Aspetti qualitativi, metabolici e funzionali di prodotti di IV gamma

Giornata del Dottorato – Curriculum in Scienze e Biotecnologie degli Alimenti 2015
Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agro-Alimentari, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, Cesena, 27 Marzo 2015
Aspetti qualitativi, metabolici e funzionali di prodotti di IV gamma tradizionali
ed innovativi
Silvia Tappi (email: [email protected])
Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agro-Alimentari, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna
Corso di Dottorato: Scienze e Tecnologie Agrarie, Ambientali e Alimentari
Curriculum: Scienze e Biotecnologie degli Alimenti; Ciclo di dottorato: XXVIII; Anno di frequenza: III
Tutor: Dott. Pietro Rocculi, Prof.ssa Santina Romani; Co-tutor: Dott.ssa Urszula Tylewicz
1. Stato dell’arte
I prodotti ortofrutticoli di IV gamma sono prodotti che subiscono operazioni di preparazione al minimo mantenendo
caratteristiche qualitative molto simili a quelle della materia prima. Poiché alle caratteristiche degli ortofrutticoli
freschi, questi prodotti riescono ad affiancare un elevato contenuto in servizio (convenience), rappresentano un settore
di mercato in continua espansione (Alzamora et al., 2000).
Le operazioni di trasformazione a cui sono sottoposti durante la produzione, provocano danneggiamenti meccanici a cui
i tessuti, essendo metabolicamente attivi, reagiscono mettendo in atto una complessa serie di risposte fisiologiche,
fenomeno conosciuto come metabolismo da ferita (wounding response), finalizzate a riparare i danni causati ai tessuti
(Aguayo et al., 2004). Questa risposta metabolica comprende fenomeni quali aumento del tasso di respirazione e di
traspirazione, della produzione di etilene e dell’attività enzimatica che accelerano la degradazione della qualità e
pertanto la fine della shelf-life dei prodotti.
Esistono vari fattori in grado di influire sull’intensità di tale risposta, alcuni intrinseci, altri estrinseci. Fra i fattori
intrinseci un ruolo importante è rivestito dalla scelta della cultivar e dal grado di maturazione, sia alla raccolta che al
taglio (Hodges e Tovoinen, 2008).
Fra i diversi trattamenti che sono stati studiati al fine di rallentare i processi degradativi che limitano la qualità del
prodotto, i più studiati sono probabilmente i trattamenti di immersione (dipping) in soluzioni acquose di agenti
stabilizzanti applicati dopo pelatura e taglio. Gli effetti dell’applicazione di varie sostanze ad attività antiossidante,
acidulante, antimicrobica ecc. e le loro possibili interazioni sinergiche sulla qualità del prodotto finale, sono stati
ampiamente studiati (Avhenainen, 2000; Soliva-Fortuny et al., 2003; Rocculi et al., 2004).
L’impregnazione sottovuoto (VI) è un trattamento che prevede l’immersione del prodotto in una soluzione isotonica e
l’applicazione del vuoto per ottenere l’introduzione di liquidi all’interno della struttura porosa di alcuni alimenti
sfruttando un trasferimento di massa noto come meccanismo idrodinamico (Chiralt e Fito, 2003). L’introduzione e la
distribuzione delle sostanze in soluzione all’interno del tessuto risulta più profonda e omogenea se confrontata con
quella ottenuta a seguito di un più classico trattamento di immersione. Questo aspetto può essere sfruttato per arricchire
i prodotti con sostanze ad azione bioattiva o funzionale (Betoret et al., 2003).
Sulla durata della shelf-life e sul mantenimento della qualità del prodotto finale, riveste notevole importanza anche
l’operazione di confezionamento. Il confezionamento in atmosfera protettiva (MAP) che utilizza i gas tradizionali (O2,
CO2 e N2) è stato ampiamente studiato ed è già largamente diffuso, mentre solo recentemente sono stati valutati gli
effetti di gas innovativi quali argon e protossido d’azoto (Rocculi et al., 2004; Rocculi et al., 2005).
