Sustainable exploitation of lentils (Lens culinaris) as a plant-derived meat extender improved protein and iron availability

Abstract

[ES] La desnutrición sigue siendo un desafío crítico de salud pública global, derivado de una compleja interacción entre ingesta insuficiente de nutrientes, dietas desequilibradas y acceso limitado a alimentos de calidad. Entre las carencias de micronutrientes, la anemia por deficiencia de hierro persiste como causa principal de morbilidad, afectando especialmente a niños, mujeres en edad reproductiva y personas mayores. Dado que una nutrición adecuada es esencial para la salud, el desarrollo cognitivo y el bienestar, abordar la desnutrición resulta prioritario para mejorar los resultados sanitarios globales. En este contexto, las legumbres destacan por su excelente equilibrio de proteínas, fibra y micronutrientes. Las lentejas (Lens culinaris Medik.) son una de las más cultivadas y consumidas, debido a su alto valor nutricional, que incluye proteínas de calidad, carbohidratos complejos, fibra y minerales como hierro, magnesio y zinc, además de fitoquímicos con propiedades bioactivas. Estas características, junto con la preferencia por fuentes vegetales sostenibles, consolidan a la lenteja como un recurso estratégico para la nutrición y la sostenibilidad alimentaria. Sin embargo, su aprovechamiento nutricional se ve limitado por factores antinutricionales que reducen la biodisponibilidad de minerales y la digestibilidad proteica. Para superarlo, se han estudiado técnicas como remojo, cocción, germinación y fermentación, que mejoran la bioaccesibilidad, calidad sensorial y funcionalidad de las harinas. Aprovechando este conocimiento, esta tesis doctoral examina la influencia de factores genéticos, ambientales y de procesamiento sobre la calidad y funcionalidad de las lentejas, explorando sistemáticamente cómo la selección de cultivares, las condiciones edafoclimáticas, las prácticas agrícolas, los pretratamientos y la fermentación microbiana pueden optimizar sinérgicamente los atributos nutricionales, químicos y tecnofuncionales de las harinas de lenteja. Un aspecto clave de este trabajo es el desarrollo de harinas funcionales de lenteja con mayor biodisponibilidad de hierro y mejor digestibilidad proteica, destinadas a emplearse como extensores vegetales en productos alimentarios. Estos ingredientes pueden sustituir parcialmente la carne, ofreciendo opciones saludables, sostenibles y funcionales. El primer artículo revisa estrategias de fortificación y biofortificación para combatir la anemia ferropénica, incluyendo mejoras genéticas y de procesamiento que incrementan el contenido y la absorción de hierro, sentando las bases para alimentos funcionales a base de lenteja. El segundo artículo analiza características fitoquímicas y antioxidantes de cultivares Pardina de distintas regiones españolas, evidenciando variaciones varietales y ambientales que condicionan la calidad nutricional y bioactiva. El tercero examina la composición nutricional y antioxidante de la lenteja Armuña, destacando la influencia de las condiciones edafoclimáticas en su perfil. El cuarto compara variedades cultivadas bajo agricultura orgánica y convencional, mostrando que el tipo de producción tuvo poca influencia en los perfiles analizados, mientras que la variedad fue el factor más determinante en la composición y el potencial antioxidante. El quinto artículo evalúa el impacto de remojo, cocción, germinación y tostado sobre las propiedades fisicoquímicas y los antinutrientes, demostrando que estos procesos mejoran el valor nutricional y funcional de las harinas. El sexto explora la combinación de germinación y fermentación con bacterias ácido-lácticas y una levadura probiótica, reduciendo ácido fítico, taninos e inhibidores de tripsina, y aumentando el contenido proteico y mineral. Las harinas resultantes presentaran cualidades tecnofuncionales adecuadas para diversas aplicaciones alimentarias como extensores de carne. El séptimo articulo aborda los extensores cárnicos vegetales, resaltando el papel de las legumbres en su formulación debido a su valor nutricional y sus características funcionales. En conjunto, estos artículos conforman un compendio integral sobre la explotación de la lenteja, demostrando que la optimización del procesamiento y el uso de avances biotecnológicos pueden mejorar la calidad nutricional, la biodisponibilidad de micronutrientes y las propiedades funcionales. Así, los estudios ofrecen una base científica para desarrollar ingredientes derivados de lentejas que fortalezcan la seguridad nutricional y los sistemas sostenibles, posicionando a la lenteja como un componente clave en la transición hacia dietas más saludables.

