title: Characterization of aroma and sensorial variation of basil and ginger during short-time drying process
Creators: name: Jiaqi, Liang
Publisher: name: Universität Hohenheim
Year: 2024
Subjects: subject: 500

description: Industries are increasingly interested in aromatic herbs and spices, such as basil and ginger, which play a crucial role in daily life as flavoring agents in foods, beverages, and pharmaceuticals. Basil, an annual herb from the mint family (Lamiaceae), is renowned for its wonderful “royal” fragrance and numerous health benefits. Ginger, one of the most widely consumed dietary spices worldwide, has seen a surge in interest due to its significant healthpromoting properties. In 2023, global market sales for basil leaves and ginger reached 50 million euros and 4.2 billion euros, respectively. As may other herbs and spices, basil and ginger are typically used in dried form to extend shelf life and facilitate transportation. However, the drying process significantly alter the aroma from fresh samples, reduce the quality of the final products and generate numerous by-products. This study aims to identify the off-odor compound(s) produced during basil drying process using molecular sensory techniques and to develop effective strategies to inhibit their formation. Additionally, ginger peel and ginger fiber by-products generated during the industrial and domestic use, as well as the spray drying process, were investigated and reintroduced into the procedure to preserve the aroma compounds of ginger and promote environmental sustainability. In the first part of the study, a method using stir bar sorptive extraction combined with gas chromatography-mass spectrometry-olfactory (SBSE-GC-MS-O) was established to analyse the aroma changes of basil and ginger during short-term spray drying. This approach was designed to maximize desorption efficiency for various odorants with diverse physicochemical properties under different desorption conditions through four types of mathematical modelling. Among these models, the Random Forest model demonstrated the highest performance and minimal errors, with an R value of 0.910 after validation using a dataset of six new compounds. In addition, the model determined that cryo-focusing temperature was the most important factor, followed by molecular weight, log P, boiling point, desorption temperature, desorption time, and helium flow. This algorithm can be further utilized to predict the optimal parameters for maximizing desorption efficiency in aroma analysis of basil and ginger by SBSE-GC-MS-O. Subsequently, to investigate the formation of the hay-like off-odor that lowers consumer acceptability in dried basil products, the responsible compound was identified in thawed, airdried, and spray-dried basil samples using a trained human panel (n = 10) and gas chromatography–mass spectrometry–olfactometry. 3-Methylnonane-2,4-dione (3-MND) was found to be the odorant contributing to the hay-like off-odor in all basil samples. In order to reduce this odorant, the effects of light, oxygen, and temperature on the formation of 3-MND during the processes of thawing, spray drying, and air drying were studied based on a potential pathway involving 3-MND precursors. The results revealed that controlling light exposure, employing nitrogen protective environment, and maintaining low temperatures are critical processing parameters for minimizing the generation of the hay-like compound 3-MND, thereby meeting consumer demands for high-quality dried basil products. Regarding the processing of ginger, the drying process generates a significant amount of ginger peel as an industrial by-product. To facilitate environmental sustainability and establish a reference for its potential applications, the effect of ginger peel on aroma, sensory profiles, and nutrition-related physicochemical properties was investigated. The total concentration of aroma compounds in unpeeled ginger was 1.3 times higher than that in peeled ginger, according to SBSE-GC-MS-O analysis. Sensory evaluation data indicated that unpeeled ginger had significantly enhanced citrus-like and fresh impressions compared to peeled ginger, which is associated with the higher odor activity values of odorants such as β-myrcene (pungent, citruslike), geranial (citrus-like), citronellal (citrus-like, sourish), and linalool (floral, fresh). Additionally, the total polyphenol content in unpeeled ginger was 7.96 mg/100 g higher than that in peeled ginger. Unpeeled ginger not only demonstrates more intense aromatic and sensory qualities but also offers superior nutritional and environmental benefits, making it a promising option for future global spice use and reducing ginger side streams. In the spray drying process of ginger, ginger fibre is also typically regarded as industrial byproduct, as ginger juice is often used as a feed material. To achieve sustainable development and produce a clean-labeled product, a split-stream spray-drying process was developed to address sugar-rich feed solutions by reintroducing ginger fiber in their natural composition as a carrier material, rather than treating them as a by-product. The characterizations of both feed materials were then compared. The method was optimized for aroma retention by adjusting the inlet and outlet temperatures to 220 ℃ and 80 ℃, respectively. Aroma decoding results using SBSE-GC-MS-O demonstrated that reintegrating ginger fiber significantly increased the concentration of eight key odorants, including hexanal, linalool, neral, borneol, geranial, citronellol, nonanoic acid, and α-bisabolol, in comparison to the concentration observed in ginger juice. This presents a promising solution for maximizing the utilization of ginger in spray drying, enhancing the aroma profiles of feed material, and addressing sustainability considerations in the food industry. Overall, the presented work comprehensively explores the challenges and potential solutions associated with the drying process of basil and ginger, highlighting the impact of various processing conditions on aroma and sensory properties. By identifying key off-odor compounds and optimizing techniques to reduce their formation, as well as investigating aroma profiles and sustainable approaches for utilizing by-products such as ginger peel and ginger fiber, this research offers valuable insights into improving both the aromatic quality and environmental sustainability of dried herb and spice products.
