Molecular characterization of cocoa beans from different geographical origins: a metabolomics approach with a focus on peptides, amino acids and aroma compounds

Abstract

Il cacao (Theobroma cacao L.) e il cioccolato sono fra i prodotti alimentari più apprezzati nel mondo. Il nome 'Theobroma' significa 'cibo degli dei', sottolineando le quasi divine qualità nutritive del cacao e del cioccolato. I prodotti a base di cacao sono ottenuti a partire dalle fave di cacao, che rappresentano i semi della pianta del cacao, la quale cresce in una zona geografica limitata, di circa 20 gradi a nord e a sud dell'equatore. I prodotti a base di cioccolato sono ottenuti con un processo costituito da più fasi eseguite in parte nei paesi di origine (fermentazione ed essiccazione) e in parte nei paesi industrializzati in cui le grandi industrie di cacao applicano tecnologie avanzate come la tostatura, l’alcalinizzazione, il concaggio e il temperaggio. Mentre il processo di lavorazione del cacao e del cioccolato beneficia delle più recenti tecnologie, la qualità delle materie prime per la produzione del cacao necessita di essere migliorata attraverso un migliore controllo delle fasi post raccolta, come ad esempio la fermentazione e l’essiccazione. I temi di ricerca attuali più innovativi vertono sullo sviluppo di prodotti a base di cacao di alta qualità. In questo contesto, prodotti di cacao con proprietà salutistiche meglio definite e prodotti di cacao di alta qualità di una specifica dichiarata provenienza geografica sono due importanti tendenze del mercato che spingono la ricerca e sviluppo delle grandi aziende di cacao. La qualità finale dei prodotti di cacao e la concentrazione dei composti bioattivi dipendono dalla composizione chimica delle fave di cacao la quale è fortemente influenzata dalla varietà / ibridi e, ancor più, dalle tecniche di post-raccolta come la fermentazione ed l’essiccazione. Tutti i fattori citati sono strettamente legati alla tradizione locale di lavorazione del cacao sviluppata nei paesi produttori; quindi, l'origine geografica del cacao è di estrema importanza per la definizione dei prodotti finiti del cacao di qualità. Le proteine del cacao sono la frazione che subisce le modificazioni più intense durante la fermentazione: le reazioni microbiologiche ed enzimatiche portano ad una rilevante degradazione delle proteine delle fave di cacao, originando peptidi e aminoacidi, i più importanti precursori dell’ aroma. Queste modifiche si riflettono sulla composizione chimica del cacao e dei prodotti derivati. L'obiettivo globale di questa tesi di dottorato è quello di ottenere una caratterizzazione molecolare dettagliata di fave di cacao fermentate provenienti dai principali Paesi produttori diffusi in tutta la zona equatoriale, al fine di meglio comprendere le modificazioni chimiche che si verificano durante la fermentazione, la loro influenza sulla qualità del cacao ed anche l'influenza dell’ origine geografica. La caratterizzazione chimica è stata effettuata attraverso un approccio analitico integrato che combina la metabolomica, la volatilomica e una approfondita caratterizzazione della frazione azotata in termini di peptidi, aminoacidi liberi e D-ammino acidi.

Cocoa (Theobroma cacao L.) and chocolate are among the most appreciate food commodities around the world. The name ‘theobroma’ means ‘the food of the gods’, underlining the almost divine, nourishing qualities of cocoa and chocolate. Cocoa products are obtained starting from cocoa beans, which represent the seeds of cocoa tree, growing in a limited geographical zone, of approximately 20 degrees to the north and south of the Equator. Cocoa based products are obtained by a multistep process performed in part in the countries of origin (cocoa beans fermentation and drying) and in part in the developed countries where large cocoa industries applied advanced technologies as roasting, ditching, conching and tempering. Whereas cocoa processing and chocolate manufacturing benefit from the most recent technologies, the quality of raw materials for chocolate making can still be improved through better-controlled postharvest processing, such as fermentation and drying. The current most innovative issues in cocoa research deal with the development of high quality cocoa products. In this context, cocoa products with improved and well-established health properties and premium cocoa products of a specific declared geographical origin are two important market trends training the research and development of the major cocoa Companies. The final quality of cocoa products and the concentration of bioactive compounds depend on the chemical composition of the cocoa beans that is greatly affected by the cocoa variety/hybrids and, even more, by the post-harvest practices as fermentation and drying. All the cited factors are strictly linked to the traditional cocoa primary processing developed in the producing Countries; therefore, the geographical origin of cocoa is of outmost importance in defining the final cocoa products quality. Proteins are the cocoa fraction that undergoes the most intense modification during fermentation: microbiological and enzymatic reactions lead to extensive breakdown of the cocoa seed proteins, originating peptides and amino acids, the most important flavor precursors. These modification were reflected on the chemical composition of cocoa and derived products. The global aim of this PhD thesis is to obtain a detailed molecular characterization of fermented cocoa beans coming from all the major cocoa producing Countries spread all over the equatorial zone, in order to better understand the chemical modifications occurring during fermentation, their influence on cocoa quality and the influence of geographical origin. Chemical characterization was performed through an integrated analytical approach combining metabolomics, volatilomics and a specific characterization of nitrogenous fraction in terms of peptides, free amino acids and D-amino acids.