Le ricerche relative alla qualità ed alla stabilizzazione di prodotti di IV gamma sono numerose, tuttavia risultano ancora
largamente sconosciuti gli effetti di trattamenti tradizionali ed innovativi di preparazione sui meccanismi di risposta
fisiologica, sul metabolismo e sulle caratteristiche funzionali di tali prodotti.
2. Bibliografia
Aguayo E, Escalona VH, Artés F (2004) Metabolic behaviour and quality changes of whole and fresh processed melon.
J. Food Sci. 69: 4.
Ahvenainen, R (2000) Minimal processing of fresh produce. In: Alzamora, S.M., Lopez-Malo, A., Tapia, M.S. (Eds.)
Minimally Processed Fruits and Vegetables. Aspen Publisher Inc. Gaithersburg MD, pp 277-290.
Alzamora SM, Tapia MS, Lopez-Malo A (2000) Minimally Processed Fruits and Vegetables, Aspen Publisher Inc,
USA, Gaithersburg, Maryland.
Betoret N, Puente L, Diaz MJ, Pagan MJ, Garcı́a MJ, Gras ML, Martı́nez-Monzó J, Fito P (2003) Development of
prebiotic-enriched dried fruits by vacuum impregnation. J. Food. Eng. 56: 273-277.
Chiralt A, Fito P (2003) Transport mechanism in osmotic dehydration. The role of the structure. Food Sci. Technol. Int.
9:179–186.
Rocculi P, Romani S, Dalla Rosa M (2004) Evaluation of physico-chemical parameters of minimally processed apples
packed in non-conventional modified atmosphere. Food Res. Int. 4: 329-335.
Rocculi P, Romani S, Dalla Rosa M (2005) Effect of MAP with argon and nitrous oxide on quality maintenance of
minimally processed kiwifruit. Post. Biol. Technol. 35: 319-328.
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Tylewicz U, Fito PJ, Castro-Giràldez M, Fito P, Dalla Rosa M (2011) Analysis of kiwifruit osmodehydration process
by systematic approach systems. J. Food Eng. 104: 438-444.
Varoquaux P, Lecendre I, Varoquaux F, Sounty M (1990) Change in firmness of kiwifruit after slicing. Sciences des
Aliments 10: 127-139.
3. Sviluppo della ricerca
Il progetto di tesi di dottorato è stato suddiviso nelle attività riportate di seguito e riepilogate nel diagramma di Gantt di
tabella 1:
A1) Ricerca bibliografica per approfondire le conoscenze relative allo stato dell’arte.
A2) Studio dell’influenza dello stadio di maturazione. I prodotti selezionati a diversi stadi di maturazione saranno
sottoposti ad invecchiamento accelerato al fine di valutare l’evolversi di alcuni indici qualitativi, metabolici e
funzionali.
A3) Studio dell’effetto di vari pre-trattamenti tradizionali ed innovativi, in particolare disidratazione osmotica,
trattamenti con gas plasma e impregnazione sottovuoto.
A4) Studio dell’effetto del confezionamento durante stoccaggio refrigerato dei prodotti selezionati in base ai risultati
della fase A3.
A6) Scrittura e pubblicazione della tesi di dottorato, poster, articoli scientifici e presentazione orale
Tabella 1. Diagramma di Gantt dell’attività di ricerca del dottorato
Attività
Mese
A1) Ricerca bibliografica
A2) Studio dell’influenza dello stadio di maturazione
A3) Studio dell’effetto di vari pre-trattamenti
1) Disidratazione osmotica
2) Trattamenti con gas plasma
3) Impregnazione sottovuoto
A4) Studio dell’effetto del confezionamento
A6) Preparazione della tesi, articoli e poster
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
4. Principali risultati
Il presente progetto di ricerca si propone di valutare aspetti qualitativi, metabolici e funzionali di prodotti di IV gamma
sottoposti a interventi di preparazione, tradizionali ed innovativi.
