Onderzoek naar het potentieel van hogedruk-hogetemperatuurprocesvoering aangaande het textuurbehoud van verwerkte groenten en fruit: een casestudy op wortelen

Het thermisch behandelen van fruit, groenten en hun afgeleide producten met het oog op conservering gaat gepaard met aanzienlijke nutritionele e n sensorische kwaliteitsverliezen. Textuurverlies treedt op en is, naast verlies van turgordruk, hoofdzakelijk te wijten aan chemische veranderi ngen in de pectine-celwandpolysachariden. Hoge druk (HP)-procesvoering i s opgekomen als een alternatieve procestechnologie die een beter evenwic ht tussen voedselveiligheid en -kwaliteit garandeert voor diverse produc ten. Momenteel is HP-procesvoering gelimiteerd tot gekoelde of milde tem peraturen en resulteert in gepasteuriseerde levensmiddelen. De combinati e van HP en hoge temperatuur (HT) heeft bewezen te resulteren in gesteri liseerde levensmiddelen. Studies betreffende het effect van HP/HT-proces voering op voedselkwaliteit zijn echter schaars. Naast conserveringsdoel einden kan HP ook aangewend worden om nieuwe functionaliteiten te creëre n door specifieke wijzigingen te induceren. Deze toepassing vereist echt er een gedetailleerde kennis (op moleculair niveau) van de effecten van HP op biologische materialen. De voorliggende studie onderzoekt in deze context het potentieel van HP/HT-procesvoering aangaande het textuurbeho ud van verwerkte groenten en fruit. In een eerste, verkennend deel werd het effect van HP in combinatie met licht verhoogde temperatuur op de textuur van wortelen en op de onderlig gende celwandchemie onderzocht. Wortelen werden onderworpen aan drie ver schillende behandelingen (80 °C/0,1 MPa, 100 °C/0,1 MPa en 80& nbsp;°C/600 MPa). Vervolgens werden de residuele hardheid en microstruct urele veranderingen geëvalueerd. Het celwandmateriaal werd geïsoleerd ui t de wortelstalen en de pectinestructuur geanalyseerd. Thermische behand elingen bij 0,1 MPa veroorzaakten een uitgesproken weefselverzachting. D it ging vergezeld van een opmerkelijke celscheiding, een toename in het gehalte aan waterextraheerbaar pectine (WSP) en een overeenkomstige afna me in het gehalte aan pectine extraheerbaar met een oplossing van een ch elerend agens (CSP) en een natriumcarbonaatoplossing (NSP). HP/HT-behand elde wortelen vertoonden daarentegen minimale weefselverzachting en verw aarloosbare veranderingen in intercellulaire adhesie. Op moleculair nive au werd een opmerkelijke reductie in de veresteringsgraad (DM) van pecti ne waargenomen, evenals een laag gehalte WSP in tegenstelling tot hoge g ehaltes CSP en NSP, beperkte veranderingen in de verschillende pectinefr acties tijdens behandeling en een substantiële hoeveelheid pectine in he t fractionatie-residu. De resultaten duidden duidelijk op een verschille nd gedrag van wortelen wanneer een thermisch proces gecombineerd werd me t verhoogde druk. De beta-eliminatieve depolymerisatie van pectine wordt beschouwd als&nbs p;één van de hoofdoorzaken van het thermisch verzachten van laag-zure gr oenten en fruit. De reactiesnelheid is sterk afhankelijk van de DM van p ectine en het verlagen van de DM heeft bewezen het textuurverlies te red uceren. Het effect van HP/HT-procesvoering op de beta-eliminatiereactie en de chemische ontestering werd onderzocht in modelsystemen op basis va n pectine. Pectine-oplossingen bij pH 6,5 werden onderworpen aan HT (70 – 120 °C) bij 0,1 MPa en aan HT bij verhoogde druk (90, 110 en 115& nbsp;°C / 500, 600 en 700 MPa). Vervolgens werd de mate van beta-elimina tie en ontestering bepaald. Bij 0,1 MPa namen de nulde-orde reactiesnelh eidsconstanten van beide reacties toe met toenemende temperatuur. Bij al le temperaturen vertoonde ontestering een hogere snelheidsconstante dan beta-eliminatie. Een temperatuursverhoging resulteerde echter in een ste rkere toename van beta-eliminatie