Enhancement of antioxidant content of Elderberry - McGill University

145 Pages·2010·2.85 MB·English

Enhancement of the antioxidant content of  
elderberry (Sambucus nigra) fruit by pulsed ultraviolet light 
followed by spray drying of the elderberry juice 

Ramesh Murugesan 

Department of Bioresource Engineering 
Faculty of Agricultural & Environmental Sciences 
McGill University 
Ste Anne de Bellevue, Quebec, Canada 
June 2010 

A thesis submitted to McGill University in partial fulfillment of the 
requirements for the degree of Master of Science 

© Ramesh Murugesan 2010
ABSTRACT  
RAMESH MURUGESAN  
 M.Sc. (Bioresource Engineering)   
Enhancement of the antioxidant content of elderberry (Sambucus nigra) fruit by pulsed 
ultraviolet light followed by spray drying of the elderberry juice 
Atoms or groups of atoms with unpaired numbers of electrons are called free radicals 
with the potential to damage cells by reacting with cell components and these damages may 
lead to diseases such as cancer and accelerate the aging process.  Fruits and vegetables contain 
a  variety  of  antioxidant  compounds  and  these  antioxidants  are  important  free  radical 
scavengers. Elderberries (Sambucus nigra) are gaining attention since many researchers have 
demonstrated  their  high  polyphenols  and  anthocyanin  content  and  their  bioavailable 
antioxidant properties.  
Pulsed  light  treatments  are  mainly  used  for  disinfection  purposes.  Considerable 
research has been done to enhance the nutritional value of fruits using continuous UV light; 
however the application of pulsed UV light technology in functional development in foods is in 
its budding stage. The changes in total phenolic compounds in elderberry (Sambucus nigra) 
treated with various pulsed ultraviolet rays (UV) were investigated. Four pulsed UV durations 
(i.e. 5, 10, 20, 30 seconds) at three energy dosages (i.e. 0.45, 0.6, 1.1 J/cm2/pulse) were 
considered for this research. The highest increment in total phenolics, around 50%, was found 
with 1.1J/cm2/pulse for a 10 seconds treatment. Even though most of the treatments indicated 
an increase in total polyphenols, some treatments resulted in a decrease in phenolics when 
compared to the control.  
Spray drying of elderberry juice was investigated with varying air inlet temperature and 
feed flow rate. These operating parameters were optimized in terms of total phenolic content 
retention, color and recovery percentage of spray dried powder. The inlet temperature of 80°C 
with feed flow rate of 180 mL/hr gave better phenolic content retention but lower recovery of 
the powder i.e. less than 50%. To increase the recovery percentage, the elderberry juice was 
spray dried with five different wall materials, namely gum acacia, maltodextrin, soya protein 
powder, soya milk powder and isolated soya protein. Wall materials were evaluated in terms of 
ii
total phenolic content retention, color of the powder and recovery percentage. The gum acacia 
and maltodextrin gave better results and higher recovery percentage with more than 70% 
powder recovery.  In the storage stability evaluation, gum acacia turned out to be the best wall 
material with high phenolic content retention and low degradation in powder color. 

iii
RÉSUMÉ 
Ramesh Murugesan 
 M.Sc. (Génie des bioressources) 

