Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10348/2167
Título: Chestnut (Castanea sativa Mill.) Fruit Composition & Quality - Effects of Industrial Processing on Nutrients & Secondary Metabolites
Autor: Vasconcelos, Maria do Carmo Barbosa Mendes de
Orientador: Rosa, Eduardo dos Santos
Cardoso, Jorge Ventura Ferreira
Palavras-chave: Castanea sativa Mill
processamento industrial
alterações na composição química
nutrientes
fitoquímicos
co-produtos
Data: 2010
Resumo: O castanheiro é cultivado um pouco por toda a Europa do Sul (principalmente Itália, Portugal, França e Espanha), Turquia, América do Norte, América do Sul (Chile e Bolívia), Ásia(China, Japão e Coreia), Austrália e Nova Zelândia, onde os seus frutos são consumidos em larga escala. Face ao seu conteúdo em amido, açúcares livres, fibra, proteínas, lípidos, vitaminas e sais minerais, bem como em outros compostos biologicamente activos, tais como polifenóis, reconhece-se que a castanha constitui uma importante fonte alimentar rica em compostos benéficos para a saúde. Contudo, o facto de existirem ainda muito poucos estudos sobre a composição química deste fruto e sua variação ao longo das diferentes fases de processamento industrial, constituiu o principal objectivo para a realização do presente trabalho, o qual se encontra estruturado em oito capítulos, iniciando-se com uma breve descrição do estado de arte (Introdução Geral - Capítulo 1), sendo de seguida fornecida informação detalhada acerca de cada uma das actividades de investigação desenvolvidas (Capítulos 2 a 7), terminando com um capítulo dedicado à síntese dos resultados chave, conclusões finais e perspectivas de futuros trabalhos (Capítulo 8). Para a realização dos estudos apresentados contámos com a colaboração da Sortegel, Produtos Congelados, S.A. (Sortes-Bragança), principal empresa no sector da transformação industrial de castanha em Portugal. Assim, de acordo com a linha de processamento adoptada e implantada nesta empresa, seleccionaram-se as seguintes etapas para a recolha das amostras destinadas às diversas determinações analíticas: A - após recepção das castanhas pela empresa e no momento da calibração (etapa controlo); B - após três meses de conservação a ±0°C e humidade relativa de 90%; C - após descasque industrial por queima a uma temperatura de 800- 1000 ºC durante 1 a 2 segundos; D - após congelação num túnel com um fluxo de CO2 a -65 °C durante 15 a 20 minutos. Em cada campanha e para cada uma das cultivares escolhidas para estudo, constituiu-se um lote com aproximadamente 400kg de castanhas com a mesma origem/proveniência (souto de um médio a grande produtor). De cada lote colheram-se aleatoriamente três amostras (repetições) em cada uma das etapas atrás referidas da linha de processamento. Cada amostra colhida foi subdividida em várias sub-amostras, consoante a natureza dos diversos tipos de análises efectuadas. Avaliou-se o efeito da cultivar, da etapa de processamento e da interacção cultivar x etapa de processamento no conteúdo de importantes nutrientes e não-nutrientes, e calculou-se a contribuição de cada um destes factores para a variação total observada nos diversos constituintes determinados. Num estudo preliminar (Capítulo 2), relativo à campanha de 2005, procedeu-se a uma análise comparativa da composição química das amostras colhidas à recepção/calibração (etapa A) das três mais importantes cultivares portuguesas de castanha - Judia, Longal e Martaínha. Os valores obtidos revelaram diferenças significativas entre as três cultivares para a maioria dos parâmetros estudados. No conjunto das análises efectuadas, estas cultivares apresentaram elevados teores de amido (57,5-64,9g 100g-1 MS) e apreciáveis níveis de constituintes da parede celular (NDF - 12,6 a 16,9g 100g-1 MS), não sendo de menosprezar as concentrações de proteína bruta (3,9-5,2g 100g-1 MS), gordura bruta (1,6-2,6g 100g-1 MS) e cinzas totais (1,8-2,3g 100g-1 MS). Observou-se um efeito significativo da cultivar no teor de aminoácidos livres, incluindo vários aminoácidos essenciais. Estas cultivares apresentaram um conteúdo significativo de polifenóis, com predomínio dos ácidos gálico e elágico (3,5-9,1 e 2,7-10,5mg g-1 peso