Ultrasound technology as a strategy for enhancing the content and the bioaccessibility of phenolic compounds in apple and apple-based products

Abstract

En els darrers anys, les tecnologies innovadores de processament estan en auge per aconseguir productes saludables i d'alta qualitat, per tal de satisfer la demanda dels consumidors. En aquesta Tesi Doctoral s'investiga l'aplicació d'ultrasons (US) com a tecnologia innovadora per millorar l'extracció i/o activar la biosíntesi de compostos fenòlics a pomes senceres. L'objectiu va ser investigar els efectes dels US sobre el contingut i la bioaccessibilitat de compostos fenòlics en pomes senceres, així com estudiar l'efecte de la termosonicació (TS) sobre el contingut i la bioaccessibilitat de compostos fenòlics en suc de pomes. En primer lloc, es va estudiar l'efecte dels US sobre els compostos fenòlics individuals i els atributs de qualitat, així com sobre els enzims relacionats amb els compostos fenòlics en pomes senceres a diferents amplituds (100 o 25 µm), temps de tractaments (1, 3 o 15 min) i temps posttractaments (0, 24, 48, 72 h). Els compostos fenòlics totals van augmentar amb el tractament d'US, mentre que els paràmetres de qualitat com sòlids solubles, acidesa titulable, color i fermesa es van mantenir. Les pomes tractades amb US a 25 µm durant 15 min van mostrar una extracció més gran dels compostos fenòlics totals (18.2 %) just després del tractament, principalment per a les famílies d'àcids hidroxicinámics i flavan-3-ols. A més, els compostos fenòlics també van augmentar a les pomes tractades amb US a 25 µm durant 1 min després de 48 h (11.48 % fenols totals) i a 100 µm durant 1 min després de 72 h (30.6 % fenols totals), mostrant l'efecte tardà dels US. L'activitat enzimàtica de la fenilalanina amoni liassa (PAL) va augmentar a les pomes tractades després de 48 i 72 h. Posteriorment, les pomes van ser sotmeses a un procés de digestió in vitro per avaluar el contingut de fenols a les fraccions bioaccessibles i no bioaccessibles, així com determinar la bioaccessibilitat dels compostos fenòlics. El contingut fenòlic va ser més gran tant en la fracció bioaccessible com en la no bioaccessible just després del tractament amb US a 100 µm, en comparació amb les mateixes condicions, però després d'un temps de post-tractament de 48 h. La bioaccessibilitat dels compostos fenòlics també va ser més gran just després del tractament amb US que després d'un post-tractament de 48 h, evidenciant el temps de post-tractament com un factor clau. La bioaccessibilitat més gran dels compostos fenòlics (1.8 %) es va trobar just després d'un tractament US de 100 µm durant 15 minuts. En segon lloc, es va investigar els efectes de les tecnologies TS (95 ºC durant 2.8 min o 90 ºC 2.53 min) i tèrmica (95 ºC 4.5 min o 95 ºC 0.5 min) sobre els compostos fenòlics individuals en sucs de poma elaborats a partir de pomes tractades amb US (100 o 25 µm durant 15 min). Els sucs termosonicats a 95 ºC durant 2.8 min van mostrar els valors més alts de compostos fenòlics totals (237.4 ± 54.0 mg kg-1). El perfil fenòlic va millorar especialment per a l'àcid 5-cafeoilquínic, epicatequina i procianidina B2. No obstant això, els sucs elaborats a partir de pomes tractades amb US no van mostrar una millora dels compostos fenòlics totals o individuals en comparació dels sucs igualment tractats però elaborats a partir de pomes no tractades. Posteriorment, aquests sucs es van sotmetre a una digestió in vitro per examinar el contingut fenòlic a les fraccions bioaccessibles i no bioaccessibles dels sucs, així com la seva bioaccessibilitat. Els compostos fenòlics totals van augmentar en les dues fraccions tant per als sucs termosonicats com per als tractats tèrmicament. No obstant això, la bioaccessibilitat més gran de compostos fenòlics (33.1 %) es va trobar en els sucs tractats tèrmicament a 95 ºC durant 0.5 min elaborats a partir de pomes tractades amb US a 100 µm. Els resultats obtinguts en aquesta Tesi Doctoral evidencien el potencial de les tecnologies estudiades per obtenir poma i suc de poma amb més bioaccessibilitat de compostos fenòlics. Per tant, aquests resultats proporcionen un nou enfocament per al desenvolupament de productes derivats de la poma més saludables.