Nel secondo anno di attività, la ricerca è stata principalmente focalizzata sui seguenti aspetti:
1) studio delle caratteristiche chimico-fisiche e metaboliche di mele sottoposte a disidratazione osmotica;
2) effetto di acido ascorbico e calcio lattato sulla vitalità di cellule di mele di IV gamma sottoposte ad
impregnazione sottovuoto;
3) caratteristiche qualitative e metaboliche di melone di IV gamma sottoposto a trattamento di impregnazione
sottovuoto a seguito di confezionamento con differenti tipologie di materiali di imballaggio
Di seguito verranno presentati i principali risultati relativi alle attività descritte nei punti 1 e 2.
1) studio delle caratteristiche chimico-fisiche e metaboliche di mele sottoposte a disidratazione osmotica (OD)
Il trattamento di OD è un processo di parziale disidratazione che consiste nell’immersione di tessuto cellulare
(principalmente vegetali in pezzi) in una soluzione ipertonica. Le soluzioni tipicamente usate per la frutta contengono
soprattutto saccarosio e/o glucosio ma possono contenere anche altri soluti a seconda del tipo di applicazione e della
finalità del processo. Infatti, attraverso una calcolata incorporazione di soluti nella soluzione, è possibile modificare le
proprietà funzionali e nutrizionali raggiungendo una specifica formulazione del prodotto senza modificarne l’integrità.
Premesso questo, la ricerca in oggetto ha avuto come scopo lo studio, attraverso un approccio analitico
multidisciplinare, dell’influenza del trattamento di disidratazione osmotica su mele Pink Lady®.
Il trattamento è stato eseguito utilizzando quattro soluzioni ipertoniche diverse contenenti il 40% di saccarosio (Suc), e
il 2% di acido ascorbico (Suc-AA), 40% disaccarosio e 4% di lattato di calcio (Suc-CaLac) e la combinazione di tutti e
tre i soluti (Suc-AA-CaLac).
La durata totale del trattamento di OD è stata di 240 minuti ed i campioni sono stati prelevati per le determinazioni
analitiche dopo 30, 60, 120 e 240 minuti. In particolare è stato studiato l’effetto delle differenti soluzioni sulle
caratteristiche chimico-fisiche (colore e diffusione dei soluti all’interno dei tessuti) e metaboliche (calore prodotto e
tasso di respirazione) del prodotto.
I dati delle cinetiche di variazione del contenuto in saccarosio, calcio e acido ascorbico sono stati elaborati tramite il
modello di Peleg. Da tale modello sono state ricavate le costanti k1 e k2 i cui inversi sono proporzionali rispettivamente
alla velocità iniziale del fenomeno e alla velocità del fenomeno verso l’equilibrio. Inoltre dalla costante k2 è possibile
calcolare il valore di una variabile all’equilibrio.
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Dai risultati ottenuti, è emerso come la presenza di acido ascorbico nella soluzione utilizzata per il trattamento osmotico
o
sembra aver inibito l’imbrunimento delle mele (in quanto l’acido ascorbico è un noto agente anti-imbrunimento),
anti
favorendo un maggior mantenimento del colore del prodotto fresco.
La diffusione di tutti i soluti (saccarosio, calcio ed acido ascorbico)
ascorbico) all’interno dei tessuti, è stata favorita dalla
compresenza di calcio e acido ascorbico in soluzione probabilmente a causa del maggior
maggior potere osmotico esercitato da
questi ultimi composti, come si può osservare dalla figura 1.
Figura 1 Applicazione del
el modello di Peleg ai dati di contenuto di saccarosio, calcio e acido ascorbico
Figura 2 Calore totale prodotto in 12 ore dai campioni
di mela in seguito a disidratazione osmotica
La figura 2 riporta il calore metabolico prodotto dalle
mele durante 12 ore di analisi calorimetrica. Come si può
osservare, i campioni sottoposti a disidratazione osmotica
in presenza di solo saccarosio presentavano rispetto al
campione
mpione fresco una minore produzione di calore
metabolico che è stata ulteriormente ridotta dalla presenza
di calcio nella soluzione.
