Influence of processing design on the accessibility of phenolics in blueberry (vaccinium corymbosum L.) pureés: the effect of hydration and microstructural properties

Fresh blueberry (Vaccinium corymbosum L.) fruits are one main source of phenolic phytochemicals and derived frozen purées could be considered valuable and versatile products, being processed without pomace loss and potentially rich in all the bioactive compounds which are characteristic of the whole berry. Colour, flavour and health-promoting attributes make these products precious ingredients in food preparations and in particular in the increasing market of fruit blended beverages. Fruit and vegetable liquid-like products are perceived by consumers as healthy and convenience foods, indeed a lack of knowledge still exists on phenomena which link process to functions in these matrices. Hence scientific research on plant-derived food suspensions has been growing in these last few years, mainly addressed to the study of functional and nutritional properties of vegetable-based puréed products, such as sauces, pastes and soups. In these matrices, under the effect of thermal and mechanical forces, native plant tissues lose continuity, a new system of solid particles in viscous liquids is shaped and bioactive molecules find a new arrangement all through the liquid and particle phase of the newly-formed system. Cell wall materials interact both with water and solutes in plant-food matrices, thus affecting the fate of dispersed bioactive components consumed through diet. Hence distribution of phenolic constituents between particle and liquid components of plant food represent a relevant technological and nutritional variable. Nevertheless few studies are available which describe the influence of processing on these parameters in real food systems and in particular in fruit matrices In the case of blueberry-based suspensions, despite the well assessed health-promoting attributes of the fruits and the popularity of smoothie products, very few studies are available which combine the analysis of bioactive constituents to the study of their spatial arrangement throughout the liquid-food system and explore the process–structure–function relations. The purpose of this thesis was to investigate the influence of mechanical and thermal treatments on phenolic-delivering properties of blueberry-derived purées, taking into account both the total content in phenolic bioactive compounds and the proportion of particle bound to dissolved phenolic constituents. To this aim a complementary physical/chemical, microstructural and biochemical approach was applied. The first step of this research (Topic 1) was to draw up a processing plan for producing blueberry-derived homogenates by combining mechanical and thermal treatments of increasing intensities with heat treatments planned either before or after the homogenization steps. By acting on blanching(BL)/homogenisation (H) times and operation order (BL+H; H+BL) and replicating the processing in three consecutive days, three sets of 23 different fruit/homogenate samples were obtained from individually quick frozen blueberries. The second part of this research (Topic 2) examined the effects of the order and duration of processing operations on chemical/physical and hydration properties of the products. The strength by which homogenate matrices retain their liquid fraction limits both mobility of bioactive metabolites dissolved within matrix and syneresis phenomena, hence affecting sensorial, textural as far as nutritional attributes of the product. The amount of serum released from homogenate samples under gravity (G), under the combined effect of gravity and weak capillary suction force (FP) and under centrifugal force (C) were measured and the volume at maximum hydration (SC, swelling capacity) of particle components was registered. A measure of water activity (aw) was provided and main quality parameters were assessed. Results indicate that liquid retaining feature of purées increased with BL time, and that BL+H purées had higher amounts of entrapped or loosely bound water than H+BL ones, indicating that operation order might act on tightly-bound water, whereas the blanching time on the loosely-bound water. The effect of mechanical forces on dynamic volume of CWM was much more pronounced in BL+H samples because fruit fibers had been preliminary loosened by heat treatments, whereas in HBL purées the preliminary H-treatments increased the surface area of CWM but not their dynamic volume (SC). The third part of the research (Topic 3) was dedicated to assess the influence of processing on the composition in anthocyanin and phenolic molecules of the liquid (easily accessible) and particle (scarcely accessible) fractions of the