[EN] Malnutrition remains a critical global public health challenge, arising from a complex interplay between insufficient nutrient intake, unbalanced diets, and limited access to quality foods. Among micronutrient deficiencies, iron deficiency anemia persists as a major cause of morbidity, particularly affecting children, women of reproductive age, and the elderly. Since adequate nutrition is essential for health, cognitive development, and general well-being, addressing malnutrition is a top priority to improve global health outcomes. In this context, pulses stand out for their excellent balance of proteins, fiber, and micronutrients. Lentils (Lens culinaris Medik.) are among the most widely cultivated and consumed pulses due to their high nutritional value, which includes quality proteins, complex carbohydrates, dietary fiber, and key minerals such as iron, magnesium, and zinc, as well as phytochemicals with bioactive properties. These characteristics, together with the growing preference for sustainable plant-based sources, position lentils as a strategic resource for nutrition and food sustainability. However, their full nutritional potential is often limited by the presence of antinutritional factors that reduce mineral bioavailability and protein digestibility. To overcome these limitations, various processing techniques, such as soaking, cooking, germination, and fermentation, have been studied for their ability to enhance nutrient availability, sensory quality, and functional properties of lentil flours. Building on this knowledge, this doctoral thesis comprehensively examines the influence of genetic, environmental, and processing factors on lentil quality and functionality, systematically exploring how the selection of cultivars, edaphoclimatic conditions, agricultural practices, pretreatments, and microbial fermentation can synergistically optimize the nutritional, chemical, and technofunctional properties of lentil flours. A key aspect of this work is the development of biodynamic lentil flours with improved iron bioavailability and protein digestibility, intended for use as plant-based meat extenders in food formulations. These ingredients can partially replace meat, offering healthy, sustainable, and functional alternatives. The first article reviews food fortification and biofortification strategies to combat iron deficiency anemia, including genetic enhancement and processing interventions that increase iron content and absorption, establishing the basis for functional foods made from lentils. The second article analyzes the phytochemical and antioxidant characteristics of Pardina lentil cultivars from different Spanish regions, revealing varietal and environmental differences that shape nutritional and bioactive quality. The third article examines the nutritional and antioxidant composition of Armuña lentils, highlighting the significant influence of edaphoclimatic conditions on their profiles. The fourth compares varieties grown under organic and conventional farming systems, showing that farming type had little influence on the analyzed profiles, while variety proved to be the most decisive factor in nutrient composition and antioxidant potential. The fifth article evaluates the impact of physical pretreatments (soaking, cooking, germination, and microwave roasting) on the physicochemical properties and antinutritional factors of lentil flours, demonstrating that these processes enhance nutritional value and functionality. The sixth explores the combined use of germination and fermentation with lactic acid bacteria and a probiotic yeast, which markedly reduces phytic acid, tannins, and trypsin inhibitors while increasing protein and mineral contents. The resulting flours exhibit suitable technofunctional properties for various food applications, such as meat extenders. The seventh article addresses plant-based meat extenders, highlighting the role of legumes in their formulation due to their nutritional value and functional properties. Taken together, these articles form a comprehensive compendium on lentil utilization, demonstrating that optimizing processing and applying biotechnological advances can enhance nutritional quality, micronutrient bioavailability, and functional properties. Thus, the studies provide a scientific basis for developing lentil-derived ingredients that strengthen nutritional security and sustainable food systems, positioning lentils as a key component in the transition toward healthier diets.