Al contrario, i campioni impregnati con acido ascorbico
hanno mostrato una maggiore produzione di calore
evidenziando una risposta
isposta fisiologica del tessuto in
seguito alla diffusione di tale soluto al suo interno.
Quando l’acido ascorbico era in combinazione con il
calcio, è stato osservato un’iniziale diminuzione del
calore metabolico prodotto, a livelli più bassi rispetto al
campione fresco, seguita da un rapido aumento.
Quindi, mentre il calcio sembra inibire l’attività metabolica, l’acido ascorbico sembra accelerarla rendendo
potenzialmente più breve la shelf-life
life delle mele minimamente processate.
2) effetto di acido ascorbico e calcio lattato sulla vitalità di cellule di mele di IV gamma sottoposte ad
impregnazione sottovuoto
I sali di calcio vengono spesso utilizzati in combinazione con agenti anti-imbrunimento
imbrunimento come l’acido ascorbico in
quanto il loro riconosciuto effetto sulle pareti e membrane cellulari rallenta il rammollimento dei tessuti, riduce
r
la
suscettibilità a contaminazioni e prolunga pertanto la shelf-life del prodotto.
In questo studio è stato valutato l’effetto di calcio lattato e acido ascorbico sulla vitalità delle cellule di mele impregnate
e sul metabolismo del tessuto.
Cilindri di mela (h = 40 mm, d = 7 mm) sono
son stati impregnati con una soluzione isotonica di saccarosio ad un pressione
minima di 200 mbar. Un sistema di controllo automatico
automatico del vuoto collegato ad una pompa è stato utilizzato per
monitorare la pressione durante il processo.
La concentrazione
centrazione dei soluti variava tra 0-4% per il calcio lattato e tra 0-2%
2% per l’acido ascorbico secondo un piano
fattoriale del tipo Central Composite
omposite Design (CCD).
La vitalità delle cellule è stata valutata subito dopo impregnazione e dopo condizionamento per 24 ore a 8°C tramite
due tecniche microscopiche utilizzando un microscopio a fluorescenza (Eclipse Ti-U,
Ti
Nikon Co, Japan) e un
microscopio ottico.
Le immagini acquisite suggeriscono che i campioni impregnati con una concentrazione di acido ascorbico superiore
all’1% hanno parzialmente perso la vitalità in seguito al trattamento.
trattamento
I risultati ottenuti tramite calorimetria in isoterma mostrano come in generale tutti i campioni abbiano prodotto minor
calore rispetto al campione fresco. Il campione sottoposto ad impregnazione con solo saccarosio presentava un valore
pari al 70% del calore totale prodotto dal fresco; tuttavia, la presenza dei soluti
soluti ha influenzato in maniera significativa
questo parametro.
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I valori di calore totale sono stati modellati mediante
regressioni multiple al fine di ottenere equazioni
polinomiali quadratiche in grado di descrivere gli effetti
individuali, interattivi e quadratici delle variabili
indipendenti sulla variabile dipendente considerata. Per
meglio evidenziare gli effetti principali ed interattivi delle
variabili dipendenti è stato costruito, a partire
dall’equazione ottenuta, il profilo di risposta riportato in
figura 3. In particolare, è emerso che i parametri
quadratici delle due variabili hanno influenzato
positivamente la quantità di calore metabolico prodotto
mentre è stata riscontrata una significativa inibizione
dovuta all’interazione dei due soluti.
Fitted Surface; Variable: Var10
2 factors, 1 Blocks, 12 Runs; MS Residual=100.4538
DV: Var10
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
AA
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Ca
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
> 140
< 140
< 120
< 100
< 80
< 60
< 40
< 20
Figura 3. Effetto della concentrazione di CaLac e AA sul
calore metabolico prodotto
Infatti, come mostra la figura 3, in corrispondenza dei valori più elevati di entrambi, si è rilevata una riduzione del 60%
del calore metabolico prodotto rispetto al campione fresco.
