Study of different antifungal systems to preserve strawberry jams against fungi spoilage

Abstract

New tendencies in the development of innovative food packages could affect product microbial stability during storage. In this sense, antifungal systems such as emulsions, nanoemulsions and mesoporous silica supports, may be promising alternatives to preserve the product quality without having to apply further thermal treatments. The formulation of stable antifungal systems and the optimisation of the methodology to be employed to prepare these systems play an important role in: i) their antifungal effectiveness; ii) bioactive compounds losses during their preparation; and iii) their impact on the food product's sensory profile. Nanoemulsions prepared with essential oils generally presented higher antifungal effect than free essential oils applied at the same concentrations. Furthermore, the emulsifier played a key role in the resulting antifungal activity. Whey protein isolated-based nanoemulsions were more effective in inhibiting mycelial mould growth and spore germination than Tween 80-based ones. The great in vitro effectiveness of nanoemulsions to control mould development allowed to check their application to food products, and strawberry jam was selected as the food matrix. To this end, clove and cinnamon leaf emulsions were incorporated into strawberry jams to control fungal decay. Although these emulsions were able to reduce jam spoilage, their incorporation negatively affected the aroma, taste and the overall acceptance of the jam. Regarding the methodology employed to prepare oil-in-water emulsions, the magnetic stirring and high pressure homogenisation combination was the most effective to reduce essential oil losses. Moreover, stable cinnamon bark-xanthan gum emulsions with good in vitro antifungal properties against the target fungi were obtained. Despite the promising use of cinnamon bark emulsions to control fungi decay in strawberry jam, their incorporation negatively affected the product's aroma, taste and overall acceptance. Given the strong impact of essential oils on the food product's sensory profile, two new approaches were investigated: i) combinations of different antifungal compounds in emulsions; and ii) immobilisation of bioactive compounds on mesoporous silica surfaces. The cinnamon bark essential oil, zinc gluconate and trans-ferulic acid combination allowed the obtention of a product considered microbiologically acceptable and with good organoleptic characteristics. However, total mould inhibition was not achieved. Consequently, the antifungal and sensory properties of the bioactive agents (eugenol and thymol) immobilised on mesoporous silica surfaces were studied. The preparation of jams with eugenol immobilised on MCM-41 microparticles induced better control of the fungal inhibition compared with the samples functionalised with thymol. The sensory analysis of the jams after incorporating the solids revealed that eugenol and thymol immobilisation cushioned the impact of these compounds on the jam flavour profile.

Las nuevas tendencias en el desarrollo de envases alimentarios innovadores podrían afectar a la estabilidad microbiana del producto durante el almacenamiento. En este sentido, sistemas antifúngicos tales como emulsiones, nanoemulsiones y soportes mesoporosos de sílice pueden ser alternativas prometedoras para preservar la calidad del producto sin tener que aplicar otros tratamientos térmicos. La formulación de sistemas antifúngicos estables y la optimización de la metodología a emplear para preparar estos sistemas, tienen un papel importante en: i) su eficacia antifúngica; ii) pérdidas de los compuestos bioactivos producidas durante su preparación; y iii) su impacto en el perfil sensorial del producto alimenticio. Las nanoemulsiones preparadas con aceites esenciales presentaron por norma general un mayor efecto antifúngico que los aceites libres aplicados a las mismas concentraciones. Asimismo, el tipo de emulsionante utilizado desempeñó un papel clave en la actividad antifúngica de las nanoemulsiones. Las nanoemulsiones preparadas con proteína de suero de leche fueron más eficaces en la inhibición del crecimiento micelial y en la germinación de las esporas que las formuladas con Tween 80. La gran eficacia in vitro de las nanoemulsiones en el control del desarrollo de moho permitió evaluar su aplicación en productos alimenticios, siendo seleccionada la confitura de fresa como matriz alimenticia. Con este fin, las emulsiones de los aceites esenciales de clavo y de hoja de canela fueron incorporadas a las confituras de fresa con el fin de controlar el deterioro fúngico. A pesar de que estas emulsiones fueron capaces de reducir el deterioro fúngico de las confituras de fresa, su incorporación afectó negativamente al aroma, el sabor y la aceptación global de la confitura. En cuanto a la metodología empleada para preparar emulsiones aceite-agua, la combinación de agitación magnética y homogeneización por altas presiones fue la más eficaz para reducir las pérdidas de aceite esencial. Asimismo, se obtuvieron emulsiones estables con una alta capacidad antifúngica, determinada in vitro, frente a los hongos objeto de estudio. A pesar del prometedor uso de las emulsiones de aceite esencial de la corteza de canela en el control del deterioro fúngico de las confituras de fresa, su incorporación al alimento afectó negativamente al aroma, sabor y aceptación global del producto. Debido al gran impacto de los aceites esenciales en el perfil sensorial del producto alimenticio, se investigaron dos nuevos enfoques: i) combinaciones de diferentes compuestos antifúngicos en emulsiones; y ii) inmovilización de compuestos bioactivos sobre superficies de sílice mesoporosas. La combinación de aceite esencial de corteza de canela, el gluconato de zinc y el ácido trans-ferúlico permitió la obtención de un producto considerado microbiológicamente aceptable con buenas características organolépticas pero no se consiguió la inhibición total del crecimiento de moho. Por ello, se estudiaron las propiedades antifúngicas y sensoriales de agentes bioactivos (eugenol y timol) inmovilizados sobre superficies de sílice mesoporosas. La preparación de las confituras con eugenol inmovilizado en las micropartículas de MCM-41, mostró un mejor control de la inhibición fúngica en comparación con las muestras preparadas con timol funcionalizado. El análisis sensorial de las muestras tras la incorporación de los sólidos a la confitura de fresa, reveló que la inmovilización de eugenol y timol reduce el impacto sensorial de estos compuestos en confituras de fresa.

