Impact of vacuum frying on a carotenoid-rich fruit: from the modeling of degradation kinetics during processing and storage to the in vivo evaluation of the health effect in rats

El objetivo de esta investigación fue diseñar un snack alternativo a partir de papaya (Carica papaya L.) que contenga carotenoides (β-caroteno, BC; β-criptoxantina, BCX; y licopeno, LYC) y ácidos grasos esenciales (ω-6 y ω-3) aplicando la tecnología de fritura al vacío. Las principales preguntas de investigación fueron: ¿Cuáles son los principales factores involucrados en la degradación de los carotenoides durante la fritura al vacío y el posterior almacenamiento de los chips de papaya? y ¿Los cambios en la microestructura de los chips de papaya fritos al vacío y el tipo de aceite usado como medio para freír influyen en la absorción y bioconversión de carotenoides? Para alcanzar este objetivo, primero se determinó el estado de madurez más adecuado para procesar la papaya y obtener chips fritos con propiedades fisicoquímicas y sensoriales adecuadas. Posteriormente, se modelaron los parámetros de fritura al vacío y las condiciones de almacenamiento para optimizar el contenido de carotenoides de los chips de papaya para ofrecer a los potenciales consumidores. Además, se monitorearon los cambios fisicoquímicos de los chips de papaya durante la fritura al vacío y se evaluó el efecto de la composición lipídica del medio de fritura (aceite de palma: un aceite saturado versus aceite de soya: un aceite insaturado) sobre la reactividad de los carotenoides. Finalmente, se evaluó el efecto del consumo de chips de papaya sobre la absorción y bioconversión de carotenoides en un modelo animal (ratas Wistar). Asimismo, se determinó el perfil lipídico (triglicéridos, colesterol total, HDL y LDL) en el plasma de ratas después del consumo de chips de papaya fritos al vacío. Además, se utilizaron herramientas de microscopía para explicar la relación entre la microestructura del alimento procesado y la absorción de carotenoides. Como principales resultados, se estableció primero que el estado de madurez 4 (41-55% de color amarillo de la cáscara) era el más adecuado para procesar la papaya y así obtener chips de papaya de calidad. En segundo lugar, se encontró que durante la fritura al vacío de papaya solo se produjo la degradación de BCX (alrededor de un 40-60% de pérdidas), mientras que hubo un aumento de la extractabilidad del BC total (1,3 - 2,7 veces de su concentración inicial) y del LYC total (1,9 - 2,8 veces de su concentración inicial). En tercer lugar, la incorporación de nitrógeno durante el empacado y el uso de un aceite insaturado (aceite de soya) como medio de fritura conservaron de mejor forma el contenido de carotenoides en los chips de papaya durante el almacenamiento. Finalmente, se determinó que el consumo de chips de papaya no alteró el perfil lipídico en el plasma de ratas Wistar. Asimismo, se demostró que la presencia del aceite de soya (rico en ácidos linoleico y α-linolénico) en los chips de papaya fritos al vacío favoreció la formación de una emulsión fina en las mezclas administradas a las ratas. Este fenómeno, sumado a la forma globular disuelta en lípidos de los carotenoides provitamina A (BC y BCX), tuvo un efecto positivo significativo sobre la bioconversión de BCX y BC en el hígado de las ratas. En conclusión, el presente estudio demostró que la fritura al vacío es una tecnología adecuada para producir un snack frito saludable con carotenoides provitamina A (145±21 - 249±44 μg RAE/100 g de chips) y licopeno (13±2 - 34±5 mg/100 g de chips). El incremento de la absorción de carotenoides y de la extractabilidad de estos en los chips de papaya podría explicarse por una mayor liberación de estos compuestos de los tejidos de las células de papaya debido a la alteración de la estructura de la matriz durante la fritura al vacío, y por un aumento de su solubilidad debido a la absorción del aceite de fritura en los chips de papaya. Los chips de papaya fritos al vacío podrían ser parte de una dieta diversa para la población con deficiencia de carotenoides.

