Metabolomics analysis to improve the quality of extra virgin olive oil

Abstract

In recent years, virgin olive oil (VOO), and specifically the extra virgin olive oil (EVOO) category, has experienced a growing interest in the society due to its exclusive health and organoleptic properties. The diversity of the chemical families found in this product is responsible for these properties, which are influenced by a wide number of factors. Therefore, the main objective of this Thesis was to study the influence of different factors on three of these families of compounds that play a critical role in the quality. Specifically, volatile compounds, phenols and fatty acids were the studied families. To this end, a method for the qualitative and semiquantitative analysis of volatile components in VOOs was first optimized by HS-GC–MS. From this optimization, the equilibration temperatures were evaluated to reduce degradation processes during the volatiles extraction. A second analytical method was developed with the implementation of a TOF detection system as novel aspect. The method was applied to a set of samples that allowed identifying the genotype as the main factor responsible for the variability of this composition, with particular emphasis on those volatiles formed through the lipoxygenase pathway. In addition, the main volatiles responsible for the discrimination between cultivars were associated with the concentrations of the main fatty acids. On the other hand, the fatty acids profile was characterized in a total of 71 and 45 cultivars monitored in two and three crop seasons, respectively, in order to evaluate the influence of genotype and interannual factors on this profile. The variations were mainly associated with the cultivar, although trends were also observed in relation to the harvesting year, which correlated with the accumulated precipitation during the fruit ripening period, highlighting a significant decrease in the mean concentration of monounsaturated fatty acids and an increase in the saturated and polyunsaturated fatty acids when this precipitation was lower. Furthermore, the organoleptic evaluation, which is exclusive to this product, is included in the quality parameters and defined by the median value of fruitiness together with the median defect. The fruitiness intensity could be correlated with the metabolic changes affecting to C5 and C6 volatiles produced in the lipoxygenase pathway. The conversion from 3-hexenal to 2-hexenol or 3-hexenol was distinctive for the intensity of fruitiness. In addition, EVOOs with a high intensity of fruitiness were associated with the “Green” fruitiness and those described a “Medium” fruitiness intensity were related to “Ripen” fruitiness. Other proposed attributes evaluated in this Thesis were bitterness and pungency, which have been shown to be related to the phenolic composition of the VOO. We could observe different contributions by the individual phenolic content, associated with the metabolic pathway, for both attributes evaluated by a panel test. Thus, the bitterness intensity was mainly explained by oleuropein and ligstroside aglycones, although oleomissional and oleokoronal efficiently discriminated EVOOs with a “Robust” intensity, while the variations in pungency were described by oleomissional, oleokoronal and oleocanthal contents. Finally, the influence of the cultivar on the phenolic content during the VOO extraction process was studied, where the fatty acids profile and the fruit moisture content played a relevant role due to their effect on the polarity of the phases and the enzymatic activity.

En los últimos años el aceite de oliva virgen (AOV), y concretamente el aceite de oliva virgen extra (AOVE), han experimentado un creciente interés en la sociedad debido a sus propiedades exclusivas relacionadas con la salud y con su aroma y sabor. La diversidad de familias químicas presentes en este producto son las responsables de estas propiedades, las cuales se ven influenciadas por un gran número de factores. Así, el principal objetivo de esta Tesis fue estudiar la influencia de diversos factores sobre la variabilidad en tres de estas familias de compuestos con un papel crítico en la calidad. Concretamente, las familias estudiadas son las de los compuestos volátiles, los fenoles y los ácidos grasos. Para ello, primero se llevó a cabo la optimización de un método para el análisis cualitativo y semicuantitativo de componentes volátiles en AOVs mediante HS– GC–MS. A partir de esta optimización, se evaluaron las temperaturas de equilibrio para disminuir la aparición de procesos de degradación durante la extracción de volátiles. Además, se desarrolló un segundo método que implementó como novedad un sistema de detección TOF. El método fue aplicado a un conjunto de muestras que permitió identificar el genotipo como el principal factor responsable de la variabilidad de esta composición, con especial énfasis en aquellos volátiles producidos a partir de la ruta de la lipoxigenasa. Además, los principales volátiles responsables de la discriminación entre las variedades se asociaron con las concentraciones de los ácidos grasos mayoritarios. Por otro lado, para conseguir el objetivo de evaluar la influencia del genotipo y de factores interanuales sobre el perfil de ácidos grasos se caracterizó esta familia en un total de 71 y 45 genotipos obtenidos en dos y tres temporadas agronómicas, respectivamente. Las variaciones se asociaron principalmente a la variedad, aunque además se pudieron observar tendencias asociadas al año de cultivo, que se correlacionaron con la precipitación acumulada durante el período de maduración del fruto, destacando una disminución significativa del contenido medio de ácidos grasos monoinsaturados y un aumento de los ácidos grasos saturados y poliinsaturados, cuando dicha precipitación fue menor. Asimismo, dentro de los parámetros de calidad se encuentra la evaluación organoléptica, la cual es exclusiva de este producto, definida por el valor de la mediana del frutado junto con la mediana del defecto. La intensidad del frutado se pudo correlacionar con los cambios metabólicos en la formación de volátiles C5 y C6 producidos en la ruta de la lipoxigenasa. La conversión de 3-hexenal a 2- hexenol o 3-hexenol fue distintiva de la intensidad de frutado. Además, los AOVEs con una intensidad de frutado alta se asociaron con el frutado “Verde” y los que describían una intensidad de frutado “Medio” se asociaron con un frutado “Maduro”. Otros atributos evaluados en esta Tesis fueron el amargo y el picante, los cuales han demostrado tener una relación con la composición fenólica del AOV. Pudimos observar una contribución diferente por parte del contenido fenólico individual, asociada con la ruta metabólica, para ambos atributos evaluados por un panel de cata. Así, la intensidad del amargor se explicó principalmente por las agliconas de oleuropeína y ligstrósido, aunque el oleomissional y oleokoronal discriminaban eficientemente a los AOVEs con una intensidad “Robusta”, mientras que las variaciones del picor se describieron por el contenido de oleomissional, oleokoronal y oleocanthal. Por último, se evaluó la influencia de la variedad sobre el contenido fenólico durante el proceso de extracción del AOV, en la que influyen el perfil de ácidos grasos y la humedad del fruto debido a su efecto sobre la polaridad de las fases y la actividad enzimática.