University of Oulu

Value-added processing of blackcurrants : Use of membrane technologies for clarification and concentration of blackcurrant juice and extraction of anthocyanins from blackcurrant marc

Saved in:
Author: Pap, Nora1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526220840
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2018
Publish Date: 2018-11-06
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP-Pohjola auditorium (L6), Linnanmaa, on 16 November 2018, at 12 noon
Tutor: Professor Riitta Liisa Keiski
Professor Eva Pongrácz
Reviewer: Professor Željko Knez
Docent Mari Kallioinen
Opponent: Professor José Ramón Àlvarez Saiz
Description:

Abstract

Blackcurrants (Ribes nigrum L.) are widely consumed due to their favourable taste and health-promoting effects. The berries and extracts from different parts of the plant show anticarcinogenic, antioxidative and anti-inflammatory properties, and are effective in reducing the risk of cardiovascular disease and in promoting brain health. These health-promoting benefits are due to high concentrations of valuable compounds such as anthocyanins and flavonols in blackcurrants. However, these compounds are sensitive to heat and processing and some are lost when the berries are processed into products such as jams, purees and juices.

Industrial processing of juices is a multistep process that typically includes enzyme treatment, pressing, pasteurisation, clarification and usually also thermal concentration. Alternative minimal processing technologies are required to preserve the health-promoting compounds in products by avoiding the use of high temperatures and extensive clarification.

Integrated membrane technology, i.e. combined ultrafiltration and reverse osmosis, was used in this thesis for the production of blackcurrant juice concentrate. Pre-treatment methods, such as enzymatic treatment, ultrafiltration, enzymatic treatment combined with ultrafiltration and centrifugation to increase the filtration efficiency in reverse osmosis were evaluated. Processing was modelled to define the resistances, using the resistance-in-series model. The preservation and concentration of anthocyanins and flavonols were analysed. The results indicated that the main resistance in the reverse osmosis process was polarisation resistance, while membrane resistance was lower and fouling resistance was one order of magnitude lower than the other resistances.

The filtration efficiency results showed that the highest flux was achieved by ultrafiltered blackcurrant juice, but that the resulting juices were substantially lower in anthocyanins and flavonols, which were retained on the ultrafiltration membrane. Therefore, replacing ultrafiltration with centrifugation as the clarification method for juices is recommended. Value-added processing of blackcurrant was conceptualised by valorisation of the marc left in the berry pressing process for extraction of anthocyanin compounds. Conventional extraction was compared with microwave-assisted extraction (MAE), with the latter optimised using response surface methodology to achieve maximum efficiency in extracting anthocyanins. The optimum parameters found for MAE were: microwave power 700 W, extraction time 10 minutes, pH 2 adjusted with hydrochloric acid and a solid to solvent ratio of 0.05. Conventional extraction showed the best results when carried out at 80 °C for 300 minutes in aqueous solution with pH 2 adjusted by hydrochloric acid. Under these conditions, recovery of anthocyanins was still 10% lower than with MAE for only 10 minutes of extraction time.

see all

Tiivistelmä

Mustaherukoita käytetään paljon niiden hyvän maun ja terveyttä edistävien vaikutusten ansiosta. Marjoilla ja marjakasvin eri osien uutteilla on osoitettu olevan antikarsinogeenisia, antioksidatiivisia ja tulehduksia estäviä ominaisuuksia ja ne ovat tehokkaita pienentämään sydän- ja verisuonisairauksia. Ne edistävät myös aivojen terveyttä. Marjojen arvokkailla yhdisteillä kuten antosyanideillä ja flavonoleilla on terveyttä edistäviä vaikutuksia. Mustaherukassa on runsaasti näitä yhdisteitä. Hillojen, soseiden ja mehujen prosessoinnissa menetetään näitä hyödyllisiä yhdisteistä, koska ne ovat herkkiä lämmölle ja prosessoinnin vaikutuksille.

Mehujen prosessoinnissa käytetään entsyymikäsittelyjä, puristusta, pastörointia, selkeytystä ja usein myös lämpökonsentrointia. Tuotteiden terveyttä edistävien yhdisteiden säilyttämiseksi tarvitaan uudenlaisia hellävaraisia prosessointitekniikoita ilman korkeita lämpötiloja ja voimakasta selkeyttämistä.

Tässä työssä tutkittiin yhdistettyjen kalvotekniikoiden kuten ultrasuodatuksen ja käänteisosmoosin käyttöä mustaherukkatiivistemehun prosessoinnissa. Esikäsittelymenetelmiä, mm. entsyymikäsittelyä, ultrasuodatusta, entsyymikäsittelyn ja ultrasuodatuksen yhdistelmää sekä sentrifugointia, arvioitiin käänteisosmoosin suodatustehokkuuden parantamisessa. Suodatusvastuksen määrittämiseksi prosessi mallinnettiin käyttäen sarja -vastus mallia. Antosyanidien ja flavonolien säilyminen ja konsentroituminen prosesseissa määritettiin. Tulokset osoittivat, että suurin vastus käänteisosmoosissa aiheutui polarisaatiovastuksesta, kun taas kalvon vastus oli pienempi. Mallinnus osoitti myös, että likaantumisen aiheuttama vastus oli yhtä magnitudia alhaisempi kuin muut vastukset. Suodatusteho osoitti, että suurin virtaus saavutettiin ultrasuodatetulla mustaherukkamehulla. Ultrasuodatetussa mehussa oli kuitenkin huomattavasti vähemmän antosyaniineja ja flavonoleja, mikä johtui näiden yhdisteiden tarttumisesta ultrasuodatuskalvoon. Näin ollen, tämän työn tulokset suosittelevat ultrasuodatuksen korvaamista sentrifugoinnilla mehun kirkastusprosessissa.

Mustaherukkamehun tuotannossa muodostuu sivutuotteena ns. puristekakkua, joka sisältää runsaasti antosyaaneja. Työssä kehitettiin antosyaanien talteenottoa tästä sivutuotteesta vertaamalla tavanomaista uuttotekniikkaa mikroaaltoavusteiseen uuttoon. Prosessi optimoitiin vastepintamenetelmällä mahdollisimman suuren antosyaanien uuttotehokkuuden saavuttamiseksi.

Optimaaliset parametrit saatiin mikroaaltoavusteisessa uutossa teholla 700 W, uuttoajalla 10 minuuttia, kiintoaines-liuotin -suhteella 0,05 pH-arvossa 2, mikä saavutettiin lisäämällä suolahappoa. Tavanomaisessa uutossa parhaat antosyaanisaannot saavutettiin suolahappo-vesiliuoksella pH-arvossa 2 uuttamalla 300 minuuttia lämpötilassa 80 °C. Antosyaanisaanto oli kuitenkin tavanomaisessa uutossa optimiolosuhteissa 10% pienempi kuin mikroaaltoavusteisessa uutossa 10 minuutin uuttoajalla.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2084-0
ISBN Print: 978-952-62-2083-3
Issue: 680
Subjects: