Stability of strawberry and apple phenolics and changes in other metabolites after different processing techniques and storage conditions in industrial set-up

Abstract

Los (poli)fenoles son importantes compuestos bioactivos con posibles efectos beneficiosos para la salud humana, y se encuentran habitualmente en frutas y verduras. Esta investigación se centró en los (poli)fenoles de la manzana (Malus domestica) y la fresa (Fragaria x ananassa), ya que son dos de las frutas más consumidas en todo el mundo, tanto frescas como procesadas (zumos, mermeladas, purés, batidos). Aunque los consumidores buscan cada vez más productos menos procesados, los productos de fruta deben ofrecerse y estar disponibles en el mercado durante todo el año. Por lo tanto, el procesado de la fruta es esencial para prolongar su vida útil, además de garantizar su contenido nutricional y bioactivo manteniendo sus características sensoriales. En general, existe una variación considerable en la concentración de (poli)fenoles, que depende en primer lugar de la matriz, la parte de la fruta (ej. pulpa, piel, aquenios) y las características inherentes de la fruta (ej. origen, variedad, grado de madurez). Sin embargo, las diferentes tecnologías de procesado de la fruta y las condiciones de almacenamiento también influyen en los cambios de la concentración de (poli)fenoles y en las características sensoriales del producto final. Simultáneamente, las tecnologías y condiciones de procesado también influyen en el perfil metabólico de ambas frutas. Los objetivos de la presente Tesis fueron determinar en qué medida las diferentes tecnologías de procesado, congelación, tratamientos térmicos y procesado por alta presión, ensayadas a escala industrial y condiciones de almacenamiento, -20, 4 y 24 ºC durante doce meses, afectan a los (poli)fenoles, color y atributos sensoriales en los productos seleccionados de fresa y manzana. Así como, determinar cómo influyó el procesado de la fruta en el perfil metabólico e identificar posibles marcadores que ayuden a evaluar el grado de procesado en estos productos. Todo esto con el fin de potencialmente facilitar el uso de condiciones de procesado y almacenamiento personalizadas para limitar la degradación de los (poli)fenoles manteniendo la mejor calidad y características organolépticas. Para lograr la separación, identificación y cuantificación de los diferentes compuestos (poli)fenólicos característicos de cada fruta, las muestras se extrajeron y analizaron mediante métodos y condiciones cromatográficos específicos. Además, se realizó una aproximación metabolómica no dirigida basada en UPLC-ESI-QTOF-MS para la identificación de marcadores de procesado. Los métodos y las condiciones específicas se detallan en el CAPÍTULO III. Los resultados alcanzados a partir de esta Tesis e incluidos en los CAPÍTULOS V, VI y VII concluyen que : 1. En las fresas, los tratamientos térmicos suaves y estándar mostraron patrones similares para la mayoría de los grupos fenólicos; un aumento de las proantocianidinas, ningún cambio en los conjugados del ácido elágico, y una disminución importante de los flavonoles y antocianinas. Sin embargo, el proceso de obtención del concentrado de fresa, la concentración al vacío, tuvo un efecto perjudicial sobre todos los compuestos. Por otra parte, las condiciones de almacenamiento tuvieron un mayor impacto perjudicial sobre los niveles de compuestos fenólicos, así como sobre el color y los atributos sensoriales que las técnicas de procesado. 2. En las manzanas, los tratamientos suaves y el procesado a alta presión tuvieron efectos similares en todos los grupos fenólicos, con aumentos en dihidrochalconas, hidroxicinamicos y proantocianidinas y disminuciones en flavonoles. Sin embargo, el tratamiento térmico estándar aumentó las concentraciones de dihidrochalconas e incluso de flavonoles. Por tanto, puede decirse que las técnicas de procesado inicial ejercieron una mayor influencia que las condiciones de almacenamiento. 3. En general, las proantocianidinas fueron el grupo fenólico mayoritario y el más estable durante el almacenamiento, mientras que las antocianinas fueron el grupo más afectado tanto por el procesado como por el almacenamiento. 4. En general, el almacenamiento a -20 y 4 ºC apenas afectó al nivel fenólico y las características de calidad durante el almacenamiento. Sin embargo, el almacenamiento a 24 ºC degradó mucho el contenido polifenólico y los atributos de calidad y sensoriales en fresa, aunque no tan drásticamente en los productos de manzana. 5. A través de un enfoque metabolómico no dirigido, se identificaron siete metabolitos y se propusieron como marcadores potencialmente potentes para evaluar el grado de procesado de los productos de puré de fresa y manzana. 6. El ácido piroglutámico, y el ácido 2-hidroxi- 5-metoxi benzoico fueron identificados como marcadores regulados al alza, mientras que el ácido pteroil- D-glutámico, y el ácido 2-hidroxibenzoico β-D-glucósido fueron identificados como marcadores regulados a la baja del procesado térmico en productos de fresa. 7. El glucurónido del ácido dihidroxicinámico, el ácido cafeico y el lysoPE(18:3(9Z,12Z,15Z)/0:0) se identificaron como marcadores regulados al alza, mostrando una tendencia creciente correlacionada con el procesado térmico en productos de manzana. 8. La selección de la variedad adecuada, junto con la tecnología y las condiciones de procesado, deben ser adaptadas en consecuencia por las industrias, para preservar o incluso aumentar el contenido de (poli)fenoles en el producto final lo más cerca posible del de la fruta fresca. 9. El uso de estos marcadores podría ayudar a medir objetivamente el grado de procesado de los alimentos y a aclarar la controvertida narrativa sobre los alimentos ultraprocesados.