dan van ontestering. Door het combiner en van verhoogde temperatuur en HP werd de beta-eliminatie vertraagd of gestopt terwijl de ontestering sterk werd gestimuleerd. De textuurdegradatie van wortelen tijdens thermische en HP/HT-behandelin gen werd in detail bestudeerd. Wortelen werden thermisch (0,1 MPa) of HP /HT (600 MPa) behandeld in een temperatuurszone van 95 tot 110 °C. De evolutie van de hardheid kon goed beschreven worden door een model vo or fractionele conversie. In vergelijking met de thermische behandelinge n resulteerden de HP/HT-behandelingen in een tienmaal tragere textuurdeg radatie en een celwandpectine met een opmerkelijk lagere DM. Tevens werd het effect van het verlagen van de DM (door het toepassen va n een HP-voorbehandeling) en het toevoegen van exogene calciumionen (doo r drenking in een Ca2+-oplossing), voorafgaand aan de HP/HT-behandeling, op de textuur van wortelen onderzocht. Er werd vastgesteld dat deze gec ombineerde voorbehandeling resulteerde in een opmerkelijk hardere textuu r van HP/HT-behandelde wortelen. Een gelijkaardig resultaat werd echter bekomen door wortelen rechtstreeks HP/HT te behandelen in een calciumchl oride-oplossing, zonder voorafgaandelijke DM-reductie en drenking in een Ca2+-oplossing. Equivalente thermische en HP-processen, van zowel pasteurisatie- als ste rilisatie-intensiteit, werden geëvalueerd wat betreft hun effect op de h ardheid en microstructuur van wortelen. Voor beide procesintensiteiten v ertoonde HP-procesvoering een beter behoud van textuur dan thermische pr ocesvoering. Thermisch gepasteuriseerd wortelweefsel verloor 80% van zij n initiële hardheid en vertoonde celscheiding. In geval van HP-pasteuris atie beperkte het hardheidsverlies zich tot 40% en werd een goede celadh esie vastgesteld. Zowel het thermische als het HP-sterilisatieproces wer den gekarakteriseerd door verregaande weefselverzachting: respectievelij k 2 en 12% van de initiële hardheid werden slechts behouden. Deze extens ieve textuurdegradatie kwam ook tot uiting in de wortelmicrostructuur, w aar intense celscheiding en polymeersolubilisatie werden waargenomen, he t meest uitgesproken in geval van thermische sterilisatie. Er kan besloten worden dat HP/HT-procesvoering resulteert in een beter t extuurbehoud van wortelen dan thermische procesvoering bij atmosfeerdruk . De verhoogde druk leidt tot kortere procestijden en een toegenomen ont estering van pectine.VOORWOORD SAMENVATTING I ABSTRACT V TABLE OF CONTENTS VII LIST OF NOTATIONS XI GENERAL INTRODUCTION XIII 1 TEXTURE OF PROCESSED FRUITS AND VEGETABLES: A LITERATURE REVIEW 1 1.1 FOOD PRESERVATION 1 1.1.1 Thermal processing 2 1.1.1.1 Thermal process considerations 2 1.1.1.2 Technical aspects of thermal processing 3 1.1.1.3 Thermal processing and food quality 3 1.1.2 High-pressure processing 4 1.1.2.1 Introduction 4 1.1.2.2 Basic principles of high-pressure processing 4 1.1.2.3 Technical aspects of high-pressure processing 5 1.1.2.4 Effects of high-pressure on quality related food attributes 6 1.1.2.5 Commercial applications 8 1.1.2.6 High-pressure sterilization 9 1.2 TEXTURE OF FRUITS AND VEGETABLES 13 1.2.1 Plant structure 14 1.2.1.1 A structural hierarchy 14 1.2.1.2 Cell wall composition 15 1.2.1.3 Cell wall architecture 18 1.2.2 Textural changes during processing 19 1.2.2.1 The role of pectin conversions 19 1.2.2.2 Thermal processing of fruits and vegetables 23 1.2.2.3 High-pressure processing of fruits and vegetables 24 1.2.2.4 Texture improvement of thermally processed fruits and vegetables 25 1.3 CONCLUSION AND SCOPE OF THIS WORK 27 2 MECHANISTIC INSIGHT INTO TEXTURE EVOLUTION OF HIGH-PRESSURE/HIGH-TEMPERATURE PROCESSED CARROTS 29 2.1 INTRODUCTION 29 2.2 MATERIALS AND METHODS 30 2.2.1 Experimental setup 30 2.2.2 Carrots 30 2.2.3 Thermal treatments 30 2.2.4 High-pressure/high-temperature treatments 31 