Review

Degradation of β-carotene during fruit and vegetable processing or storage: reaction mechanisms and kinetic aspects: a review

La dégradation du β-carotène au cours de la transformation ou du stockage des fruits et des légumes : mécanismes réactionnels et aspects cinétiques : une revue

La degradación del β-caroteno en el curso de la transformación o del almacenamiento de las frutas y verduras: mecanismos reactivos y aspectos cinéticos

Cirad-Persyst, UMR 95 Qualisud, TA B-95 / 16, 73 rue Jean-François Breton, F-34398 Montpellier, France
nawel.achir@cirad.fr

^∗ Correspondence and reprints

Received: 30 June 2010
Accepted: 3 December 2010

Abstract

Introduction. Food processing significantly lowers the quality of fruits and vegetables, which is a major concern for the food industry. Micronutrients are particularly affected, and among them β-carotene, which exhibits very interesting sensory, nutritional and biological properties. The literature concerning β-carotene degradation is extensive, but the conclusions are very different as a function of the biological, chemical and food transformation points of view. This paper proposes a synthesis of complementary approaches in the study of β-carotene during food transformation and storage. Degradation reactions. Degradation compounds are numerous, including isomers, epoxides, apocarotenones, apocarotenals and short-chain cleavage products, among them some flavour compounds. A detailed reaction scheme of isomerisation and autoxidation of β-carotene could be deduced from the literature data. The main pathways are well documented, but the global reaction scheme is still incomplete. Furthermore, most of the mechanistic studies are carried out in model systems, thus data may misrepresent β-carotene behaviour in real food products. Kinetics during processing and storage The determination of degradation kinetics permits the identification of the fastest reactions, i.e., generally those with the greatest impact, and also the quantification of the effect of the factors which can lower β-carotene content. Temperature, occurrence of oxygen, food composition and food structure are shown to affect the β-carotene loss rate significantly. However, the methodologies used to obtain the kinetic parameters are of major importance, and finally, most of the results found in the literature are specific to a study and difficult to generalise. Discussion and conclusion. Mechanistic and kinetic approaches each provide interesting data to improve understanding and monitoring of β-carotene. The combination of all this data, together with thermodynamic and analytical considerations, permits the building of observable reaction schemes which can further be transcribed through mathematical models. By this multidisciplinary approach, scarcely used for the time being, knowledge could be capitalised and useful tools could be developed to improve β-carotene retention during food processing and storage.

Résumé

Introduction. La diminution significative de la qualité des fruits et légumes au cours de leur transformation est une préoccupation majeure de l’industrie alimentaire. Les micronutriments sont particulièrement affectés, et, parmi eux, le β-carotène qui présente d’intéressantes propriétés sensorielles, nutritionnelles et biologiques. La littérature traitant de la dégradation du β-carotène est très dense, mais la nature des conclusions diffère en fonction de l’approche biologique, chimique ou technologique du problème. Notre article propose une synthèse de points de vue complémentaires dans l’étude du β-carotène pendant la transformation et le stockage des aliments. Réactions de dégradation. Les principaux composés de dégradation du β-carotène identifiés sont les isomères, les époxides, les apocaroténones, les apocaroténals et les produits de clivage à courte chaîne, dont des composés d’arômes. Un schéma réactionnel détaillé des réactions d’isomérisation et d’auto-oxydation du β-carotène a pu être déduit des données de la littérature. Les voies principales sont bien documentées, mais le schéma réactionnel global reste incomplet. De plus, la plupart des études mécanistiques sont menées en système modèle, donc les données peuvent mal représenter le comportement du β-carotène dans des aliments réels. Cinétiques pendant les procédés et le stockage. La détermination des cinétiques de dégradation permet l’identification des réactions les plus rapides, c’est-à-dire généralement celles qui ont les impacts les plus forts, ainsi que la quantification de l’effet des facteurs qui peuvent diminuer la teneur en β-carotène. La température, la présence d’oxygène, la composition et la structure affectent significativement la vitesse de perte en β-carotène. Cependant, les méthodologies employées pour obtenir les paramètres cinétiques sont d’importance majeure et, finalement, la plupart des résultats trouvés dans la littérature sont spécifiques d’une étude et difficilement généralisables. Discussion and conclusion. Les approches mécanistiques et cinétiques fournissent chacune des données intéressantes pour améliorer la compréhension et le suivi du β-carotène. La combinaison de l’ensemble de ces données, avec aussi des considérations thermodynamiques et analytiques, permet de construire des schémas réactionnels observables qui peuvent ensuite être transcrits en modèles mathématiques. Par cette approche multidisciplinaire, rarement utilisée actuellement, les connaissances pourraient être capitalisées et des outils utiles pourraient être développés pour améliorer la rétention du β-carotène pendant les transformations alimentaires et le stockage.

Resumen

Introducción. La significativa disminución de la calidad de las frutas y verduras en el curso de su transformación preocupa mucho a la industria alimentaria. Los micronutrientes están particularmente afectados y, entre ellos, el β-caroteno que presenta interesantes propiedades sensoriales, nutricionales y biológicas. La literatura que trata la degradación del β-caroteno es muy densa, pero la naturaleza de las conclusiones difiere, en función de que el acercamiento del problema sea biológico, químico o tecnológico. Nuestro artículo propone una síntesis de puntos de vista complementarios en el estudio del β-caroteno durante la transformación y el almacenamiento de los alimentos. Reacciones de degradación. Los principales compuestos de degradación del β-caroteno identificados son los isómeros, los epóxidos, los apocarotenales y los productos de clivaje de cadena corta, entre los cuales figuran los compuestos de aromas. De la información sacada de la literatura se puede deducir un esquema reactivo detallado de las reacciones de isomerización y de auto-oxidación del β-caroteno. Las principales vías están bien documentadas, pero el esquema reactivo global permanece incompleto. Además, la mayoría de los estudios del mecanismo se llevan a cabo según un sistema modelo, por lo que dicha información no puede representar bien el comportamiento del β-caroteno en los alimentos reales. Cinéticas durante los procesos y el almacenamiento. La determinación de las cinéticas de degradación permite identificar las reacciones más rápidas, es decir, generalmente, las que tienen los impactos fuertes, así como cuantificar el efecto de los factores que pueden disminuir el contenido de β-caroteno. La temperatura, la presencia de oxígeno, la composición y la estructura afectan significativamente la velocidad de pérdida de β-caroteno. Sin embargo, las metodologías empleadas para obtener los parámetros cinéticos son muy importantes y, finalmente, la mayoría de los resultados encontrados en la literatura son específicos de un estudio y difícilmente generalizables. Discusión y conclusión Los enfoques de mecanismos y de cinéticas proporcionan, individualmente, datos informativos interesantes para mejorar la comprensión y el seguimiento del β-caroteno. La combinación del conjunto de esta información, junto a otras consideraciones termodinámicas y analíticas, permite construir esquemas reactivos observables que pueden posteriormente ser transcritos en modelos matemáticos. Mediante este acercamiento multidisciplinario, que hoy apenas se emplea, podrían capitalizarse los conocimientos y podrían desarrollarse herramientas para mejorar la retención del β-caroteno durante las transformaciones alimentarias y el almacenamiento.