(Poly)phenols are important bioactive compounds with potential beneficial effects on human health, these are commonly found in fruits and vegetables. This research was focused on the (poly)phenols of apple (Malus domestica) and strawberry (Fragaria x ananassa) as these are two of the fruits more consumed worldwide, both fresh and processed (juices, jams, purees, smoothies, dried). Although the consumers increasingly look for less processed products, fruit products need to be offered and available in the market all year long. Therefore, fruit processing is essential to extend their shelf life, together with guaranteeing their nutritional and bioactive content while maintaining their sensory characteristics. Overall, there is a considerable variability among the (poly)phenols, which depends firstly on the matrix, the part of the fruit (e.g., flesh, peel, achenes) and the inherent fruit characteristics (e.g., origin, variety, ripeness degree). However, the different technologies for fruit processing and the storage conditions also play a role in the changes of the (poly)phenols concentration and sensory characteristics of the final product. Simultaneously, the processing technologies and conditions also influence the metabolic profile of both fruits. The objectives of the present Thesis were to determine to what extent different processing technologies, freezing, thermal treatments, and high-pressure processing, tested at an industrial scale and storage conditions, -20, 4 and 24 ºC for twelve months, affect the (poly)phenols, color and sensory attributes in the selected strawberry and apple products. As well as, to determine how the fruit processing influenced the metabolic profile and identify possible markers that help assess the degree of processing in these products. All this in order to potentially facilitate the use of customized processing and storage conditions to limit the degradation of (poly)phenols while maintaining the best quality and organoleptic characteristics. For achieving the separation, identification and quantification of the different (poly)phenols compounds characteristics to each fruit, the samples were extracted and analyzed by specific chromatographic methods and conditions. In addition, a non-targeted metabolomics approach based on UPLC-ESI-QTOF-MS was performed for the identification of processing markers. Methods and specific conditions are detailed in CHAPTER III. The results reached from this Thesis and included in the CHAPTERS V, VI and VII concluded that : 1. In strawberries, mild and standard thermal treatments showed similar patterns for most phenolic groups; an increase in proanthocyanidins, no change in ellagic acid conjugates, and a major decrease in flavonols and anthocyanins. Nevertheless, the process to obtain strawberry concentrate, vacuum concentration, had a detrimental effect on all the compounds. On the other hand, the storage conditions had a stronger detrimental impact on the phenolic compound levels, as well as on color and sensory attributes than the processing techniques. 2. In apples, mild treatments and high-pressure processing had similar effects in all phenolic groups, with increases in dihydrochalcones, hydroxycinnamics, and proanthocyanidins and decreases in flavonols. However, the standard thermal treatment increased dihydrochalcones and even flavonols concentrations. Thus it can be said that the initial processing techniques exerted a greater influence than storage conditions. 3. In general, proanthocyanidins were the major phenolic group and the most stable during storage, while anthocyanins were the group most affected by both processing and storage. 4. Overall, the storage at -20 and 4 ºC barely affected the phenolic level and the quality characteristics during storage. Nevertheless, storage at 24 ºC highly degraded the polyphenolic content and the quality and sensory attributes in strawberry, although not that drastic in apple products. 5. Through a non-targeted metabolomics approach, seven metabolites were identified and proposed as potentially powerful markers to evaluate the processing degree of strawberry and apple puree products. 6. Pyroglutamic acid, and 2-hydroxy- 5-methoxy benzoic acid were identified as upregulated markers, whereas pteroyl- D-glutamic acid, and 2-hydroxybenzoic acid β-D-glucoside were identified as down regulated markers of thermal processing in strawberry products. 7. Dihydroxycinnamic acid glucuronide, caffeic acid, and lysoPE(18:3(9Z,12Z,15Z)/0:0) were identified as upregulated markers, showing an increasing trend correlated with thermal processing in apple products. 8. The selection of the right variety together with both processing technology and conditions should be customized accordingly by industries, to preserve or even increase the (poly)phenol content in the final product as close as possible to that of fresh fruit. 9. The use of these markers may potentially help to objectively measure the degree of food processing and help to clarify the controversial narrative on ultra-processed foods.