Processing of berries – Effects on functionality, stability and bioactivity of anthocyanins
Doktorsavhandling, 2019

Berries are rich natural sources of anthocyanins, water-soluble pigments in plants that have been linked to beneficial effects against chronic diseases, such as cardiovascular diseases, type 2 diabetes and neurodegenerative diseases. However, anthocyanins as well as other polyphenolic compounds are often sensitive to degradation during processing, storage and digestion. The stability of anthocyanins is affected, for example, by exposure to high temperatures, oxygen and increasing pH.  Non-thermal and mild processing approaches have been revealed as useful tools to extend the shelf-life of berries and preserve phenolic compounds during processing. 

The overall aims of this thesis were first to evaluate different mild drying techniques and the fractionation of bilberry press cake from juice production toward obtaining phenolic-rich ingredients for incorporation into value-added food products. Second, to assess the recovery of anthocyanins in semi-dried berries and in coated whole berries, and for future analyses of compounds derived from breakdown or metabolism of anthocyanins, by developing a sensitive LC-MS/MS method.  The recovery of anthocyanins was measured after non-thermal treatments and simulated gastrointestinal digestion of i) strawberry samples pre-treated with pulsed electric fields (PEF) prior to osmotic dehydration (OD) and ii) blueberry samples coated with chitosan and procyanidin. The third aim was to investigate the protective effect of digested anthocyanin extracts against H2O2-induced oxidative stress in yeast cells (Saccharomyces cerevisiae).

Hot air drying and microwave drying applied to bilberry press cake resulted in a small and similar reduction in the content of anthocyanins. Milling of bilberry press cake into powders with small particle size (< 500 µm) provided a powder with the highest apparent content of phenolic compounds. Considering the non-thermal treatments, the application of PEF-assisted OD of strawberries and the use of edible coatings to blueberries maintained or enhanced the stability of anthocyanins during in vitro gastrointestinal digestion. Digested strawberry samples osmotically dehydrated with trehalose and digested blueberries coated with chitosan and stored for 14 days, had the highest recovery of anthocyanins. A protective effect of anthocyanins from berry extracts was observed only when the yeast cells were pre-incubated with digested extracts. The results imply a biological effect, i.e. a changed phenotype during growth induced by digested anthocyanin-rich extracts, rather than a chemical effect.

In summary, berries can be tailored by mild processing to produce fortified ingredients and stabilise (poly)phenols during digestion. Also, the changes in their initial structures, occurring during digestion of berry extracts, are crucial to consider. Further studies on the bioactivities of anthocyanins and their transformed derivatives are needed to clarify the protective effects of digested anthocyanin-rich extracts.

berries

powder

hot air and microwave drying

osmotic dehydration

press cake

edible coating

anthocyanins

gastrointestinal in vitro digestion

polyphenols

pulsed electric field

oxidative stress

yeast

Kollektorn-salen, Kemigården 9, MC2-huset, Chalmers
Opponent: professor Marc Hendrickx, Catholic University of Leuven, KU Leuven, Belgium.

Författare

Gabriel Barbosa

Chalmers, Biologi och bioteknik, Livsmedelsvetenskap

Tailoring bilberry powder functionality through preprocessing and drying

Food Science and Nutrition,; (2019)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Oliveira, G.B., Radovanovic, N., Alminger M., Andlid, T. Digested berry extracts increase survival of Saccharomyces cerevisiae during H2O2-induced oxidative stress

Bär är naturligt rika på fenoliska föreningar, speciellt gruppen antocyaniner. Ett högt intag av antocyanin rika livsmedel har kopplats till gynnsamma effekter i form av minskad risk för kroniska sjukdomar såsom hjärt-kärlsjukdomar, typ-2 diabetes och neurodegenerativa sjukdomar. Antocyaniner är dock känsliga och kan brytas ned under processning, lagring samt i mag-tarmkanalen. Dess stabilitet påverkas bland annat av exponering för höga temperaturer, syre och höga pH-värden. Processning utan värme (icke-termisk) och andra milda processtekniker har visats vara lämpliga för att förlänga hållbarheten på bär samt bevara värdefulla ämnen.

I arbete har olika milda torkningstekniker och fraktionering av blåbärspresskaka utvärderats i syfte att återföra fenolrika ingredienser i sidoströmmar från juiceframställning till livsmedel. Dessa kan sedan användas som ingredienser i olika livsmedelsprodukter. Milda process tekniker (pulsade elektriska fält, osmotisk dehydrering, coating) användes för framställning av halvtorkade (semi-dried) jordgubbar och hela blåbär för att bevara bärens textur och utseende. Halten antocyaniner i processade bär utvärderades efter simulerad matspjälkning, för analyserna utvecklades en känslig LC-MS/MS metod. För att ta reda på om antocyaninextrakt från bär kan skydda levande celler från kraftig oxidativ stress genomfördes en studie med jäst (Saccharomyces cerevisiae) som utsatts för H2O2. I försöken utvärderades även hur själva matspjälknings processen påverkade antocyaninextraktens förmåga att skydda cellerna mot stress.

Vår forskning visar att blåbärspresskaka torkad med mild varmluftstorkning eller mikrovågstorkning resulterar i en bevarad antocyaninhalt. Malning av blåbärspresskakan till ett pulver med liten partikelstorlek (< 500 μm) gav ett pulver med det högsta antocyanin-innehållet. Under icke-termisk behandling, användning av pulsat elektriskt fält i kombination med osmotisk dehydrering samt coatning av jordgubbar med ett ätbart skyddande lager bevarade eller förbättrades stabiliteten av antocyaniner under in vitro matspjälkning. En påtaglig skyddande effekt mot oxidativ stress observerades när jäst fick tillväxa i närvaro av digererade (simulerad matspjälkning) bär-extrakt. Ingen effekt erhölls med motsvarande icke-digererade extrakt. Resultaten tyder på en biologisk effekt, dvs en förändring i fenotyp till mer stresståliga celler, orsakad av antocyaniner i former som kan erhållas vid matspjälkningen, snarare än en direkt kemisk effekt.

Doktorsarbetet visar att milda processer kan anpassas för att producera mervärdes-ingredienser från bär och för att stabilisera (poly)-fenoler under matspjälkningen. Under matspjälkningen förändras de fenoliska föreningarnas ursprungsstrukturer, förändringar som visat sig vara en viktig del vid utvärdering av biologiska effekter av antocyaninextrakt. Fortsatta studier behövs för att studera bioaktiviteten av antocyaniner och klargöra mekanismerna bakom de skyddande effekterna av digererade antocyaninrika extrakt.

EcoBerries part 1

Formas, 2014-12-01 -- 2018-12-31.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Innovation och entreprenörskap

Ämneskategorier

Analytisk kemi

Biologiska vetenskaper

Livsmedelsteknik

Infrastruktur

Chalmers infrastruktur för masspektrometri

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Styrkeområden

Livsvetenskaper och teknik (2010-2018)

Lärande och undervisning

Pedagogiskt arbete

ISBN

978-91-7905-187-7

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4654

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Kollektorn-salen, Kemigården 9, MC2-huset, Chalmers

Opponent: professor Marc Hendrickx, Catholic University of Leuven, KU Leuven, Belgium.

Mer information

Senast uppdaterat

2019-11-20