Improvement of the quality and safety of vegetable products through innovative technologies

Abstract

L'evolució de la societat en països desenvolupats ha portat a models de consum basats en productes còmodes, saludables i respectuosos amb el medi ambient. Els beneficis saludables que s’atribueixen a les fruites i hortalisses (FiH), així com la seva facilitat de consum, fan d'aquests productes el tema central de la present tesi. No obstant això, s'han de remarcar dues problemàtiques. La primera, és que aquests productes típicament es consumeixen crus, i hi ha encara un alt nombre de brots relacionats amb patògens alimentaris. La segona és que un terç de les FiH que es produeixen anualment es malgasten, remarcant la importància d'investigar i suggerir estratègies per mantenir el nivell comercial de les FiH. El treball d'aquesta tesi està enfocat a trobar solucions als problemes comentats anteriorment, proposant mètodes químics o físics, així com tecnologies per incrementar la seguretat i mantenir la qualitat de les FiH fresques i mínimament processades. Davant el risc enfront de la presència de patògens en maduixa, els primers estudis de la tesi es van enfocar en estratègies de desinfecció per a aquest tipus de fruita. Tenint en compte el risc associat amb els vapors tòxics de l'hipoclorit, així com els subproductes derivats del seu ús, es van avaluar mètodes alternatius per disminuir la càrrega patogènica de les maduixes, tot mantenint la seva qualitat i valors nutricionals. L'àcid peracètic (AP) usat a 40 o 80 ppm (2 min) va ser eficaç per reduir fins a 4 unitats logarítmiques de Listeria innocua, mantenint la qualitat (pH, sòlids solubles, color, fermesa) després dels rentats (Capítol 1). Pel que fa a el tractament amb llum ultraviolada-C (UV-C) assistit per aigua, van ser necessaris 5 min per aconseguir reduccions significatives en les maduixes i en l'aigua de rentat, de manera que aquest tractament va ser combinat amb AP a 40 ppm. Aquesta combinació va tenir un efecte similar a la població de L. innocua i Salmonella enterica en maduixa, però va mantenir els recomptes de patògens en l'aigua a un nivell baix (0.6 logs, comparats amb els 1.6 log UFC / ml després del rentat només amb AP). Això permetria la recirculació de l'aigua reduint costos (Capítol 2). La combinació seleccionada com a òptima (UV-C + AP 40 ppm) va demostrar no ser perjudicial per a les característiques fisicoquímiques (color, fermesa) i bioquímiques (capacitat antioxidant, antocianines, vitamina C) de la maduixa fresca, mínimament processada (11 dies) i congelada (12 mesos) (Capítol 3). Una revisió literària sobre l'ús dels ultrasons com a desinfectants i preservant de FiH (Capítol 4) va ser la base per aplicar tal tecnologia enfront de L. innocua in vivo (suspensió) i in vitro (artificialment inoculada en maduixes), sola (Capítol 5 ) o en combinació amb temperatures mitjana-altes (Capítol 6). No obstant això, els resultats van suggerir que el factor que més afectava tant a la viabilitat de L. innocua com als paràmetres fisicoquímics avaluats va ser la temperatura. Els ultrasons van ser aplicats també en patata tallada a freqüències de 35 i 130 kHz, juntament amb l'ús d’un extracte de té verd (5%) o Natureseal ® (7.5%), amb l'objectiu de retardar l'enfosquiment durant un emmagatzematge de 9 dies (Capítol 7). En aquest estudi, el Natureseal ® demostrar ser la millor opció per retardar tal reacció, així com incrementar la capacitat antioxidant del producte. No obstant això, s’haurien de realitzar més estudis per optimitzar l'ús d'ultrasons amb aquest propòsit, així com l'eficàcia de el té verd. Finalment, tres compostos - dos de fonts naturals (extracte de ginseng i suc de noni fermentat i liofilitzat) i un que podria ser obtingut de subproductes (àcid ferúlic, AF) - van ser avaluats per les seves capacitats antimicrobianes i antioxidants (Capítol 8). L’AF va destacar pel seu valor IC50, la seva capacitat d'inhibició de la polifenol oxidasa, i per les baixes concentracions a les quals es va observar efecte bacteriostàtic enfront de soques patogèniques d'interès alimentari. Per això, va ser aplicat en poma i meló mínimament processats, demostrant ser efectiu en reduir L. monocytogenes i S. enterica després de 7 dies d'emmagatzematge a 10 ºC (Capítol 9). Així i tot, la immersió dels trossos de fruita en AF 2.5 mg / ml no va ser efectiva per reduir l’enfosquiment ni per prevenir el creixement de microbiota natural durant l'emmagatzematge. Per això, en el següent estudi (Capítol 10), 10 mg / ml d'AF van ser aplicats a discos de poma, que van ser incorporats a través de cobertes comestibles (alginat càlcic amb lactat sòdic, i Aloe vera gel al 40%, AVG). Tot i que no es va observar efecte enfront Saccharomyces cerevisiae, es va observar una reducció de L. innocua de fins a 4 log UFC / g en els discos de poma. A més, l’enfosquiment va ser retardat per tots els tractaments, incloent el AF i aquells coberts amb AVG. De fet, aquests efectes antioxidants i antimicrobians, ja s'havien inclòs en una revisió literària sobre el AVG usat com a coberta comestible en FiH (Capítol 11). La present tesi aporta contribucions substancials al camp de la tecnologia dels aliments, proposant estratègies per a problemes específics que apareixen en el sector de les FiH fresques i mínimament processades.

