Application of sustainable bio-preservation methods and predictive models to enhance the quality and microbial safety of strawberry and tomato

Abstract

The vegetable sector is associated with a large amount of food loss and waste. Vegetables pose high microbial risk since these products are widely consumed fresh or minimally processed and present a short shelf-life, contributing to an increase of postharvest waste. Tomato and strawberry are important fruits in terms of production and economic value at the international level. This Doctoral Thesis, enclosed in the project ‘BioFreshCloud’, aims to enhance the quality and microbial safety of strawberry and tomato by using sustainable bio-based strategies and predictive models. To this end, in the first instance, a review of the microbiota of different anatomical parts of strawberry and tomato was developed, highlighting the most relevant bacterial groups with bioprotective potential and discussing the advantages and limitations for their application in vegetable products. Bacillus spp., Pseudomonas spp. and lactic acid bacteria were identified as the most abundant microbial groups in both produces (Chapter I). Building on these findings, isolation and selection of bio-protective microorganisms from strawberry and tomato agricultural residues and the evaluation of their antibacterial and antifungal properties were carried out under in vitro conditions (Chapter II). Further, Chapter III introduces a novel mathematical approach that accurately predicts the probability of Botrytis cinerea germination in a strawberry simulation medium based on temperature and water activity, revealing that lower storage temperatures and optimal water activity levels can significantly reduce the growth of the mold. Advancing on strawberry post-harvest protection, a lignocellulose nanofibre-based edible coating, functionalized with raspberry leave extract and chitosan, was applied to strawberries inoculated with Aspergillus flavus. The efficacy of the coating formulation was assessed by image analysis. Results confirmed that coated fruits maintained superior visual quality and firmness during storage compared to untreated controls; however, fungal decay was not successfully reduced. Finally, a portable Vis-NIR spectrophotometer was used as a non-destructive, real-time method for assessing strawberry quality. A Reflectance Quality Index (RQI), derived from Vis-NIR spectrophotometry, combined with partial least squares regression models, achieved high predictive accuracy (R² = 0.95) for key quality parameters such as appearance, weight loss, colour, and firmness. Integration with a Cloud-based system enable continuous monitoring and data sharing across the supply chain, supporting decision-making to optimize shelf-life and minimize waste. Together, the results of this Doctoral Thesis represent a major advance in the application of different sustainable biopreservation approaches and predictive models to extend the shelf life of strawberry and tomato, contributing to food waste reduction in the fresh produce industry.

El sector de los vegetales es uno de los más relacionados con una mayor cantidad de pérdidas y desperdicio de alimentos. Los vegetales presentan un alto riesgo microbiológico, ya que estos productos se consumen principalmente frescos o mínimamente procesados y tienen una vida útil corta, lo que contribuye al aumento del desperdicio postcosecha. El tomate y la fresa son dos productos vegetales con una gran importancia a nivel mundial en términos de producción y valor económico. Esta Tesis Doctoral, enmarcada en el proyecto ‘BioFreshCloud’, tiene como objetivo mejorar la calidad y la seguridad microbiológica de la fresa y el tomate mediante el uso de estrategias sostenibles de base biológica y modelos predictivos. Para ello, en primer lugar, se realizó una revisión de la microbiota de las diferentes partes anatómicas de la fresa y el tomate, destacando los grupos bacterianos más relevantes con potencial bioprotector y discutiendo las ventajas y limitaciones de su aplicación en productos vegetales. Bacillus spp., Pseudomonas spp. y bacterias ácido lácticas fueron identificados como los grupos microbianos más abundantes en ambos productos (Capítulo I). A partir de estos hallazgos, se llevó a cabo el aislamiento y selección de microorganismos bioprotectores a partir de residuos agrícolas de fresa y tomate, así como la evaluación de sus propiedades antibacterianas y antifúngicas en condiciones in vitro (Capítulo II). Por otro lado, el Capítulo III introduce un novedoso enfoque matemático que predice con precisión la probabilidad de germinación de Botrytis cinerea en un medio de simulación de fresa, en función de la temperatura y la actividad de agua, demostrando que temperaturas de almacenamiento bajas y niveles óptimos de actividad de agua pueden reducir significativamente el crecimiento del moho. Avanzando en la protección postcosecha de la fresa, se aplicó un recubrimiento comestible a base de nanofibras lignocelulósicas, funcionalizado con extracto de hojas de frambuesa y quitosano, a fresas inoculadas con Aspergillus flavus. La eficacia de la formulación del recubrimiento se evaluó mediante análisis de imágenes. Los resultados confirmaron que las fresas recubiertas mantuvieron una mejor calidad visual y firmeza durante el almacenamiento en comparación con los controles no tratados; sin embargo, no se logró reducir con éxito la descomposición fúngica. Finalmente, se utilizó un espectrofotómetro Vis-NIR portátil como método no destructivo y en tiempo real para evaluar la calidad de la fresa. Un Índice de Calidad de Reflectancia (RQI), derivado de la espectrofotometría Vis-NIR, en combinación con modelos de regresión de mínimos cuadrados parciales, alcanzó una alta precisión predictiva (R² = 0,95) para parámetros clave de calidad como apariencia, pérdida de peso, color y firmeza. La integración con un sistema basado en la nube permite la monitorización continua y el intercambio de datos a lo largo de la cadena de suministro, facilitando la toma de decisiones para optimizar la vida útil y minimizar las pérdidas. En conjunto, los resultados de esta Tesis Doctoral representan un gran avance en la aplicación de diferentes enfoques de bioconservación sostenibles y modelos predictivos para extender la vida útil de la fresa y el tomate, contribuyendo a la reducción del impacto ambiental y del desperdicio alimentario en la industria de las frutas y vegetales.