description: Die Industrie interessiert sich zunehmend für aromatische Kräuter und Gewürze wie Basilikum und Ingwer, die im täglichen Leben eine wesentliche Rolle als Aromastoffe in Lebensmitteln, Getränken und Arzneimitteln spielen. Basilikum, ein einjähriges Kraut aus der Familie der Lippenblütler (Lamiaceae), ist bekannt für sein wunderbares „königliches“ Aroma und bietet zahlreiche gesundheitliche Vorteile. Ingwer, eines der weltweit am häufigsten konsumierten Gewürze, hat aufgrund seiner erheblichen gesundheitsfördernden Eigenschaften auch an Interesse gewonnen. Im Jahr 2023 betrugen die weltweiten Marktentwicklungen für Basilikumund Ingwer jeweils 50 Millionen Euro, bzw.4,2 Milliarden Euro. Basilikum und Ingwer werden typischerweise in getrockneter Form verwendet, um die Haltbarkeit zu verlängern und den Transport zu erleichtern. Der Trocknungsprozess kann jedochdas Aroma im Vergleich zu den frischen Materialien erheblich verändern, die Qualität der Endprodukte weiter reduzieren und zahlreiche Nebenprodukte erzeugen. In dieser Studie sollen die beim Trocknungsprozess von Basilikum produzierten Off-Flavor-Verbindungen mit molekularen Sensorik-Techniken identifiziert werdenund effektive Strategien zur Hemmung deren Bildung entwicklet werden. Darüber hinaus wird zur Erhaltung der Aromaverbindungen von Ingwer und zur Förderung der Umweltverträglichkeit untersucht, in wie weit Ingwerschalen und Ingwerfasern, die während der industriellen und häuslichen Nutzung sowie im Sprühtrocknungsprozess entstehen, wieder in das Verfahren integriert werden können. Im ersten Teil der Studie wurde eine Methode entwickelt, um die Aromaveränderungen bei Basilikum und Ingwer während der kurzzeitigen Sprühtrocknung zu untersuchen. Diese Methode basiert auf direct immersion-stirbar-sorptiveextraktion kombiniert mit Gaschromatographie-Massenspektrometrie-Olfaktometrie (SBSE-GC-MS-O) Analyse. Der Ansatz wurde entwickelt, um die Desorptionseffizienz für verschiedene Aromastoffe mit unterschiedlichen physikochemischen Eigenschaften unter verschiedenen Desorptionsbedingungen durch vier Arten von mathematischen Modellen zu maximieren. Unter diesen Modellen zeigte das Random Forest-Modell mit einem R-Wert von 0,910 nach Validierung mit einem Datensatz von sechs Verbindungen, die höchste Leistung und die geringsten Fehler. Darüber hinaus zeigte das Modell, dass die Kryofokussierungstemperatur der wichtigste Faktor war, gefolgt von Molekulargewicht, log P, Siedepunkt, Desorptionstemperatur, Desorptionszeit und Heliumfluss. Dieser Algorithmus kann zukünftigt verwendet werden, um die optimalen Parameter für die Maximierung der Desorptionseffizienz in der Aromaanalyse von Basilikum und Ingwer mittels SBSE-GC-MS-O vorherzusagen. Im Anschluss wurde zur Untersuchung der Bildung des heuähnlichen Off-Flavors, der die Verbraucherakzeptanz bei getrockneten Basilikumprodukten verringert, in aufgetauten, luftgetrockneten und sprühtrockneten Basilikumproben mithilfe eines geschulten Sensorikpanels (n = 10) und Gaschromatographie-Massenspektrometrie-Olfaktometrie identifiziert. 