Development of Chitosan-based edible coatings containing Aloe vera for blueberries application

Abstract

Common problems related with food such as foodborne outbreaks, precocious decaying and economic losses related with fresh food retention have led to the development of novel technologies and systems for the protection of food, such as edible coatings based on natural compounds. The increasing rate of blueberries consumption allied to the excellent harvesting conditions that Portugal can offer, have created a remarkable opportunity to increase the production competitiveness of this product while offering a product with high added value that can better resist to the challenges of fruit processing, transport and refrigeration. Thus, this novel approach could be further applied on blueberries, often affected by problems, such as fungal infections and losses of water and nutritional properties, in order to extend their shelf life. One of the most widely used natural compounds in the edible coating development is chitosan. This biopolymer possesses several valuable characteristics: high antimicrobial activity, biocompatibility, biodegradability and non-toxic profile. The innovative character of this project is based on the potential incorporation of bioactive ingredients, Aloe vera, in chitosan coating solutions for application in blueberries. The synergy between these two components may be useful to avoid a chain of biochemical and nutritional changes that could lead to blueberries spoilage. The objectives of this work were 1) to choose the best chitosan-based formulation to be applied on blueberries and 2) to evaluate antifungal and antioxidant activities in vitro of different concentrations of Aloe vera fractions (i.e. gel and juice) to incorporate in chitosanbased formulation previously chosen. The best composition of the chitosan-based coating solution in terms of the improved adhesion of edible coating on blueberries surface was 0.5% Chitosan (w/v), 0.5% Aloe vera (w/v), 0.5% Glycerol (v/v) (plasticizer) and 0.1% Tween 80 (w/v) (surfactant). To assess the antioxidant activity of the Aloe vera gel and juice fractions (0.1 %, 0.5%, 1%, 5% and 10% (w/v)), DPPH radical scavenging activity assay was conducted. It was noticed that both juice and gel offer considerable antioxidant potential. For values of concentration Development of Chitosan-based Edible Coatings containing Aloe vera for Blueberries Application 2014 | FFUC VI of 0.1% of gel and juice, the values of radical scavenging activity were 71.8% and 78.9%, respectively. Quantity of 0.5%, 5%, 20% and 100% of each Aloe vera fractions were tested against 3 fungal species typically present in blueberries: Botytris cinerea, Penincullium expansum and Aspergillus niger. The antifungal activity results obtained show that the behavior of the three molds when exposed to Aloe vera fractions was different. For Botytris cinerea, the main mold causing blueberry deterioration, showed a percentage of inhibition above 80%, for 0.5% of gel and juice concentrations, after 72 h of growth; on the other hand, 0.5% Aloe vera gel and juice fractions inhibited 50% of P. expansum and about 18% of A. niger after 72 h of growth. Chitosan-based coating incorporated with the fraction of Aloe vera chosen (juice 0.5%) was tested in vivo, to study their potential as a protective barrier to blueberry. Uncoated and coated blueberries samples were monitored over a period of 25 days in a controlled environment (temperature (5.5 ± 0.6 °C and relative humidity (90 ± 3%)), without forced contamination, and for a period of 18 days with forced contamination (15 storage days under the conditions described, followed by 3 days at room temperature (25 ± 0,5 ºC; relative humidity of 58 ± 5%)). During this storage time was analyzed titratable acidity, pH, soluble solids content, weight loss, color and growth of molds and yeasts. It was verified that weight loss of the coated blueberries were lower after 25 days compared to uncoated blueberries. In the tests without forced contamination, weight loss after 25 days was 6.2% (B), 5.1% (BC) and 3.7% (BCA). In tests with forced contamination, weight loss after 18 days was 6.9% (BF) and 5.6% (BAF). The pH of the coated blueberries remained lower throughout the period of storage, and these improved results in microbiological level, blueberries coated with Aloe vera juice, and yeast fungi presented contamination only on day 9 of storage (1.3 log (CFU)/g). The results obtained show that Aloe vera gel and juice fractions may have high potential to be incorporated in chitosan coatings and could successfully improve shelf life stability and retard postharvest deterioration of blueberries.

