Application of new technologies to cocoa alkalization

Abstract

[ES] «Aplicación de nuevas tecnologías a la alcalinización de cacao» es una tesis doctoral centrada, por un lado, en el estudio de los cambios fisicoquímicos y funcionales causados por dos técnicas de alcalinización alternativas a la convencional y, por otro, en la comparación de dichas propiedades con las de muestras comerciales.

En el capítulo I, se describe un sistema de alcalinización basado en extrusión. Esta tecnología se ha aplicado a la alcalinización de cacao dada su capacidad de tratar la materia prima de forma rápida y continúa, y su bajo consumo energético. En primer lugar, se estudiaron los efectos de diversas variables de proceso sobre las propiedades fisicoquímicas y funcionales de cacaos en polvo. En general, de todas las variables, el tipo y la concentración de álcali fueron las principales responsables del incremento de pH, del oscurecimiento de las muestras y de la reducción en el contenido de compuestos funcionales. En cuanto a la humedad, fueron la temperatura y el contenido en agua las que mostraron causar los mayores efectos, llegando a producir reducciones de casi un 50%. Además de evaluarse el efecto de las diferentes variables, en este capítulo también se compararon los cacaos producidos mediante extrusión con los alcalinizados por el método convencional. Los resultados mostraron que la extrusión, en menos de cinco minutos, fue capaz de oscurecer y de producir cacaos en polvo con un perfil sensorial, una capacidad antioxidante y un contenido en polifenoles totales relativamente similar al de los productos comerciales.

En cuanto al capítulo II, en este se ha estudiado la técnica de calentamiento por microondas como una alternativa al tratamiento de alcalinización tradicional. La tecnología microondas ha demostrado ser rápida, versátil y capaz de preservar las características funcionales y sensoriales, lo que ha hecho interesante su aplicación a la alcalinización de cacao. En los trabajos que forman este segundo capítulo, se estudiaron los efectos de diversas variables de proceso sobre el producto. En general, el tipo y la concentración de álcali fueron las variables principalmente responsables del oscurecimiento del cacao, del incremento del pH y de la reducción de las concentraciones de catequina y epicatequina. Sin embargo, el álcali empleado no redujo la actividad antioxidante ni al contenido en fenoles totales, propiedades que se vieron incrementadas por la presión, la potencia y la duración del tratamiento. Estos incrementos se relacionaron con la capacidad de estas variables para liberar a los polifenoles no extractables y para promover determinadas reacciones químicas. Además, también se estudió el efecto de las diferentes variables sobre la humedad. La potencia y la duración del tratamiento fueron las que se mostraron esenciales para lograr el secado del producto, llegando a producir reducciones de hasta el 70%. Por otro lado, además de estudiarse el impacto de las diferentes variables, también se compararon cacaos producidos por microondas con muestras producidas por el método convencional para evaluar su similitud con los cacaos comerciales. Los resultados mostraron que el microondas, en solo cuatro minutos, fue capaz de oscurecer el cacao y de mantener un perfil sensorial similar al producido por el método tradicional, a la par que conducía a una mejora en sus propiedades funcionales.

En resumen, los métodos para la alcalinización de cacao desarrollados en el marco de la presente tesis doctoral han demostrado ser unas alternativas muy prometedoras a la tecnología convencional. Ambas técnicas no solo han sido capaces de oscurecer el cacao tanto como el método comercial en un tiempo mucho menor, sino que también han conseguido el secado parcial de la muestra y unas características sensoriales y funcionales comparables o incluso mejores que las del método convencional.

[CA] «Aplicació de noves tecnologies a l'alcalinització de cacau» és una tesi doctoral centrada, d'una banda, en l'estudi dels canvis fisicoquímics i funcionals causats per dos tècniques d'alcalinització alternatives a la convencional i, d'altra banda, en la comparació d'aquestes propietats amb les de mostres comercials.

En el capítol I, es descriu un sistema d'alcalinització similar al convencional però basat en extrusió. Aquesta tecnologia s'ha aplicat a l'alcalinització de cacau per la seua capacitat de tractar la matèria primera de forma ràpida i continua, i pel seu baix consum energètic. En primer lloc, es van estudiar els efectes de diverses variables de procés sobre les propietats fisicoquímiques i funcionals de cacaus en pols. En general, de totes les variables, el tipus i la concentració d'àlcali van ser les principals responsables de l'increment de pH, de l'enfosquiment de les mostres i de la reducció en el contingut de compostos funcionals. Pel que fa a la humitat, van ser la temperatura i el contingut en aigua les que van causar els majors efectes, arribant a produir reduccions d'un 50%. A més d'avaluar l'efecte de les diferents variables, en aquest capítol també es van comparar els cacaus produïts mitjançant extrusió amb els alcalinizats pel mètode convencional. Els resultats van mostrar que l'extrusió, en menys de cinc minuts, va a ser capaç d'enfosquir i de produir cacaus en pols amb un perfil sensorial, una capacitat antioxidant i un contingut en polifenols totals relativament similar al dels productes comercials.