fresco, respectivamente) entre os taninos hidrolisáveis e condensados, os quais são conhecidos pelos seus efeitos positivos na saúde. Nesse mesmo estudo, procedeu-se também à avaliação do efeito das etapas de processamento acima descritas na composição química das cultivares Longal e Judia. A análise de variância com base num factor de variação demonstrou existirem, para a maioria dos constituintes analisados, diferenças significativas entre estas duas cultivares em cada uma das etapas de processamento amostradas. Por sua vez, a análise de variância com base em dois factores de variação revelou que a etapa de processamento e a interacção cultivar x etapa de processamento foram os factores que mais contribuíram para a variação observada. Os estudos que se seguiram reportam-se às campanhas de 2006 e 2007, recaindo o primeiro destes anos sobre as três cultivares portuguesas já consideradas na campanha de 2005, isto é Judia, Longal e Martaínha, e duas cultivares estrangeiras conhecidas pelas sua boa aptidão para a transformação, uma de origem espanhola, mais propriamente da região da Galiza e designada por “Puga do Bolo”, e outra originária da região de Viterbo (Itália) e conhecida por “Marron Vero” ou “Viterbes”. Na campanha de 2007, do conjunto de cultivares a estudar foi excluída a “espanhola” e introduzida, em seu lugar, a variedade portuguesa Lada. Esta opção baseou-se, por um lado, no fraco poder de conservação registado na cultivar “espanhola” e, por outro lado, no facto de existirem indicações de que a cultivar Lada parece possuir características tecnológicas favoráveis ao processo de transformação, o que naturalmente interessava averiguar. Por sua vez, apesar das características apresentadas justificarem que a “italiana” continuasse a integrar o conjunto de cultivares a analisar no âmbito dos estudos previstos, não foi possível à Sortegel garantir o seu fornecimento. Assim, nesta campanha os estudos incidiram nas mesmas três principais cultivares portuguesas que já tinham feito parte do lote de cultivares analisadas nas duas anteriores campanhas, às quais se juntou a Lada. Os resultados das análises efectuadas nas amostras de castanha referentes às campanhas de 2006 e 2007 encontram-se apresentados e discutidos nos artigos correspondentes aos Capítulos 3 (matéria seca, cinzas totais, amido, gordura e energia bruta), 4 (proteína bruta, aminoácidos livres e compostos fenólicos) e 5 (minerais, açúcares livres, carotenóides e vitaminas C e E). Para a totalidade de cultivares e etapas de processamento analisadas, registaram-se elevados conteúdos de amido (48,7-54,9g 100g-1 MS), responsáveis pelos altos níveis de energia bruta (410,1-427,8kcal 100g-1 MS), e teores relativamente baixos de proteína bruta (4,1-5,4g 100g-1 MS) e principalmente de gordura bruta (1,9-4,4g 100g-1 MS). Em ambos os anos de colheita, a interacção cultivar x etapa de processamento foi o factor que mais contribuiu para a variação observada nos teores de amido, enquanto que a variação ao nível dos teores de matéria seca e de fibra ficou a dever-se mais ao efeito da cultivar e da etapa de processamento, respectivamente. No conjunto dos aminoácidos essenciais a Thr apresentou os valores mais elevados (3,6- 10,0mg 100g-1 PF), enquanto que a Asn (14,9-36,4mg 100g-1 PF) foi o mais representativo entre os aminoácidos não essenciais presentes na totalidade das amostras. Entre os factores testados em cada ano de estudo, a etapa de processamento foi o que mais contribuiu para a variação observada no conteúdo de compostos fenólicos totais (6,6- 18,3mg g-1 PF). Na campanha de 2007, este factor, juntamente com a interacção cultivar x etapa de processamento, foram os principais responsáveis pela variação ocorrida nos teores de ácido gálico, enquanto que a variação nos teores de ácido elágico dependeu em maior proporção da cultivar. Relativamente à composição em sais minerais, o fósforo (99,8-156,4mg 100g-1 MS) e principalmente o potássio (629,2-811,1mg 100g-1 MS) constituem os elementos predominantes em todas as amostras analisadas, e outros minerais com funções metabólicas importantes, tais como o cálcio, magnésio, ferro, zinco e manganês foram também encontrados. Entre os açúcares livres, cuja variação