Aspetti qualitativi, metabolici e funzionali di prodotti di IV gamma
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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. - 63 - 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 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. - 64 - Giornata del Dottorato – Curriculum in Scienze e Biotecnologie iotecnologie degli Alimenti 2015 Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agro-Alimentari, Agro Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, Bologna Cesena, 27 Marzo 2015 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. - 65 - 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 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. - 66 -