Os problemas associados aos alimentos mais comuns, nomeadamente surtos de origem alimentar, deterioração precoce e as perdas económicas relacionadas com o não escoamento de alimentos frescos têm levado ao desenvolvimento de novas tecnologias e sistemas de protecção de alimentos, como por exemplo, os revestimentos edíveis à base de compostos naturais. O aumento da taxa de consumo de mirtilos aliado às excelentes condições de colheita que Portugal pode oferecer, criaram uma oportunidade notável para o desenvolvimento e inserção deste tipo de revestimento no mercado, de forma a aumentar a competitividade entre produtores, uma vez que este fruto de elevado valor acrescentado poderá resistir melhor aos desafios do armazenamento, transporte e refrigeração. Assim, os revestimentos edíveis, com os constituintes certos poderiam ser aplicados em mirtilos, frequentemente afectados por diversos problemas, tais como infecções por fungos e perdas de água e propriedades nutritivas, a fim de aumentar a sua vida de prateleira. Um dos compostos naturais mais utilizados e com grande potencial para inserção no revestimento comestível devido às suas características, é o quitosano. Este biopolímero possui diversas particularidades importantes: alta actividade antimicrobiana, biocompatibilidade, biodegradabilidade e perfil não-tóxico. O carácter inovador deste projecto baseia-se na possível incorporação de compostos bioactivos com potenciais propriedades de barreira dos alimentos contra factores externos, como as fracções de Aloe vera (gel e sumo), em soluções de revestimento de quitosano. A sinergia obtida entre estes dois componentes pode ser útil para evitar uma cadeia de alterações aos níveis bioquímico e nutricional que podem levar à deterioração dos mirtilos. Os objectivos deste trabalho foram: 1) escolher a melhor formulação à base de quitosano para ser aplicado em mirtilos e 2) avaliar as actividades antifúngica e antioxidante in vitro de diferentes concentrações de fracções de Aloe vera (ou seja, gel e suco) para incorporar na melhor formulação à base de quitosano. A melhor composição da solução de revestimento à base de quitosano, em termos de aderência e coesão do revestimento comestível à superfície dos mirtilos foi 0,5% de quitosano, 0,5% de Aloe vera (sumo), 0,5% de glicerol (plastificante) e 0,1% de Tween 80 (surfactante). Para avaliação da actividade antioxidante das fracções da Aloe vera gel e sumo (0,1%, 0,5%, 1%, 5% e 10%), a actividade sequestradora de radicais livres foi avaliada através da Development of Chitosan-based Edible Coatings containing Aloe vera for Blueberries Application 2014 | FFUC VIII técnica de DPPH. Constatou-se que o sumo, assim como o gel, apresentaram um potencial antioxidante elevado. Para os valores de concentração de 0,1% de gel e suco, os valores de actividade de eliminação de radicais livres foram 71,8% e 78,9%, respectivamente. Quantidades de 0,5%, 5%, 20% e 100% de cada uma das fracções da Aloe vera foram testadas contra três espécies de fungos tipicamente presentes em mirtilos: Botytris cinerea, Penincullium expansum e Aspergillus niger. Os resultados obtidos para B. cinerea, principal fungo causador da deterioração mirtilo, mostraram uma percentagem de inibição superior a 80%, para 0,5% da concentração do gel e do sumo, após 72 h de crescimento. Por outro lado, a mesma concentração destas fracções de Aloe vera inibiu 50% o crescimento de P. expansum e cerca de 20% o crescimento de A. niger, após 72 h. Realizados os testes in vitro, o revestimento foi testado in vivo, através das análises de shelf-life, confirmando assim a sua potencial barreira de protecção para o mirtilo. As amostras foram monitorizadas ao longo de um período de 25 dias num ambiente controlado (temperatura de 5.5 ± 0.6 °C e humidade relativa de 90 ± 3%), sem contaminação forçada, onde mirtilos revestidos e não revestidos foram comparados. Foram também realizados testes com contaminação forçada de uma quantidade e concentração conhecida de Botrytis cinerea, ao longo de um período de 18 dias e em ambiente controlado (15 dias nas condições de armazenamento descritas anteriormente, seguido de 3 dias à temperatura ambiente de 25 ± 0,5 °C e humidade relativa de 58 ± 5%) Durante o tempo de armazenamento foram analisadas a acidez titulável, o pH, teor de sólidos solúveis, a perda de peso, cor e o crescimento de fungos e leveduras. Verificou-se que a perda de peso dos mirtilos revestidos foi menor em relação aos mirtilos não revestidos. Nos testes sem contaminação forçada a perda de peso após 25 dias foi de 6.2% (B), 5.1% (BC) e 3.7% (BCA). Nos testes com contaminação forçada, a perda após 18 dias foi de 6.9% (BF) e 5.6% (BAF). O pH dos mirtilos revestidos manteve-se mais baixo ao longo do tempo de armazenamento, tendo estes menos contaminações microbiológicas (fungos e leveduras). De facto, os mirtilos revestidos com sumo da Aloe vera (sem contaminação forçada) apenas apresentaram fungos e leveduras no dia 9 do período de armazenamento (1.3 log (UFC)/g). Os resultados obtidos mostram que a fracção do sumo da Aloe vera pode ser incorporada em revestimentos de quitosano, de modo a prolongar a vida útil do mirtilo, retardando a sua deterioração.