En los últimos años, las tecnologías innovadoras de procesado están en auge para conseguir productos saludables y de alta calidad, con el fin de satisfacer la demanda de los consumidores. En esta Tesis Doctoral se investiga la aplicación de ultrasonidos (US) como tecnología innovadora para mejorar la extracción y/o activar la biosíntesis de compuestos fenólicos en manzanas enteras. El objetivo fue investigar los efectos del US sobre el contenido y bioaccesibilidad de compuestos fenólicos en manzanas enteras, así como estudiar el efecto de la termosonicación (TS) sobre el contenido y bioaccesibilidad de compuestos fenólicos en zumo de manzanas. En primer lugar, se estudió el efecto de los US sobre los compuestos fenólicos individuales, los atributos de calidad, así como sobre las enzimas relacionadas con los compuestos fenólicos en manzanas enteras a diferentes amplitudes (100 o 25 µm), tiempos de tratamiento (1, 3 o 15 min) y tiempos postratamiento (0, 24, 48, 72 h). Los compuestos fenólicos totales aumentaron con el tratamiento de US, mientras que los parámetros de calidad como sólidos solubles, acidez titulable, color y firmeza se conservaron. Las manzanas tratadas con US a 25 µm durante 15 min mostraron una mayor extracción de los compuestos fenólicos totales (18.2 %) justo después del tratamiento, principalmente para las familias de ácidos hidroxicinámicos y flavan-3-oles. Además, los compuestos fenólicos también aumentaron en las manzanas tratadas con US a 25 µm durante 1 min después de 48 h (11.48 % fenoles totales) y a 100 µm durante 1 min después de 72 h (30.6 % fenoles totales), mostrando el efecto tardío de los US. La actividad enzimática de la fenilalanina amonio liasa (PAL) aumentó en las manzanas tratadas después de 48 y 72 h. Posteriormente, las manzanas fueron sometidas a un proceso de digestión in vitro para evaluar el contenido de fenoles en las fracciones bioaccesibles y no bioaccesibles, así como determinar la bioaccesibilidad de los compuestos fenólicos. El contenido fenólico fue mayor tanto en la fracción bioaccesible como en la no bioaccesible justo después del tratamiento con US a 100 µm en comparación con las mismas condiciones, pero después de un tiempo de postratamiento de 48 h. La bioaccesibilidad de los compuestos fenólicos también fue mayor justo después del tratamiento con US que después de un postratamiento de 48 h, evidenciando el tiempo de postratamiento como un factor clave. La mayor bioaccesibilidad de los compuestos fenólicos (1.8 %) se encontró justo después de un tratamiento US de 100 µm durante 15 minutos. En segundo lugar, se investigaron los efectos de la tecnología TS (95 ºC durante 2.8 min o 90 ºC 2.53 min) y térmica (95 ºC 4.5 min o a 95 ºC 0.5 min) sobre los compuestos fenólicos individuales en zumos de manzana elaborados a partir de manzanas tratadas con US (100 o 25 µm durante 15 min). Los zumos termosonicados a 95 ºC durante 2.8 min mostraron los valores más altos de compuestos fenólicos totales (237.4 ± 54.0 mg kg-1). El perfil fenólico mejoró especialmente para el ácido 5-cafeoilquínico, la epicatequina y la procianidina B2. Sin embargo, los zumos elaborados a partir de manzanas tratadas con US no mostraron una mejora de los compuestos fenólicos totales o individuales en comparación con los zumos igualmente tratados pero elaborados a partir de manzanas no tratadas. Posteriormente, estos zumos se sometieron a una digestión in vitro para examinar el contenido fenólico en las fracciones bioaccesibles y no bioaccesibles de los zumos, así como su bioaccesibilidad. Los compuestos fenólicos totales aumentaron en ambas fracciones tanto para los zumos termosonicados como para los tratados térmicamente. No obstante, la mayor bioaccesibilidad de compuestos fenólicos (33.1 %) se encontró en los zumos tratados térmicamente a 95 ºC durante 0.5 min elaborados a partir de manzanas tratadas con US a 100 µm. Los resultados obtenidos en esta Tesis Doctoral evidencian el potencial de las tecnologías estudiadas para obtener manzana y zumos de manzana con mayor bioaccesibilidad de compuestos fenólicos. Por lo tanto, estos resultados proporcionan un nuevo enfoque para el desarrollo de productos derivados de la manzana más saludables.