2.2.5 Texture measurement 31 2.2.6 Microstructure analysis 31 2.2.7 Pectin methylesterase extraction and activity assay 32 2.2.8 Preparation of alcohol insoluble residue 32 2.2.9 Determination of pectin degree of methoxylation 32 2.2.10 Pectin fractionation 33 2.2.11 Analysis of molecular mass distribution 33 2.2.12 Analysis of neutral sugars 34 2.3 RESULTS AND DISCUSSION 34 2.3.1 Hardness 34 2.3.2 Microstructure 35 2.3.3 Pectin structure 37 2.3.3.1 Degree of methoxylation of pectin 37 2.3.3.2 Changes in pectin solubility 38 2.3.3.3 Molecular mass distribution of pectin fractions 39 2.3.3.4 Degree of methoxylation of WSP and CSP 43 2.3.3.5 Neutral sugars content of pectin fractions 43 2.4 CONCLUSION 44 3 EFFECT OF HIGH-PRESSURE/HIGH-TEMPERATURE PROCESSING ON CHEMICAL PECTIN CONVERSIONS 47 3.1 INTRODUCTION 47 3.2 MATERIALS AND METHODS 48 3.2.1 Experimental setup 48 3.2.2 Pectin 48 3.2.3 Thermal treatments 48 3.2.4 High-pressure/high-temperature treatments 48 3.2.5 Determination of unsaturated uronides 50 3.2.6 Determination of methanol and pectin DM 50 3.2.7 Data analysis 50 3.2.8 Calculation of pH under high-pressure and high-temperature 51 3.3 RESULTS AND DISCUSSION 52 3.3.1 Influence of temperature on the rate of pectin degradation 52 3.3.2 Influence of high-temperature in combination with high-pressure on the rate of pectin degradation 54 3.3.3 Influence of pH on the rate of pectin degradation 56 3.3.4 Influence of DM on the rate of pectin degradation 57 3.3.5 Importance of buffer choice: comparison of Na-phosphate and MES buffer 58 3.4 CONCLUSION 60 4 TEXTURE DEGRADATION KINETICS OF CARROTS DURING THERMAL VERSUS HIGH-PRESSURE/HIGH-TEMPERATURE PROCESSING 61 4.1 INTRODUCTION 61 4.2 MATERIALS AND METHODS 62 4.2.1 Experimental setup to compare texture degradation kinetics of thermally and HP/HT treated carrots 62 4.2.2 Experimental setup to investigate the effect of pretreatments on carrot texture after thermal and HP/HT processing 62 4.2.3 Carrots 63 4.2.4 Thermal treatments 63 4.2.5 High-pressure/high-temperature treatments 63 4.2.6 Pretreatments 65 4.2.6.1 High-pressure pretreatment 65 4.2.6.2 Calcium chloride soaking 65 4.2.7 Texture measurement 65 4.2.8 Determination of pectin degree of methoxylation 65 4.2.9 Determination of Ca2+ content of carrots 65 4.2.10 Kinetic data analysis 65 4.3 RESULTS AND DISCUSSION 66 4.3.1 Comparison of texture degradation kinetics of thermally and HP/HT treated carrots 66 4.3.1.1 Carrot hardness 67 4.3.1.2 Carrot pectin degree of methoxylation 68 4.3.1.3 Effect of pressure build-up rate 70 4.3.2 Effect of pretreatments on carrot texture after thermal and HP/HT processing 70 4.3.2.1 Carrot hardness 70 4.3.2.2 Carrot pectin degree of methoxylation 72 4.3.2.3 Carrot Ca2+ content 73 4.3.2.4 Correlation of hardness with pectin DM and Ca2+ content carrots 75 4.4 CONCLUSION 76 5 TEXTURE PRESERVATION OF PROCESSED CARROTS: COMPARISON OF EQUIVALENT THERMAL AND HIGH-PRESSURE PROCESSES 79 5.1 INTRODUCTION 79 5.2 MATERIALS AND METHODS 80 5.2.1 Experimental setup 80 5.2.2 Carrots 80 5.2.3 Thermal pasteurization 80 5.2.4 High-pressure pasteurization 80 5.2.5 In-pack thermal sterilization 81 5.2.6 Pretreatment in case of thermal sterilization 81 5.2.7 High-pressure sterilization 81 5.2.8 Texture measurement 82 5.2.9 Microstructure analysis 82 5.3 RESULTS AND DISCUSSION 82 5.3.1 Thermal versus high-pressure pasteurization 82 5.3.1.1 Processing conditions 82 5.3.1.2 Carrot hardness and its evolution upon storage 83 5.3.1.3 Carrot microstructure 84 5.3.2 Thermal versus high-pressure sterilization 85 5.3.2.1 Processing conditions 85 5.3.2.2 Carrot hardness and its evolution upon storage 86 5.3.2.3 Carrot microstructure 86 5.3.2.4 Texture improvement of sterilized carrots 89 5.4 CONCLUSION 90 GENERAL CONCLUSIONS 93 REFERENCES 95 LIST OF PUBLICATIONS 107nrpages: 129status: publishe