no conteúdo total foi determinada em maior grau pela etapa de processamento, em ambos os anos de colheita, a sacarose assumiu uma posição de destaque (8,8-14,9g 100g-1 MS). Foram também encontrados teores assinaláveis de luteína (0,1-0,6μg g-1 PF), ésteres de luteína (0,1-0,4μg g-1 PF) e vitamina C (4,2-7,2 e 3,1-6,8mg 100g-1 PF, para os ácidos ascórbico e desidroascórbico, respectivamente). À semelhança do verificado anteriormente, estes estudos confirmam a existência de uma notória variação na composição química e valor nutritivo da castanha, em função quer da cultivar, quer do ano de colheita. Mas foi igualmente demonstrado, pela primeira vez, que essa variação é também determinada pelo processamento industrial inerente à obtenção de castanha congelada. Com efeito, sendo certo que este processamento permite o alargamento do período de armazenamento e comercialização da castanha, possibilitando o seu consumo mais regular e praticamente durante todo o ano, os estudos realizados permitiram concluir que a composição química e nutricional da castanha foi afectada, tanto negativa como positivamente. Assim, em termos gerais e ao comparar os valores obtidos nas amostras em fresco (etapa A) e nas amostras congeladas (etapa D), observou-se um acréscimo significativo nos teores de NDF (12,7-19,9 e 16,3-18,2g 100g-1 MS), compostos fenólicos totais (6,6-12,0 e 10,6-16,9mg g-1 PF), Thr (4,9-6,8 e 3,6-7,9mg 100g-1 PF) e Ala (3,3-6,5 e 4,0-5,7mg 100g-1 PF) em 2006 e 2007, respectivamente, bem como de -tocoferol (0,3-0,4μg g-1 PF em 2006) e -tocoferol (25,2- 27,3μg g-1 PF em 2007), enquanto que os teores de amido total (53,8-51,3 e 54,9-51,0g 100g-1 MS), Glu (14,7-9,2 e 13,9-10,9mg 100g-1 PF) e ácido ascórbico (6,4-5,4 e 7,2-5,1mg 100g-1 PF) em 2006 e 2007, respectivamente, e ainda de gordura bruta (2,9-2,5g 100g-1 MS em 2007), sofreram um decréscimo estatisticamente significativo. Num outro estudo (Capítulo 6) procedeu-se à análise da composição química dos resíduos resultantes do processo de descasque, isto é, pericarpo (casca externa) e tegumento(casca interna), os quais representaram em média entre 8,9 e 13,5% e entre 6,3 e 10,1% do peso total dos frutos, respectivamente. Estes componentes são gerados em grandes quantidades e possuem um elevado potencial como fonte de valiosos co-produtos. Assim, avaliou-se a composição em polifenóis e taninos das amostras de pericarpo e tegumento das castanhas colhidas nas etapas A e B do processamento industrial e pertencentes às quatro cultivares nacionais (Judia, Longal, Martaínha e Lada) analisadas na campanha de 2007. Registaram-se assinaláveis teores de fenólicos totais e de baixo peso molecular (ácidos gálico e elágico), taninos condensados e elagitaninos, incluindo castalagina, vescalagina, acutissimina A e acutissimina B. Os valores mais elevados de fenólicos totais e taninos condensados foram encontrados ao nível do tegumento. Neste estudo, testaram-se também vários meios de extracção a duas diferentes temperaturas (20 e 70 ºC), verificando-se que a solução acetona:água (70:30) a 20 ºC foi a que permitiu uma maior extracção, não só de fenólicos totais (68,5-136,4mg g-1 PF)nos dois tipos de amostras e para a totalidade das cultivares analisadas, como de taninos condensados (16,3-110,4mg g-1 PF) e compostos fenólicos de baixo peso molecular nas amostras (pericarpo e tegumento) da cultivar Longal. Ao nível do pericarpo desta cultivar, os valores de ácido elágico, tanino T1, acutissimina B e um derivado do ácido elágico variaram significativamente consoante os solventes utilizados na extracção. Este estudo revelou que, na cultivar Longal, os valores mais elevados, tanto ao nível do pericarpo como do tegumento, correspondem ao ácido gálico e à castalagina. O último estudo (Capítulo 7) corresponde a um artigo de revisão bibliográfica que pretende retratar o estado actual de conhecimentos acerca da composição da castanha (semente ou parte edível) de origem europeia (Castanea sativa Mill.) em nutrientes e não-nutrientes (fitoquímicos) relacionados com a saúde, de que forma esta composição é afectada pelo processamento artesanal e industrial, capaz de originar diferentes formas de utilização deste fruto, e quais as consequências