homogenate systems. Dissolved phenolic compounds were collected within the liquid fraction separated under natural or enhanced gravity from the products, while polyphenols associated to the tissue particles were extracted by selected solvent. Liquid fractions and extracts were analyzed for total phenolic compounds, colour indices as far as for total and individual anthocyanin compounds by applying spectrophotometric and chromatographic techniques. Results underlined that in the intact fruit system TPC and MAP did not change with BL, which, on the other hand, could enhance the release of TPC from fruit native compartments and/or protect them from oxidative degradation during the H step. In contrast, the losses of TPC and MAP associated to the initial H step could not be compensated by the successive BL step. In purées higher particle-bound to total TPC and MAP ratios were found for H+BL samples. DAD-HPLC analysis indicated that the higher recovery of anthocyanin compounds in BLH compared to HBL purées was related to the protective effect exerted by preliminary berry blanching towards delphynidins and petunidins, most reactive and unstable anthocyanin compounds. Furthermore, in the particle-liquid homogenate systems, delphynidins were mainly associated to cell wall materials and malvidins to the serum phase. Most of the investigated chemical/physical and biochemical phenomena are played at the microscale level of blueberry fruit cell walls and membranes. Thus the last part of the research (Topic 4) was dedicated to the study of microstructure of the samples. Homogenate particle components were separated by sedimentation trials and histochemical features of raw and thermally treated blueberry fruits and homogenate particles were analyzed by fluorescence microscopy tools. In BL+H products single cells were obtained, the continuity of membranes and walls was better preserved, and the ultrastructure of cell walls deeply altered with cellulose fibrils rippening off wall surface produced a widespread network of fibrillary cellulose increasing the active surface area of the matrix. In H+BL products larger and entangled cluster of cells were obtained, the continuity of both cell wall and membranes was lost, cytoplasmic material leaked out from the broken edges, producing a lower phase volume of the particle phase as well as higher amounts of free cytoplasmic materials.

I frutti di mirtillo (Vaccinium corymbosum L.) costituiscono una importante fonte naturale di composti fenolici e puree congelate preparate da queste bacche possono essere considerate prodotti versatili a elevato valore aggiunto, ottenuti senza che ci siano perdite dovute a scarti di lavorazione e, quindi, potenzialmente ricchi di tutti i composti bioattivi che sono caratteristici della bacca. Colore, flavour e proprietà salutistiche rendono le puree di mirtillo congelate prodotti utili nel settore in crescita della “frutta da bere” (smoothies). I prodotti liquidi a base di frutta e ortaggi sono percepiti dai consumatori come salutari e “comodi”, poiché già pronti per il consumo. Tuttavia i fenomeni che legano i processi di lavorazione alle proprietà funzionali in questo tipo di matrici non sono ancora stati approfonditi. Per questo motivo negli ultimi anni è cresciuta la ricerca nel settore delle sospensioni alimentari, in particolare volta allo studio delle proprietà nutrizionali e funzionali di puree a base vegetale come salse, puree e zuppe. Per effetto dei trattamenti meccanici e termici, in queste matrici i tessuti vegetali originari perdono la loro continuità, si origina un nuovo sistema costituito da particelle solide in liquidi viscosi e le molecole bioattive trovano una nuova ripartizione tra la fase liquida e il particolato. I polimeri delle pareti cellulari (CWM), interagendo sia con l’acqua che con i soluti, influenzano il destino alimentare dei componenti bioattivi dispersi nella nuova matrice. La ripartizione dei composti fenolici tra le componenti solida e liquida del prodotto vegetale costituisce quindi una variabile tecnologica e nutrizionale rilevante. Nonostante l’importanza di questi aspetti, esistono pochi studi che esplorino le relazioni tra processo di trasformazione, microstruttura e funzionalità in matrici reali e, in particolare, nei prodotti da frutta derivati da mirtillo.. Nel presente progetto è stata studiata l’influenza dei trattamenti termici e meccanici sulla disponibilità e accessibilità dei composti fenolici in puree di mirtillo, considerando sia il contenuto totale dei composti fenolici bioattivi sia la proporzione tra costituenti fenolici legati alle particelle e dissolti, approfondendo, con un approccio complementare, gli aspetti biochimici, fisico-chimici e microstrutturali. Nel primo stadio di questa ricerca (Topic 