La evolución de la sociedad en países desarrollados ha llevado a modelos de consumo basados en productos cómodos, saludables y respetuosos con el medio ambiente. Los beneficios saludables que se les atribuyen a las frutas y hortalizas (FyH), así como su facilidad de consumo, hacen de estos productos el tema central de la presente tesis. No obstante, se deben remarcar dos problemáticas. La primera, es que tales productos típicamente se consumen crudos, y hay aún un alto número de brotes relacionados con patógenos alimentarios. La segunda es que un tercio de las FyH que se producen anualmente se desperdician, remarcando la importancia de investigar y sugerir estrategias para mantener el nivel comercial de las FyH. El trabajo de esta tesis está enfocado a encontrar soluciones a los problemas comentados anteriormente, proponiendo métodos químicos o físicos, así como tecnologías para incrementar la seguridad y mantener la calidad de las FyH frescas y mínimamente procesadas. Ante el riesgo frente a la presencia de patógenos en fresa, los primeros estudios de la tesis se enfocaron en estrategias de desinfección para este tipo de fruta. Teniendo en cuenta el riesgo asociado con los vapores tóxicos del hipoclorito, así como los subproductos derivados de su uso, se evaluaron métodos alternativos para disminuir la carga patogénica de las fresas manteniendo su calidad y valores nutricionales. El ácido peracético (AP) usado a 40 o 80 ppm (2 min) fue eficaz en reducir hasta 4 unidades logarítmicas de Listeria innocua, manteniendo la calidad (pH, sólidos solubles, color, firmeza) tras los lavados (Capítulo 1). En cuanto al tratamiento con luz ultravioleta-C (UV-C) asistido por agua, fueron necesarios 5 min para conseguir reducciones significativas en las fresas y en el agua de lavado, por lo que este tratamiento fue combinado con AP a 40 ppm. Esta combinación tuvo un efecto similar en la población de L. innocua y Salmonella entérica en fresa, pero mantuvo los recuentos de patógenos en el agua a un nivel bajo (0.6 logs, comparados con los 1.6 log UFC / mL tras el lavado sólo con AP). Esto permitiría la recirculación del agua reduciendo costes (Capítulo 2). La combinación seleccionada como óptima (UV-C + AP 40 ppm) demostró no ser perjudicial para las características fisicoquímicas (color, firmeza) y bioquímicas (capacidad antioxidante, antocianinas, vitamina C) de la fresa fresca, mínimamente procesada (11 días) y congelada (12 meses) (Capítulo 3). Una revisión literaria sobre el uso de los ultrasonidos como desinfectantes y preservantes de FyH (Capítulo 4) fue la base para aplicar tal tecnología frente a L. innocua in vivo (suspensión) e in vitro (artificialmente inoculada en fresas), sola (Capítulo 5) o en combinación con temperaturas media-altas (Capítulo 6). No obstante, los resultados sugirieron que el factor que más afectaba tanto a la viabilidad de L. innocua como a los parámetros físico-químicos evaluados fue la temperatura. Los ultrasonidos fueron aplicados también en patata cortada a frecuencias de 35 y 130 kHz, junto con el uso de extracto de té verde (5 %) o Natureseal ® (7.5 %), con el objetivo de retrasar el pardeamiento durante un almacenamiento de 9 días (Capítulo 7). En este estudio, el Natureseal ® demostró ser la mejor opción para retrasar tal reacción, así como incrementar la capacidad antioxidante del producto. Sin embargo, deberían realizarse más estudios para optimizar el uso de ultrasonidos con este propósito, así como la eficacia del té verde. Finalmente, tres compuestos – dos de fuentes naturales (extracto de ginseng y zumo de noni fermentado y liofilizado) y uno que podría ser obtenido de sub productos (ácido ferúlico, AF) – fueron evaluados por sus capacidades antimicrobianas y antioxidantes (Capítulo 8). AF destacó por su valor IC50, su capacidad de inhibición de la polifenol oxidasa, y por las bajas concentraciones a las cuales se observó efecto bacteriostático frente a cepas patogénicas de interés alimentario. Por ello, fue aplicado en manzana y melón mínimamente procesados, demostrando ser efectivo en reducir L. monocytogenes y S. enterica tras 7 días de almacenamiento a 10 ºC (Capítulo 9). Aun así, la inmersión de los trozos de fruta en AF 2.5 mg / mL no fue efectiva para reducir el pardeamiento ni para prevenir el crecimiento de microbiota natural durante el almacenamiento. Por ello, en el siguiente estudio (Capítulo 10), 10 mg / mL de AF se aplicaron a discos de manzana, que fueron incorporados a través de cubiertas comestibles (alginato cálcico con lactato sódico, y Aloe vera gel al 40 %, AVG). A pesar de que no tuvo efecto sobre Saccharomyces cerevisiae, se observó una reducción de L. innocua de hasta 4 log UFC / g en los discos de manzana. Además, el pardeamiento fue retrasado por todos los tratamientos, incluyendo el AF y aquellos cubiertos con AVG. De hecho, estos efectos antioxidantes y antimicrobianos, ya se habían incluido en una revisión literaria sobre el AVG usado como cubierta comestible en FyH (Capítulo 11). La presente tesis aporta contribuciones sustanciales al campo de la tecnología de los alimentos, proponiendo estrategias para problemas específicos que aparecen en el sector de las FyH frescas y mínimamente procesadas.