Amélioration de la teneur en antioxydants de baies de sureau (Sambucus nigra) par 
traitement ultraviolet et atomisation du jus de sureau 
Les atomes ou groupes d'atomes avec un nombre impair d'électrons sont appelés des 
radicaux libres qui  ont un fort potentiel dommageable sur les cellules et ces dommages 
peuvent  conduire  à  de  nombreuses  maladies  comme  le  cancer  et  peuvent  accélérer  le 
processus de vieillissement. Les fruits et les légumes contiennent une variété de composés 
antioxydants et ces antioxydants sont d’importants piégeurs de radicaux libres.  La baie de 
sureau  (Sambucus  nigra)  attire  l'attention  des  chercheurs  de  par  sa  forte  propriété 
antioxydante.   
  Les traitements pulsés à la lumière UV sont principalement utilisés pour des fins de 
désinfection.  De la recherche a été menée par plusieurs pour l’utilisation des rayons UV en 
continu  pour  l’amélioration  de  la  valeur  nutritive  de  fruits,  cependant  l’utilisation  d’un 
traitement pulsé UV pour le développement fonctionnel des aliments n’en est qu’à ses débuts.  
La  concentration  en  polyphénols  de  baies  de  sureau  (Sambucus  nigra)  traitées 
par différents rayons ultraviolets pulsés (UV) a été étudiée. Quatre durées de traitement UV 
pulsé (soit 5, 10, 20, 30 secondes) à trois doses d'énergie (soit 0,45, 0,6, 1,1 J/cm2/pulse) ont 
été considérées. La plus forte augmentation du nombre de composés phénoliques totaux, soit 
environ 50%, a été notée avec un traitement de 1.1 J/cm2/pulse pendant 10 secondes. Même si 
la plupart des traitements ont indiqué une augmentation en polyphénols totaux, certains 
traitements ont amené une diminution des composés phénoliques par rapport au contrôle. 
Le  séchage  par  atomisation  a  été  étudié  à  différentes  températures  et  débit 
d'alimentation pour le jus de baie de sureau.  Ces paramètres de séchage ont été optimisés en 
fonction  de  la  conservation  des  phénols  totaux,  de  la  couleur  et  du  pourcentage  de 
récupération de la poudre.  La température d'entrée de 80 ° C avec un débit d'alimentation de 
180  mL/h  furent  sélectionnés  pour  leur  meilleure  rétention  des  composés  phénoliques, 
iv
cependant la récupération de la poudre était inférieure à 50%. Pour augmenter le pourcentage 
de récupération de la baie de sureau, le jus a été séché par atomisation avec cinq différents 
matériaux d’enrobage, soit gomme acacia, maltodextrine, poudre de protéines de soja, poudre 
de lait de soja et protéines de soja isolées. Les matériaux d’enrobage ont été évalués en 
fonction de la conservation des contenus en phénols totaux, la couleur de la poudre et le 
pourcentage de récupération de la poudre. La gomme acacia et la maltodextrine ont donné de 
meilleurs résultats et les plus hauts pourcentages de récupération de la poudre à plus de 70%.  
Lors de l’étude de la stabilité des poudres, la gomme acacia s’est avérée offrir la meilleure 
protection pour les polyphénols du sureau. 

v
ACKNOWLEDGMENTS 
  It gives a lot of pleasure and pride to work under the supervision of Dr. Valérie Orsat. 
Her intelligence, support and guidance played a vital role in completing this study. Her advice 
and guidance in my personnel concerns are admirable. I am grateful to her for giving me this 
opportunity.  
  My special thanks to Dr. G. S. Vijaya Raghavan for his encouragement and professional 
guidance, both in the academic and personal segments of my period of study. 
  I am obliged to Mr. Yvan Gariépy and Dr. Darwin Lyew for all the technical assistance 
and guidance in every part of this work. I am grateful to them for their help and support in 
different stages of this study.  I am grateful to the Gariépy Orchard and Family Farm in Franklin, 
QC, Canada for allowing us to harvest the elderberry straight from their fields.   
  I appreciate the help of Dr. Michael Ngadi in giving access to the deep freezer. I am 
grateful  to  Dr.  Mark  Lefsrud  for  allowing  access  to  the  freeze‐dryer  for  the  analytical 
preparations in this study. 
My hearty thanks to my mother Mrs. Usha Murugesan for her constant moral and 
financial support during my studies.  
Bunch of thanks to my wife, Ms. Selvakumari Arunachalam for her moral support and 
encouragement during my studies at McGill.      
  I extend my gratitude to all my friends who helped making my stay comfortable and 
gave me good moral support. 

vi
CONTRIBUTIONS OF THE AUTHORS 
This study was performed by the candidate and supervised by Dr. Valérie Orsat of the 
Department of Bioresource Engineering, Macdonald Campus, McGill University, Ste‐Anne‐de‐ 
Bellevue,  Canada.  The  entire  research  work  was  done  in  Dr.  Valérie  Orsat’s  laboratory, 
Department of Bioresource Engineering McGill University.  
The authorships for the papers from this research work are as follows,   

