrial de los productos en estudio y sirve como aporte para la agregación de valor a sus cadenas productivas.