3-Methylnonane-2,4-dion (3-MND) wurde als der Aromastoff identifiziert, der für das Off-Flavor in allen Basilikumproben verantwortlich ist. Um diesen Aromastoff zu reduzieren, wurden die Auswirkungen von Licht, Sauerstoff und Temperatur auf die Bildung von 3-MND, basierend auf einem potenziellen Weg, der 3-MND-Vorläufer beinhaltet, während der Prozesse des Auftauens, Sprühtrocknens und Lufttrocknens untersucht, Die Ergebnisse zeigten, dass die Kontrolle der Lichtmenge der Einsatz einer Stickstoffschutzumgebung und die Aufrechterhaltung niedriger Temperaturen entscheidende Verarbeitungsparameter zur Minimierung der Bildung der heuähnlichen Verbindung 3-MND sind, wodurch die Anforderungen der Verbraucher an hochwertige getrocknete Basilikumprodukte erfüllt werden. Bezüglich Ingwer wird beim Trocknungsprozess eine erhebliche Menge Ingwerschalen als industrielles Nebenprodukt erzeugt. Um die Umweltverträglichkeit zu fördern und eine Referenz für mögliche Anwendungen zu schaffen, wurde der Einfluss der Ingwerschalen auf Aroma, sensorische Profile und ernährungsbezogene physikochemische Eigenschaften untersucht. Die gesamte Konzentration der Aromaverbindungen in ungeschältem Ingwer war laut SBSE-GC-MS-O-Analyse 1,3-mal höher als die in geschältem Ingwer. Sensorevaluierungsdaten zeigten, dass ungeschälter Ingwer im Vergleich zu geschältem Ingwer deutlich intensivere Zitrus- und Frischeindrücke vermittelte, was mit den höheren Aromawerten der Aromastoffewie β-Myrcen (stechend, zitrusartig), Geranial (zitrusartig), Citronellal (zitrusartig, sauer) und Linalool (blumig, frisch) in Zusammenhang steht. Darüber hinaus war der gesamte Polyphenolgehalt in ungeschältem Ingwer um 7,96 mg/100 g höher als der in geschältem Ingwer. Ungeschälter Ingwer weist nicht nur intensivere aromatische und sensorische Qualitäten auf, sondern bietet auch überlegene ernährungsbezogene und ökologische Vorteile, was ihn zu einer vielversprechenden Option für den zukünftigen globalen Gewürzgebrauch und zur Reduzierung von Ingwer-Nebenströmen macht. Im Sprühtrocknungsprozess von Ingwer wird Ingwerfaser ebenfalls typischerweise als industrielles Nebenprodukt betrachtet, da Ingwersaft oft als Hauptrohstoff verwendet wird. Zur Förderung der nachhaltigen Entwicklung und zur Herstellung eines sauber gekennzeichneten Produkts wurde ein Split-Stream-Sprühtrocknungsverfahren entwickelt, das sich mit zuckerreichen Feed streams beschäftigt, indem Ingwerfasern in ihrer natürlichen Zusammensetzung als Trägermaterial wieder eingeführt werden, anstatt sie als Nebenprodukt zu behandeln. Die Charakterisierungen beider Rohstoffe wurden anschließend verglichen. Die Methode wurde zur Aromaerhaltung optimiert, indem die Einlass- und Auslasstemperaturen auf 220°C bzw. 80°C eingestellt wurden. Die Aroma-Dekodierung mittels SBSE-GC-MS-O zeigten, dass die Wiederverwendung von Ingwerfasern die Konzentration von acht wichtigen Geruchsstoffen, darunter Hexanal, Linalool, Neral, Borneol, Geranial, Citronellol, Nonansäure und α-Bisabolol, im Vergleich zur Konzentration im Ingwersaft erheblich erhöhte. Dies stellt eine vielversprechende Lösung dar, um die Nutzung von Ingwer im Sprühtrocknungsprozess zu maximieren, die Aromaprofile des Endprodukts zu verbessern und Nachhaltigkeitsaspekte in der Lebensmittelindustrie zu berücksichtigen. Insgesamt bietet die vorliegende Arbeit eine umfassende Untersuchung der Herausforderungen und potenziellen Lösungen im Zusammenhang mit dem Trocknungsprozess von Basilikum und Ingwer. Sie hebt die Auswirkungen verschiedener Verarbeitungsbedingungen auf Aroma und sensorische Eigenschaften hervor. Durch die Identifizierung von Haupt. Off-Flavor-Verbindungen und die Optimierung von Techniken zur Reduzierung ihrer Bildung sowie durch die Untersuchung von Aromaprofilen und nachhaltigen Ansätzen zur Nutzung von Nebenprodukten wie Ingwerschalen und Ingwerfasern liefert diese Forschung wertvolle Einblicke zur Verbesserung sowohl der aromatischen Qualität als auch der Umweltverträglichkeit von getrockneten Kräuter- und Gewürzprodukten.