In conclusione, dai risultati ottenuti dalle due ricerche presentate, risulta evidente come ulteriori studi siano necessari
per comprendere più a fondo sia le risposte fisiologiche dei tessuti vegetali a seguito della presenza dei due soluti
considerati durante i trattamenti di disidratazione osmotica e di impregnazione sottovuoto, che la relazione tra vitalità
cellulare e calore metabolico prodotto.
5. Elenco delle pubblicazioni prodotte nell’ambito dell’attività di dottorato
Tappi S, Tylewicz U, Cocci E, Romani S, Dalla Rosa M, Rocculi P (2013) Influence of ripening stage on quality
parameters and metabolic behaviour of fresh-cut kiwifruit slices during accelerated storage, J. Proc. Energy Agric.,
17(4), 149-153.
Tappi S, Berardinelli A, Ragni L, Tylewicz U, Romani S, Dalla Rosa M, Rocculi P (2013) Application of atmospheric
gas plasma to fresh-cut kiwifruit slices: physico-chemical, metabolic and metabolomic study. Proc. of 2013
EFFoST Annual Meeting. 13-15 Nov 2013 Bologna (Italy) [P2.092].
Tappi S; Berardinelli A; Ragni L; Dalla Rosa M, Rocculi P (2014) Atmospheric gas plasma treatment of fresh-cut
apple, Innov. Food Sci. Emerging Technol., 21, 114-122.
Dalla Rosa M, Rocculi P, Tylewicz U, Panarese V, Romani S, Tappi S (2014) Understanding the relationship between
metabolic modifications and quality retention in minimally processed kiwifruit, Proc. of Congreso Iberoamericano
de Ingeniería de Alimentos CIBIA9, pp.37-45, 15-16 Gen 2014, Valencia.
Tappi S, Tylewicz U, Romani S, Dalla Rosa M, Rocculi P (2014) Preliminary study for the application of Vacuum
Impregnation with calcium salts to fresh-cut melon, Proc. of Food Structure and Functionality Forum Symposium
[P1.48], 30 March-2 Apr, 2014, Amsterdam.
Tappi S, Tylewicz U, Cocci E, Romani S, Dalla Rosa M, Rocculi P (2014) Influence of ripening stage on metabolic
heat production of fresh-cut kiwifruit and melon, Proc. of XVIII ISBC - International Society for Biological
Calorimetry Conference, 01-04 June 2014, Lund.
Tappi S, Tylewicz U, Berardinelli A, Romani S, Ragni L, Dalla Rosa M, Rocculi P (2014) Effect of cold plasma on
fresh-cut fruit tissues metabolism, Proc. of XVIII ISBC - International Society for Biological Calorimetry
Conference, 01-04 June 2014, Lund.
Tappi S, Tylewicz U, Romani S, Dalla Rosa M, Rocculi P (2014) Effect of vacuum impregnation with calcium salts on
quality and metabolism of fresh-cut melon, Proc. of XVIII ISBC - International Society for Biological Calorimetry
Conference, 01-04 June 2014, Lund.
Mauro MA, Dellarosa N, Tylewicz U, Tappi S, Laghi L, Rocculi P, Dalla Rosa M (2014) Calcium and ascorbic acid
affect cellular structure and water mobility in apple tissue during osmotic dehydration in sucrose solutions, Proc.
of Euro Food Water Conference, 25-27 May 2014, Timisoara.
Ramazzina I, Berardinelli A, Rizzi F, Tappi S, Ragni L, Sacchetti G, Rocculi P. Effect of cold plasma treatment on
physico-chemical parameters and antioxidant activity of minimally processed kiwifruit, Post. Biol. Technol.,
submitted for publication.
Mauro MA, Dellarosa N, Tylewicz U, Tappi S, Laghi L, Rocculi P, Dalla Rosa M. Calcium and ascorbic acid affect
cellular structure and water mobility in apple tissue during osmotic dehydration in sucrose solutions, Food Chem.,
submitted for publication.
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