1) si è redatto uno schema del processo di trasformazione per la produzione di omogenati di mirtillo combinando trattamenti meccanici e termici di intensità crescente e pianificando i trattamenti termici prima o dopo le fasi di omogenizzazione. Agendo sui tempi di scottatura (BL) e di frullatura (H) e sull’ordine di queste fasi operative e replicando il piano di trasformazione in tre giorni consecutivi, si sono ottenute, da mirtilli previamente sottoposti a surgelazione rapida individuale, tre serie di 23 campioni di frutti/omogenati differenti. Nella seconda parte di questa ricerca (Topic 2) sono stati esaminati gli effetti dell’ordine e della durata delle operazioni di scottatura e omogenizzazione sulle proprietà chimico-fisiche e di idratazione dei prodotti. La forza con cui la matrice dell’omogenato trattiene la frazione liquida limita la mobilità dei metaboliti bioattivi dissolti nella matrice e i fenomeni di sineresi, influenzando, quindi, le caratteristiche sensoriali, strutturali e nutrizionali del prodotto. È stata quindi misurata la quantità di siero rilasciata dai campioni omogenati per gravità (G), per effetto combinato di gravità e capillarità (FP) e per centrifugazione (C), come pure il volume alla massima idratazione delle particelle (SC, capacità di rigonfiamento), l’attività dell’acqua (aw) e i principali parametri qualitativi. È emerso che per le puree la capacità di trattenere i liquidi aumenta all’aumentare del tempo del blanching (BL). Le puree BL+H hanno quantità maggiori di acqua intrappolata o debolmente legata delle puree H+BL, indicando che l’ordine delle operazioni agisce sull’acqua strettamente legata, mentre il tempo di BL agisce sull’acqua debolmente legata. L’effetto delle forze meccaniche sul volume dinamico del CWM è più pronunciato nei campioni BL+H, in quanto le fibre del frutto sono state allentate dal trattamento termico preliminare, mentre nelle puree H+BL il trattamento di omogenizzazione preliminare ha aumentato l’ area superficiale dei CWM, ma non il loro volume dinamico (SC). La terza parte della ricerca (Topic 3) è stata dedicata a determinare l’influenza dello schema di trasformazione sulla composizione in antocianine e composti fenolici delle frazioni liquida (facilmente accessibili) e solida (scarsamente accessibile) dell’omogenato. I composti fenolici dissolti sono stati campionati nelle frazioni liquide separate per gravità naturale o per centrifugazione dai prodotti, mentre i polifenoli associati alle particelle di tessuto sono state estratte con solventi selezionati. Le frazioni liquide e gli estratti sono stati analizzati per i composti fenolici totali (TPC), gli indici di colore e per gli antociani totali e individuali tramite tecniche spettrofotometriche e cromatografiche. La scottatura dei frutti intatti non ne modifica TPC e MAP, tuttavia aumenta il rilascio di TPC dai compartimenti originari del frutto e /o protegge gli stessi dalla degradazione ossidativa durante la successiva omogenizzazione. Ne consegue che TPC e MAP sono maggiori nelle puree BL+H che in quelle H+BL). Inoltre, nelle puree, il blanching preliminare delle bacche (BL+H) determina un maggior rilascio di MAP nella frazione liquida del prodotto mentre il blanching della matrice già omogenata (H+BL) determina un aumento della proporzione di TPC e MAP legati alla frazione solida. L’analisi HPLC-DAD ha indicato che il maggior recupero di composti antocianici nelle puree BL+H ripetto alle H+BL è collegato all’effetto protettivo nei confronti di delfinidine e petunidine del trattamento BL iniziale sulle bacche. Inoltre, negli omogenati, le delfinidine sono principalmete associate al CWM e le malvidine alla fase liquida. Una parte rilevante dei fenomeni chimico-fisici e biochimici studiati avviene a livello microscopico, fra pareti cellulari e membrane. Perciò l’ultima parte della ricerca (Topic 4) è stata dedicata allo studio della microstruttura dei campioni, separando per sedimentazione i componenti del particolato degli omogenati e analizzando tramite microscopia in fluorescenza le caratteristiche istochimiche sia dei frutti di mirtillo prima e dopo trattamento termico sia del particolato. Nei prodotti BL+H sono presenti cellule singole e la continuità delle membrane e delle pareti è meglio preservata, ma l’ultrastruttura delle pareti cellulari è profondamente alterata, con fibrille di cellulosa “strappate” dalla superficie della parete e un reticolo diffuso di cellulosa fibrillare che incrementa l’area superficiale attiva della matrice. Nei prodotti H+BL sono evidenti agglomerati di cellule più grandi e aggrovigliati nei quali la continuità delle pareti cellulari e delle membrane è persa, producendo un minore volume della fase particolata e una maggiore quantità di materiale citoplasmatico libero.