Cocoa, obtained from the beans of Theobroma cacao L., is the main component of chocolate, a widely appreciated “comfort food” for its ability to promote mental well-being and mood. The quality and flavor of cocoa are the result of a number of factors, including the cocoa variety, agricultural practices, environmental conditions and processing techniques. All of these contribute to the formation of taste, aroma and flavor, which characterize the different types of cocoa and consequently the chocolate that derives from them. Traceability of origin based on chemical fingerprints correlated with sensory profiles can be a good starting point for developing new products. Furthermore, to improve traceability and transparency, researchers are exploring methods that integrate instrumental and sensory analyses to establish robust geographical quality indicators, which could be useful for business purposes in choosing the cocoa to use based on the production origin according to the characteristics that are desired to be obtained in the finished product. The aim of this thesis is to chemically characterize at the molecular level cocoa products of different origins and to evaluate their similarities based on chemical markers responsible for sensory characteristics and molecules involved in mood regulation. The cocoa products tested are cocoa liquors from 5 different origins: Ivory Coast (CAV), Ecuador Arriba (ECUA), Ecuador CCN51 (ECUC), Ghana (GH) and Nigeria (NIG). The volatile components representing the volatilome of cocoa pastes were analyzed by headspace solid phase microextraction (HS-SPME) coupled with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). On the other hand, liquid chromatography coupled with UV-Vis detection (LC-UV/DAD) was employed to quantitatively determine methylxanthines, polyphenols and tetraisoquinolines that are related to pleasure and in particular to mood regulation. Chemometric and statistical analyses of specific chemical categories were performed to identify potential markers able to characterize the chemical profile of the five cocoa origins. HS-SPME-GC-MS analysis was conducted to investigate the set of volatile compounds and highlighted some differences between the origins, in particular the differences do not only concern different origins, but also samples within the same origin. The GH origin, for example, stands out significantly from the others due to a very high internal variability, while the ECUA and ECUC origins show a discrete similarity despite the different amounts of volatile compounds. The potential aromatic expression shows how the ECUA origin has a delicate sensory profile and almost no earthy notes, confirming the denomination "fine" cocoa compared to other origins such as GH in which there is a strong component of acid notes not appreciated by consumers. The analysis of the non-volatile chemical composition highlighted that flavonols and methylxanthines are the most abundant compounds in the five origins, with some significant differences: ECUA has the highest content of flavonols, while CAV shows the highest concentration of methylxanthines. Salsolinol and clovamide are present in very small quantities in all origins and do not show significant variations. These results suggest that the expression of terroir appears to have an impact on the chemical and bioactive components of cocoa, but with different degrees of variability depending on the origin and with a high internal variability.
Il cacao, ricavato dalle fave di Theobroma cacao L., è il componente principale del cioccolato, un “comfort food” ampiamente apprezzato, per la sua capacità nel favorire benessere mentale e tono dell’umore. Qualità e sapore del cacao sono il risultato di una serie di fattori, tra cui la varietà del cacao, le pratiche agricole, le condizioni ambientali e le tecniche di lavorazione. Tutto ciò concorre alla formazione di gusto, aroma e sapore, che caratterizzano i diversi tipi di cacao e di conseguenza il cioccolato che ne deriva. La tracciabilità dell’origine basata sulle impronte chimiche correlate ai profili sensoriali può essere un buon punto di partenza per sviluppare nuovi prodotti. Inoltre, per migliorare la tracciabilità e la trasparenza, i ricercatori stanno esplorando metodi che integrano analisi strumentali e sensoriali per stabilire solidi indicatori di qualità geografica, questi potrebbero risultare utili, ai fini aziendali, nella scelta del cacao da utilizzare in base all’origine di produzione in funzione delle caratteristiche che si desiderano ottenere nel prodotto finito. Lo scopo di questa tesi è quello di caratterizzare chimicamente a livello molecolare prodotti di cacao di differente origine e di valutarne le similarità basandosi su marcatori chimici responsabili delle caratteristiche sensoriali e su molecole coinvolte nella regolazione dell’umore. I prodotti di cacao testati sono paste di cacao provenienti da 5 origini diverse: Costa D’Avorio (CAV), Ecuador Arriba (ECUA), Ecuador CCN51 (ECUC), Ghana (GH) e Nigeria (NIG). Le componenti volatili che rappresentano il volatiloma di paste di cacao sono state analizzate mediante microestrazione in fase solida dello spazio di testa (HS-SPME) accoppiata con gascromatografia-spettrometria di massa (GC-MS). Dall’altra parte, la cromatografia liquida accoppiata a rilevamento UV-Vis (LC-UV/DAD) è stata impiegata per determinare quantitativamente metilxantine, polifenoli e tetraisochinoline che sono relazionati al piacere ed in particolare alla regolazione dell’umore. Analisi chemiometriche e statistiche di specifiche categorie chimiche sono state condotte per identificare potenziali marcatori in grado di caratterizzare il profilo chimico delle cinque origini di provenienza del cacao. L'analisi HS-SPME-GC-MS è stata condotta per indagare l’insieme dei composti volatili ed ha evidenziato alcune differenze fra le origini, in particolare le differenze non riguardano solo origini diverse, ma anche campioni all’interno della stessa origine. L’origine GH, ad esempio, si distingue notevolmente dalle altre a causa di una variabilità interna molto elevata, mentre le origini ECUA ed ECUC presentano una somiglianza discreta nonostante le diverse quantità di composti volatili. La potenziale espressione aromatica mostra come l’origine ECUA abbia un profilo sensoriale delicato e quasi privo di note terrose a conferma della denominazione cacao “fine” rispetto ad altre origini come GH in cui c’è una forte componente di note acide non apprezzate dai consumatori. L’analisi della composizione chimica non volatile ha evidenziato che flavonoli e metilxantine sono i composti più abbondanti nelle cinque origini, con alcune differenze significative: ECUA presenta il contenuto più elevato di flavonoli, mentre CAV mostra la maggiore concentrazione di metilxantine. Salsolinolo e clovammide sono presenti in quantità molto ridotte in tutte le origini e non mostrano variazioni rilevanti. Questi risultati suggeriscono che l’espressione del terroir sembra avere un impatto sulle componenti chimiche e bioattive del cacao, ma con gradi di variabilità differenti a seconda dell’origine e con un’alta variabilità interna.