Les noves tendències en el desenvolupament d'envasos alimentaris innovadors podrien afectar l'estabilitat microbiana del producte durant l'emmagatzematge. En aquest sentit, sistemes antifúngics com les emulsions, nanoemulsions i suports mesoporosos de sílice poden ser alternatives prometedores per preservar la qualitat del producte sense haver d'aplicar altres tractaments tèrmics. La formulació de sistemes antifúngics estables, així com l'optimització de la metodologia a emprar per preparar aquests sistemes, tenen un paper important en: i) la seva eficàcia antifúngica; ii) pèrdues dels compostos bioactius produïdes durant la seva preparació; i iii) el seu impacte en el perfil sensorial del producte alimentari. Les nanoemulsions preparades amb olis essencials van presentar per norma general, un major efecte antifúngic que els olis lliures aplicats a les mateixes concentracions. Així mateix, el tipus d'emulsionant utilitzat va tenir un paper clau en l'activitat antifúngica de les nanoemulsions. Les nanoemulsions preparades amb proteïna de sèrum de llet van ser més efectives en la inhibició del creixement micelial i en la germinació de les espores que les formulades amb Tween 80. La gran eficàcia in vitro de les nanoemulsions en el control del desenvolupament de fongs va permetre avaluar la seva aplicació a productes alimentaris, sent seleccionada la confitura de maduixa com a matriu alimentària. Amb aquesta finalitat, les emulsions dels olis essencials de clau i de fulla de canyella van ser incorporades a les confitures de maduixa per tal de controlar el deteriorament fúngic. Tot i que aquestes emulsions reduïren el deteriorament fungic de les confitures de maduixa, la seva incorporació va afectar negativament a l'aroma, el sabor i l'acceptació global de la confitura. Pel que fa a la metodologia emprada per preparar emulsions oli-aigua, la combinació d'agitació magnètica i homogeneïtzació per altes pressions va ser la més eficaç per reduir les pèrdues d'oli essencial. A més, es van obtenir emulsions estables amb una alta capacitat antifúngica, determinada in vitro, davant dels fongs objecte d'estudi. Malgrat el prometedor ús de les emulsions d'oli essencial de l'escorça de canyella en el control del deteriori fúngic de les confitures de maduixa, la seva incorporació a l'aliment va afectar negativament a l'aroma, sabor i acceptació global del producte. A causa del gran impacte dels olis essencials en el perfil sensorial del producte alimentari, es van investigar dos nous enfocaments: i) combinacions de diferents compostos antifúngics en les emulsions; i ii) immobilització de compostos bioactius sobre superfícies de sílice mesoporoses. La combinació d'oli essencial d'escorça de canyella, el gluconat de zinc i l'àcid trans-ferúlic va permetre l'obtenció d'un producte considerat microbiològicament acceptable amb bones característiques organolèptiques però no es va aconseguir la inhibició total del creixement del fong. Per això, es van estudiar les propietats antifúngiques i sensorials d'agents bioactius (eugenol i timol) immobilitzats sobre superfícies de sílice mesoporoses. La preparació de les confitures amb eugenol immobilitzat en les micropartícules de MCM-41, va mostrar un millor control de la inhibició fúngica en comparació amb les mostres preparades amb timol funcionalitzat. L'anàlisi sensorial de les mostres després de la incorporació dels sòlids a la confitura de maduixa, va revelar que la immobilització de eugenol i timol redueix l'impacte sensorial d'aquests compostos en confitures de maduixa.