na qualidade dos alimentos dele derivados e seus eventuais efeitos na saúde dos consumidores. Embora a investigação já realizada constitua um contributo assinalável para um melhor conhecimento dos benefícios para a saúde associados à ingestão de castanha, outros estudos são todavia necessários, no sentido quer de maximizar a produção, quer de melhorar a qualidade dos produtos obtidos a partir deste fruto (e.g. selecção e melhoramento genético; ajustamento e optimização do processamento industrial). Por outro lado, torna-se cada vez mais imprescindível: i) a avaliação da actividade enzimática, de forma a obter uma melhor compreensão das alterações que ocorrem durante as principais etapas do processamento e transformação industrial; ii) a realização de investigação com modelos celulares, capaz de avaliar os efeitos ao nível da digestão, absorção e metabolismo em humanos, de forma a comprovar os potenciais benefícios para a saúde e o efectivo valor nutricional deste fruto.
Chestnut trees are cultivated throughout southern Europe (mainly Italy, Portugal, France and Spain), Turkey, North America, South America (Chile and Bolivia), Asia (China, Japan and Korea), Australia and New Zealand, where the fruits are widely consumed. These fruits contain starch, free sugars, fibre, proteins, lipids, vitamins, and minerals, as well as other bioactive nonnutrients such as polyphenolics. Chestnuts are recognized as a rich source of beneficial health compounds. However, there have been few studies on the changes that occur in the chemical composition of chestnut fruits during industrial processing, and that is the main purpose of this work, which is structured into eight chapters beginning with a description of the state of the art(General Introduction - Chapter 1) and then detailed information is presented about each of the research activities (Chapters 2 to 7) followed by a chapter dedicated to the key results obtained, the concluding remarks and future work perspectives (Chapter 8). In order to perform the studies presented in the chapters 2 to 6 of this work, a collaboration was established with Sortegel, Produtos Congelados, S.A. (Sortes-Bragança), the main company in the chestnut fruit processing sector in Portugal. Thus, according to the processing line adopted by this company, the following stages were selected for the collection of the samples used for the various analytical determinations: A - after reception of the chestnut fruits at the company and at the moment of calibration (control stage); B - after 3 months storage at ±0 °C and relative humidity of 90%; C - after industrial flame peeling at 800-1000 ºC during 1 to 2 seconds; D - after freezing in a tunnel with a CO2 flow at -65 °C during 15 to 20 minutes. In each harvest year, and for each one of the selected cultivars in these studies, a lot of 400 kg of chestnut fruits with the same origin (orchard of a medium or large producer) was gathered. From each lot three samples (repetitions) were randomly collected of each stage of the referred processing stages. Each one of the samples collected was subdivided into several subsamples, according to the nature of the different analyses performed. The effect of the cultivar, processing stage and interaction between these two factors on the content of important nutrients and non-nutrients was evaluated, also calculating the contribution of each factor to the total variation of the different determined constituents. In the first study (Chapter 2), analyzing samples from the 2005 harvest, a comparative analysis was performed on the chemical composition of the samples collected at reception/calibration (stage A) of the three main Portuguese chestnut cultivars (Judia, Longal and Martaínha). The values obtained showed significant differences among the three cultivars for most of the studied parameters. From the analyses performed the studied cultivars had high starch contents (57.5-64.9g 100g-1 DM) and relevant levels of cell wall constituents (NDF - 12.6- 16.89g 100g-1 DM), but also not inconsiderable contents of crude protein (3.9-5.2g 100g-1 DM), crude fat (1.6-2.6g 100g-1 DM) and total ash (1.8-2.3g 100g-1 DM). The cultivar factor significantly influenced