1) Spray drying for the production of nutraceutical ingredients – a review 
Ramesh Murugesan and Valérie Orsat 
2) Enhancement  of  antioxidant  content  of  Elderberry  (Sambucus  nigra)  by  pulsed 
Ultraviolet light 
Ramesh Murugesan and Valérie Orsat 
3) Spray  drying  of  Elderberry  (Sambucus  nigra)  juice  with  gum  acacia,  soya  protein 
powder, soya milk powder, maltodextrin and isolated soya protein  
Ramesh Murugesan and Valérie Orsat 

vii
TABLE OF CONTENTS 
CHAPTER – I 
GENERAL INTRODUCTION .......................................................................................... 1 
1.1 Introduction ..................................................................................................... 1 
1.2 Hypothesis ........................................................................................................ 4 
1.3 Objectives ......................................................................................................... 5 
CHAPTER II 
LITERATURE REVIEW .................................................................................................. 6 
2.1 Berry fruits ....................................................................................................... 6 
2.1.1 Berry antioxidants ......................................................................................... 7 
2.1.1.1 Berry phenolics ........................................................................................... 7 
2.1.1.2 Berry anthocyanins ..................................................................................... 7 
2.1.1.3 Vitamin C in berries .................................................................................... 8 
2.1.2 Wild berries ................................................................................................... 9 
2.1.3 Elderberry (Sambucus nigra) ........................................................................ 10 
2.1.3.1 Use of elderberry for medicinal purpose…………………………………………………12 
2.2 Plant stresses……………………………………………………………………………………………….13  
2.2.1 Effect of abiotic stresses on various fruits and vegetables ........................... 14 
2.3 Ultraviolet light .............................................................................................. 15 
2.3.1 Sources of UV light ...................................................................................... 16 
2.3.2 Applications of UV light ............................................................................... 17 
2.3.2.1 Disinfection .............................................................................................. 17 
2.3.2.1.1 Surface disinfection ............................................................................... 17 
2.3.2.1.2 Fluid disinfection (Liquid & Air) .............................................................. 18 
viii
2.3.2.1.2.1 Liquid disinfection ............................................................................... 18 
2.3.2.1.2.2 Air disinfection .................................................................................... 18 
2.3.2.2 Ultraviolet radiation in decontamination of foods .................................... 18 
2.3.2.3 UV treatment for fruits and vegetables..................................................... 19 
2.3.2.4 UV treatment for fruits and vegetables to enhance nutritional value ....... 20 
2.4 Pulsed light technology ................................................................................... 22 
2.4.1 Principle of pulsed light ............................................................................... 22 
2.4.2 Pulsed light in microbial inactivation of Foods ............................................. 23 
2.4.3 Pulsed ultraviolet verses continuous UV in microbial inactivation ............... 24 
2.4.4 Pulsed light treatment and food quality ...................................................... 24 
2.5 Spray drying ................................................................................................... 25 
2.6 Applications of spray drying in nutraceuticals ................................................. 27 
2.6.1 Vitamins ...................................................................................................... 27 
2.6.2 Minerals ...................................................................................................... 31 
2.6.3 Antioxidants ‐ colors .................................................................................... 32 
2.6.4 Flavours ....................................................................................................... 34 
2.6.5 Essential fatty acids ..................................................................................... 38 
CHAPTER III 
Enhancement of antioxidant content of Elderberry (Sambucus nigra) fruit by                          
pulsed Ultraviolet light ............................................................................................ 40 
3.1 Abstract .......................................................................................................... 40 
3.2 Introduction ................................................................................................... 40 
3.3 Materials and methods ................................................................................... 43 
3.3.1 Reagents and standards ............................................................................... 43 
ix
3.3.2 Sample preparation ..................................................................................... 43 
3.3.3 Pulsed UV light system ................................................................................ 43 
3.3.4 Determination of polyphenolic content ....................................................... 45 
3.3.5 Statistical analysis ........................................................................................ 46 
3.4 Results and discussion .................................................................................... 46 
3.5 Summary and conclusion ................................................................................ 52 
3.6 References ...................................................................................................... 53 
CHAPTER IV 
Spray drying of elderberry (Sambucus nigra) juice with different wall materials ..... 60 
4.1 Abstract .......................................................................................................... 60 
4.2 Introduction ................................................................................................... 60 
4.3 Materials and methods ................................................................................... 63 
4.3.1 Elderberry juice preparation ........................................................................ 63 
4.3.2 Reagents and standards ............................................................................... 63 
4.3.3 Wall materials ............................................................................................. 63 
4.3.4 Spray drying equipment .............................................................................. 63 
4.3.5 Total phenolic content (TPC) determination ................................................ 64 
4.3.6 Color measurement ..................................................................................... 64 
4.3.7 Mass recovery percentage determination ................................................... 64 
4.3.8 Actual phenol content (APC) determination ................................................ 65 
4.3.9 Statistical analysis ........................................................................................ 65 
4.3.10 Storage studies .......................................................................................... 65 
4.4 Results and discussion .................................................................................... 66 
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