Society evolution in developed countries has led to a consumption model based on effortless, healthy and environmentally friendly products. The attributed health benefits of fruit and vegetables (F&Vs), together with their easiness of consumption, make these products the focus of the present thesis. However, two main concerns must be highlighted. First, as such products are typically eaten raw, there are still a high number of outbreaks related to food-borne pathogens from F&Vs. Second, a third of the F&Vs produced each year become waste, making necessary to investigate and suggest strategies to maintain F&Vs at a desired commercial quality. The work in this thesis was undertaken to find solutions to the aforementioned problems, proposing chemical or physical methods and technologies to increase safety and maintain quality of fresh and fresh-cut F&Vs. In front of the risk posed by several pathogens on strawberries, the first studies focus on disinfection strategies for these fruits. Considering the health risk associated with toxic vapors and by-products derived from chlorine disinfection, alternative sanitation methods were assessed to decrease pathogenic load in strawberries while maintaining their quality and nutritional parameters. Peracetic acid (PA) at 40 or 80 ppm (2 min) was effective in reducing Listeria innocua up to 4 log units, and fruit quality (pH, soluble solids, color, firmness) was maintained after the washing treatments (Chapter 1). Water-assisted ultraviolet C (WUV-C) light treatment alone needed 5 min to significantly reduce populations in strawberries and in washing water, so it was combined with PA at 40 ppm. This combination was successful in achieving similar reductions in artificially inoculated L. innocua and Salmonella enterica in strawberries, while keeping low (0.6 log CFU / mL) pathogenic counts in washing water (compared to 1.5 log CFU / mL after PA washing), permitting its recirculation and reducing the water expenses (Chapter 2). The optimum sanitizing combination (WUV-C + PA 40ppm) proved not to be detrimental for strawberry physicochemical (e.g. color, firmness) and biochemical (e.g. antioxidant activity, anthocyanins, vitamin C) parameters in fresh, fresh-cut (11 days) and frozen (12 months) formats (Chapter 3). A literature review on the use of ultrasound for disinfection and preservation of F&Vs (Chapter 4) was the basis to apply this technology against L. innocua, in vitro (suspension) and in vivo (in artificially inoculated strawberries), alone (Chapter 5) or in combination if mild temperatures of 50 – 55 °C (Chapter 6). However, results suggested that temperature was the main factor affecting viability of L. innocua as well as the studied quality and nutritional parameters. Ultrasound was also applied at frequencies of 35 and 130 kHz together with a green tea extract (5 %) or Natureseal ® (7.5 %) in sliced potato, in order to decrease browning reactions during 9-day storage (Chapter 7). In this study Natureseal ® proved to be the best option to delay browning as well as increasing the antioxidant capacity of the product. Nevertheless, more studies should be performed in order to optimize the ultrasound application and the green tea effectiveness. Finally, three compounds - two from natural sources (ginseng extract and a fermented noni juice powder) and one that could be obtained from by-products (ferulic acid, FA) - were evaluated for their antioxidant and antimicrobial properties (Chapter 8). FA outstood for its IC50 value, its polyphenol-oxidase inhibition capacity, and the low concentrations at which it had a bacteriostatic effect against several pathogenic strains of alimentary interest. For this, it was applied on fresh-cut apple and melon, proving effective in reducing artificially inoculated L. monocytogenes and S. enterica after 7 days of storage at 10 °C (Chapter 9). However, the immersion of fruit plugs in 2.5 mg / mL FA was not effective in reducing browning or preventing natural microbiota growth during storage. For this, in the next study (Chapter 10), 10 mg / mL FA were applied to apple disks, incorporated or not in edible coatings (calcium alginate casted with sodium lactate, and Aloe vera gel 40 %, AVG). Although no effect on Saccharomyces cerevisiae was observed, L. innocua was reduced by at least 4 log CFU / g in apple discs. Moreover, browning was delayed by all the treatments including FA and those coated with AVG alone. In fact, the mentioned antioxidant result, as well as its antimicrobial efficacy, was already reported in a literature review on AVG as an edible coating for F&Vs preservation (Chapter 11).