In the recent years, innovative technologies are standing out for obtaining high quality and healthy products, in order to keep up with consumer demand. In this Doctoral thesis, the application of ultrasound (US) technology is investigated as an innovative strategy to enhance the extractability and/or trigger the phenolic compounds biosynthesis in whole apples. The objective of this Doctoral Thesis was to investigate the effects of US on the content and bioaccessibility of phenolic compounds in whole apples, as well as to study the effect of thermosonication (TS) on the content and bioaccessibility of phenolic compounds in apple juice. Firstly, the effect of US on the individual phenolic compounds, quality attributes, as well on phenol-related enzymes in whole apples was studied at different amplitudes (100 or 25 µm), treatment times (1, 3 or 15 min) and post-treatment times (0, 24, 48, 72 h). Total phenolic compounds (TPC) were increased by US treatment while quality parameters such as soluble solids, titratable acidity, colour and firmness parameters were well-preserved. US-treated apples at 25 µm for 15 min showed an enhanced extractability of TPC (18.2 %) just after treatment, mainly for hydroxycinnamic acid and flavan-3-ol families. Furthermore, TPC were also increased in US-treated apples at 25 µm for 1 min after 48 h (11.48 % TPC) and at 100 µm for 1 min after 72 h (30.6 % TPC), highlighting the late effect of US treatment. In this line, the phenylalanine ammonia lyase (PAL) activity increased in apples treated after 48 and 72 h. Afterwards, apples were subjected to in vitro digestion to evaluate the content of phenolics in both bioaccessible and non-bioaccessible fractions, as well as the phenolic bioaccessibility. The phenolic content was higher in both bioaccessible and non-bioaccessible fraction just after applying US at 100 µm in comparison with the same conditions but after a post-treatment time of 48 h. Phenolic bioaccessibility was also higher just after US treatment than after a post-treatment of 48 h, standing the post-treatment time as a key factor. The highest phenolic bioaccessibility (1.8 %) was found just after at US treatment of 100 µm for 15 min. Secondly, the effects of TS technology (TS at 95 ºC for 2.8 min or at 90 ºC 2.53 min) and heat (95 ºC 4.5 min or at 95 ºC 0.5 min) were investigated on individual phenolic compounds in apple juices made from US-treated apples (at 100 or 25 µm for 15 min). Juices thermosonicated at 95 ºC for 2.8 min showed the highest values for TPC (237.4 ± 54.0 mg kg-1). The phenolic profile was enhanced especially for 5-caffeoylquinic acid, epicatechin and procyanidin B2. Nevertheless, juices made from US-treated apples did not show an improvement of total or individual phenolic compounds in comparison with juices equally treated but made from untreated apples. Subsequently, these juices were subjected to an in vitro digestion to examine the phenolic content in both bioaccessible and non-bioaccessible fractions of juices, as well on the phenolic bioaccessibility. In this line, both bioaccessible and non-bioaccessible TPC fractions were raised in thermosonicated and thermally-treated juices. Nevertheless, the effect of US in apples was evident due to the highest bioaccessibility (33.1 %) observed in thermally-treated juices at 95 ºC for 0.5 min and made from US-treated apples at 100 µm. The results obtained in this Doctoral Thesis evidence the potential of the evaluated technologies to obtain apple and apple juices with enhanced phenolic bioaccessibility. Hence, these results provide an innovative approach for developing healthier apple-derived products.