Caratterizzazione chimica dell’aroma di cacao di origini differenti e relazione con il piacere.
GARBERO, CECILIA
2023/2024
Abstract
Il cacao, ricavato dalle fave di Theobroma cacao L., è il componente principale del cioccolato, un “comfort food” ampiamente apprezzato, per la sua capacità nel favorire benessere mentale e tono dell’umore. Qualità e sapore del cacao sono il risultato di una serie di fattori, tra cui la varietà del cacao, le pratiche agricole, le condizioni ambientali e le tecniche di lavorazione. Tutto ciò concorre alla formazione di gusto, aroma e sapore, che caratterizzano i diversi tipi di cacao e di conseguenza il cioccolato che ne deriva. La tracciabilità dell’origine basata sulle impronte chimiche correlate ai profili sensoriali può essere un buon punto di partenza per sviluppare nuovi prodotti. Inoltre, per migliorare la tracciabilità e la trasparenza, i ricercatori stanno esplorando metodi che integrano analisi strumentali e sensoriali per stabilire solidi indicatori di qualità geografica, questi potrebbero risultare utili, ai fini aziendali, nella scelta del cacao da utilizzare in base all’origine di produzione in funzione delle caratteristiche che si desiderano ottenere nel prodotto finito. Lo scopo di questa tesi è quello di caratterizzare chimicamente a livello molecolare prodotti di cacao di differente origine e di valutarne le similarità basandosi su marcatori chimici responsabili delle caratteristiche sensoriali e su molecole coinvolte nella regolazione dell’umore. I prodotti di cacao testati sono paste di cacao provenienti da 5 origini diverse: Costa D’Avorio (CAV), Ecuador Arriba (ECUA), Ecuador CCN51 (ECUC), Ghana (GH) e Nigeria (NIG). Le componenti volatili che rappresentano il volatiloma di paste di cacao sono state analizzate mediante microestrazione in fase solida dello spazio di testa (HS-SPME) accoppiata con gascromatografia-spettrometria di massa (GC-MS). Dall’altra parte, la cromatografia liquida accoppiata a rilevamento UV-Vis (LC-UV/DAD) è stata impiegata per determinare quantitativamente metilxantine, polifenoli e tetraisochinoline che sono relazionati al piacere ed in particolare alla regolazione dell’umore. Analisi chemiometriche e statistiche di specifiche categorie chimiche sono state condotte per identificare potenziali marcatori in grado di caratterizzare il profilo chimico delle cinque origini di provenienza del cacao. L'analisi HS-SPME-GC-MS è stata condotta per indagare l’insieme dei composti volatili ed ha evidenziato alcune differenze fra le origini, in particolare le differenze non riguardano solo origini diverse, ma anche campioni all’interno della stessa origine. L’origine GH, ad esempio, si distingue notevolmente dalle altre a causa di una variabilità interna molto elevata, mentre le origini ECUA ed ECUC presentano una somiglianza discreta nonostante le diverse quantità di composti volatili. La potenziale espressione aromatica mostra come l’origine ECUA abbia un profilo sensoriale delicato e quasi privo di note terrose a conferma della denominazione cacao “fine” rispetto ad altre origini come GH in cui c’è una forte componente di note acide non apprezzate dai consumatori. L’analisi della composizione chimica non volatile ha evidenziato che flavonoli e metilxantine sono i composti più abbondanti nelle cinque origini, con alcune differenze significative: ECUA presenta il contenuto più elevato di flavonoli, mentre CAV mostra la maggiore concentrazione di metilxantine. Salsolinolo e clovammide sono presenti in quantità molto ridotte in tutte le origini e non mostrano variazioni rilevanti. Questi risultati suggeriscono che l’espressione del terroir sembra avere un impatto sulle componenti chimiche e bioattive del cacao, ma con gradi di variabilità differenti a seconda dell’origine e con un’alta variabilità interna.| File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/20.500.14240/165145