the variation observed for the free amino acid contents, including various essential amino acids. These cultivars had a significant content of polyphenolics with gallic and ellagic acids (3.5-9.1 and 2.7-10.5mg g-1 FW, respectively) being predominant among the hydrolysable and condensed tannins that are known for their positive effects on health. In the same study, an evaluation was made on the effects of the processing stages on the chemical composition of the cultivars Longal and Judia. The one-way analysis of variance showed that the cultivar factor (Judia and Longal at the four processing steps) significantly affected almost all the constituents. On the other hand, the two-way analysis of variance shows that the processing step and the interaction cultivar x processing step were the factors that had more of a contribution to the total variation observed. In the next three studies the effects of the selected processing stages on the chemical composition of the chestnut cultivars from the 2006 and 2007 harvest years, were analysed. In 2006, the cultivars analyzed were: three Portuguese cultivars (Judia, Longal e Martaínha) already present in the 2005 harvest year, and two foreign known for their good transformation characteristics, one of Spanish origin from the region of Galicia named “Puga do Bolo” and the other from the region of Viterbo (Italy) known as “Marron Vero” or “Viterbes”. In the harvest year of 2007, of the cultivars selected for analysis the “Spanish” one was substituted by the Portuguese cultivar Lada. This option was based on the poor storage characteristics revealed by the “Spanish” cultivar, and on the other hand also related to the fact that Lada presented good technological characteristics in relation to the transformation process, which was of high interest for this study. Although the characteristics presented by the “Italian” cultivar justified the continuation in this study, Sortegel was unable to ensure the supply of this cultivar. Therefore, in this harvest year the selected cultivars for analysis were the three main Portuguese analyzed in the previous two harvest years with the addition of the cultivar Lada. The results of the samples analyzed from the harvest years 2006 and 2007 are presented in Chapters 3 (dry matter, total ash, starch, fat and crude energy), 4 (crude protein, free amino acids and polyphenolics) and 5 (mineral, free sugars, carotenoids and vitamins C and E). Considering all the cultivars and processing stages analyzed, the samples had high amounts of starch (48.7-54.9g 100g-1 DM) responsible for the significant contents of crude energy (410.1-427.8kcal 100g-1 DM) and low contents of crude protein (4.1-5.4g 100g-1 MS) and especially fat (1.9-4.4g 100g-1 DM). For both harvest years, the interaction cultivar x processing stage had the greatest influence on the starch contents while the cultivar and processing stage factors had a much greater influence on the dry matter and fibre contents, respectively. Of the group of the essential amino acids, Thr had the highest values (3.6-10.0mg 100g-1 FW), while Asn (14.9-36.4mg 100g-1 FW) had the highest value of the non-essential amino acids present in the samples. The total phenolics (6.6-18.3mg g-1 FW) contents were more significantly affected by the processing stage factor. In the 2007 harvest year the gallic acid contents were more affected by the processing stage and by the interaction cultivar x processing stage, while the cultivar factor had more of an effect on the ellagic acid contents. The minerals phosphorous (99.8-156.4mg 100g-1 DM) and mainly potassium (629.2- 811.1mg 100g-1 DM) were predominant in all analysed samples and other health-related minerals such as calcium, magnesium, iron, zinc and manganese were also present. The free sugar contents, which were more influenced by the processing stage in both harvests, showed that sucrose (8.8-14.9g 100g-1 DM) was predominant. Significant levels of lutein (0.1-0.6μg g-1 FW), lutein esters (0.1-0.4μg g-1 FW), - tocopherol (4.1-27.3μg g-1 FW), vitamin C (4.2-7.2 and 3.1-6.8mg 100g-1FW for ascorbic and dehydroascorbic acids, respectively) were also found. In the current studies the fruit composition was clearly