The effect of pulsed electric field pre-treatment on drying kinetics and quality in dehydrated fruits and vegetables

The main objective of the thesis is to study the effect of different pre-treatments on the drying of vegetables foods. In particular, for Goji berries, classified as "super food", a traditional pre-treatment based on surface abrasion, was used. While for carrots and parsnips, an innovative pre-treatment, based on pulsed electrical fields, was used. Goji berries have the epidermis covered by a thin layer of wax, which obstructs the passage of moisture from inside to outside the fruit. In this study a physical pre-treatment, consisting in a mild abrasion of Goji berry peel with a pilot plant, was considered. The main nutritional and sensory variations in goji berries were determined, such as color, total sugars, antioxidant activity and carotenoids. The pre-treated berries showed reduced drying times and minor variations in color, while the sugar content was similar to untreated samples. In addition, the antioxidant activity of the abrasion-dried samples was higher than the untreated ones. Pulsed electric fields (PEF) treatment is an innovative, alternative method to traditional cell membrane permeabilization. PEF treatment was performed in a laboratory plant. The electrical impedance measurement of untreated and PEF treated tissues was used to detect the degree of permeabilization of cell membranes. The trials on carrot and parsnip slices have shown that the strength of the electric field and the number of pulses are the main process parameters that determine the effectiveness of the treatment. The degree of permeability is increased by increasing the electric field strength and the number of pulses. The study then investigated how the PEF pre-treatments influenced the drying kinetics and some qualitative parameters of the treated roots. PEF pre-treatments significantly reduced the drying time of carrot and parsnip slices. The cell disintegration index (CDI) was significantly different between carrots and parsnips. The drying time of carrots and parsnips treated with PEF was reduced to 21% at 60°C and 24% at 70°C, respectively. PEF and high temperatures induced the Maillard reaction in the parsnips, with high production of furosine and darkening of the samples, confirmed by the decrease in brightness values (L*) and the significant increase in the values of the yellow index (b*). Dried carrots pre-treated with PEF showed a lower brightness value than untreated ones. PEF treatment did not affect the characteristics of the texture of dried carrots and parsnips at 50 and 60°C, while a significant increase in the force needed to cut the slices at 70°C, was detected. Finally, the carotenoid content in dried carrots, mainly represented by β-carotene (69%) α-carotene (13%), phytoene (9%), 13-cis-β-carotene (8%) and 9-cis-β-carotene (1%), was more stable in PEF pre-treated samples.

L'obiettivo principale della tesi è di studiare l'effetto di diversi pretrattamenti sull'essiccamento di prodotti vegetali. In particolare si è utilizzato per un “super food”, le bacche di Goji, un pretrattamento tradizionale, basato su un’abrasione superficiale. Mentre nel caso di carote e pastinache è stato impiegato un pretrattamento innovativo, utilizzando i campi elettrici pulsati. Le bacche di Goji hanno la epidermide ricoperta da uno strato sottile di cera, che ostacola il passaggio di umidità dall'interno all'esterno del frutto. In questo studio è stato considerato un pretrattamento fisico, consistente nell'abrasione della buccia delle bacche di Goji con un impianto pilota. Sono stati quindi determinati le principali variazioni nutrizionali e sensoriali delle bacche di goji, quali colore, zuccheri totale, attività antiossidante e carotenoidi. Le bacche pretrattate hanno mostrato ridotti tempi di essiccamento e minori variazioni nel colore, mentre il contenuto zuccherino è risultato simile ai campioni non trattati. Inoltre, la capacità antiossidante dei campioni essiccati con abrasione è risultata maggiore di quelli non trattati. Il trattamento con campi elettrici pulsati (PEF) è un metodo innovativo alternativo a quelli tradizionali di permeabilizzazione delle membrane cellulari, come l'aggiunta di sostanze chimiche o enzimi. Il trattamento con PEF è stato effettuato in un impianto di laboratorio. La misura dell'impedenza elettrica dei tessuti trattati con PEF e non trattati è stata utilizzata per rilevare il grado di permeabilizzazione delle membrane cellulari. Gli studi effettuati su fette di carota e pastinaca hanno dimostrato che la forza del campo elettrico e il numero di impulsi sono i principali parametri di processo che determinano l'efficacia del trattamento. Il grado di permeabilizzazione è risultato maggiore aumentando la forza del campo elettrico e il numero di impulsi. Lo studio ha poi indagato come i pre-trattamenti (PEF) hanno influenzato le cinetiche di essiccamento e alcuni parametri qualitativi dei vegetali trattati. I pre-trattamenti con PEF hanno ridotto significativamente il tempo di essiccamento delle fette di carota e pastinaca. L'indice di disintegrazione delle cellule (CDI) era significativamente diverso tra carote e pastinaca. Il tempo di essiccamento delle carote e delle pastinache trattati con PEF è stato ridotto fino al 21% a 60°C e al 24% a 70°C. Il PEF e le alte temperature hanno indotto la reazione di Maillard nelle pastinache, con elevata produzione di furosina e imbrunimento dei campioni, confermata dalla diminuzione dei valori di luminosità (L*) e da un significativo aumento dei valori dell’indice giallo (b*). Le carote essiccate pre-trattate con PEF hanno mostrato un valore inferiore di luminosità rispetto a quelle non trattate. Il trattamento con PEF non ha influenzato le caratteristiche della struttura (texture) delle carote e delle pastinache essiccate a 50 e 60°C, mentre a 70°C è stato rilevato un significativo aumento della forza necessaria per tagliare le fette. Infine è stato determinato il contenuto in carotenoidi nelle carote, rappresentati soprattutto dal β-carotene (69%), seguito da α-carotene (13%), fitoene (9%), 13-cis-β-carotene (8%) e 9-cis-β-carotene (1%).