The goal of this research was to design an alternative snack from papaya fruit (Carica papaya L.) that contains carotenoids (β-carotene, BC; β-cryptoxanthin, BCX; and lycopene, LYC) and essential fatty acids (ω-6 and ω-3) applying vacuum frying technology. Our research questions were: What are the main factors involved in the degradation of carotenoids during vacuum frying and subsequent storage of papaya chips? and do the microstructure changes of the vacuum-fried papaya chips and the type of oil used as frying medium influence the absorption and bioconversion of carotenoids? To accomplish this goal first, we determined the most suitable ripening stage for processing papaya fruit to obtain fried chips with appropriate physicochemical and sensory properties. Next, we modelized the vacuum frying parameters and storage conditions to optimize the carotenoid content in papaya chips delivered to potential consumers. In addition, physicochemical changes in papaya chips were monitored during vacuum frying, and the effect of lipid composition of frying medium (palm: oil saturated oil versus soy oil: unsaturated oil) on carotenoid reactivity was assessed. Finally, we evaluated the effect of papaya chips consumption on carotenoid absorption and bioconversion in an animal model (Wistar rats). Measuring of the lipid profile (triglycerides, total cholesterol, HDL, and LDL) in rat plasma after the consumption of vacuum-fried papaya chips was assessed. Also, microscopy tools were used to explain the relationship between processed food microstructure and carotenoid absorption. As the main results, we got first that the ripening stage 4 (41-55 % of skin yellowing) was the most suitable ripening stage for processing papaya fruit to obtain quality papaya chips. Second, we found that during vacuum frying of papaya only occurred the degradation of BCX (around 40-60 % losses), while an extractability increase of total BC (1.3-2.7-fold of its initial concentration) and total LYC (1.9-2.8-fold of its initial concentration) took place. Third, the incorporation of nitrogen during packaging and the use of unsaturated oil (soy oil) as frying medium best preserved the carotenoid content in papaya chips during storage. Finally, we found that the consumption of papaya chips did not alter the lipid profile in plasma of Wistar rats. Likewise, we showed that the presence of soy oil (rich in linoleic and α-linolenic acids) in vacuum-fried papaya chips favored the formation of a fine emulsion in diet mixtures given to rats. This phenomenon added to the globular lipid-dissolved form of provitamin A carotenoids (BC and BCX) had a significant positive effect on the bioconversion of BCX and BC in the liver of rats. In conclusion, our study demonstrated that vacuum frying is a suitable technology to produce a healthy fried snack with provitamin A carotenoids (145±21 - 249±44 μg RAE/100 g chip) and lycopene (13±2 - 34±5 mg /100 g chip). The increase of carotenoid absorption and extractability of carotenoids from papaya chips could be explained by a higher release of these compounds from papaya cell tissues due to the matrix structure disruption during vacuum frying and by the increase of their solubility enhanced by frying oil absorption in the chips. Vacuum-fried papaya chips could be part of a diversified diet for the population with carotenoid deficiencies.

L'objectif de cette recherche était d’obtenir un snack alternatif à base de papaye (Carica papaya L.) enrichi en caroténoïdes (β-carotène, BC; β-cryptoxanthine, BCX; et lycopène, LYC) et en acides gras essentiels (ω-6 et ω-3) en utilisant la technologie de friture sous vide. Nos principales questions de recherche pour cette étude sont: ¿Quels sont les principaux facteurs impliqués dans la dégradation des caroténoïdes lors de la friture sous vide et du stockage des chips de papaye? et ¿Dans quelle mesure le procédé de friture sous vide et l’huile utilisée modifient-ils la microstructure des chips de papaye et par conséquent son influence sur l’absorption et la bioconversion des caroténoides? Pour atteindre cet objectif, nous avons préalablement déterminé l'état de maturité le plus adapté afin d’obtenir des chips de papaye aux propriétés physico-chimiques et sensorielles appréciables. Nous avons ensuite modélisé les paramètres de friture sous vide et les conditions de stockage afin d'optimiser la teneur en caroténoïdes des chips de papaye en vue de consommateurs potentiels. De plus, les changements physico-chimiques des chips de papaye pendant la friture sous vide ont été évalué par rapport à la réactivité des caroténoïdes en tenant compte de la composition en acides gras de l’huile utilisée (soja: huile dite insaturée et palme: huile dite saturée). Enfin, nous avons étudié l'effet de la consommation de chips de papaye sur l'absorption et la bioconversion des caroténoïdes in vivo chez le rat. Le profil lipidique (triglycérides, cholestérol total, HDL et LDL) a été mesuré dans le plasma des rats après consommation des chips de papaye. De plus, des outils de microscopie ont été utilisés pour expliquer la relation entre la microstructure de l’aliment transformé et l'absorption des caroténoïdes. Les principaux résultats indiquent que l'état de maturité 4 (41 à 55% du jaunissement de la peau) était l'état le plus approprié pour traiter les fruits afin d'obtenir des chips de papaye de qualité. Nous avons également constaté une dégradation de la BCX (environ 40 à 60% de pertes) ainsi qu’une augmentation de l'extractibilité du BC total (1,3 à 2,7 fois sa concentration initiale) et du LYC total (1,9 à 2,8 fois sa concentration initiale) lors du traitement de friture sous vide. Enfin, le traitement à l’azote lors du stockage des chips associé à l’utilisation d'une huile non saturée (huile de soja) ont le mieux préservé la teneur en caroténoïdes des chips de papaye. Nous avons finalement montré que la consommation de chips de papaye ne modifiait pas le profil lipidique plasmatique chez le rat. De même, nous avons montré que l'huile de soja (riche en acides linoléique et α-linolénique) présente dans les chips de papaye favorisait la formation d'une émulsion fine dans les mixtures diététiques administrées aux rats. Ce phénomène, ajouté à la forme globulaire lipidique des caroténoïdes de pro-vitamine A (BC et BCX) dans les chromoplastes de la papaye a eu un effet positif significatif sur la bioconversion du BCX et du BC dans le foie des rats. En conclusion, notre étude a démontré que la friture sous vide est une technologie adaptée pour produire un snack diététique enrichi en caroténoïdes pro-vitaminique A (145±21 - 249±44 μg RAE/100 g de chips), et en lycopène (13±2 - 34±5 mg/100 g de chips). L'augmentation de l’absorption des caroténoïdes in vivo ainsi que de l'extractabilité des caroténoïdes des chips de papaye pourraient s’expliquer par une plus grande libération de ces composés lié au traitement de friture sous vide qui modifierait la structure de la matrice. De plus, l’augmentation de la solubilité des caroténoïdes a été améliorée par l'absorption d'huile de friture dans les chips de papaye. De ce fait, les chips de papaye frites sous vide pourraient faire partie d'un régime alimentaire diversifié pour des populations présentant des carences en vitamine A.