influenced either by the cultivar or harvest year, as shown in previous studies. This work also revealed, for the first time, that this composition is affected by the industrial processing stages related to the chestnut frozen market line. It is a fact that this processing allows the extension of the shelf life (storage time) and commercialization of chestnut fruits, and therefore the consumption during all year. The results also show that the industrial processing of chestnut fruits leads to both quantitative “positive” and “negative” effects in the chemical and nutritional composition. Thereby, comparing the values obtained from the fresh (stage A) and frozen (stage D) samples, there were significant increases in the contents of NDF (12.7-19.9 and 16.3-18.2g 100g- 1 DM), total phenolics (6.6-12.0 and 10.6-16.9mg g-1 FW), Thr (4.9-6.8 and 3.6-7.9mg 100g-1 FW) and Ala (3.3-6.5 and 4.0-5.7mg 100g-1 FW) in 2006 and 2007, respectively, as well of - tocopherol (0.3-0.4μg g-1 FW in 2006) and -tocopherol (25.2-27.3μg g-1 FW in 2007), while the amounts of total starch (53.8-51.3 and 54.9-51.0g 100g-1 DM), Glu (14.7-9.2 and 13.9-10.9mg 100g-1 FW) and ascorbic acid (6.4-5.4 and 7.2-5.1mg 100g-1 FW) in 2006 e 2007, respectively, and also of fat (2.9-2.5g 100g-1 DM in 2007), showed a statistically significant decrease. In a parallel study (Chapter 6) various analyses of the chestnut fruit processing residues resulting from the industrial peeling were done, which are the pericarp (outer shell) and integument (inner shell), representing in average between 8.9 to 13.5% and 6.3 to 10.1% of the total fruit weight, respectively. These waste materials are created in large amounts and have a great potential to become sources of valuable co-products. Therefore the pericarp and integument of four Portuguese chestnut cultivars (Judia, Longal, Martaínha and Lada) of the 2007 harvest year (stages A and B from the industrial processing) were analyzed for total phenolics, low molecular weight phenolics (gallic and ellagic acid), condensed tannins and ellagitannins including castalagin, vescalagin, acutissimin A and acutissimin B. The highest levels of total phenolics and condensed tannins were found in the integument tissues. Different extraction solvents were tested at two temperatures (20 ºC and 70 ºC). The extraction solvent 70:30 acetone:water at 20 ºC was the most efficient for the extraction of total phenolics (68.5-136.4mg g-1 FW), and in Longal of total condensed tannins (16.3-110.4mg g-1 FW) and low molecular weight phenolics. In the cultivar Longal the values obtained of ellagic acid, tannin T1, acutissimin B and an unidentified ellagic acid derivative in the pericarp were significantly different depending on the extraction solvent used. In Longal the shells (pericarp and integument) revealed higher amounts of gallic acid and castalagin. The final study (Chapter 7) is a review of the current knowledge of the composition of health-related nutrients and non-nutrients (phytochemicals) in European chestnut (Castanea sativa Mill.) fruits (seed or kernel), and an evaluation of how this composition is affected by home and industrial processing, which provides different forms of utilization of this fruit and the subsequent consequences on the quality of the derived food products in relation to health effects. Although the original research performed for this thesis constitutes an important contribution for a better understanding of the benefits provided from chestnut consumption for human and animal health, further studies need to be performed to optimize the production and quality of chestnut-derived materials (e.g. genetic selection and industrial processing). On the other hand it is crucial to: i) evaluate enzymatic activities in order to obtain a better knowledge of the changes that occur during the main processing stages; ii) perform research using human cell models and human intervention studies to prove the effective nutritional and health value of the chestnut fruits.
Descrição: Tese de Doutoramento em Ciências Agrárias e Florestais
URI: http://hdl.handle.net/10348/2167
Tipo de Documento: Tese de Doutoramento
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