Pel que fa al capítol II, en aquest s'ha estudiat la tècnica de calfament per microones com una alternativa a l'alcalinització tradicional. La tecnologia microones ha demostrat ser ràpida, versàtil i capaç de preservar les característiques funcionals i sensorials, el que ha fet interessant la seua aplicació a l'alcalinització de cacau. En els treballs que formen aquest segon capítol, es van estudiar els efectes de diverses variables de procés sobre el producte. En general, el tipus i la concentració d'àlcali van ser les variables principalment responsables de l'enfosquiment del cacau, de l'increment del pH i de la reducció de les concentracions de catequina i epicatequina. No obstant això, l'àlcali empleat no va reduir l'activitat antioxidant ni al contingut en fenols totals, propietats que es van incrementar per la pressió, la potència i la duració del tractament. Aquests increments es van relacionar amb la capacitat d'aquestes variables per alliberar els polifenols no extractables i per promoure determinades reaccions químiques. A més, també es va estudiar l'efecte de les diferents variables sobre la humitat. La potència i la duració del tractament van ser les que es van mostrar essencials per aconseguir la deshidratació del producte, arribant a produir reduccions de fins al 70%. D'altra banda, a més d'estudiar-se l'impacte de les diferents variables, també es van comparar els cacaus produïts per microones amb mostres produïdes pel mètode convencional per tal d'avaluar la seua similitud amb els cacaus comercials. Els resultats van mostrar que el microones, en només quatre minuts, va ser capaç d'enfosquir el cacau i de mantenir un perfil sensorial similar al produït pel mètode tradicional, al mateix temps que conduïa a una millora en les seues propietats funcionals.

En resum, els mètodes per a l'alcalinització de cacau desenvolupats en el marc de la present tesi doctoral han demostrat ser unes alternatives molt prometedores per a substituir la tecnologia convencional. Les dos tècniques no només han estat capaces d'enfosquir el cacau tant com el mètode comercial en un temps molt menor, sinó que també han aconseguit la deshidratació parcial de la mostra i unes característiques sensorials i funcionals comparables a les del mètode convencional.

[EN] "Application of new technologies to cocoa alkalization" is a PhD thesis that aims to study the effects of two alternative techniques on the physicochemical and functional features of alkalized cocoa, and to evaluate their suitability to replace the traditional treatment.

In chapter I, the conventional system for alkalization in closed and pressurized vessels has been replaced by extrusion. This technique has been proved to be a fast, continuous and less energy-consuming method, characteristics that the traditional system lacks and that have promoted its application to cocoa alkalization. On the one hand, the effects produced by temperature, water content and alkali type and concentration were evaluated on the physicochemical and functional features of cocoa. In general, alkali type and concentration were the main variables increasing the pH, darkening the sample, but also reducing the functional content, while water content and temperature exerted minor effects. On the other hand, the temperature and the water content were the variables exhibiting the greatest effect on the moisture content, leading to reductions of almost 50%. Moreover, the extrusion alkalization products were compared to traditionally produced cocoa powders based on physicochemical, functional and sensory criteria. The results revealed that extrusion was faster and able to dark cocoa in a greater extent than the conventional treatment and to produce sensory acceptable powders. These results confirm that extrusion is a feasible and promising alternative method able to alkalize cocoa in a fast, continuous and less energy-consuming manner.

In chapter II, microwave heating has been studied as a substitute of the traditional alkalization treatment. This heating method has proven to be fast, versatile and able to preserve functional and sensory features of the treated products, which has made interesting its application to cocoa alkalization. The effects of the microwave heating technique on water content, power, duration, pressure application and alkali type and concentration were analyzed. In general, alkali type and concentration were the main variables inducing the darkening of cocoa, increasing its pH and reducing the concentrations of catechin and epicatechin. However, these variables did not affect the antioxidant activity and the total phenol content of the treated cocoas in comparison to the untreated one. Treatment pressure, power and duration exerted positive effects on the antioxidant activity, the total phenol content or both. These changes were related to the capacity of these variables, in combination with the alkali agent, to release non-extractable polyphenols from the matrix and to the induction of different chemical reactions. Additionally, the effects of the different variables were studied on the moisture content. Power and duration of the microwave heating treatment were decisive in the reduction of the water content, which was significantly reduced up to 70%. In terms of the evaluation of the suitability of the developed microwave heating alkalization method, the produced cocoas were compared to the traditionally alkalized ones in their physicochemical, functional and sensory characteristics. The developed fast microwave heating treatment showed to be able to dark cocoa as much as the traditional method, to produce sensory equivalent powders and to lead to the obtaining of cocoas with higher antioxidant activity and phenol content.

In conclusion, this PhD thesis has applied extrusion and microwave heating as promising alternatives to cocoa alkalization. These technologies have demonstrated to dark cocoa in a significantly faster fashion than the traditional alkalization treatment, while keeping similar sensory profile and functional features, and substantially drying the product.